航空裝備系統(tǒng)安全應(yīng)用技術(shù)研究

何鐘武（洪都航空工業(yè)集團 江西 南昌 330024 ）

航空裝備系統(tǒng)安全應(yīng)用技術(shù)研究

何鐘武（洪都航空工業(yè)集團 江西 南昌 330024 ）

為了消除系統(tǒng)研制錯誤、保證所有的故障狀態(tài)均得到識別，真正實現(xiàn)裝備使用時的安全、可靠、經(jīng)濟，本文剖析了航空裝備有關(guān)安全性方面的傳統(tǒng)理念誤區(qū)，從組織、人為、技術(shù)、風(fēng)險權(quán)衡、結(jié)構(gòu)化的設(shè)計保證和嚴格的過程控制等方面，介紹和分析了國外有關(guān)系統(tǒng)安全的新理念，提出了在大系統(tǒng)、大綜保環(huán)境下統(tǒng)籌系統(tǒng)安全工作的觀點，并據(jù)此給出了裝備研制階段系統(tǒng)安全工作的思路：一是嚴格執(zhí)行結(jié)構(gòu)化的設(shè)計保證與過程控制，二是充分協(xié)調(diào)研制與安全性評估過程的關(guān)系。

系統(tǒng)安全；組織管理；軍機適航；人為因素；風(fēng)險權(quán)衡

M IL-STD-882D中將系統(tǒng)安全定義為：在作戰(zhàn)效能、時間和費用的約束下，在系統(tǒng)壽命周期的各階段，應(yīng)用工程和管理的原則、準則與技術(shù)，使災(zāi)難性風(fēng)險達到可接受的水平[1]。

系統(tǒng)安全改變了系統(tǒng)（按參考文獻[2]的定義）研制中，通過“試驗—改進—試驗”的“試錯”法獲得可接受的安全性水平這一傳統(tǒng)觀念，它要求在系統(tǒng)整個壽命周期中都應(yīng)識別、分析和控制危險，強調(diào)在系統(tǒng)設(shè)計階段應(yīng)把安全性要求融入到系統(tǒng)中，以保證系統(tǒng)在以后的試驗、制造、使用、保障以及退役處置中都是安全的[2]。

像大型客機、第三及第四代戰(zhàn)機這類現(xiàn)代航空裝備屬于復(fù)雜裝備，而人們對系統(tǒng)安全技術(shù)的應(yīng)用，目前仍有各種各樣認識上的誤區(qū)，如果這些認識上的誤區(qū)不加以解決，輕則影響裝備的研制進度，重則影響裝備研制的成敗。因此，裝備的研制只有貫徹正確的理念，才能將安全性這一質(zhì)量特性，固化到裝備中去，并保證裝備使用時的安全、可靠與經(jīng)濟。為此，本文特對航空裝備研制中系統(tǒng)安全性方面的傳統(tǒng)理念進行剖析，對國外有關(guān)系統(tǒng)安全的新理念進行分析，并以此為基礎(chǔ)，給出裝備研制階段系統(tǒng)安全工作的思路。

1 傳統(tǒng)理念

不管是裝備型號的研制方還是使用方，都堅持以“安全第一”的思想，作為裝備研制與使用的基本工作方針與策略，都非常重視系統(tǒng)安全技術(shù)的研究與應(yīng)用。但是，在工程的實際工作中，人們往往堅信以下理念：

?事故調(diào)查能從根本上解決安全性問題；

?符合相關(guān)規(guī)章和標準，就能滿足安全性要求；

?適航是系統(tǒng)安全工作的具體化；

?通過試驗和分析，能保證裝備的安全。

1.1 事故調(diào)查不能從根本上解決安全性問題

在早期的航空裝備中，對各系統(tǒng)確定了很高的安全性目標，但沒有可利用手段與資源去實現(xiàn)它，以致于事故頻發(fā)。早期的航空裝備以高頻事故為特征，并由此產(chǎn)生了安全壓倒一切的思想以預(yù)防重大事故的發(fā)生，從而使得事故的調(diào)查成了事故預(yù)防的主要方法，以防止釀成事故的重大故障在同型號或其它型號上再現(xiàn)。

圖1介紹了傳統(tǒng)的事故調(diào)查過程[3]。傳統(tǒng)的事故調(diào)查，往往讓人們?nèi)ゲ檎彝话l(fā)安全事件鏈中的某一點或某些點。當查不到技術(shù)原因的時，人們往往轉(zhuǎn)而去查使用者的一些不安全的做法。即：根據(jù)事件的結(jié)果去調(diào)查航空器的使用者：做錯了什么或應(yīng)該做什么而又沒有做。這種調(diào)查結(jié)果對安全事故而言，只能是后見之明；對當事者而言，只能是受到無謂的指責(zé)或不同程度地感到“內(nèi)疚”，并且無法逃避因沒有“履行安全”的責(zé)任而受到處罰。

事故調(diào)查所帶來的唯一收獲就是：只能實現(xiàn)部分的FRACAS（故障報告、分析、糾正措施系統(tǒng)）“歸零”（雙五歸零）。因為，2009年6月法航一架載有228人的空客A 330-200客機，在大西洋海域上空失蹤，到目前為止，其真正的失事原因還未找到。因此，有時血的代價還不一定能換來技術(shù)上的教訓(xùn)。

事故的調(diào)查雖然在確定發(fā)生了“什么”、是“誰”干的、發(fā)生在“什么時候”等方面比較高效，但是在披露事故“為什么”和“怎么樣”發(fā)生時總顯得力不從心[3]。

1.2 符合相關(guān)的規(guī)章和標準不一定能滿足安全性要求[2]

不可否認，尤其是當航空裝備的復(fù)雜性不斷增加時，規(guī)章和標準，對航空安全所起的作用日顯巨大，并演變?yōu)榇_保裝備安全性水平的中流砥柱！但事實上，飛行事故還是在持續(xù)發(fā)生。后來，人們發(fā)現(xiàn)：“只要滿足規(guī)定的設(shè)計規(guī)章和標準，就能保證安全”是一個謬論[2]！對航空領(lǐng)域這樣開放而且動態(tài)的體系而言，想寄希望于規(guī)章和標準解決所有使用環(huán)節(jié)中的安全性問題，那是不可能的。這主要是因為規(guī)章和標準：

（1）常常是“墓碑命令”

規(guī)章和標準不能囊括系統(tǒng)的所有情況。它常常是對已有經(jīng)驗或教訓(xùn)的被動反應(yīng)，它來源于適航當局、產(chǎn)品的設(shè)計者、試驗人員以及事故調(diào)查者等人的歷史經(jīng)驗與教訓(xùn)。也就是說，它們是對不希望發(fā)生而又已經(jīng)發(fā)生的事件的反應(yīng)，即所謂的“墓碑命令”。

（2）受時間和空間的制約

規(guī)章和標準是在一定時間（歷史）和空間（具體的使用環(huán)境）下形成的，受時間和空間的制約,在時間維上總是落后于技術(shù)的發(fā)展，因而使得它常常不完全適用于正在研制的整個系統(tǒng)（整機），并且很難考慮到全壽命周期的情況。

（3）不能保證裝備所有功能故障狀態(tài)均已考慮

規(guī)章和標準本身不能夠包含一切，每一規(guī)章和標準討論的往往是子系統(tǒng)或部件，而這些子系統(tǒng)或部件的故障又不是裝備發(fā)生事故的本質(zhì)。事故的發(fā)生往往是不同故障的組合，甚至是不同系統(tǒng)間故障的相互作用。不同的航空裝備，其功能不一樣，這就決定了其系統(tǒng)構(gòu)架也不盡相同。顯然，規(guī)章和標準無法考慮到裝備所有功能的故障狀態(tài)。

（4）鼓勵的是滿足最低的安全性要求

規(guī)章和標準并未激勵人們?nèi)ミM一步考慮系統(tǒng)的安全。通常，規(guī)章和標準代表的是特定形式系統(tǒng)所應(yīng)考慮的最低要求，它并未指明人們設(shè)計時應(yīng)回避的危險。如：對飛機的襟翼操縱系統(tǒng)，要求有雙余度，但沒有說明這是為了防止襟翼功能突然失效致使飛機起飛或著陸時不能保持姿態(tài)或沖出跑道時而發(fā)生等級事故。

圖2 復(fù)雜系統(tǒng)示例[4]

（5）經(jīng)濟可承受性可能沒有得到充分的考慮

人們往往認為：由于適航規(guī)章規(guī)定的是最低的安全性要求，滿足規(guī)章的要求就是以一種最為經(jīng)濟的方式滿足安全性要求。非也！因為衡量經(jīng)濟性的唯一標準是ALARP（風(fēng)險低到合理可行）。昨天認為要降低風(fēng)險，可能需要很大的成本，但隨著技術(shù)的發(fā)展，今天可能并不需要太多的成本。

1.3 適航不等同于系統(tǒng)安全[2]

在航空工業(yè)部門，系統(tǒng)安全往往成了適航的代名詞，系統(tǒng)安全即適航。然而，適航關(guān)心的是適航取證期間業(yè)已批準的飛機構(gòu)型，而且主要專注于飛機的持續(xù)安全飛行與著陸；而系統(tǒng)安全關(guān)注的不只是適航審定基礎(chǔ)，它還取決于系統(tǒng)的等級層次（如：軍用飛機和模擬器、保障設(shè)備、導(dǎo)彈一起構(gòu)成軍用飛機系統(tǒng)…）。因此，適航當局關(guān)心的只是飛機及機載系統(tǒng)的安全性，而系統(tǒng)安全則還關(guān)注航空裝備同保障系統(tǒng)接口安全等諸多問題。適航審定的工作隨著型號審定過程的結(jié)束而結(jié)束，而系統(tǒng)安全則是航空裝備全壽命期內(nèi)的工作。

1.4 通過試驗和分析不能保證裝備的安全

現(xiàn)代航空裝備，越來越多地使用功能增強和接口復(fù)雜的系統(tǒng)（如：駕駛艙綜合顯示系統(tǒng)，飛行控制、飛行管理、空中交通控制、通訊管理等系統(tǒng)）?，F(xiàn)代復(fù)雜系統(tǒng)/子系統(tǒng)/設(shè)備/軟件/硬件的輸入量很多，系統(tǒng)間的邏輯關(guān)系相互交叉。圖2給出了一個復(fù)雜系統(tǒng)示例。由該圖不難得出復(fù)雜系統(tǒng)具有以下屬性：

?系統(tǒng)的接口邏輯難于理解[4] ；

?難以用試驗和／或分析的手段，確定所有的系統(tǒng)狀態(tài)[5][6][7]；

?需要結(jié)合結(jié)構(gòu)化的設(shè)計保證和嚴格的過程控制方法，來保證系統(tǒng)安全。

因此，現(xiàn)代航空裝備無法證明試驗做多少或做到什么程度才叫充分，故而無法依靠試驗和分析的手段，來保證裝備使用時的安全。

2 系統(tǒng)安全新理念

2.1 事故的發(fā)生往往是組織、人為和技術(shù)這三方面因素的相互作用

從二次世界大戰(zhàn)期間到70年代，飛機的安全性事故主要由技術(shù)原因所致，所以人們關(guān)注的是如何從技術(shù)上保證飛行器的安全；但是從70年代初期開始，隨著系統(tǒng)冗余、自動駕駛、先進的機載與地面導(dǎo)航和通信設(shè)備、飛行導(dǎo)引等技術(shù)的廣泛使用，飛機安全性事故的發(fā)生概率大大降低，并且由技術(shù)因素所造成的安全性事故在10%以下，而人為因素所造成的安全性事故達80%左右[3]][8]，于是，這段時間人們便將系統(tǒng)安全的工作重點，逐步從對技術(shù)因素的考慮轉(zhuǎn)移到對人為因素的考慮上來；從70年代中期到90年代中期，盡管人們圍繞如何減輕因人為因素所造成的差錯對安全事故的影響，投入了大量的人力、物力和財力，但人為因素所造成的安全事故依然占總安全性事故的80%左右，于是航空界人士發(fā)現(xiàn)：安全事故的發(fā)生還與使用環(huán)境有關(guān)，而使用環(huán)境對人的工效影響還得通過組織管理予以解決。故從90年代起，人們站在系統(tǒng)工程的角度上，提出了安全性工作應(yīng)包括組織、人為和技術(shù)三方面的因素（圖3）。

圖3描述了航空裝備發(fā)展過程中，安全性影響因素的演化過程，它揭示了現(xiàn)代航空裝備在研制時，不能僅考慮技術(shù)因素，還必須同時考慮人為、組織兩大因素對安全性的影響[3][7[11]。

此外，SHEL模型主要描述了軟件（Softw are）、硬件（Hardw are）、環(huán)境（Environm en t）、人（Livew are）各自的功能和相互之間的關(guān)系，即：人－硬件、人－軟件、人－環(huán)境、人－人四方面的接口關(guān)系。接口關(guān)系是否正常，則直接決定了裝備或其它產(chǎn)品在使用中，是完成既定任務(wù)還是發(fā)生安全事故[3] [4]

圖3 影響航空裝備安全性因素的深化[3]

從該模型中可以看到：人是系統(tǒng)中各個環(huán)節(jié)聯(lián)系的紐帶，其它部分均以人為中心、靠人的配合來保障系統(tǒng)的安全。該模型還告訴我們：人和其它部分的聯(lián)系邊界是不規(guī)則的，因而這四個關(guān)系（界面）成為模型的關(guān)鍵點。

SHEL模型主要反映了組織、人為和技術(shù)這三方面因素的相互作用。它揭示了今天全新的安全性理念就是：系統(tǒng)地識別和管理在組織、人為與技術(shù)這三方面的危險，并將危險發(fā)生的風(fēng)險，降低到用戶（社會）可接受的水平內(nèi)[3][7][8] [9][10]。

2.2 人犯錯誤是正常的

按照SHEL模型：使用差錯是人／技術(shù)系統(tǒng)的一種特性。即：將人視為技術(shù)系統(tǒng)的一部分，為與系統(tǒng)中的硬件、軟件作區(qū)別，“人”常被稱為“人件”。當我們把“人件”當作系統(tǒng)的一個設(shè)備時，那么，人出故障（犯錯誤）也是正常的[3][4][7]。

2.3 系統(tǒng)構(gòu)架力求ALARP

衡量經(jīng)濟性的唯一標準是ALARP，即：風(fēng)險低到合理可行。ALARP反映了風(fēng)險控制的基本目標[1][2][3]。

合理，即：在費用、進度及風(fēng)險之間達到了平衡；低到合理可行，即：風(fēng)險、降低風(fēng)險所需克服的技術(shù)難點而耗費的資金、產(chǎn)生效益所需等待的時間等方面達到了平衡。

以某大型商用飛機為例：在安全性評估時，其損失概率不高于10-7／FH，則可以認為達到了適航要求。但這是ALARP的上限，飛機的系統(tǒng)安全工作有沒有達到ALARP的目標，就看能不能證明該型飛機的風(fēng)險確實是低到合理可行。

隨著技術(shù)的不斷進步，A LARP的上下限總是在不斷地下移的。此外，ALARP也告訴了我們：在系統(tǒng)構(gòu)架時如何做到安全性與經(jīng)濟性辯證的統(tǒng)一。

2.4 傳統(tǒng)的驗證方法，向結(jié)構(gòu)化的設(shè)計保證和嚴格的過程控制方法轉(zhuǎn)變

高度復(fù)雜或綜合的系統(tǒng)，在研制的過程中往往會出現(xiàn)各種差錯，如：危險的故障狀態(tài)識別不全、設(shè)計的要求定得不對、系統(tǒng)中存在多余的功能等問題。

如果說，過去采用故障模式影響分析（FM EA）、故障樹分析（FTA）和試驗的方法，對系統(tǒng)所實施的安全性評估效率低下、不盡如意的話，那么說，對于今天具有高度冗余和重構(gòu)能力的數(shù)字化、綜合化、智能化的復(fù)雜系統(tǒng)，再僅采用 FMEA、FTA和相關(guān)試驗來進行評估，就顯得蒼白無力?，F(xiàn)代系統(tǒng)正在呼喚著一種更為嚴格的系統(tǒng)安全技術(shù)。這種技術(shù)，要求提供足夠的安全性評估數(shù)據(jù)，要求更清晰地定義所分析的對象，要求邏輯性更強地闡述所使用的假設(shè)、決斷與策略。它就是結(jié)構(gòu)化的設(shè)計保證和嚴格的過程控制方法。

圖4 結(jié)構(gòu)化的設(shè)計保證和嚴格的過程控制

用這種方法代替試驗或分析為基礎(chǔ)的傳統(tǒng)驗證方法，將軟件、硬件由于技術(shù)、人為及組織等原因所造成重大影響的可能性降到最低，從而保證安全性要求得以實現(xiàn)。因而，傳統(tǒng)的驗證方法，正向結(jié)構(gòu)化的設(shè)計保證和嚴格的過程控制方法轉(zhuǎn)變[5][6]（見圖4）。

但這并不是說試驗或分析不重要。相反，結(jié)構(gòu)化的設(shè)計保證和嚴格的過程控制方法，將試驗與分析，作為安全性要求確認與驗證的重要手段之一。它強調(diào)的是系統(tǒng)安全工作的規(guī)范化、完整性與系統(tǒng)性。

2.5 大系統(tǒng)、大綜保環(huán)境下統(tǒng)籌系統(tǒng)安全工作

裝備與其綜合保障系統(tǒng)所構(gòu)成的一個系統(tǒng)，即：裝備系統(tǒng)[2]。該系統(tǒng)等級及以上層次（如：綜合作戰(zhàn)系統(tǒng)[2]），可稱為大系統(tǒng)；可靠性、維修性、測試性、保障性、安全性、環(huán)境適應(yīng)性、適航（性）、經(jīng)濟性的質(zhì)量特性集成，又統(tǒng)稱為大綜保。

圖5 安全性三條腿

由于裝備使用時的安全性這一質(zhì)量特性，是體現(xiàn)在大系統(tǒng)與大綜保環(huán)境下的特性，而且裝備的設(shè)計與制造、使用、維修，構(gòu)成了裝備使用安全性水平的三條腿（見圖5）[11][12][13]，因此，必須在大系統(tǒng)、大綜保的環(huán)境下統(tǒng)籌系統(tǒng)安全工作。

圖6 飛機功能的實施過程

3 研制階段系統(tǒng)安全工作思路

3.1 嚴格執(zhí)行結(jié)構(gòu)化的設(shè)計保證與過程控制

現(xiàn)代航空裝備，系高度復(fù)雜化的裝備。因此，在研制階段需按結(jié)構(gòu)化的設(shè)計保證和嚴格的過程控制方法，開展系統(tǒng)安全工作。工作的思路按照圖4所示模型[2]，將系統(tǒng)安全性工作融入到裝備的研制過程之中。該模型左半部份，簡練地表達了設(shè)計自頂向下深入到組件級時應(yīng)開展的安全性評估工作。這些子過程又稱為安全性要求的確認過程；而其右半部份，則展示了自底向上，從組件級到子系統(tǒng)、系統(tǒng)、整機的系統(tǒng)集成過程中，如何在每一系統(tǒng)層次上開展安全性的驗證工作。這些子過程又稱為安全性要求的驗證過程[2]。

圖6給出了飛機功能實現(xiàn)過程的模型，該模型包含多個系統(tǒng)的研制過程。每個系統(tǒng)的研制過程可能由多個組件的研制過程組成。每個組件的研制過程又包含有硬件和軟件全壽命周期內(nèi)的工作，從全機到設(shè)備的許多工作需反復(fù)進行。如：設(shè)計方案的確定、安全性評估、合格審定協(xié)調(diào)等。圖6是在對圖4所示的過程進行歸納的同時，更進一步明確設(shè)計保證與過程控制的主要工作有：審定協(xié)調(diào)、安全性評估、要求確認、實施驗證、構(gòu)型管理、過程保證等內(nèi)容。

3.2 充分協(xié)調(diào)研制與安全性評估過程的關(guān)系

系統(tǒng)安全性工作是產(chǎn)品研制過程的一個重要組成部分。系統(tǒng)研制與安全性評估過程的關(guān)系見圖7。

按圖7所示模型，系統(tǒng)研制的主要工作有[5]：

（1）確定飛機級功能、功能要求和功能接口；

（2）確定功能故障時故障狀態(tài)的相關(guān)影響與后果；

（3）將飛機的功能分配到系統(tǒng)與人；

（4）進行系統(tǒng)構(gòu)架設(shè)計和將要求分配到組件；

（5）將組件要求分配到硬件和軟件；

（6）硬件與軟件的設(shè)計與制造；

（7）硬件／軟件綜合；

（8）系統(tǒng)綜合。

但以上主要工作，必須置于大系統(tǒng)、大綜保的環(huán)境下，綜合考慮組織、人為與技術(shù)因素。

在研制過程中，系統(tǒng)安全的主要工作如下[5]：

（1）確定安全性要求，即：針對飛機或系統(tǒng)功能失效時所產(chǎn)生的特定危險，給出相應(yīng)的定性與／或定量目標，這一過程由功能危險性評估（FHA）來完成。從合適的系統(tǒng)層次開始，將安全性要求分配到所要求的子系統(tǒng)／組件/硬件與軟件，這一過程由初步系統(tǒng)安全性評估(PSSA)（含試驗）來完成。

（2）對初步的設(shè)計進行安全性定性與／或定量評估，以發(fā)現(xiàn)設(shè)計中不滿足安全性要求的薄弱環(huán)節(jié)，并給出相應(yīng)的改進措施，這一過程由系統(tǒng)安全性評估（SSA）（含試驗）來完成。

（3）通過共因分析(CCA)確認系統(tǒng)之間物理上與功能上的分開與隔離要求已經(jīng)實施，并得到滿足。

（4）通過安全性的評估報告展示：為保證所研制的系統(tǒng)達到可接受的安全性水平，在系統(tǒng)研制的過程中已同步采取了安全性的評估過程，而且PSSA與SSA工作已反復(fù)迭代，直到經(jīng)SSA后系統(tǒng)滿足交付要求時為止。

此外，還需通過ALARP報告證明：每一系統(tǒng)的構(gòu)架在滿足安全性要求的同時，是ALARP的。

4 結(jié)束語

本文在對系統(tǒng)安全技術(shù)傳統(tǒng)理念進行剖析的同時，介紹和分析了國外有關(guān)系統(tǒng)安全的新理念，給出了裝備研制階段系統(tǒng)安全工作的思路。它旨在闡明：必須將系統(tǒng)安全工作置于大系統(tǒng)、大綜保的環(huán)境下，并綜合考慮組織、人為與技術(shù)因素；意在強調(diào)：系統(tǒng)安全工作的規(guī)范化、完整性與系統(tǒng)性，是消除系統(tǒng)研制錯誤、保證所有的故障狀態(tài)均得到識別的前提條件，該條件也只有通過結(jié)構(gòu)化的設(shè)計保證與嚴格的過程控制方法才能實現(xiàn)；旨在堅持：將ALARP的理念嵌入到系統(tǒng)的研制與安全性評估過程之中，以真正實現(xiàn)裝備使用時的安全、可靠、經(jīng)濟。

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Research on System Safety Application Technology for Aeronautic Facilities

He Zhongw u
(Hongdu Aviation Industry Group, Nanchang, Jiangxi 330024)

In order to el iminate er rors f rom the system development, ensure identi fications of al l the fai lure conditions, and t ruly achieve safe, rel iable and economic appl ication of the faci lities,this paper analyses the general mistakes in respect of the aeronautic faci l ity’s safety. It introduces and analyses some new concepts of the system safety f rom the aspects of organization,human factors, technology, risk balance, st ructured design guarantee and process control. It also proposes a viewpoint of considering the system safety in the environment of large system and logistic support. This paper gives two clews for system safety in development of the faci l ities: strict ly implementing the st ructured design guarantee and process cont rol; coordinating relations between the development and safety assessment.

System safety；Organization management；Mi l itary airwor thiness；Human factors Risk balance

2010-09-15）

何鐘武，男1965年8月出生，研究員級高級工程師、主任設(shè)計師，研究方向為可靠性系統(tǒng)工程。