基于功能共振的复杂系统事故机理研究及推演技术

The project aims to put forward a brand new accident theory and method based on functional resonance, overcoming the limitations of conventional accident causal theory that focuses on linear causal sequence. Based on resilience engineering, the project will expound the function “variation- adjustment- recovery” cyclic process, the possible unstable system state, elaborate upon the propagation and amplification of functional variety under the multi-field coupling condition. By means of System Dynamics and structural modeling, the project will establish the microcosmic model regarding accident rehearsal mechanism, clarify coupling, and establish mapping rules between functional states to fully define the propagation modes of the proposed functional states and character sensitivities within functional coupling. The hierarchic safety constraints model will also be built. Model Checking will be adopted to identify paths where functional resonance might occur, to analyze sensitivity to functional coupling, and to design damping strategy against unexpected states. The typical mishaps occurring at aero-engine will be used into case study for application and verification of the developed model. The research outcomes have the capacity to enrich current accident theory and emphasize the nature of emergence and the non-linear behavior in complexity of mishaps. The intrinsic mechanism and general rules to be developed will provide effective theoretical and technological support for development of safety science.

本项目旨在突破传统的以线性因果序列为核心的事故致因理论的局限性，提出基于功能共振的事故机理新理论及事故推演新方法。应用系统弹性工程思想，诠释系统功能“变异-重组-稳定”的循环过程以及可能的失稳，阐明功能变异特性在多场耦合作用下的传播与放大效应。利用系统动力学方法及结构化建模技术，建立事故推演微观模型，明确功能变异耦合结构及映射规则，探索功能变异在系统微观层面的传导模式以及功能耦合关联结构敏感性特征。构建层级式的安全约束模型以支持确定事故推演判据。采用模型检测手段提出功能共振传播路径辨识、功能耦合敏感性分析及危险波动阻尼决策设计方法。针对航空发动机典型事故进行实例应用与验证。研究成果不仅可丰富现有事故致因理论，并着重挖掘复杂系统事故的涌现性及非线性等本质特征，探索事故的深层机理和一般规律，为安全科学的发展提供有效的理论和技术支持。

本项目研究了系统行为弹性及功能共振机理，面向系统行为过程建立事故推演模型，并基于模型检测提出事故推演支撑技术及系统设计架构，主要研究内容及其标志性成果如下：.(1) 以涌现现象与涌现的判定依据为基础，讨论功能共振现象的特点，提出了功能变异的度量方法，在现有功能共振分析方法（FRAM）基础上深化细化功能建模方法，支持根据不同的耦合方式实现对系统行为过程的描述。.(2) 将FRAM与基于模型的安全分析（MBSA）的基本思想相融合，应用以有限状态机理论为基础的模型检查技术，形成将事故推演机制进行形式化表达和实现的方法：在系统功能模型的基础上，首先将FRAM规定的功能建模、功能变化、功能变化耦合以FSM进行表达，并采用线性时序逻辑描述对系统的安全性需求，综合形成FRAM形式化规约模型；遵循MBSA的技术思维，将其转化为模型检测工具SPIN的输入语言，在软件平台上进行事故场景模拟和安全性需求验证。.(3) 在上述功能变异特性、功能耦合关联规则以及事故推演机制等研究成果的基础上，形成较为完整的功能共振传播路径辨识方法FRAM-based Analysis (FRAMA)，该方法将上述关键技术的应用有机串联起来，为事故推演分析提供具体的操作步骤及过程。主要包括三部分核心内容：a）建立系统描述能力更强的FRAM模型；b）将功能共振分析方法与模型检查方法相结合，替代了分析人员自动化遍历所有潜在的运行场景、验证安全要求，找出其中的功能共振场景；c）并根据抑制策略设计适当的改进方案。.(4) 基于功能共振机理，结合功能本身的特点，引入了工程中常见的事故防范措施，并分析了这些措施在FRAM模型中的适用性，提出了基于功能共振机理的功能变异抑制措施以支持危险防控决策，并实现对变异抑制措施的有效性检验。.本项目研究成果以航空领域“最小安全高度警报”系统在空中交通管理中的应用为例，对上述方法进行应用，完成该系统功能建模，分析功能变化及其影响，完成系统状态和环境条件的转移触发条件等在模型检查工具中的形式化编译，并在SPIN软件平台中进行安全性验证，识别危险演化路径，分析事故影响因素，提出控制策略，并将控制措施反映在模型调试中，以检验措施的有效性。