基于STPA的需求階段的高速列車運行控制系統(tǒng)安全分析方法研究.pdf

1、高速列車運行控制系統(tǒng)（簡稱高速列控系統(tǒng)）是高速鐵路的核心技術和關鍵裝備，對于確保高速列車運行安全和運輸效率起著重要的作用。一旦高速列控系統(tǒng)出現(xiàn)問題，將有可能造成行車中斷，甚至是車毀人亡的嚴重后果。為保障高速列控系統(tǒng)的安全性，必須采用科學、有效的安全分析方法在系統(tǒng)生命周期的各個階段分別對系統(tǒng)危險進行分析、控制。其中，在生命周期的早期階段——系統(tǒng)需求階段——實施系統(tǒng)危險分析，是系統(tǒng)安全設計和安全評估順利進行的重要前提，對于保障高速列控系統(tǒng)的

2、安全性具有重要意義。然而，隨著計算機、通信以及控制技術的發(fā)展，融合這些技術為一體的高速列控系統(tǒng)擁有比傳統(tǒng)的列控系統(tǒng)更加復雜的功能和交互關系，其行為的時序性和混成性也更加突出，這都給系統(tǒng)安全分析帶來了極大的挑戰(zhàn)。
　　論文針對需求階段的高速列控系統(tǒng)安全分析問題，提出基于STPA(System-theory Process Analysis)的高速列控系統(tǒng)安全分析方法。其中，在深入研究高速列控系統(tǒng)行為時序規(guī)律的基礎上，定義了控制行為時

3、序邏輯(Control Action TemporalLogic，CATL)，并論證了CATL邏輯的約簡法則，將其引入基于系統(tǒng)理論的危險分析過程中;提出控制關系模型的形式化描述語言以及不恰當控制行為求解算法，為系統(tǒng)危險致因機理及演化規(guī)律的分析提供了更加科學、有效的方法;論文進一步研究了需求階段的高速列控系統(tǒng)中的控制缺陷類型，提出功能失效描述符號（Function Failure Description Notation，F(xiàn)FDN）、形式

4、化模型整合算法以及控制缺陷辨識方法，更加準確、高效的辨識了系統(tǒng)危險的根本致因。
　　論文的主要創(chuàng)新點如下:
　　(1)針對高速列控系統(tǒng)及其系統(tǒng)需求規(guī)范的特點，提出多種方式相結(jié)合的安全分析模型構建方法，即采用分層控制框圖、UML狀態(tài)圖、過程模型圖以及功能列表等相結(jié)合的方式對系統(tǒng)分層控制結(jié)構進行描述，有助于分析人員更加準確的刻畫系統(tǒng)需求規(guī)范所描述的系統(tǒng)。
　　(2)針對高速列控系統(tǒng)中控制行為的時序特征，提出控制行為時序邏輯

5、CATL。利用該邏輯對高速列控系統(tǒng)中控制行為的時序關系進行形式化描述。提出并證明了控制行為時序邏輯的約簡法則，利用約簡法則可將復雜的CATL邏輯表達式化簡為等價且簡單的邏輯公式組合，有助于對實際控制行為的分析。
　　(3)針對高速列控系統(tǒng)中控制行為的各類關系，提出控制關系模型CARM并給出其形式化語法和語義，利用該模型實現(xiàn)高速列控系統(tǒng)中控制行為關系的描述。提出不恰當控制行為求解算法，實現(xiàn)對高速列控系統(tǒng)中不恰當控制行為及其時序關系的

6、分析。
　　(4)針對需求階段的高速列控系統(tǒng)中的控制缺陷，提出形式化的功能失效描述符號FFDN，實現(xiàn)對功能模塊失效情況的形式化描述。提出模型整合算法，根據(jù)該算法實現(xiàn)系統(tǒng)正常行為模型和故障模型的整合。利用成熟的形式化工具實施危險致因分析，在一定程度上減少分析過程的主觀性。
　　論文最后以中國列車運行控制系統(tǒng)3級(Chinese Train Control System Level3，CTCS-3)的典型工作場景為例，采用本文所