何申奧

摘要

隨著經(jīng)濟(jì)和飛機(jī)制造技術(shù)的飛速發(fā)展，民用飛機(jī)正以其安全、經(jīng)濟(jì)、舒適、快捷的特點(diǎn)被越來(lái)越多的乘客所認(rèn)可。盡管民用飛機(jī)被公認(rèn)為最安全的交通運(yùn)輸手段，但自飛機(jī)誕生至今，一些致命的飛行事故仍頻頻發(fā)生。因此在民用飛機(jī)的設(shè)計(jì)過(guò)程中，飛機(jī)設(shè)計(jì)師必須考慮飛機(jī)安全性的要求，使安全性成為民用飛機(jī)的一種基本特性。本文將聚焦民用飛機(jī)的安全性問(wèn)題，概述了民用飛機(jī)安全性的四個(gè)發(fā)展歷程，然后在此基礎(chǔ)上論述了當(dāng)前主要的民用飛機(jī)安全性標(biāo)準(zhǔn)之間的相互關(guān)系，并對(duì)民用飛機(jī)的安全性評(píng)估流程和發(fā)展趨勢(shì)進(jìn)行了論述。

【關(guān)鍵詞】民用飛機(jī) 安全性 安全性標(biāo)準(zhǔn) 安全性評(píng)估

1 引言

以波音787為代表的現(xiàn)代民機(jī)真正實(shí)現(xiàn)了不間斷跨洋和跨洲飛行，人們從此可以乘坐飛機(jī)到達(dá)地球上的任何地方。從上世紀(jì)50年代開(kāi)始的噴氣飛機(jī)時(shí)代，經(jīng)過(guò)幾十年的發(fā)展，民用飛機(jī)始終秉承著更快、更高、更遠(yuǎn)的設(shè)計(jì)理念，使得民用飛機(jī)正以其安全、經(jīng)濟(jì)、舒適、快捷的特點(diǎn)而得到越來(lái)越多乘客的認(rèn)可。安全性、經(jīng)濟(jì)性、舒適性和環(huán)保性等性質(zhì)是在設(shè)計(jì)之初便賦予民用飛機(jī)的基本特征，并且正在越來(lái)越受到民用飛機(jī)制造商和運(yùn)營(yíng)單位的重視。特別是安全性，作為民用飛機(jī)的首要要求，是飛機(jī)制造商賴(lài)以生存和發(fā)展的基礎(chǔ)。安全性是民用飛機(jī)不發(fā)生事故的能力，是民用飛機(jī)最為重要的一個(gè)特性。

伴隨著飛機(jī)制造商對(duì)飛機(jī)設(shè)計(jì)理念的改進(jìn)，各國(guó)的適航部分都頒布了相應(yīng)的適航條例來(lái)確保民用飛機(jī)的運(yùn)營(yíng)安全，如美國(guó)聯(lián)邦航空管理局（FAA）頒布的《聯(lián)邦航空條例》、歐洲航空安全局（EASA）頒布的《聯(lián)合航空規(guī)章》以及我國(guó)民用航空局頒布的《中國(guó)民用航空規(guī)章》等，都是用來(lái)保證民用飛機(jī)運(yùn)行的最低安全性標(biāo)準(zhǔn)能夠得到滿(mǎn)足。

為了提高民用飛機(jī)的安全性，在飛機(jī)的研制階段，必須通過(guò)系統(tǒng)化、規(guī)范化的安全性分析、設(shè)計(jì)和驗(yàn)證等工作，以避免災(zāi)難性事故的發(fā)生和減少事故損失，從而降低飛機(jī)運(yùn)營(yíng)時(shí)的風(fēng)險(xiǎn)，提高飛機(jī)的安全性和使用效能。其中，安全性分析時(shí)安全性工作的核心內(nèi)容，也是安全性設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)，主要包括風(fēng)險(xiǎn)的識(shí)別與機(jī)理分析、風(fēng)險(xiǎn)分析和評(píng)價(jià)等。安全性設(shè)計(jì)則是通過(guò)各種設(shè)計(jì)活動(dòng)來(lái)消除和控制各種風(fēng)險(xiǎn)，提高民用飛機(jī)的安全性。安全性驗(yàn)證則是指飛機(jī)在研制和試用階段，對(duì)飛機(jī)的安全性是否達(dá)到研制要求以及合同規(guī)定的要求給出結(jié)論性意見(jiàn)。

本文圍繞民用飛機(jī)安全性問(wèn)題，首先針對(duì)民用飛機(jī)安全性的發(fā)展歷程進(jìn)行了概述，然后在此基礎(chǔ)，對(duì)當(dāng)前普遍使用的民機(jī)安全性標(biāo)準(zhǔn)以及安全性評(píng)估流程進(jìn)行了簡(jiǎn)單論述與分析，最后，歸納總結(jié)了當(dāng)前民用飛機(jī)安全性的發(fā)展趨勢(shì)。

2 民用飛機(jī)安全性歷史

自1903年萊特兄弟成功設(shè)計(jì)制造出人類(lèi)歷史上的第一架飛機(jī)以來(lái)，飛機(jī)已經(jīng)有了一百多年的發(fā)展歷史。在民用飛機(jī)發(fā)展之初，由于缺乏安全性認(rèn)識(shí)，航空事故不斷發(fā)生，為此，人類(lèi)一直在為提高飛機(jī)的安全性而不斷努力。總體而言，民機(jī)系統(tǒng)安全性設(shè)計(jì)理念大致經(jīng)歷了從最初的追求完整性到現(xiàn)在的故障安全設(shè)計(jì)四個(gè)階段的演變：

（1）1900年到1930年：這是飛機(jī)系統(tǒng)安全性設(shè)計(jì)的起始階段。在這一階段，對(duì)飛機(jī)安全性設(shè)計(jì)認(rèn)識(shí)主要是追求完整性，其設(shè)計(jì)原則是盡可能地設(shè)計(jì)出高可靠性零件和完整的系統(tǒng)功能。該時(shí)期的代表性飛機(jī)主要包括：1903年的萊特飛機(jī)、1927年的圣.路易斯“幽靈”飛機(jī)和1930年的福特三發(fā)飛機(jī)。這一時(shí)期，隨著暴露時(shí)間的增加，導(dǎo)致許多設(shè)計(jì)之初未曾預(yù)計(jì)到的故障發(fā)生，進(jìn)而引發(fā)了很多安全性事故，因此，這一階段的飛機(jī)并不能廣泛地用于商業(yè)運(yùn)行。

（2）1930年到1940年：基于上一階段只追求完整性的教訓(xùn)，使得飛機(jī)設(shè)計(jì)人員意識(shí)到僅僅追求完整性是不能保障飛機(jī)安全性的。因此，在這一階段，對(duì)飛機(jī)安全性設(shè)計(jì)除了考慮完整性之外，還為部分設(shè)計(jì)特征增加了冗余設(shè)計(jì)，如：發(fā)動(dòng)機(jī)、無(wú)線(xiàn)電臺(tái)、空速表等。同時(shí)還增加了計(jì)算單故障的故障率。盡管這些措施在一定程度上改善了民用飛機(jī)的安全性現(xiàn)狀，但這一段的飛機(jī)在飛行操縱、螺旋槳、發(fā)動(dòng)機(jī)失火、有害的環(huán)境條件等方面仍存在不足，安全性問(wèn)題依然突出，因此，這個(gè)時(shí)期的飛機(jī)同樣難以贏得公眾的信任。這一階段的代表性飛機(jī)主要包括第二次世界大戰(zhàn)前的比奇18型飛機(jī)和道格拉斯DC-3、DC-4等運(yùn)輸類(lèi)飛機(jī)。

（3）1945年到1955年：隨著技術(shù)的發(fā)展和經(jīng)驗(yàn)的積累，這一階段，飛機(jī)的安全性有了很大的發(fā)展。1945年，美國(guó)政府部門(mén)聯(lián)合工業(yè)界一起制定了“單故障概念”，并將其引入到了飛機(jī)的設(shè)計(jì)中。所謂的單故障概念是指假設(shè)飛機(jī)每次飛行期間至少發(fā)生一個(gè)故障，而不關(guān)注其概率大小。這一概念對(duì)減少單故障性事故產(chǎn)生了重要影響，從而對(duì)提升飛機(jī)安全性具有重要意義。正因?yàn)轱w機(jī)安全性有了很大的提高，使得空中旅行人次有了巨大的增長(zhǎng)。該時(shí)期的代表性飛機(jī)主要包括：道格拉斯D-6和洛克希德的“星座”。雖然這個(gè)時(shí)期飛機(jī)的安全性有了顯著改進(jìn)，公眾信心有了明顯增加，但事故仍然時(shí)有發(fā)生，其發(fā)生原因往往是多個(gè)故障組合的結(jié)果。

（4）1955年到現(xiàn)在：基于多故障組合導(dǎo)致的安全性問(wèn)題，政府部門(mén)提出了使用“故障一安全”概念來(lái)代替單故障概念。如1955年在新的運(yùn)輸類(lèi)飛機(jī)合格審定規(guī)則中，為渦輪動(dòng)力的飛機(jī)引入了下列理念：必須考慮任一單故障加上任一可預(yù)知故障的組合。這時(shí)，“故障一安全”設(shè)計(jì)的基本原理是：任何一次飛行期間，單故障或可預(yù)知的組合故障不會(huì)阻止飛機(jī)的繼續(xù)安全飛行和著陸。這一理念在經(jīng)歷了三代商用噴氣式飛機(jī)設(shè)計(jì)論證與不斷完善的之后，一系列的安全性分析與驗(yàn)證方法的提出，形成了使用功能危害性評(píng)估 （FunctionalHazardAssessment，F(xiàn)HA）故障樹(shù)分析（FaultTreeAnalysis，ETA）、失效模式與影響分析（FailureModeandEffect Analysis，F(xiàn)MEA）等方法相結(jié)合的飛機(jī)安全性分析與設(shè)計(jì)方法。使得相關(guān)系統(tǒng)的事故率出現(xiàn)了實(shí)質(zhì)性地降低。

3 民用飛機(jī)安全性相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)以及安全性評(píng)估流程

自上世紀(jì)50年代以來(lái)，為了提高民用飛機(jī)的安全性水平，許多成熟的技術(shù)和方法已經(jīng)應(yīng)用到了飛機(jī)的設(shè)計(jì)過(guò)程中。經(jīng)過(guò)幾十年的發(fā)展，美國(guó)聯(lián)邦航空管理局（FAA）和歐洲航空安全局（EASA）提出了采用功能危害性分析（FHA）、初步系統(tǒng)安全性評(píng)估（PreliminarySystemSafetyAssessment，PSSA）、系統(tǒng)安全性評(píng)估（System SafetyAssessment，SSA）、故障失效模式影響分析（FMEA）和共因分析（CommonCauseAnalysis，CCA）等方法進(jìn)行民機(jī)系統(tǒng)安全性設(shè)計(jì)與評(píng)估，以符合運(yùn)輸類(lèi)飛機(jī)適航標(biāo)準(zhǔn)FAR/CS/CCAR 25.1309條款。FAR/CS/CCAR 25.1309條款是整個(gè)飛機(jī)和系統(tǒng)安全性的基礎(chǔ)，它對(duì)災(zāi)難級(jí)、危險(xiǎn)級(jí)、較大的失效狀態(tài)提出了概率要求，且要求單個(gè)失效不能導(dǎo)致飛機(jī)出現(xiàn)災(zāi)難級(jí)事故。在具體的工程應(yīng)用中，確定失效狀態(tài)影響等級(jí)時(shí)可以參考表1所示的原則。

由于現(xiàn)今民機(jī)設(shè)計(jì)有大量復(fù)雜新技術(shù)的使用，對(duì)完成FAR/CS/CCAR 25.1309條款的符合性驗(yàn)證工作又提出了新的挑戰(zhàn)。在此背景下，有關(guān)單位出臺(tái)了一些相關(guān)的工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，用來(lái)輔助完成安全性條款的符合性驗(yàn)證工作。其中美國(guó)機(jī)動(dòng)車(chē)工程師學(xué)會(huì)（Society ofAutomotive Engineers，SAE）出臺(tái)了工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)ARP 4754A《民用飛機(jī)與系統(tǒng)研制指南》以確定飛機(jī)和系統(tǒng)研制流程，確保實(shí)現(xiàn)飛機(jī)安全性需求，以及ARP4761《民用飛機(jī)機(jī)載系統(tǒng)和設(shè)備安全性評(píng)估過(guò)程的指南和方法》對(duì)安全性評(píng)估過(guò)程進(jìn)行了概述。針對(duì)軟件、復(fù)雜電子硬件和綜合模塊化航電系統(tǒng)設(shè)計(jì)，美國(guó)航空無(wú)線(xiàn)電技術(shù)委員會(huì)（Radio Technical Commissionfor Aeronautics，RTCA）和歐洲民用航空設(shè)備組織（European Organization for Civil AviationEquipment，EUROCAE）分別發(fā)布了RTCADO-178B/C（相對(duì)應(yīng)的EUROCAE ED-1213/C） 《機(jī)載系統(tǒng)和設(shè)備合格審定的軟件考慮》給出了關(guān)于軟件研制的詳細(xì)方法，RTCA DO-254（相對(duì)應(yīng)的EUROCAE ED-80）《機(jī)載電子硬件的設(shè)計(jì)保證指南》給出了關(guān)于電子硬件方面研制的內(nèi)容，RTCA DO-297（相對(duì)應(yīng)的EUROCAEED-124）給出了關(guān)于綜合模塊化航空電子系統(tǒng)（IntegratedModularAvionics，IMA）的設(shè)計(jì)指南和對(duì)合格審定的考慮。各工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)之間的相互關(guān)系如圖1所示。

其中ARP 4754A規(guī)定了飛機(jī)和系統(tǒng)的研制方法和流程，是適航當(dāng)局進(jìn)行適航認(rèn)證的重要依據(jù)。ARP 4754A將安全性過(guò)程作為完整研制過(guò)程的一部分，確定了飛機(jī)和系統(tǒng)的研制流程，以確保實(shí)現(xiàn)飛機(jī)的安全性需求。依據(jù)ARP 4754A規(guī)定，在飛機(jī)研制周期的初始，根據(jù)飛機(jī)功能定義文件，要進(jìn)行一次飛機(jī)功能危險(xiǎn)性評(píng)估（AFHA）分析。AFHA通過(guò)系統(tǒng)地、綜合地檢查飛機(jī)的各項(xiàng)功能，識(shí)別功能的失效狀態(tài)，并依據(jù)失效影響的嚴(yán)重程度進(jìn)行分類(lèi);然后以AFHA的分析結(jié)果作為輸入進(jìn)行初步飛機(jī)安全性評(píng)估（PASA），并將各個(gè)功能的安全性需求分配到各個(gè)系統(tǒng)。各個(gè)系統(tǒng)依據(jù)分配結(jié)果，在進(jìn)行一次系統(tǒng)功能危險(xiǎn)性評(píng)估（SFHA）分析，主要包括飛機(jī)級(jí)分配的功能和自身的其它功能。類(lèi)似于飛機(jī)級(jí)的安全性分析，SFHA的分析結(jié)果將進(jìn)一步作為初步系統(tǒng)安全性評(píng)估（PSSA）的輸入，PSSA可以確定軟硬件的安全性設(shè)計(jì)需求以及所需采取的保護(hù)性措施。部件層級(jí)的安全性評(píng)估則主要通過(guò)FMEA和故障模式及影響摘要（FailureModesandEffectsSummary，F(xiàn)MES）實(shí)現(xiàn)。此外，功能、系統(tǒng)或設(shè)備的設(shè)計(jì)可能要求具有獨(dú)立性，設(shè)計(jì)時(shí)需要通過(guò)一定的方法和流程來(lái)確保這種獨(dú)立性的真實(shí)性并且是可以被接受的，為此，一般通過(guò)共因分析（CCA）進(jìn)行分析。

從本質(zhì)上來(lái)說(shuō)，產(chǎn)品研制過(guò)程是反復(fù)迭代的，民用飛機(jī)安全性評(píng)估過(guò)程作為這個(gè)過(guò)程中必不可少的一部分也是不斷迭代的，隨著設(shè)計(jì)的推進(jìn)要不斷地進(jìn)行評(píng)估，直到驗(yàn)證表明設(shè)計(jì)已滿(mǎn)足安全性要求為止。

4 民用飛機(jī)安全性發(fā)展趨勢(shì)

為了進(jìn)一步提高民用飛機(jī)的安全性，除了進(jìn)一步加強(qiáng)安全性分析、設(shè)計(jì)和驗(yàn)證工作外，還需要綜合運(yùn)用人為因素、軟件安全性、風(fēng)險(xiǎn)管理和定量風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估等各種先進(jìn)技術(shù)來(lái)預(yù)防事故發(fā)生。

經(jīng)過(guò)不斷的積累與發(fā)展，關(guān)于民機(jī)安全性設(shè)計(jì)與驗(yàn)證技術(shù)，目前已經(jīng)形成了兩套稍具雛形的方法，分別是基于系統(tǒng)工程的安全性設(shè)計(jì)與驗(yàn)證方法和基于模型形式化的安全性設(shè)計(jì)與驗(yàn)證方法。其中：

（1）基于系統(tǒng)工程的安全性設(shè)計(jì)與驗(yàn)證方法，是將民機(jī)系統(tǒng)安全性設(shè)計(jì)與評(píng)估作為全機(jī)系統(tǒng)工程的一部分，貫穿飛機(jī)全生命周期。在進(jìn)行安全性設(shè)計(jì)和驗(yàn)證工作時(shí)，運(yùn)用系統(tǒng)工程的理論和系統(tǒng)觀(guān)點(diǎn)，把飛機(jī)當(dāng)作一個(gè)系統(tǒng)對(duì)待，從飛機(jī)的整體出發(fā)，考慮飛機(jī)的全生命周期，設(shè)計(jì)出安全的飛機(jī)。

（2）基于模型形式化的安全性設(shè)計(jì)與驗(yàn)證方法，則是對(duì)目標(biāo)系統(tǒng)進(jìn)行自動(dòng)化分析并自動(dòng)生成結(jié)果，可以提高安全性分析效率并降低誤差。目前，該方法并未廣泛應(yīng)用于民機(jī)的設(shè)計(jì)中，但己得到可國(guó)際民機(jī)系統(tǒng)評(píng)估領(lǐng)域的高度重視。

5 總結(jié)

本文聚焦于公眾普遍關(guān)注的民用飛機(jī)安全性問(wèn)題，在分析民用飛機(jī)安全性發(fā)展歷史的基礎(chǔ)上，對(duì)當(dāng)前主要使用的民用飛機(jī)安全性標(biāo)準(zhǔn)及其相互關(guān)系進(jìn)行了剖析，并在此基礎(chǔ)上對(duì)當(dāng)前民用飛機(jī)安全性評(píng)估的流程進(jìn)行了論述。最后，對(duì)民用飛機(jī)安全性的發(fā)展趨勢(shì)進(jìn)行了總結(jié)。

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