系統安全性分析技術在空空導彈中的應用

摘要： 安全性是產品的一種固有屬性， 系統安全性分析是識別系統危險的有效手段。 為促進系統安全性分析在空空導彈型號研制中有效開展， 闡述了由危險演變為事故的機理， 建立了基于事故機理的安全性分析框架， 結合空空導彈研制特點， 以具體實例研究了危險分析工作項目如何圍繞事故場景展開， 為指導型號系統安全性分析工作的開展提供了一種新的思路和方法。

關鍵詞： 安全性分析； 事故機理； 事件樹； 故障樹

中圖分類號： TJ760.7文獻標識碼： A文章編號： 1673-5048（2016）04-0074-04

Abstract： Security is an inherent attribute of product， and the system safety analysis is an effective method to identify the system risk. In order to promote the system safety analysis work carried out effectively in the research of airtoair missile， the mechanism of the dangerous becomed accident is described， the framework of safety analysis based on accident mechanism is established. Combined with the research characteristics of airtoair missile， a specific example is used to study how to develop risk analysis work project around the accident scene， which provides a new thought and method for the work of system safety analysis.

Key words： safety analysis； accident mechanism； event tree； fault tree

0引言

安全性是產品的一種固有屬性， 確保安全是武器裝備研制、 生產、 使用和保障的首要要求[1]。 近些年， 由于武器裝備系統越來越復雜， 武器裝備發生了很多重大安全性事故， 裝備系統的安全性問題日益突出， 為提高系統的安全性， 亟待深入開展系統安全性分析工作。

國外在武器裝備的研制中， 都明確要求貫徹美軍標MIL-STD-882， 開展系統安全性分析工作。 由于保密等原因， 國外在其武器裝備的研制過程中如何進行系統安全性分析尚不得而知。 當前， 國內GJB900以及GJB/Z99等相關標準和規范對安全性分析的有關工作項目及分析技術作了闡述[2-3]， 但如何有效、 系統化地開展安全性分析工作， 標準中并沒有明確說明。

空空導彈現階段主要對火工品自身安全、 發射分離安全等方面開展了一些設計分析工作[4-8]， 系統安全性分析工作還處于摸索階段。 安全性分析的技術方法很多[3，9]， 例如安全性檢查表、 初步危險分析、 故障模式及影響分析（FMEA）、 故障樹分析（FTA）、 事件樹分析（ETA）等， 而如何高效的應用這些分析方法識別導彈系統中所有危險因素還需深入研究。

本文將空空導彈各研制階段安全性分析工作和辨識事故機理相結合， 通過逐步、 深入地鑒別事故場景及其要素， 達到系統安全性分析的目的。

1事故機理

航空兵器2016年第4期周光巍： 系統安全分析技術在空空導彈中的應用危險是可能導致事故的狀態或情況， 如毒性、 能量、 放射性等， 是事故發生的前提或條件， 可以用危險模式或危險場景來表達。 對于一個系統或設備而言， 危險是客觀存在的， 是與系統或設備的工作特性或工作需要以及周圍環境相伴隨的。 以空空導彈為例， 為實現一定的功能或損傷目標， 空空導彈不可避免地要使用火工品、 炸藥、 固體推進劑等危險物質。 事故是造成人員傷亡、 職業病、 設備損壞或財產損失的一個或一系列意外事件[2]， 是一有序的事件集， 是危險導致的結果。

危險不一定會導致事故的發生， 只有危險（在一定條件下）的失控才會造成各種各樣的損害。 硬件或軟件故障、 有害環境以及人為差錯往往僅是造成這種危險失控的某種原因或條件， 導致某種不期望的事件發生， 若對這些不期望事件的控制措施失效， 則將可能導致事故的發生。 危險發展為事故的過程， 即事故機理如圖1所示[10]。

2安全性分析框架

事故機理清晰地描述了事故的發生和發展過程， 系統安全性分析的目的就是要鑒別出所有可能的事故場景， 將系統風險控制在可接受的水平。 因此， 型號的安全性分析框架應以事故機理為基礎來辨識事故場景， 進而采取針對性的控制措施， 達到系統安全的目的。 基于事故機理的安全性分析框架如圖2所示 [11]。

從圖2可以看出， 型號系統安全性分析工作主要包括危險分析和風險評價兩方面。 系統安全性分析工作貫穿型號研制各階段， 在不同的研制階段， 產品設計的詳盡程度不同， 安全性分析的詳細程度也不一樣， 事故場景的識別也逐步細化。 在型號研制的早期， 系統設計不詳細， 通過危險分析只能識別出粗略的事故場景， 進行定性的風險評價； 隨著系統設計的深入， 事故場景的識別也在不斷地細化， 進而可以進行定量的風險評價。

2.1初步危險表（PHL）

初步危險表（PHL）是一份危險清單， 初步列出產品中可能需要特別重視的危險或需做深入分析的危險部位。 通過制定初步危險表可以有效識別事故的源頭。

在型號論證和方案階段就應審查全彈和各組件的設計方案， 編制初步危險表， 確定設計中可能存在的危險因素， 為初步危險分析和分系統危險分析確定分析范圍。

危險辨識過程中應參照GJB/Z99， 按照物理現象對危險進行的分類， 主要有： 環境危險、 熱、 壓力、 毒性、 振動、 噪聲、 輻射、 化學反應、 污染、 材料變質、 著火、 爆炸、 電氣、 加速度和機械等共15類危險。 另外， 危險辨識過程要注意不同工作過程危險形式的變化， 以某型空空導彈固體火箭發動機為例， 其危險辨識過程如圖3所示。

2.2初步危險分析（PHA）

PHL為初步危險分析（PHA）確定了分析范圍， PHL制定后應及時開展PHA。 以圖3中危險源“點火裝置”為例進行初步危險分析， 如表1所示。 由表1可知， 通過初步危險分析可以初步確定構成系統中事故的潛在條件和引發事件； 制定的預防控制措施可以為安全性設計準則的制定和完善提供有效輸入； 另外， 進行定性評價之后能夠大致了解系統的風險水平。

PHA應在型號方案和工程研制的早期開展， 后期才開始PHA， 后期可能存在的設計更改將受到限制， 而且不可能通過這種分析來確定初步的安全性要求[3]。 此時的分析是不詳細的， 盡管確定了相關的潛在條件， 但通過PHA可能不足以確定造成危險條件的原因， 因而也無法識別具體的引發事件。 由于沒有深入到具體的分系統以及詳細的系統設計， 因此， 不能準確地描述事故發展的過程， 也無法對系統的風險進行定量的評價。 若分系統的設計已達到可進行詳細的分系統危險分析， 則應終止PHA。

2.3分系統危險分析（SSHA）

在工程研制初樣階段的后期或試樣階段的早期應開展分系統危險分析（SSHA）。 SSHA用于識別與分系統設計有關的危險（包括硬件或軟件的故障、 人為差錯等）和組成分系統部件之間的接口關系所導致的危險。

SSHA深入到分系統內部， 通過選擇具體的危險分析技術來確定造成潛在條件的原因， 并具體地確定事故的引發事件。 SSHA應在PHA的基礎上開展， 可以通過FMEA和FTA等危險分析技術對表1中的“點火控制電路故障”和“飛控誤輸出點火指令”等引發事件進行進一步的分析， 進而確定導致“點火控制電路故障”和“飛控誤輸出點火指令”深層次的原因， 明確其故障機理， 進一步完善事故場景。 以“點火控制電路故障”為頂事件進行故障樹分析， 如圖4所示。

2.4系統危險分析（SHA）

在工程研制試樣階段的后期應開展系統危險分析（SHA）。 SSHA只能識別分系統本身的事故場景， SHA則通過識別各分系統以及系統與環境、 系統與操作人員之間接口的危險， 進而確定引發事件之后的事故進程。 為了描述完整的事故場景并定量評價系統運行的風險， 一般采用主邏輯圖（MLD）、 ETA與FTA相結合的方法[12-13]， 其綜合關系如圖5所示。

系統危險分析主要內容如下：

（1） 確定初因事件。 根據系統運行的歷史資料并借鑒PHA和FMEA等安全性和可靠性分析資料， 編制出引發事件的清單； 另一方面， 在條件允許時， 也可以通過MLD的分析方法用于確定或補充系統的引發事件的清單。

（2） 引發事件分組。 為了簡化分析過程， 減少后續項目中ETA和FTA的工作量， 在得到初因事件清單后， 需要對初因事件進行重新分組。

（3） 事故鏈建模。 系統的事故鏈通常采用事件樹進行描述。 當引發事件確定以后， 按后續事件成功或失敗（二態）分析各種可能的結果， 直到到達系統故障或事故為止。

（4） 場景事件建模。 事故鏈模型中的場景事件一般用故障樹來描述。 FTA首先把事件樹中的決策分支點事件的故障狀態作為故障樹的頂事件， 然后找出頂事件發生的所有可能的原因組合， 直到確定底事件為止。

以表1中確定的引發事件“電磁干擾”為例進行事故鏈建模， 如圖6所示。 將“點火控制電路濾波失效”、 “熱電池意外點火”、 “點火裝置意外解除保險”故障樹分析的頂事件進行場景事件建模， 就形成了完整的事故場景。 如果有基礎失效數據作為支撐， 就可以對該事故場景風險進行定量評價。

3結論

從危險和事故的定義出發， 在詳細闡述事故機理的基礎上建立了基于事故機理的安全性分析框架， 并以具體實例為說明就危險分析工作項目如何圍繞事故場景展開進行了研究， 使安全性分析各環節有機銜接、 相輔相成、 達到目標， 保證了安全性分析的系統性和有效性， 提高了系統安全性分析的可操作性。 提出的基于事故機理的安全性分析技術可為型號系統安全分析工作提供一定的借鑒意義。

參考文獻：

[1] 趙延弟. 安全性設計分析與驗證[M]. 北京： 國防工業出版社， 2011.

[2] 國防科學技術工業委員會.GJB900-90系統安全性大綱[S].

[3] 國防科學技術工業委員會.GJB/Z99-97系統安全工程手冊[S].

[4] 陳升， 楊慶賀. 導彈安全發射技術研究[J]. 航空兵器， 2002（5）： 17-19.

[5] 張勝利， 倪冬冬.機載導彈武器系統導軌式發射的安全性設計[J].航空兵器， 2004（6）： 24-27.

[6] 周海云， 付艷華， 呂志彪.攜行導彈火工品系統安全性定量分析方法初探[J].航空兵器， 2009（2）： 53-56.

[7] 黃少波， 沈欣， 李秋菊.空空導彈發動機點火系統安全性設計[J].航空兵器， 2008（1）： 26-30.

[8] 沈穎， 孫江濤.電子安全和解除保險裝置在電磁環境中的安全性試驗和評定方法[J].航空兵器， 2007（5）： 23-25.

[9] 邵輝. 系統安全工程[M]. 北京： 石油工業出版社， 2008.

[10] Kumamoto H， Henley E J. Probabilistic Risk Assessment and Management for Engineers and Scientists [J]. International Jounal of Systems Applications Engineering & Development Issue， 1996， 41（5）： 751-752.

[11] 顏兆林. 系統安全性分析技術研究[D]. 長沙： 國防科學技術大學， 2001.

[12] 顏兆林， 龔時雨， 周經倫. 概率風險評價系統[J]. 計算機應用研究， 2001， 18（2）： 40-42.

[13] 任陪， 周經倫， 鄭龍，等. 基于PRA方法風險評價系統的設計與研究[J]. 計算機應用研究， 2007， 24（6）： 91-93.