民用航空機載設備安全性評估技術研究

王其國

摘 要：文章著重探討系統安全性評估技術在民用航空機載設備領域的應用。文章介紹了系統安全性評估技術在航空機載設備研制過程中開展的時機以及分析過程，對系統安全性技術中常用的四種安全性分析方法進行了深入探討，對民用航空機載設備安全性評估進行了有益的探索。

關鍵詞：系統安全性；功能危險分析；故障模式及影響分析；故障樹分析；共因分析

中圖分類號：V226 文獻標識碼：A 文章編號：1006-8937（2015）12-0004-02

目前，工業產品的結構和功能越來越復雜，其安全性也越來越受到重視，逐漸成為系統研制和使用中關注的重點。對于民用航空工業，其安全性不言而喻，一旦發生安全事故，將導致重大人身和財產損失，并造成惡劣的社會影響。

系統安全分析可以有效提高產品的安全性，在工業設計和生產中有著重要的作用。通常采用定性和定量分析相結合的方法進行系統安全評估，及時發現問題并采取改進措施，以此來保證系統設計的安全性要求。

1 適航規章對系統安全性的有關規定

民用航空設備都要求具有較高的安全性、經濟性和可靠性，其中安全性居于首要地位，在飛行設備的設計中首先要考慮的就是安全問題，每一種民用航空設備在進入市場之前，都要經過嚴格的安全測試，同時要經過適航當局的批準才可以進入市場。

在CCAR25.1309（b）中有如下規定：

飛機系統與有關部件的設計，在單獨考慮以及與其它系統一同考慮的情況下，必須符合下列規定：

①發生任何妨礙飛機繼續安全飛行與著陸的失效狀態的概率為極不可能；

②發生任何降低飛機能力或機組處理不利運行條件能力的其它失效狀態的概率為不可能。”

其中概率極不可能對應概率需小于10-9，不可能對應概率需小于10-7。

2 系統安全性評估的過程

安全性評估過程包括要求的產生和與飛機研制活動相配合的研制性工作。這個過程是通過一套安全評估方法來對飛機的構造和各功能部件等進行測試評估，發現其存在的安全隱患，并及時作出改進，最后再判斷相應的危險是否得到有效控制，保證其投入使用后能夠安全運行。安全評估過程可以是定性的可以是定量的，也可以是兩者的結合。

根據ARP4761將安全性評估過程分為三個步驟：功能危險分析（Functional Hazard Assessment，FHA）；初步系統安全性分析（Preliminary System Safety Assessment，PSSA）；系統安全性分析（System Safety Assessment，SSA）。

在系統安全性評估過程的各環節中，PHA是一種在概念設計階段就推行的安全評估方法，其從功能入手、自上而下的評估系統存在的危險有害因素及可能發生的故障，是安全性分析的第一步。

一般在方案設計階段采取PSSA的分析方法，通過對初步擬定的系統結構進行系統的檢查，以判明故障是如何引起FHA所確定的危險。

SSA是一種對系統設計實現進行的系統綜合的評價，用以表明其是否滿足FHA提出的安全性目標和PSSA中的得到的安全性要求。SSA的開展一般是在詳細設計階段。

系統安全性設計與評估過程如圖1所示。

從圖1可以看出，研制過程本質上是反復迭代的，而安全性評估過程是其中不可缺少的一部分。從概念設計階段就提出其安全要求，通過采取各類安全措施可預防和減少危險的產生，而隨著設計階段的深入，有些可能會發生改變，而這些改變需要重新進行評估，也就可能提出新的安全要求，就這樣一個迭代的過程，直至設計滿足所有的安全性要求為止。

3 系統安全性分析及其應用

在系統安全性設計與評估過程中，綜合利用功能危險分析（Functional Hazard Assessment，FHA）、故障模式及影響分析（Failure Modes and Effects Analysis，FMEA）、故障樹分析（FTA）、共因分析（CCA）等方法，來驗證所裝設備及系統是否滿足CCAR25.1309條款規定的適航要求。

3.1 功能危險分析（FHA）

FHA是通過對系統或分系統（包括軟件）可能出現的功能狀態進行分析，識別并評價系統中潛在危險的一種分析方法。

FHA分為兩級，包括飛機級和系統級。飛機級PHA是飛機安全性評估的第一步，以整個飛機為研究對象，主要研究其在設計和飛行階段，可能影響飛機安全的各類危險因素。系統級FHA是以飛機的系統為研究對象，研究其在飛行的各個階段中，可能存在的影響飛機安全的危險有害因素。民用航空機載設備一般開展系統級的FHA。

FHA的一般過程：

①確定飛機級相關的所有功能包括內部功能和SAE ARP 4754安全性分析評估工作流程，交互功能。

②識別飛機功能的所有失效狀態，考慮所有的單一和組合失效狀態。

③確定該失效狀態出現時所處的工作狀態或飛行階段。

④確定失效狀態對飛機或人員的影響。

⑤確定失效狀態的影響等級，根據失效狀態對飛機或人員的影響對其進行分類。

⑥給出用于證明失效狀態影響等級的支撐材料。

⑦提出對安全性要求的驗證方法。

3.2 故障模式及影響分析（FMEA）

FMEA屬單因素分析方法，包括故障模式分析和故障影響分析兩個方面，是開展型號可靠性、安全性分析的一個重要工作項目，也是開展維修性、測試性、保障性分析的基礎。

在產品壽命期內各階段采用的FMEA的方法不同，包括功能FMEA、硬件FMEA、軟件FMEA、過程FMEA、損壞模式影響分析DMEA等。

針對民用航空機載設備FNEA主要選用硬件FMEA的方法開展可靠性、安全性分析。硬件FMEA的目的是找出產品在硬件設計中所有可能的故障模式、原因及影響，并針對存在的薄弱環節，提出設計改進和使用補償措施。FMEA的主要作用體現在幾個方面：分析每個零部件假定故障的影響、尋找危險等級為Ⅰ、Ⅱ類的單點故障、尋找可能存在的潛在故障。

FMEA的分析流程如圖2所示。

3.3 故障樹分析（FTA）

FTA是一種演繹的、由上至下的失效分析方法，其用途非常廣泛。在產品設計階段，FTA可以幫助判斷潛在的系統故障模式和災難性危險因素，發現可靠性和安全性的薄弱環節，以便改進設計；在生產、使用階段，FTA可以幫助故障診斷，改進使用維修方案；同時，故障樹也是事故調查的一種有效手段。

FTA分為定性和定量分析兩個方面。

定性分析用于：找出導致系統故障或災難性危險事件（頂事件）發生的原因及其組合，分析設計的薄弱環節；尋找共因故障的源頭，為共模故障分析提供輸入。

定量分析用于：計算頂事件發生概率，為系統安全性評估提供輸入；確定每個最小割集的發生概率，以便正確設計或選用部件或元器件的可靠性等級；評估暴露時間間隔、潛在故障時間對系統的全面影響。

故障樹分析流程如圖3所示。

3.4 共因分析（Common Cause Analysis，CCA）

航空機載設備為提高其系統的可靠性通常采用冗余設計，但由于一些共因故障的存在從而使得冗余失效，降低了系統的可靠性，共因故障（CCA）正是基于此而產生的。共因分析具體又分為共模分析（CommonMode Analysis，CMA）、區域安全性分析（Zonal Safety Analysis，ZSA）和特定風險分析（Particular Risks Analysis，PRA）三種分析方法。

3.4.1 區域安全性分析（ZSA）

ZSA是按照一定的程序和方法對飛機各個區域內的系統/設備安裝、相互之間的影響、維修失誤的可能性以及環境對系統/設備的影響進行分析和檢查，以評定飛機各區域及整機的安全性。

3.4.2 特定風險分析（ZSA）

在飛機使用過程中，處于系統外部的特定事物或效應（稱之為共因事件）可能會對某些區域產生影響，從而造成共因故障，破壞飛機的故障獨立性要求。特定風險分析（PRA）的研究對象就是這些共因事件，特別是可能導致飛機發生災難性事故的共因事件。

CCAR-25-R4第1309條（d）（1）指出安全性分析必須考慮外界原因造成的故障和損壞，且在第581條“閃電防護”、第631條“鳥撞損傷”、第729條（f）“輪艙內設備的保護”、第1316條“系統閃電防護”、第1461條“含高能轉子的設備”等規定中明確提出了對外部特定風險的防護要求。

3.4.3 共模分析（CMA）

共模故障分析（CMA）是針對影響一個以上冗余通道的故障模式進行的分析，識別獨立冗余系統中可能存在的相關性及相互關系，查找導致共模故障發生的原因，評價共模故障對系統的影響。重點驗證故障樹分析中的“與門”事件在實現過程中的獨立性，關注完成某種特定功能的冗余備份和監控系統/設備。

4 結 語

本文著重探討系統安全性評估技術在民用航空裝配領域的應用。文章介紹了系統安全性評估技術在航空機載設備研制過程中開展的時機以及分析過程，對系統安全性評估技術中常用的四種安全性分析方法進行深入地探討，對民用航空機載設備開展安全性評估進行了有益的探索。

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