CN114417545A - 一种融合在轨维修策略的飞行器可靠性建模方法 - Google Patents

Abstract

一种融合在轨维修策略的飞行器可靠性建模方法，首先，利用策略评分算法确定在轨维修设备(ORU)维修策略，确保维修策略合理，在有限资源下可以有效提高产品可靠性；其次，根据在轨维修设备(ORU)维修策略的不同组合，识别不同维修策略对系统可靠性的影响，确定维修策略与可靠性建模的对应关系；最后，依据维修策略与可靠性建模对应关系判断准则，确定ORU可靠性建模类型，并纳入系统可靠性模型。本发明通过明确在轨维修策略判据，并将不同的维修策略与可靠性模型一一对应，使在轨维修策略纳入可靠性模型，确保飞行器可靠性模型的全面、有效，为确保设计方案有效、开展后续各项可靠性工作奠定基础。

Description

一种融合在轨维修策略的飞行器可靠性建模方法

技术领域

本发明涉及一种融合在轨维修策略的飞行器可靠性建模方法，尤其适用于具有在轨维修能力的飞行器使用的一种可靠性建模方法。

背景技术

随着飞行器在轨工作时间不断提高，以空间站任务为代表，设计寿命要求不少于15年。为提高任务可靠性，除了对关键产品采取多重冗余措施外，在轨维修是延长可在轨维修飞行器使用寿命、提高系统可靠性的重要手段。

可维修产品与不可维修产品相比，需要开展更多的研制工作，配置更多的资源。如除常规产品设计验证外，ORU需要满足工效要求，增加操作间距及辅助设施，确保机电接口操作安全、方便；需要开展维修性验证，其中以水下试验代价较大；需要规划备件上行、投产。因此，制定合理的在轨维修策略判据是优化在轨维修方案、提高产品可靠性、达到费效比优化的必要条件。

通过分析，目前飞行器的可靠性模型主要考虑飞行器正在运行设备的可靠性(简称平台可靠性)，未将产品可维修能力纳入建模范围，忽略了在轨维修备件虽不参与平台工作但仍对提高系统可靠性存在的贡献，更无法反映不同维修策略对系统可靠性的提升效果，导致系统可靠性评估偏保守，并可能造成维修保障资源的浪费。融合在轨维修策略的飞行器可靠性建模方法需要解决以下问题：

1)综合权衡产品寿命特征、可靠性设计方案及故障影响程度，确定合理的在轨维修策略；

2)将运行系统的可靠性与系统可维修能力有机结合，体现原有系统冗余设计与产品维修性设计的相互关系，反映在可靠性建模中；

3)根据系统工作模式，充分反映不同维修类型(预防性维修、修复性维修)ORU对系统可靠性提升的差异，体现预防性维修提前补救的特点，反映在可靠性建模中；

4)根据产品影响程度和备件策略，充分反映在轨备件与地面备件对系统可靠性提升的差异，体现在轨备件及时性的特点，反映在可靠性建模中。

发明内容

本发明要解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提供了一种融合在轨维修策略的飞行器可靠性建模方法，首先，利用策略评分算法确定在轨维修设备(ORU)维修策略，确保维修策略合理，在有限资源下可以有效提高产品可靠性；其次，根据在轨维修设备(ORU)维修策略的不同组合，识别不同维修策略对系统可靠性的影响，确定维修策略与可靠性建模的对应关系；最后，依据维修策略与可靠性建模对应关系判断准则，确定ORU可靠性建模类型，并纳入系统可靠性模型。本发明通过明确在轨维修策略判据，并将不同的维修策略与可靠性模型一一对应，使在轨维修策略纳入可靠性模型，确保飞行器可靠性模型的全面、有效，为确保设计方案有效、开展后续各项可靠性工作奠定基础；且合理反映在轨维修对产品可靠性提高的贡献，较为客观、准确地反映了飞行器任务可靠性水平。

本发明目的通过以下技术方案予以实现：

一种融合在轨维修策略的飞行器可靠性建模方法，包括如下步骤：

步骤一、根据ORU寿命特性、故障严酷度等级、冗余状态、寿命参数特征，确定ORU的维修策略；

步骤二、根据ORU维修策略，依据在轨维修策略与可靠性模型对应关系判定准则，确定ORU可靠性建模类型；

步骤三、根据步骤二确定的可靠性建模类型，按并联模型或冷贮备模型，与原运行系统的可靠性模型合并，得到融合在轨维修策略的系统可靠性模型。

更进一步的，ORU在轨维修策略包括维修类型、备件方案；维修类型分为预防性维修、修复性维修；预防性维修分为计划维修和视情维修；ORU备件方案分为在轨备件、地面备件、不提前备件。

更进一步的，根据ORU寿命特性、故障严酷度等级、冗余状态、寿命参数特征，计算ORU的策略评分S值，然后确定ORU具体维修策略；

策略评分S值的计算方法为：

S＝α×β×γ+δ

式中：α表征ORU寿命特性，具体为：

β表征ORU故障严酷度等级，具体为：

γ表征ORU冗余状态，具体为：

δ表征寿命参数特征，具体为：

根据ORU的策略评分S值，确定ORU具体维修策略的方法为：

空间站太阳电池翼、中继天线的维修类型指定为修复性维修，备件方案指定为不提前备件。

更进一步的，融合关系为下表：

更进一步的，根据维修类型、冗余状态、备件策略3个维度，将在轨维修策略纳入可靠性模型。

更进一步的，确定ORU可靠性建模类型的方法为：

1)当ORU采取预防性维修策略，且地面备件在产品故障前已经送达飞行器，且在故障件维修更换完成前飞行器正常运行，无需降耗减配，则ORU采用并联模型，作为飞行器平台的直接备份；在轨维修策略与可靠性模型对应关系判定准则为：

式中，f是飞行器正常运行各项性能参数的综合函数；

X_i——飞行器密封与结构支持性能参数、控制与推进性能参数、热管理性能参数、舱内环境管理性能参数、能源管理性能参数、信息管理性能参数；

t₀——ORU故障发生时刻；

t’₀——ORU准备维修时刻；

R——飞行器平台可靠度；

2)当ORU采取修复性维修策略且在轨采取冗余措施，若在轨存有备件，产品故障后由冗余备份机当班工作，且在故障件维修更换完成前飞行器正常运行，无需降耗减配，由在轨备件更换故障产品，完成平台修复，则ORU采用并联模型，作为运行系统的直接备份；在轨维修策略与可靠性模型对应关系判定准则为：

式中，λ_min表示ORU所实现冗余功能模块的最小失效率；

3)当ORU采取修复性维修策略且在轨存有备件，运行系统内未采取备份冗余措施，产品故障后由在轨备件更换故障产品，且在故障件维修更换前平台能维持在不低于安全模式下运行，则ORU采用冷贮备模型；在轨维修策略与可靠性模型对应关系判定准则为：

f(t₀；X₁，X₂，...，X_n)＞f(t′₀；X₁，X₂，...，X_n)＞f_min(X₁，X₂，...，X_n)

式中，f_min是飞行器安全模式运行各项性能参数的综合函数。

4)当ORU采取修复性维修策略且采取冗余设计，若地面存有备件，产品故障后由冗余备份机当班工作，且在故障件维修更换完成前飞行器正常运行，无需降耗减配，地面备件上行后更换故障产品，完成平台修复，则ORU采用并联模型，作为运行系统的直接备份；在轨维修策略与可靠性模型对应判定准则为：

5)当ORU采取修复性维修策略且地面存有备件，运行系统内未采取备份冗余措施，ORU的故障不影响平台工作，则ORU采用冷贮备模型；在轨维修策略与可靠性模型对应关系判定准则为满足以下公式且ORU为平台可靠性非相关产品：

6)当ORU采取修复性维修策略，但未采取冗余措施，且未存有在轨或地面备件，则运行系统可靠性模型中不反映该ORU信息。

本发明相比于现有技术具有如下有益效果：

(1)综合权衡产品寿命特征、可靠性设计方案及故障影响程度，提出策略评分算法，明确了在轨维修设备(ORU)维修策略的定量设计方法及其特殊情况，为规范和优化在轨维修策略提供了明确依据，为合理规划飞行器在轨运营方案奠定基础；

(2)从维修类型、冗余状态、备件策略等3个维度，将在轨维修策略纳入可靠性模型，定量描述了各种在轨维修策略对系统可靠性的差异化影响，显著提升了飞行器精细化可靠性建模水平；

(3)在轨维修策略判据、在轨维修策略与可靠性模型对应判定准则为飞行器开展可靠性、维修性设计方案比选和优化，实现最优费效比提供了量化判据；

(4)建立在轨维修策略纳入系统可靠性模型的融合关系，通过ORU可靠性模型定量反映了产品可维修对系统可靠性的贡献，较为客观、准确地反映了飞行器任务可靠性水平，为确保飞行器设计方案有效、开展后续各项可靠性、维修性工作奠定基础；

(5)通过将产品可靠性、维修性设计有机融合，改变了原有型号可靠性、维修性工作并行的研制模式，避免了型号设计、分析、验证反复迭代和资源重复投入，有力提升飞行器可靠性、维修性工作水平。

附图说明

图1为本发明的融合在轨维修策略的飞行器可靠性建模方法的步骤图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明的实施方式作进一步详细描述。

一种融合在轨维修策略的飞行器可靠性建模方法，融合在轨维修策略的飞行器可靠性建模方法基本程序包括：确定ORU维修策略、确定ORU可靠性建模类型、建立系统可靠性模型等。如图1所示。

本发明将ORU维修策略分析至建立系统可靠性模型过程结合在轨维修的特点进行了细化。其步骤包括：

步骤一：确定在轨维修设备(ORU)维修策略，包括ORU维修类型和备件方案。

1)ORU维修类型包括预防性维修和修复性维修。预防性维修在设备故障之前进行维修，分为计划维修和视情维修。计划维修指在确定的时间内对ORU进行更换；视情维修指根据可监测的产品性能退化情况，适时提前对ORU进行更换。修复性维修指发现产品故障后对ORU进行更换。

2)备件策略包括在轨备件、地面备件及不提前备件。在轨备件指在飞行器内长期贮存至少1台备用设备；地面备件指在地面贮存至少1台备用设备，一旦发生在轨故障，通过下一次飞行任务上行备件完成更换。不提前备件指产品在轨故障后投产备件并测试。

3)在轨维修策略的基本原则是：寿命不满足飞行器寿命指标要求的产品采用预防性维修，其中故障突发型ORU采用计划维修，寿命缓变衰减型ORU采用视情维修；寿命满足飞行器寿命指标要求的产品关键程度、冗余状态采用修复性维修。

制定在轨维修策略，具体按本发明规定的策略评分S值及策略判据执行：确定产品寿命特征、可靠性设计方案及故障影响程度信息，按公式(1)计算得到策略评分S值，根据表1所列在轨维修策略判据由S值确定具体的ORU维修策略。

S＝α×β×γ+δ (1)

式中：α表征ORU寿命特性，具体为：

β表征ORU故障严酷度等级，具体为：

γ表征ORU冗余状态，具体为：

δ表征寿命参数特征，具体为：

表1

4)表2所列规则不适用于飞行器大型关键设备。以空间站太阳电池翼、中继天线为例，两者S值分别为2、3，但由于在轨存储空间约束，且设备组成复杂若发生在轨故障，归零后有可能状态发生改变，所以不提前备件。

表2

步骤二：根据ORU维修策略，依据在轨维修策略与可靠性模型对应判定准则，确定ORU可靠性建模类型。

1)收集ORU维修策略信息(维修类型、备件方案)、功能冗余状态及最小失效率；飞行器正常运行性能参数、安全模式运行性能参数、系统级可靠性模型。

2)依据在轨维修策略与可靠性模型对应判定准则，分析维修策略对飞行器运行状态及可靠性的影响，确定ORU可靠性建模类型。具体按以下执行：

a)当ORU采取预防性维修策略，且地面备件在产品故障前已经送达飞行器，且在故障件维修更换完成前飞行器正常运行，无需降耗减配，则ORU采用并联模型，作为飞行器平台的直接备份。在轨维修策略与可靠性模型对应判定准则为：

式中，f是飞行器正常运行各项性能参数的综合函数；

X_i——飞行器密封与结构支持性能参数、控制与推进性能参数、热管理性能参数、舱内环境管理性能参数、能源管理性能参数、信息管理性能参数；

t₀——ORU故障发生时刻；

t’₀——ORU准备维修时刻；

R——飞行器平台可靠度。

即ORU故障前飞行器平台的可靠度与ORU故障后但尚未维修前的飞行器平台可靠度无变化，飞行器各项任务性能故障前后无衰减；

b)当ORU采取修复性维修策略且采取冗余设计，若在轨存有备件，产品故障后由冗余备份机当班工作，且在故障件维修更换完成前飞行器正常运行，无需降耗减配，由在轨备件更换故障产品，完成平台修复，则ORU采用并联模型，作为运行系统的直接备份。在轨维修策略与可靠性模型对应判定准则为：

式中，λ_min表示ORU所实现冗余功能模块的最小失效率。即飞行器各项任务性能故障前后无衰减，ORU冗余功能的最小失效率无变化；

c)当ORU采取修复性维修策略且在轨存有备件，运行系统内未采取备份冗余措施，产品故障后由在轨备件更换故障产品，且在故障件维修更换前平台能维持在不低于安全模式下运行，则ORU采用冷贮备模型；在轨维修策略与可靠性模型对应判定准则为：

f(t₀；X₁，X₂，...，X_n)＞f(t′₀；X₁，X₂，...，X_n)＞f_min(X₁，X₂，...，X_n) (8)

式中，f_min是飞行器安全模式运行各项性能参数的综合函数。

d)当ORU采取修复性维修策略且采取冗余设计，若地面存有备件，产品故障后由冗余备份机当班工作，且在故障件维修更换完成前飞行器正常运行，无需降耗减配，地面备件上行后更换故障产品，完成平台修复，则ORU采用并联模型，作为运行系统的直接备份。在轨维修策略与可靠性模型对应判定准则为：

e)当ORU采取修复性维修策略且地面存有备件，运行系统内未采取备份冗余措施，ORU的故障不影响平台工作，则ORU采用冷贮备模型。在轨维修策略与可靠性模型对应判定准则为满足公式(10)且ORU为平台可靠性非相关产品：

f)当ORU采取修复性维修策略，未存有在轨或地面备件，则运行系统可靠性模型中不反映该ORU信息。

步骤三：将ORU纳入系统可靠性模型

根据第一步确定的维修策略及第二步确定的ORU可靠性建模类型，按并联模型、冷贮备模型(含转接器)，与原运行系统的可靠性模型合并，得到融合在轨维修策略的系统可靠性模型。融合关系见表3(在轨维修策略纳入系统可靠性模型的融合关系)。

表3

本发明说明书中未作详细描述的内容属本领域技术人员的公知技术。

本发明虽然已以较佳实施例公开如上，但其并不是用来限定本发明，任何本领域技术人员在不脱离本发明的精神和范围内，都可以利用上述揭示的方法和技术内容对本发明技术方案做出可能的变动和修改，因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化及修饰，均属于本发明技术方案的保护范围。

Claims (6)

1.一种融合在轨维修策略的飞行器可靠性建模方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤一、根据ORU寿命特性、故障严酷度等级、冗余状态、寿命参数特征，确定ORU的维修策略；

步骤二、根据ORU维修策略，依据在轨维修策略与可靠性模型对应关系判定准则，确定ORU可靠性建模类型；

步骤三、根据步骤二确定的可靠性建模类型，按并联模型或冷贮备模型，与原运行系统的可靠性模型合并，得到融合在轨维修策略的系统可靠性模型。

2.根据权利要求1所述的飞行器可靠性建模方法，其特征在于，ORU在轨维修策略包括维修类型、备件方案；维修类型分为预防性维修、修复性维修；预防性维修分为计划维修和视情维修；ORU备件方案分为在轨备件、地面备件、不提前备件。

3.根据权利要求2所述的飞行器可靠性建模方法，其特征在于，根据ORU寿命特性、故障严酷度等级、冗余状态、寿命参数特征，计算ORU的策略评分S值，然后确定ORU具体维修策略；

策略评分S值的计算方法为：

S＝α×β×γ+δ

式中：α表征ORU寿命特性，具体为：

β表征ORU故障严酷度等级，具体为：

γ表征ORU冗余状态，具体为：

δ表征寿命参数特征，具体为：

根据ORU的策略评分S值，确定ORU具体维修策略的方法为：

空间站太阳电池翼、中继天线的维修类型指定为修复性维修，备件方案指定为不提前备件。

4.根据权利要求1所述的飞行器可靠性建模方法，其特征在于，融合关系为下表：

5.根据权利要求1所述的飞行器可靠性建模方法，其特征在于，根据维修类型、冗余状态、备件策略3个维度，将在轨维修策略纳入可靠性模型。

6.根据权利要求5所述的飞行器可靠性建模方法，其特征在于，确定ORU可靠性建模类型的方法为：

1)当ORU采取预防性维修策略，且地面备件在产品故障前已经送达飞行器，且在故障件维修更换完成前飞行器正常运行，无需降耗减配，则ORU采用并联模型，作为飞行器平台的直接备份；在轨维修策略与可靠性模型对应关系判定准则为：

式中，f是飞行器正常运行各项性能参数的综合函数；

X_i——飞行器密封与结构支持性能参数、控制与推进性能参数、热管理性能参数、舱内环境管理性能参数、能源管理性能参数、信息管理性能参数；

t₀——ORU故障发生时刻；

t’₀——ORU准备维修时刻；

R——飞行器平台可靠度；

2)当ORU采取修复性维修策略且在轨采取冗余措施，若在轨存有备件，产品故障后由冗余备份机当班工作，且在故障件维修更换完成前飞行器正常运行，无需降耗减配，由在轨备件更换故障产品，完成平台修复，则ORU采用并联模型，作为运行系统的直接备份；在轨维修策略与可靠性模型对应关系判定准则为：

式中，λ_min表示ORU所实现冗余功能模块的最小失效率；

3)当ORU采取修复性维修策略且在轨存有备件，运行系统内未采取备份冗余措施，产品故障后由在轨备件更换故障产品，且在故障件维修更换前平台能维持在不低于安全模式下运行，则ORU采用冷贮备模型；在轨维修策略与可靠性模型对应关系判定准则为：

f(t₀；X₁，X₂，...，X_n)＞f(t′₀；X₁，X₂，...，X_n)＞f_min(X₁，X₂，...，X_n)

式中，f_min是飞行器安全模式运行各项性能参数的综合函数；

4)当ORU采取修复性维修策略且采取冗余设计，若地面存有备件，产品故障后由冗余备份机当班工作，且在故障件维修更换完成前飞行器正常运行，无需降耗减配，地面备件上行后更换故障产品，完成平台修复，则ORU采用并联模型，作为运行系统的直接备份；在轨维修策略与可靠性模型对应判定准则为：

5)当ORU采取修复性维修策略且地面存有备件，运行系统内未采取备份冗余措施，ORU的故障不影响平台工作，则ORU采用冷贮备模型；在轨维修策略与可靠性模型对应关系判定准则为满足以下公式且ORU为平台可靠性非相关产品：

6)当ORU采取修复性维修策略，但未采取冗余措施，且未存有在轨或地面备件，则运行系统可靠性模型中不反映该ORU信息。

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