航空器設(shè)計(jì)/制造單位故障、缺陷原因分析模型研究*

中國民航科學(xué)技術(shù)研究院 孫奕捷 張 元 李 敬

目前，我國航空器設(shè)計(jì)/制造單位按照中國民用航空局發(fā)布的一系列適航規(guī)章，針對(duì)航空器設(shè)計(jì)工作建立了設(shè)計(jì)保證體系，針對(duì)總裝生產(chǎn)建立了質(zhì)量保證體系，針對(duì)航空器產(chǎn)品的持續(xù)運(yùn)行建立了故障、缺陷信息報(bào)告制度和不安全狀況的糾正及持續(xù)改進(jìn)方案發(fā)布制度(如服務(wù)通告等)[1]。但是，目前我國民機(jī)的設(shè)計(jì)/制造業(yè)處于起步和發(fā)展階段，其中許多流程、環(huán)節(jié)需要建立和完善，特別是在故障、缺陷等原因分析方面，缺乏有效的原因分析方法和模型。本研究對(duì)國內(nèi)多家航空器設(shè)計(jì)/制造單位開展了調(diào)研，對(duì)各單位的不安全事件原因分析工作進(jìn)行了深入了解和研究，發(fā)現(xiàn)在故障、缺陷原因分析方面存在以下不足：

(1)航空器設(shè)計(jì)/制造單位針對(duì)設(shè)計(jì)、總裝中出現(xiàn)的故障、缺陷開展了原因分析工作，但僅限于故障或缺陷本身，未能全面深入分析事件在人員、程序、設(shè)備、管理等層面存在的深層次原因。

(2) 航空器的設(shè)計(jì)、生產(chǎn)和運(yùn)行等工作大部分分屬于不同的單位，這些單位在故障、質(zhì)量問題分析和處理方面缺乏有效的聯(lián)動(dòng)機(jī)制，在原因分析時(shí)主要識(shí)別本單位而很少深入分析在其他單位存在的原因。

(3) 在故障、缺陷原因分析方面，沒有建立完善的分析模型和方法，原因分析工作的全面性和深入性受分析人員經(jīng)驗(yàn)、能力的影響較大。

(4) 對(duì)設(shè)計(jì)、總裝中出現(xiàn)的故障、缺陷，主要采取個(gè)案處理方式，針對(duì)具體事件分析原因，缺乏對(duì)所有故障、缺陷的原因進(jìn)行綜合統(tǒng)計(jì)、分析的機(jī)制和方法。

(5) 由于航空器設(shè)計(jì)/制造單位在質(zhì)量、安全問題原因分析方面存在的上述問題，致使在原因分析時(shí)不能全面分析出問題的根本原因，進(jìn)而針對(duì)根本上的原因制定切實(shí)有效的處理措施，防止問題重復(fù)出現(xiàn)。

為全面深入分析各類故障、缺陷原因，將問題處理深入到組織、系統(tǒng)層面，并延伸至與航空器設(shè)計(jì)、生產(chǎn)有關(guān)的設(shè)計(jì)、生產(chǎn)、運(yùn)行單位，同時(shí)加強(qiáng)對(duì)故障、缺陷問題的綜合統(tǒng)計(jì)、分析，有必要研究、建立航空器設(shè)計(jì)/制造單位故障、缺陷的原因分析模型，為后續(xù)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估和控制工作奠定基礎(chǔ)。

1 總體思路

針對(duì)上述航空器設(shè)計(jì)/制造單位在故障、缺陷原因分析方面存在的問題和不足，研究建立一套針對(duì)航空器設(shè)計(jì)/制造單位的故障、缺陷原因分析模型。在分析深度方面，查找造成故障、缺陷的各層次原因，特別是深入查找在組織、系統(tǒng)層面存在的原因；在分析廣度方面，除了查找本單位存在的原因，還應(yīng)延伸至相關(guān)聯(lián)的設(shè)計(jì)、制造、運(yùn)行等單位，在更大范圍上查找故障、缺陷原因，為后續(xù)風(fēng)險(xiǎn)控制奠定基礎(chǔ)。另外，對(duì)所有故障、缺陷的原因開展統(tǒng)計(jì)、分析，識(shí)別系統(tǒng)層面存在的共性和趨勢(shì)性問題，為查找系統(tǒng)問題、了解安全態(tài)勢(shì)提供數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。模型總體框架及流程如圖1所示。

圖1 模型框架及分析流程Fig.1 Framework and analysis procedure of model

針對(duì)圖1所示的框架及流程，研究思路如下：

(1)建立原因要素列表。對(duì)常用的原因分析模型開展比較分析，同時(shí)對(duì)航空器設(shè)計(jì)/制造單位的故障、缺陷特點(diǎn)開展分析，在此基礎(chǔ)上建立一套系統(tǒng)、全面、有針對(duì)性的原因要素列表，囊括故障、缺陷的所有可能原因要素。

(2) 針對(duì)原因分析和統(tǒng)計(jì)分析方法，給出一些推薦的做法。

(3) 給出1個(gè)案例，對(duì)模型進(jìn)行驗(yàn)證。

2 建立原因要素列表

2.1 常用原因分析模型比較研究

在目前的安全管理理論中，有多種原因分析模型，如Reason模型、SHEL模型、人-機(jī)-環(huán)-管模型、魚骨圖分析法等。下面對(duì)這4個(gè)模型分別進(jìn)行討論、分析。

2.1.1 Reason模型

Reason模型是James Reason教授提出的，該模型的創(chuàng)新點(diǎn)在于它從系統(tǒng)的角度出發(fā)，除了對(duì)人的不安全行為進(jìn)行分析外，深層次剖析了導(dǎo)致人出現(xiàn)不安全行為的前提條件和組織因素，從而從人的不安全行為、不安全行為的前提條件、一線監(jiān)督管理、企業(yè)組織管理等角度全方位拓展了不安全事件分析的視野[2]。

如圖2所示，該模型的優(yōu)點(diǎn)主要表現(xiàn)在以下2個(gè)方面：

(1) 該模型打破了以往將人的不安全行為作為主要分析對(duì)象的方法，在分析人的不安全行為的同時(shí)，充分考慮了組織層面上存在的問題和不足，使不安全事件分析更加深入和透徹，符合目前推行的系統(tǒng)管理和組織管理理念及要求。

圖2 Reason模型Fig.2 Reason model

(2)該模型在不安全事件原因分析邏輯上環(huán)環(huán)相扣，由表及里、由淺入深、由現(xiàn)象到本質(zhì)，通過這一過程，可使分析者清楚看出不安全事件發(fā)生的一系列原因，脈絡(luò)清晰直觀。

該模型的不足體現(xiàn)在首先從員工的不安全行為開始，進(jìn)而分析不安全行為存在的深層次原因，這對(duì)由人的原因所導(dǎo)致的不安全事件比較適合，但是對(duì)由機(jī)械、天氣、意外等原因?qū)е碌牟话踩录?，該模型并不適用。

2.1.2 SHEL模型

SHEL模型的概念是1972年提出的，1975年有學(xué)者用圖表方式對(duì)這個(gè)概念進(jìn)行了表述，該模型形象描述了航空系統(tǒng)中各種因素之間的關(guān)系[3]。人的不安全行為很少是由單獨(dú)的個(gè)人所造成的，而是周圍多種因素共同作用的結(jié)果。該模型正是從這個(gè)觀點(diǎn)出發(fā)，以人為中心，深入討論了人員與周圍影響因素之間的相互關(guān)系(見圖3)。

該模型的優(yōu)點(diǎn)：從人員的角度出發(fā)，深入討論人員與周圍影響因素之間的匹配關(guān)系，通過這種分析來查找人員與周圍影響因素之間在協(xié)調(diào)、配合方面存在的問題，常用于優(yōu)化人員的選拔、機(jī)械／設(shè)備設(shè)計(jì)、標(biāo)準(zhǔn)／程序制定等，應(yīng)用范圍比較廣泛。

該模型的不足：重點(diǎn)關(guān)注人員與周圍直接接觸的影響因素之間的匹配問題，如人機(jī)界面設(shè)計(jì)(按鈕、刻度盤和顯示裝置設(shè)計(jì)等)、人員之間協(xié)作配合、工作程序、工作環(huán)境等，而對(duì)于組織和系統(tǒng)因素等深層次原因關(guān)注較少。

圖3 SHEL模型Fig.3 SHEL model

2.1.3 人-機(jī)-環(huán)-管模型

人-機(jī)-環(huán)-管模型也是目前在不安全事件原因分析中被經(jīng)常使用的一種模型，該模型從人員、機(jī)械設(shè)備、環(huán)境、管理4個(gè)方面分析引發(fā)不安全事件的原因。

該模型的優(yōu)點(diǎn)：從人-機(jī)-環(huán)-管4個(gè)方面分析不安全事件產(chǎn)生的原因，較全面地囊括了與運(yùn)行相關(guān)的內(nèi)容，能較為全面分析不安全事件的原因。

該模型的不足：人-機(jī)-環(huán)-管4個(gè)方面平行放置，缺乏一定的邏輯性和層次性，在分析中難以體現(xiàn)由表及里、由淺入深、由人員到組織的分析過程。

2.1.4 魚骨圖分析法

魚骨圖(fishbone diagram)又名特性因素圖(見圖4)，因形如魚骨而得名，是一種找出問題所有原因的創(chuàng)新方法，被廣泛用于技術(shù)、管理領(lǐng)域[4]。

圖4 魚骨圖模型Fig.4 Fish bone model

該模型的優(yōu)點(diǎn)：從不安全事件致因的角度，直觀展現(xiàn)了導(dǎo)致不安全事件的多方面、多層次原因，這些原因類型沒有局限性，可將不安全事件的原因定位在不同層次上，可以宏觀，也可以微觀，如可從人-機(jī)-環(huán)-管4個(gè)方面進(jìn)行分析，也可從自然環(huán)境、社會(huì)環(huán)境、工作環(huán)境和組織氛圍等方面進(jìn)行分析，分析的靈活性較大。

該模型的不足：雖較全面列舉了事件發(fā)生的各方面原因，但由于沒有固定原因類型，容易漏掉一些原因因素；另外，原因之間缺乏前后邏輯性，不能充分展現(xiàn)事件發(fā)生的事件鏈。

2.1.5 比較分析

如表1所示，分別從分析內(nèi)容、優(yōu)點(diǎn)、缺點(diǎn)3個(gè)方面對(duì)上述4個(gè)模型進(jìn)行了比較分析。

2.2 航空器設(shè)計(jì)/制造單位故障、缺陷原因分析的特點(diǎn)

航空器設(shè)計(jì)/制造單位在故障、缺陷的原因分析方面具有以下特點(diǎn)：

(1) 由于航空器是一種結(jié)構(gòu)復(fù)雜、科技含量較高的技術(shù)系統(tǒng)，對(duì)系統(tǒng)可靠性要求非常高，因此，在對(duì)出現(xiàn)的故障、缺陷進(jìn)行分析時(shí)，必須深入、全面分析其根本原因，從根本上對(duì)故障、缺陷原因進(jìn)行分析和處理，保證航空器的安全性和可靠性。

表1 常用原因分析模型比較

(2) 由于航空器的設(shè)計(jì)、生產(chǎn)、總裝、測(cè)試等工作往往不在同一個(gè)單位內(nèi)完成，這期間出現(xiàn)的故障或缺陷往往涉及到多個(gè)單位的原因，因此，在對(duì)故障和缺陷進(jìn)行原因分析時(shí)，在分析本單位原因的同時(shí)，還應(yīng)深入分析其他單位存在的原因。

2.3 原因要素列表

基于上述4種常用原因分析模型特點(diǎn)及航空器設(shè)計(jì)/制造單位在故障、缺陷原因分析方面的特點(diǎn)，將Reason模型和魚骨圖模型進(jìn)行綜合，建立了航空器設(shè)計(jì)/制造單位故障、缺陷原因要素列表，如圖5所示。

該列表在主體上采用魚骨圖形式，主要考慮了與航空器設(shè)計(jì)/制造中故障、缺陷相關(guān)的設(shè)計(jì)、制造總裝、飛行運(yùn)動(dòng)、機(jī)務(wù)維修、政府監(jiān)管5類單位。在針對(duì)每類單位的具體原因方面，采用了Reason模型的思想，從人員、技術(shù)資料、工具設(shè)備、監(jiān)督管理、中層管理、企業(yè)管理等層面，考慮了每類單位中可能存在的原因要素。

該原因要素列表具有以下特點(diǎn)：

(1) 涵蓋范圍比較廣泛，包括了與航空器設(shè)計(jì)/制造有關(guān)的所有單位和部門，包括設(shè)計(jì)/制造、總裝、試驗(yàn)測(cè)試、飛行運(yùn)動(dòng)、機(jī)務(wù)維修、政府監(jiān)管等部門，便于在查找本單位的原因時(shí)，查找其他單位存在的原因；

(2) 針對(duì)各單位可能存在的原因，根據(jù)Reason模型的思想，較詳細(xì)列出了事件鏈中可能的原因要素，保證了針對(duì)具體單位能夠較全面查找各個(gè)方面的原因；

(3) 在關(guān)注故障、缺陷具體原因的同時(shí)，還包括了政府監(jiān)管方面的原因要素，以深入查找在政府主管部門層面可能存在的更深層次原因。

每類單位的每個(gè)原因要素中分別包含了更為詳細(xì)的原因項(xiàng)目，由于篇幅所限，僅以制造總裝單位為例進(jìn)行說明。

·人員：資質(zhì)能力、疲勞、違規(guī)、差錯(cuò)等；

·操作者狀態(tài)：心理狀態(tài)、生理狀態(tài)、身體局限、智力局限等；

·技術(shù)資料：制造、總裝所涉及的各種技術(shù)規(guī)范、設(shè)計(jì)圖紙、工作程序的缺失和不適用等；

·工具設(shè)備：制造、總裝所涉及的各種設(shè)備、設(shè)施、工具、器械等；

·材料：制造過程中所使用的各種材料；

·生產(chǎn)工藝：焊接、噴涂、卯裝、車、銑、熱處理等；

·外包商：對(duì)外包商的管理，以及外包商的質(zhì)控體系、設(shè)備設(shè)施、企業(yè)資質(zhì)、人員資質(zhì)、企業(yè)管理等；

·工作環(huán)境：工具擺放、噪聲、照明、干燥、潮濕、高溫、低溫、有毒氣體等；

·工作程序：制造、總裝的操作步驟、操作程序等；

·監(jiān)督管理：監(jiān)督管理的制度、內(nèi)容、程序、人員、實(shí)施開展情況等；

·中層管理：工作制度、工作計(jì)劃、問題整改、信息交流、管理人員等；

·企業(yè)管理：安全政策、資源投入、組織氛圍、組織機(jī)構(gòu)等。

3 原因分析和統(tǒng)計(jì)分析方法

圖5 原因要素列表Fig.5 Causal factor list

在針對(duì)具體故障、缺陷開展原因分析時(shí)，首先采用適合的原因分析方法，結(jié)合上述原因要素列表，全面識(shí)別造成故障、缺陷的各方面、各層次原因。原因分析方法如：歷史數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)、工程分析[5]、模擬分析[6]、失效機(jī)理分析[7]以及事故樹[8]、事件樹[9]等方法。

在對(duì)每一起故障或缺陷事件進(jìn)行上述原因分析的基礎(chǔ)上，定期對(duì)所有故障、缺陷原因開展統(tǒng)計(jì)、分析，可以發(fā)現(xiàn)一些共性和趨勢(shì)性的安全問題，如：制造、總裝中的人員差錯(cuò)比較多，且呈上升趨勢(shì)；機(jī)務(wù)維修中的維修工具問題較突出等。針對(duì)這些發(fā)現(xiàn)的共性、趨勢(shì)性問題，可以有針對(duì)性的采取措施，從根本上防止問題的重復(fù)出現(xiàn)。

4 案例分析

以某型號(hào)飛機(jī)燃油放油活門結(jié)構(gòu)缺陷為例[10]，對(duì)模型進(jìn)行驗(yàn)證。

某型號(hào)飛機(jī)的燃油放油活門在使用一段時(shí)間后出現(xiàn)漏油現(xiàn)象，該燃油放油活門安裝在油箱下部，若其失效，燃油泄漏會(huì)影響飛機(jī)的飛行安全，形成安全隱患。

首先，通過試驗(yàn)方法對(duì)出現(xiàn)的問題開展原因分析。按國家GB/T 5720-1993標(biāo)準(zhǔn)對(duì)原裝密封膠圈進(jìn)行耐液體試驗(yàn)，將活門芯軸和端面密封膠圈置于100#航空汽油中浸泡72h，取出測(cè)量其性能，該膠圈經(jīng)過汽油浸泡后，體積溶脹率為8.4%，質(zhì)量變化率為15.3%，硬度變化明顯(由于芯軸膠圈太小，無法進(jìn)行硬度檢測(cè))。從試驗(yàn)結(jié)果看，該膠圈不耐航空燃油。分析認(rèn)為該飛機(jī)燃油放油活門膠圈失效是由于芯軸和端面密封膠圈的膠料使用錯(cuò)誤。另外，該活門結(jié)構(gòu)在設(shè)計(jì)方面存在以下問題：(1)芯軸膠圈無法適時(shí)檢查，要檢查芯軸膠圈必須破壞端部芯軸卡子的固定部分，而該部分破壞后無法修復(fù)，這樣就導(dǎo)致了活門失效； (2)無法控制活門損壞程度，由于無法在活門使用過程中對(duì)芯軸膠圈進(jìn)行實(shí)時(shí)檢查，只能通過檢查活門是否滲油來了解活門失效與否，這給飛機(jī)留下了安全隱患； (3)在發(fā)現(xiàn)活門滲油后，無法單獨(dú)更換芯軸膠圈，只能更換整個(gè)活門，造成飛機(jī)維護(hù)使用成本增加。

其次，在試驗(yàn)分析基礎(chǔ)上，結(jié)合原因因素列表深入探究橡膠膠圈為什么會(huì)存在此類問題，活門結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)為什么會(huì)存在設(shè)計(jì)缺陷以及其深層次原因。

通過分析，確定主要是由于以下幾個(gè)方面的原因：

(1)設(shè)計(jì)方面。

·人員：資質(zhì)能力(設(shè)計(jì)人員在燃油放油活門設(shè)計(jì)方面缺乏相關(guān)知識(shí)和經(jīng)驗(yàn))；

·技術(shù)資料：技術(shù)規(guī)范(缺乏燃油放油活門設(shè)計(jì)方面的技術(shù)規(guī)范)；

·試驗(yàn)、測(cè)試：試驗(yàn)、驗(yàn)證(缺乏對(duì)燃油放油活門設(shè)計(jì)的驗(yàn)證工作)；

·質(zhì)控體系：對(duì)設(shè)計(jì)質(zhì)量的控制(在設(shè)計(jì)質(zhì)量控制中沒有發(fā)現(xiàn)燃油放油活門設(shè)計(jì)存在的問題)；

·監(jiān)督檢查：監(jiān)督檢查的實(shí)施開展(未能對(duì)設(shè)計(jì)人員能力、技術(shù)資料、試驗(yàn)測(cè)試、質(zhì)控體系等進(jìn)行有效監(jiān)督檢查，發(fā)現(xiàn)其中存在的問題)。

(2)制造總裝方面。

·材料：材料未能達(dá)到技術(shù)要求(橡膠膠圈材料使用錯(cuò)誤)；

·監(jiān)督管理：監(jiān)督檢查的實(shí)施開展(未能對(duì)橡膠膠圈使用材料進(jìn)行有效監(jiān)督，發(fā)現(xiàn)使用錯(cuò)誤)。

通過分析，可以發(fā)現(xiàn)該缺陷在設(shè)計(jì)/制造總裝方面存在深層次原因，對(duì)上述原因進(jìn)行處理，可從根本上杜絕此類缺陷的重復(fù)出現(xiàn)。

5 結(jié)束語

航空器設(shè)計(jì)/制造單位在故障、缺陷原因分析方面存在一定不足，有必要建立系統(tǒng)、完善的故障、缺陷原因分析模型，以提升航空器設(shè)計(jì)/制造單位在故障、缺陷原因分析方面的水平。在此基礎(chǔ)上，針對(duì)航空器設(shè)計(jì)/制造單位在故障、缺陷原因分析方面存在的實(shí)際問題和特點(diǎn)，研究建立了航空器設(shè)計(jì)/制造單位故障、缺陷原因分析模型，包括原因要素列表、原因分析方法、原因統(tǒng)計(jì)分析等內(nèi)容。

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