考虑指标冗余性的火箭结构安全性评估方法

    徐帅旗 杨杰 范梦兰

    

    

    

    摘 要：在对液体运载火箭进行结构安全性评估的过程中，受其结构安全性设计较高、系统复杂、监测指标众多等因素的影响，导致所能获取的高价值样本缺乏，尤其是故障数据，这为其安全性评估带来的极大的挑战。为此，本文基于置信规则库（BRB）模型，构建了一种液体运载火箭结构安全性评估方法，通过考虑指标间的冗余性对所获取的监测指标进行删减，在保证模型精度的同时，降低模型的复杂度。最后，通过液体运载火箭监测平台获取监测数据，对所提方法的有效性进行了验证。

    关键词：液体运载火箭;安全性评估;置信规则库;冗余性

    中图分类号：TP29 ?文献标识码：A

    液体运载火箭作为卫星发射的主要载体，其使用的频率越来越高，如何保证其结构的安全性和可靠性是目前液体运载火箭健康管理领域所重点关注的问题[1][2]。

    目前，在液体运载火箭结构安全性评估方法研究方面，例如，吴建军等人基于神经网络构建了火箭发动机故障检测方法[3];周东华等人基于故障樹构建了电子设备缓变故障预测模型[4]等。目前，对于液体运载火箭安全性评估方法的研究中，主要存在三个方面的问题。第一，液体运载火箭作为一种任务特殊、长期准备、一次使用的复杂系统，火箭结构安全性评估过程中能够使用的高价值样本较少。第二，火箭结构系统复杂，影响结构安全性的因素较多，专家难以建立其精确的数学模型。第三，火箭工作的过程中需要对其进行动态监测，需要模型具有较高的实时性。因此，液体运载火箭结构安全性评估中所面临的问题可以总结为高价值样本缺失、系统复杂、高维监测指标等。

    置信规则库（Belief rule base，BRB）作为专家系统的一种，能够有效融合监测数据和专家知识，处理监测信息中含有的不确定性、模糊性和冲突信息[6]。但在所获取的高维特征中，受部分共同影响因素的影响，监测特征之间存在共同的信息，即冗余信息，这部分信息可以通过共同的监测特征来表示。因此，这部分冗余信息的特征可以删减掉，以提高模型的复杂度。

    因此，本文基于BRB模型，提出了考虑特征冗余性的火箭结构安全性评估方方法，通过设置指标冗余性删减阈值，对指标进行删减，在保证建模精度的同时最大程度上对模型进行化简。最后，通过液体运载火箭监测平台获取监测数据，对所提方法进行验证。

    1 考虑指标冗余性的火箭结构安全性评估方法

    1.1 评估模型的构建

    根据式（1）所示的规则形式，确定两个监测指标的参考等级和每个参考等级的参考值，如表2和表3所示。安全性评估等级参考值于表4所示。初始评估模型如表5所示，其中各个规则中安全等级的初始置信度由专家给定。

    3.3 模型的训练与测试

    为了克服专家知识不确定性对模型评估精度的影响，基于P-CMA-ES算法，利用监测数据对模型进行训练。经过训练后，安全性评估模型如表6所示。训练前后，模型的评估结果如图2所示。优化的评估模型的MSE为0.0101，远远的低于安全性评估等级的均值0.5，因此精度较高。从图2可以得出，经过训练后，评估模型能够有效的对火箭结构安全性进行评估，评估精度有了较大的提高。

    为了验证本文所提模型的有效性，通过设置对比试验，与BP神经网络、模糊理论进行了对比，其评估精度分别为00809和0.1483。通过对比可以得出，所构建的模型的评估精度较BP神经网络和模糊理论都有了较大的提高。

    4 结语

    本文基于置信规则库模型构建了考虑指标冗余性的火箭结构安全性评估模型，通过指标之间的相关性系数对监测指标进行删减，降低模型复杂度，提高评估模型的实时性。

    参考文献：

    [1]韦涛，彭武，王冬海.基于漏洞属性分析的软件安全评估方法[J].电光与控制，2015，22（8）.

    [2]李首庆.基于云模型模糊综合评判法的飞行规避安全性评估[J].电光与控制，2018，25（12）：88-93.

    [3]黄强，吴建军.基于云-神经网络的液体火箭发动机故障检测方法[J].国防科技大学学报，2010，32（1）：11-15.

    [4]何英，周东华，俞容.一种基于性能退化数据的电子设备缓变故障预报方法[J].仪器仪表学报，2008，29（7）：1526-1529.

    [5]胡昌华，冯志超，周志杰，等.考虑环境干扰的液体运载火箭结构安全性评估方法[J].中国科学：信息科学.