考慮指標(biāo)冗余性的火箭結(jié)構(gòu)安全性評(píng)估方法

徐帥旗 楊杰 范夢(mèng)蘭

摘 要：在對(duì)液體運(yùn)載火箭進(jìn)行結(jié)構(gòu)安全性評(píng)估的過(guò)程中，受其結(jié)構(gòu)安全性設(shè)計(jì)較高、系統(tǒng)復(fù)雜、監(jiān)測(cè)指標(biāo)眾多等因素的影響，導(dǎo)致所能獲取的高價(jià)值樣本缺乏，尤其是故障數(shù)據(jù)，這為其安全性評(píng)估帶來(lái)的極大的挑戰(zhàn)。為此，本文基于置信規(guī)則庫(kù)（BRB）模型，構(gòu)建了一種液體運(yùn)載火箭結(jié)構(gòu)安全性評(píng)估方法，通過(guò)考慮指標(biāo)間的冗余性對(duì)所獲取的監(jiān)測(cè)指標(biāo)進(jìn)行刪減，在保證模型精度的同時(shí)，降低模型的復(fù)雜度。最后，通過(guò)液體運(yùn)載火箭監(jiān)測(cè)平臺(tái)獲取監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，對(duì)所提方法的有效性進(jìn)行了驗(yàn)證。

關(guān)鍵詞：液體運(yùn)載火箭;安全性評(píng)估;置信規(guī)則庫(kù);冗余性

中圖分類號(hào)：TP29 ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

液體運(yùn)載火箭作為衛(wèi)星發(fā)射的主要載體，其使用的頻率越來(lái)越高，如何保證其結(jié)構(gòu)的安全性和可靠性是目前液體運(yùn)載火箭健康管理領(lǐng)域所重點(diǎn)關(guān)注的問(wèn)題[1][2]。

目前，在液體運(yùn)載火箭結(jié)構(gòu)安全性評(píng)估方法研究方面，例如，吳建軍等人基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建了火箭發(fā)動(dòng)機(jī)故障檢測(cè)方法[3];周東華等人基于故障樹構(gòu)建了電子設(shè)備緩變故障預(yù)測(cè)模型[4]等。目前，對(duì)于液體運(yùn)載火箭安全性評(píng)估方法的研究中，主要存在三個(gè)方面的問(wèn)題。第一，液體運(yùn)載火箭作為一種任務(wù)特殊、長(zhǎng)期準(zhǔn)備、一次使用的復(fù)雜系統(tǒng)，火箭結(jié)構(gòu)安全性評(píng)估過(guò)程中能夠使用的高價(jià)值樣本較少。第二，火箭結(jié)構(gòu)系統(tǒng)復(fù)雜，影響結(jié)構(gòu)安全性的因素較多，專家難以建立其精確的數(shù)學(xué)模型。第三，火箭工作的過(guò)程中需要對(duì)其進(jìn)行動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)，需要模型具有較高的實(shí)時(shí)性。因此，液體運(yùn)載火箭結(jié)構(gòu)安全性評(píng)估中所面臨的問(wèn)題可以總結(jié)為高價(jià)值樣本缺失、系統(tǒng)復(fù)雜、高維監(jiān)測(cè)指標(biāo)等。

置信規(guī)則庫(kù)（Belief rule base，BRB）作為專家系統(tǒng)的一種，能夠有效融合監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)和專家知識(shí)，處理監(jiān)測(cè)信息中含有的不確定性、模糊性和沖突信息[6]。但在所獲取的高維特征中，受部分共同影響因素的影響，監(jiān)測(cè)特征之間存在共同的信息，即冗余信息，這部分信息可以通過(guò)共同的監(jiān)測(cè)特征來(lái)表示。因此，這部分冗余信息的特征可以刪減掉，以提高模型的復(fù)雜度。

因此，本文基于BRB模型，提出了考慮特征冗余性的火箭結(jié)構(gòu)安全性評(píng)估方方法，通過(guò)設(shè)置指標(biāo)冗余性刪減閾值，對(duì)指標(biāo)進(jìn)行刪減，在保證建模精度的同時(shí)最大程度上對(duì)模型進(jìn)行化簡(jiǎn)。最后，通過(guò)液體運(yùn)載火箭監(jiān)測(cè)平臺(tái)獲取監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，對(duì)所提方法進(jìn)行驗(yàn)證。

1 考慮指標(biāo)冗余性的火箭結(jié)構(gòu)安全性評(píng)估方法

1.1 評(píng)估模型的構(gòu)建

根據(jù)式（1）所示的規(guī)則形式，確定兩個(gè)監(jiān)測(cè)指標(biāo)的參考等級(jí)和每個(gè)參考等級(jí)的參考值，如表2和表3所示。安全性評(píng)估等級(jí)參考值于表4所示。初始評(píng)估模型如表5所示，其中各個(gè)規(guī)則中安全等級(jí)的初始置信度由專家給定。

3.3 模型的訓(xùn)練與測(cè)試

為了克服專家知識(shí)不確定性對(duì)模型評(píng)估精度的影響，基于P-CMA-ES算法，利用監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)模型進(jìn)行訓(xùn)練。經(jīng)過(guò)訓(xùn)練后，安全性評(píng)估模型如表6所示。訓(xùn)練前后，模型的評(píng)估結(jié)果如圖2所示。優(yōu)化的評(píng)估模型的MSE為0.0101，遠(yuǎn)遠(yuǎn)的低于安全性評(píng)估等級(jí)的均值0.5，因此精度較高。從圖2可以得出，經(jīng)過(guò)訓(xùn)練后，評(píng)估模型能夠有效的對(duì)火箭結(jié)構(gòu)安全性進(jìn)行評(píng)估，評(píng)估精度有了較大的提高。

為了驗(yàn)證本文所提模型的有效性，通過(guò)設(shè)置對(duì)比試驗(yàn)，與BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、模糊理論進(jìn)行了對(duì)比，其評(píng)估精度分別為00809和0.1483。通過(guò)對(duì)比可以得出，所構(gòu)建的模型的評(píng)估精度較BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和模糊理論都有了較大的提高。

4 結(jié)語(yǔ)

本文基于置信規(guī)則庫(kù)模型構(gòu)建了考慮指標(biāo)冗余性的火箭結(jié)構(gòu)安全性評(píng)估模型，通過(guò)指標(biāo)之間的相關(guān)性系數(shù)對(duì)監(jiān)測(cè)指標(biāo)進(jìn)行刪減，降低模型復(fù)雜度，提高評(píng)估模型的實(shí)時(shí)性。

參考文獻(xiàn)：

[1]韋濤，彭武，王冬海.基于漏洞屬性分析的軟件安全評(píng)估方法[J].電光與控制，2015，22（8）.

[2]李首慶.基于云模型模糊綜合評(píng)判法的飛行規(guī)避安全性評(píng)估[J].電光與控制，2018，25（12）：88-93.

[3]黃強(qiáng)，吳建軍.基于云-神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的液體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)故障檢測(cè)方法[J].國(guó)防科技大學(xué)學(xué)報(bào)，2010，32（1）：11-15.

[4]何英，周東華，俞容.一種基于性能退化數(shù)據(jù)的電子設(shè)備緩變故障預(yù)報(bào)方法[J].儀器儀表學(xué)報(bào)，2008，29（7）：1526-1529.

[5]胡昌華，馮志超，周志杰，等.考慮環(huán)境干擾的液體運(yùn)載火箭結(jié)構(gòu)安全性評(píng)估方法[J].中國(guó)科學(xué)：信息科學(xué).