基于多视角的民机正向设计建模方法

针对民机正向设计中存在的建模对象复杂耦合程度高、建模理论支撑不足、利益相关方需求缺乏模型描述等问题,提出了基于多视角的民机正向设计建模方法。首先,通过分析民机正向设计流程和基于模型的系统工程（MBSE）方法论,明确民机正向设计自顶向下的映射和关联关系;然后,引入多视角对民机设计流程进行多方位解耦与描述,分析各视角下的建模元素及其逻辑关系,将设计领域知识流与各视角下建模流程相结合,通过建模语言SysML对多个视角下的民机正向设计模型进行抽象建模描述;最后,通过舱压控制系统建模实例验证了本方法能够有效契合民用飞机系统的设计。     

一种基于AADL的航空电子系统仿真和验证技术

飞机系统集成化程度的提高增加了对航空电子系统设计和分析的难度,同时也对安全性需求等系统特性的验证提出了更高的技术要求。对基于结构化分析和设计语言(AADL)的系统建模和仿真流程及相应的评估分析能力进行了介绍,并在基于AADL的航空电子系统建模框架下,提出基于AADL的航空电子系统仿真评估和验证方法,利用结构化分析和设计语言AADL构建航空电子系统典型子系统的正常模型和错误模型,并以此建立系统的扩展模型。在此基础上,利用形式化方法对系统模型进行描述并转化为Kripke结构。最后对系统模型进行模型仿真和特性验证,验证所构建的系统架构和设计逻辑是否符合系统设计特性需求。     

基于模型检查的民用飞机飞控系统安全性评估

在以大型民机为代表的安全关键系统研制中,系统复杂度的提升极大地降低了依赖设计人员经验的传统安全性评估手段的效率与有效性,并带来了反复迭代困难等问题,基于模型的安全性评估方法(MBSA)能够显著降低研制过程的分析复杂度,提高安全性评估的工作效率。民机系统安全性评估指南ARP 4761A中也增加了MBSA相关的安全性评估工作。阐述了利用有限状态机与时态逻辑构建形式化安全性模型,开展安全性评估的基本原理,详细的分析过程及定义安全属性的方法,并以某民用飞机为对象,建立飞控系统副翼控制功能的SMV形式化模型,定义了副翼控制功能的形式化安全性需求,给出了基于形式模型的安全性属性验证评估案例,证明了基于形式化方法的安全性评估在民机系统安全性工作中的可行性。     

基于NuSMV的AADL模型形式化验证技术

结构分析描述语言(AADL)是一种描述任务关键嵌入式系统架构和行为的建模语言，在航空航天领域广泛被应用。为验证AADL模型的任务关键属性和系统行为的正确性，提出基于NuSMV(新符号模型检查器)的AADL模型形式化验证方法。首先，覆盖AADL模型的所有软件构件和行为特征，提出了AADL模型到NuSMV模型的映射规则和转换算法；其次，采用图同构方法分析了转换算法的正确性；然后，在NuSMV模型中采用时态逻辑公式对AADL模型中待验证属性进行描述，以验证AADL模型中安全性、活性和嵌套模态配置的正确性；最后，以飞行控制系统为例，详细阐释了基于NuSMV的AADL模型形式化验证方法，并给出验证属性的统计信息。     

基于SCADE的FADEC软件通用基准模型库开发

在航空发动机全权限数字电子控制（FADEC）软件研制过程中,可重用基准模型库的开发和使用是提升软件研发效率和 质量的重要技术手段。为了提升FADEC软件复用效率,加快软件研发进程和适航认证,在分析模型库相关指南和规范的基础上, 结合工程实际的需要,完成FADEC基准模型库的设计和验证,以三角函数类、方根类、滤波类和余度表决类4种典型类型为对象, 通过泰勒定理、牛顿迭代和离散化等数学理论和自动控制理论进行机理分析,基于安全关键软件开发环境（SCADE）建模仿真工具 完成模型库设计,通过对比仿真、模型测试和形式化验证方法等完成模型库验证。结果表明：该基准库支撑了多个FADEC软件项 目的研制,其正确性和可靠性已在各项工程试验中得到反复检验,具有十分重要的工程价值,所提出的模型库设计和验证方法也 具有一定的借鉴意义。     

基于模型的FADEC软件结构覆盖率分析

结构覆盖率分析是基于需求测试的补充和完善,能够发现软件中是否存在预期外的功能.在基于模型的软件开发过程中,模型覆盖率代替了传统的代码覆盖率,运用模型检查技术自动生成测试用例是形式化方法在模型覆盖率测试中的主要途径,涵盖了判定覆盖(DC)、条件覆盖(CC)、修改条件/判定覆盖(MC/DC)等多种方式.以航空发动机FADEC软件开发过程中的一个实际案例为例,结合Simulink Design Verifier分析验证工具,检验其生成的用例对模型的覆盖率,表明方法的实用性.     

基于Simscape模型的航空发动机系统安全性分析方法

针对航空发动机系统安全性分析中的耦合情况,研究基于Simscape模型的航空发动机耦合故障建模和安全性分析问题。在基于模型的安全性分析(MBSA)故障拓展一般特点的基础上,分析了Simscape环境下进行故障外部拓展和建模语言内部故障拓展两种方式,以建立耦合故障模型。以全权限数字式发动机控制(FADEC)主燃油控制子系统为研究示例,进行独立和耦合故障形式化系统安全性分析。结果表明:航空发动机系统安全分析Simscape模型基于系统设计环境,可直接成为系统设计和安全性分析共同的工具,便于保证设计和安全性分析的一致性;该模型拓展方法和建模语言,从故障数学原理出发,对实际系统不同物理域的组件独立和耦合故障特性具有灵活和定量描述能力;由此拓展的故障模型下的安全性分析具有形式化、直观性和客观性的优势。      

SCADE 在航空发动机FADEC 软件开发中的应用

为了探索SCADE开发环境在基于模型设计（MBD）的软件开发中的优势,理解其建模和自动代码生成机制,研究其在基于模型的测试和覆盖率分析中的实现方法,基于某型航空发动机FADEC系统的健康管理软件开发,应用了SCADE开发环境的建模、仿真、测试及覆盖率分析、代码生成与集成的全流程的MBD开发方法,并进行了完整的系统测试,测试用例全部通过。系统测试的结果验证了基于SCADE开发环境进行FADEC软件开发的正确性和可靠性,为SCADE开发环境在航空发动机FADEC软件开发中的应用提供了技术指导和工程借鉴。     

嵌入式操作系统的形式化验证方法

对嵌入式操作系统类安全关键软件,测试、模拟、分析等传统软件验证方法不能保证其正确性,需要使用形式化方法。综述了主流商用嵌入式操作系统所采用的形式化验证方法,分析了操作系统内核不同特性的形式化验证思路。通常对空间隔离、信息流控制、系统调用、进程间通信等的证明采用定理证明方式,而对时间隔离的证明则采用模型检测方式。 seL4的通用抽象和逐层精化方法、模型检测和定理证明的混合方法在工程使用中都有前途。     

民机燃油箱热模型工程应用研究

为满足民机燃油系统和惰化系统研制过程中对燃油箱热分析的多元化需求,采用Matlab/Simulink软件,针对一典型窄体干线客机燃油箱采用集总参数法建立热模型,通过对部分对流传热过程建模优化,同时在各个计算环节融入实际工程数据,最终经试飞数据校核修正,热模型对主油箱的仿真误差小于±2 ℃。通过对燃油结冰气象条件试飞热分析、燃油系统热气候条件试飞热分析、燃油箱差异对油温影响热分析等多种工程场景的算例研究,展示了燃油箱热模型在民机研制中的典型工程应用。为进一步提升热模型通用性与易用性,结合工程经验,通过关键输入参数化、集成飞行参数自动生成模块和油量分配计算模块,形成具有独立操作界面的工程应用型燃油箱热分析工具,为民机燃油箱热模型的高效工程应用提供一种参考。     

基于层次分析法的民用客机发动机技术评价与选型

层次分析法是1种有效实用的多目标决策方法。针对在大型客机研制中科学选择适合的民用航空发动机问题特点,基于层次分析法,将发动机的选型要求层次化分解,建立了指标技术评估模型,并考虑不同评估专家分配不同权重的方法。以现有民用发动机为例进行分析。分析结果表明：层次分析法在民用客机发动机选择中具有合理性、科学性,符合市场实际情况,适用于民用客机发动机方案选型,并可为民用客机发动机工程技术评估提供科学依据。     

民用航空发动机引气系统部件寿命建模

针对飞机维修工作中发动机引气系统故障率较高问题,以寿命数据分析为基础,运用威布尔分布模型定量评估航空发动机部件可靠性,建立了民用航空发动机引气系统部件可靠性寿命模型。以V2500发动机引气系统为例,收集了该系统的可靠性数据,分析了部件的非计划拆换情况。在数据计算过程中采用3参数威布尔分布模型对引气系统部件的寿命数据进行拟合。假设检验结果表明,在对部件进行寿命可靠性分析时,运用威布尔分布建立的数学模型符合客观规律,且能够取得良好的拟合效果。依据计算出的部件可靠性特征量对部件的可靠性状况进行定量评估,结果表明:在评估复杂机械电子系统的可靠性时,威布尔分布模型具有较大应用价值。     

高超声速超燃冲压发动机实时模型仿真研究

给出了一种高超声速超燃冲压发动机实时模型建立方法.发动机采用基于特性的部件级建模思想，考虑了燃烧室的容积效应，其中，在计算进气道参数时给出一种计算激波角的方法，该方法能够一次得到激波角，不需数值解法，在保证精度的同时简化了计算过程.该发动机动态模型通过数值积分来完成，避免了循环迭代，提高了模型计算速度与实时性.以某超燃冲压发动机建模为例, 通过闭环仿真实验得到在动态过程中响应时间在1s左右，超调量为0.5%.仿真结果表明:该建模方法满足提高实时性的要求，有助于对此类发动机动态过程进行控制研究.      

面向适航认证的模型驱动机载软件构件的安全性验证

 在软件开发的过程中为适航认证提供证据,已成为机载软件开发的研究热点。现代复杂机载软件多为构件化分布式架构,如何有效验证构件之间安全性依赖关系与适航认证标准当中规定目标的一致性,是机载软件设计阶段的一个重要问题。首先,使用系统建模语言(SysML)块图建立带有安全性特征的系统静态结构模型,将其转换为块依赖图以便进行精确的形式化描述。在此基础上给出形式验证方法,检验系统静态结构模型中的安全性依赖关系与适航认证标准中所规定目标之间是否一致。最后,通过一个飞机导航系统的例子说明如何将该方法应用于机载软件开发的过程中。利用这种方法对系统静态结构模型的安全性依赖关系进行验证,能够提高系统整体的安全性,并为适航认证提供证据。     

基于任务场景分析的机载导航页面人机界面设计过程研究

顶层飞行任务场景是民机机载显示系统需求捕获的重要来源,显示系统的人机界面设计通过自顶向 下的飞行任务场景分析,识别显示信息内容,开展信息内容设计,继而开展样式设计、交互行为设计与接口设 计等工作。本文以导航页面为例,综合运用层次任务分析和场景用例分析法,阐述了机载显示系统人机界面的 设计约束和过程,可为民机机载显示系统人机界面的正向设计过程提供借鉴。 [ 关键词] 机载显示系统;导航页面;任务场景;人机界面设计     

基于Wiener过程的民用航空发动机性能可靠性预测

通过对民用航空发动机性能退化数据的分析,提出了一种有效融合先验退化数据和现场退化数据的性能可靠性评估和剩余寿命预测方法.首先在先验退化数据的基础上确定Wiener过程参数的先验分布,然后利用贝叶斯方法融合新增的现场数据,对Wiener过程参数进行更新,并在此基础上对单台发动机进行性能可靠性评估和剩余寿命预测.该方法能根据现场退化数据不断地对可靠性和剩余寿命进行更新.最后通过某航空公司发动机性能退化数据验证文中提出的方法,结果表明41号发动机在2000循环和3000循环时预测的剩余寿命相对误差分别为0.060和0.018,可以满足航空公司发动机下发计划制定的实际需要.      

民用航空发动机顶层故障事件的概率计算研究

为满足民用航空发动机的安全性目标,发动机顶层故障事件(顶事件)的风险应被控制至可接受状态。针对顶事件的风险控制要求,细化为顶事件的预期发生概率应被控制至可接受值以下。基于顶事件的预期发生概率要求,提出了从上到下分析导致顶事件发生的潜在原因并逐级建造故障树的方法,阐述了故障树分析的开展时机及作用。然后,对顶事件发生概率的计算进行了研究,通过考虑顶事件的飞行阶段影响因素、故障树最小割集及其概率、底事件失效率及其风险时间,提出了顶事件发生概率的计算模型。同时,结合示例对顶事件发生概率的计算模型进行了应用,以验证顶事件概率计算方法的可行性。提出顶事件概率计算模型,为发动机顶层故障事件风险控制要求提供有力的技术支撑。     

环境湿度对民用涡扇发动机性能影响研究

环境湿度会对民用涡扇发动机的性能产生影响.在发动机部件匹配方法的基础上,引入湿度对气体性质和部件特性的修正模块,建立环境湿度对民用涡扇发动机影响的仿真模型;定量分析不同湿度对发动机推力、转速、进口流量等性能参数的影响,得到相应的湿度修正曲线;按照CCAR-25部中有关湿度的考核要求,计算相应湿度对发动机飞行包线内的六个典型工况的影响;将本文发展的仿真模型所得结果与文献结果进行对比.结果表明:发动机高温起飞时受湿度影响最大,其推力下降了0.56％;为了弥补推力损失,风扇相对换算转速需要提高0.23％;本文所得某涡喷和某涡扇发动机的修正曲线与文献结果趋势一致、量级相当,验证了仿真模型的可靠性.     

航空发动机持续适航安全风险评估方法研究

民航运输业正处在蓬勃发展阶段,保证飞行安全是民航的首要任务,飞机发动机作为飞机的心脏,其性能的好坏直接影响到飞行安全,采用合理的方法对发动机持续适航阶段的故障风险进行评估,对于提高飞行安全水平,保障航空运输业正常发展有着重要的作用。本文根据广义线性回归的相关理论,将广义线性回归模型引入发动机持续适航风险管理分析中,通过对发动机的故障风险水平进行实例评估验证,证明了该模型是一种准确的、有效的、可行的安全风险评价方法。