装备体系可靠性概念、建模与预计方法研究

doi:10.12305/j.issn.1001-506X.2024.06.15

系统工程与电子技术 ›› 2024, Vol. 46 ›› Issue (6): 1975-1985.doi: 10.12305/j.issn.1001-506X.2024.06.15

• 系统工程 • 上一篇

装备体系可靠性概念、建模与预计方法研究

陈志伟¹^,², 张罗庚¹, 方晓彤³, 袁远⁴, 崔巍巍⁵^,⁶, 兑红炎⁷^,*, 洪东跑⁶

1. 西北工业大学无人系统技术研究院, 陕西西安 710129
2. 西安现代控制技术研究所, 陕西西安 710065
3. 中国船舶集团有限公司综合技术经济研究院, 北京 100081
4. 北京航空航天大学可靠性与系统工程学院, 北京 100191
5. 国防科技大学智能科学学院, 湖南长沙 410073
6. 中国运载火箭技术研究院, 北京 100076
7. 郑州大学管理学院, 河南郑州 450001

收稿日期:2023-08-31 出版日期:2024-05-25 发布日期:2024-06-04
通讯作者: 兑红炎
作者简介:陈志伟 (1991—), 男, 副教授, 博士, 主要研究方向为装备体系可靠性与韧性、复杂系统可靠性、安全性与效能评估
张罗庚 (2000—), 男, 硕士研究生, 主要研究方向为体系可靠性、集群任务规划
方晓彤 (1989—), 女, 高级工程师, 硕士, 主要研究方向为舰船通用质量特性设计与分析
袁远 (1995—), 男, 博士研究生, 主要研究方向为装备体系/集群任务可靠性与韧性、复杂系统安全性
崔巍巍 (1991—), 男, 工程师, 硕士, 主要研究方向为测试性设计、故障诊断、健康管理、保障性建模与仿真
兑红炎 (1982—), 男, 教授, 博士, 主要研究方向为复杂系统可靠性与集群韧性
洪东跑 (1983—), 男, 研究员, 博士, 主要研究方向为系统通用质量特性设计与分析
基金资助:
国家自然科学基金(72101270);国家自然科学基金(U2341213);国家自然科学基金(72071182);中国博士后科学基金面上基金(2023M732834);中央高校基本科研业务费专项资金资助课题

Reliability concepts, modeling, and prediction methods for weapon system of systems

Zhiwei CHEN¹^,², Luogeng ZHANG¹, Xiaotong FANG³, Yuan YUAN⁴, Weiwei CUI⁵^,⁶, Hongyan DUI⁷^,*, Dongpao HONG⁶

1. Unmanned System Research Institute, Northwestern Polytechnical University, Xi'an 710129, China
2. Xi'an Institute of Modern Control Technology, Xi'an 710065, China
3. China Institute of Marine Technology & Economy, Beijing 100081, China
4. School of Reliability and Systems Engineering, Beihang University, Beijing 100191, China
5. College of Intelligence Science and Technology, National University of Defense Technology, Changsha 410073, China
6. China Academy of Launch Vehicle Technology, Beijing 100076, China
7. School of Management, Zhengzhou University, Zhengzhou 450001, China

Received:2023-08-31 Online:2024-05-25 Published:2024-06-04
Contact: Hongyan DUI

摘要/Abstract

摘要：

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。

关键词: 装备体系, 有效OODA环, OODA网络模型, 可靠性建模, 可靠性预计

Abstract:

Weapon system of systems (WSoS) executes complex and diverse tasks, and its reliability directly affects the readiness and effectiveness of equipment. Traditional reliability modeling and prediction methods do not fully consider the resource sharing and information fusion characteristics between WSoS constituent system, making it difficult to meet the requirements of modern equipment systematization and clustering. Therefore, this paper provides the relative concept of WSoS reliability, and proposes a method for WSoS reliability modeling and prediction based on the generalized effective OODA (observation, orientation, decision, action) loop. Firstly, the analysis for the concepts related to systems and WSoS reliability is conducted, providing the connotation of WSoS reliability, maintainability, testability, supportability, and safety concepts. Secondly, by considering the heterogeneity and directionality of WSoS nodes, an generalized OODA network model of WSoS is established under resource and information sharing. Then, considering the random, deliberate attack failures and reconfiguration strategies of WSoS nodes and communication links, a generalized WSoS reliability modeling and prediction method based on OODA loop is proposed. Finally, the effectiveness and practicality of the above-mentioned methods are validated using an unmanned WSoS consisting of 100 hetero-geneous unmanned aerial vehicles, thereby improving the combat effectiveness of the WSoS.

Key words: weapon system of systems (WSoS), effective observation, orientation, decision, action (OODA) loop, OODA network model, reliability modeling, reliability prediction

中图分类号:

陈志伟, 张罗庚, 方晓彤, 袁远, 崔巍巍, 兑红炎, 洪东跑. 装备体系可靠性概念、建模与预计方法研究[J]. 系统工程与电子技术, 2024, 46(6): 1975-1985.

Zhiwei CHEN, Luogeng ZHANG, Xiaotong FANG, Yuan YUAN, Weiwei CUI, Hongyan DUI, Dongpao HONG. Reliability concepts, modeling, and prediction methods for weapon system of systems[J]. Systems Engineering and Electronics, 2024, 46(6): 1975-1985.

图/表 13

表1

装备系统与体系通用质量特性概念辨析"

通用质量特性	装备系统	装备体系
可靠性	可靠性是装备在规定条件下和规定时间内完成规定功能的能力, 是一种评价装备是否容易发生故障的特性, 着眼于减少或消灭故障, 可通过设计赋予, 并在生产中给予保证。	装备体系可靠性是在规定的条件下和规定的时间内, 完成规定任务的能力。装备体系任务可靠性通常是指装备体系在任务剖面内完成规定任务使命的能力, 着重于表征装备体系应对内外部干扰并持续完成任务的能力。
维修性	维修性是装备在规定的条件下和规定的时间内, 按规定的程序和方法进行维修时保持或恢复其规定状态的能力, 是一种评价装备是否容易维护和修理的特性。维修性则着眼于以最短的时间、最低限度的保障资源及最节省的费用, 使装备保持或迅速恢复到良好状态。	装备体系维修性是装备体系通过动态重构调整其自身配置来响应环境中的不同情况以改变其故障和性能降级状态的能力。动态重构技术是对维修性技术的一种拓展, 是一种主动地应对故障影响以保证体系持续有效运行的手段。
保障性	保障性是指主装备和保障系统有机结合后能满足平时战备和战时使用要求的能力, 是一种评价装备在使用和维修过程中能否得到及时有效的保障的特性。主装备在正常使用、维修、测试过程中又必须依赖于保障予以支持, 要求其易于保障, 需要设计的“好保障”, 也需要由保障设备、备件、技术资料、保障设施、保障人员等各种保障资源和一套运行管理制度组成的保障系统, 运行时要实现“保障好”的目标。	装备体系保障性是通过高效、经济、动态地配置与优化保障体系资源及保障活动, 应对各类不确定性变化, 力求对装备体系的保障需求做出快速反应, 最大化提高装备体系的保障效能, 以满足作战需求。装备体系保障性主要关注两个方面: ①一体化保障系统: 保障运行、保障资源一体化, 装备体系的一体化保障性设计注重保障资源的调度和管理; ②脆弱点的保障, 即装备体系关键要素的增强与保障。
测试性	测试性是装备(系统、子系统、设备或组件)能够及时而准确地确定其状态(可工作、不可工作或性能下降), 并隔离其内部故障的能力, 是一种评价产品故障预测和故障诊断效率的特性。维修依赖于测试, 通过测试进行故障监测和隔离。	装备体系测试性是对装备体系状态认知及其脆弱点状态感知的能力。在装备体系中, 动态重构能力在很大程度上得到了智能感知和诊断技术的支持, 并允许系统发生安全失效, 避免事故。
安全性	安全性是指装备所具有的不导致人员伤亡、系统毁坏、重大财产损失或不危及人员健康和环境的能力, 是一种评价装备能否以可接受的事故风险完成规定功能的特性。在实施上述过程中应少出或不出安全事故, 当故障后果导致不安全时, 可靠性问题就成了安全性问题。	装备体系安全是装备体系的风险在可接受范围的现象或状态。装备体系安全性指武器装备体系将风险控制在可接受范围的能力。体系安全性问题主要体现在3个方面: ①同脆弱性概念类似, 通过体系架构分析得到体现致命安全性的问题; ②体系涌现性带来的安全性问题, 主要包括单系统内部异常在体系中的传播, 多个系统异常共同作用导致的事故, 即多系统交互异常产生的事故; ③装备体系演化更新过程产生的事故。

表1

图1

表2

图2

图3

图4

表3

图5

图6

图7

图8

图9

图10

参考文献 28

1	CHEN Z W , HONG D P , CUI W W , et al. Resilience evaluation and optimal design for weapon system of systems with dynamic reconfiguration[J]. Reliability Engineering & System Safety, 2023, 237, 109409.
2	陈志伟, 焦健, 赵廷弟, 等. 武器装备体系弹性技术研究综述[J]. 系统工程与电子技术, 2023, 45 (7): 7- 15.
	CHEN Z W , JIAO J , ZHAO T D , et al. A review on weapon systems of systems resilience[J]. Systems Engineering and Electronics, 2023, 45 (7): 7- 15.
3	CHEN Z W , ZHAO T D , JIAO J , et al. Performance-threshold-based resilience analysis of system of systems by considering dynamic reconfiguration[J]. Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers, Part B: Journal of Engineering Manufacture, 2022, 236 (14): 1828- 1838. doi: 10.1177/0954405420937528
4	杨克巍, 赵青松, 谭跃进. 体系需求工程技术与方法[M]. 北京: 科学出版社, 2011.
	YANG K W , ZHAO Q S , TAN Y J . System requirements engineering techniques and methods[M]. Beijing: Science Press, 2011.
5	李清韦, 刘俊先, 陈涛. 基于活动环路的作战网络节点重要度评估方法[J]. 火力与指挥控制, 2019, 44 (8): 12- 16.
	LI Q W , LIU J X , CHEN T . Method for node importance eva-luation in operational network based on active loop[J]. Fire Control and Command Control, 2019, 44 (8): 12- 16.
6	赵青松, 杨克巍, 陈英武, 等. 体系工程与体系结构建模方法与技术[M]. 北京: 国防工业出版社, 2013.
	ZHAO Q S , YANG K W , CHEN Y W , et al. System engineering and architecture modeling methods and techniques[M]. Beijing: National Defence Industry Press, 2013.
7	刘俊先, 罗爱民, 陈涛, 等. 军事架构技术[M]. 北京: 科学出版社, 2018.
	LIU J X , LUO A M , CHEN T , et al. Military architecture technology[M]. Beijing: Science Press, 2018.
8	潘星, 张振宇, 张曼丽, 等. 基于SoSE的装备体系RMS论证方法研究[J]. 系统工程与电子技术, 2019, 41 (8): 1771- 1779.
	PAN X , ZHANG Z Y , ZHANG M L , et al. Research on RMS demonstration method of equipment RMS based on SoSE[J]. Systems Engineering and Electronics, 2019, 41 (8): 1771- 1779.
9	龙慧. 基于复杂网络的武器装备体系风险评价方法[D]. 成都: 电子科技大学, 2022.
	LONG H. Risk assessment method of weapon system-of-systems based on complex network[D]. Chengdu: University of Electronic Science and technology, 2022.
10	DUI H Y , ZHANG C , BAI G H , et al. Mission reliability modeling of UAV swarm and its structure optimization based on importance measure[J]. Reliability Engineering & System Safety, 2021, 215, 107879.
11	WANG L Z , ZHAO X J , ZHANG Y , et al. Unmanned aerial vehicle swarm mission reliability modeling and evaluation method oriented to systematic and networked mission[J]. Chinese Journal of Aeronautics, 2021, 34 (2): 466- 478. doi: 10.1016/j.cja.2020.02.026
12	LIANG Q W , SUN T Y , WANG D D . Reliability indexes for multi-AUV cooperative systems[J]. Journal of Systems Engineering and Electronics, 2017, 28 (1): 179- 186. doi: 10.21629/JSEE.2017.01.20
13	LI J C , TAN Y J , YANG K W , et al. Structural robustness of combat networks of weapon system-of-systems based on the operation loop[J]. International Journal of Systems Science, 2016, 48 (3): 659- 674.
14	陈志伟, 王靖, 谷长超, 等. 考虑动态重构的装备体系可用性及弹性分析[J]. 系统工程与电子技术, 2021, 43 (8): 2347- 2354.
	CHEN Z W , WANG J , GU C C , et al. Performance availability and resilience analysis of weapon system of systems considering dynamic reconfiguration[J]. Systems Engineering and Electronics, 2021, 43 (8): 2347- 2354.
15	CHEN Z W , ZHOU Z M , ZHANG L G , et al. Mission reliability modeling and evaluation for reconfigurable unmanned weapon system-of-systems based on effective operation loop[J]. Journal of Systems and Engineering and Electronics, 2023, 34 (3): 588- 597. doi: 10.23919/JSEE.2023.000082
16	SUN L N, LIU J Y, ZHAO Z M, et al. A combat capability evaluation method of UAV swarm based on kill chain[C]// Proc. of the International Conference on Autonomous Unmanned Systems, 2023: 1378-1385.
17	LI J C , ZHAO D L , JIANG J , et al. Capability oriented equipment contribution analysis in temporal combat networks[J]. IEEE Trans.on Systems, Man, and Cybernetics: Systems, 2021, 51 (2): 696- 704. doi: 10.1109/TSMC.2018.2882782
18	HAHN A , THOMAS R K , LOZANO I , et al. A multi-layered and killchain based security analysis framework for cyber-physical systems[J]. International Journal of Critical Infrastructure Protection, 2015, 11, 39- 50. doi: 10.1016/j.ijcip.2015.08.003
19	SINGH V K, GOVINDARASU M. Cyber kill chain-based hybrid intrusion detection system for smart grid[M]//HAES A H, ABDELAZIZ A Y, SIAND P. Wide area power system stability. protection, and security. Cham: Springer, 2021.
20	JIA N P , YOU Y Q , LU Y J , et al. Research on the search and rescue system-of-systems capability evaluation index system construction method based on weighted supernetwork[J]. IEEE Access, 2019, 7, 97401- 97425. doi: 10.1109/ACCESS.2019.2929235
21	XU B , BAI G H , ZHANG Y A , et al. Failure analysis of unmanned autonomous swarm considering cascading effects[J]. Journal of Systems Engineering and Electronics, 2022, 33 (3): 759- 770. doi: 10.23919/JSEE.2022.000069
22	LIU K K , ZHONG J L , BAI G H , et al. A complex networks approach for reliability evaluation of swarm systems under malicious attacks[J]. IEEE Access, 2020, 8, 81209- 81219. doi: 10.1109/ACCESS.2020.2991211
23	LI J C , JIANG J , YANG K W , et al. Research on functional robustness of heterogeneous combat networks[J]. IEEE Systems Journal, 2019, 13 (2): 1487- 1495. doi: 10.1109/JSYST.2018.2828779
24	SUN Q , LI H X , WANG Y Z , et al. Multi-swarm-based cooperative reconfiguration model for resilient unmanned weapon system-of-systems[J]. Reliability Engineering & System Safety, 2022, 222, 108426.
25	王耀祖, 尚柏林, 宋笔锋, 等. 基于杀伤链的作战体系网络关键节点识别方法[J]. 系统工程与电子技术, 2023, 45 (3): 736- 744.
	WANG Y Z , SHANG B L , SONG B F , et al. Identification method of key node in operational system-of-systems network based on kill chain[J]. Systems Engineering and Electronics, 2023, 45 (3): 736- 744.
26	白光晗, 张驰, 兑红炎, 等. 无人机集群任务可靠性建模及重要度分析[J]. 机械工程, 2022, 58 (10): 361- 373.
	BAI G H , ZHANG C , DUI H Y , et al. Mission reliability modeling and importance analysis of UAV swarm[J]. Journal of Mechanical Engineering, 2022, 58 (10): 361- 373.
27	ALBERT R , JEONG H , BARABASI A L . Error and attack tolerance of complex networks[J]. Nature, 2000, 406 (6794): 378- 382. doi: 10.1038/35019019
28	HAO Y H , HAN J H , LIN Y , et al. Vulnerability of complex networks under three-level-tree attacks[J]. Physica A: Statistical Mechanics and Its Applications, 2016, 462, 674- 683. doi: 10.1016/j.physa.2016.06.130

装备体系节点和链路类型	节点功能
探测节点(S)	对目标方侦查, 获取目标方情报, 感知战场环境
决策节点(D)	分析处理战场信息与态势, 指挥与控制
火力节点(W)	对目标方目标进行精确的火力打击和电子干扰等
通讯链路(E)	不同节点之间信息交流的主要媒介

参数	取值	参数	取值
N_sim	1 000	T_sim	100
P_SD	0.7	P_DW	0.8
λ_S	0.000 25	μ_S	0.004
λ_D	0.000 12	μ_D	0.007
λ_W	0.000 15	μ_W	0.005

[1]	丛林虎, 陈宇奇, 陈黎明, 陈育良, 王朝. 基于多层级使命任务线程的总体任务成功性评估[J]. 系统工程与电子技术, 2024, 46(2): 616-630.
[2]	曹嘉平, 欧萌歆, 李易珊, 姜江, 李际超. 岛礁防空电子对抗装备体系构建与效能评估[J]. 系统工程与电子技术, 2023, 45(9): 2784-2792.
[3]	任浩亮, 张建超, 程会川. 基于SysML的武器装备体系能力需求建模分析方法[J]. 系统工程与电子技术, 2023, 45(9): 2843-2851.
[4]	李翔宇, 黄洪钟, 熊晓燕. 考虑冲击与阶段备份的多阶段任务系统可靠性建模[J]. 系统工程与电子技术, 2023, 45(7): 2280-2286.
[5]	徐任杰, 宫琳, 谢剑, 刘欣, 杨克巍. 基于装备体系韧性的作战网络链路重要度评估及恢复策略[J]. 系统工程与电子技术, 2023, 45(1): 139-147.
[6]	孔德鹏, 马溢清, 郑保华, 王琦, 张志强, 赵珍强. 面向不确定多任务场景的海上联合作战装备体系贡献率评估方法[J]. 系统工程与电子技术, 2022, 44(12): 3775-3782.
[7]	蒋铁军, 于淳, 周成杰. 考虑期望体系效能衰减的舰艇编队等级修理计划优化[J]. 系统工程与电子技术, 2022, 44(11): 3571-3578.
[8]	陈启宏, 赵青松, 邱薇, 陈甲. 基于动态博弈的武器装备体系发展规划论证方法[J]. 系统工程与电子技术, 2022, 44(10): 3124-3133.
[9]	杜敏, 程中华, 董恩志. 陆军防空旅装备体系贡献率评估理论研究[J]. 系统工程与电子技术, 2022, 44(1): 209-217.
[10]	陈志伟, 王靖, 谷长超, 章健淳, 钟季龙. 考虑动态重构的装备体系可用性及弹性分析[J]. 系统工程与电子技术, 2021, 43(8): 2347-2354.
[11]	陈宇奇, 徐廷学, 郝建平, 逯程, 李志强. 基于FDN的装备体系任务能力依赖性分析[J]. 系统工程与电子技术, 2021, 43(6): 1721-1728.
[12]	潘星, 张振宇, 张艳梅, 王冉冉. 基于Sobol敏感性分析的装备体系保障效能评估[J]. 系统工程与电子技术, 2021, 43(2): 390-398.
[13]	周鑫, 王维平, 朱一凡, 王涛, 井田. 基于顺次分配机制的无人装备体系架构方案空间搜索方法[J]. 系统工程与电子技术, 2021, 43(11): 3211-3219.
[14]	潘星, 左督军, 张跃东. 基于系统动力学的装备体系贡献率评估方法[J]. 系统工程与电子技术, 2021, 43(1): 112-120.
[15]	马钧文, 张安, 高飞, 毕文豪. 基于置信规则推理的武器装备体系贡献度评估[J]. 系统工程与电子技术, 2020, 42(7): 1519-1526.

装备体系可靠性概念、建模与预计方法研究

Reliability concepts, modeling, and prediction methods for weapon system of systems

RichHTML

PDF (PC)

可视化

摘要/Abstract

引用本文

使用本文

图/表 13

参考文献 28

相关文章 15

编辑推荐

Metrics

本文评价