大型可修航天测控系统可靠性分析方法研究（航天资源规划与调度）

可靠性是评价产品质量好坏、评价产品寿命的一个重要指标。随着军事科技水平和工程复杂度的提高，系统可靠性的建模与分析显得愈加重要。现代工程系统正在朝着大型化、复杂化的方式演变。PMS作为现代工程系统的描述工具，也存在着模型规模庞大、结构复杂的发展趋势。本书提出一种分析大型可修PMS的理论方法，对于可靠性学者和卫星系统工程师感兴趣的读者，有着重要的国防现实意义和工程应用价值。本书对于大规模系统优化与调度研究学者、可靠性分析与计算学者有一定的参考意义。

吕济民，1987年出生，国防科技大学副研究员，2009、2012和2016年分别获得国防科大理学学士、工学硕士和管理科学与工程博士学位，长期从事卫星资源调度、约束规划等方面的研究，解决了航天测控系统规划巨量任务效率低等问题。主持和参与国家自科基金项目，武器装备型号和预研等项目20余项，获省部级科技进步一等奖1项，二等奖2项，以第一作者身份发表进入ESI前10%学术论文2篇，担任多个期刊和会议审稿人

　　卫星测控系统是航天工程的一个重要组成部分，其可靠性直接关系到航天工程的成败。而我国测控通信系统的可靠性度量目前仍停留在定性为主，定量为辅的状态，无法对系统顶层设计提供相关技术支撑。由于航天工程要求高、投入大，后续任务的建设规模相比前期任务进一步扩大，系统设计的不精确可能造成经费投入的低效率及可靠性指标分配的不合理，为了使系统设计及建设更具科学性和合理性，对测控通信系统可靠性的定量化研究十分必要。

　　国内对于卫星测控系统的可靠性设计与分析，主要是基于经典的单元/系统可靠性分析理论进行的。GJB/Z 66—1994《航天测控系统总体设计指南》以经典可靠性理论为基础，给出了测控与通信系统的可靠性设计、试验与评价要求。在《航天测控系统工程》中以经典系统可靠性设计与分析理论为基础，介绍了串联、并联、混联、备份等系统的可靠性预计与分配技术。历史文献的可靠性评估方法有一个较为明显的缺陷： 无法应用到大规模的、内部结构随时间改变的工程应用系统。

　　多阶段任务系统（phased mission systems，PMS）是描述可变工程系统的经典模型，PMS的可靠性分析是相关系统寿命分析的基础，在产品设计和维修预测等领域有着广泛应用。随着工程系统朝着大型化、复杂化演变，PMS模型也呈现出规模愈发庞大的发展趋势，这给现有的PMS可靠性分析方法带来了相当大的挑战。针对大型PMS阶段多、可修部件多的特点，本书提出了三种解析方法分析PMS的可靠性。

　　本书的主要内容分为四部分，分别提出了三种PMS的可靠性估算方法。本书论述的第一种方法是用于分析广义可修PMS可靠性的行为向量方法。所谓广义PMS是指不要求任务在每个阶段都成功，行为向量方法可应用于估算含大量可修部件和少量阶段PMS的可靠性。本书论述的第二种方法在行为向量方法的基础上融合了截断策略，使行为向量方法能够有效应用于含大量部件但阶段数较少的中等规模PMS。本书称该方法为混合算法。本书论述的第三种方法是分析大型PMS可靠性的抽样方法。抽样方法提出了离散时间可用度的概念，并通过增加离散抽样点，使离散时间可用度逐步逼近PMS可靠性真值，这种离散化抽样的思路为系统可靠性评估提供了新的解决方案。

　　本书的主要特色在于书中论述的三种方法能够有效评估中大规模可修PMS可靠性，特别是第三种抽样方法能够有效应用于同时含大量可修部件、大量阶段的广义PMS，对诸如卫星测控系统等变结构系统的任务可靠性评估有重大意义。本书适合作为管理科学与工程及遥感应用领域相关专业的高年级本科生及研究生教材，也可作为从事大型系统可靠性分析技术研究科研工作者的参考书。

　　本书是笔者在国防科技大学系统工程学院求学与工作期间完成的。本书的完成离不开笔者导师武小悦教授的悉心指导，以及团队同事陈英武、贺仁杰、姚锋、刘晓路、陈盈果、张忠山、陈宇宁、何磊、杜永浩的大力支持和指导。本书在撰写过程中参考了许多参考文献，本书的完成也离不开这些学者的贡献和启发。笔者在此向所有给予指导、帮助与启发的各位老师与学者表示衷心感谢。由于笔者水平有限，书中难免存在不妥与待完善之处，欢迎专家学者和读者朋友批评指正，提出宝贵意见，笔者将不胜感激。

著者

2023年6月于长沙

第1章绪论

1.1研究背景及意义

1.2国内外研究综述

1.2.1PMS可靠性建模与分析方法综述

1.2.2PMS可靠性分析的仿真方法

1.2.3PMS可靠性分析的组合模型方法

1.2.4PMS可靠性分析的马尔可夫模型

1.3主要工作和创新点

1.3.1研究内容和结构框架

1.3.2主要创新点

第2章PMS可靠性分析的行为向量方法

2.1经典模块化方法简介

2.2广义PMS的概念和背景

2.3行为向量的概念和意义

2.3.1系统行为向量

2.3.2部件行为描述

2.3.3部件行为向量

2.4基于行为向量的可修GPMS可靠性分析算法

2.4.1算法描述

2.4.2相关假设

2.4.3计算复杂度与适用性分析

2.5算例分析

2.5.1经典的可修多阶段任务系统

2.5.2含备份阶段的航天测控通信任务

2.6本章小结

第3章中等规模PMS可靠性分析的近似算法

3.1大规模PMS的特点及研究现状

3.2行为向量与截断策略混合算法

3.2.1不含截断策略的行为向量改进算法

3.2.2加入截断策略的行为向量改进算法

3.2.3最大允许误差的确定

3.2.4算法适用性分析

3.3算例分析

3.3.1列车速度监控任务

3.3.2油气管道保护系统定期检测任务

3.4本章小结

第4章大规模PMS可靠性分析的抽样方法

4.1相关概念

4.1.1离散时间可用度

4.1.2约简成功状态

4.2基于约简成功状态的抽样算法

4.2.1单阶段任务可靠性分析的抽样算法

4.2.2多阶段任务可靠性分析的抽样算法

4.2.3针对不可修部件的算法简化策略

4.2.4最优抽样时间间隔的确定

4.3抽样方法的推广

4.3.1针对多状态部件的算法推广

4.3.2针对多阶段网络的算法推广

4.4算法复杂度和适用性分析

4.4.1计算复杂度分析

4.4.2算法适用性分析

4.5算例分析

4.5.1客机飞行任务

4.5.2卫星跟踪管理任务

4.6本章小结

第5章卫星在轨管理任务可靠性案例分析

5.1航天测控系统的相关概念

5.1.1航天测控系统

5.1.2测控通信资源

5.1.3可视时间窗口

5.1.4测控资源调度方案

5.2航天测控系统可靠性研究现状

5.3单圈次卫星在轨管理任务可靠性分析

5.3.1算例设计

5.3.2算例分析

5.4多圈次卫星在轨管理任务可靠性分析

5.5本章小结

第6章结束与展望

6.1主要工作

6.2未来工作展望

参考文献

附录缩写词列表