机电产品部件安全性关键度的量化研究

摘 要 本文首先通过FMECA1分析对机电产品部件的不同故障类型的危害度进行计算，然后通过对故障可能导致的事故类型构造事故树，计算每种故障类型的关键重要度系数，再对危害度和关键重要度系数进行合成实现了对部件的安全性关键度的度量。通过分析产品内外条件的改变对安全关键部件的影响从而得出部件安全性关键度在部件全寿命周期中的动态特性。

关键词 安全性关键度；量化；特性

中图分类号TH13 文献标识码A 文章编号 1674-6708（2013）105-0168-02

0引言

科技的进步使各种机电产品的愈加复杂化，有些甚至由数以千万计的元件、部件组成，准确地找出对产品安全性产生关键影响的部件至关重要。2000年MIL-STD-882D2提出了“safety-critical”一词，自此，国内外的业界学者对“安全性关键部件”的关注程度日益升温，但对部件安全性关键度的定量化的研究却少之又少。王小文的《产品安全关键度研究》3一文中提出了部件安全性关键度的计算模型，本文结合其计算理论提供了另一种计算方法，并对安全性关键度进行了特性分析。

目前国内外对于产品的“安全性关键”问题讨论的层次逐渐深入，各国学者从统计分析工具利用等角度针对安全关键系统进行研究，但以软件研究居多，遗憾的是大部分都是在主观判断安全性关键部件的基础上，进而对这些部件进行相应的分析研究。主观判断却会使安全性关键件定位不准确，为设计、维护造成误差，甚至会对产品安全性造成严重的影响。

定性研究虽简单直接，但受研究人员经验和能力影响大，难以实现对数据的更深层次分析；定量研究要基于大量的数据，耗时长，涉及范围较广，但是分析基于科学数据，受主观影响较小，易于总结规律并普遍适用。需要注意的是，正如MIL-STD-882E中强调的，在有数据支持的情况下，定量优于定性，如果数据缺失或失真，就可能事倍功半，甚至为判断带来消极影响。这里我们讨论的更多是一种数据完整的科学化的理想状态。

量化部件的关键程度能够帮助我们科学地确定关键部件，从而在复杂系统中准确的定位对系统起关键影响作用的部分。产品系统安全性控制的有效性很大程度上取决于对安全性关键部件从设计、制造、维护直至报废的全寿命周期的持续关注。为了衡量部件故障对系统故障甚至于事故的影响程度，部件安全性关键度的出现为产品设计和维修人员在确定主要控制对象方面提供了参考。

对“safety-critical degree”由提出到描述再到定量化分析已经把部件的安全性问题转移到了如何对其关键程度进行界定和计算。在机电产品中，各部件可有多于一种的故障类型，每种故障类型又可参与多于一种的事故类型，所以，在对部件安全性关键度进行度量时，要充分考虑二者之间的相互影响关系。

本文研究思路：对部件进行FMECA分析，计算直接导致事故的故障类型的危害度；建造故障树，计算基本事件的关键重要度系数（事实上，选择结构重要度系数、概率重要度系数和关键重要度系数中的哪种作为计算对象取决于使用目的，由于本文强调各部件故障模式对顶事件影响关键程度，所以这里我们选择关键重要度系数）；对危害度值和关键重要度系数进行合成，求得部件安全性关键度。

1部件安全性关键的计算

其中为故障模式相对频率，为故障后果概率，为元件故障率。

所以，在系统具有完备故障率数据的情况下，由此我们能够精确的计算出所有故障模式的危害度。

以上计算危害度的方法固然结果精确，然而由于影响故障模式的因素具有不确定性，不同的温度、湿度等条件下故障率可能不同，所以可靠的故障率往往难以确定，这样就大大降低了其公式的适用性。

基于以上情形，我们可以选择计算方便、直观性较强的风险优先数来表达故障的危害程度。即对由设计人员、使用人员和维护人员可根据经验或与考察对象相似系统的故障记录，对故障发生概率P、故障严重度S和故障可检测性D这三个指标进行打分，形成三种十分制分数，三个分数连乘得到风险顺序数RPN（Risk priority number），公式表达式为。风险顺序数同样表达了不同故障类型对系统安全性的影响程度，此方法数据获取相对容易，其推广性较强。

2）建造故障树，求取关键重要度系数

对基本事件进行重要度分析，在求得定性的结构重要度、割集重要度和定量的概率重要度、关键重要度的基础上，确定基本事件的关键重要度系数

其中―第i个基本事件的关键重要度系数，―第i个基本事件的概率重要度系数，P（T）―顶事件发生概率，―第i个基本事件的发生概率。

3）部件安全性关键度的合成

一个产品的故障模式有很多种，不同的故障模式组合导致不同的事故类型，一个事故类型对应一个故障树，一种故障模式可在一个或多个故障树中出现，且在不同故障树中有不同的重要度系数。

通常所说的基本事件的关键重要度系数只是部件的某一故障模式在某一故障树中的关键重要度系数，要求出部件在整个产品中对产品事故的关键重要度系数，应该是其在所有故障模式在各故障树中的关键重要度系数的叠加。

从公式1可以看出，不同的故障类型对同一事故类型的影响各异，在不同的事故树中，故障类型的关键重要度系数也不同。所以，要对部件A的安全性关键度进行合成，要考虑这种差异性，合成结果如下：（如公式3）

作为产品安全性的载体，产品中的部件也就对产品的安全性起着至关重要的作用，产品各部件对产品安全性的影响不尽相同，所以各部件在整个系统中的关键程度也就有所差异，而关键度就是体现这种差异和大小的一种度量方式。

2 部件安全性关键度的动态特性分析

1）外界条件的改变对部件安全性关键度的影响

机电产品大多由金属、塑胶等材质硬度相对较大的材料制成，当环境温湿度、振动和化学品等外界因素发生改变时，各部件的脆性和塑性等性能都会发生改变，甚至会出现断裂。这时各部件之间的逻辑关系会被打乱，欲表达故障类型与事故类型之间的关系则需重新绘制事故树，且部件故障类型危害度会发生变化。所以，外界因素发生变化，部件安全性关键度也会有所不同。

2）产品内部各部件间的相互影响

机电产品在工作中而产生的磨损老化会使各部件失效率发生变化，各组成部分之间也会有相互影响，那么故障导致事故发生的可能性、各基本事件的概率重要度、关键重要度系数也会发生变化。因此合成的安全性关键度在理论上应是一个动态的函数，而非一个固定的数值。

机电产品部件安全性关键度动态特性的表达可以通过引入动态逻辑门的方式，前面我们所讲的故障树是传统故障树，其树的绘制是基于静态逻辑或静态故障树机理的分析方法，但它对具有动态随机性故障的容错系统、具有冗余（冷或热）的可修系统、具有公用资源的系统和具有顺序相关性的可靠性分析是无能为力的。

产品在实际使用过程中往往内部部件间功能和结构上息息相关。所以动态故障树在传统故障树的基础上引入了优先与门、功能相关门、备件门和顺序相关门等动态逻辑门来表示系统中各部件间相互影响的相关关系。

产品部件的安全性关键度动态特性研究是本人对于安全性关键度量化基础之上的引申研究，目前研究还处于初步分析阶段，动态特性的加入能够完善现有的安全性关键度量化结果，使其更接近机电产品部件所处的真实功能运行环境。

3结论

作为产品安全性的载体，产品中的部件也就对产品的安全性起着至关重要的作用，产品各部件对产品安全性的影响不尽相同，所以各部件在整个系统中的关键程度也就有所差异，而关键度就是体现这种差异和大小的一种度量方式。

实际上，产品的每一部件都有安全性关键度，关键性的大小，依据关键度值一目了然，并非仅仅关键部件有关键度。产品设计阶段时，依据安全性关键度值，可以合理安排关键度，能达到分散风险，提高产品整体安全性的目的。

本文通过分析机电产品部件的故障类型和事故类型之间的逻辑关系，从量化的角度提出了一个部件安全性关键度的计算模型，并且对其具有的特性进行了分析，找出了对量化结果产生影响的因素。

参考文献

[1]林柏泉，张景林.安全系统工程[M].北京：煤炭工业出版社，2002：26-32.

[2]军用标准MIL-STD-882D.系统和有关子系统以及设备的系统安全大纲要求，2000.

[3]王小文.产品安全关键度研究[D].沈阳：沈阳航空工业学院，2007.