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基于危险要素的危险分析技术

文档作者：赵远焦健赵廷弟文档来源：北京航空航天大学		点击数：	更新时间： 2023年01月07日
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2014年11月
第40卷第11期
北京航空航天大学学报
Journal of Beijing University of Aeronautics and Astronautics
November 2014
V01．40 No．11
基于危险要素的危险分析技术
赵远焦健4 赵廷弟
(北京航空航天大学可靠性与系统工程学院，北京100191)
摘要：在系统初步设计阶段，针对初步危险分析过程中缺乏具体、明确的实施方
法，提出了基于危险要素的危险分析技术．确定对象中的危险元素，对部件迸行分类，结合不同
类型部件各种可能的状态，考虑其对危险元素的影响，分析可能的触发机制并得出相关的威
胁／对象，识别设计中的危险和薄弱环节．以飞机燃油系统为例，验证了该分析技术的实用性和
有效性．在系统的初步方案设计阶段，该方法能够与设计方案相结合，全面分析可能存在的危
险，为后续设计和危险分析提供工作侧重点，并适用于后续研制阶段的安全性分析工作．
关键词：初步设计；安全性；初步危险分析；危险要素；风险
中图分类号：X 949；X 913．4；N 945
文献标识码：A 文章编号：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
为了提高系统的安全性水平，必须在系统设
计过程中开展安全性工作，以消除危险或降低危
险的风险．安全性工作的关键是危险识别¨“1．与
系统设计紧密相关的首个危险识别工作是初步危
险分析卜“。．初步危险分析工作是在系统的初步
设计阶段开展，通常能发现设计初期潜在的危险
和其他与安全相关的信息，例如系统层次危险、顶
层事故、安全关键功能等，以尽可能早地从安全性
角度来影响设计．初步危险分析是后续危险分析
和安全性工作的基础H一1．在GJB／Z 99—97以及
美军的系统安全标准MIL．STD一882E等多个标准
和文献中都明确要求或建议在系统设计过程中，
要开展初步危险分析工作¨””1．
在开展初步危险分析工作中，往往采用填写
表格的形式旧“1，表格中要填写的内容已经确定．
却没有说明如何获取这些内容，表格中的内容是
开展初步危险分析工作结束后应给出的信息．虽
然在GJB／Z 99—97中介绍了多种常见的危险及
其控制，但仍不足以支撑结合具体系统来开展初
步危险分析．从而，在对具体的系统开展初步危险
收稿日期：2014-03—17；网络出版时间：2014-06·10 09：41；DOI：10．13700／j．bh．1001-5965．2014．0124
网络出版地址：WWW．enki．net／kcms／doi／10．13700／i．bh．1001-5965．2014．0124．html
作者简介：赵远(1985一)，男，陕西西安人，博士生，happy—life03@163．eom；}通讯作者：jiaojian@buaa．edu．cn‘
万方数据
1624 北京航空航天大学学报2014年
分析过程中，分析人员即使知道表格中应填写的
内容，仍然很难开展该项工作．
结合对某型飞机初步危险分析的工作经验，
本文以能量意外释放事故致因理论为基础，从安
全性与可靠性的关系以及危险三角理论角度，分
析危险的构成要素及其与风险的关系，提出了面
向初步危险分析工作的危险识别技术，即基于危
险要素的危险分析技术．该分析技术，以危险元素
为切入点，对分析对象内部件进行分类，通过分析
部件的各种情况及其耦合关系，来辨识系统危险．
1 危险构成原理
1．1危险元素
人类利用能量做功以实现生产目的，在正常
生产过程中，能量受到多种约束限制，按人们的意
志流动、转换和做功．Gibson和Haddon等人提出
了能量意外释放论，从能量的角度揭示了事故的
发生规律‘1””1．该理论认为如果由于某种原因能
量失去了控制，超越了人们设置的约束或限制而
意外地逸出或释放，则发生事故，即事故是一种不
正常的或不希望的能量释放并转移于人体⋯1．
能量意外释放论阐明了事故发生的物理本
质，防止事故就是阻止能量意外释放，避免人体接
触能量．在系统设计阶段安全性分析人员应注意
系统设计中能量转换、流动，以及不同形式能量的
相互作用，寻找可能导致危险元素意外泄漏或释
放的事件．在此基础上，本文提出的危险分析技术
正是从明确对象中涉及的危险元素为起点，分析
对象中导致危险元素意外泄漏或释放的事件．
1．2危险特点
危险的存在以及事故的发生都涉及多个事
件．在系统设计过程中，通常考虑系统内部某些产
品故障或缺陷，以及产品之间交互的缺陷使得能
量意外释放．危险的这一特点也就决定了安全性
研究的对象层次较高，并且涉及多个产品，无法研
究单个产品的安全性．例如，对于一个阀门，可以
单独地研究其可靠性，分析它的故障原因和模式，
但无法研究阀门的安全性．只有将阀门和与其相
关的部件放在一起才能研究安全性．比如，飞机起
落架中液压系统中的阀门，就可以研究它对飞机
安全性的影响．这是安全性研究与可靠性研究特
点的差异之一．
危险涉及的多个事件往往与具体产品的可
靠性相关，可靠性与安全性又有交叉．比如，在
研究飞行控制系统的安全性过程中，就需要考
虑舵机、杆位移传感器和操纵台等产品的可靠
性，确保它们的可靠性，也就提高了飞行控制系
统的安全性．
1．3危险构成
危险的存在是由多个事件导致的，通常将这
些事件分为3类：危险元素、触发机制和威胁／对
象，它们是危险存在的基本要素¨。31．危险元素是
构成危险的基本危险源，如具有危害性的物质、高
危能量等．触发机制是引起危险发生的触发或引
发事件，如部件失效、设计缺陷、外部环境影响和
人为差错等．危险的触发机制事件就包含了特定
部件的失效．特定产品的可靠性放在一定的事件
场景下将影响对象整体的安全性．威胁／对象是易
受到伤害和／或破坏的人或物，如系统的使用人
员、系统自身和环境．
危险元素是危险存在的直接原因．由于系统
中使用危害物质(具有化学能)或系统运行过程
中具有能造成伤害的能量，例如武器装备，因为某
些特定原因，这些有害物质或能量就有可能意外
释放，导致事故发生．系统中具有危险元素，但不
一定就会发生事故．触发机制导致危险向事故转
变．事故发生过程中涉及了多个触发机制，如部件
失效、部件之间或系统之间的接口缺陷、外部环境
影响和人为差错等．若干个触发机制使得危险元
素出现了意外的释放．
在系统尤其武器装备系统中，危险总是存在
的，但是它们的风险必须控制在可接受的范围．
当系统中危险的风险是可接受的，那么就认
为系统是安全的．风险通过对危险的可能性和严
酷度的评估来确定，有多种用于确定风险的风险
矩阵”’181．危险三要素直接与风险相关，如图1所
示．危险元素的特性和量值，直接决定了其意外释
放所带来的危害大小；威胁／对象直接决定了具体
的损失情况．它们两个共同决定了危险的严酷度
等级．触发机制直接决定了事故发生概率．通常屏
蔽或控制危险元素的中间环节越多，那么事故发
生的概率相对较低．
危险构成原理，为识别危险和控制风险确保
危险
图l 危险三要素及其与风险的对应关系
Fig．1 Three factors of hazard and its relationship with risk
万方数据
第11期赵远等：基于危险要素的危险分析技术1625
系统安全提供了理论基础．本文提出的基于危险
要素的分析技术是通过识别危险三要素来确定系
统可能的危险．
2危险分析技术原理及流程
基于危险要素的危险分析技术原理如图2所
示．对于危险元素(危害物质和高危能量)的分析
以两条线开展：危险元素的存储、传输和使用；危
险元素的监测、控制决策和执行机构．对于危害物
质和高危能量相关的触发机制通常是这两条主线
中的若干环节异常或设计缺陷．由危害物质或高
危能量以及具体的触发机制决定了对应的威胁／
对象．
在开展该分析过程中，首先明确对象中的危
对危险元素的储存、传输、
和使用相关的部件(I) 【一
对危险元素控制、监测相I
关的部件(1I) ／
I类部件；不工作、工作
不稳定、运行时间不恰当、
结构破损、振动泄漏等
Ⅱ类部件；不工作、工作
不稳定、发出错误信息、超
出允差等
险元素，然后分析可能的触发机制和相关的威胁／
对象，确定对象中的危险，分析流程如图3所示．
i 分析对象j
，，’。一’‘、、
，，危害物质、、
、、高危能量，，
图2危险分析技术原理
Fig．2 Theory of hazard analysis technique
图3 基于危险要素的危险分析技术流程
Fig．3 Hazard analysis process based on hazard factors
1)明确对象涉及的危险元素．
在明确分析对象后，确定对象涉及的危险元
素，如能量源、危害物质、电气和系统使用过程中
可能接触的外界环境等．比如，对于飞机的燃油系
统，与它相关的危险元素是燃油．与其相关的危险
都是源自燃油的泄漏、着火和无法供给．确定危险
元素是该危险分析的起点．
2)对分析对象中的部件分类．
将对象中的部件分为两类：一类是对危险元
素的存储、传输和使用相关的部件(部件类型
I)；一类是对危险元素监测、控制决策和执行机
制相关的部件(部件类型Ⅱ)．
3)结合引导词确定部件的可能状态．
为了确定可能的触发机制，必须要明确不同
类型部件的可能状态．由于在系统的初步设计阶
段，部件的详细信息难以确定，从而针对部件的使
用类型采用引导词来确定部件的可能状态．
对于类型I中的部件，考虑部件不工作、间歇
工作或工作不稳定、运行时间不恰当(过早、过
晚)、不能停止工作、结构破损、振动、泄漏或渗
漏、受液体和热影响等．
对于类型Ⅱ中的部件，考虑部件无法运行、间
万方数据
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歇工作或工作不稳定、发出错误或冲突的信息和
数据、超出允差、控制决策的软件差错、操作时间
不当(过早，过晚)、不能停止运行或意外停止运
行、接收到错误的信息、受液体和热影响、滞后运
行、振动等．
4)分析相关的触发机制事件和相应的威胁／
对象．
在确定部件的可能状态以后，分析状态及其
组合对危险元素的影响，确定可能导致危险元素
泄漏或意外释放的事件．在分析可能相关的触发
机制过程中，针对设计方案特点，结合以下几点确
定可能的触发机制：
①功能原理．以危险元素为起点，结合功能
原理和部件的可能状态确定可能造成危险元素意
外释放的事件．
②现役相似系统的经验教训．结合在相似系
统中已发生事故的经验教训，确定可能的触发机
制，找到薄弱环节．
③任务过程．通过考虑任务过程中环境因素
(热、盐雾、恶劣气候等)、人员操作可能差错、以
及安全关键部件的故障等这些因素及其组合对危
险元素的影响，确定触发机制．
④与危险元素相关的安全关键软件命令和
响应以及软硬件接口问题．例如，错误命令、不适
时的命令或响应等触发机制．
⑤保障和维修．例如，保障或维修过程中引
入的部件异常状态以及人员差错导致不良后果以
及与危险元素相关的射线、噪声、电源在保障或维
修过程中对人员的伤害等．
危险元素意外泄漏或释放必定对人和物带来
伤害与损失，在确定了危险元素和触发机制事件
后，结合具体的关联情况也就能确定出其相应的
威胁／对象．通常威胁／对象从对分析对象自身、相
关产品和系统、人员、环境方面考虑．
5)确定危险及其风险
在确定与危险元素相应的触发机制与威胁／
对象后，明确危险并确定其风险．通过危险元素和
威胁／对象来确定风险的严酷度，由触发机制事件
来确定风险的可能性．在确定危险及其风险以后，
将这些结论填人初步危险分析表中．危险分析结
果对初步危险分析表填写的支持关系见图4．
通过该危险分析技术能够识别系统在初步方
案阶段的危险，并为确定风险提供依据．而且，通
过该分析确定出的危险三要素为风险控制提供了
方向．在从降低严酷度来消减风险的过程中，设计
人员可以考虑从危险元素和威胁／对象方面研究。
例如，在系统设计中用无毒或低毒性物质来替换
危害物质，增加一定的屏蔽措施来阻隔危险元素
对人员的伤害．在从降低可能性来消减风险的过
程中，设计人员可以考虑从触发机制方面开展．例
如，增加对危险元素的控制装置、增加对危险元素
的监控精度、对关键部件采取多冗余设计方式、提
高相关部件可靠性等．
初步危险分析
风险
序号危险原因影响阶段建议措施备注
严酷度可能性
危险事件与危险相关
结合威胁，
分析对象通过危险结合危险j要素给出风险控制建
描述联的触发对象说明
所处的运元素和威
通过触发
议，从危险元素和威胁，对象来降
行阶段或胁，对象来机制事件
机制事件 低危险的严酷度，从触发机制事件 来确定
工作模式确定来降低危险发生的可能性
图4 危险分析结果对初步危险分析表的关系
Fig．4 Relationship between hazard analysis results and preliminary hazard analysis worksheet
3 应用实例
以某型飞机初步方案阶段的燃油系统为研究
对象，开展危险分析．燃油系统包括供油分系统、
输油分系统、加油与放油分系统、通气增压分系统
与燃油测量显示控制分系统．由于篇幅原因，本文
仅列出燃油测量显示控制分系统的初步危险分
析，以说明该技术的可行性和有效性．
燃油测量显示控制分系统向综合管理计算机
内的机电处理器提供余油告警、供油瞬时流量、全
机余油量和2个油泵工作状态信息．燃油测量显
示控制分系统中涉及的危险元素是燃油．燃油可
能由于受热(热量可能来自于发动机工作、热的
气候)增强了燃油的挥发和汽化以及增加气体压
万方数据
第11期赵远等：基于危险要素的危险分析技术1627
力，导致油箱爆炸．在飞机飞行阶段，如果燃油由
于某种原因无法传输到发动机，将导致飞机坠毁．
在确定危险元素后，对其部件展开分析．该系
统中的部件主要由告警器、油量信号器、压力信号
器、燃油流量计、导管和电缆等附件组成．由于该
分系统的功能特点，决定了这些部件都属于部件
类型Ⅱ．
分析可知告警器部件可能无法告警，需要告
警时无法告警或无法及时告警，正常情况下异常
告警．油量信号器部件可能无法输出油量信息或
输出油量信息为固定值，输出的油量信息和实际
的油量信息偏差过大．燃油流量计部件可能无法
输出流量信息或输出流量信息为固定值，输出的
流量信息和实际的流量信息偏差过大．压力信号
器可能无法工作或偏差过大．导管连接处可能松
动或裂缝等．电源部件可能无电力供应和电力间
断供应．
通过将部件情况与燃油的使用特点结合，发
现了多个危险．例如，油量信号器停止工作或运行
过程中误差过大，都会导致人员对飞机的油量产
生错误的判断，当飞机油量低于最低油量时，无法
告警或未及时告警，可能导致飞机在飞行过程中
燃油耗尽，飞机坠毁．压力信号器无法工作，都会
导致输送给发动机的油量信息超过误差范围，影
响飞机飞行品质．流量计工作异常，导致计算机获
取的发动机使用油量信息偏差，影响飞机飞行品
质．燃油测量显示控制分系统中的部分初步危险
分析结果见表1．
表1燃油测量显示控制分系统初步危险分析表(部分)
Table 1 Preliminary hazard analysis worksheet of fuel measurement display control subsystem(part)
采用该分析技术，通过确定燃油测量显示控
制分系统部件的可能状态以及面临的异常环境，
分析这些状态对燃油(危害物质)在存储和使用
过程中的影响，确定危险．依据风险评估矩阵，对
识别的危险三要素进行评估，确定风险．
对于燃油系统这个安全关键系统，在初步方
案设计阶段采用该危险分析技术后，发现了多个
危险和薄弱环节，这些将是设计人员应该注意的
因素．
4 结论
针对在开展初步危险分析过程中缺少技术支
持的现状，本文提出了基于危险要素的危险分析
技术．通过确定系统中的危险元素，分析可能的触
发机制并得出相关的威胁／对象，识别危险．该分
析技术有以下几个优点：
1)该技术具有较强的工程实用性．安全性分
析人员能够结合设计方案和可靠性分析的结论确
定危险三要素并进一步确定危险和风险．
2)对风险的评价提供依据，并为危险的控制
或消除提供方向．在风险评价过程中可以从该技
术识别的危险三要素来确定危险的风险等级．危
险三要素也为危险的控制或消除提供了切人点．
3)适用于后续的安全性工作．该危险分析通
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过确定危险三要素来识别设计中的可能危险，确
定危险控制的关键项．在后续的安全性工作中，结
合更详细的设计信息，该技术能够识别系统中的
危险以及故障树分析的顶事件．
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