黃銘媛 朱 亮 宋智桃
(中國(guó)民用航空上海航空器適航審定中心,上海 200335)
大型民用飛機(jī)是一項(xiàng)多學(xué)科的大系統(tǒng)工程。此類復(fù)雜系統(tǒng)需要應(yīng)用科學(xué)、有效的系統(tǒng)安全性評(píng)估過(guò)程,以表明對(duì)適航標(biāo)準(zhǔn)相關(guān)條款符合性。作為傳統(tǒng)的系統(tǒng)安全性評(píng)估方法之一的,故障樹分析(FTA)通過(guò)與系統(tǒng)安全性評(píng)估過(guò)程保證的有效結(jié)合,在實(shí)現(xiàn)大系統(tǒng)研制的階段目標(biāo)中發(fā)揮著重要作用。在系統(tǒng)安全性評(píng)估過(guò)程管理活動(dòng)中,F(xiàn)TA通常應(yīng)用于系統(tǒng)概念設(shè)計(jì)階段的初步飛機(jī)級(jí)安全性評(píng)估(PASA),初步系統(tǒng)級(jí)安全性評(píng)估(PSSA)過(guò)程,或系統(tǒng)概念形成后飛機(jī)級(jí)安全性評(píng)估(ASA),和系統(tǒng)級(jí)安全性評(píng)估過(guò)程(SSA)。在過(guò)程應(yīng)用中,應(yīng)當(dāng)重視若干適航關(guān)注問題,如工作方案和計(jì)劃制定,頂事件完備性和正確性以及對(duì)最小割集的分析等[1-5]。
為了保障民用航空安全和維護(hù)公眾權(quán)益,民用航空器的設(shè)計(jì)必須達(dá)到中國(guó)民航局適航部門制定的最低安全標(biāo)準(zhǔn),表明其對(duì)適用標(biāo)準(zhǔn)的符合性。作為適航管理最重要的環(huán)節(jié),型號(hào)合格審定(TC,簡(jiǎn)稱“適航審定”)工作應(yīng)依據(jù)適用標(biāo)準(zhǔn),按嚴(yán)格詳細(xì)的審定程序?qū)γ裼煤娇掌髟O(shè)計(jì)過(guò)程和工作進(jìn)行審查和監(jiān)督。
大型民用飛機(jī)適用于中國(guó)民用航空規(guī)章第25部運(yùn)輸類飛機(jī)適航標(biāo)準(zhǔn)(即CCAR 25部)。該標(biāo)準(zhǔn)第25.1309條設(shè)備、系統(tǒng)及安裝的(b)款屬通用的安全性要求,適用于多數(shù)機(jī)載設(shè)備及系統(tǒng),其具體要求如下:
第25.1309條 設(shè)備、系統(tǒng)及安裝
……
(b)飛機(jī)系統(tǒng)與有關(guān)部件的設(shè)計(jì),在單獨(dú)考慮以及與其它系統(tǒng)一同考慮的情況下,必須符合下列規(guī)定:
(1)發(fā)生任何妨礙飛機(jī)繼續(xù)安全飛行與著陸的失效狀態(tài)的概率為極不可能;
(2)發(fā)生任何降低飛機(jī)能力或機(jī)組處理不利運(yùn)行條件能力的其它失效狀態(tài)的概率為不可能。
……
隨著軟、硬件系統(tǒng)和設(shè)備的發(fā)展,民機(jī)機(jī)載系統(tǒng)的集成度和復(fù)雜度越來(lái)越高,僅用傳統(tǒng)驗(yàn)證方法如試驗(yàn)等已無(wú)法滿足25.1309(b)的安全性要求。針對(duì)這些高集成、復(fù)雜系統(tǒng),需要借助系統(tǒng)化分析方法和過(guò)程保證技術(shù)來(lái)表明對(duì)25.1309(b)的符合性。
故障樹分析技術(shù),作為經(jīng)多年實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)證明其作用的工具,其結(jié)構(gòu)化的系統(tǒng)安全性分析方法特點(diǎn),被國(guó)際適航組織和各國(guó)適航審定機(jī)構(gòu)認(rèn)可,以建議的形式將其納入可接受的符合性方法,如FAA的咨詢通告AC 25.1309-1A、EASA的可接受符合性方法AMC25.1309中分別將故障樹分析技術(shù)接受為可用于表明符合性的系統(tǒng)安全性評(píng)估技術(shù)之一[1-3]。
而針對(duì)復(fù)雜系統(tǒng)的工程管理,工業(yè)界廣泛采納的工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)和指導(dǎo)文件有汽車工程師協(xié)會(huì)(SAE)ARP 4754A《民用飛機(jī)與系統(tǒng)研制指南》、ARP 4761《對(duì)民用機(jī)載系統(tǒng)和設(shè)備執(zhí)行安全評(píng)估過(guò)程的指南和方法》等。這些標(biāo)準(zhǔn)是基于系統(tǒng)工程理論,通過(guò)雙V模型過(guò)程保證手段,對(duì)大型民用飛機(jī)滿足適航要求提供有效的指導(dǎo)。如果這些能得以正確、嚴(yán)肅的貫徹執(zhí)行,局方也認(rèn)為是表明對(duì)25.1309(b)符合性的有效方法[2-3]。在系統(tǒng)安全性過(guò)程中非常重要的應(yīng)用工具之一,即是故障樹分析技術(shù)。因此,將故障樹分析技術(shù)應(yīng)用于ARP4761系統(tǒng)安全性評(píng)估過(guò)程管理活動(dòng),可為表明對(duì)25.1309(b)符合性提供支持。
一個(gè)成功執(zhí)行的故障樹分析,通常需要8個(gè)步驟,見圖1[6]。其中,①~⑤可歸納為對(duì)該FTA的問題界定。建樹過(guò)程中大多數(shù)步驟是串行的,而③~⑤步可以同步進(jìn)行。在構(gòu)建和評(píng)估故障樹時(shí),通常會(huì)產(chǎn)生對(duì)④和⑤的反饋[6]。下面就執(zhí)行故障樹步驟的關(guān)鍵要素做簡(jiǎn)要分析。
圖1 FTA基本過(guò)程
確定目標(biāo)是FTA的第一步。成功的目標(biāo)設(shè)定需要充分理解系統(tǒng)設(shè)計(jì)和運(yùn)行,并且獲取當(dāng)前可用的設(shè)計(jì)數(shù)據(jù),包括結(jié)構(gòu)圖、原理圖等。
頂事件定義,即識(shí)別并定義有待分析的系統(tǒng)失效模式,其是不期望發(fā)生的事件,有待分析得出其失效原因,并確定其失效概率。頂事件的定義非常關(guān)鍵,其直接指導(dǎo)后續(xù)的FTA所有分析工作。若頂事件定義不正確,則整個(gè)FTA分析就是錯(cuò)誤的,并導(dǎo)致錯(cuò)誤的決策。因此,正確定義和理解分析目標(biāo)和待解決問題非常重要。
形象的說(shuō),故障樹展現(xiàn)的是在給定時(shí)間、給定構(gòu)型和給定邊界下,特定系統(tǒng)呈現(xiàn)出的一幅全景圖像[6]。與所有模型化方法一樣,故障樹在建樹前也需要定義分析范圍或分析邊界,即確定哪些在分析內(nèi),哪些在分析外。此外,還有一些邊界上對(duì)象,它們的定義將影響分析邊界內(nèi)的內(nèi)容,這些即是接口狀態(tài),需要以假設(shè)方式作為系統(tǒng)輸入進(jìn)行定義。在建樹過(guò)程中,邊界可能會(huì)發(fā)生改變,應(yīng)對(duì)這些邊界進(jìn)行跟蹤、管理和記錄。
故障樹的范圍可能包括:特定的設(shè)計(jì)版本、待分析系統(tǒng)相關(guān)的歷史時(shí)間、組件的初始狀態(tài)、系統(tǒng)假設(shè)輸入、系統(tǒng)接口等。例如,分析飛控系統(tǒng)的某失效狀態(tài)。那么定義該步驟時(shí),需要確定該飛控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)版本,運(yùn)行模式,需考慮哪些組件失效,以及與飛控系統(tǒng)的接口(如支持系統(tǒng)/能源系統(tǒng),作動(dòng)信號(hào)等)的失效模型。
如果不對(duì)分解程度(或稱建樹深度)做初步規(guī)劃和定義,可能會(huì)導(dǎo)致在建樹過(guò)程中迷失目標(biāo),更可能建成龐大繁瑣、喪失結(jié)構(gòu)化又失去分析意義的無(wú)用樹[7]。而分解程度的一般原則是,建到足以識(shí)別功能依賴性的深度,或者是建到與可用數(shù)據(jù)和分析目標(biāo)一致的深度。例如,如果頂事件是系統(tǒng)功能失效,一般分解到系統(tǒng)主要組件即可。如果需要做定量分析,則以獲得對(duì)頂事件最優(yōu)估計(jì)為目標(biāo),在考慮現(xiàn)有數(shù)據(jù)和其他信息的前提下,通常分解到有最佳可用概率數(shù)據(jù)的程度。
定義基本原則的主要目的是保證不同人員在做不同故障樹分析時(shí)保持一致性。建故障樹的最基本原則就是“往小里想”,或者更精確地說(shuō)是“往近處想”[7-9]。每次只想一小步,確保覆蓋所有的主要原因以及它們之間的關(guān)系,不要直接跳躍到基本原因事件?;驹瓌t涉及程序規(guī)定和命名方式、特定組件失效、人為差錯(cuò)、共因失效模式等。
故障樹的構(gòu)建是一個(gè)不斷迭代的過(guò)程,從定義頂事件開始,在基本原則的指導(dǎo)下,逐級(jí)向下推理,確定各層級(jí)邏輯門的類型以及邏輯門的輸入條件,包括系統(tǒng)正常和失效事件,直到所有事件是可識(shí)別的硬件失效、軟件失效和人為差錯(cuò)這些基礎(chǔ)事件為止。在推理過(guò)程中,可以應(yīng)用一些概念模型或方法論幫助推理的完整和正確,如I-N-S,SS-SC,P-S-C概念模型[7-8]。
評(píng)估故障樹,包括定性和定量評(píng)估。定性評(píng)估包括確定故障樹的定性重要度及共因可能性。而定量評(píng)估主要用于確定頂事件發(fā)生概率和基礎(chǔ)事件的重要度,進(jìn)而可以根據(jù)導(dǎo)致頂事件的重要度排序,對(duì)措施和資源進(jìn)行優(yōu)化排序。最小割集是對(duì)故障樹定性評(píng)估和定量評(píng)估的重要工具,也即是對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行分析的重要工具。
對(duì)故障樹分析結(jié)果的解釋說(shuō)明和介紹,應(yīng)重點(diǎn)放在解釋說(shuō)明,而不僅僅是介紹。分析結(jié)果必須結(jié)合目標(biāo)進(jìn)行解讀并給出切實(shí)的意義,尤其應(yīng)重點(diǎn)突出可能對(duì)目標(biāo)產(chǎn)生潛在影響的部分。
復(fù)雜系統(tǒng)的民機(jī)安全性評(píng)估過(guò)程管理,是秉持系統(tǒng)化分析方法和工程管理相結(jié)合的原則,介入并密切跟蹤民機(jī)研制全過(guò)程,及時(shí)更新特定評(píng)估產(chǎn)生的分析性證據(jù),以表明對(duì)適用適航標(biāo)準(zhǔn)的符合性(如25.1309(b))的系列管理活動(dòng)。
從設(shè)計(jì)角度來(lái)看,故障樹分析工作需要系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員、系統(tǒng)工程管理人員、系統(tǒng)安全性分析人員的積極配合,發(fā)揮各自的優(yōu)勢(shì),利用好故障樹分析開展系統(tǒng)安全性評(píng)估過(guò)程,并融入研制雙V管理活動(dòng)。而結(jié)合故障樹分析的大型民機(jī)適航審定,實(shí)際是針對(duì)大型民機(jī)特定系統(tǒng)安全性評(píng)估過(guò)程各階段進(jìn)行評(píng)審,通過(guò)全面審查階段性故障樹分析結(jié)果的正確性和完整性,作為認(rèn)可系統(tǒng)安全性評(píng)估階段狀態(tài)的支持證據(jù)之一。
因此,適航審定人員不僅要充分、全面理解審定對(duì)象的系統(tǒng)設(shè)計(jì),還要掌握故障樹分析技術(shù)及安全性評(píng)估過(guò)程管理,通過(guò)相關(guān)內(nèi)容的全面、細(xì)致、嚴(yán)格地審查,以確保符合要求。并且適航更關(guān)注其在系統(tǒng)安全性評(píng)估過(guò)程管理活動(dòng)中,作為一種分析工具或技術(shù)是否能夠得以正確的應(yīng)用,從而達(dá)到各過(guò)程的目標(biāo)。
圖2 某典型FTA時(shí)間表
下面詳細(xì)分析系統(tǒng)安全性評(píng)估過(guò)程中FTA的應(yīng)用通常存在的問題和解決思路,并給出舉例。
由于系統(tǒng)安全性工作貫穿設(shè)計(jì)整過(guò)程,同時(shí)牽涉到飛機(jī)設(shè)計(jì)總體、各系統(tǒng)設(shè)計(jì)、安全性總體、系統(tǒng)安全性分析各部門眾多人員的參與,并且作為基于系統(tǒng)工程和過(guò)程管理的系統(tǒng)安全性評(píng)估過(guò)程管理,如未在項(xiàng)目初期制定良好的系統(tǒng)安全性大綱及工作計(jì)劃,以規(guī)范化系統(tǒng)安全性評(píng)估工作,勢(shì)必在設(shè)計(jì)過(guò)程中發(fā)生安全性分析工作與設(shè)計(jì)工作不匹配,未發(fā)揮安全性分析評(píng)估系統(tǒng)架構(gòu)作用,甚至飛機(jī)級(jí)與系統(tǒng)級(jí)安全性工作脫節(jié)等嚴(yán)重問題。而作為應(yīng)用于各過(guò)程的重要工具FTA,隨著設(shè)計(jì)、評(píng)估過(guò)程的不斷深入也需要進(jìn)行修訂和迭代的計(jì)劃。但目前實(shí)踐中,多數(shù)系統(tǒng)安全性大綱及工作計(jì)劃僅側(cè)重時(shí)間節(jié)點(diǎn)的安排,未具體化各階段FTA的修訂、迭代需達(dá)到的程度及目標(biāo)。
因此,建議在系統(tǒng)安全性評(píng)估初期,設(shè)計(jì)單位就應(yīng)制定實(shí)施FTA的工作計(jì)劃或大綱??梢园压收蠘浞治龉ぷ饔?jì)劃融入系統(tǒng)安全性專題計(jì)劃,即系統(tǒng)安全性專題計(jì)劃中包含對(duì)故障樹分析的工作計(jì)劃內(nèi)容。合理的故障樹分析計(jì)劃應(yīng)保證其在各階段的分析詳細(xì)程度與該階段設(shè)計(jì)的細(xì)節(jié)水平相匹配,并且設(shè)置合理的關(guān)鍵節(jié)點(diǎn),適時(shí)對(duì)故障樹進(jìn)行修訂迭代。如設(shè)計(jì)凍結(jié)后,故障樹分析的修訂取決于設(shè)計(jì)更改的程度。故障樹分析的基本事件失效率是基于失效模式與影響總結(jié)(FMES),如果硬件設(shè)計(jì)更改導(dǎo)致故障率變化反映在FMES中,則要求更新FTA。在飛機(jī)試飛階段后期,應(yīng)再次評(píng)估FTA。由于試飛大綱執(zhí)行過(guò)程中產(chǎn)生的設(shè)備設(shè)計(jì)更改,應(yīng)反映在FTA中,并且這些FTA應(yīng)作為設(shè)備合格審定支持文件的一部分。圖2中以某典型FTA時(shí)間表為例[6],分析如下:“初始”FHA作為FTA過(guò)程的第一步,用于確定系統(tǒng)失效組合,向系統(tǒng)分配概率預(yù)算值。
“第1次迭代”是FTA的第一次修改??赡茉蛴性谛枨蟠_認(rèn)過(guò)程中導(dǎo)致的設(shè)計(jì)更改,或?qū)ψ畛踉O(shè)計(jì)假設(shè)的明確。這次FTA迭代作為系統(tǒng)構(gòu)架選型過(guò)程的一部分,并向更低層級(jí)事件分配風(fēng)險(xiǎn)和概率預(yù)算值。
“第2次(原型機(jī))迭代” 是基于硬件或軟件詳細(xì)設(shè)計(jì)過(guò)程獲得的認(rèn)知進(jìn)行。在這個(gè)階段,需要完成將失效模式與影響總結(jié)(FMES)或其他來(lái)源得到的失效率代入故障樹基本事件,計(jì)算頂事件失效概率,將頂事件失效概率與實(shí)用的安全性要求對(duì)比,作為設(shè)備設(shè)計(jì)驗(yàn)證過(guò)程的一部分。完成第2次迭代后的FTA版本可以作為成功完成“設(shè)計(jì)凍結(jié)”里程碑事件所需支持文件的一部分。
“首次(生產(chǎn))修改”包括原型機(jī)試驗(yàn)過(guò)程中暴露的問題進(jìn)行硬件或軟件設(shè)計(jì)更改所造成的故障樹更改。
“最終樹”是由分析人員通過(guò)合并基于飛行試驗(yàn)對(duì)硬件或軟件所采取糾正措施導(dǎo)致的任何故障樹更改,建立的最終故障樹。最終故障樹版本可以成為完成合格審定——另一個(gè)里程碑——所需系統(tǒng)安全性評(píng)估文件中的一部分[6]。
單個(gè)頂事件定義的正確以及頂事件集合的完備對(duì)系統(tǒng)安全性評(píng)估過(guò)程活動(dòng)具有重要意義,其直接影響故障樹分析的正確性。即頂事件的集合應(yīng)保證所識(shí)別的事件可追溯性、完整性和正確性,事件的描述應(yīng)當(dāng)清晰、簡(jiǎn)潔和準(zhǔn)確。但從目前的系統(tǒng)安全性分析實(shí)踐來(lái)看,由于經(jīng)驗(yàn)不足或缺乏保證完備性的手段和方法,存在頂事件集不完備或頂事件描述不準(zhǔn)確的問題。
因此,建議分析人員在系統(tǒng)安全性評(píng)估各階段應(yīng)編制不期望發(fā)生事件的清單,并有手段和方法保證該清單產(chǎn)生的完整性。其中的每個(gè)不期望發(fā)生的事件都需成為某一故障樹的頂事件。根據(jù)不同系統(tǒng)安全性評(píng)估階段,頂事件有不同的來(lái)源。通常,F(xiàn)TA的頂事件來(lái)源于本層級(jí)FHA確定的失效狀態(tài)以及上一層級(jí)PASA/PSSA中FTA分解得出的底事件作為本層級(jí)的頂事件。表1是不同約定層級(jí)FTA頂事件的可能來(lái)源。
表1 頂事件來(lái)源
表2 SSA中頂事件描述措辭不當(dāng)舉例
表2是SSA階段中頂事件描述措辭不當(dāng)?shù)睦?,由于SSA階段設(shè)計(jì)構(gòu)型基本確定,若頂事件描述時(shí)措辭不當(dāng),將使得故障樹無(wú)法順利建立[6]。
在安全性評(píng)估過(guò)程的不同階段最小割集的結(jié)果將反映不同層級(jí)設(shè)計(jì)架構(gòu)分配安全性指標(biāo),并且確認(rèn)驗(yàn)證設(shè)計(jì)架構(gòu)是否滿足安全性需求。最小割集是可導(dǎo)致頂事件的基礎(chǔ)事件的最小組合,其將頂事件與其基礎(chǔ)事件原因直接聯(lián)系。分析人員無(wú)論采用何種概念、模型和方法來(lái)建樹、分析,但是在建樹正確和完整的前提下,對(duì)于某頂事件產(chǎn)生的最小割集應(yīng)是相同的。最小割集反映了系統(tǒng)的重要信息。但由于工程經(jīng)驗(yàn)不足,在各階段故障樹建立后,分析人員對(duì)最小割集的分析不夠充分,這將直接導(dǎo)致安全性分析的不徹底,忽略系統(tǒng)關(guān)鍵要素,從而導(dǎo)致因分析未到位產(chǎn)生更改系統(tǒng)架構(gòu)的巨大風(fēng)險(xiǎn)。
因此,建議對(duì)最小割集進(jìn)行充分的定性和定量分析。并特別注意最小割集反映的以下信息,如:低階次的最小割集表明具有較高安全漏洞。單階次最小割集(如單點(diǎn)失效)將導(dǎo)致最高的風(fēng)險(xiǎn)。即只有一個(gè)基礎(chǔ)事件的最小割集(即單個(gè)失效或單個(gè)事件)會(huì)引起頂事件發(fā)生。這些單個(gè)失效就是薄弱環(huán)節(jié),需要升級(jí)和采取預(yù)防措施。最小割集中的事件如果都具備相同的特性,則暗示了這些失效具有相關(guān)性,或會(huì)由于共因而破壞冗余。
由于故障樹是作為安全性分析的工具,其分析的結(jié)果將被各級(jí)安全性工程師、設(shè)計(jì)人員及適航審查人員檢索和查閱,因此有必要建立統(tǒng)一、規(guī)范和清晰的解釋說(shuō)明要求以規(guī)范管理。但在目前的實(shí)踐中,由于缺乏頂層規(guī)劃和對(duì)統(tǒng)一數(shù)據(jù)重要性的認(rèn)識(shí),各系統(tǒng)的故障樹分析結(jié)果解釋說(shuō)明不規(guī)范、不清晰,這將給安全性工作與設(shè)計(jì)工作的結(jié)合、以及相關(guān)人員之間的溝通理解帶來(lái)不便。
因此,建議建樹后分析人員需首先對(duì)故障樹數(shù)據(jù)進(jìn)行規(guī)范化和總結(jié),并用文件證明故障樹架構(gòu)能否滿足頂事件需求。如,適航審查人員通常以“每飛行小時(shí)失效概率”來(lái)表述其安全性要求。如果對(duì)分析的系統(tǒng)有這些類型的要求,那么分析人員必須“規(guī)范化”頂事件失效概率數(shù)值。若頂事件概率是以每次飛行計(jì)算的,分析人員應(yīng)將概率值除以飛行時(shí)間或其它相應(yīng)的時(shí)間,以獲得每飛行小時(shí)失效概率的頂事件規(guī)范值[5-8]。
同時(shí),建議通過(guò)創(chuàng)建FTA數(shù)據(jù)總結(jié)表來(lái)進(jìn)行管理,有助于適航審查人員和設(shè)計(jì)人員檢索所有相關(guān)FTA結(jié)果。此類FTA數(shù)據(jù)總結(jié)表建議至少包括以下信息:頂事件來(lái)源、編號(hào)、內(nèi)容、最大允許概率值、FTA檢索號(hào)、計(jì)算結(jié)果、是否滿足安全性需求、措施等。
故障樹分析技術(shù),作為傳統(tǒng)的系統(tǒng)安全性分析方法,在大型民用飛機(jī)復(fù)雜系統(tǒng)的系統(tǒng)安全性過(guò)程管理中將發(fā)揮更大作用。但是,如何達(dá)到表明適航標(biāo)準(zhǔn)符合性的目的,如何將FTA分析和過(guò)程保證進(jìn)行有效結(jié)合,如何應(yīng)用好故障樹分析工具是需要重點(diǎn)關(guān)注的問題。本文對(duì)于上述問題進(jìn)行了思考和探討,根據(jù)故障樹分析的技術(shù)特點(diǎn),討論給出了其在民機(jī)系統(tǒng)安全性評(píng)估過(guò)程管理中的適航審定考慮,就若干問題進(jìn)行梳理、給出解決思路和實(shí)例,滿足研制和審定工作的需要。
[1] CCAR-25-R4 運(yùn)輸類飛機(jī)適航標(biāo)準(zhǔn)[S].
[2] (Federal Aviation Administration)Advisory Circular 25.1309-1A System Design and Analysis
[3] (European Aviation Safety Agency)Certi fi cation Speci fi cations for Large Aeroplanes CS-25-Book 2-Acceptable Means of Compliance 25.1309:2-F-55-2-F-58.
[4] (Society of Automotive Engineers)Aerospace Recommended Practice 4754A Guidelines for Development of Civil Aircraft and Systems[S].
[5] (Society of Automotive Engineers)Aerospace Recommended Practice 4761 Guidelines and Methods for Conducting the Safety Assessment Process on Civil Airborne Systems and Equipment[S].
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