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        一種航天測控系統(tǒng)聯(lián)調(diào)實(shí)時(shí)決策方法

        2012-06-02 09:31:34彭漁露張賢敏
        關(guān)鍵詞:設(shè)備系統(tǒng)

        彭漁露,張賢敏

        (1.重慶大學(xué)自動(dòng)化學(xué)院,重慶 400030;2.西昌衛(wèi)星發(fā)射中心,四川西昌 615000)

        航天測控系統(tǒng)是航天工程的重要組成部分,既是航天運(yùn)載器和航天器發(fā)射、在軌及返回段的重要支持保障系統(tǒng),又是運(yùn)行大回路中的重要環(huán)節(jié)。隨著航天科技的快速發(fā)展,測控系統(tǒng)的可靠性工程越來越受到重視[1]。如何快速?zèng)Q策整個(gè)測控系統(tǒng)的狀態(tài),保障航天活動(dòng)的順利完成,是該領(lǐng)域的一個(gè)重要課題。目前在該領(lǐng)域中,將專家系統(tǒng)、人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)以及模糊理論等多種智能技術(shù)結(jié)合起來進(jìn)行決策評(píng)估,是國內(nèi)外智能化診斷研究的一個(gè)發(fā)展趨勢。

        由于國內(nèi)外測控體制的區(qū)別,國外測控系統(tǒng)的決策方法和經(jīng)驗(yàn)無法直接應(yīng)用到國內(nèi),而國內(nèi)的相關(guān)文獻(xiàn)資料也比較缺乏,但針對(duì)測控設(shè)備的決策評(píng)估和火箭安全性等內(nèi)容有一些研究,如針對(duì)測控設(shè)備保障體系的評(píng)估[2]和測控設(shè)備軟件質(zhì)量控制[3]都有保證設(shè)備可靠性的方法。文獻(xiàn)[4]則研究了對(duì)測控系統(tǒng)離線式的診斷決策方法,沒有對(duì)實(shí)時(shí)情況進(jìn)行決策。文獻(xiàn)[5]則提出建立航天試驗(yàn)裝備指揮輔助決策系統(tǒng)的結(jié)構(gòu);文獻(xiàn)[6-8]則是針對(duì)裝備決策架構(gòu)及火箭本身安全性的決策和診斷,并不針對(duì)測控系統(tǒng)本身。

        本文基于不確定性推理的專家系統(tǒng)理論,利用聯(lián)調(diào)中測控設(shè)備發(fā)送的信息進(jìn)行分析計(jì)算,提出對(duì)測控系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)時(shí)決策的方法。

        1 測控系統(tǒng)的特點(diǎn)分析

        1.1 測控設(shè)備特征分析

        測控系統(tǒng)聯(lián)調(diào)活動(dòng)通常由控制中心和各測控設(shè)備共同參與完成。在聯(lián)調(diào)過程中,各測控設(shè)備向控制中心發(fā)送各類信息,控制中心對(duì)接收到的信息進(jìn)行處理和分析。

        測控設(shè)備發(fā)送的信息通常包含2種類型,一是自身工作狀態(tài)的信息,二是對(duì)外部目標(biāo)進(jìn)行測量的信息。由于第2類信息只在有真實(shí)目標(biāo)的情況下才具有意義,所以本文只考慮第1類信息。

        本文用一組無序的數(shù)組元素來描述設(shè)備自身狀態(tài)信息,將狀態(tài)表示成向量(或序列、集合)的形式。一般地,采集設(shè)備的m個(gè)狀態(tài),每個(gè)狀態(tài)用E描述。

        1.2 決策對(duì)象層次劃分

        測控系統(tǒng)是由多級(jí)層次組成的,較低層的設(shè)備可以集合成較高層的系統(tǒng),較高層的系統(tǒng)也可以分解。按照測控系統(tǒng)的層次性特點(diǎn),首先將航天測控系統(tǒng)劃分為若干系統(tǒng),然后再根據(jù)各系統(tǒng)本身的功能特性及層次性,劃分為若干分系統(tǒng)、子系統(tǒng)和功能單元,分系統(tǒng)、子系統(tǒng)和功能單元包含了測控設(shè)備。因此,測控設(shè)備是基本的決策對(duì)象。

        2 決策模型的建立

        2.1 知識(shí)表示

        可信度方法是肖特里菲(E.H.Shortliffe)等在確定性理論的基礎(chǔ)上,結(jié)合概率論等提出的一種不確定性推理方法(又稱CF模型)??尚哦仁且粋€(gè)為了將相信和不相信合成一個(gè)主觀系數(shù),用這個(gè)系數(shù)來表示證據(jù)對(duì)結(jié)論為真的支持程度,用來處理信任與不信任的問題[9]。

        系統(tǒng)中的規(guī)則可以用如下形式的規(guī)則R表示:

        其中:E表示狀態(tài)向量組的前提條件;H表示結(jié)論;CF(H,E)表示產(chǎn)生式規(guī)則 R的可信度(CF∈[0,1]),該規(guī)則可以解釋為當(dāng)前提條件或狀態(tài)E發(fā)生了,結(jié)論H可信程度為CF(H,E),值越大可信度越大。

        根據(jù)以上理論,設(shè)備狀態(tài)向量采用適當(dāng)?shù)牧炕P?,可以將?1)轉(zhuǎn)換為一組可信度的向量,該向量表示設(shè)備各個(gè)狀態(tài)正常的可以信任的程度,表達(dá)式為

        在聯(lián)調(diào)中,由于測量設(shè)備所處的環(huán)境、通信線路質(zhì)量等因素都會(huì)造成傳遞信息的錯(cuò)誤,為了減少此類情況對(duì)結(jié)果的影響和不確定因素的傳遞,引入可信度閾值[10-12]??尚哦乳撝涤忙吮硎荆姚恕剩?,1]。于是,產(chǎn)生式規(guī)則的形式可以表示為

        設(shè)備自身狀態(tài)可信度向量,表示為

        2.2 權(quán)重引入

        在此前的基于規(guī)則的專家系統(tǒng)中,大多都是在假定前提條件之間,具有相同重要性的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)的。然而在測控設(shè)備狀態(tài)可信度向量中,因設(shè)備自身狀態(tài)重要程度的不同,不能一概而論。為此,根據(jù)文獻(xiàn)[13]在推理規(guī)則的前提條件中引入加權(quán)因子,不同狀態(tài)對(duì)應(yīng)不同的權(quán)值,體現(xiàn)測控設(shè)備自身狀態(tài)之間的重要程度。設(shè)權(quán)值為ω,規(guī)則為

        設(shè)備自身狀態(tài)可信度向量,表示為

        根據(jù)文獻(xiàn)[13],得到多個(gè)條件下可信度的計(jì)算方法。例如有2個(gè)相同結(jié)論的產(chǎn)生式規(guī)則同時(shí)被觸發(fā)時(shí),計(jì)算公式為

        通過以上方法,可以計(jì)算出設(shè)備自身狀態(tài)的可信度CFm。但可信度是采用統(tǒng)計(jì)的方法獲得的概率形式,在復(fù)合條件的可信度計(jì)算中,需要排除前提條件可信度之間的相對(duì)相互重迭。為此,采用文獻(xiàn)[14-15]中相對(duì)權(quán)重的方法進(jìn)行計(jì)算。具體改進(jìn)算法為:

        在式(7)中,取設(shè)備自身狀態(tài)權(quán)重的最大值ωmax=max{ω1,ω2,…,ωm},則條件 E1相對(duì)權(quán)重為ω1/ωmax,條件 E2相對(duì)權(quán)重為 ω2/ωmax,條件 Em相對(duì)權(quán)重為 ωm/ωmax。

        條件E1與條件E2可信度之間的近似相對(duì)重迭條件E1與條件E3可信度之間的近似相對(duì)重迭為,以此類推則復(fù)合條件的可信度為

        3 系統(tǒng)建模與分析

        3.1 系統(tǒng)建模

        根據(jù)本文描述的對(duì)象層級(jí)模型,假設(shè)測控系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)如圖1所示。

        圖1 測控系統(tǒng)模型

        整個(gè)測控系統(tǒng)的狀態(tài)由子系統(tǒng)和設(shè)備C決定,子系統(tǒng)的狀態(tài)由設(shè)備A和設(shè)備B的狀態(tài)決定,要決策整個(gè)測控系統(tǒng)的工作狀態(tài),只需按照自底向上的順序先決策設(shè)備自身狀態(tài),后決策系統(tǒng)狀態(tài)。

        現(xiàn)隨機(jī)產(chǎn)生圖1中設(shè)備和子系統(tǒng)的狀態(tài)信息,如表1至表4所示,其中表1至表3的閾值表示可信度超過閾值后有效,表4的閾值表示可信度超過閾值后設(shè)備或子系統(tǒng)的狀態(tài)是正常的。

        表1 設(shè)備A信息

        表2 設(shè)備B信息

        表3 設(shè)備C信息

        表4 測控系統(tǒng)信息

        3.2 數(shù)據(jù)仿真

        根據(jù)式(7),設(shè)備A、B和C的狀態(tài)向量為:

        設(shè)備A、B、C和子系統(tǒng)權(quán)重分別為

        通過改變某個(gè)不同權(quán)重的可信度,將未包含權(quán)重和包含權(quán)重的可信度的計(jì)算結(jié)果的變化趨勢進(jìn)行對(duì)比,驗(yàn)證計(jì)算結(jié)果的正確性。使用CFA這組可信度向量進(jìn)行計(jì)算。

        3.2.1 改變單個(gè)權(quán)重的仿真

        ①改變單個(gè)權(quán)重較小的可信度

        由圖2可知,有權(quán)重的計(jì)算方法在計(jì)算時(shí),明顯受到了權(quán)重值的影響,含權(quán)重小的曲線變化范圍明顯小于不包含權(quán)重的曲線,符合實(shí)際情況。

        圖2 單個(gè)權(quán)重較小的可信度仿真結(jié)果

        ②改變單個(gè)權(quán)重較大的可信度

        由圖3可知,當(dāng)輸入的可信度增加時(shí),含有權(quán)重的可信度增加幅度大于不含權(quán)重的可信度,與事實(shí)相符。

        圖3 單個(gè)權(quán)重較大的可信度仿真結(jié)果

        3.2.2 改變2個(gè)權(quán)重的仿真

        仿真①:改變2個(gè)權(quán)重較小的可信度,輸入可信度1和輸入可信度2對(duì)應(yīng)CFA的狀態(tài)2和狀態(tài)5。

        仿真②:改變2個(gè)權(quán)重較大的可信度,輸入可信度1和輸入可信度2對(duì)應(yīng)CFA的狀態(tài)1和狀態(tài)4。

        仿真③:分別改變一個(gè)權(quán)重大的和權(quán)重小的可信度,輸入可信度1和輸入可信度2對(duì)應(yīng)CFA的狀態(tài)4和狀態(tài)5。

        圖4 不含權(quán)重的可信度

        在仿真②和③中,未包含在權(quán)重的可信度仿真計(jì)算中,結(jié)果與圖4類似。

        由以上仿真結(jié)果可知:

        1)在①中輸入可信度1與輸入可信度2均為較小權(quán)重的可信度,它們的改變對(duì)結(jié)果的影響較小,且可信度1對(duì)應(yīng)的權(quán)重大于可信度2對(duì)應(yīng)的權(quán)重,可信度1增長幅度大于可信度2;

        2)在②中輸入可信度1與輸入可信度2均為較大權(quán)重,它們的改變對(duì)結(jié)果的影響較大,且的輸入可信度2的權(quán)重大于輸入可信度1對(duì)應(yīng)的權(quán)重,可信度2增長幅度大于可信度1;

        3)在③輸入的可信度1的權(quán)重遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于輸入可信度2對(duì)應(yīng)的權(quán)重,從仿真結(jié)果可以看出,在混合不同大小權(quán)重的可信度后,權(quán)重大的可信度對(duì)結(jié)果影響非常明顯。

        在改變更多的輸入可信度個(gè)數(shù)后,同樣可以得出上述仿真結(jié)果。

        3.3 計(jì)算與決策

        使用式(10)的計(jì)算方法,計(jì)算出圖1中的測控系統(tǒng)模型中各設(shè)備、子系統(tǒng)的可信度:

        由于CFC小于正常狀態(tài)的閾值,故設(shè)備C是異常的,令CFC=0并代入圖1模型進(jìn)行計(jì)算:

        子系統(tǒng)可信度為

        測控系統(tǒng)可信度為

        結(jié)果小于表4中測控系統(tǒng)正常狀態(tài)的閾值,決策結(jié)果為測控系統(tǒng)異常。

        4 結(jié)束語

        將使用基于不確定性推理的專家系統(tǒng)理論實(shí)現(xiàn)整個(gè)系統(tǒng)的實(shí)時(shí)決策。該方法能夠?qū)⑼评磙D(zhuǎn)化為一系列的代數(shù)計(jì)算,滿足實(shí)時(shí)決策的需求,同時(shí)區(qū)別對(duì)待了不同狀態(tài)的重要程度,符合真實(shí)情況。根據(jù)狀態(tài)的重要程度賦予不同的權(quán)重,無需考慮其大小、含義,適合航天測控系統(tǒng)這種大規(guī)模的復(fù)雜系統(tǒng),在實(shí)際運(yùn)用中取得了較好的效果。

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