趙青選

摘 要：產(chǎn)品的可靠性是設(shè)計(jì)出來(lái)的。開(kāi)展可靠性分析的方法很多，針對(duì)性的應(yīng)用分析方法，緊密結(jié)合產(chǎn)品特點(diǎn)，評(píng)估參數(shù)變化對(duì)系統(tǒng)的影響。把可靠性分析落實(shí)到設(shè)計(jì)方案中去，對(duì)不同的設(shè)計(jì)方案進(jìn)行比較，為設(shè)計(jì)決策提供依據(jù)。

關(guān)鍵詞：可靠性；方案；故障；概率

產(chǎn)品可靠性是影響市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)的關(guān)鍵因素。設(shè)計(jì)過(guò)程中，實(shí)現(xiàn)客戶需求的產(chǎn)品性能和功能很重要，但還有一個(gè)問(wèn)題，并行設(shè)計(jì)產(chǎn)品可靠性的問(wèn)題。比如，獨(dú)立設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)一個(gè)新產(chǎn)品，采用何種方案，是否需要冗余去避免單點(diǎn)故障，為減少故障頻發(fā)對(duì)維修間隔有何要求，才能滿足產(chǎn)品在制定條件下的使用，經(jīng)歷多長(zhǎng)時(shí)間不壞，采取糾正預(yù)防措施使產(chǎn)品易于維修，這其中就會(huì)有多個(gè)不同的解決方案。

可靠性是研究產(chǎn)品故障規(guī)律的一種技術(shù)，可通過(guò)定性或定量方法進(jìn)行可靠性水平的評(píng)定?？煽啃苑治霾⒉粡?qiáng)調(diào)數(shù)學(xué)計(jì)算過(guò)程，而是通過(guò)各類(lèi)參數(shù)的分析，研究參數(shù)變化對(duì)系統(tǒng)的影響，把可靠性設(shè)計(jì)落實(shí)到研發(fā)方案中去，本文重點(diǎn)闡述并行工程的可靠性分析方法。

1 系統(tǒng)初步方案的確定

車(chē)門(mén)采用固有式故障導(dǎo)向安全的設(shè)計(jì)方法，設(shè)計(jì)出符合安全完整性要求的安全電路，以滿足“防止意外開(kāi)門(mén)”的安全完整性等級(jí)要求。為實(shí)現(xiàn)非安全條件下操作緊急解鎖堵轉(zhuǎn)關(guān)門(mén)的功能，需采集緊急解鎖開(kāi)關(guān)信號(hào)，激活安全電路。前期方案中，使用一個(gè)緊急解鎖開(kāi)關(guān)，若緊急解鎖意外觸發(fā)，則安全電路意外激活，存在單點(diǎn)故障，不符合安全完整性的設(shè)計(jì)要求；增加一個(gè)緊急解鎖開(kāi)關(guān)，兩個(gè)開(kāi)關(guān)分別給出信號(hào)，兩個(gè)開(kāi)關(guān)同時(shí)觸發(fā)時(shí)，認(rèn)為緊急解鎖被操作，激活安全電路，以滿足安全完整性等級(jí)的要求。

為證明冗余設(shè)計(jì)方案的合理性，需采用安全完整性分析方法。

2 安全完整性分析通用概念

在工程應(yīng)用領(lǐng)域里，存在許多潛在的危險(xiǎn)和風(fēng)險(xiǎn)，對(duì)特定的故障模式的嚴(yán)重度和發(fā)生的概率所產(chǎn)生的中華影響進(jìn)行分類(lèi)，評(píng)價(jià)產(chǎn)品可能出現(xiàn)的故障的影響。

安全完整性定量方法既可用于簡(jiǎn)單系統(tǒng)，也可用于復(fù)雜系統(tǒng)。在用于復(fù)雜系統(tǒng)時(shí)，可構(gòu)造故障樹(shù)來(lái)表述危險(xiǎn)模型。頂端事件通常為一人或多人死亡，以及為表示需求原因和電氣安全相關(guān)系統(tǒng)故障而構(gòu)建的邏輯，故障導(dǎo)致了頂端事件的發(fā)生。在某些復(fù)雜系統(tǒng)中，可能會(huì)在故障樹(shù)的多個(gè)位置發(fā)生單個(gè)故障事件，需用用簡(jiǎn)化方法如風(fēng)險(xiǎn)圖法來(lái)完成該項(xiàng)工作。簡(jiǎn)而言之，可通過(guò)確定所需的風(fēng)險(xiǎn)降低，來(lái)實(shí)現(xiàn)允許風(fēng)險(xiǎn)的標(biāo)準(zhǔn)，從而確定安全完整性等級(jí)。

3 風(fēng)險(xiǎn)圖方法

風(fēng)險(xiǎn)圖法可以測(cè)定系統(tǒng)的安全完整性水平，一旦采取這種方法，需要引入一些參數(shù)。這些參數(shù)可以有意義的對(duì)這些風(fēng)險(xiǎn)劃分等級(jí)，并且可以控制關(guān)鍵的風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估因素。

車(chē)門(mén)開(kāi)關(guān)功能的操作頻率每年大于一次，因此車(chē)門(mén)開(kāi)關(guān)功能屬于高需求模式。高需求模式下故障發(fā)生概率的計(jì)算公式：故障發(fā)生概率 = THR / （ExPxC）。

3.1 容許故障概率THR

考慮車(chē)門(mén)開(kāi)關(guān)冗余設(shè)計(jì)前的容許故障概率的確定：

1）10-9每小時(shí)：災(zāi)難性事件，造成死亡和/或多人重傷和/或嚴(yán)重危害環(huán)境。

2）10-7每小時(shí)：嚴(yán)重事件，造成一人死亡和/或重傷和/或嚴(yán)重危害環(huán)境。

3）10-5每小時(shí)：輕微事件，造成輕傷和/或嚴(yán)重威脅環(huán)境。

3.2 風(fēng)險(xiǎn)暴露概率E

1）E=1：經(jīng)常直至永久暴露在危險(xiǎn)區(qū)域。

2）E=0.1： 除非在特殊情況下（例如乘客在隧道里行走），否則很少至較少暴露在危險(xiǎn)區(qū)域。

3）E=0.01： 幾乎不暴露在危險(xiǎn)區(qū)域（例如乘客在車(chē)輛段）。

3.3 避開(kāi)/降低事件發(fā)生的概率P

1）P=1： 沒(méi)有額外的手段避免事故的發(fā)生。

2）P=0.1： 有一定的方式降低特定事故的發(fā)生（例如乘客目測(cè)車(chē)輛發(fā)動(dòng)時(shí)車(chē)門(mén)是否意外打開(kāi)）。

3）P=0.01： 有兩種獨(dú)立的方式降低特定事故的發(fā)生（例如獨(dú)立車(chē)門(mén)互鎖回路判斷車(chē)門(mén)發(fā)動(dòng)前車(chē)門(mén)是否打開(kāi)，同時(shí)乘客可目測(cè)到車(chē)輛發(fā)動(dòng)時(shí)車(chē)門(mén)是否意外打開(kāi)，）。

3.4 后果C

1）C=1： 沒(méi)有方法避免事故的后果。

2）C=0.1： 有一定方式可避免是事故發(fā)生的后果（例如，乘客被門(mén)夾住時(shí)，會(huì)嘗試從被夾住的車(chē)門(mén)中掙脫。）

3）C=0.01： 有兩種獨(dú)立的方式可避免是事故發(fā)生的后果（例如，停車(chē)時(shí)車(chē)輪防止打滑功能和合適的制動(dòng)距離）

4 結(jié)論

乘客從運(yùn)行的列車(chē)上跌落軌道，被其他列車(chē)撞擊，最嚴(yán)重時(shí)可能多名乘客同時(shí)跌落，造成多人死亡或重傷，因此開(kāi)關(guān)方案事件的THR=10-9。當(dāng)采用一個(gè)開(kāi)關(guān)時(shí)，故障發(fā)生概率 = THR / （ExPxC）=10-8，此時(shí)，E=1，乘客經(jīng)常暴露在這種風(fēng)險(xiǎn)下；P=1，當(dāng)一個(gè)開(kāi)關(guān)故障時(shí)沒(méi)有額外的手段避免事故的發(fā)生；C=0.1，乘客會(huì)意識(shí)到車(chē)門(mén)意外打開(kāi)，并會(huì)向車(chē)廂內(nèi)部移動(dòng)。當(dāng)采用兩個(gè)開(kāi)關(guān)時(shí)，故障發(fā)生概率 = THR / （ExPxC）=10-9，此時(shí)，E=1，乘客經(jīng)常暴露在這種風(fēng)險(xiǎn)下；P=0.1，不存在單點(diǎn)故障，冗余設(shè)計(jì)，車(chē)門(mén)兩個(gè)緊急解鎖開(kāi)關(guān)任一個(gè)觸發(fā)時(shí)，即判定為操作了緊急解鎖，激活安全電路；C=0.1，乘客會(huì)意識(shí)到車(chē)門(mén)意外打開(kāi)，并會(huì)向車(chē)廂內(nèi)部移動(dòng)。由此可見(jiàn)，增加一個(gè)緊急解鎖開(kāi)關(guān)是設(shè)計(jì)需要，不是過(guò)設(shè)計(jì)。

本文只是依據(jù)簡(jiǎn)單的例子闡述可靠性定量分析時(shí)，參數(shù)選擇的變化可以影響設(shè)計(jì)方案。實(shí)際工程應(yīng)用中的可靠性分析，應(yīng)該是一系列系統(tǒng)化的活動(dòng)，是對(duì)設(shè)計(jì)過(guò)程的完善，輔助以明確什么樣的設(shè)計(jì)和過(guò)程才能滿足顧客的需要。

參考文獻(xiàn)：

[1]IEC 61508-5：2010 第5部分：確定安全完整性等級(jí)的方法示例.

[2]李良巧.可靠性工程師手冊(cè).北京：中國(guó)人民大學(xué)出版社，2012.