基于方案選型的可靠性分析方法

趙青選

摘 要：產品的可靠性是設計出來的。開展可靠性分析的方法很多，針對性的應用分析方法，緊密結合產品特點，評估參數變化對系統的影響。把可靠性分析落實到設計方案中去，對不同的設計方案進行比較，為設計決策提供依據。

關鍵詞：可靠性；方案；故障；概率

產品可靠性是影響市場競爭的關鍵因素。設計過程中，實現客戶需求的產品性能和功能很重要，但還有一個問題，并行設計產品可靠性的問題。比如，獨立設計開發一個新產品，采用何種方案，是否需要冗余去避免單點故障，為減少故障頻發對維修間隔有何要求，才能滿足產品在制定條件下的使用，經歷多長時間不壞，采取糾正預防措施使產品易于維修，這其中就會有多個不同的解決方案。

可靠性是研究產品故障規律的一種技術，可通過定性或定量方法進行可靠性水平的評定?？煽啃苑治霾⒉粡娬{數學計算過程，而是通過各類參數的分析，研究參數變化對系統的影響，把可靠性設計落實到研發方案中去，本文重點闡述并行工程的可靠性分析方法。

1 系統初步方案的確定

車門采用固有式故障導向安全的設計方法，設計出符合安全完整性要求的安全電路，以滿足“防止意外開門”的安全完整性等級要求。為實現非安全條件下操作緊急解鎖堵轉關門的功能，需采集緊急解鎖開關信號，激活安全電路。前期方案中，使用一個緊急解鎖開關，若緊急解鎖意外觸發，則安全電路意外激活，存在單點故障，不符合安全完整性的設計要求；增加一個緊急解鎖開關，兩個開關分別給出信號，兩個開關同時觸發時，認為緊急解鎖被操作，激活安全電路，以滿足安全完整性等級的要求。

為證明冗余設計方案的合理性，需采用安全完整性分析方法。

2 安全完整性分析通用概念

在工程應用領域里，存在許多潛在的危險和風險，對特定的故障模式的嚴重度和發生的概率所產生的中華影響進行分類，評價產品可能出現的故障的影響。

安全完整性定量方法既可用于簡單系統，也可用于復雜系統。在用于復雜系統時，可構造故障樹來表述危險模型。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系統故障而構建的邏輯，故障導致了頂端事件的發生。在某些復雜系統中，可能會在故障樹的多個位置發生單個故障事件，需用用簡化方法如風險圖法來完成該項工作。簡而言之，可通過確定所需的風險降低，來實現允許風險的標準，從而確定安全完整性等級。

3 風險圖方法

風險圖法可以測定系統的安全完整性水平，一旦采取這種方法，需要引入一些參數。這些參數可以有意義的對這些風險劃分等級，并且可以控制關鍵的風險評估因素。

車門開關功能的操作頻率每年大于一次，因此車門開關功能屬于高需求模式。高需求模式下故障發生概率的計算公式：故障發生概率 = THR / （ExPxC）。

3.1 容許故障概率THR

考慮車門開關冗余設計前的容許故障概率的確定：

1）10-9每小時：災難性事件，造成死亡和/或多人重傷和/或嚴重危害環境。

2）10-7每小時：嚴重事件，造成一人死亡和/或重傷和/或嚴重危害環境。

3）10-5每小時：輕微事件，造成輕傷和/或嚴重威脅環境。

3.2 風險暴露概率E

1）E=1：經常直至永久暴露在危險區域。

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區域。

3）E=0.01： 幾乎不暴露在危險區域（例如乘客在車輛段）。

3.3 避開/降低事件發生的概率P

1）P=1： 沒有額外的手段避免事故的發生。

2）P=0.1： 有一定的方式降低特定事故的發生（例如乘客目測車輛發動時車門是否意外打開）。

3）P=0.01： 有兩種獨立的方式降低特定事故的發生（例如獨立車門互鎖回路判斷車門發動前車門是否打開，同時乘客可目測到車輛發動時車門是否意外打開，）。

3.4 后果C

1）C=1： 沒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生的后果（例如，乘客被門夾住時，會嘗試從被夾住的車門中掙脫。）

3）C=0.01： 有兩種獨立的方式可避免是事故發生的后果（例如，停車時車輪防止打滑功能和合適的制動距離）

4 結論

乘客從運行的列車上跌落軌道，被其他列車撞擊，最嚴重時可能多名乘客同時跌落，造成多人死亡或重傷，因此開關方案事件的THR=10-9。當采用一個開關時，故障發生概率 = THR / （ExPxC）=10-8，此時，E=1，乘客經常暴露在這種風險下；P=1，當一個開關故障時沒有額外的手段避免事故的發生；C=0.1，乘客會意識到車門意外打開，并會向車廂內部移動。當采用兩個開關時，故障發生概率 = THR / （ExPxC）=10-9，此時，E=1，乘客經常暴露在這種風險下；P=0.1，不存在單點故障，冗余設計，車門兩個緊急解鎖開關任一個觸發時，即判定為操作了緊急解鎖，激活安全電路；C=0.1，乘客會意識到車門意外打開，并會向車廂內部移動。由此可見，增加一個緊急解鎖開關是設計需要，不是過設計。

本文只是依據簡單的例子闡述可靠性定量分析時，參數選擇的變化可以影響設計方案。實際工程應用中的可靠性分析，應該是一系列系統化的活動，是對設計過程的完善，輔助以明確什么樣的設計和過程才能滿足顧客的需要。

參考文獻：

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

[2]李良巧.可靠性工程師手冊.北京：中國人民大學出版社，2012.