飛機故障的運行后果及成本分析方法

劉佳奇，馮蘊雯，薛小鋒，陳俊宇

（西北工業大學航空學院，西安710072）

0 引言

隨著民航進入高速發展期，國內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心的問題之一是如何管理飛機系統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設備固有可靠性所必需的計劃維修任務［5-6］。2014年，中國民用航空局飛行標準司發布《國產航空器的運行評審》（AC-91-10R1）［7］和《航空器制造廠家運行支持體系建設規范》（MD-FS-AEG006）［8］，為民用飛機運營支持的建設和發展指明了方向。在運行后果分析和提高運行可靠性方面國內外開展了相應的研究，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的影響，評估了航空電子系統的運行可靠性和維修費用；武春燕［10］通過模擬真實的設備運行過程，評價運營方案在人員、資源配置等方面的合理性，進而對薄弱環節進行健壯性優化；孫闖等［11］針對小樣本條件下航空發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險研究現狀，給出故障模式影響分析方法和故障樹分析方法相結合的風險評估方法；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］建立了單機風險和機隊風險計算方法，分析了部件故障引起的單機風險水平和機隊風險水平；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故障和運行風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，同時要結合民用飛機運行情況將系統故障與運行后果建立聯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，本文基于飛機系統故障對其運行后果和成本進行分析，結合事件樹分析提出一種支持評估飛機系統故障的運行后果及其相關成本的方法，對飛機系統故障類型和放行情況對運行后果的影響進行梳理，結合航線維修現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期功能和性能要求的故障表現形式。例如影響飛機飛行高度、飛行距離、最大起飛重量、著陸或飛機常規使用的故障被認為對運行能力有不利影響，這些事件的發生可能導致航班延誤或取消等運行后果。

如果運行能力受到影響，機組須參考異常或緊急機組檢查表（Abnormal or the Emergency Crew Check Lists）進行處理。根據不同情況，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、使用異常或緊急程序等。

通常，評估飛機在發現特定類型的故障后是否簽派運行需要查詢最低設備清單（Minimum Equipment List，簡稱MEL）和操作手冊等。運營人根據最低設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正常運行，可以將排除故障的工作推遲到適當的時間；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

根據不同的故障類型確定的放行任務對飛機運行后果影響不同。如果確定為無條件放行，故障不會產生運行后果。如果確定為有條件放行，相應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運行中出現額外故障而帶來風險。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。例如飛機系統中的故障可以在航線的正常中轉時間內排除，則不會導致后續航班延誤或取消。在這種情況下，產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，例如通過設備冗余、模塊化設計、航線可更換單元（Line Replace?able Unit，簡稱LRU）、機內自檢設備（Buit-in Test Equipment，簡稱BITE）等來減少停機維護時間［17-18］。飛機系統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的延誤；對空中的影響可能包括空中折返、復飛、備降等。這些后果會導致直接的經濟損失，例如飛行機組人員加班、食宿費用，機場地面設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、故障發生的飛行運行階段、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等。

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

2 系統故障的運行后果及成本評估方法

2.1 航線維修的現行做法

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正常飛行。對于以最低設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，使得部件的失效數目在許可范圍內。對于不能及時在修復期限內完成修理的故障，需要通過適航當局批準后才可保留，若在延長期限內仍然不可以被修復則需要禁止運營［19-20］。如果簽派前在地面上發生任何故障，由機長報告，機務工程師根據飛行員報告排除故障。在這種情況下，需要依據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服務，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的時間，故障不會產生任何運行后果。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、高度限制或對特定系統的使用限制。在這種情況下，飛機運行能力降低，導致運行成本增加，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。若采取相應措施時間較長可能會影響航班運行的規律性。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

當故障發生在飛行中，若故障不影響飛行，飛行員通過飛機技術日志中的駕駛員報告記錄故障，當飛抵下一個機場時，維修工程師根據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）或依據其經驗采取一些措施。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運行。根據發生故障的飛行階段，后一種情況可能需要飛行員執行：中止起飛、空中折返、復飛、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，結合事件樹分析方法（Event Tree Analysis，簡稱ETA）來研究飛機系統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：導致特定功能失效的特定物理條件或狀態，可能包括人為錯誤、技術項目故障、環境影響［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、系統或設備損壞、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險管理方法，因為它旨在降低故障發生率，并減少可能的后果［22］。風險分析最重要的部分是風險識別。已經被識別出來的風險才能以系統的方式進行管理。風險識別后進行風險評估，做出適當的維護決策以確保系統處于安全狀態［23］。常見的風險識別歸納方法有：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可能發生的某種事故與導致事故發生的各種原因之間的邏輯關系用一種樹形圖表示，以識別在始發事件發生后導致特定后果發生的事件序列。通過對事件樹的定性與定量分析，可以進行故障診斷、分析系統的薄弱環節、指導系統的安全運行、實現系統的優化設計等［25-26］。

樹形圖中所涉及的概率是條件概率，即后續事件在前一事件已發生條件下的發生概率。每個事件路徑的結果都顯示在每個序列的末尾?？赡艽嬖诘那闆r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。通過使用布爾代數規則，得到每個分支的邏輯表示，并最終得到每個運行后果。

系統故障導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現的可能性，故障的類型，某些項目不工作的情況下繼續飛行的可能性，發生故障的飛行階段，飛行員的決策。基于上述討論，確定兩組狀態共同在樹形圖中表示：發生故障的運行階段和故障對運行能力的影響。系統故障可能引起的運行后果如圖3所示。

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

第一組狀態包含五種，這組狀態表示故障發生的階段，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，可能會發生兩種不同的事件，即發生故障或不發生故障。“是”表示故障發生在該階段，“否”表示故障不發生在該階段。第二組狀態包括三種，用來表明故障對飛機運行能力的影響。第一種狀態表示故障需要立即采取措施的情況?！笆恰币馕吨收喜粫\行能力產生任何直接影響，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。第二種狀態描述實施運行限制的必要性?！笆恰北硎拘枰恍┻\行限制，“否”表示沒有運行限制。第三種狀態描述是否采取緊急或異常程序。“是”表示必須進行緊急或異常運行，“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，N1為“可延期”，N2為“運行、操作限制”，N3為“使用異常程序”。這兩組狀態作為事件樹的輸入，都與失效和功能特性有關。

本文假設分析中只包括可能產生運行或經濟后果的故障影響。如果故障有任何運行后果，則它應該很容易被機組人員發現。在運行階段和運行能力兩組狀態下，不同事件的組合將產生不同的情況，進而決定最終的運行后果。根據可能的事件組合，確定25種不同的場景，將導致以下后果分類：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種場景沒有產生運行后果。其中場景F1是故障從未發生，五種場景（A2、B2、C2、D2、E2）故障的相關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別是發生故障的運行階段。

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。

使用緊急或異常程序會導致場景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，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別是發生故障的飛行階段。在場景B3和C3中，故障分別發生在起飛階段和爬升階段，在場景D3和E3中，故障分別發生在巡航階段和進近著陸階段，導致返航、改道或復飛等。還有一些情況，如場景E4，飛機處于著陸模式，一些系統突發故障可能會降低飛機完成著陸任務的能力，飛行員可以執行復飛。

3 案例分析

以某型飛機燃油系統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。燃油系統主要用于存儲飛機所需的燃油，并保證在任何飛行狀態和工作條件下都能向發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。飛機燃油系統主要由存儲系統、供輸油系統、燃油管理及指示系統構成。其中供油和輸油分系統由油泵、管路、控制閥、傳感器等組成［20］。

飛機燃油系統可能出現的故障之一為“左右油箱油量指示錯誤”。油箱油量指示器安裝數量為2，簽派或放行所需數量為0。設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功能。失效的影響為：油箱油量指示器錯誤會導致無法準確測量相應油箱的油量，進而使油量測量精度降低。這種故障不會導致危險或災難性事件發生。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。根據上述分析，情況是A1號，這將導致運行后果——空中延誤。為了量化運行后果發生的速率，失效頻率應乘以不同運行階段發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生率；P1為條件1中狀態的條件概率；P2為條件2中狀態的條件概率。

“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現故障。根據最低設備清單，標準2中狀態的條件概率估計為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，根據經驗豐富的從業人員的建議，所做的假設為空中延誤時間0.5 h，單位時間內空中延誤花費19 200元/小時。根據式（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 結論

（1）本文提出了一種評估飛機系統故障的運行后果及其相關成本的方法，運用該方法分析了飛機系統故障對運行后果的影響，結合實例進行分析，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，為維修任務成本效益分析提供支持，給飛機的設計、運行和維護提供一定的參考。