Integrated safety and reliability analysis methods for aircraft system development using multi-domain object-oriented models

Abstract

Safety and reliability are essential in commercial air transport. Therefore, safety assessment is an inherent part of the aircraft systems development process. Operational reliability has to be considered for economic reasons. Most of the state-of-the-art methods for safety and reliability analysis employ a binary representation of the system. One of these is fault tree analysis (FTA), a manual method that is still common today. Conducting safety or reliability analysis by means of FTA involves considerable effort. In addition, because of the binary, non-physical approach, such analysis tools remain uncoupled to other engineering tools. Nowadays, a multi-domain object-oriented approach has become the state-of-the-art in physical modelling and simulation. Such an approach enables an intuitive method of modelling, in which the objects, their boundaries and interconnections correspond to real existing components. This thesis contributes to the field of model-based methods for system safety and reliability analysis. Here, the most important innovation is that the proposed methods suit multi-domain object-oriented modelling based on differential-algebraic equations. Search techniques and algorithms founded on graph theory were devised in order to minimise the computing effort for conducting an analysis. The proposed methods enable establishing multi-disciplinary engineering tools for the conceptual design of fault-tolerant systems. The aim is improvement of system development and safety assessment processes.

Sicherheit und Zuverlässigkeit sind für den kommerziellen Betrieb von Verkehrsflugzeugen essenziell. Aus diesem Grund ist die Bewertung der Sicherheit ein fester Bestandteil im Entwicklungsprozeß von Flugzeug-Bordsystemen. Aus wirtschaftlichen Gründen wird außerdem die Zuverlässigkeit d.h. operationelle Verfügbarkeit berücksichtigt. Die meisten gegenwärtigen Methoden für Sicherheits- und Zuverlässigkeits-Analyse erfordern eine binäre Darstellung (Boolesches Modell) des Systems. Eine dieser Methoden ist die Fehlerbaumanalyse (fault tree analysis - FTA), eine manuelle Methode, die gegenwärtig noch weit verbreitet ist. Die Durchführung einer Sicherheits- oder Zuverlässigkeits-Analyse mithilfe der FTA ist aufwändig. Außerdem sind wegen des binären, nicht-physikalischen Modellansatzes die entsprechenden Analysewerkzeuge nicht mit anderen Ingenieurswerkzeugen gekoppelt. Im Bereich der physikalischen Modellierung und Simulation ist ein objekt-orientierter Ansatz heutzutage Stand der Technik. Dieser Ansatz ermöglicht ein intuitives Vorgehen bei der Modellierung technischer Systeme, da Modellobjekte, deren Grenzen und Verbindungen realen Komponenten entsprechen. Diese Dissertation leistet einen Beitrag auf dem Gebiet modellbasierter, automatischer Methoden für Sicherheits- und Zuverlässigkeits-Analyse. Die wesentliche Neuerung ist, dass die beschriebenen Methoden für den multi-physikalischen objekt-orientierten Modellansatz, der auf Differenzial- und algebraischen Gleichungen basiert, entwickelt worden sind. Der mit der Durchführung von Analysen verbundene Rechenaufwand wird mithilfe weiterentwickelter Suchmethoden und Algorithmen aus dem Bereich der Graphentheorie minimiert. Die beschriebenen Methoden bilden eine Grundlage für fortschrittliche, multi-disziplinäre Ingenieurswerkzeuge, die in der Entwicklung sicherheitskritischer, ausfalltoleranter Systeme angewendet werden können. Das Ziel ist eine Verbesserung der Entwicklungs- und Sicherheitsanalyse-Prozesse.