系统理论过程分析在自动驾驶安全分析中的应用综述

安全分析是汽车开发过程的重要一环,随着自动驾驶系统复杂性提升,传统安全分析方法面临着挑战。首先,将故障树分析(FTA)、故障模式与影响分析(FMEA)、危险与可操作性分析(HAZOP)这些传统安全分析方法,与系统理论过程分析方法(STPA)进行对比,重点阐述使用STPA进行自动驾驶系统安全分析的优势。其次,详细论述了STPA在自动驾驶功能安全、预期功能安全、信息安全及人机交互系统等重要领域的应用现状。最后,从拓展STPA分析方法、加强分析与验证闭环、扩大应用范围的角度对STPA在自动驾驶领域的应用进行了展望。

基于系统理论事故模型与过程的危险性分析方法

传统危险性分析方法将事故视为开始事件诱发的一连串事件所造成的不幸后果,适于处理相对简单或由物理组件构成的系统,但无法胜任较为复杂的社会技术系统,有必要研究和探索推广性更好、更为有效的系统安全分析手段。系统理论事故模型与过程(STAMP)将安全视为系统组件间交互的一种涌现特性,并认为事故起因除了组件失效,组件间交互失常而违背安全约束也是重要诱因。主张在系统开发、设计和运行中通过加强控制和强化有关安全约束来预防事故。基于此,先引入了STAMP的基本概念,并介绍了其分析步骤,然后,以贴近真实的导弹拦截系统危险性分析案例,阐述了基于STAMP的分析过程。该分析方法可为开发较高安全性水平的社会技术系统提供技术支持。

基于系统理论过程分析的软件安全性需求分析与验证方法

针对传统系统理论过程分析(STPA)方法缺乏自动化实现手段、自然语言结果分析存在歧义性的问题,提出一种基于STPA的软件安全性需求分析与验证方法。首先,提取软件安全性需求,并利用算法将其转化为形式化表达式;其次,建立状态图模型来描述软件安全控制行为逻辑,并将其转化为程序可读的形式化语言;最后,采用模型检验技术进行形式化验证。结合某武器发射控制系统案例验证了方法的有效性,结果表明,该方法能够实现安全需求分析的自动化生成与形式化验证,解决了传统方法对于人工干预的依赖问题及自然语言描述问题。

基于系统理论过程分析的自动驾驶汽车安全分析方法研究

基于系统理论过程分析(STPA)方法,在现有道路车辆功能安全标准框架下,提出一种面向自动驾驶汽车的安全分析方法,该方法同时适用于分析功能安全和预期功能安全的问题,从系统角度出发,将安全问题视为控制问题,找到系统控制过程中存在的潜在危险,并结合原因分析,最终提出功能安全要求。利用该方法对某开发阶段自动驾驶清扫车进行安全分析,提出了相应的功能安全要求,并验证了所提方法的可行性和有效性。

基于STPA和Bow-Tie模型的地面无人平台系统安全分析方法

随着地面无人平台(Unmanned Ground Vehicles,UGVs)在复杂作业环境中的潜在应用和战略价值日益凸显,确保其自主行为的安全性变得至关重要。提出一种结合系统理论过程分析(System-Theoretic Process Analysis,STPA)和Bow-Tie模型的地面无人平台系统安全分析方法。围绕遥控操作地面无人平台系统安全,通过STPA方法识别UGV系统中的不安全控制行为及其潜在风险,并利用Bow-Tie模型分析从损失致因场景到可能事故后果的事件链,得到风险传播路径和风险扩散路径。最终,基于Bow-Tie分析结果确定主被动安全分级控制措施,并通过自主安全控制器实现了系统安全管理。

系统管理理论和过程方法思想指导下物资调配中心角色分析

物资供应保障是国家电网公司物资集约化管理的重要工作要求。影响物资供应的要素和过程很多,必须有效加以管控。本文依据系统管理理论和过程方法分析了国家电网公司系统物资调配中心的功能定位和角色,肯定了物资调配中心对提升物资供应保障能力的重要意义,同时对其功能定位进行进一步的分析和思考。

STPA方法在紧急刹车辅助系统安全分析中的应用

基于系统理论过程分析(system theory process analysis, STPA)提出了一种在汽车驾驶辅助系统中进行安全性分析的方法。该方法应用在紧急刹车辅助系统的原型开发阶段,通过安全分析得到系统的4个不安全控制行为(UCA)。针对不安全控制行为,分析得到不安全控制行为的6个致因场景,导出5个安全需求。

基于STPA和FBN的无人矿卡系统失效风险分析

为探究无人矿卡系统的失效模式,识别导致矿卡系统失效的风险因素,从而提高无人矿卡系统的可靠性,运用系统理论过程分析(STPA)方法构建无人矿卡系统的控制反馈结构,识别导致风险的不安全控制行为,确定不安全控制行为的致因因素;基于风险因素间的关联构建模糊贝叶斯网络(FBN)模型,推理诊断影响无人矿卡系统运行安全的风险因素。结果表明:无人矿卡系统失效受硬件设备、系统软件、通信网络、人员失误、环境影响、外部因素、管理缺陷7个类别共计18种风险因素影响,其中硬件设备导致无人矿卡系统出现失效情况的可能性最大。远程控制端硬件故障、通信系统硬件故障、车端硬件故障、现场安全管理不到位等因素也是影响无人矿卡系统失效的关键风险因素。

基于系统理论过程分析的安全关键软件安全性验证方法

现代安全关键系统的功能实现越来越依赖于软件,这导致软件的安全性对系统安全至关重要,而软件的复杂性使得采用传统安全性分析方法很难捕获组件交互过程带来的危险。为保证安全关键系统的安全性,提出一种基于系统理论过程分析(STPA)的软件安全性验证方法。在安全控制结构基础上,通过构建带有软件过程模型变量的过程模型,细化分析危险行为发生的系统上下文信息,并以此生成软件安全性需求。然后通过设计起落架控制系统软件,采用模型检验技术对软件进行安全性验证。结果表明,所提方法能够在系统级层面有效识别出软件中潜在的危险控制路径,并可以减少对人工分析的依赖。

基于系统理论过程分析方法的无人艇航行安全性分析

近年来,水上交通正朝着无人化、自主化方向发展。水面无人艇是水上交通工具中尺度较小、自主化程度较高的一类。面对复杂的海洋环境,高度集成的无人艇难免由于组件交互失效、内外干扰等造成航行安全事故。在无人艇设计过程中提高其安全性成为面向水上应用的无人艇研发的重要环节。为此,采用系统理论过程分析方法评估无人艇航行安全并给出安全优化对策。针对Pixhawk无人艇软硬件架构搭建事故致因模型。采用系统理论过程分析方法分析系统级危险、不安全控制行为及原因。最后,从三个方面提出了提高航行安全性的设计建议,从控制系统角度提高了Pixhawk无人艇航行安全设计能力。

基于CLPN的系统安全性分析方法

随着安全性攸关系统的智能化、自动化发展,系统规模和复杂度急剧增加,传统基于链式/树式安全性因果模型的安全性分析方法在非线性致危因素、非失效致危因素分析方面存在很大的局限性,现代基于系统理论的安全性因果模型虽然在航空航天、核电能源等多个领域得到有效性验证,但目前该类方法尚缺乏严格统一的分析步骤和自动化分析工具。为此,提出复杂系统控制过程的建模工具——控制逻辑Petri网(CLPN),对控制过程中的活动及其之间的交互影响关系进行形式化描述,并对系统CLPN模型的可达图进行失效扩展,在不影响安全性分析的前提下尽量避免因失效事件建模造成的分析模型规模激增。基于CLPN模型,以系统理论事故模型与过程(STAMP)系统安全性因果模型危险因素分类为标准,在可达性分析的基础上对作为系统致危因素的危险控制活动进行探索,实现系统安全性的自动化分析。最后,通过实例分析和方法对比,对所提方法的可用性和有效性进行验证。实验结果表明,基于CLPN的系统安全性分析方法在结果完备性和分析效率方面具有较大的优势。

开放式实时系统的调度理论与方法分析

随着实时系统应用的日益广泛,多类型实时和非实时任务并存的情况给系统调度机制带来了新的需求和挑战.开放式实时系统的相关研究因为解决这一问题而受到关注,也为调度理论与方法带来了新的思路.在阐述了开放式实时系统的基本概念和理论的基础上,提出了一种调度对象的层次性模型,适用于开放式实时调度环境.对几种有代表性的相关方法进行了详细的比较研究,指出它们各自的功能特征和适用范围及其共同特征.把不同方法进行有机集成是可行的,也是一个发展方向,可以使各方法在集成的调度机制内各施所长,更适合于开放式实时系统的应用环境.

基于STPA的CTCS-3级列控系统功能安全分析方法

利用形式化方法对系统理论的过程分析(STPA)进行扩展,包括建立系统的UML扩展模型并将其转换为PHAVer模型;给出故障模型的形式化定义及结构,建立系统的故障模型;将系统的PHAVer模型和故障模型整合,构造出包含故障的系统PHAVer模型;采用可达集计算对包含故障的系统PHAVer模型进行分析,从而自动辨识出导致不恰当控制的原因,实现对系统功能的安全分析。以CTCS-3级列控系统的无线闭塞中心交接场景为例,使用扩展后的STPA方法,针对给定的系统危险,进行系统功能安全分析。分析结果表明,利用形式化技术扩展STPA的方法适用于CTCS-3级列控系统的功能安全分析。

基于改进STPA-DEMATEL的智能航电系统致因要素分析

针对智能航电系统在非线性耦合运行场景下产生的预期功能安全(safety of the intended functionality,SOTIF)问题,提出一种将系统理论过程分析(systematic theory process analysis,STPA)与决策试验与评价实验法(decision-making trial and evaluation laboratory,DEMATEL)相结合的致因分析框架。首先,在定义系统级危险的基础上构建安全控制结构,识别其不安全控制行为并提取与智能化缺陷相关的STPA致因要素。接下来,引入毕达哥拉斯模糊加权平均算子和闵可夫斯基距离对传统DEMATEL方法进行优化,专家根据控制反馈回路对致因要素进行评价并计算其中心度与原因度。最后,分析STPA致因要素与SOTIF致因属性之间的映射关系,给出关键致因要素的风险减缓措施。以单一飞行员驾驶(single-pilot operation,SPO)模式下的虚拟驾驶员助理系统为例说明了所提方法的可行性与有效性。研究结果表明,改进的STPA-DEMATEL方法可以有效识别关键致因要素,且能够克服专家评价的模糊性与不确定性,为智能航电系统的安全性设计提供了参考依据。

基于系统理论过程分析的软件安全性分析

通过分析、总结已有的危险分析技术,将系统理论过程分析(STPA)方法与其他方法相比较,总结、形成了软件安全性技术框架。其次,对比已有的分析方法,明确了一种适合软件密集系统的危险分析方法。最后使用STPA方法对飞机除冰系统进行了分析研究,证明了方法的可行性。

基于系统理论过程分析的定检维修疲劳致因分析与控制

定检中机务人员的疲劳会导致失误、遗忘、错误等人为差错,极大增加了民机发生事故的概率。为有效分析和控制定检中机务人员的疲劳,综合考虑人-机-环因素交互的危害,建立了规范化定量化的安全性分析模型。首先运用功能可变性描述规则(functional variability of rules,RFV)和统一建模语言(unified modeling language,UML)对系统理论过程分析(systems-theoretic process analysis,STPA)方法进行改进,建立定检中机务人员疲劳致因与控制的综合分析模型,识别出定检中可变性指数较高的交互回路,分析出75种疲劳致因并制定出11条疲劳管理规范。最后利用形式化工具对机务人员疲劳影响定检模块这一过程进行演绎,查找制约民航安全的因素,为航空公司持续适航安全性方面提供理论参考。

基于安全流变理论的交通系统事故过程分析

运用事物的安全流变规律分析系统的运行过程 ,指出系统的运行过程符合安全流变规律。通过对交通系统中的不安全因素扰动的分析 ,揭示了交通系统的安全流变特征 ;对传统的事故定义进行了拓展 ,将事故隐患纳入了事故的发展过程 ;提出了交通系统事故安全流变分析方法 ;最后通过一个具体的案例分析了系统事故的安全流变过程。

厌氧消化过程的系统分析方法

厌氧消化系统是一个多变量、强耦合及高度非线性的超复杂系统,复杂系统传统的手段是采用结构型模型的建模的方法,如本文提到的厌氧消化1号模型(ADM1),本文描述了传统模型对复杂系统的适用范围和局限性,以及对神经网络、专家系统和系统动力学三种不同的系统分析方法的综合比较,提出了系统动力学对于研究厌氧消化这种超复杂系统是较为合适的观点,并在本文中通过以乙酸降解过程表述了系统动力学模型的建立方法。

基于STPA与模糊BN的新能源汽车安全性分析方法研究

随着新能源汽车自动化程度不断提高,各系统之间耦合造成的故障急剧增加,传统的安全分析方法已无法满足当前汽车复杂系统的危险性分析要求。针对新能源汽车突然失控事故存在的高危性、复杂多样的问题,提出一种基于STPA与模糊BN的新能源汽车安全性分析方法。首先,运用系统理论过程分析方法(STPA)分析新能源汽车突然失控事故,得出系统级事故及危险,构建控制反馈回路,并识别不安全控制行为;接着,根据STPA分析结果构建模糊BN,通过GeNIe软件训练数据,可视化模糊BN,得到基本事件的发生概率,并由试验仿真得出蓄电池及储能系统、电机电控和整车控制器的后验概率分别为0.70、0.17和0.16。结果表明,所提方法能有效识别系统潜在危险,发现系统薄弱环节,可为提高系统可靠性提供依据。

“相似误差分析”背景下基于耦合系统理论的实验教学改进思路——以广东工业大学土木工程国家级教学示范中心为例

“相似误差分析”是土木工程实验的基础理论,对该理论的创新发展影响着整个实验教学的基础体系.在该背景下基于耦合系统理论对实验教学思路进行改进,是国家级教学示范中心推陈出新和持续深化改革的重要路径.通过具体案例分析,基于土木工程实验教育中相似理论的应用及改进,结合耦合系统理论,探讨了高校实验课程教学改革思路的前进方向.