基于系統安全理論的適航安全性評估研究

張行柏 佀慶民 蔣雪瑩 田　磊

（沈陽航空航天大學，遼寧　沈陽　110136）

基于系統安全理論的適航安全性評估研究

張行柏 佀慶民 蔣雪瑩 田磊

（沈陽航空航天大學，遼寧沈陽110136）

以美國聯邦航空條例（FAR）和中國民用航空規章（CCAR）為基礎，圍繞民機適航審定工作中的系統安全性評估流程和方法進行了探索和研究。首先，分析功能危險評估、初級系統安全性評估、系統安全性評估在系統安全性分析中所處的階段和所起的作用，并探討故障模式及其影響分析、故障樹分析和共因分析等分析方法在適航性安全性評估中的應用。其次，以飛機系統框圖為依據，分析系統發生故障可能造成的影響，并舉例分析飛機系統中的部分單元的系統安全評估過程。通過研究系統安全理論在適航性安全性評估中的應用，為在航空器適航認證中進行安全性評估或驗證提供了理論和方法支持，并有效說明了系統安全分析方法在航空器適航安全性評估中的良好適用性。

航空器；適航認證；適航安全性；系統安全分析

［DOI編碼］ 10.13237/j.cnki.asq.2016.04.011

一架飛機的固有適航性是在設計階段就被確定了的［1］，而安全性是適航性的重要保障，因此航空器的安全設計與驗證對于航空器適航性是無比重要的。利用系統安全的思想，從本質安全化的角度研究航空器適航性安全性對于預先排除飛機系統可能故障，保證飛行安全具有重要的理論和實踐應用價值。

本文以系統安全理論為指導，以美國聯邦航空局（FAA）的聯邦航空條例FAR23《正常類、實用類、特技類和通勤類飛機適航規定》、FAR25《運輸類飛機適航標準》和中國民航總局制定的中國民用航空規章 CCAR-23-R3《正常類、實用類、特技類和通勤類飛機適航規定》、CCAR-25-R4《運輸類飛機適航標準》等適航標準為參考，完善飛機適航性評估。

1　適航安全性評估方法研究

適航安全性評估包括功能危險評估（Functional Hazard Assessment，FHA）、初步系統安全評估（Preliminary System Safety Assessment，PSSA）和系統安全評估（System Safety Assessment，SSA）。在飛機研發階段要對各個系統進行功能危險評估，而后進行周期性的初步系統安全評估，設計定型后要進行系統安全性評估，如圖1所示［2］。

圖1　適航安全性評估過程

FHA是對飛機功能的一次全面檢查，根據故障的類型劃分嚴重程度，針對不同程度的故障有不一樣的安全要求，它包括整機級和系統級。整機級主要針對飛機的基本功能的評估，系統級主要針對系統失效的評估。PSSA是明確各單元的安全要求以及故障產生的原因，是一個反復進行的過程。SSA是驗證系統是否已經滿足了相關的安全要求，它以PSSA和FHA作為基礎。

針對適航安全性的評估方法有多種，以預先危險性分析、故障類型影響和危險度分析、故障樹分析和共因分析為主要分析方法，此外，其他系統安全分析方法在適航安全性評估中的關系如圖2所示。

圖2　系統安全分析方法在適航安全性評估中的關系

系統安全分析方法［3～5］在適航安全性評估中的適用性及應用步驟如下：

●預先危險性分析（Preliminary Hazard Assessment，PHA）

適用于：飛機的功能危險評估階段，即方案設計和初步設計階段。

應用步驟：在對系統分析之前，搜集關于所查系統的有關資料以及其他相關類似系統的相似工藝、元器件組成、結構特點等的適航性資料，明確分析范圍。將研究系統進行功能分解，逐個按照系統工程原理繪出功能框圖，按照預先編制好的安全檢查表逐項進行檢查，最后經過分析得出的表格匯總分析結果，得出適航性評價報告。

●故障類型影響和危險度分析（Failure Modes Effects and Criticality Analysis，FMECA）

適用于：詳細設計階段，對設計進行定性和定量評估。

應用步驟：①識別部件、信號和功能；②故障模式與相關的故障率；③故障影響（本身的或高一層次的）；④可檢查性與檢查方法；⑤補償措施；⑥故障發生的飛行階段；⑦故障嚴重性對飛行的影響。

●區域安全性分析（Zonal Safety Analysis，ZSA）：

適用于：飛機研制階段或后期改型全過程，其分析結果可對相關SSA加以補充。

應用步驟：①進行區域劃分，列出各區域的系統或設備清單，利用系統或設備的失效模式和效果分析（Failure Mode and Effect Analysis，FMEA）的結果；②確定分析準則，實施分析、檢查，并確定是否符合準則要求；③若符合則做出分析結論，若不符合需要列出需改進項目的清單，然后提出改進措施，實施改進措施，再判斷是否符合標準。

●特定危險分析（Particular Risk Analysis，PRA）：

適用于：飛機研制階段或后期改型全過程，其分析結果可對相關SSA加以補充。

應用步驟：①定義被分析的特定風險的細節，定義分析中使用的失效模型并列出需要滿足要求的清單，定義受影響的區域，定義受影響的系統或部件，定義所采用的設計和安全預防措施；②評審特定風險對受影響部件的后果，評審該特定風險由于部件故障模式或其組合對裝備生產的影響；③確定該后果是否可以接受。

●共模分析（Common Mode Analysis，CMA）：

適用于：FHA中災難性的或危險的失效狀態為頂層事件建立的故障樹中的“與門”事件的分析。

應用步驟：①熟悉系統特性，制定CMA清單；②進行CMA對象與要求的確定并對共模故障進行分析；③進行CMA文件內容整理。

2　系統安全分析方法在適航安全性評估中的應用研究

根據適航規章，可將民航客機適航安全體系劃分為整機系統和零部件機載設備材料系統2大類。

整機系統部分分為總體性能、結構強度、液壓系統、電氣系統、動力裝置5個方面；零部件機載設備材料部分分為：儀表與安裝、燈與照明、安全系統、其他設備、設計與構造5個方面［6～9］。

下面以某型飛機整機功能危險分析（FHA）與燃油系統安全性分析為例進行說明。

2.1某型飛機整機功能危險分析（FHA）

具體步驟為：功能分析—功能故障狀態識別—確定功能故障狀態的危險性影響及分類—確定安全性符合性驗證方法—安全性要求分配—填寫FHA表格。

某型飛機的整機FHA表格部分內容如表1所示。

表1　某型飛機的整機FHA表

2.2某型飛機燃油系統安全性分析

燃油系統主要功用是儲存燃油，在允許的飛行狀態和飛行高度等相關條件下，按所需正常的壓力和流量，將燃油安全地供給發動機［10］。飛機的安全極大程度上取決于燃油系統的安全性和可靠性。

燃油系統危險分析表如表2所示。

表2　燃油系統危險分析表

燃油系統的可靠性框圖如圖3所示。

圖3　燃油系統的可靠性框圖

使用FMECA對燃油系統進行危險分析，詳見表3。

2.3燃油系統的故障樹分析

由上述分析可知，燃油系統的故障等級較高，同時其系統各部件數目較多，一旦發生故障，需要較長時間確立故障來源，針對這一實際，根據表3，建立燃油系統故障樹模型如圖4所示。

表3　燃油系統故障類型和危險分析表

根據故障樹最小割集計算方法［11］，計算得飛機燃油系統故障的最小割集為：

最小割集反映了頂層事件所受基本事件影響的程度，每一個最小割集都表示頂事件發生的一種可能。最小割集越多，頂上事件越容易發生。

一個基本事件對頂事件發生的影響大小稱為該基本事件的重要度，為了從結構上明確該故障樹各基本事件對頂事件的影響程度，根據結構重要度計算方法［11］，計算得各基本事件的結構重要度排序如下：

根據結構重要度計算可知：電氣保護裝置失效、燃油切斷活門電瓶故障、APU供電切斷閥故障、引射泵故障、輸油管彎曲阻塞、輸油管破損漏油、不能正常供油、雜質混入油箱、油箱漏油9個基本事件結構重要度較大，對于頂上事件影響較大，應首先考慮著重采取相關安全技術控制和管理措施，并加強日常檢修、維護，確保其運行安全可靠，最大限度減少其導致系統故障的可能。

圖4　飛機燃油系統故障樹（部分）

3　結論

以FAR和CCAR為基礎，以國內外適航性的研究歷史為背景，在民機適航審定工作中探索研究了系統安全性評估流程和主要研究方法。

深入分析了FHA、PSSA、SSA在系統安全性與適航性評估中適用階段和相關作用，探討了各階段中適合的分析方法；

根據FMECA，FTA，SCL等系統安全分析方法的特點，探討了各方法在適航安全性評估中的適用性及應用步驟；

利用FHA、FMECA、FTA分析法，舉例分析了飛機系統中的部分單元的系統安全評估過程，評估結果說明了系統安全分析方法在航空器適航安全性評估中的良好適用性。

適航性的研究在我國還處于起步階段，我國適航性的審定與國際上還有很大差距。進行航空器適航認證過程中，應采取系統安全分析方法進行安全性評估或驗證。系統安全分析方法對于適航安全性評估具有良好的適用性。

［1］張曙光，柯鵬，潘強等編譯.適航性：航空器合格審定引論［M］.北京：北京航空航天大學出版社，2011.

［2］趙廷弟.安全性設計分析與驗證［M］.北京：國防工業出版社，2011.

［3］隋鵬程，陳寶智，隋旭.安全原理［M］.北京：化學工業出版社，2005.

［4］MIL-STD-882D Standard Practice for System Safety：ESOH Risk Management Methodology for Systems Engineering ［S］.

［5］U.S. Federal Aviation Administration. System Safety Handbook. 2000.

［6］CCAR-21-R3 民用航空產品和零部件合格審定規定 ［S］.

［7］CCAR-25-R4 運輸類飛機適航標準 ［S］.

［8］白康明，李巖，張越梅.民機適航審定與標準化 ［J］.航空標準化與質量，2007（6）：25-29.

［9］張超.民機民用航空器適航性技術體系研究 ［J］.航空標準化與質量，2001（2）：22- 26.

［10］何宇廷，何衛峰，吳顯吉，蘇華軍.某型飛機地面壓力加油控制面板艙的優化設計 ［J］.空軍工程大學學報（自然科學版），2002，3（5）：9-11.

［11］張景林，崔國章.安全系統工程 ［M］.北京：煤炭工業出版社，2002.

（編輯：勞邊）

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C

1003-6660（2016）04-0042-05

［收修訂稿日期］ 2016-05-25