基于參數(shù)貢獻(xiàn)度的硬件安全分析方法在列控系統(tǒng)中的應(yīng)用

高 鶯

列車(chē)運(yùn)行控制系統(tǒng)（以下簡(jiǎn)稱(chēng)“列控系統(tǒng)”）是集計(jì)算機(jī)、通信、控制、信號(hào)技術(shù)為一體，確保列車(chē)安全高效運(yùn)行的系統(tǒng)，具有典型的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。例如，測(cè)速測(cè)距傳感器、加速度傳感器等傳感輸入信息，需要通過(guò)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，將列車(chē)的運(yùn)行距離、速度、加速度等處理成能夠被車(chē)載處理器識(shí)別的二進(jìn)制信息，以便控制列車(chē)運(yùn)行速度，確保行車(chē)安全；車(chē)載的各種制動(dòng)實(shí)施信號(hào)、車(chē)門(mén)的關(guān)閉且鎖閉信號(hào)等，也需要處理成二進(jìn)制信息，以便及時(shí)實(shí)施制動(dòng)或開(kāi)/關(guān)門(mén)操作；另外，列控系統(tǒng)與司機(jī)、調(diào)度、維護(hù)等相關(guān)人員進(jìn)行的人機(jī)交互，也需要由計(jì)算機(jī)系統(tǒng)完成。為此，本文通過(guò)分析計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的安全特征來(lái)驗(yàn)證列控系統(tǒng)的安全性。

一些研究機(jī)構(gòu)針對(duì)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)（尤其是航空、軍工等行業(yè)）各種組件的失效類(lèi)型進(jìn)行了總結(jié)和討論，并形成了國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)或商用數(shù)據(jù)庫(kù)［1］。其中，很多標(biāo)準(zhǔn)按照失效致因機(jī)理的差別，將計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的失效分為隨機(jī)性失效和系統(tǒng)性失效［2］。系統(tǒng)性失效主要是由于系統(tǒng)需求和硬件設(shè)計(jì)錯(cuò)誤導(dǎo)致的，需要在設(shè)計(jì)和實(shí)施階段采用質(zhì)量控制和檢查流程等手段避免發(fā)生或及時(shí)予以糾正，可以看作是確定事件，只能進(jìn)行定性分析；而隨機(jī)性失效可以看作是一個(gè)或一系列隨機(jī)事件，具有不確定性，在已知硬件元器件的失效率、失效模式和隨機(jī)失效出現(xiàn)次數(shù)等基礎(chǔ)上，可以對(duì)其量化，因此可以進(jìn)行定量分析［3］。本文著眼于列控系統(tǒng)硬件安全性的定量分析，針對(duì)可能影響定量分析結(jié)果的參數(shù)，利用蒙特卡洛采樣法對(duì)輸入?yún)?shù)進(jìn)行采樣，得出不同的采樣值，再對(duì)比分析不同參數(shù)對(duì)列控系統(tǒng)硬件安全性的影響。

1 系統(tǒng)安全分析原理

隨著計(jì)算機(jī)事故致因機(jī)理及信號(hào)系統(tǒng)的復(fù)雜性不斷提高，軌道交通行業(yè)的安全理念也不斷發(fā)生轉(zhuǎn)變，“危險(xiǎn)”成為系統(tǒng)安全理念的核心。諸多國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)中定義“危險(xiǎn)”為“系統(tǒng)運(yùn)行過(guò)程中，真實(shí)存在或可能出現(xiàn)的條件，這種條件下可能引發(fā)某個(gè)或一系列意外事件，導(dǎo)致人員傷亡、設(shè)備/財(cái)產(chǎn)損失、環(huán)境破壞、職業(yè)疾病的惡劣后果”［4］。危險(xiǎn)不是系統(tǒng)的靜止?fàn)顟B(tài)，而是系統(tǒng)行為與運(yùn)行環(huán)境的耦合作用，即系統(tǒng)在某種環(huán)境或前因后果下的特定輸出。列控系統(tǒng)是否安全，與設(shè)備的工作環(huán)境、子系統(tǒng)間接口、線路參數(shù)等緊密相關(guān)。系統(tǒng)安全保障的主線是在整個(gè)運(yùn)行過(guò)程中對(duì)系統(tǒng)危險(xiǎn)進(jìn)行跟蹤控制，其核心過(guò)程見(jiàn)圖1［5］。

圖1 系統(tǒng)安全保障核心過(guò)程

由于“安全”是相對(duì)的，因此可以用具體的量值表示危險(xiǎn)程度，找出導(dǎo)致事故發(fā)生的潛在危險(xiǎn)，并且用具體的數(shù)值來(lái)表示其發(fā)生的可能性，計(jì)算由其導(dǎo)致事故發(fā)生的概率和嚴(yán)重程度，制定對(duì)策和措施，從而預(yù)防事故的發(fā)生。

《電氣、電子、可編程電子安全相關(guān)系統(tǒng)的功能安全》（IEC 61508）中規(guī)定了在低要求模式、高要求模式或連續(xù)模式下，需要分配給一個(gè)安全相關(guān)系統(tǒng)安全功能的目標(biāo)失效概率區(qū)間。鐵路信號(hào)系統(tǒng)屬于“高要求模式或連續(xù)模式”，其量化指標(biāo)為“每小時(shí)危險(xiǎn)故障的平均頻率（PFH）”。同時(shí)，“安全完整性”定義為“在規(guī)定的條件下和規(guī)定的時(shí)間內(nèi)，安全相關(guān)系統(tǒng)成功實(shí)現(xiàn)所要求的安全功能的概率”。為了量化安全完整性，IEC 61508 提出了安全完整性等級(jí)（Safety Integrity Level， SIL）的概念，用于衡量系統(tǒng)是否具備達(dá)到所要求的安全功能的能力。SIL 分為5 個(gè)等級(jí)，SIL4 為最高等級(jí)，SIL0為最低等級(jí)，SIL值越高，安全相關(guān)系統(tǒng)在執(zhí)行安全功能時(shí)失效的可能性越小，每一級(jí)SIL對(duì)應(yīng)一個(gè)PFH的取值范圍［6］。本文用SILXU表示SIL的等級(jí)，且為每一級(jí)SIL的上限。

2 列控系統(tǒng)安全計(jì)算機(jī)結(jié)構(gòu)

本文選用列控系統(tǒng)安全計(jì)算機(jī)二乘二取二結(jié)構(gòu)作為分析對(duì)象。該結(jié)構(gòu)依據(jù)IEC 61508、EN 50129和EN 50128 標(biāo)準(zhǔn)，基于分層思想設(shè)計(jì)，邏輯上分成應(yīng)用軟件層、安全計(jì)算機(jī)軟件層、實(shí)施多任務(wù)操作系統(tǒng)層和硬件層，如圖2所示［7］。

圖2 列控系統(tǒng)安全計(jì)算機(jī)二乘二取二結(jié)構(gòu)

FTSMU 容錯(cuò)及安全管理（Fault Tolerant and Safe Management Unit）機(jī)制是保證列控系統(tǒng)安全計(jì)算機(jī)安全性的基礎(chǔ)。基于確定性原則設(shè)計(jì)，要求安全計(jì)算機(jī)在正確的時(shí)間執(zhí)行正確的動(dòng)作，并產(chǎn)生正確的結(jié)果，否則判錯(cuò)而導(dǎo)向安全。列控系統(tǒng)安全計(jì)算機(jī)接收的應(yīng)用數(shù)據(jù)通過(guò)以太網(wǎng)外網(wǎng)，分別發(fā)送給通信控制器A 和B，二取二的A 系處理單元1 和2、二取二的B系處理單元3和4承載的列控應(yīng)用軟件，在FTSMU A 系和B系的控制下，通過(guò)冗余的以太網(wǎng)內(nèi)網(wǎng)，讀取通信控制器A和B中的應(yīng)用數(shù)據(jù)并進(jìn)行處理［8］。

3 基于參數(shù)貢獻(xiàn)度的PFH分析方法

IEC 61508-6 提供的幾種安全苛求系統(tǒng)的PFH常用計(jì)算方法，均可以將PFH表示為參數(shù)MTTR、λD、β、βD、DC的 函 數(shù) ， 即PFH=Φ(MTTR，λD，β，βD，DC)［6］。其中：MTTR為系統(tǒng)平均故障恢復(fù)時(shí)間；λD為單位時(shí)間內(nèi)（每小時(shí)）危險(xiǎn)側(cè)的失效概率，可以表示為λD=λDU+λDD；λDU表示未檢測(cè)到的危險(xiǎn)側(cè)失效概率；λDD表示檢測(cè)到的危險(xiǎn)側(cè)失效概率；β為未檢測(cè)到的共因失效因子；βD為檢測(cè)到的共因失效因子；DC為診斷覆蓋率 ， 與λDD、λDU的 關(guān) 系 為λDU=λD(1-DC)，λDD=λD·DC。

蒙特卡洛采樣法是常見(jiàn)的用來(lái)分析隨機(jī)變量不確定的方法，本文采用蒙特卡洛采樣法獲得PFH計(jì)算中需要抽樣的樣本值。

定義1：設(shè)x為隨機(jī)變量，其累積分布函數(shù)為F(x)，則其逆函數(shù)為［9］

通過(guò)逆變換算法獲得隨機(jī)變量x的樣本值：①根據(jù)隨機(jī)變量x的概率密度函數(shù)，計(jì)算其累計(jì)分布函數(shù)F(x)；②求F(x)的反函數(shù)F-1(x)；③設(shè)置隨機(jī)變量Z，Z在（0，1）范圍內(nèi)服從均勻分布，即Z～Uniform（0，1）；④令Z=F(x)，通過(guò)隨機(jī)數(shù)發(fā)生器獲得隨機(jī)數(shù)Z；⑤計(jì)算樣本值X，X=完成隨機(jī)變量x的樣本抽樣。

假設(shè)PFH計(jì)算中輸入的參數(shù)MTTR，λD，β，βD，DC都是不確定的，將它們依次表示為X1，X2，X3，X4，X5，通過(guò)蒙特卡洛采樣法均勻采樣n次，獲得輸入?yún)?shù)的數(shù)據(jù)樣本Xi，即Xi=(xi1，xi2，…，xin)，i=1，2，3，4，5；用Yi表示輸出數(shù)據(jù)樣本，即PFH的樣本，將輸入?yún)?shù)的數(shù)據(jù)樣本Xi代入PFH=Φ(MTTR，λD，β，βD，DC)可獲得輸出數(shù)據(jù)樣本Yi，并得到輸出樣本分布fY(y)=(Y1，Y2，…，Yn)［10］。

定義2：FY為輸出數(shù)據(jù)樣本中PFH高于SILXU的累積分布概率，則

定義 3：FY|Xi=xˉi為在Xi=xˉi條件下的輸出數(shù)據(jù)樣本中PFH高于SILXU的累積分布概率，則

利用式（3）可以計(jì)算輸入?yún)?shù)Xi的不確定性，對(duì)系統(tǒng)的安全完整性等級(jí)影響的貢獻(xiàn)度Ci：

式中，ΔF=FY-FY|Xi=xˉi。

圖3 表示消除了輸入?yún)?shù)的不確定性后，ΔF的3種典型情況，具體說(shuō)明如下。

1）ΔF=FY，此時(shí)Ci=1，輸出數(shù)據(jù)全部分布在規(guī)定的SILX 區(qū)域內(nèi)，見(jiàn)圖3（a）。表明輸入?yún)?shù)不確定導(dǎo)致硬件安全完整性等級(jí)不確定的概率為100%，即輸入?yún)?shù)完全影響硬件安全完整性等級(jí)。

2）ΔF=0，此時(shí)Ci=0，輸出數(shù)據(jù)不在SILX區(qū)域內(nèi)的部分累積分布與輸入?yún)?shù)不確定時(shí)的累積分布相同，見(jiàn)圖3（b）。表明輸入?yún)?shù)不確定導(dǎo)致硬件安全完整性等級(jí)不確定的概率為0，即輸入?yún)?shù)對(duì)硬件安全完整性等級(jí)沒(méi)有影響。

3） 0＜ ΔF＜ 1，此時(shí) 0＜Ci＜1，輸出數(shù)據(jù)不在SILX 區(qū)域內(nèi)的部分累積分布大于輸入?yún)?shù)不確定時(shí)的累積分布，見(jiàn)圖3（c）。表明輸入?yún)?shù)的不確定導(dǎo)致硬件安全完整性等級(jí)不確定性的概率為0～100%，即輸入?yún)?shù)對(duì)硬件安全完整性等級(jí)有積極影響。

圖3 ΔF典型情況

通過(guò)上述3 種典型情況分析可知：Ci值越大，相應(yīng)的輸入?yún)?shù)對(duì)硬件安全完整性等級(jí)的影響越大。

4 實(shí)例應(yīng)用及分析

在列控系統(tǒng)安全計(jì)算機(jī)二乘二取二結(jié)構(gòu)下，分析MTTR，λD，β，βD和DC這 5 個(gè)輸入?yún)?shù)對(duì)硬件安全完整性等級(jí)影響的貢獻(xiàn)度。假設(shè)各輸入?yún)?shù)服從均勻分布，通過(guò)蒙特卡洛采樣法得到輸入數(shù)據(jù)的樣本，每次采樣獲得樣本個(gè)數(shù)為10 000，各輸入?yún)?shù)取值為：MTTR～U（0.5，24）；λD～U（5e-8，1e-6）；β～U（0.02，0.2）；βD～U（0.01，0.1）；DC～U（0.9，0.99）。

4.1 MTTR對(duì)SILX的影響

令λD、β、βD、DC不變，通過(guò)蒙特卡洛采樣法，分別獲得MTTR在不確定條件下的PFH輸出數(shù)據(jù)樣本及其累積分布函數(shù)，見(jiàn)圖4。假定二乘二取二結(jié)構(gòu)硬件的安全目標(biāo)為SIL4，即SIL4U=1e-8。由圖4 可知，MTTR不確定時(shí)，PFH輸出數(shù)據(jù)不在SIL4 區(qū)域內(nèi)部分的累積分布與MTTR確定時(shí)的情況相同，即CMTTR=0，則MTTR不會(huì)對(duì)硬件的安全完整性等級(jí)的取值產(chǎn)生影響。

圖4 MTTR在不確定條件下對(duì)硬件SIL影響的貢獻(xiàn)度分析

4.2 λD 對(duì) SILX 的影響

令MTTR、β、βD、DC不變，分別獲得λD在不確定條件下的PFH輸出數(shù)據(jù)樣本及累積分布函數(shù)，見(jiàn)圖5。假定2 乘2 取2 結(jié)構(gòu)硬件的安全目標(biāo)為SIL4，由圖5 可知，λD不確定時(shí)，PFH輸出數(shù)據(jù)全部分布在規(guī)定的SIL4 區(qū)域內(nèi)，即CλD=1，可知λD完全影響硬件的安全完整性等級(jí)。如果希望硬件的安全完整性等級(jí)達(dá)到SIL4，首先需要控制好λD的取值。

圖5 λD在不確定條件下對(duì)硬件SIL影響的貢獻(xiàn)分析

4.3 β 對(duì) SILX 的影響

令MTTR、λD、βD、DC不變，分別獲得β在不確定條件下的PFH輸出數(shù)據(jù)樣本及累積分布函數(shù)，見(jiàn)圖6。假定安全目標(biāo)為SIL4，由圖6可知，β不確定時(shí)，PFH輸出數(shù)據(jù)不在SIL4 區(qū)域內(nèi)部分的累積分布大于β不確定時(shí)的累積分布。同時(shí)，根據(jù)公式（4），通過(guò)Python 工具進(jìn)行計(jì)算可得Cβ=0.8610，可知β對(duì)硬件的安全完整性等級(jí)有積極影響。如果希望硬件的安全完整性等級(jí)達(dá)到SIL4，需要關(guān)注β的取值。

圖6 β在不確定條件下對(duì)硬件SIL影響的貢獻(xiàn)分析

4.4 βD對(duì)SILX的影響

令MTTR、λD、β、DC不變，分別獲得βD在不確定條件下的PFH輸出數(shù)據(jù)樣本及累積分布函數(shù)。假定安全目標(biāo)為SIL4，則βD不確定時(shí)，PFH輸出數(shù)據(jù)不在SIL4 區(qū)域內(nèi)部分的累積分布與MTTR確定時(shí)相同，CβD=0，可知βD不會(huì)對(duì)硬件的安全完整性等級(jí)的取值產(chǎn)生影響，其對(duì)SIL 影響的貢獻(xiàn)分析曲線與圖4類(lèi)似。

4.5 DC對(duì)SILX的影響

令MTTR、λD、β、βD其他輸入?yún)?shù)不變，分別獲得DC在不確定下的PFH輸出數(shù)據(jù)樣本及累積分布函數(shù)。假定安全目標(biāo)為SIL4，DC不確定時(shí)，PFH輸出數(shù)據(jù)不在SIL4 區(qū)域內(nèi)部分的累積分布大于β不確定時(shí)的累積分布。通過(guò)Python工具計(jì)算可得，CDC=0.8568，可知DC對(duì)硬件的安全完整性等級(jí)有積極影響，其對(duì)SIL 影響的貢獻(xiàn)分析曲線與圖6 類(lèi)似。如果希望硬件的安全完整性等級(jí)達(dá)到SIL4，需要關(guān)注DC的取值。

綜合上述分析結(jié)果，可得到各輸入?yún)?shù)在二乘二取二結(jié)構(gòu)下對(duì)硬件安全完整性等級(jí)影響的貢獻(xiàn)度大小，如表1所示。

表1 二乘二取二結(jié)構(gòu)中輸入?yún)?shù)對(duì)硬件SIL影響的貢獻(xiàn)度

通過(guò)表1 可知：在二乘二取二結(jié)構(gòu)下，CλD＞Cβ＞CDC＞CMTTR/CβD，即λD對(duì) SILX 的影響最大，β和DC有一定影響，λD和MTTR幾乎沒(méi)有影響。這是因?yàn)椋害薉指向危險(xiǎn)側(cè)失效概率，表示的失效是導(dǎo)向危險(xiǎn)的，因此在系統(tǒng)安全性中是最需要關(guān)注的指標(biāo)；β指向沒(méi)有檢測(cè)到的共因失效，由于是沒(méi)有檢測(cè)到的失效，所以有潛在的風(fēng)險(xiǎn)，也是需要關(guān)注的；DC指向能夠檢測(cè)到的危險(xiǎn)側(cè)失效率，因此對(duì)安全性的影響比λD和β小。相比之下，βD指向可以檢測(cè)到的共因失效，貢獻(xiàn)度比β小；MTTR是系統(tǒng)平均故障恢復(fù)時(shí)間，在系統(tǒng)可靠運(yùn)行周期中所占比重很小，因此對(duì)系統(tǒng)安全性的影響最小。

5 結(jié)束語(yǔ)

本文以安全完整性等級(jí)作為衡量列控系統(tǒng)安全性的指標(biāo)，分析了二乘二取二結(jié)構(gòu)中不同輸入?yún)?shù)對(duì)其安全性的影響。為了避免單一的分析結(jié)果缺乏說(shuō)服力，采用蒙特卡洛分析法對(duì)所有的輸入?yún)?shù)進(jìn)行采樣，得出一組不同的采樣值，再逐一分析每一個(gè)參數(shù)在其他輸入?yún)?shù)不變的條件下，對(duì)列控系統(tǒng)安全完整性等級(jí)的貢獻(xiàn)度。該分析結(jié)果對(duì)列控系統(tǒng)研發(fā)人員在設(shè)計(jì)產(chǎn)品的性能指標(biāo)及參數(shù)的選擇方面具有一定的參考意義。定量的安全分析能夠?yàn)榭刂齐S機(jī)性失效，識(shí)別產(chǎn)品中的安全薄弱環(huán)節(jié)，找到影響安全指標(biāo)的關(guān)鍵部件提供參考依據(jù)，指導(dǎo)設(shè)計(jì)進(jìn)行針對(duì)性?xún)?yōu)化和失效防護(hù)。