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基于危險要素的危險分析技術

文檔作者：趙遠焦健趙廷弟文檔來源：北京航空航天大學		點擊數(shù)：	更新時間： 2023年01月07日
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2014年11月
第40卷第11期
北京航空航天大學學報
Journal of Beijing University of Aeronautics and Astronautics
November 2014
V01．40 No．11
基于危險要素的危險分析技術
趙遠焦健4 趙廷弟
(北京航空航天大學可靠性與系統(tǒng)工程學院，北京100191)
摘要：在系統(tǒng)初步設計階段，針對初步危險分析過程中缺乏具體、明確的實施方
法，提出了基于危險要素的危險分析技術．確定對象中的危險元素，對部件迸行分類，結(jié)合不同
類型部件各種可能的狀態(tài)，考慮其對危險元素的影響，分析可能的觸發(fā)機制并得出相關的威
脅／對象，識別設計中的危險和薄弱環(huán)節(jié)．以飛機燃油系統(tǒng)為例，驗證了該分析技術的實用性和
有效性．在系統(tǒng)的初步方案設計階段，該方法能夠與設計方案相結(jié)合，全面分析可能存在的危
險，為后續(xù)設計和危險分析提供工作側(cè)重點，并適用于后續(xù)研制階段的安全性分析工作．
關鍵詞：初步設計；安全性；初步危險分析；危險要素；風險
中圖分類號：X 949；X 913．4；N 945
文獻標識碼：A 文章編號：1001．5965(2014)11．1623-06
Hazard analysis technique based on hazard factors
Zhao Yuan Jiao Jian+ Zhao Tingdi
(School of Reliability and Systems Engineering，Beijing University of Aeronautics and Astronautics，Beijing 100191，China)
Abstract：Considering the lack of concrete hazard analysis tool for implementing hazard analysis during
the preliminary design stage，a hazard analysis technique based on hazard factors was proposed．In this hazard
analysis technique，hazard elements were identified，components of a system were classified，and the states of
different component types were analyzed，based which potential hazards can be identified by analyzing the
effect of various coupling relationships between these states to the hazard elements．A case study about the fuel
system on airplane was presented which demonstrates the engineering practicability and effectiveness of the
technique in preliminary hazard analysis．The hazard analysis technique can effectively identify potential haz—
ards at the preliminary design stage，provide a basis for the subsequent design and system safety，and can also
be used for safety analysis of follow—up development phase．
Key words：preliminary design；safety；preliminary hazard analysis；hazard factors；risk
為了提高系統(tǒng)的安全性水平，必須在系統(tǒng)設
計過程中開展安全性工作，以消除危險或降低危
險的風險．安全性工作的關鍵是危險識別¨“1．與
系統(tǒng)設計緊密相關的首個危險識別工作是初步危
險分析卜“。．初步危險分析工作是在系統(tǒng)的初步
設計階段開展，通常能發(fā)現(xiàn)設計初期潛在的危險
和其他與安全相關的信息，例如系統(tǒng)層次危險、頂
層事故、安全關鍵功能等，以盡可能早地從安全性
角度來影響設計．初步危險分析是后續(xù)危險分析
和安全性工作的基礎H一1．在GJB／Z 99—97以及
美軍的系統(tǒng)安全標準MIL．STD一882E等多個標準
和文獻中都明確要求或建議在系統(tǒng)設計過程中，
要開展初步危險分析工作¨””1．
在開展初步危險分析工作中，往往采用填寫
表格的形式舊“1，表格中要填寫的內(nèi)容已經(jīng)確定．
卻沒有說明如何獲取這些內(nèi)容，表格中的內(nèi)容是
開展初步危險分析工作結(jié)束后應給出的信息．雖
然在GJB／Z 99—97中介紹了多種常見的危險及
其控制，但仍不足以支撐結(jié)合具體系統(tǒng)來開展初
步危險分析．從而，在對具體的系統(tǒng)開展初步危險
收稿日期：2014-03—17；網(wǎng)絡出版時間：2014-06·10 09：41；DOI：10．13700／j．bh．1001-5965．2014．0124
網(wǎng)絡出版地址：WWW．enki．net／kcms／doi／10．13700／i．bh．1001-5965．2014．0124．html
作者簡介：趙遠(1985一)，男，陜西西安人，博士生，happy—life03@163．eom；}通訊作者：jiaojian@buaa．edu．cn‘
萬方數(shù)據(jù)
1624 北京航空航天大學學報2014年
分析過程中，分析人員即使知道表格中應填寫的
內(nèi)容，仍然很難開展該項工作．
結(jié)合對某型飛機初步危險分析的工作經(jīng)驗，
本文以能量意外釋放事故致因理論為基礎，從安
全性與可靠性的關系以及危險三角理論角度，分
析危險的構(gòu)成要素及其與風險的關系，提出了面
向初步危險分析工作的危險識別技術，即基于危
險要素的危險分析技術．該分析技術，以危險元素
為切入點，對分析對象內(nèi)部件進行分類，通過分析
部件的各種情況及其耦合關系，來辨識系統(tǒng)危險．
1 危險構(gòu)成原理
1．1危險元素
人類利用能量做功以實現(xiàn)生產(chǎn)目的，在正常
生產(chǎn)過程中，能量受到多種約束限制，按人們的意
志流動、轉(zhuǎn)換和做功．Gibson和Haddon等人提出
了能量意外釋放論，從能量的角度揭示了事故的
發(fā)生規(guī)律‘1””1．該理論認為如果由于某種原因能
量失去了控制，超越了人們設置的約束或限制而
意外地逸出或釋放，則發(fā)生事故，即事故是一種不
正常的或不希望的能量釋放并轉(zhuǎn)移于人體?1．
能量意外釋放論闡明了事故發(fā)生的物理本
質(zhì)，防止事故就是阻止能量意外釋放，避免人體接
觸能量．在系統(tǒng)設計階段安全性分析人員應注意
系統(tǒng)設計中能量轉(zhuǎn)換、流動，以及不同形式能量的
相互作用，尋找可能導致危險元素意外泄漏或釋
放的事件．在此基礎上，本文提出的危險分析技術
正是從明確對象中涉及的危險元素為起點，分析
對象中導致危險元素意外泄漏或釋放的事件．
1．2危險特點
危險的存在以及事故的發(fā)生都涉及多個事
件．在系統(tǒng)設計過程中，通?？紤]系統(tǒng)內(nèi)部某些產(chǎn)
品故障或缺陷，以及產(chǎn)品之間交互的缺陷使得能
量意外釋放．危險的這一特點也就決定了安全性
研究的對象層次較高，并且涉及多個產(chǎn)品，無法研
究單個產(chǎn)品的安全性．例如，對于一個閥門，可以
單獨地研究其可靠性，分析它的故障原因和模式，
但無法研究閥門的安全性．只有將閥門和與其相
關的部件放在一起才能研究安全性．比如，飛機起
落架中液壓系統(tǒng)中的閥門，就可以研究它對飛機
安全性的影響．這是安全性研究與可靠性研究特
點的差異之一．
危險涉及的多個事件往往與具體產(chǎn)品的可
靠性相關，可靠性與安全性又有交叉．比如，在
研究飛行控制系統(tǒng)的安全性過程中，就需要考
慮舵機、桿位移傳感器和操縱臺等產(chǎn)品的可靠
性，確保它們的可靠性，也就提高了飛行控制系
統(tǒng)的安全性．
1．3危險構(gòu)成
危險的存在是由多個事件導致的，通常將這
些事件分為3類：危險元素、觸發(fā)機制和威脅／對
象，它們是危險存在的基本要素¨。31．危險元素是
構(gòu)成危險的基本危險源，如具有危害性的物質(zhì)、高
危能量等．觸發(fā)機制是引起危險發(fā)生的觸發(fā)或引
發(fā)事件，如部件失效、設計缺陷、外部環(huán)境影響和
人為差錯等．危險的觸發(fā)機制事件就包含了特定
部件的失效．特定產(chǎn)品的可靠性放在一定的事件
場景下將影響對象整體的安全性．威脅／對象是易
受到傷害和／或破壞的人或物，如系統(tǒng)的使用人
員、系統(tǒng)自身和環(huán)境．
危險元素是危險存在的直接原因．由于系統(tǒng)
中使用危害物質(zhì)(具有化學能)或系統(tǒng)運行過程
中具有能造成傷害的能量，例如武器裝備，因為某
些特定原因，這些有害物質(zhì)或能量就有可能意外
釋放，導致事故發(fā)生．系統(tǒng)中具有危險元素，但不
一定就會發(fā)生事故．觸發(fā)機制導致危險向事故轉(zhuǎn)
變．事故發(fā)生過程中涉及了多個觸發(fā)機制，如部件
失效、部件之間或系統(tǒng)之間的接口缺陷、外部環(huán)境
影響和人為差錯等．若干個觸發(fā)機制使得危險元
素出現(xiàn)了意外的釋放．
在系統(tǒng)尤其武器裝備系統(tǒng)中，危險總是存在
的，但是它們的風險必須控制在可接受的范圍．
當系統(tǒng)中危險的風險是可接受的，那么就認
為系統(tǒng)是安全的．風險通過對危險的可能性和嚴
酷度的評估來確定，有多種用于確定風險的風險
矩陣”’181．危險三要素直接與風險相關，如圖1所
示．危險元素的特性和量值，直接決定了其意外釋
放所帶來的危害大小；威脅／對象直接決定了具體
的損失情況．它們兩個共同決定了危險的嚴酷度
等級．觸發(fā)機制直接決定了事故發(fā)生概率．通常屏
蔽或控制危險元素的中間環(huán)節(jié)越多，那么事故發(fā)
生的概率相對較低．
危險構(gòu)成原理，為識別危險和控制風險確保
危險
圖l 危險三要素及其與風險的對應關系
Fig．1 Three factors of hazard and its relationship with risk
萬方數(shù)據(jù)
第11期趙遠等：基于危險要素的危險分析技術1625
系統(tǒng)安全提供了理論基礎．本文提出的基于危險
要素的分析技術是通過識別危險三要素來確定系
統(tǒng)可能的危險．
2危險分析技術原理及流程
基于危險要素的危險分析技術原理如圖2所
示．對于危險元素(危害物質(zhì)和高危能量)的分析
以兩條線開展：危險元素的存儲、傳輸和使用；危
險元素的監(jiān)測、控制決策和執(zhí)行機構(gòu)．對于危害物
質(zhì)和高危能量相關的觸發(fā)機制通常是這兩條主線
中的若干環(huán)節(jié)異?；蛟O計缺陷．由危害物質(zhì)或高
危能量以及具體的觸發(fā)機制決定了對應的威脅／
對象．
在開展該分析過程中，首先明確對象中的危
對危險元素的儲存、傳輸、
和使用相關的部件(I) 【一
對危險元素控制、監(jiān)測相I
關的部件(1I) ／
I類部件；不工作、工作
不穩(wěn)定、運行時間不恰當、
結(jié)構(gòu)破損、振動泄漏等
Ⅱ類部件；不工作、工作
不穩(wěn)定、發(fā)出錯誤信息、超
出允差等
險元素，然后分析可能的觸發(fā)機制和相關的威脅／
對象，確定對象中的危險，分析流程如圖3所示．
i 分析對象j
，，’。一’‘、、
，，危害物質(zhì)、、
、、高危能量，，
圖2危險分析技術原理
Fig．2 Theory of hazard analysis technique
圖3 基于危險要素的危險分析技術流程
Fig．3 Hazard analysis process based on hazard factors
1)明確對象涉及的危險元素．
在明確分析對象后，確定對象涉及的危險元
素，如能量源、危害物質(zhì)、電氣和系統(tǒng)使用過程中
可能接觸的外界環(huán)境等．比如，對于飛機的燃油系
統(tǒng)，與它相關的危險元素是燃油．與其相關的危險
都是源自燃油的泄漏、著火和無法供給．確定危險
元素是該危險分析的起點．
2)對分析對象中的部件分類．
將對象中的部件分為兩類：一類是對危險元
素的存儲、傳輸和使用相關的部件(部件類型
I)；一類是對危險元素監(jiān)測、控制決策和執(zhí)行機
制相關的部件(部件類型Ⅱ)．
3)結(jié)合引導詞確定部件的可能狀態(tài)．
為了確定可能的觸發(fā)機制，必須要明確不同
類型部件的可能狀態(tài)．由于在系統(tǒng)的初步設計階
段，部件的詳細信息難以確定，從而針對部件的使
用類型采用引導詞來確定部件的可能狀態(tài)．
對于類型I中的部件，考慮部件不工作、間歇
工作或工作不穩(wěn)定、運行時間不恰當(過早、過
晚)、不能停止工作、結(jié)構(gòu)破損、振動、泄漏或滲
漏、受液體和熱影響等．
對于類型Ⅱ中的部件，考慮部件無法運行、間
萬方數(shù)據(jù)
1626 北京航空航天大學學報2014年
歇工作或工作不穩(wěn)定、發(fā)出錯誤或沖突的信息和
數(shù)據(jù)、超出允差、控制決策的軟件差錯、操作時間
不當(過早，過晚)、不能停止運行或意外停止運
行、接收到錯誤的信息、受液體和熱影響、滯后運
行、振動等．
4)分析相關的觸發(fā)機制事件和相應的威脅／
對象．
在確定部件的可能狀態(tài)以后，分析狀態(tài)及其
組合對危險元素的影響，確定可能導致危險元素
泄漏或意外釋放的事件．在分析可能相關的觸發(fā)
機制過程中，針對設計方案特點，結(jié)合以下幾點確
定可能的觸發(fā)機制：
①功能原理．以危險元素為起點，結(jié)合功能
原理和部件的可能狀態(tài)確定可能造成危險元素意
外釋放的事件．
②現(xiàn)役相似系統(tǒng)的經(jīng)驗教訓．結(jié)合在相似系
統(tǒng)中已發(fā)生事故的經(jīng)驗教訓，確定可能的觸發(fā)機
制，找到薄弱環(huán)節(jié)．
③任務過程．通過考慮任務過程中環(huán)境因素
(熱、鹽霧、惡劣氣候等)、人員操作可能差錯、以
及安全關鍵部件的故障等這些因素及其組合對危
險元素的影響，確定觸發(fā)機制．
④與危險元素相關的安全關鍵軟件命令和
響應以及軟硬件接口問題．例如，錯誤命令、不適
時的命令或響應等觸發(fā)機制．
⑤保障和維修．例如，保障或維修過程中引
入的部件異常狀態(tài)以及人員差錯導致不良后果以
及與危險元素相關的射線、噪聲、電源在保障或維
修過程中對人員的傷害等．
危險元素意外泄漏或釋放必定對人和物帶來
傷害與損失，在確定了危險元素和觸發(fā)機制事件
后，結(jié)合具體的關聯(lián)情況也就能確定出其相應的
威脅／對象．通常威脅／對象從對分析對象自身、相
關產(chǎn)品和系統(tǒng)、人員、環(huán)境方面考慮．
5)確定危險及其風險
在確定與危險元素相應的觸發(fā)機制與威脅／
對象后，明確危險并確定其風險．通過危險元素和
威脅／對象來確定風險的嚴酷度，由觸發(fā)機制事件
來確定風險的可能性．在確定危險及其風險以后，
將這些結(jié)論填人初步危險分析表中．危險分析結(jié)
果對初步危險分析表填寫的支持關系見圖4．
通過該危險分析技術能夠識別系統(tǒng)在初步方
案階段的危險，并為確定風險提供依據(jù)．而且，通
過該分析確定出的危險三要素為風險控制提供了
方向．在從降低嚴酷度來消減風險的過程中，設計
人員可以考慮從危險元素和威脅／對象方面研究。
例如，在系統(tǒng)設計中用無毒或低毒性物質(zhì)來替換
危害物質(zhì)，增加一定的屏蔽措施來阻隔危險元素
對人員的傷害．在從降低可能性來消減風險的過
程中，設計人員可以考慮從觸發(fā)機制方面開展．例
如，增加對危險元素的控制裝置、增加對危險元素
的監(jiān)控精度、對關鍵部件采取多冗余設計方式、提
高相關部件可靠性等．
初步危險分析
風險
序號危險原因影響階段建議措施備注
嚴酷度可能性
危險事件與危險相關
結(jié)合威脅，
分析對象通過危險結(jié)合危險j要素給出風險控制建
描述聯(lián)的觸發(fā)對象說明
所處的運元素和威
通過觸發(fā)
議，從危險元素和威脅，對象來降
行階段或脅，對象來機制事件
機制事件 低危險的嚴酷度，從觸發(fā)機制事件 來確定
工作模式確定來降低危險發(fā)生的可能性
圖4 危險分析結(jié)果對初步危險分析表的關系
Fig．4 Relationship between hazard analysis results and preliminary hazard analysis worksheet
3 應用實例
以某型飛機初步方案階段的燃油系統(tǒng)為研究
對象，開展危險分析．燃油系統(tǒng)包括供油分系統(tǒng)、
輸油分系統(tǒng)、加油與放油分系統(tǒng)、通氣增壓分系統(tǒng)
與燃油測量顯示控制分系統(tǒng)．由于篇幅原因，本文
僅列出燃油測量顯示控制分系統(tǒng)的初步危險分
析，以說明該技術的可行性和有效性．
燃油測量顯示控制分系統(tǒng)向綜合管理計算機
內(nèi)的機電處理器提供余油告警、供油瞬時流量、全
機余油量和2個油泵工作狀態(tài)信息．燃油測量顯
示控制分系統(tǒng)中涉及的危險元素是燃油．燃油可
能由于受熱(熱量可能來自于發(fā)動機工作、熱的
氣候)增強了燃油的揮發(fā)和汽化以及增加氣體壓
萬方數(shù)據(jù)
第11期趙遠等：基于危險要素的危險分析技術1627
力，導致油箱爆炸．在飛機飛行階段，如果燃油由
于某種原因無法傳輸?shù)桨l(fā)動機，將導致飛機墜毀．
在確定危險元素后，對其部件展開分析．該系
統(tǒng)中的部件主要由告警器、油量信號器、壓力信號
器、燃油流量計、導管和電纜等附件組成．由于該
分系統(tǒng)的功能特點，決定了這些部件都屬于部件
類型Ⅱ．
分析可知告警器部件可能無法告警，需要告
警時無法告警或無法及時告警，正常情況下異常
告警．油量信號器部件可能無法輸出油量信息或
輸出油量信息為固定值，輸出的油量信息和實際
的油量信息偏差過大．燃油流量計部件可能無法
輸出流量信息或輸出流量信息為固定值，輸出的
流量信息和實際的流量信息偏差過大．壓力信號
器可能無法工作或偏差過大．導管連接處可能松
動或裂縫等．電源部件可能無電力供應和電力間
斷供應．
通過將部件情況與燃油的使用特點結(jié)合，發(fā)
現(xiàn)了多個危險．例如，油量信號器停止工作或運行
過程中誤差過大，都會導致人員對飛機的油量產(chǎn)
生錯誤的判斷，當飛機油量低于最低油量時，無法
告警或未及時告警，可能導致飛機在飛行過程中
燃油耗盡，飛機墜毀．壓力信號器無法工作，都會
導致輸送給發(fā)動機的油量信息超過誤差范圍，影
響飛機飛行品質(zhì)．流量計工作異常，導致計算機獲
取的發(fā)動機使用油量信息偏差，影響飛機飛行品
質(zhì)．燃油測量顯示控制分系統(tǒng)中的部分初步危險
分析結(jié)果見表1．
表1燃油測量顯示控制分系統(tǒng)初步危險分析表(部分)
Table 1 Preliminary hazard analysis worksheet of fuel measurement display control subsystem(part)
采用該分析技術，通過確定燃油測量顯示控
制分系統(tǒng)部件的可能狀態(tài)以及面臨的異常環(huán)境，
分析這些狀態(tài)對燃油(危害物質(zhì))在存儲和使用
過程中的影響，確定危險．依據(jù)風險評估矩陣，對
識別的危險三要素進行評估，確定風險．
對于燃油系統(tǒng)這個安全關鍵系統(tǒng)，在初步方
案設計階段采用該危險分析技術后，發(fā)現(xiàn)了多個
危險和薄弱環(huán)節(jié)，這些將是設計人員應該注意的
因素．
4 結(jié)論
針對在開展初步危險分析過程中缺少技術支
持的現(xiàn)狀，本文提出了基于危險要素的危險分析
技術．通過確定系統(tǒng)中的危險元素，分析可能的觸
發(fā)機制并得出相關的威脅／對象，識別危險．該分
析技術有以下幾個優(yōu)點：
1)該技術具有較強的工程實用性．安全性分
析人員能夠結(jié)合設計方案和可靠性分析的結(jié)論確
定危險三要素并進一步確定危險和風險．
2)對風險的評價提供依據(jù)，并為危險的控制
或消除提供方向．在風險評價過程中可以從該技
術識別的危險三要素來確定危險的風險等級．危
險三要素也為危險的控制或消除提供了切人點．
3)適用于后續(xù)的安全性工作．該危險分析通
萬方數(shù)據(jù)
1628 北京航空航天大學學報2014年
過確定危險三要素來識別設計中的可能危險，確
定危險控制的關鍵項．在后續(xù)的安全性工作中，結(jié)
合更詳細的設計信息，該技術能夠識別系統(tǒng)中的
危險以及故障樹分析的頂事件．
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