空間飛行器自主診斷重構(gòu)的理論和方法

王大軼，屠園園，張香燕，符方舟

(1. 北京空間飛行器總體設(shè)計部，北京 100094；2. 中山大學(xué)航空航天學(xué)院，深圳 518000)

0 引 言

空間飛行器是指按照天體力學(xué)規(guī)律在地球大氣層以外的宇宙空間運行,執(zhí)行探索、開發(fā)、利用太空及天體等特定任務(wù)的各類飛行器,一般分為載人和無人兩類,后者主要指人造地球衛(wèi)星和深空探測器(見圖1)。人造地球衛(wèi)星按運行高度可以分為低軌道衛(wèi)星(軌道高度小于2 000 km)、中軌道衛(wèi)星(軌道高度2 000 km～20 000 km)和高軌道衛(wèi)星(軌道高度20 000 km～36 000 km),由于在地球附近做環(huán)繞飛行,這類飛行器主要依靠地面站進行運控管理。深空探測器是指對月球和月球以遠的行星與行星際進行探測的無人空間飛行器(軌道高度大于384 000 km),其探測目標(biāo)距離遠、天地通信時延大、飛行環(huán)境不確定、關(guān)鍵任務(wù)時間緊,難以依靠地面站進行實時的運控管理,對自主運行提出了迫切需求[1]。

圖1 人造地球衛(wèi)星和深空探測器Fig.1 Satellite and deep space probe

空間飛行器自主運行的關(guān)鍵技術(shù)主要包括:自主診斷重構(gòu)、自主導(dǎo)航、自主任務(wù)規(guī)劃和自主制導(dǎo)控制。其中,自主診斷重構(gòu)是指僅靠空間飛行器自身攜帶的資源配置,自主實現(xiàn)故障檢測與隔離,并通過改變部件構(gòu)型、控制算法等方式處理故障,以恢復(fù)系統(tǒng)全部或部分既定功能的技術(shù)手段?？臻g飛行器系統(tǒng)規(guī)模日益龐大、功能任務(wù)愈發(fā)復(fù)雜、太空環(huán)境變化多樣,在軌難免發(fā)生各類故障,如果其中一些故障無法及時自主處理,將會對系統(tǒng)的安全運行造成嚴(yán)重危害。現(xiàn)有空間飛行器故障診斷與重構(gòu)的自主性水平不高,主要依賴地面專家根據(jù)遙測遙控數(shù)據(jù)進行故障會診,再基于會診結(jié)果向空間飛行器發(fā)送重構(gòu)指令。這種基于“天地大回路”的故障診斷與重構(gòu)方式適用于大部分人造地球衛(wèi)星,但對于通信時延大的深空探測器而言,時效性較差,難以實現(xiàn)故障的及時處理,無法保障系統(tǒng)安全可靠自主運行。因此,實現(xiàn)自主診斷重構(gòu)是空間飛行器安全可靠自主運行的保障[2],是另外3項自主運行關(guān)鍵技術(shù)順利實施的首要前提。

診斷重構(gòu)能力的量化評估是實現(xiàn)空間飛行器自主診斷重構(gòu)的關(guān)鍵。空間飛行器通常具有不易在軌維修和資源嚴(yán)重受限兩大特點,其診斷重構(gòu)能力確定于設(shè)計之初且受制于有限資源,這意味著空間飛行器自主診斷重構(gòu)研究需要關(guān)注系統(tǒng)前期設(shè)計,充分利用有限資源。然而,一方面,傳統(tǒng)研究主要關(guān)注診斷重構(gòu)算法的創(chuàng)新突破,存在局限性:1)未關(guān)注系統(tǒng)前期設(shè)計,無法從根本上提高空間飛行器的診斷重構(gòu)能力;2)未考慮空間飛行器資源約束與診斷重構(gòu)算法精準(zhǔn)性、實時性之間的矛盾,設(shè)計的算法通常比較復(fù)雜,對計算和存儲資源提出了極高要求,僅能在地面運行,無法在器上自主實現(xiàn)。另一方面,傳統(tǒng)的空間飛行器設(shè)計多依賴工程經(jīng)驗對系統(tǒng)進行打補丁式的冗余添加,未進行診斷重構(gòu)能力量化評估,缺乏理論指導(dǎo),難以對系統(tǒng)進行有針對性的優(yōu)化設(shè)計?？稍\斷性與可重構(gòu)性作為表征系統(tǒng)診斷重構(gòu)能力的基本屬性[3-4],為實現(xiàn)空間飛行器自主診斷重構(gòu)提供了新的思路與理論支撐:基于可診斷性與可重構(gòu)性理論,量化評估系統(tǒng)診斷重構(gòu)能力,可為設(shè)計與運行兩階段診斷重構(gòu)能力的提升提供定量指導(dǎo)依據(jù),具有重要的研究意義。

鑒于此,本文以基于能力量化評估的空間飛行器自主診斷重構(gòu)方法為對象,首先分析了國內(nèi)外研究現(xiàn)狀并梳理了后續(xù)的待突破難點,然后針對這些難點提出了創(chuàng)新研究思路,最后進行了總結(jié)。

1 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀

基于能力量化評估實現(xiàn)空間飛行器自主診斷重構(gòu)需要重點研究診斷重構(gòu)能力表征、判定和量化方法、資源配置與診斷重構(gòu)方案綜合優(yōu)化方法、診斷重構(gòu)方案在軌調(diào)整方法,下面介紹這三方面的國內(nèi)外研究現(xiàn)狀。

1.1 診斷重構(gòu)能力表征、判定和量化方法

1)診斷重構(gòu)能力表征方法

診斷重構(gòu)能力表征指對系統(tǒng)模型及其已認(rèn)知的故障空間、資源配置包絡(luò)邊界等要素進行科學(xué)數(shù)學(xué)表達的過程。其中,空間飛行器系統(tǒng)模型的準(zhǔn)確建立是研究的前提與基礎(chǔ)。根據(jù)建模過程對系統(tǒng)知識和過程數(shù)據(jù)的需求關(guān)系,可以將系統(tǒng)模型分為機理模型和數(shù)據(jù)驅(qū)動模型,下面分別調(diào)研這兩類模型的構(gòu)建方法。

在機理模型構(gòu)建方面,國內(nèi)外研究多在一定的假設(shè)下,基于常微分、偏微分方程等工具,根據(jù)對象的內(nèi)部機制或者物質(zhì)流傳遞機理建立數(shù)學(xué)模型。Marshall等[5]考慮幾何非線性變形和大剛體運動等問題,基于本征正交分解法、節(jié)能采樣加權(quán)法和浮動參考系,提出了一種超輕柔性空間飛行器的降階模型構(gòu)建方法。Hearn[6]基于流體力學(xué)和熱力學(xué)原理,建立了空間飛行器推進系統(tǒng)模型,基于該模型實現(xiàn)了推進系統(tǒng)的研制與驗證。Dai等[7]利用多信號流圖建立了空間飛行器電源系統(tǒng)模型,實現(xiàn)了電源系統(tǒng)的測試性分析。袁昭旭[8]從子結(jié)構(gòu)模態(tài)綜合和模型修正兩個方面實現(xiàn)了基于有限元的復(fù)雜空間飛行器結(jié)構(gòu)建模。田靜[9]通過采用自頂向下的方法對衛(wèi)星姿態(tài)控制系統(tǒng)進行失效工作機理分析,建立了基于動態(tài)故障樹的衛(wèi)星姿態(tài)控制系統(tǒng)失效機理模型。Xu等[10]將擴展卡爾曼濾波應(yīng)用于模型參數(shù)和狀態(tài)的評估中,構(gòu)建了電池剩余使用壽命預(yù)測的狀態(tài)空間模型。機理模型可解釋性好、針對性強,但對大型復(fù)雜系統(tǒng),構(gòu)建難度巨大,且機理知識仍處于部分掌握的狀態(tài),模型中會引入大量的假設(shè)和經(jīng)驗,嚴(yán)重降低了建模精度。

在數(shù)據(jù)驅(qū)動模型構(gòu)建方面,國內(nèi)外研究多利用人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、遺傳算法、支持向量機等機器學(xué)習(xí)算法,深度挖掘大量工程數(shù)據(jù),建立系統(tǒng)模型。Goebel等[11]提出基于相關(guān)向量機-粒子濾波的高功率鋰電池退化模型構(gòu)建方法,精度比傳統(tǒng)回歸分析方法和Gaussian過程方法提高30%以上。Kamruzzaman等[12]提出了一種基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的電源系統(tǒng)建模方法,利用實驗生成的電源系統(tǒng)歷史數(shù)據(jù)訓(xùn)練具有校正線性單位激活函數(shù)的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)。葉正宇等[13]提出了一種基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的空間飛行器姿控系統(tǒng)建模方法,利用無故障敏感器信號對神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型進行訓(xùn)練,實現(xiàn)對姿控系統(tǒng)未知動態(tài)特性的建模。張鵬飛等[14]為研究反作用輪微振動對空間飛行器產(chǎn)生的影響,利用模擬退火遺傳算法建立了反作用輪擾動模型,并設(shè)計剛性六分量力測試平臺對反作用輪擾動進行測試,利用實測數(shù)據(jù)對擾動模型進行了驗證。數(shù)據(jù)驅(qū)動模型具有實時性強、可動態(tài)更新等優(yōu)勢,但某些復(fù)雜系統(tǒng)的強非線性、時滯性以及高維度等特性都對建模過程和模型性能帶來不利影響,且數(shù)據(jù)驅(qū)動模型較低的可解釋性也是其不可忽視的主要缺點。

2)診斷重構(gòu)能力判定方法

在診斷能力判定方面,國內(nèi)外相關(guān)研究多基于系統(tǒng)機理模型建立故障信息與測量信息的映射關(guān)系,通過分析映射關(guān)系的連通性構(gòu)建可診斷性判據(jù),對系統(tǒng)診斷能力的有無進行判定。Persis等[15]基于圖論對故障診斷濾波器進行研究,通過求解基于殘差生成的非線性基本問題,給出殘差生成器的存在條件。Kocielny等[16]給出了基于二值診斷矩陣的故障可隔離性評價方法,并將該評價方法用于診斷算法殘差的設(shè)計過程。Ji等[17]針對傳感器早期故障,給出了基于滑動窗口貢獻的故障診斷算法,以及基于該算法的故障可檢測性與可隔離性理論分析方法,并給出了窗口長度對故障可診斷性的影響。Liu等[18]針對空間飛行器故障多發(fā)的特點,通過結(jié)合符號有向圖與故障動態(tài)信息,提出了基于特征矩陣的殘差多值評價方法,實現(xiàn)了典型故障不同特征、時間序列的準(zhǔn)確描述和診斷能力有無的定性評估。Baldi等[19]提出了基于圖論的可檢測性與可隔離性判定方法,從系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的角度明確了空間飛行器控制系統(tǒng)各個部件故障的可檢測、可隔離條件。

在重構(gòu)能力判定方面,國內(nèi)外研究多基于系統(tǒng)結(jié)構(gòu)分析或借助圖論等工具,通過分析部組件與目標(biāo)功能之間的連通性,判斷系統(tǒng)重構(gòu)能力的有無。Staroswiecki等[20]通過定義系統(tǒng)的服務(wù)、版本、操作模式等概念,構(gòu)建一種自下而上的金字塔式功能邏輯樹,當(dāng)系統(tǒng)發(fā)生故障時,可根據(jù)目標(biāo)“服務(wù)”可行“版本”的有無來判定其可重構(gòu)性。Gehin等[21]基于功能分析,建立了一種靈活模型,系統(tǒng)在線故障以后,可通過自主更新模型來實現(xiàn)可重構(gòu)性的在線判定。Wang等[22]針對空間飛行器控制系統(tǒng)提出了一種基于功能目標(biāo)模型的可重構(gòu)性判定方法,利用最小割集分析給定故障模式下的系統(tǒng)是否可重構(gòu),并基于最小路集分析了系統(tǒng)薄弱環(huán)節(jié)。Loureiro等[23]針對智能自動車的執(zhí)行器、傳感器以及設(shè)備故障,提出了一種基于鍵圖模型的可重構(gòu)性判定方法,通過利用鍵圖工具的行為、結(jié)構(gòu)及因果特性,驗證了系統(tǒng)可重構(gòu)的條件。Abdesselam等[24]提出了一種基于超圖的可重構(gòu)性評價方法,將每一個系統(tǒng)方程表示成一個超邊,通過故障條件下相應(yīng)超邊之間的路徑有無判定系統(tǒng)的可重構(gòu)性。

3)診斷重構(gòu)能力量化方法

在診斷能力量化方面,國內(nèi)外研究多利用測量信息統(tǒng)計特征等量化故障信息與測量信息之間映射關(guān)系的差異性,以此構(gòu)建可診斷性量化指標(biāo),對系統(tǒng)診斷能力的大小進行分析。劉文靜等[25]針對空間飛行器動量輪故障,基于動量輪閉環(huán)系統(tǒng)模型、故障與征兆之間的關(guān)聯(lián)矩陣,提出了一種定量與定性相結(jié)合的可診斷性評價方法。Eriksson等[26]通過對一段時間內(nèi)的解析冗余方程進行整理,將系統(tǒng)狀態(tài)空間模型重構(gòu)為滑動窗口模型,使故障可診斷性量化問題轉(zhuǎn)換成多元分布相似度對比問題,并利用Kullback-Leibler(KL)散度量化不同故障所對應(yīng)的多元分布相似度,給出了可診斷性量化評價算法。李文博等[27]針對受干擾影響的空間飛行器姿態(tài)控制系統(tǒng),將可診斷性的量化評估問題轉(zhuǎn)化為概率統(tǒng)計中不同多元分布之間差異度大小的度量問題,設(shè)計了一種基于Bhattacharyya距離的空間飛行器控制系統(tǒng)可診斷性量化評價指標(biāo)。Zhong等[28]基于最小誤差極小極大概率機,構(gòu)建了空間飛行器姿態(tài)控制系統(tǒng)的可診斷性量化評價指標(biāo)。Wang等[29]在空間飛行器可診斷性分析過程中較為全面地考慮了多種實際因素的影響,構(gòu)建了其控制系統(tǒng)可診斷性量化指標(biāo)體系,實現(xiàn)了系統(tǒng)診斷能力綜合評估。

在重構(gòu)能力量化方面,國內(nèi)外研究多通過對系統(tǒng)在故障下的能控性、能觀性、穩(wěn)定性、魯棒性等不同基本性質(zhì)進行分析,度量系統(tǒng)重構(gòu)能力的大小。Staroswiecki[30]從能控性的角度研究了線性定常系統(tǒng)的重構(gòu)能力量化評價問題,充分利用能控性Gramian矩陣從能量角度反映系統(tǒng)控制能力的優(yōu)勢,分別對三種不同的重構(gòu)目標(biāo)提出了系統(tǒng)重構(gòu)能力的量化評價指標(biāo)。Wu等[31]同時考慮執(zhí)行器和敏感器故障,綜合能控性和能觀性Gramian矩陣求解系統(tǒng)的最小二階模態(tài),以此作為系統(tǒng)冗余水平的度量指標(biāo),對不包含虛軸極點的線性定常系統(tǒng)進行了重構(gòu)能力量化評價。Richter等[32]從系統(tǒng)穩(wěn)定性的角度研究了分段仿射系統(tǒng)的可重構(gòu)性問題,基于線性矩陣不等式實現(xiàn)了系統(tǒng)重構(gòu)能力的量化評價。Tu等[33]從魯棒性的角度研究了干擾抑制系統(tǒng)的重構(gòu)能力量化評價問題,利用H2范數(shù)度量了系統(tǒng)的重構(gòu)能力大小,以此為指導(dǎo)優(yōu)化了系統(tǒng)執(zhí)行機構(gòu)的安裝構(gòu)型。

綜上,目前國內(nèi)外對診斷重構(gòu)能力表征、判定和量化方法的研究雖取得一定進展,但大部分工作均基于機理模型對單一分系統(tǒng)(特別是機理模型清晰的控制系統(tǒng))展開研究,無法用于規(guī)模龐大、難以建立精確機理模型的復(fù)雜空間飛行器。因此,后續(xù)可將已有機理知識和實際工程數(shù)據(jù)進行有機結(jié)合,研究適用于復(fù)雜空間飛行器的診斷重構(gòu)能力表征、判定和量化方法。

1.2 資源配置與診斷重構(gòu)方案綜合優(yōu)化方法

在系統(tǒng)資源配置優(yōu)化方面,國內(nèi)外研究多對正常模式與故障模式進行獨立設(shè)計,即先對正常系統(tǒng)進行設(shè)計,再向設(shè)計好的系統(tǒng)注入診斷重構(gòu)方案,前者聚焦系統(tǒng)標(biāo)稱性能的提升,后者注重診斷重構(gòu)能力的保障。Longman等[34]定義了空間飛行器在正常模式下能控度的各種概念,以此作為控制系統(tǒng)設(shè)計的指導(dǎo)依據(jù),解決了大型撓性空間飛行器的執(zhí)行器優(yōu)化配置問題。Hassan等[35]針對空間飛行器的故障模式,提出了一種基于蒙特卡洛抽樣的可靠性優(yōu)化設(shè)計方法,實現(xiàn)了系統(tǒng)冗余的優(yōu)化分配。Veillette等[36]在設(shè)計控制系統(tǒng)時,考慮了執(zhí)行器故障情況,提出了可靠控制方法,該方法可保證系統(tǒng)在某個給定故障集中保持一定性能水平,但其基于最壞故障情況的設(shè)計具有過保守問題。Staroswiecki等和Tu等分別針對線性控制系統(tǒng)[37]、干擾抑制系統(tǒng)[33]和非線性不確定控制系統(tǒng)[38],降低了可靠控制的過保守性,在保證具備充分可重構(gòu)性的前提下,提升了正常模式下的控制性能。

在系統(tǒng)診斷重構(gòu)方案優(yōu)化方面,國內(nèi)外研究多側(cè)重于診斷與重構(gòu)之間的信息傳遞,即重點關(guān)注故障系統(tǒng)的狀態(tài)觀測器設(shè)計,以狀態(tài)估計值作為故障診斷與系統(tǒng)重構(gòu)之間的關(guān)鍵傳遞信息,對故障診斷與系統(tǒng)重構(gòu)進行綜合設(shè)計(見圖2)。Jiang等[39]提出了離散T-S模糊系統(tǒng)的魯棒故障診斷與容錯控制綜合設(shè)計方法,采用降階故障估計觀測器診斷執(zhí)行器故障,根據(jù)故障估計信息,基于模糊動態(tài)輸出反饋設(shè)計了容錯控制器。Lan等[40]提出了一種自適應(yīng)滑模增廣狀態(tài)未知輸入觀測器,用于估計系統(tǒng)狀態(tài)、執(zhí)行器故障和擾動,設(shè)計了一種自適應(yīng)容錯控制器,以補償故障和擾動影響,保證了系統(tǒng)安全性。Liu等[41]提出了一種故障估計與容錯控制的集成設(shè)計方法,實現(xiàn)了分布式故障估計和容錯控制,并給出了增廣閉環(huán)子系統(tǒng)的集成設(shè)計條件。上述成果較少關(guān)注診斷重構(gòu)時間的優(yōu)化。Zhang等[42]和屠園園等[43]指出,為了實現(xiàn)系統(tǒng)總體性能最優(yōu),應(yīng)該關(guān)注故障診斷時間與系統(tǒng)重構(gòu)時機之間的關(guān)聯(lián)影響。

圖2 基于觀測器的故障診斷與系統(tǒng)重構(gòu)方案Fig.2 Observer-based fault diagnosis and system reconfiguration scheme

綜上,目前國內(nèi)外關(guān)于系統(tǒng)資源配置與診斷重構(gòu)方案綜合優(yōu)化方法的研究雖然取得了一定的進展和效果,但較少考慮空間飛行器正常模式與故障模式對資源配置的需求沖突,以及故障診斷與系統(tǒng)重構(gòu)對故障處理時間的需求沖突,難以科學(xué)分配并利用系統(tǒng)的有限資源、充分發(fā)揮系統(tǒng)潛力。因此,后續(xù)需進一步解決空間飛行器有限資源配置在正常模式與故障模式下的統(tǒng)籌分配難題以及故障診斷與系統(tǒng)重構(gòu)方案的協(xié)同優(yōu)化難題。

1.3 診斷重構(gòu)方案在軌調(diào)整方法

在診斷重構(gòu)方案在軌調(diào)整方面,國內(nèi)外研究多采用自適應(yīng)控制方法,實現(xiàn)空間飛行器姿態(tài)控制系統(tǒng)容錯方案的在軌調(diào)整。張眾正[44]針對搭載冗余飛輪作為執(zhí)行機構(gòu)的空間飛行器,利用自適應(yīng)控制技術(shù),實現(xiàn)其姿態(tài)跟蹤容錯控制;屠園園等[45]針對衛(wèi)星控制系統(tǒng)執(zhí)行器故障,設(shè)計了一種自適應(yīng)模糊滑模容錯控制器,實現(xiàn)了在軌容錯能力的有效提升;黃怡欣等[46]針對執(zhí)行器故障條件下的小行星探測器姿態(tài)控制問題,提出了一種基于自適應(yīng)迭代學(xué)習(xí)的容錯控制方法,在探測器參量變化、外部環(huán)境干擾等不確定情況下實現(xiàn)了姿態(tài)控制系統(tǒng)的高效容錯。

綜上,目前國內(nèi)外關(guān)于診斷重構(gòu)方案在軌調(diào)整方法的研究已經(jīng)取得了一定進展,但大都僅通過采用自適應(yīng)控制方法保證系統(tǒng)在故障下的穩(wěn)定性和魯棒性,并不能保證診斷重構(gòu)方案的性能在各類實際因素變化下保持最優(yōu),因此系統(tǒng)故障后未必能夠保持高性能運行。對此,可探究診斷重構(gòu)能力在長期運行過程中隨資源配置等約束條件在軌變化的動態(tài)演化規(guī)律,由此指導(dǎo)診斷重構(gòu)方案的在軌優(yōu)化。

1.4 待突破難點

從技術(shù)發(fā)展趨勢看,基于能力量化評估的自主診斷重構(gòu)是保障未來空間飛行器安全可靠自主運行的一項關(guān)鍵技術(shù),具有良好的發(fā)展和應(yīng)用前景。目前國內(nèi)外學(xué)者從多種角度進行了探索和研究,取得了一定進展,但因后續(xù)深空探測等任務(wù)中的空間飛行器具有不易在軌維修、資源嚴(yán)重受限、系統(tǒng)特性復(fù)雜等特點,現(xiàn)有理論方法在系統(tǒng)性和實用性等方面仍存在不足,主要待突破難點總結(jié)如下:

1)如何結(jié)合機理知識和工程數(shù)據(jù)建立完整的空間飛行器模型,實現(xiàn)其診斷重構(gòu)能力的表征、判定和量化;

2)如何在資源嚴(yán)重受限下,實現(xiàn)有限資源配置在正常模式與故障模式下的統(tǒng)籌分配;

3)如何在時空嚴(yán)苛約束條件下,實現(xiàn)故障診斷與系統(tǒng)重構(gòu)方案的協(xié)同優(yōu)化;

4)如何構(gòu)建診斷重構(gòu)能力的演化模型,實現(xiàn)診斷重構(gòu)過程的動態(tài)調(diào)整。

2 創(chuàng)新研究思路

針對上述難點,可采用理論發(fā)展和方法創(chuàng)新相結(jié)合的路線開展研究?？傮w創(chuàng)新思路如圖3所示。

首先,構(gòu)建空間飛行器數(shù)據(jù)驅(qū)動模型并利用機理知識對其進行可解釋性分析,基于此發(fā)展空間飛行器可診斷性與可重構(gòu)性理論,實現(xiàn)復(fù)雜系統(tǒng)診斷重構(gòu)能力的表征、判定和量化,為后續(xù)的設(shè)計工作提供定量指導(dǎo)依據(jù);

然后,挖掘不同模式在概率邏輯方面的因果關(guān)系和資源配置方面的耦合關(guān)系,基于此研究資源約束下正常模式與故障模式一體化設(shè)計方法,實現(xiàn)有限資源在不同模式下的合理分配,在設(shè)計階段通過優(yōu)化系統(tǒng)資源配置提升診斷重構(gòu)能力;

圖3 總體創(chuàng)新思路Fig.3 Overall innovation ideas

接著,挖掘診斷與重構(gòu)過程所需時間的制約機理,基于此研究時空約束下診斷與重構(gòu)一體化設(shè)計方法,實現(xiàn)診斷重構(gòu)時機的協(xié)同優(yōu)化,在設(shè)計階段通過優(yōu)化診斷重構(gòu)方案最大化診斷重構(gòu)能力;

最后,挖掘資源配置等約束條件在軌演化規(guī)律,基于此研究系統(tǒng)能力在軌評估方法和診斷重構(gòu)方案在軌調(diào)整方法,在運行階段通過動態(tài)匹配診斷重構(gòu)方案與當(dāng)前的診斷重構(gòu)能力保持系統(tǒng)最優(yōu)狀態(tài)。

2.1 空間飛行器可診斷性與可重構(gòu)性理論

為實現(xiàn)空間飛行器診斷與重構(gòu)能力的完整表征、準(zhǔn)確判定及完備量化,針對其不易在軌維修、資源嚴(yán)重受限、系統(tǒng)特性復(fù)雜等特點,基于機理知識與全壽命周期實際工程數(shù)據(jù),開展空間飛行器可診斷性與可重構(gòu)性理論研究,具體研究思路如下。

1)空間飛行器診斷重構(gòu)能力表征

如圖4所示。首先,構(gòu)建空間飛行器的數(shù)據(jù)驅(qū)動模型,并利用機理知識對其進行可解釋性分析,準(zhǔn)確描述系統(tǒng)的輸入輸出特性及內(nèi)部狀態(tài)變化;其次,對空間飛行器的全壽命周期數(shù)據(jù)進行特征提取,分析典型故障模式并建立故障模式集,以確定空間飛行器的故障空間;接著,對空間飛行器部件數(shù)量、計算機存儲空間及計算能力等資源配置包絡(luò)進行數(shù)學(xué)表達;最后,給出故障現(xiàn)象到測量信息、資源配置到重構(gòu)目標(biāo)的映射關(guān)系數(shù)學(xué)表征,實現(xiàn)空間飛行器診斷重構(gòu)能力的完整表征,為診斷重構(gòu)能力判定與量化奠定基礎(chǔ)。

圖4 空間飛行器診斷重構(gòu)能力表征Fig.4 Representation of diagnosability and reconfigurability

2)空間飛行器診斷重構(gòu)能力判定

如圖5所示。首先,對診斷需求(檢測、隔離、辨識)和重構(gòu)目標(biāo)(完全重構(gòu)、部分重構(gòu)、安全重構(gòu))進行逐層分解;其次,研究故障現(xiàn)象到測量信息間映射關(guān)系的連通性分析方法,建立不同診斷需求可行性分析模型,推導(dǎo)可診斷性判據(jù),實現(xiàn)診斷能力的準(zhǔn)確判定;最后,研究資源配置到重構(gòu)目標(biāo)間映射關(guān)系的連通性分析方法,建立各類時空約束條件下重構(gòu)目標(biāo)的可行性分析模型,推導(dǎo)可重構(gòu)性判據(jù),實現(xiàn)空間飛行器重構(gòu)能力的準(zhǔn)確判定。

圖5 空間飛行器診斷重構(gòu)能力判定Fig.5 Determination of diagnosability and reconfigurability

3)空間飛行器診斷重構(gòu)能力量化

如圖6所示。首先,研究不同關(guān)鍵要素對空間飛行器診斷能力影響程度的量化分析方法,利用KL散度、黎曼距離等數(shù)學(xué)工具,從距離和方向等不同角度,對不同故障分布的差異性進行度量,建立通用的可診斷性量化評估指標(biāo)體系;其次,研究不同資源配置對空間飛行器重構(gòu)能力影響程度的量化分析方法,利用Gramian矩陣、李代數(shù)等數(shù)學(xué)工具,對空間飛行器在不同故障下的重構(gòu)性能邊界進行度量,建立通用的可重構(gòu)性量化評估指標(biāo)體系;最后,基于強化學(xué)習(xí)等智能算法對復(fù)雜非線性空間飛行器的能力量化指標(biāo)進行數(shù)值計算,實現(xiàn)空間飛行器在各類資源約束與運行條件下診斷重構(gòu)能力的完備量化,為后續(xù)的資源配置設(shè)計和診斷重構(gòu)方案綜合優(yōu)化提供理論支撐。

圖6 空間飛行器診斷重構(gòu)能力量化Fig.6 Quantification of diagnosability and reconfigurability

2.2 正常模式與故障模式一體化設(shè)計

為統(tǒng)籌平衡空間飛行器在正常模式與故障模式下的資源配置、有效解決資源嚴(yán)重受限帶來的“顧此失彼”問題,以空間飛行器可診斷性與可重構(gòu)性理論為基礎(chǔ),開展正常模式與故障模式一體化設(shè)計方法研究,具體研究思路如下。

1)標(biāo)稱性能與診斷重構(gòu)能力關(guān)聯(lián)機理構(gòu)建

如圖7所示。首先,從概率邏輯角度研究空間飛行器正常模式以及不同故障模式之間的因果關(guān)系,并從資源配置需求角度研究正常模式與故障模式之間的耦合關(guān)系;其次,基于不同模式間的因果關(guān)系對空間飛行器的大量故障模式進行聚類,實現(xiàn)多目標(biāo)降維,并基于不同模式在資源需求方面的耦合關(guān)系對空間飛行器的不同資源配置進行聚類,實現(xiàn)多變量降維,以此簡化標(biāo)稱性能和診斷重構(gòu)能力關(guān)聯(lián)機理構(gòu)建過程;最后,以不同模式間的因果關(guān)系和耦合關(guān)系為抓手,對標(biāo)稱性能與診斷重構(gòu)能力之間的關(guān)聯(lián)關(guān)系進行量化表達,為空間飛行器正常模式與故障模式下平衡策略的制定提供理論依據(jù)。

圖7 標(biāo)稱性能與診斷重構(gòu)能力關(guān)聯(lián)機理構(gòu)建Fig.7 Correlation mechanism construction between nominal performance and diagnosability/reconfigurability

2)正常模式與故障模式平衡策略制定

如圖8所示。首先,基于故障樹分析,研究正常模式與不同故障模式的概率重要度評價方法,從故障概率的角度量化不同模式的重要程度;其次,基于故障模式影響分析,研究正常模式與不同故障模式的關(guān)鍵重要度評價方法,從故障影響的角度量化不同模式的重要程度;最后,結(jié)合概率重要度與關(guān)鍵重要度的分析結(jié)果,對正常模式與不同故障模式進行綜合重要度評價,基于此制定正常模式與故障模式之間的平衡策略,為空間飛行器提供有限資源在正常與故障模式下的統(tǒng)籌分配機制。

圖8 正常模式與故障模式平衡策略制定Fig.8 Balance strategy between the normal and fault modes

3)正常模式與故障模式一體化設(shè)計

如圖9所示。首先,基于正常模式與故障模式間的平衡策略以及具體的任務(wù)需求,制定科學(xué)的獎懲機制,并根據(jù)獎懲機制確定正常模式與故障模式一體化設(shè)計的目標(biāo)函數(shù);其次,研究空間飛行器在不同模式下資源包絡(luò)的量化方法,對優(yōu)化過程中的解目標(biāo)空間和自變量空間進行描述,由此確定正常模式與故障模式一體化設(shè)計的約束條件;最后,基于深度強化學(xué)習(xí)等多元手段研究多目標(biāo)優(yōu)化問題的高效求解方法,進而對空間飛行器進行正常模式與故障模式一體化設(shè)計,實現(xiàn)其有限資源在不同模式下的統(tǒng)籌分配,在系統(tǒng)設(shè)計階段提升空間飛行器標(biāo)稱性能與自主診斷重構(gòu)能力。

圖9 正常模式與故障模式一體化設(shè)計Fig.9 Integrated design of the normal and fault modes

2.3 故障診斷與系統(tǒng)重構(gòu)一體化設(shè)計

為了從時間上協(xié)同空間飛行器故障診斷與系統(tǒng)重構(gòu)方案,解決故障診斷與系統(tǒng)重構(gòu)對故障處理時間的需求沖突,以空間飛行器可診斷性與可重構(gòu)性理論為基礎(chǔ),開展故障診斷與系統(tǒng)重構(gòu)一體化設(shè)計方法研究,具體研究思路如下。

1)診斷能力與重構(gòu)能力關(guān)聯(lián)機理構(gòu)建

如圖10所示。首先,通過分析診斷時間對診斷算法收斂性和診斷精度的影響,量化診斷時間對診斷能力的作用機理;其次,通過分析重構(gòu)時機對重構(gòu)算法收斂性和重構(gòu)效果的影響,量化重構(gòu)時機對重構(gòu)能力的作用機理;最后,通過分析診斷時間對重構(gòu)時機的制約、診斷精度對重構(gòu)效果的影響,構(gòu)建診斷能力與重構(gòu)能力的關(guān)聯(lián)機理,為故障診斷與系統(tǒng)重構(gòu)協(xié)同優(yōu)化提供依據(jù)。

圖10 診斷能力與重構(gòu)能力關(guān)聯(lián)機理構(gòu)建Fig.10 Correlation mechanism construction between diagnosability and reconfigurability

2)故障診斷和系統(tǒng)重構(gòu)算法設(shè)計

如圖11所示。首先,基于先驗信息,通過格式標(biāo)準(zhǔn)化、異常數(shù)據(jù)清除等方式,實現(xiàn)故障樣本數(shù)據(jù)的預(yù)處理,考慮到不同任務(wù)需求對診斷重構(gòu)深度(部件級、系統(tǒng)級)的要求不同,對樣本進行分層,利用分層聚類算法對空間飛行器故障數(shù)據(jù)進行分析,實現(xiàn)樣本數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確分類;其次,對已分類數(shù)據(jù)進行特征提取,通過添加噪聲、變化強度和裁剪等方法對故障樣本數(shù)據(jù)進行增廣,擴充數(shù)據(jù)集規(guī)模,實現(xiàn)正常樣本與故障樣本的數(shù)據(jù)平衡,為故障診斷與系統(tǒng)重構(gòu)算法設(shè)計提供充足的數(shù)據(jù)支持;最后,利用增廣的故障樣本數(shù)據(jù)集,基于機器學(xué)習(xí)算法和微分對策理論等工具設(shè)計面向在軌應(yīng)用的輕量化故障診斷算法與系統(tǒng)重構(gòu)算法,實現(xiàn)計算資源嚴(yán)重受限條件下的空間飛行器故障診斷與系統(tǒng)重構(gòu),為其故障診斷與系統(tǒng)重構(gòu)的協(xié)同優(yōu)化提供基本算法。

圖11 故障診斷和系統(tǒng)重構(gòu)算法設(shè)計Fig.11 Design of the fault diagnosis and system reconfiguration algorithm

3)故障診斷與系統(tǒng)重構(gòu)一體化設(shè)計

如圖12所示。首先,基于構(gòu)建的診斷能力與重構(gòu)能力關(guān)聯(lián)機理,量化診斷時間、診斷精度對重構(gòu)效果的影響,以此構(gòu)建綜合的重構(gòu)性能評價指標(biāo),作為空間飛行器診斷重構(gòu)方案設(shè)計的統(tǒng)一優(yōu)化目標(biāo)函數(shù);其次,基于不同因素對診斷能力和重構(gòu)能力的影響機理和空間飛行器可診斷性與可重構(gòu)性理論,分析診斷重構(gòu)時間約束和可用資源配置包絡(luò),確定故障診斷與系統(tǒng)重構(gòu)一體化設(shè)計的約束條件;最后,描述優(yōu)化過程中解的目標(biāo)空間和自變量空間,并結(jié)合強化學(xué)習(xí)等方法求解多約束優(yōu)化問題,以搜索最優(yōu)的診斷重構(gòu)算法參數(shù)以及診斷時間與重構(gòu)時機,實現(xiàn)故障診斷與系統(tǒng)重構(gòu)的一體化設(shè)計,確保診斷重構(gòu)能力的協(xié)同優(yōu)化;基于空間飛行器正常模式與故障模式、故障診斷與系統(tǒng)重構(gòu)的一體化設(shè)計結(jié)果,得到其自主診斷重構(gòu)的地面最優(yōu)設(shè)計方案。

2.4 基于能力在軌評估的診斷重構(gòu)方案動態(tài)調(diào)整

為實現(xiàn)空間飛行器在軌診斷重構(gòu)能力的動態(tài)優(yōu)化,針對其在軌資源配置包絡(luò)與可處理故障空間變化導(dǎo)致診斷重構(gòu)能力難以保持最優(yōu)狀態(tài)的問題,考慮故障傳播、性能退化等實際因素,以“兩個一體化”設(shè)計結(jié)果為基礎(chǔ),開展基于能力在軌評估的診斷重構(gòu)方案動態(tài)調(diào)整方法研究,具體研究思路如下。

1)資源配置在軌演化規(guī)律及閉環(huán)系統(tǒng)極限能力分析

如圖13所示。首先,針對空間飛行器在軌實際影響因素,包括故障傳播(單一故障、耦合故障等),性能退化(電池性能下降、部件磨損、推進劑消耗等)等,分析各因素對空間飛行器可用資源配置包絡(luò)的影響,利用主成分分析等特征選擇算法提煉可用資源配置包絡(luò)的主要變化特性;然后,利用建模與反饋結(jié)合的閉環(huán)系統(tǒng)理論分析手段,實現(xiàn)閉環(huán)系統(tǒng)反饋機制對抗異常和故障等不確定性因素極限能力的動態(tài)評估,以確定空間飛行器可處理故障空間的變化特性。

圖13 資源在軌演化規(guī)律及閉環(huán)極限能力分析Fig.13 Analysis of on-orbit resource evolution law and closed-loop system’s ultimate capacity

2)空間飛行器診斷重構(gòu)能力在軌評估

如圖14所示。首先,分析可用資源配置包絡(luò)和可處理故障空間變化對診斷重構(gòu)能力的作用機制,構(gòu)建空間飛行器診斷重構(gòu)能力的在軌演化模型;然后,面向空間飛行器計算資源嚴(yán)重受限的現(xiàn)狀,利用網(wǎng)絡(luò)剪枝、權(quán)值量化、低秩近似等技術(shù)從模型結(jié)構(gòu)、參數(shù)規(guī)模等角度實現(xiàn)空間飛行器診斷重構(gòu)能力評估算法的輕量化,以降低其在軌計算負荷、提升其在軌計算效率,實現(xiàn)有限計算資源下空間飛行器診斷重構(gòu)能力的在軌輕量化評估,為其診斷重構(gòu)方案的在軌動態(tài)調(diào)整提供定量的指導(dǎo)依據(jù)。

圖14 空間飛行器診斷重構(gòu)能力在軌評估Fig.14 On-orbit evaluation of diagnosability/reconfigurability

3)診斷重構(gòu)方案在軌動態(tài)調(diào)整

如圖15所示。首先,基于可用資源配置包絡(luò)和閉環(huán)系統(tǒng)可處理故障空間的變化特性,建立方案在軌調(diào)整的動態(tài)閾值,根據(jù)診斷重構(gòu)能力評估結(jié)果和動態(tài)閾值的比對,實現(xiàn)診斷重構(gòu)方案調(diào)整時機的自主決策;然后,基于能力評估-方案調(diào)整-預(yù)期結(jié)果的動態(tài)反饋,在給定的調(diào)整時機對空間飛行器的診斷方案與重構(gòu)方案進行在軌動態(tài)調(diào)整,實現(xiàn)診斷重構(gòu)方案與系統(tǒng)當(dāng)前診斷重構(gòu)能力的動態(tài)匹配,使系統(tǒng)診斷重構(gòu)方案在空間飛行器長期運行過程中一直保持最優(yōu)狀態(tài)。

3 結(jié)束語

本文以診斷重構(gòu)能力的定性判定和定量表達為突破口,提出了基于診斷重構(gòu)能力量化評估的空間飛行器自主診斷重構(gòu)方法:通過研究可診斷性與可重構(gòu)性理論,實現(xiàn)系統(tǒng)診斷重構(gòu)能力的表征、判定和量化;以此為指導(dǎo),提出正常模式與故障模式一體化設(shè)計方法,實現(xiàn)空間飛行器有限資源在不同模式下的統(tǒng)籌分配,并提出故障診斷與系統(tǒng)重構(gòu)一體化設(shè)計方法,實現(xiàn)空間飛行器診斷方案與重構(gòu)方案的協(xié)同優(yōu)化,進而在設(shè)計階段從資源配置和診斷重構(gòu)方案兩個角度共同保證系統(tǒng)診斷重構(gòu)能力的最大化。此外,通過挖掘空間飛行器所面臨約束條件的在軌演化規(guī)律,提出基于能力在軌評估的診斷重構(gòu)方案動態(tài)調(diào)整方法,進而在運行階段保持系統(tǒng)最優(yōu)狀態(tài),全面提升空間飛行器的自主診斷重構(gòu)水平。