綜合模塊化航空電子分區(qū)軟件可靠性研究.pdf

1、在現(xiàn)代航空領(lǐng)域中，主流飛機(jī)都采用了綜合模塊化航電系統(tǒng)(Intergrated Modular Avionics, IMA)架構(gòu)，IMA為不同的飛機(jī)功能和航電應(yīng)用提供開放和穩(wěn)定的資源共享框架，包括數(shù)據(jù)鏈應(yīng)用在內(nèi)的各種飛機(jī)和航電功能以駐留軟件的方式運(yùn)行在IMA通用平臺(tái)上。IMA平臺(tái)采用分區(qū)技術(shù)(Partitioning)為這些駐留軟件提供空間和時(shí)間的隔離機(jī)制和容錯(cuò)能力，防止分區(qū)(Partition)相互之間非預(yù)期的干擾。分區(qū)技術(shù)在給系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2、和實(shí)現(xiàn)帶來靈活性的同時(shí)，也增加了軟件系統(tǒng)的復(fù)雜度，改變了傳統(tǒng)的系統(tǒng)架構(gòu)和集成模式，并直接影響到飛機(jī)和系統(tǒng)的安全性。因此，分區(qū)軟件的設(shè)計(jì)和開發(fā)必須按照適航(Airworthiness)管理局方制定的規(guī)章和標(biāo)準(zhǔn)并表明符合性，從而確保其承載的功能能夠滿足相應(yīng)的安全性要求。本文闡述了航電系統(tǒng)演變過程、IMA組成和分區(qū)隔離機(jī)制、民機(jī)數(shù)據(jù)鏈功能和架構(gòu)以及適航管理要求，以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)鏈應(yīng)用的分區(qū)軟件為研究對(duì)象，開展了安全性分析并為分區(qū)軟件分配了可靠性指標(biāo)

3、，提出了分區(qū)軟件的可靠性框架，分析了分區(qū)軟件的失效模式并確定了應(yīng)對(duì)措施和狀態(tài)變遷，建立了基于隨機(jī)Petri網(wǎng)(Strochastic Petir Nets, SPN)的分區(qū)軟件可靠性模型，定量分析了分區(qū)軟件的可靠性指標(biāo)，這些方法也適用于其他分區(qū)軟件的可靠性分析。
　　本研究主要內(nèi)容包括：⑴提出了改進(jìn)的系統(tǒng)安全性評(píng)價(jià)流程。針對(duì)目前安全性評(píng)價(jià)流程和數(shù)據(jù)鏈系統(tǒng)架構(gòu)的不足，提出了面向新技術(shù)體制和通信協(xié)議的機(jī)載數(shù)據(jù)鏈系統(tǒng)架構(gòu)，根據(jù)安全性分析

4、和評(píng)價(jià)的結(jié)果，對(duì)數(shù)據(jù)鏈系統(tǒng)架構(gòu)進(jìn)行了更新，確保該系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計(jì)滿足相應(yīng)的安全性要求，同時(shí)為承載其功能的分區(qū)軟件分配了失效率指標(biāo)；在現(xiàn)有的系統(tǒng)安全性評(píng)價(jià)流程基礎(chǔ)上，針對(duì)分區(qū)軟件和IMA架構(gòu)，補(bǔ)充了分區(qū)軟件失效率指標(biāo)的分配過程，進(jìn)而將分區(qū)軟件失效模式和失效率反饋到設(shè)備和系統(tǒng)安全性評(píng)價(jià)過程，完善了系統(tǒng)安全性評(píng)價(jià)流程和方法；⑵提出了分區(qū)軟件可靠性框架。在該分區(qū)軟件可靠性框架中，分解和落實(shí)了系統(tǒng)安全性要求、機(jī)載軟件適航管理要求、分區(qū)軟件特殊性要求以

5、及通用軟件的可靠性屬性，建立了分區(qū)軟件可靠性定性和定量評(píng)價(jià)體系。其中定性目標(biāo)主要包括分區(qū)軟件對(duì)應(yīng)功能的危害度、失效條件嚴(yán)重等級(jí)、功能余度、設(shè)計(jì)保證等級(jí)、失效模式、自恢復(fù)和容錯(cuò)能力，以及適航軟件設(shè)計(jì)開發(fā)的過程目標(biāo)等；定量目標(biāo)主要是分區(qū)軟件的可靠性模型和失效率指標(biāo)等；⑶建立分區(qū)軟件的隨機(jī)Petri網(wǎng)(Strochastic Petir Nets, SPN)模型并進(jìn)行定量分析。根據(jù)分區(qū)軟件失效模式分析的結(jié)果，明確了分區(qū)軟件Petri網(wǎng)模型的5

6、個(gè)位所，即初始化、空轉(zhuǎn)、正常、等待和故障，確定了通用處理模塊(General Processing Module, GPM)初始化、分區(qū)軟件初始化、運(yùn)行切換到等待、等待切換到運(yùn)行等8種變遷，論證了變遷所對(duì)應(yīng)的觸發(fā)延時(shí)服從或者近似于指數(shù)分布，滿足應(yīng)用SPN的約束條件，通過SPN模型的可達(dá)狀態(tài)圖推導(dǎo)出與其同構(gòu)的連續(xù)時(shí)間馬爾可夫鏈(Continuous Time Markov Chain, CTMC)，明確了該CTMC的轉(zhuǎn)移矩陣和狀態(tài)方程，并

7、結(jié)合分區(qū)軟件初始狀態(tài)，求解狀態(tài)方程得到了分區(qū)軟件處在各個(gè)不同位所的穩(wěn)態(tài)概率，其中，分區(qū)軟件處在故障位所的穩(wěn)態(tài)概率就是分區(qū)軟件的失效率，它是分區(qū)軟件自身啟動(dòng)時(shí)間和GPM失效率的函數(shù)；⑷提出了滿足適航要求的軟件開發(fā)過程模型，并開展了工程實(shí)踐，驗(yàn)證了分區(qū)軟件的可靠性指標(biāo)。提出了一種滿足適航要求的軟件設(shè)計(jì)開發(fā)過程模型和團(tuán)隊(duì)組織結(jié)構(gòu)；從軟件工程化和能力成熟度的角度分析了該過程對(duì)確保軟件質(zhì)量(含可靠性)的有效性；從工程實(shí)踐的角度給出了軟件開發(fā)滿足適