航天故障的成因分析与诊断技术

2003年7月第10卷第4期

文章编号:1671-7848(2003) 04-0295-05

控制工程

Control Eng ineering of China Jul. 2003Vol. 10, No. 4

航天故障的成因分析与诊断技术

胡绍林, 黄刘生

(中国科技大学计算机系, 安徽合肥 230027)

摘 要:由于航天领域是一个高风险的领域, 即使是局部环节的微小故障也会带来巨大经济损失或灾难。因此, 分析航天故障成因和研究航天故障检测、诊断与防范技术, 具有十分重要的理论意义与工程价值。以航天工程为背景, 从系统、过程、技术环境和人机系统复杂性等5个方面归纳了航天故障产生的原因, 剖析了航天故障的典型特点, 分析了建立航天检测与诊断方法的技术难点, 并就若干类型的航天故障提出了检测与诊断的技术研究方向。

关 键 词:航天工程; 故障分析; 故障检测与诊断中图分类号:T P 277 文献标识码:A

1 引 言

据统计, 在过去30多年时间里, 世界各国进行航天试验过程中发生过数以万计的故障。例如, 美国在/雷神0、/宇宙神0等7种类型的火箭发动机的研制、试验和使用过程中, 先后出现过84000多次故障, 其中危害性和代表性的故障多达1700多次; 1965~1994年的30年间, 国际通信卫星组织在发射商用通信卫星过程中, 不但有10颗卫星因发射故障未能进入同步轨道, 进入同步轨道的39颗中仍有29颗在轨期间出现过这样或那样的故障多达80多次。

尽管每个实施航天试验的国家、每个参与航天工程的技术人员都在尽最大能力以确保航天试验的万无一失, 但是航天故障仍不以人们的意志为转移地发生着。因此, 提高航天工程的可靠性和降低航天风险, 将是航天技术发展的一个永恒课题。

本文将从航天工程的故障成因、故障类型、故障影响, 以及故障检测与处理等方面, 进行分析和研究, 以期为航天过程可靠性与安全性技术研究提供有价值的信息。

[1]

天工程系统的高度复杂性、航天运行环境的复杂性和航天系统对环境的适应性。

1) 系统复杂性 系统复杂性是产生航天故障的主要原因。仅以美国/大力神20运载火箭为例, 该火箭约有5万个电子元件和元器件。假设每个部件的可靠性为0199999, 即发生故障的几率为十万分之一, 则由5万个部件组成的系统出现故障的概率达39%; 如果每个部件的可靠性为019999, 则由5万个部件组成的系统出现故障的概率高达99%。因此, 受现有工艺水平限制, 大型航天试验过程中不可避免地会出现这样或那样的故障。

以往国际国内航天试验证实, 大部分航天故障可以归结于航天器及其运载工具的缺陷或功能性失败。其中, 动力系统、能源系统、制导与飞行控制系统、姿态测量与控制系统、分离系统、跟踪与测量系统等, 以及机械设备、电子设备、管线、框架结构、接收机、转发器、敏感器等, 是故障多发部位。据统计[1], 自1957年前苏联研制发射第一颗人造卫星以来, 世界航天领域发生的近1000起严重故障中, 动力、能源、姿态测量与控制、制导与飞行控制、跟踪测量等5大子系统所发生的故障约占故障总数的80%。

2) 过程复杂性 航天器发射与测控工程是一项十分复杂的系统工程。纵观美国、前苏联、欧

2 航天故障的成因分析

对航天而言, 故障产生的最根本原因在于航

收稿日期:2003-04-14

基金项目:博士后科学基金资助项目(BH1104) ; 面向21世纪教育振兴行动计划资助项目(YL1318) ; 中国科学院支持高水平大学

建设资助项目(KY2706)

作者简介:胡绍林(1964-) , 男, 安徽岳西人, 研究员, 博士后, 主要从事航天测控系统工程, 现代计算机控制过程监控与容错处理技

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控 制 工 程 第10卷

空局以及国内的卫星、飞船、航天飞机、空间站等航天器发射与测控过程可以看出, 大多数航天器都是凭借多级火箭提供的持续而巨大的推力脱离地球引力进入太空预定轨道的。

无论是火箭起飞段、动力飞行段、轨道调整阶段、姿态控制阶段、在轨管理阶段还是返回与回收段, 都必须依赖地面或低空测控网的监视、控制和干预; 测控网的控制指令又必须通过箭(星) 上合作设备发挥作用。

一方面, 无论是监视还是控制、干预, 都是遥操作方式, 如遥测、遥控等等。因此, 测量、计算、推断、决策、控制以及信号的发射、传输、接收等, 无论哪个环节发生故障或出现失误, 都将会导致系统性故障或灾难。例如, 1967年1月发射的/林肯5号0实验卫星, 由于计时系统和指令系统出现故障, 使得卫星无法接收指令与射频干扰实验无法按要求的速率和阶跃频率进行, 卫星旋转轴修正速率从原设定值0175b 下降到0125b 。

另一方面, 网络系统的各节点、各环节都必须指令畅通、信号稳定、时间统一、功能协调, 相互配合、各司其职地对整个测控过程进行分工协作。任何一个网络节点的失误或功能性故障, 都会导致系统功能受损甚至整个任务的失败。例如, 1966年11月/联盟2号0无人飞船, 由于火箭点火前几秒钟自动发射程序突然终止倒计时, 当发射场工作人员冲向发射台时, 逃逸系统固体火箭部分接到来自陀螺仪的指令点火, 飞船的温控系统被触发, 数秒后燃料箱爆炸、三级和另两级连续爆炸, 箭船俱毁。

3) 技术复杂性 技术的复杂性决定了航天是一个高风险的领域。它主要体现在两个方面:一是具有多技术集成与多学科综合的特点; 二是军事和民用领域对航天工程任务与目标的多样化以及航天器结构与功能的复杂化。

航天实践证明, 对于一些在地面环境或模拟空间环境下稳妥可靠的新材料、新工艺、新技术, 应用于航天工程时其可靠性和有效性都面临挑战, 甚至蕴藏着故障隐患。

4) 环境复杂性 运载火箭和航天器运行环境十分复杂。航天器研制、测试、发射、运行、测控和管理, 分别是在不同环境下进行的, 航天器本身还要经历从地面到太空并返回地面的长弧段运行, 划分为具有不同结构的诸多层次。例如, 大气层(含对流层、平流层、中间层、热成层) 、电离层(D 层、E 层、F 层) 、外电离层和地磁层, 等等。

在航天器运行过程的复杂环境中, 每一层都有对航天器的安全运行或对机械电子设备的正常工作产生不利影响的扰动力、电磁波或磁场。并且, 其影响强度和产生的效果具有高度随机扰动特性和不确定性, 难以准确地描述和量化处理。如果进一步考虑到大气层或电离层内分布不均匀、空气流动、对电磁辐射屏蔽、电离层扰动、电离层暴、粒子辐射、太阳质子事件、带电粒子、等离子体、潮汐, 以及其他星体的引力、光压、气温、气压和湿度变化等各种因素的影响, 环境对航天活动的影响更为复杂。

航天过程中, 运载火箭携带航天器穿越稠密大气层、电离层和地磁层, 经受来自环境各种扰动的影响。无论是机械设备还是电子设备, 其功能、性能和稳定性均与地面设计和地面测试时有巨大差异, 不可避免地也会诱发各种异常现象的发生。因此, 环境不确定性和气候的异常变化都可能成为重要的故障源。

实践证明, 复杂的运行环境不但降低了系统可靠性还直接影响到系统安全运行。例如, /联盟23号0飞船的不能正常着陆、/阿波罗15号0飞船返回时, 因主伞被风吹毁造成较大落点偏差、/联盟11号0飞船座舱爆炸和宇航员死亡、/宇宙神(AC-63) 0火箭和/阿波罗12号0飞船遭受雷击等一系列故障均与环境或气候有关。

近年来, 环境恶劣方面又出现了新的情况。美国约翰逊航天中心研究轨道碎片的首席科学家N. L. Johnson 呼吁各国监视那些在太空漫游的成千上万碎片, 因为它们将会严重威胁航天器的安全运行。英国防御评估与研究机构DERA 称[2], 在今后的50年里, 20%的近地轨道卫星将受到碎片的破坏, 其中, 1%~2%甚至会被彻底摧毁。

5) 人机系统复杂性 从人机工程学角度看, 航天系统是一个涉及到多人、多机、多环境的结构十分复杂的巨型系统。在这个系统中, 无论是火箭发射、雷达跟踪、轨道机动、姿态控制, 还是安全控制、星地通信、返回回收, 都是在人直接、间接或遥操作下完成的。因此, 人的因素也是故障发生的一个重要原因。

第4期 胡绍林等:航天故障的成因分析与诊断技术的任一环节, 由于操作者心理、生理或知识、经验等各种主、客观因素的影响, 或各种预设状况的突发性变化, 都可能导致操作人员发布错误指令、实施错误, 导致指挥人员判断错误和决策失误。更为严重的是, 有时为了纠正一个已发生的错误, 而进行一连串更为严重的误操作, 所谓错上加错, 直接导致火箭被毁或卫星失控。例如, 1990年2月/阿里安0运载火箭第36次发射时, 由于一块30mm 见方的碎布片误留在一火箭发动机供水管路内, 堵塞供水阀门, 导致火箭起飞后101s 发生爆炸, 两颗美制日本通信卫星报毁, 损失巨大。再例如1981年/德尔它DSV -3P 0火箭的发射过程中, 由于负责燃料加注的工程师错误判断和粗心大意, 少加注118kg 燃料, 导致两颗动力探测卫星没能进入预定轨道。

此外, 运载工具的设计缺陷、适应性和机械部件故障, 也是导致航天工程失败的重要原因。例如, 1986年/挑战者号0航天飞机第10次飞行时, 由于航天飞机的右侧助推器下端壳体接头O 形密封圈失效, 导致燃料外泻, 烧断助推器与储箱之间的连接主柱, 助推器晃动, 撞坏储箱, 造成推进剂大量外溢和燃烧, 起飞约75s 后发生大爆炸, 整个航天飞机被炸成碎片坠落大海[1]。

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顶0等型号系列火箭的1220次发射过程中失败47次, 失败率为3185%; 欧空局的Ariane 系列火箭126次发射过程中失败11次, 比率为8173%; 日本的K 系列、L 系列、M 系列和H 系列等火箭发射失败27次; 美国/哥伦比亚号0航天飞机在1981~1994年的16次飞行试验中有13飞行次出现过故障, 故障次数多达60次, 平均每次飞行出现故障416次。

1995年, 世界航天领域中运载火箭发射过程发生7次重大故障, 导致5颗卫星被炸毁, 2颗卫星进入无用轨道, 1颗卫星的使用寿命缩短50%。

2) 多故障并发性 航天系统是一个涉及多人、多机、多环境的、结构十分复杂的巨型系统, 从硬件构成可分为运载系统、航天器系统、发射系统和测控网系统; 从功能上可分为动力系统、通讯系统、遥测系统、遥控系统和各种功能系统等, 每一功能系统又是由若干个子系统构成的。

以往美、苏、中、日和欧空局等国家或地区的航天实验的故障情况证实, 在航天器的发射、测控和管理过程中, 工程系统的任一子系统、任一环节都可能出现异常或发生故障。因此, 航天工程中, 多故障并发现象也是比较常见的。这既包括短时间内多个不同源故障的同时(或相继) 发生, 也包括某一简单故障在同一时间点上导致多个子系统功能异常, 以及多种类型故障的并发与相互转化等。例如[1], 1977年9月由Delta 运载火箭发射的欧空局轨道试验卫星DCDS Ò在主动段和轨道运行段出现的一系列故障, 1978年4月由Delta 运载火箭发射的日本实用中型广播卫星BSE -1出现的近20次故障。

3) 故障模式多样性 到目前为止国际技术过程可靠性与安全性技术研究领域在探索常规的动态过程、控制系统和机械系统的故障检测与诊断技术时, 大多是将着眼点放在脉冲型故障、阶跃型故障和可模型化的渐变型故障3种典型故障模式上。这种处理思路在航天领域同样有借鉴价值, 但局限性是明显的。

在航天工程领域中, 大多数故障都很难简单地归结为上述3种故障模式的某一种情形, 而比较常见的故障模式是/故障本身就构成一个动态过程0, 往往从系统的局部构件或环节发生某一种类型(如渐变型) 的简单故障开始, 影响逐步加大, , 3 航天故障的特点

航天系统是一个超大规模复杂系统, 它不仅有一般复杂系统常见的自主性、不确定性、不确知性、发展性、分散性等典型特性, 还具有许多其他复杂系统所不常见的特性, 诸如不可重复性、不可逆性、主体系统与环境的强关联性和明显的过程特性等等。航天系统的特殊性决定了航天故障不仅具有一般复杂系统故障的层次性、传播性、相关性、放射性和延时性等常见特点, 还具有如下的重要特点:

1) 故障多发性 航天故障的多发性既体现在不同型号航天试验中发生故障的试验次数占总试验次数的比率大, 也体现在同一试验过程中可能会发生多次故障上。

据报道[1], 在1957~1994年, 美国/先锋0、/丘诺0、/雷神0、/Delta 0、/侦察兵0、/宇宙神0和/大力神0等型号液体运载火箭1043次发射过程中失败136次, 发射失败的比率高达13104%; 前///

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控 制 工 程

不足16s 时间。

第10卷

严重的故障或灾变。例如, 前文中多次提到的动力系统燃料泄露、机械部件疲劳等导致的故障。此外, 故障模式多样性还表现在不同子系统、不同环节或(和) 不同类型故障的相互触发与彼此关联上。一般地, 对同一子系统, 既可能出现影响强烈的突发性故障, 也可能在发生强烈故障同时出现局部的持续性漂移性、泄露性故障, 或由小故障渐变到质变导致灾难的发生; 对不同子系统之间, 一种故障往往是另一种故障的诱因。4) 故障危害性 每一次大型的航天试验, 其人力、财力、物力的投入动辄上亿, 甚至上百亿美元。如果发射失败, 带来的经济损失将是沉重的, 若威胁到发射场区、航区乃至人类赖以生存的环境的安全时, 其代价则将是更为惨重的。例如, 1978年3月25日/大力神3C 0运载火箭的发射失败造成两颗国防通信卫星报毁和11000万美元巨额经济损失, 1967年1月27日/阿波罗4A 0飞船地面模拟试验发生的电路短路导致火箭、飞船被烧毁和3名宇航员被烧死, 1960年10月24日拜科努尔航天发射场的火箭爆炸使得165人葬身火海, , 。因此, 以航天工程领域为背景, 研究复杂系统故障检测与诊断技术具有极端重要性, 即使采用故障检测与诊断技术仅避免一次故障, 也将会取得巨大军事价值和经济价值。

在如此短的时间内, 既要准确识别故障、对故障进行定位, 又要合理地制定处理故障的策略, 并要付诸实施, 其时限要求之高是显而易见的。

3) 故障现象的不可观测性 由于航天系统的复杂性、航天环境的不确知性和航天故障的多故障并发性, 使得航天故障诊断具有相当大的技术难度。有时, 即使是集聚一批造诣精深的领域专家、建立专门的故障诊断小组, 也未必能准确地诊断出航天系统发生故障的原因。

例如, 1991年4月美国/宇宙神(AC -70) 0火箭发射日本的代号/BS -3H 0直播电视卫星时, 火箭起飞284s 后出现长时间翻转, 360s 前后指令炸毁。为查找故障原因, 通力公司不但成立了AC -70故障调查组还成立了故障检查监督委员会, 多方努力也未能正确查明故障的起因, 直到一年后宇宙神火箭再次出现同类故障时才确认故障系RL -10发动机的一个止回阀失灵所致。4) 故障决策的风险性 对航天故障的误检、误判和错误处理, 往往孕育着巨大的风险。例如, 在火箭起飞段, 将正常飞行误检和误判为故障时, 可能导致火箭及其载荷被错误地炸毁, 造成巨额的经济损失; 反之, 当本该安全炸毁的故障火箭未被炸毁而坠落时, 则会造成较大范围环境污染甚至人员伤亡。

4 航天故障检测和诊断的难点

航天系统的复杂性和遥测、遥控、遥操作等特点, 决定了分析和诊断航天故障是一个艰难的、具有挑战性的研究领域。

1) 故障不可修复与不可逆转性 航天器发射与测控过程中, 大部分故障都难以修复。譬如在运载火箭发射过程中, 无论是燃料泄露、发动机故障还是级间分离器故障, 即使被及时检测和诊断, 也无法进行在线修复或关机重发。惟一可做的是监视飞行状况、判断故障后果并确定安全对策。因此, 故障在线检测、故障状态监控、故障幅度辨识、故障模式识别以及容错处理技术在航天工程领域中的重要性和应用价值, 可想而知。

2) 故障后果的快速性 对航天工程而言, 故障从发生到带来严重后果之间往往只是短暂的几min 或几s, 甚至零点几s 。例如[1], 1963年我国第一枚火箭在靶场试验时, 起飞几秒钟后出现大, 5 结 语

由于航领域是一个高风险领域, 即使是局部环节的微小故障也会带来巨大经济损失或灾难。

因此, 对航天工程领域开展故障检测与诊断技术的探索和研究, 具有重大的理论意义、学术价值、军事价值、社会价值和经济价值。

本文从系统、过程、技术、环境和人机系统5个方面归纳了航天故障产生的原因, 剖析了航天故障的典型特点, 分析了建立航天检测与诊断方法的技术难点, 并就若干类型的航天故障提出了检测与诊断的技术研究方向。参考文献:

[1] 张宗美, 翟彬, 张国瑞. 航天故障平和册[M ].北京:

宇航出版社, 1994.

[2] 胡峰, 孙国基. 过程监控技术及其应用[M ].北京:

国防工业出版社, 2001.

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第4期 王翰卿等:基于PCA -ANN 组合学习方法建立PTA 粒度模型

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Build up PT A Granularity M odel by U sing the Learning

M ethod Based on PCA -ANN

WANG H an -qing, YAN X ue -f eng , QIAN Feng

(ResearchInstitute of Automation, ECUS T, S hanghai 200237, China)

Abstract:According to the factors w hich affect PT A granularity in t he productive process of PT A , it adopts PA C as the input

of AN N, which eliminates the interfer e and builds up PCA -A NN gr anular ity model. T o impro ve the pr edictive accuracy, it presonts w eig ht ing method w ith good performances, so there comes weig hting mo del of PCA -A NN. T he model can make w eighting adaptiv ely and achiev e goo d results..

Key words:terepht halic acid; g ranularity of PT A ; PCA; neural network; array of learning; adaption

(上接第298页)

[3] 杨苹, 吴捷. 复杂系统故障诊断综述[J]. 测控技

术, 1998, 17(2) :8-10.

[4] Basseville M , Nikiforov I V. Detection of Abrupt

chang es -theo ry and application[M ].PRT :P rentice Hall, 1993.

[5] 周东华, 叶银忠. 现代故障诊断与容错控制[M ].

北京:清华大学出版社, 2000.

Analysis and Diagnosis of Faults in Spaceflight Engineering

H U Shao -lin , H UAN G L iu -sheng

(Department of Computer Science, Universi ty of Sciecnc &Technology of China, Hefei 230027, China)

Abstract:Spaceflight is a new field with high risk. Even if a local and tiny fault arises, the consequence and sequential effects

are terrible and disastr ous. So, it i s necessar y and valuable for us to analysis why faults arise and to explore some new technolo -g ies to deal with faults. Fiv e sources o f faults are descr ibed under the backg round of spaceflig ht engineering , some typical fea -tures ar e analysed, the difficulties are pointed out for constructing algo rithms of faults detection and diagnosis (FDD ). At the end some new tendencies are sug gested to study the faults in spaceflight engineer ing. Key words:spaceflight; faults analysi s; faults detection and diagnosis

(上接第317页)

Genetic Algorithms Based on Rules

ZENG N an -li, WAN G M ing -z he, LIA O Xiao -x in, SHEN Yi

(Control S cience &Engineeri ng Department, H uazhong University of S cience&T echnology, Wuhan 430074, China)

Abstract:CGA is a g eneral alg orithms. When dealing w ith pr actical problem , it has many disadvant ag es, such as low searching

efficiency, non -global conver gence. T o overcome the disadv antages, t he CGA has been improved. According to the specialities of the different pr actical problems, heuristic r ules and penalt y functions were designed to r educe the seaching ar ea and enhance t he efficiency. T he oper atio n w hich holding the elit i st ensures the gloabal convergence. At t he end, the method and argue the advantages and practicabilit y of the algorithms are analysed. Key words:genetic algorithms; heuristic rules; Job -shop scheduling

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2003年7月第10卷第4期

文章编号:1671-7848(2003) 04-0295-05

控制工程

Control Eng ineering of China Jul. 2003Vol. 10, No. 4

航天故障的成因分析与诊断技术

胡绍林, 黄刘生

(中国科技大学计算机系, 安徽合肥 230027)

摘 要:由于航天领域是一个高风险的领域, 即使是局部环节的微小故障也会带来巨大经济损失或灾难。因此, 分析航天故障成因和研究航天故障检测、诊断与防范技术, 具有十分重要的理论意义与工程价值。以航天工程为背景, 从系统、过程、技术环境和人机系统复杂性等5个方面归纳了航天故障产生的原因, 剖析了航天故障的典型特点, 分析了建立航天检测与诊断方法的技术难点, 并就若干类型的航天故障提出了检测与诊断的技术研究方向。

关 键 词:航天工程; 故障分析; 故障检测与诊断中图分类号:T P 277 文献标识码:A

1 引 言

据统计, 在过去30多年时间里, 世界各国进行航天试验过程中发生过数以万计的故障。例如, 美国在/雷神0、/宇宙神0等7种类型的火箭发动机的研制、试验和使用过程中, 先后出现过84000多次故障, 其中危害性和代表性的故障多达1700多次; 1965~1994年的30年间, 国际通信卫星组织在发射商用通信卫星过程中, 不但有10颗卫星因发射故障未能进入同步轨道, 进入同步轨道的39颗中仍有29颗在轨期间出现过这样或那样的故障多达80多次。

尽管每个实施航天试验的国家、每个参与航天工程的技术人员都在尽最大能力以确保航天试验的万无一失, 但是航天故障仍不以人们的意志为转移地发生着。因此, 提高航天工程的可靠性和降低航天风险, 将是航天技术发展的一个永恒课题。

本文将从航天工程的故障成因、故障类型、故障影响, 以及故障检测与处理等方面, 进行分析和研究, 以期为航天过程可靠性与安全性技术研究提供有价值的信息。

[1]

天工程系统的高度复杂性、航天运行环境的复杂性和航天系统对环境的适应性。

1) 系统复杂性 系统复杂性是产生航天故障的主要原因。仅以美国/大力神20运载火箭为例, 该火箭约有5万个电子元件和元器件。假设每个部件的可靠性为0199999, 即发生故障的几率为十万分之一, 则由5万个部件组成的系统出现故障的概率达39%; 如果每个部件的可靠性为019999, 则由5万个部件组成的系统出现故障的概率高达99%。因此, 受现有工艺水平限制, 大型航天试验过程中不可避免地会出现这样或那样的故障。

以往国际国内航天试验证实, 大部分航天故障可以归结于航天器及其运载工具的缺陷或功能性失败。其中, 动力系统、能源系统、制导与飞行控制系统、姿态测量与控制系统、分离系统、跟踪与测量系统等, 以及机械设备、电子设备、管线、框架结构、接收机、转发器、敏感器等, 是故障多发部位。据统计[1], 自1957年前苏联研制发射第一颗人造卫星以来, 世界航天领域发生的近1000起严重故障中, 动力、能源、姿态测量与控制、制导与飞行控制、跟踪测量等5大子系统所发生的故障约占故障总数的80%。

2) 过程复杂性 航天器发射与测控工程是一项十分复杂的系统工程。纵观美国、前苏联、欧

2 航天故障的成因分析

对航天而言, 故障产生的最根本原因在于航

收稿日期:2003-04-14

基金项目:博士后科学基金资助项目(BH1104) ; 面向21世纪教育振兴行动计划资助项目(YL1318) ; 中国科学院支持高水平大学

建设资助项目(KY2706)

作者简介:胡绍林(1964-) , 男, 安徽岳西人, 研究员, 博士后, 主要从事航天测控系统工程, 现代计算机控制过程监控与容错处理技

; (,

#296#

控 制 工 程 第10卷

空局以及国内的卫星、飞船、航天飞机、空间站等航天器发射与测控过程可以看出, 大多数航天器都是凭借多级火箭提供的持续而巨大的推力脱离地球引力进入太空预定轨道的。

无论是火箭起飞段、动力飞行段、轨道调整阶段、姿态控制阶段、在轨管理阶段还是返回与回收段, 都必须依赖地面或低空测控网的监视、控制和干预; 测控网的控制指令又必须通过箭(星) 上合作设备发挥作用。

一方面, 无论是监视还是控制、干预, 都是遥操作方式, 如遥测、遥控等等。因此, 测量、计算、推断、决策、控制以及信号的发射、传输、接收等, 无论哪个环节发生故障或出现失误, 都将会导致系统性故障或灾难。例如, 1967年1月发射的/林肯5号0实验卫星, 由于计时系统和指令系统出现故障, 使得卫星无法接收指令与射频干扰实验无法按要求的速率和阶跃频率进行, 卫星旋转轴修正速率从原设定值0175b 下降到0125b 。

另一方面, 网络系统的各节点、各环节都必须指令畅通、信号稳定、时间统一、功能协调, 相互配合、各司其职地对整个测控过程进行分工协作。任何一个网络节点的失误或功能性故障, 都会导致系统功能受损甚至整个任务的失败。例如, 1966年11月/联盟2号0无人飞船, 由于火箭点火前几秒钟自动发射程序突然终止倒计时, 当发射场工作人员冲向发射台时, 逃逸系统固体火箭部分接到来自陀螺仪的指令点火, 飞船的温控系统被触发, 数秒后燃料箱爆炸、三级和另两级连续爆炸, 箭船俱毁。

3) 技术复杂性 技术的复杂性决定了航天是一个高风险的领域。它主要体现在两个方面:一是具有多技术集成与多学科综合的特点; 二是军事和民用领域对航天工程任务与目标的多样化以及航天器结构与功能的复杂化。

航天实践证明, 对于一些在地面环境或模拟空间环境下稳妥可靠的新材料、新工艺、新技术, 应用于航天工程时其可靠性和有效性都面临挑战, 甚至蕴藏着故障隐患。

4) 环境复杂性 运载火箭和航天器运行环境十分复杂。航天器研制、测试、发射、运行、测控和管理, 分别是在不同环境下进行的, 航天器本身还要经历从地面到太空并返回地面的长弧段运行, 划分为具有不同结构的诸多层次。例如, 大气层(含对流层、平流层、中间层、热成层) 、电离层(D 层、E 层、F 层) 、外电离层和地磁层, 等等。

在航天器运行过程的复杂环境中, 每一层都有对航天器的安全运行或对机械电子设备的正常工作产生不利影响的扰动力、电磁波或磁场。并且, 其影响强度和产生的效果具有高度随机扰动特性和不确定性, 难以准确地描述和量化处理。如果进一步考虑到大气层或电离层内分布不均匀、空气流动、对电磁辐射屏蔽、电离层扰动、电离层暴、粒子辐射、太阳质子事件、带电粒子、等离子体、潮汐, 以及其他星体的引力、光压、气温、气压和湿度变化等各种因素的影响, 环境对航天活动的影响更为复杂。

航天过程中, 运载火箭携带航天器穿越稠密大气层、电离层和地磁层, 经受来自环境各种扰动的影响。无论是机械设备还是电子设备, 其功能、性能和稳定性均与地面设计和地面测试时有巨大差异, 不可避免地也会诱发各种异常现象的发生。因此, 环境不确定性和气候的异常变化都可能成为重要的故障源。

实践证明, 复杂的运行环境不但降低了系统可靠性还直接影响到系统安全运行。例如, /联盟23号0飞船的不能正常着陆、/阿波罗15号0飞船返回时, 因主伞被风吹毁造成较大落点偏差、/联盟11号0飞船座舱爆炸和宇航员死亡、/宇宙神(AC-63) 0火箭和/阿波罗12号0飞船遭受雷击等一系列故障均与环境或气候有关。

近年来, 环境恶劣方面又出现了新的情况。美国约翰逊航天中心研究轨道碎片的首席科学家N. L. Johnson 呼吁各国监视那些在太空漫游的成千上万碎片, 因为它们将会严重威胁航天器的安全运行。英国防御评估与研究机构DERA 称[2], 在今后的50年里, 20%的近地轨道卫星将受到碎片的破坏, 其中, 1%~2%甚至会被彻底摧毁。

5) 人机系统复杂性 从人机工程学角度看, 航天系统是一个涉及到多人、多机、多环境的结构十分复杂的巨型系统。在这个系统中, 无论是火箭发射、雷达跟踪、轨道机动、姿态控制, 还是安全控制、星地通信、返回回收, 都是在人直接、间接或遥操作下完成的。因此, 人的因素也是故障发生的一个重要原因。

第4期 胡绍林等:航天故障的成因分析与诊断技术的任一环节, 由于操作者心理、生理或知识、经验等各种主、客观因素的影响, 或各种预设状况的突发性变化, 都可能导致操作人员发布错误指令、实施错误, 导致指挥人员判断错误和决策失误。更为严重的是, 有时为了纠正一个已发生的错误, 而进行一连串更为严重的误操作, 所谓错上加错, 直接导致火箭被毁或卫星失控。例如, 1990年2月/阿里安0运载火箭第36次发射时, 由于一块30mm 见方的碎布片误留在一火箭发动机供水管路内, 堵塞供水阀门, 导致火箭起飞后101s 发生爆炸, 两颗美制日本通信卫星报毁, 损失巨大。再例如1981年/德尔它DSV -3P 0火箭的发射过程中, 由于负责燃料加注的工程师错误判断和粗心大意, 少加注118kg 燃料, 导致两颗动力探测卫星没能进入预定轨道。

此外, 运载工具的设计缺陷、适应性和机械部件故障, 也是导致航天工程失败的重要原因。例如, 1986年/挑战者号0航天飞机第10次飞行时, 由于航天飞机的右侧助推器下端壳体接头O 形密封圈失效, 导致燃料外泻, 烧断助推器与储箱之间的连接主柱, 助推器晃动, 撞坏储箱, 造成推进剂大量外溢和燃烧, 起飞约75s 后发生大爆炸, 整个航天飞机被炸成碎片坠落大海[1]。

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顶0等型号系列火箭的1220次发射过程中失败47次, 失败率为3185%; 欧空局的Ariane 系列火箭126次发射过程中失败11次, 比率为8173%; 日本的K 系列、L 系列、M 系列和H 系列等火箭发射失败27次; 美国/哥伦比亚号0航天飞机在1981~1994年的16次飞行试验中有13飞行次出现过故障, 故障次数多达60次, 平均每次飞行出现故障416次。

1995年, 世界航天领域中运载火箭发射过程发生7次重大故障, 导致5颗卫星被炸毁, 2颗卫星进入无用轨道, 1颗卫星的使用寿命缩短50%。

2) 多故障并发性 航天系统是一个涉及多人、多机、多环境的、结构十分复杂的巨型系统, 从硬件构成可分为运载系统、航天器系统、发射系统和测控网系统; 从功能上可分为动力系统、通讯系统、遥测系统、遥控系统和各种功能系统等, 每一功能系统又是由若干个子系统构成的。

以往美、苏、中、日和欧空局等国家或地区的航天实验的故障情况证实, 在航天器的发射、测控和管理过程中, 工程系统的任一子系统、任一环节都可能出现异常或发生故障。因此, 航天工程中, 多故障并发现象也是比较常见的。这既包括短时间内多个不同源故障的同时(或相继) 发生, 也包括某一简单故障在同一时间点上导致多个子系统功能异常, 以及多种类型故障的并发与相互转化等。例如[1], 1977年9月由Delta 运载火箭发射的欧空局轨道试验卫星DCDS Ò在主动段和轨道运行段出现的一系列故障, 1978年4月由Delta 运载火箭发射的日本实用中型广播卫星BSE -1出现的近20次故障。

3) 故障模式多样性 到目前为止国际技术过程可靠性与安全性技术研究领域在探索常规的动态过程、控制系统和机械系统的故障检测与诊断技术时, 大多是将着眼点放在脉冲型故障、阶跃型故障和可模型化的渐变型故障3种典型故障模式上。这种处理思路在航天领域同样有借鉴价值, 但局限性是明显的。

在航天工程领域中, 大多数故障都很难简单地归结为上述3种故障模式的某一种情形, 而比较常见的故障模式是/故障本身就构成一个动态过程0, 往往从系统的局部构件或环节发生某一种类型(如渐变型) 的简单故障开始, 影响逐步加大, , 3 航天故障的特点

航天系统是一个超大规模复杂系统, 它不仅有一般复杂系统常见的自主性、不确定性、不确知性、发展性、分散性等典型特性, 还具有许多其他复杂系统所不常见的特性, 诸如不可重复性、不可逆性、主体系统与环境的强关联性和明显的过程特性等等。航天系统的特殊性决定了航天故障不仅具有一般复杂系统故障的层次性、传播性、相关性、放射性和延时性等常见特点, 还具有如下的重要特点:

1) 故障多发性 航天故障的多发性既体现在不同型号航天试验中发生故障的试验次数占总试验次数的比率大, 也体现在同一试验过程中可能会发生多次故障上。

据报道[1], 在1957~1994年, 美国/先锋0、/丘诺0、/雷神0、/Delta 0、/侦察兵0、/宇宙神0和/大力神0等型号液体运载火箭1043次发射过程中失败136次, 发射失败的比率高达13104%; 前///

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控 制 工 程

不足16s 时间。

第10卷

严重的故障或灾变。例如, 前文中多次提到的动力系统燃料泄露、机械部件疲劳等导致的故障。此外, 故障模式多样性还表现在不同子系统、不同环节或(和) 不同类型故障的相互触发与彼此关联上。一般地, 对同一子系统, 既可能出现影响强烈的突发性故障, 也可能在发生强烈故障同时出现局部的持续性漂移性、泄露性故障, 或由小故障渐变到质变导致灾难的发生; 对不同子系统之间, 一种故障往往是另一种故障的诱因。4) 故障危害性 每一次大型的航天试验, 其人力、财力、物力的投入动辄上亿, 甚至上百亿美元。如果发射失败, 带来的经济损失将是沉重的, 若威胁到发射场区、航区乃至人类赖以生存的环境的安全时, 其代价则将是更为惨重的。例如, 1978年3月25日/大力神3C 0运载火箭的发射失败造成两颗国防通信卫星报毁和11000万美元巨额经济损失, 1967年1月27日/阿波罗4A 0飞船地面模拟试验发生的电路短路导致火箭、飞船被烧毁和3名宇航员被烧死, 1960年10月24日拜科努尔航天发射场的火箭爆炸使得165人葬身火海, , 。因此, 以航天工程领域为背景, 研究复杂系统故障检测与诊断技术具有极端重要性, 即使采用故障检测与诊断技术仅避免一次故障, 也将会取得巨大军事价值和经济价值。

在如此短的时间内, 既要准确识别故障、对故障进行定位, 又要合理地制定处理故障的策略, 并要付诸实施, 其时限要求之高是显而易见的。

3) 故障现象的不可观测性 由于航天系统的复杂性、航天环境的不确知性和航天故障的多故障并发性, 使得航天故障诊断具有相当大的技术难度。有时, 即使是集聚一批造诣精深的领域专家、建立专门的故障诊断小组, 也未必能准确地诊断出航天系统发生故障的原因。

例如, 1991年4月美国/宇宙神(AC -70) 0火箭发射日本的代号/BS -3H 0直播电视卫星时, 火箭起飞284s 后出现长时间翻转, 360s 前后指令炸毁。为查找故障原因, 通力公司不但成立了AC -70故障调查组还成立了故障检查监督委员会, 多方努力也未能正确查明故障的起因, 直到一年后宇宙神火箭再次出现同类故障时才确认故障系RL -10发动机的一个止回阀失灵所致。4) 故障决策的风险性 对航天故障的误检、误判和错误处理, 往往孕育着巨大的风险。例如, 在火箭起飞段, 将正常飞行误检和误判为故障时, 可能导致火箭及其载荷被错误地炸毁, 造成巨额的经济损失; 反之, 当本该安全炸毁的故障火箭未被炸毁而坠落时, 则会造成较大范围环境污染甚至人员伤亡。

4 航天故障检测和诊断的难点

航天系统的复杂性和遥测、遥控、遥操作等特点, 决定了分析和诊断航天故障是一个艰难的、具有挑战性的研究领域。

1) 故障不可修复与不可逆转性 航天器发射与测控过程中, 大部分故障都难以修复。譬如在运载火箭发射过程中, 无论是燃料泄露、发动机故障还是级间分离器故障, 即使被及时检测和诊断, 也无法进行在线修复或关机重发。惟一可做的是监视飞行状况、判断故障后果并确定安全对策。因此, 故障在线检测、故障状态监控、故障幅度辨识、故障模式识别以及容错处理技术在航天工程领域中的重要性和应用价值, 可想而知。

2) 故障后果的快速性 对航天工程而言, 故障从发生到带来严重后果之间往往只是短暂的几min 或几s, 甚至零点几s 。例如[1], 1963年我国第一枚火箭在靶场试验时, 起飞几秒钟后出现大, 5 结 语

由于航领域是一个高风险领域, 即使是局部环节的微小故障也会带来巨大经济损失或灾难。

因此, 对航天工程领域开展故障检测与诊断技术的探索和研究, 具有重大的理论意义、学术价值、军事价值、社会价值和经济价值。

本文从系统、过程、技术、环境和人机系统5个方面归纳了航天故障产生的原因, 剖析了航天故障的典型特点, 分析了建立航天检测与诊断方法的技术难点, 并就若干类型的航天故障提出了检测与诊断的技术研究方向。参考文献:

[1] 张宗美, 翟彬, 张国瑞. 航天故障平和册[M ].北京:

宇航出版社, 1994.

[2] 胡峰, 孙国基. 过程监控技术及其应用[M ].北京:

国防工业出版社, 2001.

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第4期 王翰卿等:基于PCA -ANN 组合学习方法建立PTA 粒度模型

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Build up PT A Granularity M odel by U sing the Learning

M ethod Based on PCA -ANN

WANG H an -qing, YAN X ue -f eng , QIAN Feng

(ResearchInstitute of Automation, ECUS T, S hanghai 200237, China)

Abstract:According to the factors w hich affect PT A granularity in t he productive process of PT A , it adopts PA C as the input

of AN N, which eliminates the interfer e and builds up PCA -A NN gr anular ity model. T o impro ve the pr edictive accuracy, it presonts w eig ht ing method w ith good performances, so there comes weig hting mo del of PCA -A NN. T he model can make w eighting adaptiv ely and achiev e goo d results..

Key words:terepht halic acid; g ranularity of PT A ; PCA; neural network; array of learning; adaption

(上接第298页)

[3] 杨苹, 吴捷. 复杂系统故障诊断综述[J]. 测控技

术, 1998, 17(2) :8-10.

[4] Basseville M , Nikiforov I V. Detection of Abrupt

chang es -theo ry and application[M ].PRT :P rentice Hall, 1993.

[5] 周东华, 叶银忠. 现代故障诊断与容错控制[M ].

北京:清华大学出版社, 2000.

Analysis and Diagnosis of Faults in Spaceflight Engineering

H U Shao -lin , H UAN G L iu -sheng

(Department of Computer Science, Universi ty of Sciecnc &Technology of China, Hefei 230027, China)

Abstract:Spaceflight is a new field with high risk. Even if a local and tiny fault arises, the consequence and sequential effects

are terrible and disastr ous. So, it i s necessar y and valuable for us to analysis why faults arise and to explore some new technolo -g ies to deal with faults. Fiv e sources o f faults are descr ibed under the backg round of spaceflig ht engineering , some typical fea -tures ar e analysed, the difficulties are pointed out for constructing algo rithms of faults detection and diagnosis (FDD ). At the end some new tendencies are sug gested to study the faults in spaceflight engineer ing. Key words:spaceflight; faults analysi s; faults detection and diagnosis

(上接第317页)

Genetic Algorithms Based on Rules

ZENG N an -li, WAN G M ing -z he, LIA O Xiao -x in, SHEN Yi

(Control S cience &Engineeri ng Department, H uazhong University of S cience&T echnology, Wuhan 430074, China)

Abstract:CGA is a g eneral alg orithms. When dealing w ith pr actical problem , it has many disadvant ag es, such as low searching

efficiency, non -global conver gence. T o overcome the disadv antages, t he CGA has been improved. According to the specialities of the different pr actical problems, heuristic r ules and penalt y functions were designed to r educe the seaching ar ea and enhance t he efficiency. T he oper atio n w hich holding the elit i st ensures the gloabal convergence. At t he end, the method and argue the advantages and practicabilit y of the algorithms are analysed. Key words:genetic algorithms; heuristic rules; Job -shop scheduling

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