面向智能运维的装备数字孪生体构建与应用研究

面向未来战争的高动态变化、复杂不确定性及严酷作战环境,亟需提高装备运维保障的智能化水平,全面提升任务行动的精准执行、保障资源的高效协同及装备状态的快速恢复能力。通过开展面向智能运维的装备数字孪生体构建与应用研究,提出装备数字孪生体“形-性-行”一体化建模技术,将数字孪生体作为装备对象同步映射、异步成长的“生命体”,并从装备“形-性-行”三个维度表征物理对象的几何外形、机理特性与任务行为,构建面向智能运维的装备数字孪生体。其次,结合数字孪生体在装备运维任务过程中的实际应用,开发装备数字孪生智能保障系统,并以武器装备为应用对象,探究数字孪生体在装备状态监控、故障诊断及维修保障等典型任务过程中的应用模式,以验证数字孪生技术在装备智能运维领域的有效性与可行性。

装备体系可靠性概念、建模与预计方法研究

武器装备体系执行任务复杂多样,其可靠性直接影响装备战备完好性与效能。传统可靠性建模与预计方法未充分考虑装备体系组成系统之间的资源共享与信息融合特征,难以满足现代化装备体系化和集群化需求。因此,分析给出装备体系可靠性相关概念,并提出了一种基于广义有效OODA(observation,orientation,decision,action)环的装备体系可靠性建模与预计方法。首先,对装备系统与体系可靠性相关概念进行辨析,分析装备体系可靠性、维修性、测试性、保障性和安全性概念内涵。其次,考虑装备体系节点异质性与连边有向性,建立资源与信息共享条件下的装备体系OODA网络模型。然后,考虑装备体系节点与通信链路的随机、蓄意攻击失效和重构策略,提出基于广义OODA环的装备体系可靠性建模与预计方法。最后,以100个无人机组成的无人装备体系为对象验证所提方法的有效性与实用性,进而提升其作战效能。

面向实战训练的装备模拟训练系统

针对传统模拟训练系统存在的问题,设计一种由指挥模拟训练系统、通信模拟训练系统、特装车辆实景驾驶模拟器、测试发射操作模拟系统等组成的装备模拟训练系统。通过复杂环境下的无线通信仿真模拟、3维地理信息高效采集与快速重建、特装车辆动力学仿真与运动控制、装备测试发射故障仿真训练等技术应用,解决部队复杂场景通信仿真训练、复杂作战区域实景驾驶训练、装备操作与故障处置训练等需求。应用结果表明,该系统可显著提升部队指挥人员、通信保障人员、作战人员的训练效率。

飞行器总体不确定性建模与优化设计方法

针对考虑不确定性的飞行器总体设计迭代周期长、优化困难等问题,提出一种基于裕度量化解耦策略的飞行器总体不确定性建模与优化设计方法。首先采用主动学习策略开展基于优化加点Kriging的阈值不确定性分析,实现了不确定性裕度的高效求解。进而提出一种适用于飞行器总体设计的裕度量化解耦策略,将双层嵌套的不确定性优化问题解耦为确定性优化与不确定性分析过程顺序执行,高效给出满足概率约束的优化设计方案。该方法解决了传统解耦方法采用嵌入式算法而导致的工程应用困难的问题。通过非线性多约束数值案例以及滑翔飞行器工程案例,验证了该方法能够在保证精度的前提下,提高不确定性优化设计效率。

基于变可信度模型的飞行器翼结构模态分析

针对飞行器翼结构的模态快速分析需求,通过研究翼结构几何参数对其模态频率的影响,提出了一种基于变可信度模型的飞行器翼结构模态分析方法。结合翼结构几何模型和有限元模型,采用变可信度模型来描述结构几何参数对模态的影响;针对有限元仿真样本不足的问题,提出了基于序贯加点策略的变可信度模型建模方法,并结合数值算例分析了序贯建模方法的有效性。以飞行器典型梯形翼为应用对象,序贯建模方法能更准确地预测不同尺寸的翼结构模态频率,前3阶模态频率预测偏差在6%以下;利用变可信度模型能够快速分析几何参数对模态频率的影响,为飞行器翼结构设计提供支撑。

基于改进牛顿法的梁结构拓扑优化方法

面向飞行器结构轻量化、高刚度的设计需求,为改进传统结构拓扑优化方法存在初始值选择条件严苛、收敛速度慢等问题,将牛顿-拉普森算法和外点惩罚函数法相结合,研究提出一种基于改进牛顿法的梁模型结构拓扑优化方法。结合飞行器翼舵、支架和端框等支撑结构的特点,建立基于变密度法的结构拓扑优化模型,并采用牛顿-拉普森算法进行模型参数求解。引入外点惩罚函数法对牛顿-拉普森算法进行改进,通过综合考虑优化过程中梯度方向与初始点选取的影响,构建惩罚函数代替拉格朗日函数。进一步,通过考虑单元节点位移与相对密度关系,求解更为精确的海森矩阵,有效提升算法的收敛效率和稳定性。以飞行器结构中典型梁结构作为研究对象,开展案例应用研究。结果表明该方法能够得到边界清晰、结果稳定性高的结构拓扑优化模型,且优化精度与效率较传统方法高,可为飞行器结构轻量化设计提供支持。

武器装备智能保障系统建模与效能分析

为实现信息化作战保障条件下的装备保障能力建设和提升,面向装备OODA闭环提出装备智能保障系统,建立基于DoDAF的智能保障系统结构模型,并基于网络分析法对装备智能保障系统和传统装备保障系统的效能进行了对比评估。在总结当前装备效能评估领域国内外研究现状的基础上,以OODA全流程闭环为目标,分析装备保障的现存问题和装备智能保障模式的特点,并构建武器装备智能保障系统模型。通过系统高层概念、能力、任务活动等要素建模,构建武器装备智能保障系统效能模型并基于网络分析法开展效能评估,通过装备训练保障、维修保障、信息支援和行动支持等维度对比了传统装备保障系统与智能保障系统的效能差异,提出智能保障技术的发展建议,为装备保障的智能化发展提供理论参考。

基于比例风险模型的环境折合系数确定方法

研究了环境因素对产品可靠性的影响,给出了一种综合利用变环境试验数据的环境折合系数确定方法.利用比例风险模型来描述可靠性与环境因素的关系,给出了环境因素对产品可靠性影响的定量度量.基于该模型给出了常用寿命分布下的环境折合系数的统计推断方法.针对复杂环境,采用广义比例风险模型用于度量不同环境因素之间对可靠性的交互作用.利用径向基函数法来拟合该模型,并对模型进行了优化.计算实例表明:该方法合理可行,便于工程应用.

基于容差分析的结构非概率可靠性模型

在对新结构进行可靠性设计分析时,概率可靠性模型和模糊可靠性模型对数据信息要求较高。为了充分利用结构的不确定性信息以弥补数据的不足,在采用区间变量描述结构不确定性参数的前提下,研究不确定性参数的容差与偏差之间的关系及其对结构可靠性的影响方式,提出一种基于容差分析的结构非概率可靠性模型。进而,以结构应力—强度干涉模型为基础,分析结构的典型干涉模式与不确定性参数容差的存在性质,给出结构非概率可靠性的一种新的度量方法。以简单线性结构为例给出相应的算法,并将此推广到非线性结构。接着以多变量线性结构为例,给出相应算法,并同样将其推广到非线性结构。该方法适用于任意形式的结构功能函数,计算简便,易于工程实现,为结构容差设计与可靠性分析提供定量依据。

利用变环境试验数据的可靠性综合评估

研究了试验环境对产品可靠性的影响,提出一种利用变环境试验数据的可靠性综合评估方法.利用Cox比例风险模型来描述产品的可靠性与试验环境因素的关系,给出不同环境因素对产品可靠性影响的定量度量.结合产品的可靠性模型提出一种数据折合方法.分别以指数分布和双参数Weibull分布为例,把不同环境条件下的试验数据折合为相同环境条件下的试验数据,进而利用这些试验数据对产品进行可靠性综合评估.该方法综合利用产品在不同环境条件下的试验数据,扩大了样本量,提高了产品可靠性评估精度.实例表明该方法合理可行,便于工程应用.

基于比例风险模型的可靠性综合评估

研究了环境因素对可靠性的影响,提出了一种利用变环境数据的可靠性综合评估方法。首先,利用比例风险模型描述产品可靠性水平与其工作环境因素的定量影响关系。接着,利用变环境数据确定基准失效率,并对比例风险模型进行变换。然后,利用广义线性模型给出了可靠性模型参数的极大似然估计。进而结合可靠性模型,利用似然比方法给出了可靠度置信下限。实例表明,该方法能较好地度量环境因素对产品可靠性的影响,从而提高了可靠性评估精度。

基于广义线性模型的固体推进剂贮存寿命评估

研究了固体推进剂在贮存过程中性能退化对贮存寿命与可靠性的影响,提出了一种基于广义线性模型的固体推进剂贮存寿命与可靠性评估方法.首先结合固体推进剂退化数据的特点,利用位置刻度模型来描述固体推进剂抗拉强度与贮存时间的关系,建立了固体推进剂的贮存寿命模型.然后利用广义线性模型,给出了贮存寿命模型系数的极大似然估计.根据极大似然估计的渐近正态性,利用Fisher信息矩阵,给出了贮存寿命与可靠度近似置信下限.结合算例表明该方法综合利用固体推进剂在不同贮存时间下的性能数据,改善了固体推进剂贮存寿命与可靠性评估精度.

基于序约束的火工品可靠性试验数据分析

为了能在较小样本量下提高火工品可靠性试验数据分析效果,研究了Langlie法试验,给出了火工品可靠性试验数据分析方法。该方法利用保序回归对Langlie法试验数据进行处理,给出参数的序约束估计。模拟结果表明基于序约束的Langlie试验数据的位置参数估计具有较优的统计性质。最后利用该方法对某针刺雷管进行可靠性评估,并与大样本方法比较,表明该方法可以利用65个样本在置信水平为0.9时对可靠性为0.999的火工品进行评估。

基于广义线性模型的火工品可靠性数据分析

为提高小样本量下火工品可靠性分析的精度,依据火工品感度试验与可靠性分析的特点,提出了一种基于广义线性模型的火工品可靠性分析方法。该方法通过函数变换,将样本似然函数转换为二项分布变量的广义线性表达式,由此,得到感度分布参数的极大似然估计及其相应算法,再根据极大似然估计的渐近正态性,对可靠度函数进行了logit变换,给出了火工品可靠度置信下限。通过某针刺雷管(γ=0.95,R≥0.999)和电雷管(γ=0.95,R≥0.9999)对该方法进行了实验验证,并与大样本试验数据分析结果进行对比,结果表明该方法合理可行,可利用约150个样本对可靠性要求为0.999以上的火工品进行有效评价。

基于任务剖面的导弹LRU备件规划方法

研究了不同环境条件对导弹产品寿命的影响,利用Poisson过程来描述导弹现场可更换单元(line replaceable unit,LRU)在全寿命周期中的维修情况,给出了一种基于任务剖面的导弹LRU备件规划方法。通过对全寿命周期任务剖面进行分析,综合考虑不同典型任务剖面对LRU可靠性的影响,利用Poisson过程建立LRU备件量模型。通过考虑LRU备件贮存失效和定期检测损耗,对备件量模型进行了修正。结合实例表明,该方法在导弹贮存寿命剖面下对LRU备件量进行了合理规划,确保导弹满足战备完好性要求,并节约了全寿命周期费用。

基于虚拟样本的火工品可靠性评估

为了提高小样本下火工品可靠性评估的精度,研究了升降法实验及其数据分析方法。结合火工品升降法实验数据的特点,给出了一种数据填充方法,把二元成败型数据转化为虚拟完全样本数据。模拟结果表明,与基于二元成败型数据的估计相比,基于虚拟完全样本数据的位置参数估计基本一致,而刻度参数估计具有更优的统计性质。利用该虚拟样本数据,结合信仰推断方法,给出了火工品可靠性评估方法。最后将该方法应用于某产品的可靠性评估,并与大样本评估方法进行了比较,表明该方法可以在较小样本下实现对高可靠性火工品的可靠性评估。

利用变环境试验数据的可靠性灵敏度分析

研究了环境因素对产品可靠性的影响,提出了一种利用变环境试验数据的可靠性灵敏度分析方法。首先针对产品寿命服从位置-刻度模型的情形,利用径向基函数法来度量不同环境因素及其交互作用对可靠性的影响,建立了关于环境因素的位置参数模型。接着利用Poisson分布来描述似然函数中的示性变量,利用广义线性模型给出了可靠性模型参数的极大似然估计。进而给出了关于环境因素的可靠性灵敏度,用于度量可靠性对环境因素的灵敏性。结合实例表明该方法综合利用了不同环境条件下的试验数据,可用于分析产品可靠性随环境因素的动态变化特征。

基于比例风险模型的可靠性灵敏度分析

为了定量描述产品可靠性随环境因素的动态变化,研究了环境因素对可靠性的影响,提出了一种基于比例风险模型的可靠性灵敏度分析方法。首先利用比例风险模型描述产品可靠性水平与环境因素的定量影响关系。结合试验数据选取基准环境协变量,对比例风险模型进行变换,并利用广义线性模型给出了可靠性模型参数的极大似然估计。进而给出了产品关于不同环境因素的可靠性灵敏度,用于度量可靠性对环境因素的灵敏性。结合实例表明该方法综合利用了不同环境条件下的试验数据,提高了可靠性灵敏度分析精度,可用于分析产品可靠性关于环境因素的动态变化特征。

广义Weibull分布参数的收缩估计

在右删失样本下,研究了双参数广义Weibull分布参数的极大似然估计。针对在小样本或高度删失样本下参数估计效果差的问题,引入了收缩估计方法,将先验信息与样本信息相结合,用于改善参数估计。分别在单参数和双参数含有先验信息两种情形下,给出了分布参数的收缩估计。以定数截尾样本为例,利用Monte-Carlo方法对收缩估计与极大似然估计进行了比较,模拟结果表明在一定的条件下,收缩估计具有更优的统计性质。数值算例表明,在小样本或高度截尾样本下,双参数广义Weibull分布参数的收缩估计具有较好的效果。

利用变环境数据的Weibull分布可靠性综合评估

为了提高可靠性评估精度,研究了环境因素对产品可靠性的影响,提出了一种适用于Weibull分布的变环境数据可靠性综合评估方法.首先通过利用径向基函数法来度量不同环境因素及其交互作用对可靠性的影响,建立了关于环境因素的位置参数模型.并针对刻度参数依赖于环境因素的情形,利用线性模型来建立刻度参数模型.然后利用广义线性模型,给出了位置和刻度参数模型系数的极大似然估计,并给出了可靠度近似置信下限.实例表明该方法能较好地度量环境因素对可靠性的影响,而且合理可行便于工程应用.