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Risk identification and safety assessment of human-computer interaction in integrated avionics based on STAMP

Journal of Systems Engineering and Electronics 2024年第3期35卷 689-706页

作者： zhao changxiao LI Hao ZHANG Wei DAI Jun DONG Lei School of Safety Science and Engineering Civil Aviation University of ChinaTianjin 300300China Shenzhen Dajiang Innovation Technology Co. Ltd.Shenzhen 518057China Key Laboratory of Civil Aircraft Airworthiness Technology Civil Aviation Administration of ChinaTianjin 300300China

To solve the problem of risk identification and quantitative assessment for human-computer interaction(HCI)in complex avionics systems,an HCI safety analysis framework based on system-theoretical process analysis(STPA)and cognitive reliability and error analysis method(CREAM)is *** can identify unsafe control actions and find the causal path during the interaction of avionics systems and pilot with the help of formal verification tools *** common performance conditions(CPC)of avionics systems in the aviation environment is established and a quantitative analysis of human failure is carried *** the head-up display(HUD)system interaction process as an example,a case analysis is carried out,the layered safety control structure and formal model of the HUD interaction process are *** the interactive behavior“Pilots approaching with HUD”,four unsafe control actions and35 causal scenarios are identified and the impact of common performance conditions at different levels on the pilot decision model are *** results show that HUD's HCI level gradually improves as the scores of CPC increase,and the quality of crew member cooperation and time sufficiency of the task is the key to its *** case analysis,it is shown that STPACREAM can quantitatively assess the hazards in HCI and identify the key factors that impact safety.

关键词： avionics human-computer interaction(HCI) safety assessment system-theoretic accident model and process human reliability analysis

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机载时间敏感网络链路安全关键度均衡调度方法

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航空学报 2024年第6期45卷 309-322页

作者：赵长啸戴骏董方正李道俊中国民航大学安全科学与工程学院天津300300 民航航空器适航审定技术重点实验室天津300300

针对机载时间敏感网络中多数据混传可能导致的风险汇集问题,综合考虑机载网络中数据传输的的实时性与安全性需求,提出了一种链路安全关键度均衡的调度方法。基于专家评价与熵权法完成系统任务安全关键度量化,通过任务映射表征链路安全... 详细信息

针对机载时间敏感网络中多数据混传可能导致的风险汇集问题,综合考虑机载网络中数据传输的的实时性与安全性需求,提出了一种链路安全关键度均衡的调度方法。基于专家评价与熵权法完成系统任务安全关键度量化,通过任务映射表征链路安全关键度,构建机载TSN链路安全关键度均衡的调度模型;基于配合约束规划的方法构建了链路安全关键度均衡调度方法(LSCB),LSCB调度方法对链路安全关键度的均衡作用与LB方法和SP方法相比,在任务数为50的场景中分别提升了7.1%和25%,在任务数为100的场景中分别提升了17%和18%。研究结果表明LSCB在保证任务传输延迟上界的基础上,可有效缓解风险汇集。

关键词：航空电子机载网络时间敏感网络任务调度分布式综合化航电系统适航

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考虑安全性需求的航空电子网络可靠性模型

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系统工程与电子技术 2024年第10期46卷 3462-3472页

作者：赵长啸汪鹏辉田小艺汪克念中国民航大学安全科学与工程学院天津300300

航空电子网络的可靠性水平表征其对航电任务完成能力的支撑程度,基于单一连通性考虑的网络可靠性模型仅涵盖了网络的结构信息,无法有效评价网络对不同安全关键任务的支撑能力,影响对网络安全性的真实评价。提出了一种综合考虑任务安全... 详细信息

航空电子网络的可靠性水平表征其对航电任务完成能力的支撑程度,基于单一连通性考虑的网络可靠性模型仅涵盖了网络的结构信息,无法有效评价网络对不同安全关键任务的支撑能力,影响对网络安全性的真实评价。提出了一种综合考虑任务安全关键属性和网络结构属性的航电网络可靠性分析模型。基于安全关键度邻接矩阵,采用边扩张分解创建网络的有序二叉决策图,实现对网络可靠性的评价。通过分析实际航空电子全双工交换式以太网(avionics full-duplex switched ethernet,AFDX)交换机网络,在加入4个等级的任务安全约束(safety constraint of task,SCT)后,可有效剔除高风险路径,任务在网络中可传输的链路安全关键度累积平均分别降低1.19%、9.47%、29.18%和58.14%。

关键词：安全性航空电子网络有序二叉决策图可靠性

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基于DDPG的综合化航电系统多分区任务分配优化方法

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电讯技术 2024年第1期64卷 58-66页

作者：赵长啸李道俊汪鹏辉田毅中国民航大学安全科学与工程学院天津300300 民航航空器适航审定技术重点实验室天津300300

综合化航电系统(Integrated Modular Avionics,IMA)通过时空分区机制实现共享资源平台下的多航电功能集成,分区间的任务分配方法的优劣决定着航电系统的整体效能。针对航电任务集合在多分区内的分配调度问题,提出了一种基于深度强化学... 详细信息

综合化航电系统(Integrated Modular Avionics,IMA)通过时空分区机制实现共享资源平台下的多航电功能集成,分区间的任务分配方法的优劣决定着航电系统的整体效能。针对航电任务集合在多分区内的分配调度问题,提出了一种基于深度强化学习的优化方法。构建了航电系统模型与任务模型,以系统资源限制与任务实时性需求为约束,以提高系统资源利用率为优化目标,将任务分配过程描述为序贯决策问题。引入马尔科夫决策模型,建立基于深度确定性策略梯度(Deep Deterministic Policy Gradient,DDPG)法的IMA任务分配模型并提出通用分配架构;引入状态归一化、行为噪声等策略训练技巧,提高DDPG算法的学习性能和训练能力。仿真结果表明,提出的优化算法迭代次数达到500次时开始收敛,分析800次之后多分区内驻留任务方案在能满足约束要求的同时,最低处理效率提升20.55%。相较于传统分配方案和AC(Actor-Critic)算法,提出的DDPG算法在收敛能力、优化性能以及稳定性上均有显著优势。

关键词：综合模块化航空电子系统(IMA) 任务分配及调度深度强化学习 DDPG算法

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基于深度强化学习的综合航电系统安全性优化方法

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中国安全科学学报 2024年第7期34卷 123-131页

作者：赵长啸李道俊孙亦轩景鹏田毅中国民航大学安全工程与科学学院天津300300 中国民航大学民航航空器适航审定技术重点实验室天津300300

为解决传统基于人工检查的安全性设计方法难以应对航电系统大规模集成带来的可选驻留方案爆炸问题,构建航电系统分区模型、任务模型以及安全关键等级量化模型,将考虑安全性的综合化设计优化问题模型化为马尔可夫决策过程(MDP)问题,并提... 详细信息

为解决传统基于人工检查的安全性设计方法难以应对航电系统大规模集成带来的可选驻留方案爆炸问题,构建航电系统分区模型、任务模型以及安全关键等级量化模型,将考虑安全性的综合化设计优化问题模型化为马尔可夫决策过程(MDP)问题,并提出一种基于Actor-Critic框架的柔性动作-评价(SAC)算法的优化方法;为得到SAC算法的参数选择和训练结果之间的相关性,针对算法参数灵敏度开展研究;同时,为验证基于SAC算法的优化方法在优化考虑安全性的综合化设计方面的优越性,以深度确定性策略梯度(DDPG)算法和传统分配算法为对象,开展优化对比试验。结果表明:在最佳的参数组合下,使用的SAC算法收敛后的最大奖励相较于其他参数组合提升近8%,同时,收敛时间缩短近16.6%;相较于DDPG算法和传统分配算法,基于SAC算法的优化方法在相同的参数设置下获得的最大奖励、约束累计违背率、分区均衡风险效果、分区资源利用以及求解时间方面最大提升分别为62%、7464%、8370%、2123%和775%。

关键词：深度强化学习综合航电系统安全性优化方法马尔可夫决策过程(MDP) 综合化设计

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Reliability Analysis of Aircraft Condition Monitoring Network Using an Enhanced BDD Algorithm

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Chinese Journal of Aeronautics 2012年第6期25卷 925-930页

作者： zhao changxiao CHEN Yao WANG Hailiang XIONG Huagang School of Electronics and Information Engineering Beihang University Beijing 100191 China

The aircraft condition monitoring network is responsible for collecting the status of each component in aircraft. The reliability of this network has a significant effect on safety of the aircraft. The aircraft condition monitoring network works in a real-time manner that all the data should be transmitted within the deadline to ensure that the control center makes proper decision in time. Only the connectedness between the source node and destination cannot guarantee the data to be transmitted in time. In this paper, we take the time deadline into account and build the task-based reliability model. The binary decision diagram （BDD）, which has the merit of efficiency in computing and storage space, is introduced when calculating the reliability of the network and addressing the essential variable. A case is analyzed using the algorithm proposed in this paper. The experimental results show that our method is efficient and proper for the reliability analysis of the real-time network.

关键词： reliability binary decision diagram aircraft condition monitoring network real-time network calculus

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生活源废玻璃产生与回收情况分析

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城市管理与科技 2024年第1期25卷 41-44页

作者：黄家庆赵长骁肖勇之李欢清华大学深圳国际研究生院清华大学环境与生态研究院

废玻璃是生活垃圾中的典型成分之一,其回收利用不仅有利于资源循环和碳减排,也有利于降低焚烧处理负担和减少灰渣产生量。本文分析了深圳市生活源废玻璃在生活垃圾中的占比情况,调研了不同源头的废玻璃产生与回收情况,构建了生活源废玻... 详细信息

废玻璃是生活垃圾中的典型成分之一,其回收利用不仅有利于资源循环和碳减排,也有利于降低焚烧处理负担和减少灰渣产生量。本文分析了深圳市生活源废玻璃在生活垃圾中的占比情况,调研了不同源头的废玻璃产生与回收情况,构建了生活源废玻璃的物质流。研究发现,生活源废玻璃占垃圾总量的4%左右,目前的回收率达到62%,处于较高水平,但居住区和公共区的废玻璃回收率还存在较大的提升空间。建议实行押金制和生产者责任延伸制,构建由消费者、生产商、回收企业和政府组成的回收网络,进一步促进废玻璃的循环利用。

关键词：废玻璃回收企业资源循环回收网络焚烧处理回收情况循环利用生活垃圾

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基于BOPPPS模型的“电工学”课程建设探索

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电气电子教学学报 2024年第3期46卷 74-77页

作者：史春蕾刘岱赵长啸田毅中国民航大学安全科学与工程学院天津300300

在缩减本科课时的背景下,结合专业人才培养目标,明确课程定位,确立课程内容,借助雨课堂工具,坚持以学生为中心的教学理念,构建“电工学”BOPPPS模型,将线上学习资源与线下课堂教学相融合,根据各教学阶段目标开展线上线下课程资源建设,... 详细信息

在缩减本科课时的背景下,结合专业人才培养目标,明确课程定位,确立课程内容,借助雨课堂工具,坚持以学生为中心的教学理念,构建“电工学”BOPPPS模型,将线上学习资源与线下课堂教学相融合,根据各教学阶段目标开展线上线下课程资源建设,以提升教学质量、实现人才培养目标。

关键词：电工学 BOPPPS模型线上线下

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基于效能的先进战斗机航电系统动态重构方法

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航空学报 2020年第6期41卷 348-358页

作者：赵长啸何锋李浩王鹏中国民航大学适航学院天津300300 光电控制技术重点实验室洛阳471009 北京航空航天大学电子信息工程学院北京100083 中国民航大学民航航空器适航审定技术重点实验室天津300300

为满足未来先进战斗机全战斗过程的对敌压制能力需求,分析了作战任务与航电系统支持能力间的关系,建立了"作战任务-航电能力-资源需求"间的关系矩阵和航电系统效能模型;以最大化全飞行阶段航电功能整体效能和飞行安全为目标设计了针对... 详细信息

为满足未来先进战斗机全战斗过程的对敌压制能力需求,分析了作战任务与航电系统支持能力间的关系,建立了"作战任务-航电能力-资源需求"间的关系矩阵和航电系统效能模型;以最大化全飞行阶段航电功能整体效能和飞行安全为目标设计了针对不同作战场景的航电系统动态重构策略及重构流程;通过数值分析,对比了动态重构航电系统与静态配置航电系统在不同作战区边界的效能,表明动态重构特性能有效提高战斗机各阶段的作战效能,提高有限资源条件下的阶段优势。

关键词：航电系统综合模块化动态重构作战效能安全性分析

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基于联合k/n(G)模型的DIMA系统可靠性建模与分析

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航空学报 2018年第6期39卷 185-193页

作者：阎芳邢培培赵长啸王鹏中国民航大学天津市民用航空器适航与维修重点实验室天津300300 中国民航大学民航航空器适航审定技术重点实验室天津300300 中国民航大学适航学院天津300300

针对分布式综合模块化航空电子(DIMA)系统的动态重构特性,分析了动态重构策略及重构过程,构建了面向DIMA系统的联合k/n(G)可靠性模型。以驻留于DIMA系统的综合显示功能为例进行了实验分析,讨论了系统重构过程可靠度与时间变化关系,给出... 详细信息

针对分布式综合模块化航空电子(DIMA)系统的动态重构特性,分析了动态重构策略及重构过程,构建了面向DIMA系统的联合k/n(G)可靠性模型。以驻留于DIMA系统的综合显示功能为例进行了实验分析,讨论了系统重构过程可靠度与时间变化关系,给出了利用一般k/n(G)可靠性模型建模的可靠度变化曲线,通过对比分析验证了联合k/n(G)模型的适用性和合理性;通过参数敏感性分析,观察不同模块配置参数对系统可靠度的影响,得出相关结论,为提高DIMA系统动态重构过程的可靠性和优化资源配置提供指导。

关键词：分布式综合模块化航空电子(DIMA) 动态重构联合k/n(G)模型可靠性有效性敏感性

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