航天發(fā)射系統(tǒng)運行安全性評估研究進展與挑戰(zhàn)

柴毅 毛萬標 任浩 屈劍鋒 尹宏鵬 楊志敏 馮莉 張邦雙 葉欣

21 世紀是人類進入探索太空和利用太空資源的時代,低成本、安全、快速、高效的太空進入能力是保證人類太空活動取得成功的關鍵[1?4].航天發(fā)射是人類太空活動最為基礎和最為重要的環(huán)節(jié)之一,航天發(fā)射系統(tǒng)是實現(xiàn)航天器送上太空的航天工程設施系統(tǒng),也是一個典型的涉及多人、多機、多環(huán)境的大規(guī)模復雜工程系統(tǒng),其運行安全受到諸多邊界條件的約束,任何安全隱患、人員誤操作以及系統(tǒng)故障,均會招致運行事故甚至災難的發(fā)生[5?7].另外,航天任務的探索性、試驗性、危險性和社會性也決定了航天發(fā)射系統(tǒng)運行安全性評估的研究具有迫切性與現(xiàn)實性[1?3].

一般地,航天發(fā)射安全性是指航天產(chǎn)品進場后直至火箭點火發(fā)射期間,發(fā)射系統(tǒng)保證航天員、航天產(chǎn)品不受損害的綜合性能,即航天發(fā)射過程中不發(fā)生導致人員傷亡、健康惡化、設備財產(chǎn)損失以及環(huán)境污染等意外事件的能力[8?9].近年來,為保證航天發(fā)射任務的順利完成,世界各國高度重視航天發(fā)射安全,積極開展航天發(fā)射系統(tǒng)運行安全分析與評估技術的探索與研究[1?4,8,10?15].期望采用科學的系統(tǒng)運行安全性分析與評估手段,提高航天發(fā)射過程的安全性以及避免重大事故的應急處置能力[1?4,10?12].

為此,本文首先對現(xiàn)代航天發(fā)射系統(tǒng)進行了概述,得出高準確性與高安全性是其區(qū)別于其他復雜系統(tǒng)的基本特征.接著,從系統(tǒng)安全性發(fā)展歷程的角度出發(fā),對系統(tǒng)(以下無特別說明時,將“航天發(fā)射系統(tǒng)”簡稱為“系統(tǒng)”)運行安全評估的內(nèi)涵進行了界定.并綜述了航天發(fā)射系統(tǒng)中運行故障檢測與診斷、異常運行工況識別、安全分析與預測、運行安全性動態(tài)評估技術等方面的研究現(xiàn)狀,指出了航天發(fā)射系統(tǒng)運行安全動態(tài)評估研究中面臨的挑戰(zhàn),并以此為基礎,最后對其未來發(fā)展的基礎前沿問題進行了思考,以期推動航天發(fā)射系統(tǒng)運行安全動態(tài)評估技術的發(fā)展.

1 概述

1.1 現(xiàn)代航天發(fā)射系統(tǒng)概述

航天發(fā)射系統(tǒng)是指發(fā)射航天器的特定系統(tǒng),含有完整的試驗設施和設備,用以裝配、儲存、監(jiān)測和發(fā)射航天器[3?4].航天器是按照天體力學的規(guī)律在天空運行,執(zhí)行探索、開發(fā)、利用太空和天體等特點任務的各類飛行器,如我國的北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)等,美國的全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)等[3?4].運載火箭又稱運載器,是指把有效載荷從地面運送到太空預定位置、從太空某位置運回地面或運送到太空另一位置的運載工具的統(tǒng)稱,包括一次性使用運載火箭、部分重復使用運載器和完全重復使用運載器[3?4],如中國的長征系列、美國的德爾塔系列、大力神系列等.航天發(fā)射場是指發(fā)射航天器的場地[3?4],如我國的酒泉、太原、西昌和文昌發(fā)射中心,美國的肯尼迪航天中心、卡納維拉爾角空軍基地、范登堡空軍基地、歐洲的圭亞那太空中心等.如今,為滿足航天發(fā)射試驗任務的需求,提高航天發(fā)射的現(xiàn)代化水平,航天發(fā)射場先后建立了航天發(fā)射控制指揮與決策監(jiān)控系統(tǒng)(C3I系統(tǒng),即指揮、控制、通信與信息系統(tǒng)),它是基地前線指揮所和發(fā)測站對航天發(fā)射實施指揮的自動化保障系統(tǒng),主要任務是保障航天試驗產(chǎn)品各系統(tǒng)在發(fā)射場技術區(qū)和發(fā)射區(qū)測試發(fā)射組織指揮、管理和監(jiān)控任務的完成,其基本結構見圖1[5].由此可見,航天器是發(fā)射活動的目的,運載火箭是運載航天器的工具,航天發(fā)射場是發(fā)射活動的場地,航天發(fā)射系統(tǒng)是對整個發(fā)射活動的系統(tǒng)性總稱,航天發(fā)射控制指揮與決策監(jiān)控系統(tǒng)是航天發(fā)射系統(tǒng)的“靈魂”,是整個發(fā)射系統(tǒng)的決策核心,而實現(xiàn)該系統(tǒng)有效運行的關鍵環(huán)節(jié)是實現(xiàn)發(fā)射過程中的故障及時診斷與系統(tǒng)運行安全性的在線分析與評估等[3?4,6,8?9,10,13,16].

由圖1 可知,作為整個航天發(fā)射系統(tǒng)的決策核心,航天發(fā)射控制指揮與決策系統(tǒng)的故障診斷環(huán)節(jié)主要體現(xiàn)在:運載火箭起飛前后,發(fā)射場各地面測試與遙測設備的故障與運行異常的檢測、識別、診斷與定位,及時修復各種故障與運行異常,保障航天發(fā)射任務的準時準點完成[6?7].而系統(tǒng)運行安全性的在線分析與評估主要包括航天發(fā)射過程中的3 大方面:1)實時分析影響航天發(fā)射運行安全性的各子系統(tǒng)的運行性能,如射前燃料加注與補加、測試點火發(fā)射升空、射后廢物燃料處置、射后飛行態(tài)勢感知等,2)及時分析與識別異常運行工況,評估運載火箭在發(fā)射前后的現(xiàn)場安全態(tài)勢以及系統(tǒng)運行的安全性能,3)構建完善的組織救援體系和處置方案,提高航天發(fā)射安全的應急保障能力[6?7].

航天工程雖然歷經(jīng)半個多世紀的太空探索,取得了長足的發(fā)展,但航天發(fā)射任務失敗的案例仍時有發(fā)生,如表1 所示.因射前加注出現(xiàn)安全問題,導致發(fā)射任務失敗就有4 次之多,而這僅僅只是眾多安全性事故公開報道的一小部分.另有在發(fā)射過程中面臨的可能不止一次的故障、異常運行工況等,甚至導致人員損傷、環(huán)境污染與發(fā)射任務數(shù)次推遲等安全事故[17?18].一般來說,表1 所列舉的安全問題,大致可以分為三類:射前未發(fā)現(xiàn)問題而致使重大事故,射前未發(fā)現(xiàn)故障而致使發(fā)射失敗,以及射前發(fā)現(xiàn)故障而推遲或中止發(fā)射.無論是射前故障的發(fā)現(xiàn)與否,都將會導致人員損傷、環(huán)境污染或發(fā)射任務中止或失敗等問題.射前故障的發(fā)現(xiàn)主要涉及異常運行工況的檢測與識別、故障檢測與診斷等,而系統(tǒng)安全性分析與評估則是分析系統(tǒng)異常或故障發(fā)射時,對于整個發(fā)射過程的人員、環(huán)境以及試驗任務的影響.需要說明是,并不是所有的運載火箭導致衛(wèi)星未能入軌等發(fā)射失敗,都屬于航天發(fā)射問題,例如航天器自身質(zhì)量問題等.

因航天發(fā)射工程在國內(nèi)外政治、國民經(jīng)濟、社會影響等方面的特殊地位,在線檢測、識別、定位設備隱患、系統(tǒng)故障以及誤操作等危險因素,成為航天發(fā)射系統(tǒng)運行安全必不可少的工作,即迫使現(xiàn)代航天發(fā)射系統(tǒng)必須具有保障高準確性與高安全性等的能力,因而開展系統(tǒng)運行安全評估研究具有重大的理論價值與現(xiàn)實意義[3?4,10?12].

表1 近年來部分航天發(fā)射場的安全問題統(tǒng)計Table 1 The statistics on safety issues in some space launch sites in recent years

圖1 航天發(fā)射控制指揮與決策系統(tǒng)示意圖Fig.1 The diagram of space launch control command and decision system

1.2 系統(tǒng)安全性研究發(fā)展歷程

系統(tǒng)安全的概念是美國學者于20 世紀40 年代提出的,但并未采用系統(tǒng)工程分析的方法展開研究(此處的“系統(tǒng)”,為一般意義上的“系統(tǒng)”,非特指“航天發(fā)射系統(tǒng)”).直到50 年代,美國開始嘗試將故障模式、影響與危害分析方法(Failure mode and effect analysis,FMEA)應用于航天飛機發(fā)動機的設計與研制中,并于1962 年提出采用系統(tǒng)工程的理念對導彈系統(tǒng)安全性進行分析與研究[3?4,8].系統(tǒng)安全性評估分析理論誕生的標志性事件則是安全系統(tǒng)計劃標準MIL-STD-882 的制訂,使得系統(tǒng)安全性的相關概念和技術手段得以系統(tǒng)的闡述.并在此標準的基礎上,美國結合系統(tǒng)安全工程的發(fā)展,制訂了一系列與系統(tǒng)安全性相關的標準手冊,推動了系統(tǒng)安全分析與評估工程的快速發(fā)展[3?4,8].

20 世紀60 年代開始,前蘇聯(lián)、日、英、法等國相繼開展安全性相關領域的研究,主要集中于航空電子與電力電子領域;80 年代開始,系統(tǒng)安全研究在各領域逐步展開.截止目前,研究學者已提出了初步危險分析(Preliminary hazard analysis,PHA)、故障樹分析(Fault tree analysis,FTA)、事件樹分析(Event tree analysis,ETA)、因果分析圖法、運行危險分析(Hazard and operability analysis,HAZOP)、安全檢查表法、事故致因理論、安全行為理論、綜合安全評價、安全管理評估等安全分析方法[3?4,8].而隨著研究的逐漸深入,航空航天領域的有關安全性分析理論與方法體系得到不斷的改進與發(fā)展,并逐漸應用于保障航天發(fā)射任務順利完成的航天發(fā)射系統(tǒng)中[9].

為保障發(fā)射過程的安全,國外分別針對航天發(fā)射系統(tǒng)出臺了一系列的工作方法和管理程序,如《美國東西發(fā)射場安全要求》,歐洲《圭亞那航天中心安全條例》等.20 世紀90 年代初,我國參照美國相關安全性標準規(guī)范制訂了《QJ2236 航天器和導彈武器系統(tǒng)安全性通用大綱》與《GJB900-90 系統(tǒng)安全性通用大綱》,標志著我國航天工程系統(tǒng)安全性工作的研究進入了新階段[19?21].

我國航天發(fā)射系統(tǒng)安全主要靠實踐中積累形成的一些安全管理規(guī)章制度來保證,發(fā)射安全工作從依靠經(jīng)驗過渡到安全標準體系,可分為設計上和管理上兩類.設計上通過將系統(tǒng)設備和設施布置在相互安全的距離上,合理地組織射前準備和發(fā)射操作過程.管理上的安全措施,包括制定嚴格的安全規(guī)章制度、嚴格執(zhí)行操作規(guī)程和落實安全措施以及經(jīng)常性的技術安全檢查等.這些文件明確了發(fā)射安全要求的基本原則,有效地規(guī)范了發(fā)射安全管理工作.遺憾地是,航天發(fā)射系統(tǒng)并沒有建立運行安全的分析理論和方法體系[3?4,6?8,13].

目前,我國航天發(fā)射系統(tǒng)雖然處于較高的安全水平,但以航天發(fā)射系統(tǒng)為特定研究對象的相關工作還比較少[3?4,8].另外,我國航天事業(yè)正處于快速發(fā)展階段,高密度的發(fā)射任務和新技術的試驗也給航天發(fā)射系統(tǒng)的運行安全帶來了新的挑戰(zhàn).

1.3 系統(tǒng)運行安全性評估內(nèi)涵

隨著傳感器、計算機及通信技術的不斷發(fā)展,航天發(fā)射場也呈現(xiàn)向現(xiàn)代化、自動化和智能化等方向發(fā)展的趨勢[3?6,8?9,12,16,22?24].國內(nèi)外學者經(jīng)過在航天發(fā)射系統(tǒng)安全性方面的多年研究,逐漸形成了一個對航天發(fā)射“運行安全”都認可的概念,即從數(shù)學角度講,系統(tǒng)運行安全性就是在整個航天發(fā)射過程中,規(guī)避人員傷亡、系統(tǒng)運行性能劣化,刻畫評價由其產(chǎn)生的重大妨礙發(fā)射任務的危險因素等[8?9].

需要指出的是,系統(tǒng)運行安全性不同于系統(tǒng)安全性,其是指在整個發(fā)射系統(tǒng)運行過程中,需要動態(tài)實時地發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)中存在的異常、故障以及各種安全風險因素.為此,國內(nèi)外學者在航天發(fā)射系統(tǒng)運行安全性評估方面主要集中在系統(tǒng)運行故障檢測與診斷、系統(tǒng)運行異常工況識別、系統(tǒng)動態(tài)運行過程安全分析以及系統(tǒng)運行安全性動態(tài)評估等4 個方面[3?4,8?9],其邏輯關系如圖2 所示.

圖2 航天發(fā)射系統(tǒng)運行安全性分析與評估的內(nèi)涵Fig.2 The connotation of operational safety analysis and assessment of spacecraft launch system

航天發(fā)射系統(tǒng)突出特點便是其龐雜的結構,復雜程度極高(達到106以上),而各個子系統(tǒng)中的故障與運行異常并不一定會引起運行安全問題[18?26].因此,由圖2 可知,航天發(fā)射系統(tǒng)的運行安全性分析與評估并不包含故障檢測與診斷、異常工況檢測與識別的全部,而是與航天發(fā)射運行安全有關的關鍵子系統(tǒng)的故障與運行異常才會引起安全問題,如低溫推進劑加注系統(tǒng)、液壓系統(tǒng)等.

另外,航天發(fā)射系統(tǒng)運行安全性與系統(tǒng)安全分析與評估也有一定的區(qū)別,主要原因是不同的危險源在不同的運行條件下將會表現(xiàn)出截然相反的安全形態(tài).此外,系統(tǒng)運行安全性與系統(tǒng)安全也有動態(tài)與靜態(tài)之分.因此,不能將系統(tǒng)運行安全性與系統(tǒng)安全等同起來,而是系統(tǒng)運行安全性來源于系統(tǒng)安全性,前者考察系統(tǒng)的動態(tài)運行過程,后者考察系統(tǒng)幾乎所有的安全風險因素,兩者相輔相成[27?30].

就目前來看,航天發(fā)射流程極為復雜、狀態(tài)變化多端,檢測的關鍵參數(shù)多,需要診斷的故障模式多,給測發(fā)控指揮人員帶來了很大的故障在線檢測與診斷負擔、異常運行工況發(fā)現(xiàn)與識別負擔,以及運行安全分析與評估負擔,進而增加了流程決策的壓力[27?30].因此,開展航天發(fā)射系統(tǒng)運行安全性分析與評估研究,構建現(xiàn)代化、自動化、智能化地航天發(fā)射系統(tǒng),將測發(fā)控指揮人員從繁重的數(shù)據(jù)判讀與故障判斷中解放出來,并為其提供有效的輔助決策的信息,完善航天發(fā)射系統(tǒng)運行安全性評估體系建設,將是航天發(fā)射系統(tǒng)未來發(fā)展的一個方向.

2 研究現(xiàn)狀

為完善航天發(fā)射系統(tǒng)運行安全性評估體系建設,綜合考慮影響和制約航天發(fā)射系統(tǒng)運行安全的諸多因素.通過依據(jù)航天發(fā)射系統(tǒng)機理模型與數(shù)據(jù)監(jiān)測信息,突破僅限于狀態(tài)監(jiān)測與故障診斷領域的技術層次,構建針對現(xiàn)代大型運載火箭的一種全面化、體系化、深入化、精準化的系統(tǒng)運行安全性實時評估的解決方案,從而更有效地提升航天發(fā)射系統(tǒng)的安全性.就目前有限的相關報道而言,航天發(fā)射系統(tǒng)運行安全性評估研究主要包括系統(tǒng)運行故障檢測與診斷、系統(tǒng)異常運行工況識別、系統(tǒng)動態(tài)運行過程安全分析、系統(tǒng)運行安全性動態(tài)評估技術等.

2.1 系統(tǒng)運行故障檢測與診斷研究現(xiàn)狀

航天發(fā)射是一項探索性和試驗性的活動,具有短期運行和長期停用的間歇運行特點,區(qū)別于飛機、艦船、車輛的頻繁投運,參與航天發(fā)射的對象和發(fā)射設施,年發(fā)射次數(shù)不超過幾次至十幾次,每發(fā)任務幾乎都有新的實驗目的和技術狀態(tài),產(chǎn)品研發(fā)時所進行的檢查、測試次數(shù)也都有限.而且,在航天發(fā)射系統(tǒng)運行高安全性的需求下,及時對系統(tǒng)運行故障進行分析、診斷和預測,確定故障性質(zhì)、類別、程度、原因及部位,預測發(fā)展趨勢及可能造成的后果[15,31],有助于在緊急情況下迅速排除故障,及時避免或減少事故的發(fā)生.

就現(xiàn)有在航天發(fā)射系統(tǒng)的故障檢測、診斷與傳播分析等方面的研究而言,國內(nèi)外對此方面的研究報道很少,且主要集中在數(shù)據(jù)驅動和知識驅動的故障診斷方法[32?34],而基于模型的故障檢測與診斷方法極為少見,主要原因是系統(tǒng)的數(shù)學模型很難建立,且運行數(shù)據(jù)與理論值相差較大,難以構建有效的數(shù)學模型,動態(tài)描述系統(tǒng)的運行工況.此外,如前所述,航天發(fā)射系統(tǒng)是一個極為復雜的系統(tǒng),其涉及的子系統(tǒng)眾多,主要集中在燃料加注系統(tǒng)、電液一體化系統(tǒng)、空調(diào)制冷系統(tǒng)等[35?42].

就燃料加注系統(tǒng)而言,國內(nèi)外已有很多學者展開了有關研究,Datta 等[35]綜述了實際加注工程中的管道泄漏和堵塞等故障檢測方面的研究,對各種管道故障檢測方法進行了簡要討論,包括振動分析、脈沖回波法、聲學技術、負壓波檢漏技術、基于支持向量機、基于干涉光纖傳感器以及基于濾波對角化等管道檢漏方法,并討論了各方法的優(yōu)缺點,這些方法已應用于石油、天然氣、水等流體輸送領域,適用于直管、曲管、長管等不同類型的管道,在各種故障檢測方法中,聲反射法因其能準確識別管徑1% 的堵塞和泄漏而被認為是最適合的故障檢測方法.就航天加注系統(tǒng)而言,Ren 等[17]針對航天加注系統(tǒng)中儲罐擠壓壓力驟降、冷凝器故障、管道泄漏、傳感器和執(zhí)行器故障等,提出了一種基于深度置信網(wǎng)絡和多模型相結合的數(shù)據(jù)驅動的方法實現(xiàn)了航天復雜加注系統(tǒng)的故障檢測.Xu 等[25]針對管道泄漏問題,以不確定性、不同類型的信息為基礎,描述了更復雜的因果關系,構建基于信念規(guī)則的專家系統(tǒng),實現(xiàn)了加注管道的泄漏檢測.馬昕暉等[43]則針對液氫輸送需要在極低溫度下進行,出現(xiàn)漏熱故障將十分危險,發(fā)生漏熱后的液氫會迅速產(chǎn)生氣液兩相流,其對加注系統(tǒng)中的器件造成很大沖擊與危害,造成加注系統(tǒng)損壞等事故,重點研究了液氫加注系統(tǒng)中過濾器漏熱故障.總結這些文獻中涉及的方法,主要為數(shù)據(jù)驅動的深度置信網(wǎng)絡[17],知識驅動的專家系統(tǒng)[25]以及對加注機理知識[43]等方面的研究,缺乏其他各種不同有效地檢測技術研究,如基于聲反射技術的管道泄漏檢測.

在電液一體化系統(tǒng)中,諸如電液比例閥和電液伺服閥等元件對于液壓油污染極其敏感,極易使系統(tǒng)出現(xiàn)各種故障,且故障模式多種多樣,難以檢測和診斷.目前來看,實現(xiàn)電液一體化系統(tǒng)的運行故障檢測與診斷方法可以分為兩類:專家知識驅動的故障診斷與數(shù)據(jù)驅動的故障診斷[42?54].專家知識驅動的故障診斷主要是利用先驗知識對系統(tǒng)進行主觀判斷,存在很多問題,如難以對液壓元件失效機理進行判斷,且診斷效率低、時間長以及準確性低等問題;數(shù)據(jù)驅動的診斷方法則是利用其他儀器設備對系統(tǒng)的壓力、流量和溫度等參數(shù)識別系統(tǒng)的運行狀態(tài),主要采用多傳感器信息融合技術、人工智能以及機器學習等方法實現(xiàn).航天發(fā)射系統(tǒng)的電液一體化系統(tǒng)也不例外,如Kordestani 等[36]針對空間運載火箭推進系統(tǒng)中的關鍵部分(液壓控制閥)展開研究,介紹了一種新穎模塊化的基于多傳感器數(shù)據(jù)信息降維的故障診斷與預測方法,該方法主要包括故障檢測和診斷模塊、故障參數(shù)估計模塊和剩余使用壽命估計模塊三大部分,主要考慮液壓控制閥系統(tǒng)中的活塞泄漏、排液堵塞和過濾器故障三種故障,這對于液壓閥的健康監(jiān)測以及航天發(fā)射的安全性和可靠性至關重要.

航天發(fā)射系統(tǒng)還有另一重要的空調(diào)制冷系統(tǒng),其故障主要是由于日常操作不當和維護不良造成的.一般來說,即使是大型商業(yè)建筑中使用的標準設備,空調(diào)制冷系統(tǒng)往往也是定制的,缺乏高度的系統(tǒng)集成,導致系統(tǒng)硬件和控制器故障頻發(fā).針對此系統(tǒng)的故障檢測與診斷方法主要分為三類:分析方法、知識驅動的方法和數(shù)據(jù)驅動的方法.基于分析的方法主要利用被測對象的實測數(shù)據(jù)與模型過程(數(shù)學模型)的殘差來檢測和診斷故障,包括參數(shù)估計和輸出殘差兩大類.對于大規(guī)模系統(tǒng),尤其是對航天發(fā)射系統(tǒng)的大型空氣制冷系統(tǒng)來說,如果與數(shù)學模型有關的信息不可用或成本太高且耗時時,基于知識的方法便是解決這些問題,進行故障診斷的主流方法,主要包括專家系統(tǒng)、因果建模以及模式分類等方法.還有一種是在建模過程中,使用監(jiān)測數(shù)據(jù)和故障模式之間關聯(lián)關系構建數(shù)據(jù)驅動模型,這些方法主要優(yōu)勢在于將高維監(jiān)測數(shù)據(jù)映射為低維特征,包括模式識別以及基于信號的特征提取方法,非常適合超大型設備系統(tǒng)的故障診斷[55?57].

近年來,已有復雜工程系統(tǒng)的故障檢測、診斷與傳播方法的研究成果來看,航天發(fā)射系統(tǒng)所涉及的眾多子系統(tǒng)均在民用工業(yè)系統(tǒng)中得到了深入的研究,如空調(diào)制冷系統(tǒng)與加注系統(tǒng)等,而其所涉及的理論方法是否可以應用于航天發(fā)射系統(tǒng)中,則是一個有待繼續(xù)深入探討的課題.此外,航天發(fā)射系統(tǒng)因其極大的復雜性,往往涌現(xiàn)出所有單獨個體或子系統(tǒng)均不具有的整體行為特性,這也對故障診斷帶來極大的挑戰(zhàn).就目前來看,現(xiàn)有的相關理論方法不能準確地描述系統(tǒng)外部變化和人為誤操作等導致的系統(tǒng)內(nèi)部運行性能的變化,而航天發(fā)射場地處寒冷、風沙或者是高鹽、高濕、高溫等環(huán)境,系統(tǒng)運行過程中易受環(huán)境變化、設備磨損和人為誤操作等諸多因素的影響,目前缺乏對航天發(fā)射系統(tǒng)運行故障傳播演化的有效刻畫.因此,對航天發(fā)射系統(tǒng)運行故障進行建模、檢測、診斷等仍是一個極具挑戰(zhàn)的研究,也是極少有國內(nèi)外學者涉足的研究領域.

2.2 系統(tǒng)異常運行工況識別研究現(xiàn)狀

航天發(fā)射系統(tǒng)運行工況描述了系統(tǒng)在運行過程中的狀況、工藝條件或設備在和其動作有直接關系條件下的工作狀態(tài).航天發(fā)射系統(tǒng)運行過程中出現(xiàn)的異常工況,若發(fā)現(xiàn)和處置得不及時、過程安全管理不到位會造成發(fā)射任務延誤或推遲,甚至導致發(fā)射失敗、人員傷亡和設備損壞等安全事故.例如,由于航天發(fā)射系統(tǒng)所服務對象的特殊性,任何系統(tǒng)的微小異常,在高鹽、高濕、高溫,甚至是運行環(huán)境的極端切換等,都會將其放大為一起重大發(fā)射事故,這與普通工業(yè)生產(chǎn)設備系統(tǒng)有著極大的區(qū)別.

異常是指監(jiān)測數(shù)據(jù)由因不同機制產(chǎn)生的一種與其他觀察結果不同的偏差.就現(xiàn)有文獻來看,異常檢測是一項從監(jiān)測到的數(shù)據(jù)集中挖掘異?；虍惓?shù)據(jù),即識別測試數(shù)據(jù)在某些方面與訓練期間可用數(shù)據(jù)間差異性,也稱為新穎性檢測、偏差檢測和異常挖掘等.由于眾多重大罕見的事故是由微小異常的事件造成的,因而異常工況檢測得到了眾多研究學者的關注.異常檢測的難點主要表現(xiàn)在數(shù)據(jù)不均衡性,即有大量的“正?！边\行工況的數(shù)據(jù),而沒有足夠的數(shù)據(jù)來描述“異常”,使得模型的訓練具有極大的挑戰(zhàn)性[44?51,58].

異常檢測在涉及從關鍵系統(tǒng)獲取的大型數(shù)據(jù)集的應用領域中獲得了很多研究關注,包括復雜工業(yè)系統(tǒng)中的故障、結構損傷的檢測,電子安全系統(tǒng)中的入侵檢測等.現(xiàn)代高度集成的復雜系統(tǒng)使理解所獲得的各種系統(tǒng)組件間的關聯(lián)關系極為有限,不可避免地存在大量可能的“異常”模式,其中有相當一部分是無先驗知識的,極難匹配與識別.如Pimentel等[59]總結現(xiàn)有文獻方法來看,主要包括頻域方法、貝葉斯網(wǎng)絡法、信息論、極值統(tǒng)計、支持向量機、神經(jīng)網(wǎng)絡以及其他核方法,依據(jù)各種方法的原理,將其分類以下5 類:1)基于概率的;2)基于距離的;3)基于重構的;4)基于值域的;以及5)信息論[47].

基于概率方法的異常檢測,通常涉及“正?！鳖惖拿芏裙烙媶栴},即假設訓練集中的低密度區(qū)域為大概率監(jiān)測到的“異常工況”;基于距離方法的異常檢測概念,包括最近鄰和聚類分析思想,即假設“正常”數(shù)據(jù)緊密聚集,而“異?！睌?shù)據(jù)遠離其最近鄰類;基于重構方法異常檢測概念,是采用訓練集實現(xiàn)回歸模型的訓練,當采用訓練后的模型映射“異?！睌?shù)據(jù)時,回歸目標與實際觀察值間的重構誤差較大,進而實現(xiàn)異常工況檢測;基于值域方法的異常檢測通常是指試圖通過定義“正常”類的邊界來描述“正?！睌?shù)據(jù)域,探索“正?！睌?shù)據(jù)所服從的某種值域,以實現(xiàn)異常檢測;基于信息論方法異常檢測就是通過計算訓練數(shù)據(jù)中的信息,以此達到信息的提取、表征與識別,如熵、譜系數(shù)等[47].如Wu 等[45]提出了一種數(shù)據(jù)驅動的異常運行工況識別方法,其根據(jù)當前跟蹤誤差以及當前波動的速率和持續(xù)時間提取識別規(guī)則,并基于規(guī)則的推理識別異常工況,以解決過程工業(yè)中,因進料組分變化而未及時適當調(diào)節(jié)設定點而出現(xiàn)的異常工況.Zeng 等[46]構建基于Kullback-Leibler 差異性的異常工況檢測模型,該模型通過比較當前過程工況的估計密度和參考密度函數(shù)來檢測系統(tǒng)的異常工況.

這些方法在現(xiàn)有關于航天發(fā)射系統(tǒng)異常工況在線識別與預警的研究報道還比較少,但也已初現(xiàn)端倪.龔學兵等[60]針對航天總檢查飛控系統(tǒng)早期故障征兆在閉環(huán)系統(tǒng)下難以被檢測、數(shù)學模型難以精確建立的問題,提出了一種基于數(shù)據(jù)關聯(lián)性分析的系統(tǒng)異常監(jiān)測方法.Riasi 等[61]研究了加注管道中因加注水錘現(xiàn)象引起的非定常湍流管道的能量耗散和湍動能的產(chǎn)生及耗散,以進行異常工況的識別.Do等[44]討論了一種基于狀態(tài)的主動維護技術,該方法考慮到“完美”維護的高成本問題,研究了“不完美”維護對系統(tǒng)運行的影響,以發(fā)掘每次檢查的最佳維護行為.Lutz 等[48]則研究異常運行工況與安全關鍵指標間的演化關系,主要關注異常操作對安全需求的動態(tài)影響,結果卻發(fā)現(xiàn)許多先前的錯誤規(guī)范致使了很多異常運行工況,結果也表明需要增加對系統(tǒng)維護活動影響研究,以提供技術支持.Matthews等[49]則針對運載火箭中關鍵部件(流量控制閥)的運行異常展開研究,該流量控制閥的異常極易導致災難性的氣態(tài)氫泄漏,為此,提出了聯(lián)合虛擬傳感器的監(jiān)督學習方法和感應監(jiān)測系統(tǒng)的無監(jiān)督學習方法實現(xiàn)主推進系統(tǒng)中流量控制閥相關異常的檢測.

航天發(fā)射系統(tǒng)測量變量眾多且彼此相互關聯(lián)、耦合,同時動態(tài)運行過程中存在不可預知的突變干擾以及其他眾多不確定性因素,在航天發(fā)射“零窗口”、高可靠、高安全和高實時性的要求下,對航天發(fā)射系統(tǒng)運行工況的特征提取、分析和識別顯得尤為重要.且就已有少量的報道文獻中,除未考慮外界環(huán)境、擾動變化和參數(shù)漂移等因素對工況的影響,也未考慮航天發(fā)射系統(tǒng)變工況運行下的異常識別與預警問題.開展基于數(shù)據(jù)分析與處理技術的挖掘隱含在航天發(fā)射系統(tǒng)運行數(shù)據(jù)中工況與過程變量的關聯(lián)關系,研究異常工況識別與預警技術具有重要的科學價值和工程意義.

2.3 系統(tǒng)運行過程安全分析研究現(xiàn)狀

國標GB-T20438.1-2006/IEC61508-1 中利用傷害、危險(危險情況與危險事件)、風險(允許風險和殘余風險)、安全(功能安全與安全狀態(tài))及合理的可預見的誤用等術語對電氣/電子/可編程電子安全相關系統(tǒng)的功能安全進行刻畫件的問題(如傳感器、控制器、執(zhí)行器等),而且要考慮構成組合安全相關系統(tǒng)的所有相關系統(tǒng)的安全[62].標準中進一步指出,為保證系統(tǒng)安全不僅要考慮各系統(tǒng)中元器件的問題(如傳感器、控制器、執(zhí)行器等),而且要考慮構成組合安全相關系統(tǒng)的所有相關系統(tǒng)的安全[62?65].因此,在系統(tǒng)設計或運行過程階段,綜合利用各種現(xiàn)代分析方法研究系統(tǒng)運行過程中潛在的安全問題和危險因素,是保證現(xiàn)代航天發(fā)射系統(tǒng)運行過程固有安全性的重要研究內(nèi)容[63,66?68].

目前,多數(shù)工業(yè)過程常用的安全分析方法[15]是基于靜態(tài)的安全分析,很大程度上不能反映系統(tǒng)實際的運行情況.如Chandra 等[31]中電力系統(tǒng)靜態(tài)安全分析方法,只考慮事故后穩(wěn)定運行情況的安全性,沒有考慮從當前的運行狀態(tài)向事故后穩(wěn)定狀態(tài)的動態(tài)轉移過程.Saeh 等[69]提出采用徑向基神經(jīng)網(wǎng)絡實現(xiàn)電力系統(tǒng)靜態(tài)安全分析,且與人工智能分類器進行了比較,以檢驗電力系統(tǒng)是否在穩(wěn)態(tài)運行條件下得到保護.但也有一些學者嘗試設計一種實時的安全性分析方法,如Gholami 等[70]提出了一種新穎的智能分層結構的分類算法,與傳統(tǒng)方法相比,具有更小的計算復雜度,適用于不同情境間的實時安全性分析.風險評估分析是化工過程工業(yè)常見的安全分析方法,如Arunraj 等[71]使用模糊集理論和蒙特卡羅模擬方法改進了適用于工業(yè)安全風險評估方法,對風險評估過程中的不確定性進行了建模,與傳統(tǒng)方法不同,該方法提供了比現(xiàn)有方法更好的不確定性度量,將信息的可變性和不確定性考慮到風險計算中,而不是單一風險,提供了一種以區(qū)間形式表征的風險計算值.

而針對航天發(fā)射系統(tǒng)的整體運行安全性分析與預測方法還沒有形成體系化的研究理論,相關研究還處于起步階段.Watson 等[72]認為航天工程系統(tǒng)是集成和平衡許多不同的系統(tǒng)而構建的有效體系,通過分析運載火箭的熱力學性質(zhì),識別集成系統(tǒng)的運行性能,調(diào)整許多不同配置,確定最有效的設計以及從系統(tǒng)角度指導設計活動.航天發(fā)射過程中,運載火箭以及相關設備常常需要經(jīng)歷其他工業(yè)系統(tǒng)不常見的高強振動問題,Kolaini 等[73]討論了完全組裝好的飛行航天器振動測試方面的益處以及存在的潛在問題,包括航天器篩選測試、發(fā)動機動力學環(huán)境的工藝問題、力和力矩限制振動測試等,使用振動測試結構頻率數(shù)據(jù)實現(xiàn)潛在問題的識別.Luo 等[74]考慮了導航偏差和控制誤差的航天器交匯軌跡定量安全性能指標,主要包括追蹤車3σ橢球與目標車控制區(qū)間的最小距離以及兩者間的最大瞬時碰撞概率,提供了安全性能指標的詳細定義和簡化的計算方法.

國內(nèi)學者崔豹等[75]針對發(fā)射場地面設備的薄弱環(huán)節(jié)、潛在風險及其原因,從風險分析的角度研究設計了一種基于概率風險評價(PRA)的發(fā)射場風險分析系統(tǒng).蘇永芝等[76]探討了我國航天發(fā)射場地面設施設備可靠性分析的研究現(xiàn)狀及相關問題.美國宇航局艾姆斯研究中心(NASAs Ames Research Center)[77]針對發(fā)射過程中碎片數(shù)量及速度變化趨勢對航天員安全影響,通過結合物理機理與經(jīng)驗知識建立與時間相關的碎片場概率風險模型實現(xiàn)發(fā)射過程的風險預測.Chen 等[78]構建了航天器裝配風險評估分析模型,來研究和分析該裝配過程安全問題.該文中[78]還介紹了航天器裝配的安全性和可靠性的國內(nèi)外研究,在此基礎上,進一步討論了系統(tǒng)安全性和可靠性的關系和區(qū)別,并強調(diào)航天器裝備的安全評估與分析的內(nèi)容不僅僅局限于人為故障、系統(tǒng)設計和環(huán)境而引起的系統(tǒng)功能損失,提出了航天器裝配系統(tǒng)安全分析和定量風險評估模型,包括4個步驟:1)工作程序和任務分解;2)為每項任務開發(fā)安全分析圖;3)航天器裝配風險識別和事故預測數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)的發(fā)展;4)航天器裝配的安全評估指標體系.

然而,航天發(fā)射過程運行安全分析與預測的實現(xiàn)仍存在層次多、因素多和類型多等問題.針對過程/設備出現(xiàn)故障、工藝指標出現(xiàn)異常(如液體燃料加注的溫度、壓力、流量異常)、以及操作中突然發(fā)生人為因素的差錯(如誤動開關、操作截止閥開度小或開度大、操作順序錯誤等)等情況,研究帶有時序特性的故障、事故與隱患的演化機制對實現(xiàn)系統(tǒng)動態(tài)安全分析,及時進行系統(tǒng)運行安全的評估,避免可能導致的事故發(fā)生.

2.4 系統(tǒng)運行安全性動態(tài)評估研究現(xiàn)狀

航天發(fā)射運行安全實時評估的結果直接關系到發(fā)射任務是否按計劃進行,甚至直接關系到避免事故的發(fā)生,可見系統(tǒng)運行安全評估在航天發(fā)射過程中的重要地位.

目前,各類復雜工程系統(tǒng)運行安全的評估理論和方法主要分為三種類別[60,63,66?68,79?82]:1)基于定性分析的運行安全評估方法,主要是將靜態(tài)安全分析方法應用于動態(tài)運行過程中,方法的實時性有待進一步深入研究;2)基于定量的運行安全評估方法,定量表示與計算各種危險因素、后果以及發(fā)生的可能性等,采用包括事件樹法、馬爾科夫法、事件序列圖法、邏輯分析方法、模擬仿真方法等實現(xiàn)系統(tǒng)運行安全的評估;3)綜合評估方法,包括風險協(xié)調(diào)評審和概率風險評估方法等.如Chen 等[83]提出了一種利用事故后穩(wěn)態(tài)安全距離指數(shù)(Post-contingency steady-state security distance,PCSSD)的安全評估方法,該模型是一種大規(guī)模的非線性優(yōu)化模型,可有效地識別事故后穩(wěn)態(tài)安全域的有效邊界,如若PCSSD 計算的工作點到應急后穩(wěn)態(tài)安全區(qū)域邊界距離最短,則系統(tǒng)在意外事件后是安全的.在動態(tài)運行風險評估模型中,組件修復時間是表征組件狀態(tài)和后續(xù)系統(tǒng)狀態(tài)的重要參數(shù),特別適合于工業(yè)系統(tǒng)的部件修復時間評估,用作系統(tǒng)狀態(tài)軌跡的蒙特卡羅模型的輸入,如Yang 等[84]應用統(tǒng)計分析技術來表征相關參數(shù)數(shù)據(jù)的分布模型的不確定性和敏感性,并以分布模型選擇參數(shù)的分配,以研究動態(tài)運行風險評估模型的輸出,以達到確定組件修復時間的分布.

航天發(fā)射是依靠發(fā)射場的設備、設施系統(tǒng)實現(xiàn)加注推進劑、射前總檢查、點火發(fā)射等全部工作和程序的實施過程,相關學者從設備性能、系統(tǒng)可靠性等不同層次對航天發(fā)射系統(tǒng)運行安全評估展開了研究.Dong 等[10]研究了航天發(fā)射系統(tǒng)的運行安全性,定義了系統(tǒng)中補償性和不可替代性因子,在分析了空間因素和系統(tǒng)組織安全性的基礎上,構建了航天發(fā)射系統(tǒng)的整體組織安全性模型,并采用灰色關聯(lián)分析技術對影響系統(tǒng)安全的因素進行評估.Kadzhaev等[16]討論了運載火箭發(fā)射準備階段的可靠性與安全水平的準則,描述了系統(tǒng)無故障運行的概率、后驗可靠性和安全屏障等.Gee 等[77]則重點關注了運載火箭在上升飛行過程中因故障而中止發(fā)射,且要實現(xiàn)機組人員與運載工具安全分開,以便機組人員安全返回地球,其構造了一個物理模型以描述和評估發(fā)射失敗環(huán)境下的安全風險的演化過程.崔豹等[75]實現(xiàn)了安全評估過程的“定性分析、定量計算、定標評價”.

另一方面,航天發(fā)射系統(tǒng)為滿足日趨復雜的航天器和運載器,且發(fā)射任務日益多樣化,迫切需要解決任務過程趨于密集動態(tài)化、設備組成趨于系統(tǒng)網(wǎng)絡化、故障因素趨于多元關聯(lián)化等背景下的航天發(fā)射系統(tǒng)動態(tài)安全性評估理論與方法[28?29,75?76,81?82,84?88].徐克俊等在文獻[8]中系統(tǒng)地介紹了航天發(fā)射場可靠性與安全性的評估方法,對相關定性和定量評估方法的優(yōu)缺點進行了總結.Nield 等[85]則對美國商業(yè)載人空間飛行運行安全的標準進行了介紹,重點分析了基于安全查表法的運行安全評估.宋建軍等[28]針對航天發(fā)射場加注系統(tǒng)風險評估過程中主觀隨意性較大的問題,提出了基于綜合云的多屬性風險評估方法計算得到加注系統(tǒng)各風險源的權重,使得風險源權重的確定更具客觀性和合理性.

定性安全評估方法雖然可以快速高效地進行危險辨識、后果分析,但大多偏重于設計階段的靜態(tài)分析且只針對單一故障,而航天發(fā)射系統(tǒng)具有多工況間歇運行的特點,不同工況下故障模式多樣且設備之間不是簡單的一一對應關系.因而基于定性分析的安全評估難以建立對象多因素作用下的系統(tǒng)級動態(tài)安全評估模型,也難以給出安全風險事件的重要度排序及其不確定影響和系統(tǒng)的累加風險值[85].定量安全評估方法以航天發(fā)射系統(tǒng)發(fā)生事故的概率或性能分析為基礎,雖然能夠求出風險率,以風險率的大小衡量系統(tǒng)危險性大小及安全度,但由于航天系統(tǒng)設施設備類型多、服役時間長、短期運行和長期停用、使用環(huán)境惡劣等特點,使得定量分析法難以準確地評估系統(tǒng)的運行安全[8].綜合安全評估方法盡管對復雜系統(tǒng)的特性有全面深刻的了解,能夠找出系統(tǒng)的薄弱環(huán)節(jié)提高系統(tǒng)的安全性,為風險決策提供有價值的定量信息[79],但尚未從航天發(fā)射系統(tǒng)實時運行狀態(tài)、間歇運行多工況等方面系統(tǒng)深入地研究航天發(fā)射系統(tǒng)的動態(tài)安全性.

從航天發(fā)射系統(tǒng)實時運行狀態(tài)、間歇運行多工況等方面深入研究航天發(fā)射系統(tǒng)的動態(tài)運行安全性,研究如何根據(jù)航天發(fā)射系統(tǒng)異常運行工況、運行故障等方面的分析結果,構建系統(tǒng)運行安全性評價指標體系,是保障我國航天事業(yè)安全快速發(fā)展需要解決的關鍵問題.

3 航天發(fā)射系統(tǒng)運行安全評估面臨的挑戰(zhàn)

航天發(fā)射是實現(xiàn)航天器送上太空活動的統(tǒng)稱,是評判一個國家綜合國力的重要指標,是航天工程最為基礎和最為重要的環(huán)節(jié)之一,具有成本高昂、技術難度大、過程復雜,其組織規(guī)模、復雜程度遠遠超過一般工程系統(tǒng),也給航天發(fā)射系統(tǒng)運行安全動態(tài)評估帶來了一系列挑戰(zhàn).

就我國現(xiàn)有的航天發(fā)射系統(tǒng)來看,系統(tǒng)運行安全性評估所具有的挑戰(zhàn)性問題主要表現(xiàn)在以下幾方面[3?12]:

1)系統(tǒng)極度復雜.現(xiàn)代航天發(fā)射系統(tǒng)是包含設施設備、人員、材料等在內(nèi)的復雜系統(tǒng),具有試驗設備類型繁多、技術復雜、集成度高、投資大、使用周期長、環(huán)境影響大、涉及部門人員眾多以及指揮操作流程復雜等特點,存在層次多、因素多和類型多等問題.因而其結構和規(guī)模的復雜性是其區(qū)別于傳統(tǒng)復雜系統(tǒng)的基本特點,涉及專業(yè)數(shù)量,系統(tǒng)關聯(lián)耦合程度,以及安全性要求都遠遠超過一般的復雜工程系統(tǒng)[51?57].

2)決策風險性極大.高風險是航天發(fā)射場的突出特點,且其由很多具有不同功能和物理機制并在行為上相互耦合、強烈相關的子系統(tǒng)組成,任何一個設備或系統(tǒng)的異?；蚬收?甚至微小的失誤和缺陷就可能導致安全事故,導致航天工程系統(tǒng)具有許多其他復雜系統(tǒng)不常見的風險性,使得其安全裕度的可操作區(qū)間極其有限,極易引發(fā)安全事故.因而對航天發(fā)射系統(tǒng)故障與異常工況的誤檢、誤判和錯誤處理,往往孕育著巨大的安全風險,甚至給國民經(jīng)濟,國家的整個航天計劃帶來極大的影響[4,8?9,11?13,16,19,89?91].

3)先驗知識信息少.航天發(fā)射系統(tǒng)本身是一種間歇使用、長期維護的系統(tǒng),且每次任務都有新研制的試驗產(chǎn)品(衛(wèi)星、飛船、空間站等,以及運載火箭和發(fā)射設施)被應用在各航天發(fā)射任務中,常出現(xiàn)新的異常與故障,使得航天工程具有明顯的探索性、試驗性等特點,表現(xiàn)出單臺次、小批量、使用環(huán)境惡劣等特點,故障與異常運行工況先驗知識信息很少[4,8?9,11?13,16,19,37?39,92].

4)高準確性與實時性.在現(xiàn)代航天工程中,發(fā)射窗口精度要求極高,最長不到2 小時,最短20～30 秒(“零窗口”).需要在航天發(fā)射過程中盡早發(fā)現(xiàn)故障與異常,盡快診斷故障與識別異常,及時決策處置,要達到這一要求,就要求系統(tǒng)對運行過程做到早發(fā)現(xiàn)、早辨識、早規(guī)避、早解決.再者,航天發(fā)射系統(tǒng)故障危害巨大,對安全性、可靠性有著苛刻的要求,需要研究系統(tǒng)運行安全性的變化趨勢,實時辨識系統(tǒng)運行中的異常工況與故障,以采取高效準確的維修策略[3,10,29,88,93?99].因此,高準確性與實時性的客觀要求也給航天發(fā)射系統(tǒng)運行安全性的實時評估帶來了巨大的挑戰(zhàn).

隨著我國航天發(fā)射活動越來越密集,試驗任務交叉并行,發(fā)射系統(tǒng)設施設備任務狀態(tài)變化大,技術狀態(tài)轉換快,檢測維護時間緊張,系統(tǒng)運行安全性問題越來越突出.

4 思考與展望

雖然我國一直在不斷跟進國外航天發(fā)射系統(tǒng)技術的發(fā)展,并開展了若干項航天發(fā)射安全分析與評估等關鍵技術的預研和技術驗證工作,但與國外主要機構相比,存在著較大的差距.本文認為,在從航天大國邁向航天強國的過程中,應在系統(tǒng)運行事故演化、系統(tǒng)異常運行工況識別、系統(tǒng)動態(tài)運行過程安全分析與評估等方面展開深入研究,以提高我國的安全、快速地空間進入能力[28?30,100].

1)系統(tǒng)運行事故的演化規(guī)律與機理建模研究方面

航天發(fā)射系統(tǒng)在運行過程中,某些危險因素在連續(xù)的時間內(nèi)的多次出現(xiàn)是事故發(fā)生的主要原因.在系統(tǒng)/設備的工藝參數(shù)超限、故障以及誤操作等危險因素的影響下,系統(tǒng)的大規(guī)模和子系統(tǒng)間的強耦合使得系統(tǒng)運行事故的發(fā)生機理和演化規(guī)律呈現(xiàn)出復雜性和不確定性.因此,在系統(tǒng)運行事故的演化規(guī)律和機理建模等方面的研究,由于系統(tǒng)中任何一個運行異?；蚬收隙伎赡芡ㄟ^耦合的子系統(tǒng)、設備進行傳播和擴散,變得愈發(fā)重要,主要包括系統(tǒng)“危險因素–事故”演化機理建模、系統(tǒng)運行工況與危險因素關聯(lián)關系建模以及系統(tǒng)運行事故演化的動態(tài)仿真技術研究[17,25,35?43,55?57].

系統(tǒng)“危險因素–事故”演化機理建模主要是考慮到安全事故的發(fā)生與發(fā)展往往是由于系統(tǒng)中各種危險因素與系統(tǒng)相互作用與耦合的復雜動力學演化過程,應從能量變化角度和系統(tǒng)控制角度建立安全事故演化的機理模型.從能量變化角度,分析發(fā)射過程中的危險事故以及事故發(fā)生的能量變化過程,構建能量變化模型;分析子系統(tǒng)事故能量傳遞特性,研究基于能量守恒和突變拓撲空間的運行安全事故分析模型.從系統(tǒng)控制角度,針對運行過程中出現(xiàn)的工藝參數(shù)超限、故障以及誤操作等危險因素,分析危險因素在系統(tǒng)運行中“發(fā)生–擴散–事故”的參數(shù)和狀態(tài)行為的特征變化,通過航天發(fā)射系統(tǒng)運行監(jiān)測參數(shù)和子系統(tǒng)機理模型,研究運行安全事故的演化機理和演化條件,建立描述系統(tǒng)性能和工藝指標劣化、誤操作、異常工況和系統(tǒng)故障的多時空多尺度事故演化模型[93,101?105].

系統(tǒng)運行工況與危險因素關聯(lián)關系建模主要是通過系統(tǒng)事故演化狀態(tài)模型與實際運行下的系統(tǒng)狀態(tài)模型相關聯(lián),分析系統(tǒng)運行各種工況的安全性.將航天發(fā)射系統(tǒng)所包含的機械系統(tǒng)、電氣系統(tǒng)以及過程系統(tǒng)等多個子系統(tǒng),根據(jù)所研究的安全性事故演化過程,分析誤操作、設備故障作用下子系統(tǒng)的系統(tǒng)動態(tài)行為及其狀態(tài)轉移規(guī)律,得到事故演化狀態(tài).針對系統(tǒng)物理參數(shù)的變化而引起的不確定性,發(fā)射場惡劣運行環(huán)境和試驗過程中引發(fā)的未知干擾,在信息傳輸過程中由于受到物理設備限制而引起測量信號發(fā)生變化等問題,通過建立自適應狀態(tài)觀測器或狀態(tài)最優(yōu)估計器,對系統(tǒng)狀態(tài)進行重構或最優(yōu)估計.通過利用系統(tǒng)運行監(jiān)測數(shù)據(jù),量化航天發(fā)射系統(tǒng)各階段的工況特征變量與系統(tǒng)狀態(tài)的關聯(lián)關系,建立工況特征變量和系統(tǒng)狀態(tài)映射模型[106?108].設計危險因素/故障的事故演化狀態(tài)與系統(tǒng)狀態(tài)的殘差濾波器,通過殘差信息描述系統(tǒng)運行工況與危險因素/故障的關聯(lián)關系.

系統(tǒng)運行事故演化的動態(tài)仿真技術研究主要是基于系統(tǒng)組成結構和物理特性,結合實測數(shù)據(jù)重點對加注系統(tǒng)和射前飛行控制模擬(總檢查)建立半實物數(shù)值仿真模型.從理論分析、實驗研究和數(shù)值模擬研究各子系統(tǒng)在“故障”、“誤操作”下的事故演化過程.對于物理機理已知的系統(tǒng),分析系統(tǒng)的“危險因素”、“故障”對參數(shù)的影響;對于已知測試數(shù)據(jù)和典型故障特性的模塊,應用機器學習和函數(shù)逼近的方法模擬系統(tǒng)模塊的“黑盒子”特性.通過對子系統(tǒng)傳遞函數(shù)、功能原理的分析,建立功能模塊之間的關系模型,動態(tài)仿真航天發(fā)射系統(tǒng)中典型系統(tǒng)的“危險因素–事故”傳播與演變過程[109?111].

2)數(shù)據(jù)驅動的系統(tǒng)異常工況在線識別方面

航天發(fā)射系統(tǒng)運行工況描述了系統(tǒng)在運行過程中的狀況、工藝條件或設備在和其動作有直接關系的條件下的工作狀態(tài).通過分析以加注系統(tǒng)、發(fā)射塔架液壓系統(tǒng)等航天發(fā)射過程系統(tǒng)的工作狀況,以及發(fā)射控制設備在某一時刻的運行狀況,對航天發(fā)射系統(tǒng)的異常工況進行識別.因此,從航天發(fā)射系統(tǒng)物理機理分析模型和數(shù)據(jù)實時處理與分析的角度出發(fā),挖掘數(shù)據(jù)描述下的運行工況與過程變量的關聯(lián)關系,構建運行工況過程多變量高維工作區(qū)模型,研究基于工作區(qū)動態(tài)閾值的異常工況在線識別,為航天發(fā)射系統(tǒng)運行安全實時評估奠定必要的基礎[44?51,58?61,112].

運行工況與過程變量的關聯(lián)關系挖掘主要是針對系統(tǒng)運行監(jiān)測數(shù)據(jù)量大和多源異構特性,研究基于增量式算法和多維關聯(lián)規(guī)則的相關關系挖掘算法,分析數(shù)據(jù)間以及數(shù)據(jù)與工況間的相關關系.針對過程變量與運行工況的關系復雜、時變、難以精確表達等問題,結合序列模式分析、空間模式挖掘和結構挖掘等海量數(shù)據(jù)分析方法研究表征運行工況的過程變量間時序關聯(lián)規(guī)則,構建過程變量與工況指標的動態(tài)關聯(lián)矩陣,提取航天發(fā)射系統(tǒng)多工況過程的特征變量[113].

運行工況的多特征變量高維空間模型主要是考慮到發(fā)射任務多階段、多過程的運行工況與多個特征變量關聯(lián)的特點,結合發(fā)射任務技術狀態(tài)與子系統(tǒng)單元操作模式,分析特征變量參數(shù)間的關聯(lián)函數(shù),研究基于關聯(lián)函數(shù)的參數(shù)聚類算法.針對航天發(fā)射系統(tǒng)過程監(jiān)控數(shù)據(jù)與運行工況的非線性關聯(lián)問題,依據(jù)發(fā)射系統(tǒng)先驗知識和發(fā)射任務流程,結合工況特征變量與運行工況的關聯(lián)關系,建立系統(tǒng)典型工況下多個特征變量共同表征的高維工作區(qū)模型,分析歷史關鍵變量和運行特征變量之間的差異與趨勢,優(yōu)化更新當前工作區(qū)域模型[30,114?116].

運行工況工作區(qū)模型的動態(tài)閾值設計主要內(nèi)容是基于運行工況的高維工作區(qū)模型和運行工況表示模型,以航天發(fā)射系統(tǒng)運行工序的工藝指標與性能指標為基礎,研究特征變量工作范圍與運行工況關聯(lián)下的動態(tài)閾值設計方法.以誤報率、漏報率和檢測延遲為指標,結合非參數(shù)統(tǒng)計和貝葉斯決策理論,建立異常工況閾值的目標函數(shù),研究過程在參數(shù)死區(qū)和延遲等因素下的閾值優(yōu)化技術與方法[116].

3)危險因素下動態(tài)運行過程安全分析方法研究方面

航天發(fā)射系統(tǒng)具有短期運行和長期停用、服役時間長、使用環(huán)境惡劣等特點,使得系統(tǒng)在運行中伴隨著眾多的安全隱患,需要及時進行系統(tǒng)運行安全的分析、評價、診斷,預測系統(tǒng)的運行安全和設備狀況,避免可能導致的事故發(fā)生.因此,需要研究高安全性要求下的航天發(fā)射系統(tǒng)實時運行安全分析方法,主要包括變工況下過程工藝參數(shù)超限運行安全分析、數(shù)據(jù)驅動的系統(tǒng)運行故障診斷與安全分析以及人在回路的誤操作辨識與運行安全分析三大方面[15,31,55?57,62?71,77?78,80].

變工況下過程工藝參數(shù)超限運行安全預測分析主要是因為航天發(fā)射系統(tǒng)本質(zhì)上是非線性動力學系統(tǒng),其結構之間相互耦合,運行工況在階段性變化下,使其過程變量(溫度、流量、液位和壓力)具有復雜的動態(tài)特性和時變性,需要針對系統(tǒng)在運行過程中工藝參數(shù)超過設計指標,通過狀態(tài)估計將超限信息轉化為狀態(tài)信息,結合事故演化機理,建立過程工藝參數(shù)超限的系統(tǒng)狀態(tài)和事故演化狀態(tài)之間的映射模型,提取事故演化狀態(tài)的系統(tǒng)安全特征,分析其變化趨勢和分布特性,最后通過聚類和分類方法識別系統(tǒng)狀態(tài),根據(jù)不同系統(tǒng)狀態(tài)之間的轉移概率,建立基于狀態(tài)轉移的系統(tǒng)運行安全預測模型[117].

數(shù)據(jù)驅動的系統(tǒng)運行故障診斷與安全分析主要是根據(jù)實測數(shù)據(jù)、歷史運行數(shù)據(jù)、專家知識等信息,提取系統(tǒng)安全運行的特征參數(shù),研究基于數(shù)據(jù)驅動的系統(tǒng)運行安全分析方法.結合系統(tǒng)性能退化特性,發(fā)現(xiàn)故障在控制系統(tǒng)中的傳播過程,預判故障的發(fā)展趨勢及事故的演化進程.從監(jiān)測信息的智能感知與系統(tǒng)內(nèi)部結構特性的分析角度出發(fā),研究基于深度學習、流形學習等非線性學習的系統(tǒng)故障特征集構建方法.結合歷史運行數(shù)據(jù)和專家知識,構建具有復雜動態(tài)推理能力的基于數(shù)據(jù)信息的故障診斷方法.針對故障下的運行安全性預測,結合“故障–事故”演化模型和“工況–故障”關聯(lián)模型,利用定性和定量相結合的方法,提取表征系統(tǒng)安全運行的關鍵參數(shù).結合系統(tǒng)運行故障的傳播特性、時間特性和子系統(tǒng)間的故障耦合作用,研究故障下系統(tǒng)運行安全性的預測方法[118?119].

人在回路的誤操作辨識與運行安全分析是指航天發(fā)射系統(tǒng)運行過程中,按照發(fā)射流程涉及大量的手動操作,而人在回路中的誤操作將會導致系統(tǒng)運行狀態(tài)的變化,進而影響整個系統(tǒng)的運行性能,甚至造成安全事故.應用運行工況工作區(qū)模型和預警技術分析系統(tǒng)在誤操作下的工況特征變量并預警異常工況,在線實時辨識和定位系統(tǒng)發(fā)生的誤操作類型和相應子系統(tǒng).結合“誤操作–事故”演化模型和運行工況與危險因素關聯(lián)模型,判斷誤操作下的運行安全問題.針對人在回路系統(tǒng)誤操作和運行狀態(tài)的混雜特性,應用符號有向圖描述誤操作下系統(tǒng)過程變量間的作用過程以及發(fā)射系統(tǒng)能量和物質(zhì)的傳播路徑,結合Petri 網(wǎng)描述系統(tǒng)誤操作事件的離散特性和在耦合子系統(tǒng)的各層次、各階段的傳播趨勢,建立誤操作下系統(tǒng)運行安全性分析和趨勢預測模型[120?123].

4)系統(tǒng)運行安全性實時評估體系與方法研究方面

現(xiàn)代航天工程中,在有限發(fā)射窗口的需求下,由發(fā)射系統(tǒng)、運載器和航天器所構成的龐大系統(tǒng)存在著大量的未知規(guī)律,從燃料加注到點火起飛過程中,誤操作、運行參數(shù)超限和系統(tǒng)故障等危險因素具有很大的不確定性,系統(tǒng)失效模式相當復雜、影響安全性的誘因多.準確的故障風險分析和發(fā)射系統(tǒng)運行安全性評估對航天發(fā)射任務顯得尤為迫切,亟待建立以發(fā)射安全為目標的安全性評估指標體系,實時對各種危險因素做出分析和評估,保證完成發(fā)射任務和保障系統(tǒng)運行安全[8,28?29,60?61,66?68,75?77,79?88].

系統(tǒng)運行安全實時評價指標體系的構建是在分析誤操作、故障傳播和事故演化對系統(tǒng)行為影響的基礎上,確定系統(tǒng)中的危險因素和危險過程,由系統(tǒng)中的故障、誤操作、異常工況和參數(shù)超限等構成系統(tǒng)安全的評價要素集.通過系統(tǒng)運行監(jiān)測數(shù)據(jù),分析數(shù)據(jù)和安全要素之間的相關關系,選取系統(tǒng)運行過程中可表征運行安全的相關參數(shù)/過程變量,得出安全指標變量集,建立運行工況下的航天發(fā)射系統(tǒng)安全性實時評估量化指標.利用系統(tǒng)或設備的額定參數(shù)指標,通過所研究的事故演化機理,分析安全評價要素與額定參數(shù)之間的映射關系,構建安全事故演化機理下的安全性評價指標.根據(jù)《GJB900-90 系統(tǒng)安全性通用大綱》和《QJ2236 航天器和導彈武器系統(tǒng)安全性通用大綱》等提取出航天發(fā)射安全性要求的定性、半定量和定量評價指標.綜合以上三類安全性評價指標,通過功能聚合和相關性聚合,針對現(xiàn)場設備層安全評估、過程/子系統(tǒng)層安全評估和系統(tǒng)運行層安全評估,從工藝參數(shù)超限、額定指標超限、異常工況、故障、誤操作等出發(fā),建立運行安全綜合評價指標體系[124?126].

系統(tǒng)運行安全性實時評估計算模型是指分析航天發(fā)射系統(tǒng)在各個危險過程中存在的安全事故類型,針對不同事故類型如設備損壞以及引發(fā)的二次事故等,應用模糊分析等計算事故的嚴重程度,建立系統(tǒng)基于運行事故嚴重程度的安全性評估等級.針對工況異常和危險因素如故障、誤操作等,篩選指標體系中相同層級的評價指標并進行聚合處理.結合誤操作、設備故障和工藝參數(shù)異常下安全性預測技術,應用層次分析量化各指標的相對重要程度,應用統(tǒng)計分析建立各指標的重要性區(qū)間和相應的置信度分布,從而構建系統(tǒng)運行安全性實時評估計算模型[127?129].

基于危險因素和指標體系的安全性實時評估考慮航天發(fā)射系統(tǒng)的危險運行階段中,出現(xiàn)的物質(zhì)、能量密集流動的特點,利用系統(tǒng)運行工況的安全關鍵參數(shù),建立危險指標集和相應的指標范圍,對危險過程運行安全性的實時預警.針對系統(tǒng)故障和誤操作下系統(tǒng)異常運行,結合運行事故演化模型以及運行工況與危險因素關聯(lián)模型,實時識別系統(tǒng)運行過程中發(fā)生的危險因素.基于運行工況異常區(qū)間模型,實時計算系統(tǒng)當前危險因素下各指標的重要區(qū)間的置信度和系統(tǒng)安全性等級.以系統(tǒng)運行監(jiān)測的海量數(shù)據(jù)出發(fā),研究系統(tǒng)異常工況的識別與預警、運行安全性的在線分析和運行安全性實時評估的理論和方法,提高系統(tǒng)的安全性[130?133].

5 結束語

航天發(fā)射系統(tǒng)運行安全性實時評估是現(xiàn)代航天發(fā)射控制指揮與決策系統(tǒng)的重要組成部分,綜合利用各種現(xiàn)代分析方法發(fā)現(xiàn)發(fā)射過程中潛在的安全問題和危險因素,是保障我國航天事業(yè)安全快速發(fā)展迫切需要關注的研究領域.

為此,本文首先概述了現(xiàn)代航天發(fā)射系統(tǒng),指出其運行安全性實時評估技術是現(xiàn)代航天發(fā)射控制指揮與決策監(jiān)控系統(tǒng)的重要組成部分.此后,回顧了航天發(fā)射系統(tǒng)運行安全性的發(fā)展歷程,概述了系統(tǒng)運行安全性實時評估的研究內(nèi)容,主要包括系統(tǒng)運行故障檢測與診斷、異常運行工況識別、運行過程安全分析與預測、安全性動態(tài)評估技術等方面,并對這4 方面的研究現(xiàn)狀進行的總結.接著,依據(jù)航天發(fā)射系統(tǒng)的運行特性,總結出了航天發(fā)射系統(tǒng)運行安全性方面的挑戰(zhàn).最后,隨著航天任務的多樣化,在運行監(jiān)測的海量數(shù)據(jù)下,對航天發(fā)射系統(tǒng)運行安全性分析與評估的未來研究進行了思考.