一种基于匹配适应度的空间人机系统安全性动态建模方法技术方案

本发明专利技术提供了一种基于匹配适应度的空间人机系统安全性动态建模方法，包括如下步骤：安全性影响因素分类及确定；安全性影响因素建模；安全性影响因素发生概率确定；安全性影响因素匹配适应权重确定；安全性影响因素匹配适应度确定；系统安全性动态建模框架确定；系统安全性模型综合。本发明专利技术将系统安全性影响因素分为单项影响因素和耦合影响因素两类，采用匹配适应度从发生可能性(发生概率)和后果严重性(匹配适应权重)两个方面建立系统安全性动态模型，扩展了系统安全性建模要素，简化了系统状态与影响因素状态之间的关系，改进了系统路径分支规则，使得建立的系统安全性动态模型更加准确，为系统安全性动态建模提供了新的思路和途径。

A dynamic modeling method of space man-machine system security based on matching fitness

【技术实现步骤摘要】
一种基于匹配适应度的空间人机系统安全性动态建模方法
本专利技术属于系统安全性
，涉及一种基于匹配适应度的空间人机系统安全性动态建模方法。
技术介绍
安全性是空间站、载人飞船等有人参与的空间人机系统研制建设和运营管理关键问题。安全性建模是在系统安全性影响因素梳理基础上，进行系统安全性特征描述的重要技术手段，是开展安全性定量评估的基础。空间人机系统安全性影响因素众多，既包含人因失误、设备故障、环境扰动等单项因素，也包含单项因素联合形成的耦合因素。同时由于系统组成、功能和任务过程复杂，各类因素以动态风险序列的形式对系统安全性产生影响，空间人机系统安全性建模面临新的挑战。目前，工程上常采用故障树分析(FTA)或概率安全分析(PSA)等方法开展复杂系统安全性影响因素综合描述、不期望后果事件原因分析及发生概率计算等工作。对于复杂动态系统，主要采用离散动态事件树(DDET)方法，确定路径分支规则、低概率路径处理规则及系统状态吸收规则，采用仿真手段进行系统建模和分析。这些方法在建立以动态风险序列为特征的空间人机系统安全性模型时，存在以下不足：(1)模型要素仅包含单项影响因素，未包含耦合影响因素；(2)模型后果状态表征过程变量与系统安全性影响因素状态之间的显示量化关系难以建立；(3)模型建立过程中确定路径分支概率阈值时，仅考虑影响因素发生可能性，未考虑影响因素后果严重性。针对上述问题，本专利技术提出了一种基于匹配适应度的空间人机系统安全性动态建模方法，建立系统安全性动态模型，准确描述系统安全性动态特征。
技术实现思路
本专利技术主要解决空间人机系统安全性影响因素识别分析不全面、影响作用难以有效量化、影响过程不能模拟跟踪，系统安全性模型不够精确、安全性量化评价结果不够准确等技术问题。为了解决上述技术问题，本专利技术提供了一种基于匹配适应度的空间人机系统安全性动态建模方法，包括如下步骤：步骤(1)，将系统安全性影响因素分为单项影响因素和耦合影响因素两类，并通过初步危险分析方法、系统危险分析等方法分别进行识别确定；步骤(2)，分别采用多层体系架构、故障树、因素测度、动态贝叶斯网络方法，建立单项影响因素和耦合影响因素安全性模型；步骤(3)，基于步骤(2)建立的影响因素安全性模型，收集底层节点和事件发生概率数据，进行影响因素发生概率计算；步骤(4)，采用主成分分析法，确定影响因素匹配适应权重；步骤(5)，定义并计算影响因素匹配适应度；步骤(6)，基于步骤(5)确定系统路径分支规则，结合低概率路径处理规则、系统状态吸收规则，形成系统安全性动态建模框架；步骤(7)，基于步骤(6)，采用离散动态事件树(DDET)理论，进行模型综合，得到系统安全性动态模型。在上述基于匹配适应度的空间人机系统安全性动态建模方法中，将系统安全性影响因素分为单项影响因素和耦合影响因素两类，并通过初步危险分析、系统危险分析方法分别进行识别确定，包括：单项影响因素包括人因失误、设备故障、环境扰动3类，采用初步危险分析方法进行识别确定的步骤包括：1)定义系统：明确空间人机系统的范围和边界(即系统功能)；明确系统任务阶段、任务剖面、环境剖面；明确系统设计(如冗余设计等)、使用以及主要组成，利于设备故障建模；2)采集信息：收集所有分析必需的设计、使用和过程相关的信息，收集有关的经验教训以及其他可用的危险信息，收集所有适用的规章资料；3)初步识别：列出所分析的设备、功能和能源清单；为所分析的每个设备、功能和能源准备分析表；将系统硬件设备与危险检查表和顶层事故表进行比对；将系统运行功能与危险检查表和顶层事故表进行比对；将系统能源与危险检查表和顶层事故表进行比对；将系统软件功能与危险检查表和顶层事故表进行比对；通过对比，初步识别人因失误、设备故障、环境扰动单项影响因素。4)最终确认：针对初步识别的单项影响因素，通过会议研讨、历史事故比对分析等方法进行确定，最终确认系统安全性单项影响因素。耦合影响因素包括人机耦合、人环耦合、机环耦合、人机环耦合4类，采用系统危险分析方法进行识别确认的步骤包括：1)定义系统：明确系统范围和边界(即系统功能)；明确任务阶段、任务剖面、环境剖面；了解系统设计和运行原理；2)采集信息：收集所有分析必需的设计、使用和过程相关的信息,收集有关的经验教训以及其他可用的危险信息；收集所有适用的规章资料；3)初步识别：确定系统安全关键功能；建立安全关键功能线索，确定线索中的部件和子功能；根据线索上的部件和子功能识别与接口相关的耦合影响因素；4)最终确认：针对初步识别的耦合影响因素，通过会议研讨、历史事故比对分析等方法进行确定，最终确认系统安全性耦合影响因素。在上述基于匹配适应度的空间人机系统安全性动态建模方法中，分别采用多层体系架构、故障树、因素测度、动态贝叶斯网络方法，建立单项影响因素和耦合影响因素安全性模型，包括：采用多层体系架构方法，从典型任务体系、典型行为体系、典型失误体系3个方面建立人因失误模型，步骤包括：1)分析空间人机系统典型人因相关任务，包括舱内任务和舱外任务，舱内任务主要包括维护维修、科学实验、机械臂操作等，舱外任务主要包括安装维护、维修更换等；2)分析空间人机系统典型人因相关任务包含的相关行为，包括运动行为、操作行为、认知行为、决策行为4类行为；3)分析空间人机系统典型人因相关行为的失误类型，包括行为失败、程度不足、顺序颠倒等；4)针对分析得到的人因失误类型，分别采用人误概率预测(THERP)、认知可靠性和失误分析(CREAM)，以及班组情形下的信息、决策和动作(IDAC)方法建立相应的人因失误模型；采用故障树方法建立设备故障模型，步骤包括：1)分析设备故障模式，确定关键故障模式作为故障树顶事件；2)分析导致顶事件发生的故障原因及其组合，采用与、或、表决等故障逻辑门将故障原因及其组合挂接在故障树顶事件下；3)进行故障树形式检查，对事件进行编号，重复事件各自独立编号；采用因素测度方法建立环境扰动模型，步骤包括：1)分析空间人机系统环境要求，确定要求指标和扰动参数；2)收集环境扰动参数数据；3)根据环境要求指标，确定环境变化状态，包括正常状态、扰动状态、危险状态；必要时可对扰动状态进行细分；4)根据取值范围将环境扰动参数数据归入不同环境变化状态，建立环境扰动模型；采用动态贝叶斯网络建立耦合影响因素模型，步骤包括：1)确定耦合因素类型，包括人机耦合、人环耦合、机环耦合及人机环耦合；2)以耦合因素节点为根节点(状态节点)，以构成耦合因素节点的单项因素节点为叶节点(观察节点)，建立耦合因素的网络拓扑结构；3)明确耦合因素发生时间区间，进行区间划分，确定耦合因素发生时间片。在上述基于匹配适应度的空间人机系统安全性动态建模方法中，收集底层本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于匹配适应度的空间人机系统安全性动态建模方法，其特征在于，包括如下步骤：/n步骤(1)，将系统安全性影响因素分为单项影响因素和耦合影响因素两类，并通过初步危险分析方法、系统危险分析方法分别进行识别确定；/n步骤(2)，建立单项影响因素和耦合影响因素安全性模型；/n步骤(3)，基于步骤(2)建立的影响因素安全性模型，收集底层节点或基本事件发生概率数据，进行影响因素发生概率计算；/n步骤(4)，采用主成分分析法，确定影响因素匹配适应权重；/n步骤(5)，定义影响因素匹配适应度；/n步骤(6)，基于步骤(5)确定系统路径分支规则，结合低概率路径处理规则和系统状态吸收规则，形成系统安全性动态建模框架；/n步骤(7)，基于步骤(6)，采用离散动态事件树理论，进行模型综合，从而得到系统安全性动态模型。/n

【技术特征摘要】
1.一种基于匹配适应度的空间人机系统安全性动态建模方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤(1)，将系统安全性影响因素分为单项影响因素和耦合影响因素两类，并通过初步危险分析方法、系统危险分析方法分别进行识别确定；
步骤(2)，建立单项影响因素和耦合影响因素安全性模型；
步骤(3)，基于步骤(2)建立的影响因素安全性模型，收集底层节点或基本事件发生概率数据，进行影响因素发生概率计算；
步骤(4)，采用主成分分析法，确定影响因素匹配适应权重；
步骤(5)，定义影响因素匹配适应度；
步骤(6)，基于步骤(5)确定系统路径分支规则，结合低概率路径处理规则和系统状态吸收规则，形成系统安全性动态建模框架；
步骤(7)，基于步骤(6)，采用离散动态事件树理论，进行模型综合，从而得到系统安全性动态模型。


2.根据权利要求1所述的基于匹配适应度的空间人机系统安全性动态建模方法，其特征在于，步骤(1)中，将系统安全性影响因素分为单项影响因素和耦合影响因素两类，并通过初步危险分析、系统危险分析等方法分别进行识别确定，包括：单项影响因素包括人因失误、设备故障、环境扰动3类，采用初步危险分析方法进行识别确定的步骤包括：
1)定义系统：明确空间人机系统的范围和边界；明确系统任务阶段、任务剖面、环境剖面；明确系统设计、使用以及主要组成；
2)采集信息：收集所有分析必需的设计、使用和过程相关的信息；收集有关的经验教训以及其他可用的危险信息；收集所有适用的规章资料和信息；
3)初步识别：列出所分析的设备、功能和能源清单；为所分析的每个设备、功能和能源准备分析表；将系统硬件设备与危险检查表和顶层事故表进行比对；将系统运行功能与危险检查表和顶层事故表进行比对；将系统能源与危险检查表和顶层事故表进行比对；将系统软件功能与危险检查表和顶层事故表进行比对；通过对比，初步识别人因失误、设备故障、环境扰动单项影响因素；
4)最终确认：针对初步识别的单项影响因素，通过会议研讨、历史事故比对分析等方法进行确定，最终确认系统安全性单项影响因素；
耦合影响因素包括人机耦合、人环耦合、机环耦合、人机环耦合4类，采用系统危险分析方法进行识别确认的步骤包括：
1)定义系统：明确系统范围和边界；明确任务阶段、任务剖面、环境剖面；了解系统设计和运行原理；
2)采集信息：收集所有分析必需的设计、使用和过程相关的信息；收集有关的经验教训以及其他可用的危险信息；收集所有适用的规章资料和信息；
3)初步识别：确定系统安全关键功能；建立安全关键功能线索，确定线索中的部件和子功能；根据线索上的部件和子功能识别与接口相关的耦合影响因素；
4)最终确认：针对初步识别的耦合影响因素，通过会议研讨、历史事故比对分析等方法进行确定，最终确认系统安全性耦合影响因素。


3.根据权利要求2所述的基于匹配适应度的空间人机系统安全性动态建模方法，其特征在于，步骤(2)中，分别采用多层体系架构、故障树、因素测度、动态贝叶斯网络方法，建立单项影响因素和耦合影响因素安全性模型，包括：
采用多层体系架构方法，从典型任务体系、典型行为体系、典型失误体系3个方面建立人因失误模型，步骤包括：
1)分析空间人机系统典型人因相关任务，包括舱内任务和舱外任务，舱内任务主要包括维护维修、科学实验、机械臂操作，舱外任务主要包括安装维护、维修更换；
2)分析空间人机系统典型人因相关任务包含的相关行为，包括运动行为、操作行为、认知行为、决策行为4类行为；
3)分析空间人机系统典型人因相关行为的失误类型，包括行为失败、程度不足、顺序颠倒；
4)针对分析得到的人因失误类型，分别采用人误概率预测THERP，认知可靠性和失误分析CREAM，以及班组情形下的信息、决策和动作IDAC方法建立相应的人因失误模型；
采用故障树方法建立设备故障模型，步骤包括：
1)分析设备故障模式，确定关键故障模式作为故障树顶事件；
2)分析导致顶事件发生的故障原因及其组合，采用与、或、表决等故障逻辑门将故障原因及其组合挂接在故障树顶事件下；
3)进行故障树形式检查，对事件进行编号，重复事件各自独立编号；
采用因素测度方法...

【专利技术属性】
技术研发人员：李孝鹏，陈露，李福秋，周文明，张姗姗，覃沙，张桅，
申请(专利权)人：中国航天标准化研究所，
类型：发明
国别省市：北京;11