面向综合化航电系统的故障封闭分区构建与分析方法研究

The new generation of civil aircraft such as A350, B787,C919 all adopt integrated modular avionics (IMA) architecture, which is composed of integrated core processors and avionics data-bus network,integrates a variety of avionic functions.The physical boundaries among different avionics equipment of the traditional federated avionics are replaced by the logical boundaries of temporal/spatial partitions in IMA.The effective limitation and closure of failure by logical partition is the precondition for the independent execution of each avionics function under the integrated architecture.This project identifies different types of failure modes in IMA system, establishes fault propagation model and explores the reachable boundary of fault transmission by analyzing the architecture characteristics of integrated system.An effective interconnection between the partitioning mechanism of core processing system (ICP) in the IMA system and the isolation mechanism of airborne data network(ADN) virtual link is established.The logic self-consistency, time integrity and failure-contained partitions are constructed.The single dimension safety evaluation measurement method is extended to the multi-attribute evaluation mechanism, and the concept of dependability measurement is introduced to evaluate the IMA system-level failure containment partition. This study provides theoretical support for the safety analysis and airworthiness certification of the next generation integrated avionics system of large and medium-sized aircraft in China.

新一代大型客机如A350、B787、C919都采用了综合化航空电子系统(IMA)架构，IMA基于高速处理平台与交换式网络实现航电功能集成，打破了联合式航电系统中设备间的物理隔离边界，以时/空分区方式为各航电功能划分独立的逻辑空间，而逻辑分区对故障的有效限制和封闭是综合化架构下各航电功能独立执行的前提。本项目通过分析综合化系统的架构特征，识别IMA系统中不同类别故障模式，建立故障传播模型，探索故障传递的可达边界，实现IMA系统中核心处理系统(ICP)的分区机制与机载数据网络(ADN)的虚链路在隔离机制上的有效对接，构建逻辑自洽、时间完整、故障影响风险可控的系统级故障封闭分区；将单一维度的安全性评估度量方法向多属性评测机制扩展，引入可信性度量理念，建立IMA系统级故障封闭分区可信性度量模型。通过本研究，为我国大中型飞机下一代综合化航电系统的安全性分析和适航审定提供理论支持。

综合化航电系统采用高性能共享平台驻留应用的方式实现多个航电系统集成，综合化的体系架构带来了航电系统性能的大幅提升，综合模块化航电系统(Integrated Modualr Avionics,IMA)成为军、民机领域新研大型飞机的首选航电架构，然而IMA平台的共享资源特性使得不同航电功能间存在非设计性交互，使得故障在IMA系统中的增殖路径和影响范围存在混沌、难以确认等问题，导致故障风险后果无法估量，给整机的飞行安全带来了隐患。本项目按照复杂系统资源-功能解耦、故障封闭分区构建、安全性评估的思路开展了研究，形成了面向综合化航电系统资源紧耦合特性的故障封闭分区构建方法与安全性评估方法。项目取得研究成果包括：(1)建立了综合化航电系统中故障关联影响模型，形成了耦合资源条件下故障直接耦合路径与间接耦合路径特征模型，在考虑航电功能安全关键度的条件下提出了安全风险均衡与降低交互影响两种不同的资源分配优化目标，并基于某型航电系统开展了实验分析，结果显示优化后资源分配方案故障路径平均传播概率下降17.4%，资源模块互联网络整体故障传播风险减小50.3%。(2)基于社群划分模型，以减少社群间故障传播影响为目标建立了面向故障封闭的航电系统分区模型，将故障关联影响较大的航电功能资源划分入相近的社群分区，降低了不同类型的故障在全系统蔓延的影响。(3)基于系统理论形成了综合化航电系统安全性评估方法框架，以综合化航电系统的通用管理功能为例进行了相关组件的功能划分，建立了包含安全控制结构和组件描述规范的STPA扩展模型，并通过STPA方法对动态重构实例的不安全控制行为进行识别和分析，通过时间自动机模型对实例进行仿真验证，结果表明了STPA模型对综合化航电系统安全性分析的适用性。(4)项目成果在商飞上海飞机设计研究院CR929宽体项目中航电系统多驻留功能组合失效分析任务中取得了应用。