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海洋衛(wèi)士壓載水

自主航行系統(tǒng)概念設(shè)計及安全分析

2023-11-02 17:47:33
來源:中國船檢 編輯: 國際船舶網(wǎng) 我有話要說

圖1  系統(tǒng)開發(fā)V模型

基于系統(tǒng)工程理論可將船舶系統(tǒng)安全開發(fā)過程概括為系統(tǒng)概念設(shè)計及安全分析、系統(tǒng)安全設(shè)計與開發(fā)和系統(tǒng)交付及營運(yùn)三個階段,如圖1所示。檢驗機(jī)構(gòu)可以采取類似于船舶建造檢驗的方式,對高度復(fù)雜的自主系統(tǒng)的設(shè)計和開發(fā)過程進(jìn)行驗證、評估和檢驗。

在概念設(shè)計階段,基于系統(tǒng)工程理論,建立船舶自主航行系統(tǒng)架構(gòu)模型,以系統(tǒng)安全要求為核心,將安全要求映射到系統(tǒng)功能架構(gòu)中。安全要求源于需求分析,通過功能架構(gòu)滿足,最終由測試用例進(jìn)行驗證。

傳統(tǒng)的系統(tǒng)安全分析主要針對系統(tǒng)和組件本身,對其故障發(fā)生率和故障危害后果進(jìn)行分析,常用的方法包括失效模式與效應(yīng)分析(FMEA),F(xiàn)MEA是用于評估子系統(tǒng)、組件、部件或功能潛在失效影響,并確定可能對系統(tǒng)可靠性產(chǎn)生不利影響的工具。最早由美國軍方開發(fā)(MIL-STD-1629A),后廣泛用于航天、汽車領(lǐng)域。FMEA是一種自底向上的方法,主要面向硬件和過程進(jìn)行應(yīng)用。

與傳統(tǒng)的危害分析不同,對于自主航行系統(tǒng),在分析系統(tǒng)危害機(jī)理時應(yīng)當(dāng)在系統(tǒng)內(nèi)部故障引發(fā)的危害基礎(chǔ)上,增加系統(tǒng)內(nèi)外部交互導(dǎo)致的功能不足危害以及完全由外部因素(網(wǎng)絡(luò)攻擊)導(dǎo)致的危害。隨著船舶智能系統(tǒng)中軟件、算法的大量引入,以及系統(tǒng)的復(fù)雜性劇增,預(yù)測、理解和防范所有的系統(tǒng)潛在行為變得尤為困難。復(fù)雜性導(dǎo)致重要的系統(tǒng)屬性(如安全)與單獨(dú)組件的行為關(guān)聯(lián)性降低,而與組件間的交互關(guān)聯(lián)性上升,導(dǎo)致FMEA方法不足以解決相關(guān)問題。有觀點認(rèn)為,STAMP/STPA是船舶自主航行系統(tǒng)安全分析領(lǐng)域最適用且最具潛力的方法之一。STAMP/STPA方法是基于系統(tǒng)理論的危險分析方法,其自上而下通過建立控制結(jié)構(gòu)對系統(tǒng)進(jìn)行建模,表征為一組反饋控制循環(huán),獲取功能關(guān)系和交互的同時識別不安全控制行為和相關(guān)場景,并且適用于發(fā)掘人為操作失誤等導(dǎo)致的危險。

借鑒汽車自動駕駛領(lǐng)域的已有概念,綜合上述分析,確定自主航行系統(tǒng)安全分析的3個方面:

(1)功能安全。主要關(guān)注由系統(tǒng)自身物理特性和設(shè)計缺陷引發(fā)的系統(tǒng)危害,一般可分為系統(tǒng)性故障和隨機(jī)硬件故障,這類危害被統(tǒng)稱為功能安全問題。為解決此類安全問題,汽車領(lǐng)域已有較為成熟的參考標(biāo)準(zhǔn)ISO 26262。

(2)預(yù)期功能安全。汽車自動駕駛領(lǐng)域首先提出的概念,它是指從系統(tǒng)物理原理出發(fā),結(jié)合外部環(huán)境的擾動,分析系統(tǒng)內(nèi)外部交互耦合條件下由于系統(tǒng)功能不足導(dǎo)致的危害。目前已經(jīng)形成了國際標(biāo)準(zhǔn)——ISO 21448《Road vehicles — Safety of the intended functionality(道路車輛——預(yù)期功能安全安全)》。功能不足危害被統(tǒng)稱為預(yù)期功能安全問題,主要來源于兩方面:一是由于系統(tǒng)復(fù)雜性、專家經(jīng)驗不完備導(dǎo)致系統(tǒng)設(shè)計過程不規(guī)范,無法滿足安全目標(biāo)。二是由于系統(tǒng)組件的性能局限,例如感知、決策和控制設(shè)備功能實現(xiàn)不符合預(yù)期、具有局限性、易受環(huán)境干擾,算法泛化能力差、可解釋性差、專家規(guī)則庫覆蓋度不足等因素。例如,某自主航行船舶XX輪,由于硬件條件性能受限,當(dāng)外部降雨量大時雷達(dá)、視覺傳感器均無法有效識別危險目標(biāo),如繼續(xù)運(yùn)行則安全風(fēng)險大大增加,這種安全風(fēng)險并非由系統(tǒng)或設(shè)備的故障所導(dǎo)致。

功能安全是假定系統(tǒng)及功能的規(guī)格書(Specification)完全正確,驗證產(chǎn)品實現(xiàn)是否遵循了規(guī)定的流程和標(biāo)準(zhǔn);而預(yù)期功能安全針對規(guī)格書不足以及性能不足引發(fā)的安全問題,兩者相互補(bǔ)充。

(3)網(wǎng)絡(luò)安全。遠(yuǎn)程控制船舶的感知數(shù)據(jù)、控制指令等信息交互面臨數(shù)據(jù)傳輸挑戰(zhàn)和網(wǎng)絡(luò)安全威脅。海上信息傳輸?shù)牟环(wěn)定性可能導(dǎo)致岸基控制人員無法獲取準(zhǔn)確的船端態(tài)勢信息,以及船端無法及時獲取岸基的控制指令。自主航行船舶可能遭受的網(wǎng)絡(luò)安全威脅包括機(jī)密性攻擊、完整性攻擊、可用性攻擊、可認(rèn)證性攻擊、位置敏感信息攻擊等。自動駕駛領(lǐng)域也有相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)可供參考——ISO 21434《Road vehicle——Cybersecurity engineering(道路車輛——網(wǎng)絡(luò)安全工程)》。目前,海事領(lǐng)域網(wǎng)絡(luò)安全已有國際船級社協(xié)會(IACS)統(tǒng)一要求UR E26/27。網(wǎng)絡(luò)安全在本文中不做重點論述。

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