面向SPO模式多阶段任务的IMA系统级联影响分析

doi:10.16265/j.cnki.issn1003-3033.2026.02.0148

中国安全科学学报 ›› 2026, Vol. 36 ›› Issue (2): 84-92.doi: 10.16265/j.cnki.issn1003-3033.2026.02.0148

面向SPO模式多阶段任务的IMA系统级联影响分析

董磊¹^,²(), 刘嘉琛³^,^**(), 孙紫荆⁴, 陈曦¹^,², 王鹏¹^,²

¹ 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
² 中国民航大学科技创新研究院, 天津 300300
³ 空军工程大学装备管理与无人机工程学院, 陕西西安 710051
⁴ 航空工业西安航空计算技术研究所, 陕西西安 710065

收稿日期:2025-08-15 修回日期:2025-12-21 出版日期:2026-02-28
通信作者:
^** 刘嘉琛(1996—),男,陕西西安人,博士,讲师,主要从事系统安全性设计与评估、航空人工智能可信性方面的研究。E-mail:jc0419@foxmail.com。
作者简介:
董磊 (1983—),男,天津人,博士,副研究员,主要从事民机安全性评估与适航审定技术等方面的研究。E-mail:l-dong@cauc.edu.cn。
孙紫荆, 工程师;
陈曦, 助理研究员;
王鹏, 研究员
基金资助:
中央高校基本科研业务费(3122024037); 民用航空器适航审定技术重点实验室开放基金资助(SH2023101701)

Cascading effect analysis of IMA system for multi-phased mission in SPO mode

DONG Lei¹^,²(), LIU Jiachen³^,^**(), SUN Zijing⁴, CHEN Xi¹^,², WANG Peng¹^,²

¹ Key Laboratory of Civil Aircraft Airworthiness Technology, Civil Aviation University of China, Tianjin 300300, China
² Science and Technology Innovation Research Institute, Civil Aviation University of China, Tianjin 300300, China
³ Equipment Management and UAV Engineering College, Air Force Engineering University, Xi'an Shaanxi 710051, China
⁴ Xi'an Aeronautics Computing Technique Research Institute, Aviation Industry Corporation of China, Xi'an Shaanxi 710065, China

Received:2025-08-15 Revised:2025-12-21 Published:2026-02-28

摘要/Abstract

摘要：

为解决单一飞行员驾驶(SPO)模式下综合模块化航电(IMA)系统安全性分析状态空间爆炸、致因关系不明确等问题,首先,定义SPO模式多阶段任务剖面,确定不同任务阶段的IMA系统驻留应用及失效判据;然后,引入级联影响分析(CEA)概念,构建级联故障传播定量计算模型,设计级联失效概率和级联风险系数评估故障在IMA系统中的传播速度、传播范围及影响程度;最后,针对SPO模式案例对比不同任务阶段和不同初始故障条件下IMA系统的故障传播影响趋势。结果表明:所提模型能够表征IMA系统故障的直接影响和间接影响,若以主飞行控制和综合导航为初始故障事件则更容易造成级联失效,需要针对性地对关键驻留应用采取备份、监控或重构措施。

关键词: 单一飞行员驾驶(SPO), 多阶段任务, 综合模块化航电(IMA), 级联影响分析(CEA), 驻留应用

Abstract:

To address the problems of state-space explosion and unclear causal relationships in the safety analysis of IMA system under the future SPO mode, multi-phase mission profiles for the SPO mode were first defined, and the resident applications and fault criteria for different mission phases were identified. The concept of CEA was introduced, and a quantitative computational model for cascading fault propagation was developed. Methods for evaluating the probability of cascading faults and the cascade risk coefficient were designed to assess the propagation speed, scope, and impact severity of faults within the IMA system. Finally, a comparative analysis was conducted under an SPO scenario to examine how cascading faults affect the IMA system across different mission phases and initial fault conditions. The results show that the proposed model can characterize both the direct and indirect impacts of faults in the IMA system. When primary flight control and integrated navigation are initial fault events, cascading faults are more likely to occur, indicating that targeted backup, monitoring, or reconfiguration measures for key resident applications are required.

Key words: single-pilot operations (SPO), multi-phased mission, integrated modular avionics (IMA), cascading effect analysis (CEA), resident applications

中图分类号:

X949

董磊, 刘嘉琛, 孙紫荆, 陈曦, 王鹏. 面向SPO模式多阶段任务的IMA系统级联影响分析[J]. 中国安全科学学报, 2026, 36(2): 84-92.

DONG Lei, LIU Jiachen, SUN Zijing, CHEN Xi, WANG Peng. Cascading effect analysis of IMA system for multi-phased mission in SPO mode[J]. China Safety Science Journal, 2026, 36(2): 84-92.

图/表 12

表1

表2

表3

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参考文献 25

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任务阶段	参与角色职责			航电功能需求
任务阶段	单一飞行员	智能航电系统	地面操作员	管理	监视	显示	飞行	通信
阶段1	A3	B1	×	↗	↗	—	—	—
阶段2	A2	B2	C1	↑	↗	—	—	↑
阶段3	×	B3	A2	↑	↑	×	↑	↑

功能	驻留应用	阶段1	阶段2	阶段3
管理	综合导航	√	√	√
	性能计算	√	√	×
	飞行计划	√	√	√
	轨迹导引	√	√	√
监视	空中交通防撞	√	√	√
	地形感知与告警	√	√	√
	气象探测	√	√	√
	机载防撞	√	√	√
显示	综合显示1	√	√	×
显示	综合显示2	√	√	×
飞行	自动飞行控制	√	√	√
	主飞行控制	√	√	√
	自动推力控制	√	√	√
通信	指挥通信	×	√	√
	控制通信	×	×	√
	空管通信	√	√	×
智能	负荷评估	√	√	√
	任务分配	√	√	√
	自然语言处理	√	√	×
	智能防撞	×	√	√
	自动化配置	√	√	√
	视觉着陆	×	×	√
	性能优化	×	×	√

定性要求	无概率要求	可能的	微小的	极微小	极不可能
定量要求/(1次·飞行小时^-1)	无概率要求	≤10^-3	≤10^-5	≤10^-7	≤10^-9
失效状态分类	无安全性影响	轻微的	重大的	危险的	灾难性的
影响等级分类	Ⅴ	Ⅳ	Ⅲ	Ⅱ	Ⅰ
驻留应用分类	不适用	非必要功能	低必要功能	高必要功能	关键功能

驻留应用	分类等级	驻留应用	分类等级
综合导航	高必要	性能计算	低必要
飞行计划	高必要	轨迹导引	低必要
空中交通防撞	高必要	地形感知与告警	低必要
气象探测	低必要	机载防撞	高必要
综合显示1	高必要	综合显示2	低必要
自动飞行控制	高必要	主飞行控制	关键
自动推力控制	低必要	指挥通信	高必要
控制通信	关键	AOC和ATC通信	低必要
负荷评估	高必要	任务分配	低必要
自然语言处理	低必要	智能防撞	高必要
自动化配置	低必要	视觉着陆	高必要
性能优化	高必要

离散时间步	SPO模式任务阶段	平均级联风险排名
0.5×10⁴	任务阶段1	主飞行控制 0.104 2	综合导航 0.074 7	机载防撞 0.070 9	空中交通防撞 0.070 9	自动飞行控制 0.069 5
0.5×10⁴	任务阶段3	主飞行控制 0.180 4	综合导航 0.152 9	性能优化 0.152 9	智能防撞 0.149 3	指挥通信 0.149 1
1.0×10⁴	任务阶段1	主飞行控制 0.275 8	综合导航 0.199 4	机载防撞 0.193 4	空中交通防撞 0.193 4	飞行计划 0.190 9
1.0×10⁴	任务阶段3	主飞行控制 0.559 5	控制通信 0.516 1	综合导航 0.416 3	性能优化 0.416 3	指挥通信 0.409 0
1.5×10⁴	任务阶段1	主飞行控制 0.450 6	综合导航 0.330 1	机载防撞 0.323 4	空中交通防撞 0.323 4	飞行计划 0.328 8
1.5×10⁴	任务阶段3	主飞行控制 1.000 0	控制通信 0.960 9	综合导航 0.713 3	性能优化 0.713 3	飞行计划 0.707 3

面向SPO模式多阶段任务的IMA系统级联影响分析

Cascading effect analysis of IMA system for multi-phased mission in SPO mode

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