[论文解读] Safety Analysis Methods for Complex Systems in Aviation

Ítalo Romani de Oliveira, Jose Alexandre Tavares Guerreiro Fregnani+3 more|arXiv (Cornell University)|Aug 3, 2022

Safety Systems Engineering in Autonomy被引用 6

一句话总结

本文提出超越当前行业标准（如ARP4754）的先进安全分析方法，以评估高度自动化、互联的航空系统（如UAS和GBAS）的安全性。通过整合系统思维、形式化方法与基于模型的安全分析，作者展示了如何在早期阶段实现安全验证，从而降低颠覆性技术的开发成本与事故风险。

ABSTRACT

Each new concept of operation and equipment generation in aviation becomes more automated, integrated and interconnected. In the case of Unmanned Aircraft Systems (UAS), this evolution allows drastically decreasing aircraft weight and operational cost, but these benefits are also realized in highly automated manned aircraft and ground Air Traffic Control (ATC) systems. The downside of these advances is overwhelmingly more complex software and hardware, making it harder to identify potential failure paths. Although there are mandatory certification processes based on broadly accepted standards, such as ARP4754 and its family, ESARR 4 and others, these standards do not allow proof or disproof of safety of disruptive technology changes, such as GBAS Precision Approaches, Autonomous UAS, aircraft self-separation and others. In order to leverage the introduction of such concepts, it is necessary to develop solid knowledge on the foundations of safety in complex systems and use this knowledge to elaborate sound demonstrations of either safety or unsafety of new system designs. These demonstrations at early design stages will help reducing costs both on development of new technology as well as reducing the risk of such technology causing accidents when in use. This paper presents some safety analysis methods which are not in the industry standards but which we identify as having benefits for analyzing safety of advanced technological concepts in aviation.

研究动机与目标

• 应对自动化与互联航空系统日益增长的复杂性，包括无人航空器与地面空中交通管制系统。
• 识别现有认证标准（如ARP4754与ESARR 4）的局限性，这些标准无法为颠覆性技术明确证明或否定安全性。
• 开发并倡导基础性安全分析技术，以支持下一代航空概念在早期阶段进行严格的安全演示。
• 通过在先进系统早期设计阶段实现稳健的安全验证，降低开发成本与事故风险。
• 通过系统化的框架方法，弥合理论安全原则与新兴航空技术实际应用之间的差距。

提出的方法

• 整合系统思维，以建模复杂航空系统中硬件、软件与操作领域之间的相互作用。
• 应用形式化方法与基于模型的安全分析（MBSA），系统识别故障路径并验证安全属性。
• 结合系统级系统建模，采用概率风险评估（PRA）与故障树分析（FTA），实现整体性安全评估。
• 引入基于场景的分析，以评估在新型运行概念（如自主UAS与飞机自主分离）下的安全性。
• 结合定性与定量技术，支持在早期设计阶段的安全演示与非安全性检测。
• 利用航空运行与认证实践中的领域特定知识，使安全分析建立在现实约束基础之上。

实验结果

研究问题

• RQ1 如何将安全分析方法扩展至超越ARP4754与ESARR 4的范围，以验证颠覆性航空技术？
• RQ2 哪些系统化方法可识别高度集成与自动化航空系统中的故障路径？
• RQ3 早期阶段的安全演示在多大程度上可降低先进航空系统的开发成本与事故风险？
• RQ4 形式化与基于模型的方法如何提升复杂系统中安全验证的严谨性与可追溯性？
• RQ5 基于场景的分析与系统级系统建模在评估自主UAS与GBAS等新兴概念安全性方面发挥何种作用？

主要发现

• 所提出的安全部分析方法为评估复杂自动化航空系统的安全性，提供了比现有标准更严谨的基础。
• 基于模型的安全分析可更早发现故障路径，从而降低后期设计变更的成本与风险。
• 形式化方法增强了安全声明的可追溯性与可验证性，尤其适用于高度集成的软硬件系统。
• 基于场景的分析能有效捕捉新型概念（如自主UAS与自主分离）中的运行复杂性与边缘情况。
• 将系统思维与安全分析相结合，可提升对系统组件间涌现行为与相互依赖关系的识别能力。
• 利用这些方法在早期阶段开展安全验证，可同时降低开发成本与实际部署中的事故风险。