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基于危險要素的危險分析技術(shù)

文檔作者：趙遠(yuǎn) 焦健趙廷弟文檔來源：北京航空航天大學(xué)		點(diǎn) 擊數(shù)： 124 3	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(xué)學(xué)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(shù)
趙遠(yuǎn)焦健4 趙廷弟
(北京航空航天大學(xué)可靠性與系統(tǒng)工程學(xué)院，北京100191)
摘要：在系統(tǒng)初步設(shè)計階段，針對初步危險分析過程中缺乏具體、明確的實(shí)施方
法，提出了基于危險要素的危險分析技術(shù)．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(jī)制并得出相關(guān)的威
脅／對象，識別設(shè)計中的危險和薄弱環(huán)節(jié)．以飛機(jī)燃油系統(tǒng)為例，驗(yàn)證了該分析技術(shù)的實(shí)用性和
有效性．在系統(tǒng)的初步方案設(shè)計階段，該方法能夠與設(shè)計方案相結(jié)合，全面分析可能存在的危
險，為后續(xù)設(shè)計和危險分析提供工作側(cè)重點(diǎn)，并適用于后續(xù)研制階段的安全性分析工作．
關(guān)鍵詞：初步設(shè)計；安全性；初步危險分析；危險要素；風(fēng)險
中圖分類號：X 949；X 913．4；N 945
文獻(xiàn)標(biāo)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(shè)
計過程中開展安全性工作，以消除危險或降低危
險的風(fēng)險．安全性工作的關(guān)鍵是危險識別¨“1．與
系統(tǒng)設(shè)計緊密相關(guān)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(shè)計階段開展，通常能發(fā)現(xiàn)設(shè)計初期潛在的危險
和其他與安全相關(guān)的信息，例如系統(tǒng)層次危險、頂
層事故、安全關(guān)鍵功能等，以盡可能早地從安全性
角度來影響設(shè)計．初步危險分析是后續(xù)危險分析
和安全性工作的基礎(chǔ)H一1．在GJB／Z 99—97以及
美軍的系統(tǒng)安全標(biāo)準(zhǔn)MIL．STD一882E等多個標(biāo)準(zhǔn)
和文獻(xiàn)中都明確要求或建議在系統(tǒng)設(shè)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(yīng)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(luò)出版時間：2014-06·10 09：41；DOI：10．13700／j．bh．1001-5965．2014．0124
網(wǎng)絡(luò)出版地址：WWW．enki．net／kcms／doi／10．13700／i．bh．1001-5965．2014．0124．html
作者簡介：趙遠(yuǎn)(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(xué)學(xué)報2014年
分析過程中，分析人員即使知道表格中應(yīng)填寫的
內(nèi)容，仍然很難開展該項(xiàng)工作．
結(jié)合對某型飛機(jī)初步危險分析的工作經(jīng)驗(yàn)，
本文以能量意外釋放事故致因理論為基礎(chǔ)，從安
全性與可靠性的關(guān)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(fēng)險的關(guān)系，提出了面
向初步危險分析工作的危險識別技術(shù)，即基于危
險要素的危險分析技術(shù)．該分析技術(shù)，以危險元素
為切入點(diǎn)，對分析對象內(nèi)部件進(jìn)行分類，通過分析
部件的各種情況及其耦合關(guān)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(shí)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(rèn)為如果由于某種原因能
量失去了控制，超越了人們設(shè)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(shè)計階段安全性分析人員應(yīng)注意
系統(tǒng)設(shè)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(dǎo)致危險元素意外泄漏或釋
放的事件．在此基礎(chǔ)上，本文提出的危險分析技術(shù)
正是從明確對象中涉及的危險元素為起點(diǎn)，分析
對象中導(dǎo)致危險元素意外泄漏或釋放的事件．
1．2危險特點(diǎn)
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(shè)計過程中，通常考慮系統(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(diǎn)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(dú)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(guān)的部件放在一起才能研究安全性．比如，飛機(jī)起
落架中液壓系統(tǒng)中的閥門，就可以研究它對飛機(jī)
安全性的影響．這是安全性研究與可靠性研究特
點(diǎn)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(guān)，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(jī)、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(dǎo)致的，通常將這
些事件分為3類：危險元素、觸發(fā)機(jī)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(jī)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(shè)計缺陷、外部環(huán)境影響和
人為差錯等．危險的觸發(fā)機(jī)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(xué)能)或系統(tǒng)運(yùn)行過程
中具有能造成傷害的能量，例如武器裝備，因?yàn)槟?
些特定原因，這些有害物質(zhì)或能量就有可能意外
釋放，導(dǎo)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(jī)制導(dǎo)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(jī)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(jī)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(fēng)險必須控制在可接受的范圍．
當(dāng)系統(tǒng)中危險的風(fēng)險是可接受的，那么就認(rèn)
為系統(tǒng)是安全的．風(fēng)險通過對危險的可能性和嚴(yán)
酷度的評估來確定，有多種用于確定風(fēng)險的風(fēng)險
矩陣”’181．危險三要素直接與風(fēng)險相關(guān)，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??；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(yán)酷度
等級．觸發(fā)機(jī)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(fēng)險確保
危險
圖l 危險三要素及其與風(fēng)險的對應(yīng)關(guān)系
Fig．1 Three factors of hazard and its relationship with risk
萬方數(shù)據(jù)
第11期趙遠(yuǎn)等：基于危險要素的危險分析技術(shù)1625
系統(tǒng)安全提供了理論基礎(chǔ)．本文提出的基于危險
要素的分析技術(shù)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(shù)原理及流程
基于危險要素的危險分析技術(shù)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(jī)構(gòu)．對于危害物
質(zhì)和高危能量相關(guān)的觸發(fā)機(jī)制通常是這兩條主線
中的若干環(huán)節(jié)異常或設(shè)計缺陷．由危害物質(zhì)或高
危能量以及具體的觸發(fā)機(jī)制決定了對應(yīng)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(guān)的部件(I) 【一
對危險元素控制、監(jiān)測相I
關(guān)的部件(1I) ／
I類部件；不工作、工作
不穩(wěn)定、運(yùn)行時間不恰當(dāng)、
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(jī)制和相關(guān)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(shù)原理
Fig．2 Theory of hazard analysis technique
圖3 基于危險要素的危險分析技術(shù)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(jī)的燃油系
統(tǒng)，與它相關(guān)的危險元素是燃油．與其相關(guān)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(diǎn)．
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(guān)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(jī)
制相關(guān)的部件(部件類型Ⅱ)．
3)結(jié)合引導(dǎo)詞確定部件的可能狀態(tài)．
為了確定可能的觸發(fā)機(jī)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(shè)計階
段，部件的詳細(xì)信息難以確定，從而針對部件的使
用類型采用引導(dǎo)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(yùn)行時間不恰當(dāng)(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(yùn)行、間
萬方數(shù)據(jù)
1626 北京航空航天大學(xué)學(xué)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(dāng)(過早，過晚)、不能停止運(yùn)行或意外停止運(yùn)
行、接收到錯誤的信息、受液體和熱影響、滯后運(yùn)
行、振動等．
4)分析相關(guān)的觸發(fā)機(jī)制事件和相應(yīng)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(dǎo)致危險元素
泄漏或意外釋放的事件．在分析可能相關(guān)的觸發(fā)
機(jī)制過程中，針對設(shè)計方案特點(diǎn)，結(jié)合以下幾點(diǎn)確
定可能的觸發(fā)機(jī)制：
①功能原理．以危險元素為起點(diǎn)，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(yàn)教訓(xùn)．結(jié)合在相似系
統(tǒng)中已發(fā)生事故的經(jīng)驗(yàn)教訓(xùn)，確定可能的觸發(fā)機(jī)
制，找到薄弱環(huán)節(jié)．
③任務(wù)過程．通過考慮任務(wù)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(guān)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(jī)制．
④與危險元素相關(guān)的安全關(guān)鍵軟件命令和
響應(yīng)以及軟硬件接口問題．例如，錯誤命令、不適
時的命令或響應(yīng)等觸發(fā)機(jī)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(dǎo)致不良后果以
及與危險元素相關(guān)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(jī)制事件
后，結(jié)合具體的關(guān)聯(lián)情況也就能確定出其相應(yīng)的
威脅／對象．通常威脅／對象從對分析對象自身、相
關(guān)產(chǎn)品和系統(tǒng)、人員、環(huán)境方面考慮．
5)確定危險及其風(fēng)險
在確定與危險元素相應(yīng)的觸發(fā)機(jī)制與威脅／
對象后，明確危險并確定其風(fēng)險．通過危險元素和
威脅／對象來確定風(fēng)險的嚴(yán)酷度，由觸發(fā)機(jī)制事件
來確定風(fēng)險的可能性．在確定危險及其風(fēng)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(guān)系見圖4．
通過該危險分析技術(shù)能夠識別系統(tǒng)在初步方
案階段的危險，并為確定風(fēng)險提供依據(jù)．而且，通
過該分析確定出的危險三要素為風(fēng)險控制提供了
方向．在從降低嚴(yán)酷度來消減風(fēng)險的過程中，設(shè)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(shè)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(fēng)險的過
程中，設(shè)計人員可以考慮從觸發(fā)機(jī)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(guān)鍵部件采取多冗余設(shè)計方式、提
高相關(guān)部件可靠性等．
初步危險分析
風(fēng)險
序號危險原因影響階段建議措施備注
嚴(yán)酷度可能性
危險事件與危險相關(guān)
結(jié)合威脅，
分析對象通過危險結(jié)合危險j要素給出風(fēng)險控制建
描述聯(lián)的觸發(fā)對象說明
所處的運(yùn)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(jī)制事件
機(jī)制事件 低危險的嚴(yán)酷度，從觸發(fā)機(jī)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(guān)系
Fig．4 Relationship between hazard analysis results and preliminary hazard analysis worksheet
3 應(yīng)用實(shí)例
以某型飛機(jī)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(shù)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(jī)
內(nèi)的機(jī)電處理器提供余油告警、供油瞬時流量、全
機(jī)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(jī)工作、熱的
氣候)增強(qiáng)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(yuǎn)等：基于危險要素的危險分析技術(shù)1627
力，導(dǎo)致油箱爆炸．在飛機(jī)飛行階段，如果燃油由
于某種原因無法傳輸?shù)桨l(fā)動機(jī)，將導(dǎo)致飛機(jī)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(dǎo)管和電纜等附件組成．由于該
分系統(tǒng)的功能特點(diǎn)，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(shí)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(shí)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(dǎo)管連接處可能松
動或裂縫等．電源部件可能無電力供應(yīng)和電力間
斷供應(yīng)．
通過將部件情況與燃油的使用特點(diǎn)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(yùn)行
過程中誤差過大，都會導(dǎo)致人員對飛機(jī)的油量產(chǎn)
生錯誤的判斷，當(dāng)飛機(jī)油量低于最低油量時，無法
告警或未及時告警，可能導(dǎo)致飛機(jī)在飛行過程中
燃油耗盡，飛機(jī)墜毀．壓力信號器無法工作，都會
導(dǎo)致輸送給發(fā)動機(jī)的油量信息超過誤差范圍，影
響飛機(jī)飛行品質(zhì)．流量計工作異常，導(dǎo)致計算機(jī)獲
取的發(fā)動機(jī)使用油量信息偏差，影響飛機(jī)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(shù)，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(fēng)險評估矩陣，對
識別的危險三要素進(jìn)行評估，確定風(fēng)險．
對于燃油系統(tǒng)這個安全關(guān)鍵系統(tǒng)，在初步方
案設(shè)計階段采用該危險分析技術(shù)后，發(fā)現(xiàn)了多個
危險和薄弱環(huán)節(jié)，這些將是設(shè)計人員應(yīng)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(shù)支
持的現(xiàn)狀，本文提出了基于危險要素的危險分析
技術(shù)．通過確定系統(tǒng)中的危險元素，分析可能的觸
發(fā)機(jī)制并得出相關(guān)的威脅／對象，識別危險．該分
析技術(shù)有以下幾個優(yōu)點(diǎn)：
1)該技術(shù)具有較強(qiáng)的工程實(shí)用性．安全性分
析人員能夠結(jié)合設(shè)計方案和可靠性分析的結(jié)論確
定危險三要素并進(jìn)一步確定危險和風(fēng)險．
2)對風(fēng)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(fēng)險評價過程中可以從該技
術(shù)識別的危險三要素來確定危險的風(fēng)險等級．危
險三要素也為危險的控制或消除提供了切人點(diǎn)．
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(xué)學(xué)報2014年
過確定危險三要素來識別設(shè)計中的可能危險，確
定危險控制的關(guān)鍵項(xiàng)．在后續(xù)的安全性工作中，結(jié)
合更詳細(xì)的設(shè)計信息，該技術(shù)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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