【摘要】：在現(xiàn)代航空領(lǐng)域中,主流飛機都采用了綜合模塊化航電系統(tǒng)(Intergrated Modular Avionics,IMA)架構(gòu),IMA為不同的飛機功能和航電應用提供開放和穩(wěn)定的資源共享框架,包括數(shù)據(jù)鏈應用在內(nèi)的各種飛機和航電功能以駐留軟件的方式運行在IMA通用平臺上。IMA平臺采用分區(qū)技術(shù)(Partitioning)為這些駐留軟件提供空間和時間的隔離機制和容錯能力,防止分區(qū)(Partition)相互之間非預期的干擾。分區(qū)技術(shù)在給系統(tǒng)設計和實現(xiàn)帶來靈活性的同時,也增加了軟件系統(tǒng)的復雜度,改變了傳統(tǒng)的系統(tǒng)架構(gòu)和集成模式,并直接影響到飛機和系統(tǒng)的安全性。因此,分區(qū)軟件的設計和開發(fā)必須按照適航(Airworthiness)管理局方制定的規(guī)章和標準并表明符合性,從而確保其承載的功能能夠滿足相應的安全性要求。本文簡要闡述了航電系統(tǒng)演變過程、IMA組成和分區(qū)隔離機制、民機數(shù)據(jù)鏈功能和架構(gòu)以及適航管理要求,以實現(xiàn)數(shù)據(jù)鏈應用的分區(qū)軟件為研究對象,開展了安全性分析并為分區(qū)軟件分配了可靠性指標,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對措施和狀態(tài)變遷,建立了基于隨機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,這些方法也適用于其他分區(qū)軟件的可靠性分析。本文的主要創(chuàng)新點和貢獻在于:(1)提出了改進的系統(tǒng)安全性評價流程。針對目前安全性評價流程和數(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)議的機載數(shù)據(jù)鏈系統(tǒng)架構(gòu),根據(jù)安全性分析和評價的結(jié)果,對數(shù)據(jù)鏈系統(tǒng)架構(gòu)進行了更新,確保該系統(tǒng)架構(gòu)設計滿足相應的安全性要求,同時為承載其功能的分區(qū)軟件分配了失效率指標;在現(xiàn)有的系統(tǒng)安全性評價流程基礎上,針對分區(qū)軟件和IMA架構(gòu),補充了分區(qū)軟件失效率指標的分配過程,進而將分區(qū)軟件失效模式和失效率反饋到設備和系統(tǒng)安全性評價過程,完善了系統(tǒng)安全性評價流程和方法;(2)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,分解和落實了系統(tǒng)安全性要求、機載軟件適航管理要求、分區(qū)軟件特殊性要求以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價體系。其中定性目標主要包括分區(qū)軟件對應功能的危害度、失效條件嚴重等級、功能余度、設計保證等級、失效模式、自恢復和容錯能力,以及適航軟件設計開發(fā)的過程目標等;定量目標主要是分區(qū)軟件的可靠性模型和失效率指標等;(3)建立分區(qū)軟件的隨機Petri網(wǎng)(Strochastic Petir Nets,SPN)模型并進行定量分析。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個位所,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、運行切換到等待、等待切換到運行等8種變遷,論證了變遷所對應的觸發(fā)延時服從或者近似于指數(shù)分布,滿足應用SPN的約束條件,通過SPN模型的可達狀態(tài)圖推導出與其同構(gòu)的連續(xù)時間馬爾可夫鏈(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)軟件自身啟動時間和GPM失效率的函數(shù);(4)提出了滿足適航要求的軟件開發(fā)過程模型,并開展了工程實踐,驗證了分區(qū)軟件的可靠性指標。提出了一種滿足適航要求的軟件設計開發(fā)過程模型和團隊組織結(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確保軟件質(zhì)量(含可靠性)的有效性;從工程實踐的角度給出了軟件開發(fā)滿足適航認證要求的若干建議和措施;隨后針對分區(qū)軟件可靠性框架中的定性和定量目標,確定了相應的驗證方法,并建立實驗平臺測試分區(qū)軟件的啟動時間,根據(jù)SPN模型的計算方法分析得出了分區(qū)軟件的失效率指標,驗證了數(shù)據(jù)鏈分區(qū)軟件可靠性指標滿足分配的可靠性要求,從而全面驗證了分區(qū)軟件可靠性框架中的定性和定量目標。
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【學位授予單位】：電子科技大學
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2017
【分類號】：V247;TP311.5

【參考文獻】

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本文編號：2381171