一种飞机系统安全性需求最优分配方法技术方案

本发明专利技术公开了一种飞机系统安全性需求最优分配方法，该方法包括：根据功能危害性评估确定系统顶层安全性需求，根据故障树分析确定导致系统顶层失效状态的功能失效集，利用不同的关系矩阵分别描述设备/功能相对于功能失效集、以及功能失效集相对于失效状态的隶属关系；分别根据研制保证等级分配原则和顶层失效状态的概率需求，推导出安全性需求分配的约束条件；以设备/功能研制保证等级和失效概率为决策变量，以系统研制成本最小为优化目标，建立飞机系统安全性需求分配的优化模型；利用粒子群算法对模型进行求最优解；本发明专利技术在确保飞机系统集成方案满足安全性需求的前提下，能够飞机降低研制成本，实现飞机安全性与经济性的全局优化。全局优化。全局优化。

【技术实现步骤摘要】
一种飞机系统安全性需求最优分配方法


[0001]本专利技术具体涉及民用飞机适航审定中系统安全性分析领域，具体涉及飞机系统安全性需求的分配与优化方法。

技术介绍

[0002]安全性分析既是飞机研制过程中开展安全性设计、提高飞机系统安全性的主要手段，也是审定过程中根据适航标准针对民用飞机系统开展符合性验证与适航审定的重要方法。在民用飞机研制中，必须自上而下地开展系统安全性分析工作，将飞机顶层安全性需求依次分配给系统、子系统直至最底层的设备/功能(Item/Function,I/F)，以确定底层I/F的安全性需求，从而确保设计方案的可追溯性与可控性。
[0003]民用飞机或系统的顶层安全性需求通常用顶层功能失效状态(Failure Condition,FC)的分类及允许发生概率来表示；底层I/F的安全性需求则包括定性和定量两类，定性安全性需求用研制保证等级(Development Assurance Level,DAL)来表示，定量安全性需求则用失效率或失效概率来表示。DAL是反映了研制保证过程的严格程度，研制保证是指使飞机系统满足适用审定基础的所有计划性、系统性的研制活动，该活动能够以充分的置信度确保需求与设计方案中的错误被识别并纠正。I/F的研制成本与它们的DAL和失效率通常存在一一对应关系，DAL越高，对应的研制保证过程就越严格、研制成本也就越高，相应的I/F失效率或失效概率也就越低。
[0004]目前，飞机系统开展系统安全性评估的依据是美国机动车工程师协会的标准ARP4754A与ARP4761。在这两份标准中，安全性需求(包括DAL与失效概率)分配通常在初步飞机/系统安全性评估阶段结合故障树的构建自上而下地开展，这种分配方式存在如下不足：
[0005]1)分配过程过于依赖于设计人员的经验，随着现代飞机系统复杂程度的不断提高，目前分配方法的效率过低；
[0006]2)目前的安全性分配分别针对DAL或失效概率单独进行，无法确保DAL和失效概率的分配值同时满足顶层安全性定性和定量需求；
[0007]3)目前的安全性分配方案能够仅以满足飞机顶层安全性需求为目的，没有考虑系统研制成本对安全性分配的影响，无法实现飞机研制成本的最优化。

技术实现思路

[0008]本专利技术的目的在于提供一种飞机系统安全性需求最优分配方法，以解决上述
技术介绍
中提出的问题。
[0009]为实现上述目的，本专利技术提供如下技术方案：
[0010]一种飞机系统安全性需求最优分配方法，包括下列步骤：
[0011]步骤1：根据FHA确定系统顶层安全性需求，包括顶层功能的研制保证等级DAL及顶层FC的概率需求。
[0012]步骤2：由故障树分析(Fault Tree Analysis,FTA)得到导致系统顶层FC的设备/功能(Item/Function,I/F)的故障或故障组合，即功能失效集(Functional Failure Set,FFS)；利用关系矩阵X描述I/F相对于FFS的隶属关系，利用关系矩阵Y描述FFS相对于FC的隶属关系；
[0013]步骤3：利用矩阵Y建立的FFS相对于FC的隶属关系，将由系统顶层FC类别确定的顶层功能DAL值分配给各FFS，再利用矩阵X建立的I/F相对于FFS的隶属关系，将DAL分配原则转化为安全性分配的约束条件；
[0014]步骤4：利用矩阵Y建立的FFS相对于FC的隶属关系和矩阵X建立的I/F相对于FFS的隶属关系，建立系统顶层FC发生概率与底层I/F失效概率的对应关系，将系统顶层FC概率需求转为安全性分配的约束条件；
[0015]步骤5：以I/F的DAL和失效概率为决策变量，以系统研制成本最小为优化目标，以DAL分配原则和顶层FC概率需求为约束，构建飞机系统安全性需求最优分配模型；
[0016]步骤6：利用粒子群算法(Particle Swarm Optimization,PSO)对上述优化模型进行求解，得到I/F的DAL和失效概率的最优解。
[0017]更进一步的方案：步骤1所述的确定FC类别及对应的安全性需求的方法如表1所示：
[0018]表1 FC类别及对应的安全性需求
[0019][0020]更进一步的方案：所述关系矩阵X表示为式Ⅰ如下：
[0021][0022]其中，若第i个I/F属于第j个FFS，则x
ij
＝1，否则x
ij
＝0；n为系统中的I/F个数；m为FFS的总个数，FFS源于故障树分析，故障树分析的顶事件，即系统顶层FC来源于FHA；
[0023]步骤2所述的用于描述I/F相对于FFS的隶属关系的关系矩阵Y表示为式Ⅱ如下：
[0024][0025]其中，若第j个FFS属于第k个FC，则y
jk
＝1，否则y
jk
＝0；l为顶层FC的个数。
[0026]更进一步的方案：步骤3所述的DAL分配原则转化为安全性分配约束条件的过程如下：
[0027](1)令(由于“轻微的”和“无安全影响的”的FC不需要进行故障树分析，因此无需考虑)表示由第k个顶层FC确定的DAL值，第j个FFS对应的DAL值应当是其隶属的所有故障树顶层FC确定的DAL值的最大值，表示为式Ⅲ即：
[0028][0029](2)将SAE ARP4754A中的DAL分配原则转化为对每一个I/F的DAL的约束，令表述第i个I/F的DAL值，则该约束表示为式Ⅳ如下：
[0030][0031]更进一步的方案：步骤4所述的将系统顶层FC概率需求转为安全性分配的约束条件的过程如下：
[0032](1)对于每一FC根据关系矩阵Y确定属于该FC的FFS，以第k个FC为例，若y
jk
＝1则将关系矩阵X的第j行保留，否则将该行删除，从而得的新的一阶关系矩阵X
′
＝[x
′
ij
]，该矩阵的行数为隶属于该FC的所有FFS的数量，可表示为式
Ⅴ
如下：
[0033][0034](2)求每一FC的实际发生概率，可表示为式
Ⅵ
如下：
[0035][0036]式
Ⅵ
中第二个等号后第一项计算方法表示为式
Ⅶ
如下：
[0037][0038]式中，表示第i个I/F的失效概率是其对应的DAL
值的函数；
[0039](3)式
Ⅵ
中第二个等号后第二项计算方法如下，将一阶关系矩阵X
′
中的不相同的两行各对应元素相加，得到二阶关系矩阵X
″
＝[x
″
ij
]，该矩阵的行数可表示为则表示为式
Ⅷ
如下：
[0040][0041]式中，同理可得到式
Ⅵ
第二个等号后每一项的计算方法，从而求得其值为的函数，因此可表为
[0042](4)令(同样无需考虑“轻微的”和本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种飞机系统安全性需求最优分配方法，其特征在于，包括如下步骤：(1).根据功能危害性评估确定系统顶层安全性需求，系统顶层安全性需求包括顶层功能的研制保证等级及顶层失效状态的概率需求；(2).由故障树分析得到导致系统顶层FC的设备/功能的故障或故障组合，即功能失效集；利用关系矩阵X描述I/F相对于FFS的隶属关系，利用关系矩阵Y描述FFS相对于FC的隶属关系；(3).利用矩阵Y建立的FFS相对于FC的隶属关系，将由系统顶层FC类别确定的顶层FC的DAL值分配给各FFS，再利用矩阵X建立的I/F相对于FFS的隶属关系，将DAL分配原则转化为安全性分配的约束条件；(4).利用矩阵Y建立的FFS相对于FC的隶属关系和矩阵X建立的I/F相对于FFS的隶属关系，建立系统顶层FC发生概率与底层I/F失效概率的对应关系，将系统顶层FC概率需求转为安全性分配的约束条件；(5).以I/F的DAL和失效概率为决策变量，以系统研制成本最小为优化目标，以DAL分配原则和顶层FC概率需求为约束，构建飞机系统安全性需求最优分配模型；(6).利用粒子群算法对上述优化模型进行求解，得到I/F的DAL和失效概率的最优解。2.根据权利要求1所述的飞机系统安全性需求最优分配方法，其特征在于，所述关系矩阵X表示为式Ⅰ如下：其中，若第i个I/F属于第j个FFS，则x
ij
＝1，否则x
ij
＝0；n为系统中的I/F个数；m为FFS的总个数，FFS源于故障树分析，故障树分析的顶事件，即系统顶层FC来源于FHA；所述关系矩阵Y表示为式Ⅱ如下：其中，若第j个FFS属于第k个FC，则y
jk
＝1，否则y
jk
＝0；l为顶层FC的个数。3.根据权利要求1所述的飞机系统安全性需求最优分配方法，其特征在于，步骤(3)所述的DAL分配原则转化为安全性分配约束条件的过程如下：(1)令表示由第k个顶层FC确定的DAL值，第j个FFS对应的DAL值应当是其隶属的所有故障树顶层FC确定的DAL值的最大值，表示为式Ⅲ即：(2)将SAE ARP4754A中的DAL分配原则转化为对每一个I/F的DAL的约束，令
表述第i个I/F的DAL值，则该约束表述为式Ⅳ如下：4.根据权利要求1所述的飞机系统安全性需求最优分配方法，其特征在于，步骤(4)所述的将系统顶层FC概率需求转为安全性分配的约束条件的过程如下：(1)对于每一FC根据关系矩阵Y确定属于该FC的FFS，以第k个FC为例，若y
jk
＝1则将关系矩阵X的第j行保留，否则将该行删除，从而得的新的一阶关系矩阵X
′
＝[x
′
ij
]，该矩阵的行数为隶属于该...

【专利技术属性】
技术研发人员：陆中，荘露，吴雨婷，韩冰，
申请(专利权)人：南京航空航天大学，
类型：发明
国别省市：