地地弹道导弹可用性仿真评估系统构建

阐述了地地弹道导弹可用性评估的重要性,并以此为需求牵引,提出了以MTMC-RDEDS(Mission Time Monte Carlo Random Discrete Event Dynamic Systems)为核心的可用性建模与仿真一体化框架,结合实际应用,以模型重用技术为基础,构建了拥有丰富建模与仿真知识库、模块化设计与开放式接口的导弹可用性仿真评估系统总体框架及软件层次结构,并给出了涉及工作状态、维修保障、统计优化在内的核心仿真模型与算法,探讨了系统实现的关键技术,包括:随机变量建模、武器系统建模、仿真系统可信度评估.利用VC++和相关软件开发了地地弹道导弹可用性仿真评估系统,给出了仿真运行界面,并进行实例分析,验证模型和系统的有效性.仿真的结果与实际试验情况吻合较好,表明该动态评估方法快捷有效,评估系统建设方案合理可行,适用于工程分析,不失为地地弹道导弹可用性评估的一种有效手段.     

实时工业以太网EtherCAT时序特性分析系统

分析了实时工业以太网的特点,提出一种时序特性分析系统,该系统硬件部分包括数据侦听器和监听计算机;软件部分是安装在监听计算机上的时序分析仪.数据侦听器是以现场可编程门阵列(FPGA,Field-Programmable Gate Array)为核心的硬件单元,主要功能是捕捉被监听链路上的数据帧,提取并封装原始帧的信息生成一个Probe帧,随后转发原始帧和Probe帧到监听计算机.Probe帧是提出的一种专门用于实时工业以太网时序和功能分析的以太网数据帧.时序分析仪解析Probe帧中封装的信息,按照用户设置进行计算统计后,以图形化的方式显示分析结果.最后,构建基于实时工业以太网EtherCAT的实验系统进行功能验证.实验结果表明,时序特性分析系统能够完成对实时工业以太网数据的在线捕捉和离线分析,并能清晰、直观的显示被监听链路和器件时序特性的解析结果.     

一种改进的卫星星座服务可用性评价方法

针对存在缺失卫星的轨道面,将星座中的卫星分为两组,从概率角度并采用组合方法提出了星座覆盖可用性和导航精度可用性指标的统计评价模型和仿真流程,进而通过对两项可用性指标进行加权建立了形式统一的服务可用性加权评价模型。利用该模型对单个或多个轨道面有确定数量卫星缺失的状态下,星座构型和轨道参数变化对其服务可用性的影响进行了研究。结果表明,星座轨道平面数和轨道高度均对服务可用性有较大影响。提出的服务可用性评价模型物理意义明确,可有效减少指标评价时间,研究结论有助于在概念设计阶段对星座构型和轨道参数进行优选。     

工业以太网EtherCAT冗余和热插拔技术

EtherCAT是一种实时工业以太网协议,使用冗余技术是实现热插拔和提高通信可靠性的重要手段.首先介绍了实时工业以太网EtherCAT的组成、工作原理和报文结构,研究了使用环型网络拓扑结构实现基于EtherCAT的工业自动化控制系统故障容错及热插拔技术,分别规划了在网口故障、链路故障和节点故障时冗余帧传播机制、故障点定位和恢复策略.开发了链路冗余EtherCAT主站驱动程序,将常规EtherCAT主站驱动程序做了修改,加入链路冗余机制,对上层应用屏蔽了冗余信息和操作.最后完成了冗余和热插拔的性能测试实验,结果表明系统性能优越,运行稳定.     

航天器可应用实时以太网分析

在航天器上应用以太网的目的是借助以太网的灵活性, 获得方便 的通信接入及数据传输的高带宽, 并且能适应控制领域通信的实 时性和确定性. 实时以太网的确定性、通信调度机制和传输特征是其满足航天器网络通信特性需求的主要判定依据. 通过分析航天器数据通信特点, 对比实时以太网通信调度策略, 得出应用于航天器的实时以太网应具备时间同步、强实时性、确定性、高带宽、多数据类型、双通道冗余及兼容标准以太网等特征.     

基于XML的EtherCAT工业以太网协议解析技术

重点研究了基于可扩展标记语言(XML,eXtensible Markup Language)的EtherCAT工业以太网协议解析器技术和实现方法.介绍了EtherCAT协议报文格式和特点,分析了以太网数据侦听器和协议解析器的结构,针对通用以太网解析器在工业以太网领域应用的局限性,提出使用XML语言描述协议报文的方法,在此基础上开发出一种开放式、可重构的EtherCAT协议解析器.实验结果表明基于XML的协议报文描述方法及解析器能够有效地描述和解析EtherCAT协议报文,使用者可以根据解析对象格式使用XML语言自定义、修改和扩展协议解析规则,获得清晰、直观的解析结果.      

基于CAN总线的虚拟化以太网接口设计和实现

针对卫星载荷间基于控制器局域网（CAN）总线的IP通信,提出了一种CAN接口虚拟化机制,称为IPoverCAN。通过IP地址和CAN地址映射、IP报文分片/重组和多路缓冲队列管理等机制,将CAN接口抽象为虚拟的标准以太网接口。试验结果表明,IPoverCAN机制实现了CAN数据帧和IP报文之间的实时高效转换,可用于卫星载荷间通信等对设备质量和体积敏感的领域。     

基于以太网器件的高性能工业现场总线FED

研究一种采用通用以太网物理层元件和FPGA器件构成的现场总线FED(Fieldbus based on Ethernet Devices),在片上系统(SOC,System On Chip)上开发出实用的现场总线通信装置.FED不需要复杂的驱动程序就可以实现链路层通信,在链路层基础上可以根据控制需要设计应用层通信协议.FED采用基于带飞读写功能的集总帧结构,使用主从式通讯.FED系统由1个主站和最多255个从站组成,实现了100 Mbit/s的高速实时通信.建立了实验系统,验证了FED总线可以满足数控机床等工业自动化设备的控制需求.     

可修系统的可用度分析方法研究

介绍了一种新的可修系统可用度分析方法--可修系统动态故障树建模分析方法.为了获得高的可靠性和可用性,计算机控制系统大量采用了动态余度管理、储备及复杂的故障恢复技术,使计算机控制系统呈现出很强的动态性和实时性.采用动态故障树与Markov过程综合方法,将计算机控制系统的动态时序用DFTA(Dynamic Fault Tree Analysis)描述,将系统可修过程用Markov过程描述,将系统分解成若干个小的模块,逐步计算各模块的可用度、等效故障概率和维修率,最后综合进行整个系统的可用度分析.     

层次化模块化可用性分析方法的误差分析

通过层次化模块化分解技术,将复杂系统动态故障树分解为相互独立的模块,对独立模块分别进行可用度求解,再利用自下而上递归的方法实现复杂系统可用性分析.提出和推导出等效时变的可用度参数模型,分析了层次化模块化可用性分析方法的误差成因和相关影响,给出了故障相关和维修相关条件下的误差定义,定量研究了误差分布区域及其影响因素,提出了层次化模块化可用性分析方法的适用条件和应用原则,实例分析证明了该方法的有效性.      

基于稳态和非稳态时变可用度模型的适用性

针对METRIC模型中以备件期望短缺数计算的稳态可用度模型能否直接转换适用于非稳态时变可用度模型,扩展METRIC理论,分别建立了仅以备件期望短缺数计算的时变可用度模型和以备件期望短缺数及方差计算的时变可用度模型。在保障系统达到稳态(修复概率为1)和处于非稳态(修复概率小于1)情况下,分别采用2种时变可用度模型计算表决结构单元和串联结构单元的可用度,并与Monte Carlo仿真模型计算得到的结果进行对比分析。结果表明:以备件期望短缺数计算的时变可用度模型仅在串联结构单元且保障系统达到稳态时与仿真可用度值一致,适合于装备全寿命周期内备件配置优化的计算;以备件期望短缺数及方差计算的时变可用度模型无论保障系统处于稳态或非稳态,适应性均较强,适合于任务期作战单元备件配置优化计算。     

均匀分布下系统瞬时可用度理论分析

对单部件可修系统的瞬时可用度在其初期出现的波动现象进行了理论分析,介绍了现今2种可用度研究进展并分析了对瞬时可用度研究的重要性。分别讨论了系统部件的故障时间及修复时间都服从相同和不同均匀分布的情况,通过把可用度的更新方程转化为分段的时滞或常微分方程,运用初值与连续性给出了系统瞬时可用度的解析表达式。提出了判断瞬时可用度波动的方法,即判断是否存在小于稳态可用度的点,并验证了该方法的有效性。得到了无论均匀分布为何种参数组合,瞬时可用度均存在波动性的结论。最终的仿真结果和理论结果相一致。      

独立子树等效时变可用度分析

在复杂系统可用度分析中,采用深度和广度遍历算法将复杂动态故障树分解为独立子树,推导和证明了独立子树等效时变可用度参数模型,建立了各独立子树同构的马尔可夫状态转移链.通过求解降维微分方程获得故障子树的时变可用度参数,采用由下至上的递归处理算法快速实现复杂系统的可用性定量分析,既解决了复杂系统可用度计算的"组合爆炸"问题,又通过考虑时变参数保证了可用度解算的精度.实例分析表明,采用独立子树等效时变可用度分析方法在有效的分解下,其误差可以很小.      

军用飞机使用可用度仿真论证

使用可用度是军用飞机重要的可靠性维修性保障性RMS(Reliability, Maintainability and Supportability)顶层参数.为了确定合理有效的使用可用度,根据论证阶段的实际情况,综合考虑军用飞机任务需求、初始使用和保障方案以及相似装备的RMS指标等信息,利用Monte-Carlo方法和排队论构建模型.对仿真过程中的任务开始、故障时刻、维修时间的抽样进行了分析,给出了抽样公式.以军用飞机RMS指标和使用保障方案作为仿真输入,反复迭代计算获得一族使用可用度与RMS参数的关系曲线,再综合权衡获得合理的使用可用度和相关RMS指标.给出了可靠性仿真的算法流程和相关的计算公式,并以案例验证了该方法的可行性.仿真模型具有通用性,可根据实际情况修改统计公式,满足不同参数的论证需求.      

基于PHM的航空装备可用度影响因素分析方法

对已有的航空装备可用度分析方法进行了综述,将航空装备可用度影响因素分为三类.通过PHM(Prognostics and Health Management)技术对航空装备保障过程的影响分析,梳理了基于PHM的航空装备可用度影响因素,并将这些因素按照其来源分为使用影响因素和设计影响因素两大类.给出了4个合理的仿真假设条件以简化仿真过程,并进一步将设计影响因素分为5种,并结合一个实例给出了基于PHM的航空装备可用度影响因素仿真过程中的输入.提出给定装备系统及其保障系统参数条件下的稳态可用度为仿真的输出,并给出与仿真输入相符的解析计算公式.详细描述了仿真程序的构成及其流程图.最后,以图形的方式给出了仿真结果,给出了案例的单因素分析及多因素耦合分析的过程及结论,验证了所提出的分析方法的可行性.      

马尔可夫更新方程的迭代算法研究

冷储备系统的动态结构变化使得系统可用度分析必须基于瞬态求解,针对频域两部件冷储备系统马尔可夫更新方程解算困难的问题,提出基于时域伏尔特拉方程的迭代算法,证明了该迭代方程的唯一性和收敛性,并给出迭代算法的误差分析.理论和实例分析表明,当冷储备系统部件的工作寿命和维修时间分布是有界函数时,利用迭代算法可以容易实现时域马尔可夫更新方程的求解.      

任务准备期内的军用飞机瞬时可用度

军用飞机是一种复杂的可修系统,其瞬时可用度计算是装备综合保障领域研究的难点。本文构建了基于作战任务和飞机技术状态驱动的随机维修网络(SMTN),SMTN中各项活动的维修时间服从不同分布,定义了SMTN的矩母函数并求解系统维修度函数的数字特征,将得到的期望和方差分别代入不同分布形式函数进行验证,从而选定符合实际情况的SMTN的维修度函数,并对任务准备期内的军用飞机可用度进行仿真。在计算过程中基于蒙特卡罗技术设计了一种新方法,在提高计算效率的同时,可以较好地反映维修保障过程的逻辑性、拓扑性和随机性,仿真结果可以真实反映装备在任务准备期内瞬时可用度的波动规律。该方法可以广泛应用到各种复杂的可修系统,为装备的使用决策提供依据,为保障系统的保障效能评估提供量化指标,对于综合保障领域"动态"指标的研究有着一定探索价值。