劉佳奇，馮蘊雯，薛小鋒，陳俊宇

（西北工業(yè)大學(xué)航空學(xué)院，西安710072）

0 引言

隨著民航進入高速發(fā)展期，國內(nèi)外航空市場競爭日益激烈，在此背景下，制造商和航空公司最關(guān)心的問題之一是如何管理飛機系統(tǒng)故障造成的后果以及對運行過程進行管理［1-2］。對飛機系統(tǒng)故障運行后果進行分析可為飛機維修計劃的制定提供支持，降低維護成本，提高運行可靠性［3-4］。

為了提高運營支持能力，制定高效的定期維護計劃，20世紀70年代美國航空業(yè)將以可靠性為中 心 的 維 護（Reliability Centered Maintenance，簡 稱RCM）納 入MSG-3（Maintenance Steering Group-3）用于確定以最低的成本實現(xiàn)設(shè)備固有可靠性所必需的計劃維修任務(wù)［5-6］。2014年，中國民用航空局飛行標準司發(fā)布《國產(chǎn)航空器的運行評審》（AC-91-10R1）［7］和《航空器制造廠家運行支持體系建設(shè)規(guī)范》（MD-FS-AEG006）［8］，為民用飛機運營支持的建設(shè)和發(fā)展指明了方向。在運行后果分析和提高運行可靠性方面國內(nèi)外開展了相應(yīng)的研究，并取得了一定的成果。例如，V.Ulansky等［9］研究了間歇性故障對航空電子系統(tǒng)的影響，評估了航空電子系統(tǒng)的運行可靠性和維修費用；武春燕［10］通過模擬真實的設(shè)備運行過程，評價運營方案在人員、資源配置等方面的合理性，進而對薄弱環(huán)節(jié)進行健壯性優(yōu)化；孫闖等［11］針對小樣本條件下航空發(fā)動機運行可靠性評估提出了有效手段；郭媛媛等［12］通過分析民用飛機運行風(fēng)險研究現(xiàn)狀，給出故障模式影響分析方法和故障樹分析方法相結(jié)合的風(fēng)險評估方法；Gao X等［13］分析了影響運行可靠性的因素、影響因素和控制變量之間的映射關(guān)系；In-Tak Jo等［14］采用可靠性和運行成本改進矩陣編制了可靠性和運行成本改進指標；郭媛媛等［15］建立了單機風(fēng)險和機隊風(fēng)險計算方法，分析了部件故障引起的單機風(fēng)險水平和機隊風(fēng)險水平；王冠茹［16］深入分析了民用飛機運營事件的特征與來源，對事件進行分類并建立了運營事件的處理方法。雖然上述研究工作圍繞系統(tǒng)故障和運行風(fēng)險問題從不同角度進行了研究，但仍存在諸多不足之處：大多數(shù)研究僅針對特殊問題提出了解決辦法，考慮的影響因素較少，其適用范圍受到限制。對民用飛機而言，對飛機系統(tǒng)故障運行后果進行分析需要考慮多方因素的影響，同時要結(jié)合民用飛機運行情況將系統(tǒng)故障與運行后果建立聯(lián)系以形成體系化的可靠性管理和運營支持方案。

為了合理解決上述問題，本文基于飛機系統(tǒng)故障對其運行后果和成本進行分析，結(jié)合事件樹分析提出一種支持評估飛機系統(tǒng)故障的運行后果及其相關(guān)成本的方法，對飛機系統(tǒng)故障類型和放行情況對運行后果的影響進行梳理，結(jié)合航線維修現(xiàn)行做法研究飛機運行后果的可能情景，并以某型號飛機燃油系統(tǒng)為例對所提方法的可行性和有效性進行驗證。

1 飛機故障的運行后果

1.1 具有運行后果的故障模式

本文對具有運行后果的故障模式定義為：可能會降低飛機的運行能力從而無法滿足飛機運行中預(yù)期功能和性能要求的故障表現(xiàn)形式。例如影響飛機飛行高度、飛行距離、最大起飛重量、著陸或飛機常規(guī)使用的故障被認為對運行能力有不利影響，這些事件的發(fā)生可能導(dǎo)致航班延誤或取消等運行后果。

如果運行能力受到影響，機組須參考異?；蚓o急機組檢查表（Abnormal or the Emergency Crew Check Lists）進行處理。根據(jù)不同情況，故障對運行能力的不利影響需要采取的措施為：簽派之前排除故障、施加運行限制、使用異?；蚓o急程序等。

通常，評估飛機在發(fā)現(xiàn)特定類型的故障后是否簽派運行需要查詢最低設(shè)備清單（Minimum Equipment List，簡稱MEL）和操作手冊等。運營人根據(jù)最低設(shè)備清單判斷故障是無條件放行、有條件放行還是不允許放行。無條件放行即上述文件允許飛機在某些項目不工作的情況下繼續(xù)正常運行，可以將排除故障的工作推遲到適當(dāng)?shù)臅r間；有條件放行即需要在飛行前進行一些操作。

1.2 運行后果的影響因素

根據(jù)不同的故障類型確定的放行任務(wù)對飛機運行后果影響不同。如果確定為無條件放行，故障不會產(chǎn)生運行后果。如果確定為有條件放行，相應(yīng)的操作需要消耗時間，可能會影響飛行時間，也可能會降低飛機的運行能力。無條件放行和有條件放行也可能會在后續(xù)運行中出現(xiàn)額外故障而帶來風(fēng)險。存在需立即排除的故障而不允許放行的情況也不一定會中斷正常運行。例如飛機系統(tǒng)中的故障可以在航線的正常中轉(zhuǎn)時間內(nèi)排除，則不會導(dǎo)致后續(xù)航班延誤或取消。在這種情況下，產(chǎn)生的唯一后果是維護費用增加。這可以通過良好的可靠性或維修性來降低費用，例如通過設(shè)備冗余、模塊化設(shè)計、航線可更換單元（Line Replace?able Unit，簡稱LRU）、機內(nèi)自檢設(shè)備（Buit-in Test Equipment，簡稱BITE）等來減少停機維護時間［17-18］。飛機系統(tǒng)故障運行后果的影響因素如圖1所示。

具有運行后果的故障可能會對地面或空中造成不同的運行影響，對地面的影響可能包括與飛行簽派、地面折返和航班取消有關(guān)的延誤；對空中的影響可能包括空中折返、復(fù)飛、備降等。這些后果會導(dǎo)致直接的經(jīng)濟損失，例如飛行機組人員加班、食宿費用，機場地面設(shè)備和登機口工作人員加班費及停機坪費用，飛機燃料消耗、使用和維護費用，導(dǎo)航費用，旅客食宿費用等；此外，可能造成累積問題。

故障模式運行后果的嚴重程度主要取決于故障的類型和性質(zhì)、故障發(fā)生的飛行運行階段、排除故障所需時間、飛機的大小和類型、運營航空公司的管理政策及其維護支持系統(tǒng)等。

圖1 飛機系統(tǒng)故障運行后果的影響因素Fig.1 Influencing factors of operational consequences of aircraft system failure

2 系統(tǒng)故障的運行后果及成本評估方法

2.1 航線維修的現(xiàn)行做法

按可延期處理和不可延期處理對飛機故障進行分類。可延期處理的故障是指對飛機安全而言不重要的故障，即飛機可以在故障存在的情況下繼續(xù)正常飛行。對于以最低設(shè)備清單可以保留但是會增加機組工作量的故障，需要飛行前進行一定的修復(fù)，使得部件的失效數(shù)目在許可范圍內(nèi)。對于不能及時在修復(fù)期限內(nèi)完成修理的故障，需要通過適航當(dāng)局批準后才可保留，若在延長期限內(nèi)仍然不可以被修復(fù)則需要禁止運營［19-20］。如果簽派前在地面上發(fā)生任何故障，由機長報告，機務(wù)工程師根據(jù)飛行員報告排除故障。在這種情況下，需要依據(jù)MEL評估故障是否可延期處理。MEL允許某些部件在功能喪失但不影響安全情況下飛行，根據(jù)項目的不同，MEL可能要求在必須進行維護之前采取額外的限制。

在無條件放行情況下如果MEL允許飛機在某些項目不工作的情況下繼續(xù)服務(wù)，并且飛行員同意在這種情況下飛行，排除故障的工作將推遲到適當(dāng)?shù)臅r間，故障不會產(chǎn)生任何運行后果。在某些情況下，MEL允許飛機在某些部件不工作的情況下飛行，但它施加了某些類型的運行限制，如速度限制、高度限制或?qū)μ囟ㄏ到y(tǒng)的使用限制。在這種情況下，飛機運行能力降低，導(dǎo)致運行成本增加，主要是由于飛行距離或燃油消耗增加所導(dǎo)致的。在某些情況下，MEL允許飛機在某些部件不工作的情況下飛行，但它要求維修人員和/或機組人員采取一些措施，如圖2所示。若采取相應(yīng)措施時間較長可能會影響航班運行的規(guī)律性。此外，飛機可能會在某種類型的故障情況下運行，但隨著其運行能力的降低需要采取運行限制，可能導(dǎo)致額外的運營成本，主要是增加油耗或增加飛行時間。

圖2 參考MEL的非計劃性維修程序Fig.2 Unscheduled maintenance and MEL procedure

當(dāng)故障發(fā)生在飛行中，若故障不影響飛行，飛行員通過飛機技術(shù)日志中的駕駛員報告記錄故障，當(dāng)飛抵下一個機場時，維修工程師根據(jù)上述駕駛員報告開展故障排除工作。若故障影響飛行，需要飛行員查閱飛行手冊（Flight Manual，簡稱FM）、飛行機組操作手冊（Flight Crew Operating Manual，簡稱FCOM）、快速檢查單（Quick Refer?ence Handbook，簡稱QRH）或依據(jù)其經(jīng)驗采取一些措施。在此種情況下，可能需要一些運行限制，或者由于故障需要立即維修而禁止飛機繼續(xù)運行。根據(jù)發(fā)生故障的飛行階段，后一種情況可能需要飛行員執(zhí)行：中止起飛、空中折返、復(fù)飛、備降至其他機場等。

2.2 事件樹分析方法

為了說明飛機故障的運行后果，結(jié)合事件樹分析方法（Event Tree Analysis，簡稱ETA）來研究飛機系統(tǒng)故障運行后果的事件組合。故障的失效過程從一組基本事件開始，這些事件被稱為初始事件。在本文中，作為失效初始原因的初始事件被稱為失效模式，其定義為：導(dǎo)致特定功能失效的特定物理條件或狀態(tài)，可能包括人為錯誤、技術(shù)項目故障、環(huán)境影響［21］。

初始事件是不良運行后果的開始。要考慮的損失和運行后果可能包括生命健康損失、空氣和噪聲污染、高維修成本、系統(tǒng)或設(shè)備損壞、延誤或航班取消等。以可靠性為中心的維修可被視為一種可靠性和風(fēng)險管理方法，因為它旨在降低故障發(fā)生率，并減少可能的后果［22］。風(fēng)險分析最重要的部分是風(fēng)險識別。已經(jīng)被識別出來的風(fēng)險才能以系統(tǒng)的方式進行管理。風(fēng)險識別后進行風(fēng)險評估，做出適當(dāng)?shù)木S護決策以確保系統(tǒng)處于安全狀態(tài)［23］。常見的風(fēng)險識別歸納方法有：故障模式與影響分析（Failure Mode and Effect Analysis，簡稱FMEA）、初步危害分析（Preliminary Hazards Anal?ysis，簡稱PHA）和事件樹分析［24］。

2.3 飛機故障運行后果及成本分析方法

本文提出的飛機故障運行后果及成本分析方法將系統(tǒng)可能發(fā)生的某種事故與導(dǎo)致事故發(fā)生的各種原因之間的邏輯關(guān)系用一種樹形圖表示，以識別在始發(fā)事件發(fā)生后導(dǎo)致特定后果發(fā)生的事件序列。通過對事件樹的定性與定量分析，可以進行故障診斷、分析系統(tǒng)的薄弱環(huán)節(jié)、指導(dǎo)系統(tǒng)的安全運行、實現(xiàn)系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計等［25-26］。

樹形圖中所涉及的概率是條件概率，即后續(xù)事件在前一事件已發(fā)生條件下的發(fā)生概率。每個事件路徑的結(jié)果都顯示在每個序列的末尾。可能存在的情況有：整個事件路徑是成功的、失敗的、最初成功但后來失敗的等。樹形圖的每個序列的邏輯表示也可以用布爾表達式的形式顯示。通過使用布爾代數(shù)規(guī)則，得到每個分支的邏輯表示，并最終得到每個運行后果。

系統(tǒng)故障導(dǎo)致的運行后果受到以下因素的影響：飛機正常運行期間故障被發(fā)現(xiàn)的可能性，故障的類型，某些項目不工作的情況下繼續(xù)飛行的可能性，發(fā)生故障的飛行階段，飛行員的決策。基于上述討論，確定兩組狀態(tài)共同在樹形圖中表示：發(fā)生故障的運行階段和故障對運行能力的影響。系統(tǒng)故障可能引起的運行后果如圖3所示。

圖3 飛機系統(tǒng)故障可能導(dǎo)致的運行后果的事件樹Fig.3 Event tree of operational consequences of aircraft system failures

第一組狀態(tài)包含五種，這組狀態(tài)表示故障發(fā)生的階段，包括簽派之前（S1）、起飛階段（S2）、爬升階段（S3）、巡航階段（S4）、進近和著陸階段（S5）。在每個階段中，可能會發(fā)生兩種不同的事件，即發(fā)生故障或不發(fā)生故障?！笆恰北硎竟收习l(fā)生在該階段，“否”表示故障不發(fā)生在該階段。第二組狀態(tài)包括三種，用來表明故障對飛機運行能力的影響。第一種狀態(tài)表示故障需要立即采取措施的情況。“是”意味著故障不會對運行能力產(chǎn)生任何直接影響，即所需的糾正性維護可以推遲；“否”表示需要立即采取措施，即所需的維護工作或運行程序不可延遲。第二種狀態(tài)描述實施運行限制的必要性。“是”表示需要一些運行限制，“否”表示沒有運行限制。第三種狀態(tài)描述是否采取緊急或異常程序?！笆恰北硎颈仨氝M行緊急或異常運行，“否”表示不需要緊急或異常程序。分別用N1、N2、N3表示三種狀態(tài)，N1為“可延期”，N2為“運行、操作限制”，N3為“使用異常程序”。這兩組狀態(tài)作為事件樹的輸入，都與失效和功能特性有關(guān)。

本文假設(shè)分析中只包括可能產(chǎn)生運行或經(jīng)濟后果的故障影響。如果故障有任何運行后果，則它應(yīng)該很容易被機組人員發(fā)現(xiàn)。在運行階段和運行能力兩組狀態(tài)下，不同事件的組合將產(chǎn)生不同的情況，進而決定最終的運行后果。根據(jù)可能的事件組合，確定25種不同的場景，將導(dǎo)致以下后果分類：無運行后果、空中和/或地面延誤、緊急或異常運行。

在已確定的25種不同場景中，有6種場景沒有產(chǎn)生運行后果。其中場景F1是故障從未發(fā)生，五種場景（A2、B2、C2、D2、E2）故障的相關(guān)維護是可推遲的且沒有必要的運行或異常限制。因此，這五種情況的唯一區(qū)別是發(fā)生故障的運行階段。

有14種場景的后果造成延誤，為場景A1、A3、A4、B1、B4、B5、C1、C4、C5、D1、D4、D5、E1和E5。其中，有五種場景運行后果僅表現(xiàn)為空中延誤，即場景A1、B1、C1、D1和E1。這五種場景與可延期處理但需要運行限制的故障相關(guān)。

使用緊急或異常程序會導(dǎo)致場景B3、C3、D3和E3中的運行后果。所有這些場景都與具有某種運行限制的不可延期的故障有關(guān)，并且需要機組人員采取緊急程序和異常程序。以上四個場景的主要區(qū)別是發(fā)生故障的飛行階段。在場景B3和C3中，故障分別發(fā)生在起飛階段和爬升階段，在場景D3和E3中，故障分別發(fā)生在巡航階段和進近著陸階段，導(dǎo)致返航、改道或復(fù)飛等。還有一些情況，如場景E4，飛機處于著陸模式，一些系統(tǒng)突發(fā)故障可能會降低飛機完成著陸任務(wù)的能力，飛行員可以執(zhí)行復(fù)飛。

3 案例分析

以某型飛機燃油系統(tǒng)為例對本文所提出的飛機故障運行后果及成本分析方法進行驗證。燃油系統(tǒng)主要用于存儲飛機所需的燃油，并保證在任何飛行狀態(tài)和工作條件下都能向發(fā)動機和輔助動力裝置提供工作所需的燃油，同時保證飛機飛行所需的重心位置變化要求。飛機燃油系統(tǒng)主要由存儲系統(tǒng)、供輸油系統(tǒng)、燃油管理及指示系統(tǒng)構(gòu)成。其中供油和輸油分系統(tǒng)由油泵、管路、控制閥、傳感器等組成［20］。

飛機燃油系統(tǒng)可能出現(xiàn)的故障之一為“左右油箱油量指示錯誤”。油箱油量指示器安裝數(shù)量為2，簽派或放行所需數(shù)量為0。設(shè)備沒有適航要求外的冗余，可以通過有效的程序或方法實現(xiàn)功能。失效的影響為：油箱油量指示器錯誤會導(dǎo)致無法準確測量相應(yīng)油箱的油量，進而使油量測量精度降低。這種故障不會導(dǎo)致危險或災(zāi)難性事件發(fā)生。在實際操作中，允許兩個油箱油量指示器不工作，但使用適當(dāng)程序驗證中央油箱燃油量，機組可以有條件進行放行。如果起飛前油箱油量指示器不能正常工作，機組可以人工輸入當(dāng)前飛機上的油量來計算參照速度或到達目的地燃油剩余并定時進行人工更新，以保持信息有效［20］。駕駛艙顯示裝置上會出現(xiàn)一條警告信息，以便飛行員在起飛前意識到故障。因此，起飛前故障檢測的條件概率為100%，該故障被歸類為具有運行后果的明顯故障。根據(jù)上述分析，情況是A1號，這將導(dǎo)致運行后果——空中延誤。為了量化運行后果發(fā)生的速率，失效頻率應(yīng)乘以不同運行階段發(fā)生該故障的條件概率，以及故障對運行能力不利影響的條件概率：

式中：Ri為某種運營后果情景的發(fā)生率；P1為條件1中狀態(tài)的條件概率；P2為條件2中狀態(tài)的條件概率。

“左右油箱油量指示錯誤”故障率為2.47×10-7/fh。標準1中狀態(tài)的條件概率（簽派之前）估計為100%，因為在起飛前機組人員會很明顯地發(fā)現(xiàn)故障。根據(jù)最低設(shè)備清單，標準2中狀態(tài)的條件概率估計為100%，因為故障是可延遲的，第A1種情況下左右油量指示錯誤的發(fā)生率為2.47×10-7/fh×100%×100%=2.47×10-7/fh

每架飛機每年的該場景成本為

式中：Ca為每架飛機每年的場景成本（元/年）；Rc為每個飛行小時該場景發(fā)生率；Cd為每個飛行小時起飛時空中延遲的單位成本；Td為延遲時間；Py為平均年利用率（飛行小時/年）。

為了估算相關(guān)后果的成本，可以將平均成本用于不同的運營后果。對于場景A1這種特定情況，根據(jù)經(jīng)驗豐富的從業(yè)人員的建議，所做的假設(shè)為空中延誤時間0.5 h，單位時間內(nèi)空中延誤花費19 200元/小時。根據(jù)式（2），可以估算出整個飛機每種后果情景的年總成本。因此，考慮到每年3 500 h的利用率，場景A1的年成本估計為2.47×10-7/fh×0.5 h×19 200元/h×3 500 fh/年≈8.3元/年。

4 結(jié)論

（1）本文提出了一種評估飛機系統(tǒng)故障的運行后果及其相關(guān)成本的方法，運用該方法分析了飛機系統(tǒng)故障對運行后果的影響，結(jié)合實例進行分析，驗證了所提方法的可行性和有效性。

（2）本文所提出的方法可為評估故障運行后果提供支持；在制定飛機維修計劃的過程中，為維修任務(wù)成本效益分析提供支持，給飛機的設(shè)計、運行和維護提供一定的參考。