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形式化验证如何让飞行器更安全?
据中国载人航天工程办公室消息,北京时间2025年4月24日14时25分,神舟二十号载人飞行任务航天员乘组出征仪式在酒泉卫星发射中心问天阁圆梦园广场举行。
14时26分,中国载人航天工程总指挥、空间站应用与发展阶段飞行任务总指挥部总指挥长许学强下达“出发”命令,陈冬、陈中瑞、王杰3名航天员在第十个“中国航天日”当天领命出征。
在航天员的背后,有这么一群人,保障着航空器的安全,作为载人航天工程最重要的安全护盾。在航空航天领域,安全永远是第一位的,任何细微的差错都可能引发难以估量的灾难,然而“零缺陷” 不是高标准,而是基本要求。回顾 2018 年,波音 737 MAX 系列客机接连发生两起重大空难,共造成 346 人不幸罹难。调查结果令人震惊,罪魁祸首竟是机动特性增强系统(MCAS)的设计缺陷。该系统仅依赖单一迎角传感器判断飞机状态,一旦传感器故障,就会像脱缰的野马般持续误判,Kaiyun中国官方入口不断压低机头,而飞行员不仅对这一系统缺乏足够了解,更难以在危急时刻夺回飞机控制权 。无独有偶,2007 年美国 F-22 战斗机在跨时区飞行时,飞控系统竟然离奇锁死,险些酿成大祸。
这些惨痛事故的背后,无一不暴露出传统验证方法的致命短板。传统验证方法就像是在黑暗中摸索,主要依赖测试用例进行 “试错”,然而,航空航天设备的运行场景复杂多变,近乎无限,这种依赖测试用例的 “试错法”,永远无法覆盖无限的运行场景。以飞行控制系统为例,其软件代码量可达数百万行,包含复杂的实时控制逻辑和硬件交互。传统测试即使覆盖 99.9% 的场景,仍可能在极端工况下失效。而航空航天设备一旦故障,代价往往是灾难性的,这迫使行业寻找更可靠的验证手段。
在传统验证方法捉襟见肘的情况下,形式化验证技术横空出世,给航空航天领域带来了新的曙光。它的核心就在于为系统提供 “数学级安全背书”,从根本上革新了系统验证的思路。简单来说,形式化验证是基于数学逻辑的 “安全证明” 技术,其过程主要包含三个关键环节。
第一个环节是形式化建模,即使用数学语言精确描述系统行为,从而消除自然语言可能产生的歧义。在航空航天领域,常用的 Z 语言、SCADE 状态机等都是实现形式化建模的有力工具。以飞控系统的姿态调整逻辑为例,在传统的自然语言描述中,可能会因为表述的模糊性导致理解上的偏差,而通过形式化建模,就可以将其转化为精确的、可验证的数学公式,确保每个细节都清晰无误。
第二个环节是模型检查,它通过算法遍历系统所有可能的状态,以此来验证系统是否满足预先设定的安全属性。例如,在检测飞机失速状态下的自动油门触发机制时,就可以通过模型检查来判断 “在失速状态下,自动油门是否必然触发”。如果不满足这一属性,模型检查算法就会生成反例路径,帮助工程师快速定位问题所在。
最后一个环节是定理证明,借助 Coq、Isabelle 等专业工具,通过严密的逻辑推理来证明系统核心模块的正确性。在导航算法的验证中,就可以利用定理证明来确保在任何情况下,坐标计算都不会发生溢出,从而保障导航系统的可靠性。
相较于传统测试方法,形式化验证的优势在于,它能覆盖到传统测试难以触及的边界场景,实现了系统安全性从 “大概率正确” 到 “确定正确” 的跨越。望安科技扎根形式化验证领域,多年如一日地潜心钻研,成功将前沿的形式化验证技术巧妙转化为守护国家重大项目安全的坚实护盾。在航空航天领域,保障飞行器精准运行,助力探索浩瀚宇宙;于国防体系,加固安全防线,捍卫国家主权与安全;在轨道交通范畴,确保列车稳定行驶,守护旅客出行平安。通过在这些关键领域的深度应用,构建起极为可靠的安全屏障。
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