基于分层安全控制结构的导弹装备任务安全性动态评价方法

doi:10.7527/S1000-6893.2023.28858

Abstract

Abstract:

The multi-mission environment and complex working conditions of long-term storage put forward strict requirements on the effective risk suppression and accurate safety evaluation of missile equipment. However， missile equipment is a typical man-machine-environment coupling complex system. Traditional safety analysis and evaluation methods cannot meet the requirements of its dynamic change and accurate quantification. Therefore， this paper proposes a safety dynamic evaluation method for missile equipment based on hierarchical safety control structure model to realize accurate safety evaluation under the long-term storage mission situation. First， according to the mission profile characteristics of missile equipment， a multi-view architecture model of process， mission， function， information and organization is constructed to achieve the accurate description of mission process and resource. Then， a hierarchical safety control structure model is proposed to determine the accident causal factors and accident chain of the targeted mission. Meanwhile， based on the mission characteristics of missile equipment， a human performance evaluation system is constructed for long-term storage in a complex and changeable environment， achieving accurate evaluation of human error rate under the man-machine-environment coupling condition. Moreover， a safety dynamic feedback evaluation method integrating STAMP and CREAM is proposed to obtain the accident rate of the missile mission through simulation. Finally， a case study of the missile test mission is performed. The proposed method specifies 6 typical accident chains of 3 categories of coordination， control and feedback in the man-machine-environment coupling scenario. Meanwhile， the accuracy of the accident rate is improved by 70. 08%， which verifies the effectiveness and superiority of the proposed method.

Key words: long-term storage, man-machine-environment coupling, dynamic change, accurate quantification, human performance evaluation system

CLC Number:

Boqing YAO, Jiayu CHEN, Changchao GU, Qinhua LU, Xuhang WANG, Hongjuan GE. A dynamic evaluation method for mission safety of missile equipment based on hierarchical safety control structure[J]. Acta Aeronautica et Astronautica Sinica, 2024, 45(6): 228858-228858.

Figures/Tables 21

Fig.1

Table 1

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Table 2

Fig. 3

Table 3

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Table 5

Table 6

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References 35

1	CAI Z， XIANG H， WANG P， et al. Missile storage lifetime assessment of multivariate degradation modeling under competition failure ［J］. Systems Engineering & Electronics， 2018， 40（5）： 1183-1188.
2	CONG L H， XU T X， WANG Q， et al. Missile competing fault prediction based on degradation data and fault data［J］. Journal of Beijing University of Aeronautics and Astronautics， 2016， 42： 522.
3	赵少刚. 复杂武器系统人因工程设计及HRA研究［D］. 西安：西安电子科技大学， 2007： 28-29.
	ZHAO S G. Human factor engineering design and HRA research of complex weapon system［D］.Xi’an： Xidian University， 2007： 28-29 （in Chinese） .
4	WU J F， YANG T， CAO X L. A typical failure mode and effects analysis for EMA used for UAV and guided missile［J］. Journal of Physics： Conference Series， 2021， 1815（1）： 012043.
5	YUAN J， LONG Y. The missile flight control system reliability analysis based on hybrid fault trees［C］∥2010 2nd International Asia Conference on Informatics in Control， Automation and Robotics （CAR 2010）. Piscataway： IEEE Press， 2010： 158-160.
6	胡晓义，王如平，王鑫，等. 基于模型的复杂系统安全性和可靠性分析技术发展综述［J］. 航空学报， 2020， 41（6）： 523436.
	HU X Y， WANG R P， WANG X， et al. Recent development of safety and reliability analysis technology for model-based complex system［J］. Acta Aeronautica et Astronautica Sinica， 2020， 41（6）： 523436 （in Chinese）.
7	李晓磊，赵廷弟. 基于模糊推理的舰载机进舰过程安全性仿真分析［J］. 航空学报， 2013， 34（2）： 325-333.
	LI X L， ZHAO T D. Carrier-based aircraft landing process safety simulation analysis based on fuzzy inference［J］. Acta Aeronautica et Astronautica Sinica， 2013， 34（2）： 325-333 （in Chinese）.
8	黄耀华. 导弹作战流程Petri网建模及测试用例生成方法［J］.弹箭与制导学报， 2019， 39（5）： 46-49.
	HUANG Y H. Petri net modeling and test case generation method of missile operation process ［J］. Journal of Projectiles Rockets Missiles and Guidance， 2019， 39（5）： 46-49 （in Chinese）.
9	GUO J， SHI L， ZHANG K F， et al. Dynamic fault tree analysis based fault diagnosis system of power transformer［C］∥Proceedings of the 10th World Congress on Intelligent Control and Automation. Piscataway： IEEE Press， 2012： 3077-3081.
10	梁彦刚，陈磊，唐国金. 有限状态机在导弹防御系统分析中的应用［J］. 微计算机信息， 2007， 23（19）： 244-246.
	LIANG Y G， CHEN L， TANG G J. The application of FSM in missile defense system analysis ［J］. Microcomput Information （China）， 2007， 23（19）： 244-246 （in Chinese）.
11	HU J， LI J， ZHENG L. STAMP modeling and STPA safety analysis of aviation four stations gas support process ［J］. Advances in Aeronautical Science and Engineering， 2017， 8（4）： 408-415.
12	ALLISON C K， REVELL K M， SEARS R， et al. Systems Theoretic Accident Model and Process （STAMP） safety modelling applied to an aircraft rapid decompression event［J］. Safety Science， 2017， 98： 159-166.
13	郑磊，胡剑波. 基于STAMP/STPA的机轮刹车系统安全性分析［J］. 航空学报， 2017， 38（1）： 320144.
	ZHENG L， HU J B. Safety analysis of wheel brake system based on STAMP/STPA［J］. Acta Aeronautica et Astronautica Sinica， 2017， 38（1）： 320144 （in Chinese）.
14	张宏宏，甘旭升，孙静娟，等. 基于STPA-TOPAZ的低空无人机冲突解脱安全性分析［J］. 航空学报， 2022， 43（7）： 325354.
	ZHANG H H， GAN X S， SUN J J， et al. Analysis of low altitude UAV conflict resolution safety based on STPA-TOPAZ［J］. Acta Aeronautica et Astronautica Sinica， 2022， 43（7）： 325354 （in Chinese）.
15	赵青松，杨克巍，陈英武. 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. System of systems engineering and system of systems modeling［M］. Beijing： National Defense Industry Press， 2013 （in Chinese）.
16	李新明，杨凡德. 电子信息装备体系概论［M］. 北京：国防工业出版社， 2014.
	LI X M， YANG F D. Introduction to electronic information equipment system［M］. Beijing： National Defense Industry Press， 2014 （in Chinese）.
17	XU T X， ZHEN W. Research on missile equipments’ logistics support process modeling and simulation by ARIS［C］∥2011 International Conference on Quality， Reliability， Risk， Maintenance， and Safety Engineering. Piscataway： IEEE Press， 2011： 718-723.
18	NIE Z， CHEN Z， MA X， et al. Safety analysis of weapon system based on multi-view modeling ［J］. Transactions of Beijing Institute of Technology， 2022， 42（4）： 437-446.
19	高佳，沈祖培，何旭洪. 第二代人的可靠性分析方法的进展［J］. 中国安全科学学报， 2004， 14（2）： 15-19.
	GAO J， SHEN Z P， HE X H. Progress in the second generation of HRA ［J］. China Safety Science， 2004， 14（2）： 15-19 （in Chinese）.
20	CALHOUN J， SAVOIE C， RANDOLPH-GIPS M， et al. Human reliability analysis in spaceflight applications［J］. Quality and Reliability Engineering International， 2013， 29（6）： 869-882.
21	郭庆，关德明. 民机维修任务分析的人因可靠性预测模型研究［J］. 航空学报， 2023， 44（16）： 228051.
	GUO Q， GUAN D M. Human factors reliability prediction model for civil aircraft maintenance task analysis［J］. Acta Aeronautica et Astronautica Sinica， 2023，44（16）：228051 （in Chinese）.
22	ZHOU Q J， WONG Y D， LOH H S， et al. A fuzzy and Bayesian network CREAM model for human reliability analysis-The case of tanker shipping［J］. Safety Science， 2018， 105： 149-157.
23	李俊，胡剑波，王应洋，等. 导弹攻击过程的STAMP/STPA任务失效及仿真研究［J］. 弹箭与制导学报， 2019， 39（3）： 53-57， 68.
	LI J， HU J B， WANG Y Y， et al. Missile attack process STAMP/STPA mission failure and simulation research ［J］. Journal of Projectiles Rockets Missiles and Guidance， 2019， 39（3）： 53-57， 68 （in Chinese）.
24	胡剑波，郑磊. 综合火/飞/推控制系统复杂任务的STAMP建模和STPA分析［J］. 航空工程进展， 2016， 7（3）： 309-315.
	HU J B， ZHENG L. STAMP modeling and STPA analysis for complex tasks of integrated fire， flying and propulsion control systems［J］. Advances in Aeronautical Science and Engineering， 2016， 7（3）： 309-315 （in Chinese）.
25	STANTON N A， HARVEY C， ALLISON C K. Systems Theoretic Accident Model and Process （STAMP） applied to a Royal Navy Hawk jet missile simulation exercise［J］. Safety Science， 2019， 113： 461-471.
26	WANG K， GUO L， LANG J. A security index system of security risk assessment behavior based on STAMP model ［J］. Computer Engineering and Science， 2022， 44（8）： 1372-81.
27	王黎静，王彦龙. 人的可靠性分析：人因差错风险评估与控制［M］. 北京：航空工业出版社， 2015.
	WANG L J， WANG Y L. Human reliability analysis： Risk assessment and control of human error［M］. Beijing： Aviation Industry Press， 2015 （in Chinese）.
28	郑磊，胡剑波. 基于STAMP/STPA的机轮刹车系统安全性分析［J］. 航空学报，2017， 38（1）： 320144.
	ZHENG L， HU J B. Safety analysis of wheel brake system based on STAMP/STPA ［J］. Acta Aeronautica et Astronautica Sinica， 2017， 38（1）： 320144 （in Chinese）.
29	王琳. 基于STPA的复杂机载系统安全性分析方法研究［D］. 南京：南京航空航天大学， 2017： 5-11.
	WANG L. Research on security analysis method of complex airborne system based on STPA［D］.Nanjing： Nanjing University of Aeronautics and Astronautics， 2017： 5-11 （in Chinese） .
30	何旭洪，黄祥瑞. 工业系统中人的可靠性分析：原理、方法与应用［M］. 北京：清华大学出版社， 2007.
	HE X H， HUANG X R. Human reliability analysis in industrial systems： Principles， methods and applications［M］. Beijing： Tsinghua University Press， 2007 （in Chinese）.
31	中国人民解放军总装备部. 战略导弹安全规则：［S］. 北京：中国人民解放军总装备部， 2000.
	Chinese People’s Liberation Army General Armament Department. Safety regulations for strategic missile：［S］. Beijing： Chinese People’s Liberation Army General Armament Department， 2000 （in Chinese）.
32	中国人民解放军总装备部. 两级地地固体战略导弹测试发射规程：［S］. 北京：中国人民解放军总装备部， 2009.
	Chinese People’s Liberation Army General Armament Department. Rules for testing and launching of two-stage solid ground-to-ground strategic missiles：［S］. Beijing： Chinese People’s Liberation Army General Armament Department， 2009 （in Chinese）.
33	中国航天标准化研究所. 导弹贮存可靠性设计技术指南：［S］. 北京：中国航天标准化研究所， 2003.
	China Astronautics Standards Institute. Guideline of design technology for missile storage reliability：［S］. Beijing： China Astronautics Standards Institute， 2003 （in Chinese）.
34	荣灏. 导弹贮存使用过程安全性动态评估方法研究［D］.北京：北京航空航天大学， 2013.
	RONG H. Dynamic safety assessment method of missile operating process ［D］. Beijing： Beihang University，2013 （in Chinese）.
35	孙有朝，张永进，李龙彪. 可靠性原理与方法-下册［M］. 北京：科学出版社， 2016.
	SUN Y C， ZHANG Y J， LI L B. Principles and methods of reliability-volume II［M］. Beijing： Science Press， 2016 （in Chinese）.

可能性等级	严重性等级
可能性等级	Ⅰ（灾难的）	Ⅱ（严重的）	Ⅲ（轻度的）	Ⅳ（轻微的）
A（频繁）	1A（不可接受）	2A（不可接受）	3A（不可接受）	4A（评审后可接受）
B（很可能）	1B（不可接受）	2B（不可接受）	3B（不希望有的）	4B（评审后可接受）
C（有时）	1C（不可接受）	2C（不希望有的）	3C（不希望有的）	4C（立刻接受）
D（极少）	1D（不希望有的）	2D（不希望有的）	3D（评审后可接受）	4D（立刻接受）
E（不可能）	1E（评审后可接受）	2E（评审后可接受）	3E（评审后可接受）	4E（立刻接受）

认知功能	失效模式	人因失误率基本值
观察	O1观察目标错误	0.001
	O2辨识错误	0.07
	O3观察没有进行	0.07
解释	I1诊断失败	0.02
	I2决策失误	0.01
	I3延迟解释	0.01
计划	P1优先权错误	0.01
计划	P2不适当的计划	0.01
执行	E1动作方式错误	0.003
	E2动作时间错误	0.003
	E3动作目标错误	0.000 5
	E4动作顺序错误	0.003
	E5动作遗漏	0.003

风险评价因素Y_S	人因绩效评价因子
风险评价因素Y_S	观察	解释	计划	执行
（0， X₁）	B₀	C₀	D₀	E₀
（X₁， X₂）	B₁	C₁	D₁	E₁
…	…	…	…	…
（X_n_-1， X_n ）	B_n-₁	C_n-₁	D_n-₁	E_n-₁
（X_n， 1）	B_n	C_n	D_n	E_n

安全约束级别		安全约束
系统级		防止导弹燃烧爆炸
人员	一岗人员	按照测试操作规程对相关设备进行测试活动，出现意外及时报告
	二岗人员	按照操作规程对一岗人员的操作行为进行监督
	保障人员	按照操作规程对所负责设备进行保障，出现意外及时报告
	管理人员	对操作层人员进行监督，制定测试计划、安全培训等活动
设备	供气、配电、接地、温湿度、照明、测试	按照人员设定正常执行功能；不唱声漏电、火源等危险
	告警、消防、避雷、防爆	在危险发生时功能正常并遏制危险或事故后果的扩大
	导弹装备	确保结构体不出现结构体损坏

序号	类型	关键层次	事故链路
A1	协调类	设计层-操作层	④（P1）—②（O2）—①（E3）—③（I3）—⑧—⑮
A4	协调类	操作层-操作层	②（O2）—①（E1）—③（I3）—⑥—⑮
A2	控制类	设计层-操作层	④（I3）—②（O2）—①（E3）—③（P1）—⑦—⑮
A3	控制类	操作层-辅助设备层	③（E3）—②（O2）—①（E3）—⑭—⑮
A5	反馈类	辅助设备层-操作层	③（P1）—①（I3）—②（O3）—⑩—⑮
A6	反馈类	操作层-辅助设备层	②（O2）—①（E3）—③（E3）—⑨—⑮

A dynamic evaluation method for mission safety of missile equipment based on hierarchical safety control structure

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风险评价因素	影响	观察	解释	计划	执行
产品智能化程度	环境因素
（0.85， 1）	提高	0.8	0.8	1.0	0.8
（0.6， 0.85）	持平	1.0	1.0	1.0	1.0
（0， 0.6）	降低	2.0	2.0	2.0	2.0
产品智能化程度	装备因素
（0.85， 1）	提高	0.5	1.0	1.0	0.5
（0.7， 0.85）	持平	1.0	1.0	1.0	1.0
（0， 6， 0.7）	持平	1.0	1.0	1.0	1.0
（0， 0.6）	降低	2.0	1.0	1.0	2.0
经验水平	个体因素
（0.85， 1）	提高	0.8	0.5	0.5	0.8
（0.6， 0.85）	持平	1.0	1.0	1.0	1.0
（0， 0.6）	降低	2.0	5.0	5.0	2.0
经验水平	操作能力
（0.85， 1）	持平	1.0	1.0	1.0	1.0
（0.6， 0.85）	持平	1.0	1.0	1.0	1.0
（0， 0.6）	降低	2.0	2.0	5.0	2.0
经验水平	生理因素
（0.6， 1）	持平	1.0	1.0	1.0	1.0
（0， 0.6）	降低	1.2	1.2	1.2	1.2
安全意识	心理因素
（0.85， 1）	提高	0.5	0.5	0.5	0.5
（0.6， 0.85）	持平	1.0	1.0	1.0	1.0
（0， 0.6）	降低	2.0	2.0	2.0	2.0
安全意识	协作水平
（0.85， 1）	提高	0.5	0.5	0.5	0.5
（0.7， 0.85）	持平	1.0	1.0	1.0	1.0
（0，6， 0.7）	持平	1.0	1.0	1.0	1.0
（0， 0.6）	降低	2.0	2.0	2.0	5.0
任务压力	管理因素
（0.85， 1）	提高	1.0	1.0	0.8	0.8
（0.7， 0.85）	持平	1.0	1.0	1.0	1.0
（0， 6， 0.7）	降低	1.0	1.0	1.2	1.2
（0， 0.6）	降低	1.0	1.0	2.0	2.0
任务压力	流程合理性
（0.85， 1）	提高	0.8	1.0	0.5	0.8
（0.6， 0.85）	持平	1.0	1.0	1.0	1.0
（0， 0.6）	降低	2.0	1.0	5.0	2.0