冲击环境下多态系统的部件交换与工作强度调节策略技术方案

本发明专利技术提出冲击环境下多态系统的部件交换与工作强度调节策略，包括根据多态系统的历史信息确定部件在不同工作强度和不同位置运行时遭受有效冲击的概率，得到多态系统中的部件运行时的状态转移概率矩阵；重新定义转移态和吸收态，形成新的状态转移概率矩阵；得到多态系统的可靠度函数；通过多态系统的运行成本和多态系统处于不同阶段下的即时净收益确定多态系统从任意阶段到最后阶段的最优总期望净收益；通过有限阶段反向递推迭代算法确定多态系统在所有状态下的最优动作集合，得到多态系统分为不同阶段数时的最优总净收益；将最大的最优总净收益对应的阶段数输出为最优阶段数，同时获得多态系统的部件交换策略以及工作强度调节策略

【技术实现步骤摘要】
冲击环境下多态系统的部件交换与工作强度调节策略


[0001]本专利技术属于多态多部件系统的优化领域，具体公开了冲击环境下多态系统的部件交换与工作强度调节策略
。
[0002]背景介绍
[0003]在某些系统中，不同位置的部件的状态退化特性是不同的，系统经过长时间的运行，部件状态的差异变得非常大
。
例如当无人机群在城市执行灾后救援任务时，城市环境中的交通
、
人流
、
建筑物等复杂因素会造成系统环境的不确定性，无人机可能会受到周围环境的冲击，如风振，当无人机在不同高度飞行时，无人机受到有效冲击概率是不同的，也就是说在不同的位置，无人机的退化特征是不同的，因此经过长时间的运行，不同无人机的性能水平差异逐渐增大
。
在日常生活中也有类似的例子，对于移动的车辆，车辆前轮的磨损大于后轮，当前后轮状态差较大时，可通过交换轮胎位置来平衡轮胎磨损
。
所以为了解决部件状态的差异变大这一问题，可以运用多部件系统的部件再分配来解决
。
[0004]针对部件再分配问题，提出了一种部件交换策略，通过部件位置的交换来平衡不同部件的损伤程度，同时延长系统寿命，现有文献中，部件交换问题主要涉及三个问题：系统结构
、
部件退化特性和部件交换策略
。
在系统结构方面，常见的系统结构有：串联系统
、
并联系统和
k
‑
out
‑
of
‑
n<br/>系统，此外，一些研究也考虑了更复杂的系统：退化
k
‑
out
‑
of
‑
n
系统
、
线性连续
k
‑
out
‑
of
‑
n
系统
、
线性连续退化
k
‑
out
‑
of
‑
n
系统和平衡系统等
。
在部件退化特性方面，许多研究使用退化路径模型来描述部件的退化过程，大多数研究认为部件的内部降解是状态退化的主要原因，然而像无人机这样的系统是在冲击环境中运行的，并不适用
。
在部件重分配策略方面，对于不可修复系统可以采用单独的部件重分配策略，对于可修复系统可以采用部件重分配和维护策略的联合策略，然而现有的研究大多只考虑一次部件重分配，只有少数研究考虑多次部件重分配
。
此外，有些系统在执行任务时需要根据系统状态动态调整工作强度
。
例如，由于无人机群的重新分配成本低
、
灵活性强，在系统运行过程中可以多次进行部件重新分配和工作强度调整，这需要多阶段决策
。
分阶段任务系统是任务在几个连续的
、
不重叠的阶段中执行的系统，其系统配置
、
操作环境和执行需求可能在不同的阶段发生变化
。
在已有的关于分阶段任务系统的技术中，分阶段任务系统的不同阶段需要做出不同的决策
。
例如，飞机的系统任务通常涉及多个连续的决策阶段，包括起飞
、
上升
、
水平飞行
、
下降和着陆阶段
。
在每个任务阶段，系统需要执行特定的任务
。
在现有技术中，这些策略在不同阶段包括系统结构调整
、
工作强度调整和绩效转移
。

技术实现思路

[0005]为了解决多个部件的多态系统运行过程中，因不同的位置和不同的工作强度导致的部件之间状态差异过大造成多态系统寿命短且收益低的，但没有有效的部件交换策略和工作强度调整策略的问题，提出了冲击环境下多态系统的部件交换与工作强度调节策略
。
[0006]本专利技术提供了冲击环境下多态系统的部件交换与工作强度调节策略，包括如下步骤：
[0007]S1.
构造多态系统的马尔可夫链，所述多态系统由
n
个位置上的
n
个部件组成，每个部件在状态空间
Ω
com
＝
{0,1,...,s}
上都有
s+1
个状态，根据多态系统的历史信息确定部件在不同工作强度和不同位置运行时遭受有效冲击的概率，根据所述有效冲击的概率得到所述多态系统中的部件在不同工作强度和不同位置运行时的状态转移概率矩阵；
[0008]S2.
根据所述步骤
S1
中得到的所述状态转移概率矩阵，重新定义所述多态系统状态空间状态的转移态和吸收态，得到部件在不同工作强度和不同位置运行时的新的状态转移概率矩阵；
[0009]S3.
根据所述步骤
S2
中得到的所述新的状态转移概率矩阵，得到所述多态系统的可靠度函数；
[0010]S4.
根据所述步骤
S3
中得到的所述可靠度函数，确定所述多态系统的运行成本和多态系统处于不同阶段下的即时净收益，在给定的检测间隔下，通过所述多态系统的运行成本和多态系统处于不同阶段下的即时净收益确定所述多态系统从任意阶段到最后阶段的最优总期望净收益；
[0011]S5.
根据所述步骤
S4
中得到的所述多态系统处于不同阶段下的即时净收益以及所述多态系统从任意阶段到最后阶段的最优总期望净收益，通过有限阶段反向递推迭代算法确定所述多态系统在所有状态下的最优动作集合，得到所述多态系统分为不同阶段数时的最优总净收益；
[0012]S6.
将所述步骤
S5
得到的所有最优总净收益中最大的最优总净收益对应的阶段数输出为最优阶段数，将所述最优阶段数对应最优部件交换决策集合以及工作强度调节决策集合，作为所述多态系统的部件交换策略以及工作强度调节策略
。
[0013]根据本申请一些实施例的冲击环境下多态系统的部件交换与工作强度调节策略，所述步骤
S1
中，所述多态系统每个部件在状态空间
Ω
com
＝
{0,1,...,s}
上都有
s+1
个状态，其中，0为完美状态，
s
为完全失效状态，所述多态系统中所有部件在初始时刻都是完美状态，为部件
i
在时刻
t
的状态，表示所述多态系统在状态空间
Ω
sys
＝
{X
＝
(x1,x2,...,x
n
)|x
i
∈{0,1,...,s}}
上的状态，部件可以从一个位置重新分配到另一个位置，并且部件在功能上是可交换的，部件在重新分配期间的可靠性保持不变，
Y
icom
(t)
为部件
i<本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.
冲击环境下多态系统的部件交换与工作强度调节策略，其特征在于，包括如下步骤：
S1.
构造多态系统的马尔可夫链，所述多态系统由
n
个位置上的
n
个部件组成，每个部件在状态空间
Ω
com
＝
{0,1,...,s}
上都有
s+1
个状态，根据多态系统的历史信息确定部件在不同工作强度和不同位置运行时遭受有效冲击的概率，根据所述有效冲击的概率得到所述多态系统中的部件在不同工作强度和不同位置运行时的状态转移概率矩阵；
S2.
根据所述步骤
S1
中得到的所述状态转移概率矩阵，重新定义所述多态系统状态空间状态的转移态和吸收态，得到部件在不同工作强度和不同位置运行时的新的状态转移概率矩阵；
S3.
根据所述步骤
S2
中得到的所述新的状态转移概率矩阵，得到所述多态系统的可靠度函数；
S4.
根据所述步骤
S3
中得到的所述可靠度函数，确定所述多态系统的运行成本和多态系统处于不同阶段下的即时净收益，在给定的检测间隔下，通过所述多态系统的运行成本和多态系统处于不同阶段下的即时净收益确定所述多态系统从任意阶段到最后阶段的最优总期望净收益；
S5.
根据所述步骤
S4
中得到的所述多态系统处于不同阶段下的即时净收益以及所述多态系统从任意阶段到最后阶段的最优总期望净收益，通过有限阶段反向递推迭代算法确定所述多态系统在所有状态下的最优动作集合，得到所述多态系统分为不同阶段数时的最优总净收益；
S6.
将所述步骤
S5
得到的所有最优总净收益中最大的最优总净收益对应的阶段数输出为最优阶段数，将所述最优阶段数对应最优部件交换决策集合以及工作强度调节决策集合，作为所述多态系统的部件交换策略以及工作强度调节策略
。2.
根据权利要求1所述的冲击环境下多态系统的部件交换与工作强度调节策略，其特征在于，所述步骤
S1
中，所述多态系统的每个部件在状态空间
Ω
com
＝
{0,1,...,s}
上的
s+1
个状态，其中，0为完美状态，
s
为完全失效状态，所述多态系统中所有部件在初始时刻都是完美状态，为部件
i
在时刻
t
的状态，表示所述多态系统在状态空间
Ω
sys
＝
{X
＝
(x1,x2,...,x
n
)|x
i
∈{0,1,...,s}}
上的状态，
Y
icom
(t)
为部件
i
在时刻
t
的位置，表示所述多态系统在时刻
t
上的排列，状态空间为的所述多态系统在冲击环境中运行，其中，
j
表示部件的序号
。3.
根据权利要求2所述的冲击环境下多态系统的部件交换与工作强度调节策略，其特征在于，所述步骤
S1
中，构造马尔可夫链如公式
(1)
所示：
{N
j
(g),g
＝
0,1,2,...}
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(1)
其中，
N
j
(g)
为所述多态系统总受到
g
次总冲击时，位置
j
的部件所遭受的有效冲击的次数，所述多态系统在状态空间
B
＝
{b1,b2,...,b
d
}
上有
d
种工作强度，位置
j
的部件的状态转移概率矩阵为如公式
(2)
所示：
其中，
p
j
(b
k
)
表示当所述多态系统处于工作强度
b
k
时，位置
j
的部件遭受有效冲击的概率
。4.
根据权利要求3所述的冲击环境下多态系统的部件交换与工作强度调节策略，其特征在于，所述步骤
S2
中，如果将马尔可夫链的状态空间
Ω
com
中前
r
个状态视为转移态，将其他状态组合成一个单一的吸收态则新的状态空间如公式
(3)
所示：当所述多态系统处于工作强度
b
k
时，位置
j
的部件的新的状态转移概率矩阵如公式
(4)
所示：其中，
S
jr
(b
k
)
表示所述多态系统处于工作强度
b
k
时位置
j
的部件从转移态到转移态的一步状态转移概率矩阵，
B
jr
(b
k
)
表示所述多态系统处于工作强度
b
k
时位置
j
的部件从转移态到吸收态的一步状态转移概率矩阵，0表示从吸收态到转移态的一步状态转移概率矩阵，0为零向量，
E
表示从吸收态到吸收态的一步状态转移概率矩阵
。5.
根据权利要求4所述的冲击环境下多态系统的部件交换与工作强度调节策略，其特征在于，所述步骤
S3
中，定义为在该任务阶段开始时处于状态
z
，其中
z&lt;r
，下一阶段所述多态系统以工作强度
b
k
运行，位置
j
的部件进入吸收态时所遭受的冲击总数；遵循离散
PH
分布，表示为其中第
(z+1)
个元素为1，其他元素为0，定义
T
m
为第
m
‑1次冲击与第
m
次冲击之间的间隔时间，假设
T
m
为独立同分布且遵循连续
PH
分布，表示为
T
m
～
PH
c
(
β
,C)
，其中，
β
表示初始向量，
C
表示转移矩阵，令位置
j
上的部件从状态
z
进入状态的连续时间为如公式
(5)
所示：根据
PH
分布的封闭性，可得连续
PH
分布如公式
(6)
所示：其中，
I
是单位矩阵，是克罗内克积，其中
a0＝
‑
Ce
T
，
e
＝
(1,1,...,1)
，
T
为所述多态系统的运行时间，的累积分布函数
cdf
如公式
(7)
所示：当部件的初始状态为
z
时，部件在时刻
t
后处于状态
l
的概率如公式
(8)
所示：
所述多态系统可靠度函数
R(b
k
,z,t)
如公式
(9)
所示：其中，
z
＝
(z1,z2,...,z
n
)
，
l
＝
(z,z+1,...,s
‑
1,s)。6.
根据权利要求5所述的冲击环境下多态系统的部件交换与工作强度调节策略，其特征在于，所述步骤
S4
中，将状态
u
定义为包含所有部件的状态和位置信息的向量，则状态空间
S
如公式
(10)
所示：其中，
x
i
为部件
i
...

【专利技术属性】
技术研发人员：赵先，王思齐，李颖，
申请(专利权)人：北京理工大学，
类型：发明
国别省市：