1. 引言
1.1 航空安全与系统开发中的复杂性
随着全球航空工业的不断进步，现代民用航空器已经成为复杂系统的集成体，包含了飞行控制、通信、导航等多个关键子系统。这些系统需要在广泛的操作环境下运行，包括极端的温度变化、高度差异以及可能的机械冲击等复杂条件下。由此可见，确保航空器在各种运行条件下的安全性已成为设计与开发阶段至关重要的一环。
航空器系统的开发过程涉及大量技术环节，不同系统之间的相互依赖性和复杂的集成架构大大增加了潜在的系统失效风险。尤其是，当多个系统共享同一资源（例如电源、通信总线或冷却系统）时，单一故障可能会通过共享资源传播到多个系统，导致大规模的系统失效，这就是共因故障（Common Cause Failure，CCF）的核心问题。
为了应对这一挑战，航空行业逐渐采用系统化的共因分析（CCA），其中共模分析（CMA）作为一个重要的子集，专门用于识别和缓解因共享资源或外部因素而导致的共模失效。本文的重点将围绕CMA在航空系统中的应用展开，通过深入探讨其在系统安全性评估中的作用，分析其在确保航空安全方面的重要性。
图来自《机载电子设备共模分析方法研究_刘文》
1.2 共因分析（CCA）简介
共因分析（CCA）是一种通过分析共享资源、环境因素和操作条件，识别多个系统或子系统之间可能存在的共因故障的安全性评估方法。CCA不仅可以帮助设计人员发现潜在的故障源，还可以为系统架构提供改进建议，降低多个系统同时失效的概率。
共因分析通常分为三个主要类型：共模分析（CMA）、特定风险分析（PRA）和区域安全性分析（ZSA）。本文将主要探讨共模分析（CMA），并简要提及PRA和ZSA，以帮助读者理解共因分析的整体框架。
1.3 文章目的与结构概述
本文旨在详细介绍共模分析（CMA）的基本原理、分析方法、实施过程，以及其在航空器系统安全性评估中的应用。同时，本文还将结合安全性评估中的不同阶段，包括功能危害评估（FHA）、初步系统安全评估（PSSA）和系统安全评估（SSA），探讨CMA在这些过程中所扮演的角色。最后，本文将通过具体案例分析展示CMA在实际航空系统开发中的应用。
文章结构如下：
引言
共模分析概述
CMA的具体方法与过程
CMA在安全性评估中的作用
案例分析
结论与展望
2. 共模分析（CMA）概述
2.1 什么是共模分析
共模分析（CMA）是共因分析（CCA）的核心组成部分，用于评估系统中由于共享资源、操作环境或外部因素导致的共模失效。共模失效是指多个系统或子系统因相同原因（如共享电源失效或外部环境变化）而同时失效的现象。
航空器作为一个高度复杂的集成系统，其中每个子系统都需要在广泛的操作条件下正常工作。现代航空器使用的众多电子设备和系统往往依赖相同的电源、通信总线、冷却系统等关键资源，因而容易受到共因故障的影响。如果这些共享资源出现故障，可能导致多个子系统同时失效，进而对航空器的安全性构成严重威胁。
共模分析的主要目标是通过分析共享资源及其可能的失效模式，识别潜在的共模失效，进而采取相应的设计改进措施以降低风险。例如，CMA可以帮助设计人员识别出电源系统中可能的共因故障，并建议增加冗余设计以增强系统的容错能力。
2.2 CMA的历史发展
共模分析的概念最早源于航空系统安全性分析的需要，随着航空器设计复杂性的不断增加，共因故障成为系统失效中的一个重要因素。20世纪中后期，随着适航标准（如FAA的FAR 25.1309）对系统安全性要求的日益提高，CMA逐渐成为一种标准化的分析方法。
近年来，CMA的应用范围不断扩大，不仅在航空器设计中占据重要地位，还在其他复杂系统（如汽车、铁路和核能）中得到广泛应用。共因故障在这些系统中的危害性促使各行各业引入共模分析，以提高系统的整体安全性。
2.3 CMA的适用性
共模分析的适用性在航空系统开发的多个阶段都有体现，尤其是在以下几个场景中：
系统集成阶段：当多个子系统集成到同一平台上时，CMA可以帮助设计人员识别共享资源可能带来的共因失效风险。例如，多个系统可能依赖同一个电源总线，如果该电源总线失效，可能导致多个子系统同时失效。通过CMA，设计人员可以建议增加电源冗余，以防止此类共因故障发生。
环境影响评估：在极端操作条件下（如极高或极低温度、强震动或高湿度环境下），多个子系统可能因同样的外部环境因素同时失效。通过CMA，可以评估这些环境因素对系统安全性的影响，并为系统设计提供改进建议。
系统操作条件：在某些特殊的操作条件下（如紧急操作、极端负载等），多个系统可能会面临共因故障的风险。CMA可以帮助识别这些操作条件下的潜在失效模式，并为设计人员提供解决方案。
2.4 CMA的目标
CMA的主要目标是通过分析共享资源、外部环境和操作条件的失效模式，识别可能导致多个系统同时失效的共因故障源。通过对这些共因故障的分析，CMA为设计人员提供了降低系统失效概率的手段，并帮助他们在设计初期就考虑如何增强系统的容错性。
具体而言，CMA的目标包括以下几个方面：
识别共因故障源：通过分析共享资源（如电源、通信总线等）和外部环境，识别可能引发多个系统失效的共因故障源。
评估故障传播路径：分析共享资源的故障传播路径，评估一个子系统的故障如何通过共享资源传播到其他子系统。
提出设计改进建议：根据分析结果，提出设计改进建议，如增加冗余设计、隔离共享资源、改善环境适应性等。
降低系统失效风险：通过识别和缓解共因故障，降低系统失效的总体风险，确保航空器在各种操作条件下的安全性。
3. CMA的具体方法与过程
共模分析（CMA）作为民用航空器安全性评估中的重要分析方法，旨在通过识别由于共享资源（如电源、信号线路、冷却系统等）失效导致的共因失效现象，帮助设计团队在早期阶段识别潜在的系统安全问题，并采取必要的预防措施。CMA的具体实施通常包括以下几个主要步骤：失效模式识别、共因失效路径分析、风险评估与量化、缓解措施设计以及验证与确认。这些步骤既相互独立又相辅相成，确保共因失效被及时识别并处理。
图来自《共模分析方法及其在民机设计》
3.1 失效模式识别
失效模式识别是CMA的起点，也是整个过程的基础。在这一阶段，分析人员通过深入的系统研究和设计分析，识别所有可能导致共因失效的共享资源。这包括电气系统、数据总线、物理环境（如温度和振动）、电磁干扰等多个方面。
资源共享识别：首先，设计团队需要识别航空系统中的所有共享资源。这些资源包括但不限于电源、控制系统、传感器、数据总线、冷却设备等。通过仔细检查每个子系统如何共享这些资源，能够识别潜在的共因失效。
潜在失效模式列表：接下来，分析人员根据经验和现有数据列出可能的失效模式。这包括各种失效来源，如过电流、过热、物理损坏、软件故障等。关键是要识别哪些失效模式可能通过共享资源扩展至多个系统。
图来自《共模分析方法及其在民机设计》
3.2 共因失效路径分析
在识别了潜在的失效模式后，接下来的关键步骤是进行共因失效路径分析。共因失效路径分析的目标是通过系统化的逻辑和物理分析，找出导致多系统失效的共因路径。共因失效路径的识别包括以下几个方面：
系统架构图的绘制：分析人员需要为航空系统绘制详细的系统架构图，以明确每个子系统与共享资源的连接方式。通过这种视觉化的表示，能够清晰地看出一个子系统的失效如何通过共享资源影响其他系统。
具体方法：根据《机载电子系统共模失效定量分析研究》中的描述，使用依赖图（Dependency Diagram）或故障树分析（Fault Tree Analysis, FTA）工具能够有效表示不同系统间的依赖关系及其共因路径。例如，飞控系统和导航系统通过同一电源供电的路径在图中被标识为潜在的共因失效路径。
故障传播路径分析：在识别了共因失效路径后，进一步需要分析具体的失效传播机制。例如，电源失效如何影响多个系统，或数据总线故障如何中断不同子系统之间的通信。
3.3 风险评估与量化
一旦识别出共因失效路径，下一步就是对这些失效的风险进行定性和定量评估。风险评估的目标是量化失效发生的概率及其对航空器安全的影响。常用的风险评估方法包括失效模式与影响分析（FMEA）、故障树分析（FTA）和马尔可夫分析（Markov Analysis）。
定性分析：定性分析是对共因失效进行初步的风险分类。分析人员通过经验和历史数据，确定失效模式的严重性、可能性及其对系统安全的影响。
实例分析：在《民机液压系统区域安全性分析研究》中提到，通过定性分析可以识别液压系统的共因失效，例如液压泵的故障可能导致多个子系统失效。因此，在CMA的定性分析阶段，系统复杂度和共享资源的关键性决定了分析的深度。
定量分析：定量分析的目的是通过统计和仿真手段量化失效的发生概率。通常通过历史数据和实验数据来建立数学模型，预测失效发生的频率及其影响。
3.4 缓解措施设计
在完成风险评估后，设计团队需要为识别出的高风险共因失效设计相应的缓解措施。缓解措施的目标是减少失效发生的可能性，或在失效发生时最小化其影响。常见的缓解措施包括冗余设计、隔离设计和改进资源管理。
冗余设计：对于关键共享资源（如电源和通信总线），可以通过增加冗余路径来降低单点故障的风险。冗余设计能够有效减少共享资源失效对多个系统的影响。
文献示例：《飞机区域安全性分析流程优化与实施方法》中提到，针对电源的冗余设计可以显著减少由于电源失效导致的共因故障。通过在关键系统中设计双重电源，确保在一个电源失效时另一个电源能够继续提供电力支持。
隔离设计：隔离设计通过物理或逻辑隔离共享资源，防止一个子系统的故障影响其他系统。例如，通信总线可以通过物理隔离或设置不同的数据通道，避免多个系统之间的故障传播。
3.5 验证与确认
在设计并实施了缓解措施后，验证与确认是确保共模失效风险被有效控制的最后一步。验证通常包括实验室测试、模拟测试和实际飞行测试，通过这些测试验证设计改进是否达到了预期效果。
实验室测试：实验室测试通常在受控环境下进行，目的是验证系统在模拟故障条件下的表现是否符合预期。例如，通过模拟电源故障，测试冗余设计是否能够确保系统的持续运行。
仿真测试：仿真测试通过计算机模拟真实的系统操作环境和故障条件，验证设计改进的有效性。仿真测试的优势在于能够低成本、大范围地测试不同操作条件下的系统性能。
实际飞行测试：实际飞行测试是验证航空系统设计是否满足所有操作条件的最终步骤。在这一阶段，设计团队通过飞行测试验证CMA提出的所有改进是否能够在实际操作中有效应对共因失效。
4. CMA在安全性评估中的作用
4.1 航空器安全性评估的概述
航空器安全性评估的主要任务是确保航空系统和设备能够在各种操作条件下安全运行，不会对乘员、机组人员和飞行安全造成威胁。为了达到这一目的，航空系统的开发和认证通常分为多个阶段，每个阶段都有相应的安全性评估任务。常见的评估方法包括功能危害评估（FHA）、初步系统安全评估（PSSA）和系统安全评估（SSA）。
4.2 功能危害评估（FHA）中的CMA应用
功能危害评估（FHA）是航空器安全性评估的初步阶段，旨在识别航空器系统中的潜在危害，并分析这些危害对飞行安全的影响。在FHA阶段，CMA可以帮助识别由于共享资源失效导致的潜在共因故障。
共享电源的分析：在FHA阶段，CMA可以帮助设计团队识别航空器中哪些关键系统依赖于共享电源，分析电源失效可能对飞行安全造成的影响，并提出改进建议。
通信系统的评估：对于依赖共享通信总线的系统，CMA可以帮助识别通信网络故障可能引发的危害，并建议增加通信冗余设计。
通过在FHA阶段引入CMA分析，设计团队能够在早期阶段就识别出潜在的共因故障，进而为后续的设计改进提供依据。
4.3 初步系统安全评估（PSSA）中的CMA应用
初步系统安全评估（PSSA）是在系统架构设计阶段进行的安全性评估，其目标是确保系统的设计架构具备足够的安全性和冗余性。在PSSA阶段，CMA可以进一步分析系统中的共因故障源，并为设计提供具体的改进建议。
共享资源的冗余设计：在PSSA阶段，CMA可以帮助设计人员评估当前系统架构中的共享资源设计是否具备足够的冗余性，并建议通过增加冗余电源、通信路径等方式减少共因故障的影响。
环境因素的共因故障分析：CMA还可以帮助分析外部环境对系统的潜在影响，例如高温、湿度等环境因素可能导致多个系统共享的散热设备失效，从而影响系统安全性。
通过在PSSA阶段结合CMA，设计团队能够进一步优化系统架构，确保其在各种操作条件下都具备足够的安全性和可靠性。
4.4 系统安全评估（SSA）中的CMA应用
系统安全评估（SSA）是在系统集成完成后进行的最终安全性验证，旨在通过系统测试和仿真验证系统的整体安全性。在SSA阶段，CMA可以帮助评估实际系统在集成后是否存在共因故障风险，并通过测试验证设计的冗余性和容错能力。
测试共享资源的故障响应：通过CMA，设计团队可以在SSA阶段模拟共享资源的故障情况，例如电源失效或通信网络故障，并测试系统在这些故障条件下的响应能力。
验证缓解措施的有效性：通过CMA分析提出的缓解措施（如冗余设计、资源隔离等）在SSA阶段需要通过实际测试验证其有效性，确保系统在面对共因故障时能够正常运行。
在SSA阶段，CMA的作用不仅限于理论分析，更需要通过测试和仿真验证系统在实际操作中的安全性。
5. 案例分析
5.1 案例背景
为更好地理解CMA的实际应用，以下将通过一个航空器飞行控制系统的共模分析案例，展示从功能危害评估（FHA）、初步系统安全评估（PSSA）到系统安全评估（SSA）中如何结合CMA识别并缓解共因故障。
5.2 FHA阶段的共模分析
在FHA阶段，飞行控制系统作为关键系统，其失效可能导致灾难性后果。因此，CMA在此阶段的主要任务是识别飞行控制系统所依赖的共享资源，并评估其失效对飞行安全的影响。
共享电源的分析：飞行控制系统依赖于中央电源系统，在FHA阶段通过CMA识别电源失效的潜在共因故障，提出增加冗余电源设计的建议。
通信总线的分析：飞行控制系统与其他系统共享通信总线，CMA分析总线故障可能对飞行控制的影响，并建议在设计中增加冗余通信路径。
5.3 PSSA阶段的共模分析
在PSSA阶段，设计团队根据FHA中的CMA分析结果，进一步优化飞行控制系统的设计架构。
冗余电源设计：在PSSA阶段，通过增加冗余电源设计，确保飞行控制系统在单一电源失效的情况下仍能正常运行。
通信总线隔离设计：PSSA通过CMA分析，建议将飞行控制系统的通信总线与其他系统物理隔离，避免其他系统故障影响飞行控制系统的正常运行。
5.4 SSA阶段的验证测试
在SSA阶段，设计团队通过一系列仿真和实际测试，验证CMA分析提出的缓解措施的有效性。
模拟电源失效场景：通过在测试中模拟电源失效情况，验证冗余电源设计是否能够有效保证飞行控制系统的持续运行。
测试通信总线的故障响应：通过在仿真中模拟通信总线故障，验证飞行控制系统的隔离设计是否能够防止其他系统的故障影响其运行。
6. 结论
6.1 CMA在航空安全性评估中的关键作用
共模分析（CMA）是航空器系统安全性评估中不可或缺的工具。通过识别共享资源失效导致的共因故障，CMA能够帮助设计团队在系统设计的早期阶段就发现潜在的安全隐患，并为后续的设计改进提供重要依据。CMA贯穿于功能危害评估（FHA）、初步系统安全评估（PSSA）和系统安全评估（SSA）等多个关键评估阶段，确保系统在各种操作条件下的安全性和可靠性。
6.2 CMA在未来航空器设计中的应用展望
随着航空器系统的复杂性不断增加，CMA的应用将变得更加广泛和深入。未来，随着人工智能和大数据技术的发展，CMA将能够更精确地识别潜在的共因故障，并通过更先进的仿真工具验证设计的安全性。这将进一步提升航空器设计的安全性和可靠性，确保航空器在各种极端条件下的安全运行。
