面向系統安全的導彈武器裝備研制與試驗安全管理研究

(中國運載火箭技術研究院戰術武器事業部,北京 100076)

導彈武器裝備工作在復雜惡劣的任務環境中，并帶有戰斗部、發動機、火工品等高能、易燃、易爆物質，可產生巨大的破壞力和殺傷力，在其研制與試驗過程中，始終處于一系列危險源的影響，對人員、設備設施的安全構成嚴重威脅。同時導彈武器裝備研制與試驗需要反復經歷轉載、吊裝、測試等任務流程，人-機-環多因素交互耦合特性顯著，為裝備安全性帶來較大風險。

為解決目前導彈武器裝備研制安全性及大型試驗安全管理存在的問題和缺陷，本文從導彈武器裝備研制與試驗實際出發，運用系統安全理論，在分析導彈武器裝備持續提升實戰化能力及安全性水平現實需求的基礎上，提出了導彈武器裝備研制階段安全性工程總體方案，從“管理”和“技術”兩個維度出發，建立了以技術平臺及產品平臺為核心的安全性管理體系，通過對系統危險源及危險事件進行充分識別，開展面向產品、面向流程的安全性仿真分析，有針對性地實施關鍵產品及典型流程的安全性設計及改進提升。此外，通過將安全性技術與管理方法融入到導彈武器裝備試驗現場安全風險管理中，分析了試驗階段“人、機、環、管”四要素的安全風險管控重點及試驗全生命周期安全管理工作剖面，系統構建了基于安全性工程和安全風險管理的導彈武器裝備研制與試驗安全管理模式。通過該模式的運行，重點在導彈武器裝備的研制階段消除已識別的危險源，在導彈武器裝備試驗前將系統安全風險減少到最低水平，有效提高導彈武器裝備的本質安全性及其試驗期間的安全管理水平。

1 面向系統安全的研制與試驗安全管理模式

系統安全是指在系統全生命周期內以及在保證一定的效能、進度、預算的基礎上，應用系統安全工程和管理方法，使系統達到最佳的安全性和用戶可接受的安全風險程度[1]。而安全性作為導彈武器裝備的關鍵質量特性，是裝備性能和功能得以發揮的根本前提。航天工業部門在導彈武器裝備研制與試驗過程中，日益重視安全性工作，但在過程中依然會暴露許多問題，尤其是裝備在總裝、測試、運輸、試驗環節的安全性研究工作存在不足。因此，為確保裝備研制與試驗過程安全受控，始終堅持應用系統安全思想，將系統安全工程技術和管理納入“安全性工程”范疇[2]。

與傳統的研制與試驗安全管理相比，面向系統安全的導彈武器裝備研制與試驗安全管理的時間軸、空間軸有較大的延伸和擴展，管理內容更豐富、對象更復雜。由于安全性工作在裝備論證、設計等研制階段就已啟動，因此面向系統安全的導彈武器裝備研制與試驗安全管理是貫穿方案論證階段至大型試驗階段全過程，不僅需要規范化的試驗現場安全風險管理，更需要在研制階段實施危險源識別、安全性分析與設計、安全性項目管理等安全性工程工作。

運用系統安全理論，構建面向系統安全的導彈武器裝備研制與試驗安全管理模式，如圖1所示。從圖中可以看出，該安全管理模式從時間（t）上可以劃分為研制和試驗兩個階段。研制階段從論證階段開始持續到導彈武器裝備進入發射場試驗前（試驗可以是方案階段的試驗，也可以是初樣、試樣或設計定型階段的各類大型試驗），重點開展安全性管理、危險源識別、安全性分析與設計等安全性工作。試驗階段是導彈武器裝備試驗期間，重點實施試驗現場“人、機、環、管”四要素安全風險管理。

2 導彈武器裝備研制階段安全性工程

2.1 安全性工程總體方案

導彈武器裝備研制階段安全性工程的核心主要可以歸納為管理、識別、分析、設計四個個過程，管理是手段，識別是基礎，分析是過程，設計是根本。提出適用于導彈武器裝備研制階段的安全性管理項目、危險源綜合識別方法及安全性仿真分析技術，指導裝備安全性設計及改進，形成一套適用于導彈武器裝備特點及研制流程，滿足裝備安全性要求的本質安全方法，為裝備安全性工作提供支撐。導彈武器裝備安全性工程總體方案如圖2所示。

2.2 安全性管理體系

在開展導彈武器裝備安全性管理工作中，基于集成產品研發（IPD）[3，4]、工作分解結構（WBS）及安全性設計分析技術（傳統、仿真），通過自上而下產品分解及自下而上技術綜合，建立技術及產品體系[5]，利用技術支持產品，產品支持方案，形成一種以技術平臺及產品平臺為核心的導彈武器裝備研制安全性管理體系，并圍繞導彈武器裝備特點及安全性要求，按論證、方案、初樣、試樣、定型等研制階段，梳理明確總體、分系統、單機單位的安全性管理工作項目，建立與導彈武器裝備研制并行，涵蓋安全性仿真分析的系統安全性工作流程，明確需開展的安全性工作項目、監督管理工作及輸入輸出關系，對研制全壽命期中各項安全性工作進行監督、指導，實現導彈武器裝備安全性工作全壽命周期、全過程管控。具體工作內容包括：（1）全面規劃導彈武器裝備全壽命周期的安全性工作，制定安全性工作計劃，使規定的工作能按要求有計劃地實施，以確保安全性滿足要求。（2）依托型號設計師系統建立安全性工作組織機構，明確各類人員的安全性工作職責。（3）對轉承制方與供應方進行安全性綜合管理，對其安全性工作執行情況進行適當的監督與控制，必要時采取相關措施，以保證設備等滿足規定的安全性要求。（4）在導彈武器裝備研制過程中的各個主要節點應進行安全性評審，確保安全性設計階段性目標的實現。（5）實施危險跟蹤與風險處置，建立危險跟蹤閉環系統，跟蹤并記錄危險的識別、消除或將其風險降低到可接受水平。

2.3 安全性技術方法

在實施導彈武器裝備安全性技術過程中，主要是開展安全性分析與設計，輔以安全性驗證與評價工作。開展安全性分析與設計，首先判別、確定安全性關鍵項目，在導彈武器裝備研制中實施重點控制；然后利用危險源綜合識別方法，對潛在危險源及危險事件進行系統而深入的挖掘；接著分別開展不同危險激源作用下面向產品的安全性仿真分析及典型任務過程中面向流程的安全性仿真分析，為改進設計和使用補償措施的制定提供依據；最后制定并貫徹安全性設計準則，對關鍵產品及流程進行安全性設計及改進提升，通過“識別危險-分析危險-控制危險”的閉環設計，切實提高裝備的固有安全性水平。開展安全性驗證與評價，一方面是驗證導彈武器裝備安全性是否達到了用戶要求目標，確認安全性關鍵硬件之間、軟件之間、軟硬件之間以及人機之間的接口達到系統安全性要求，同時對采取的安全性措施的有效性和充分性進行確認；另一方面是在導彈武器裝備產品轉入下一工程階段、進行試驗前，對產品的安全性或風險水平進行綜合評價，通過安全性評價確認導彈武器裝備安全性水平和殘余風險，為后續安全性工作的策劃奠定基礎。

2.3.1 危險源綜合識別方法

基于導彈武器裝備特點，遵循充分性、適應性、系統性和合理性的原則，按照事故致因理論中“人”、“機”、“環境”、“管理”四要素構成的“4M”理論，在系統安全性工程理論的基礎上，提出一種融合行為安全“2-4”模型、故障模式、影響及危害性分析（FMECA）和專家評議法的導彈武器裝備危險源綜合識別方法，主要思路如圖3所示，深入分析影響系統安全性的“人”、“機”、“環境”、“管理”方面潛在靜態風險組合和動態風險序列，全面有效的識別系統危險源及危險事件，梳理事故致因因素及其耦合作用關系，為開展戰術武器型號安全性仿真分析提供輸入。

2.3.2 安全性分析方法

安全性分析是安全性工作的核心，主要目的在于識別危險，評價事故風險，以便在壽命周期的各階段中消除或控制危險。其作用主要體現在：識別產品中所有可能存在的危險或危險源；確定系統設計的不安全狀態以及與危險有關的系統接口；分析危險引發事故的原因、過程和后果；結合已采取的安全性措施，評價危險的可能性、嚴重性和風險；依據預先確定的規則劃分風險類別，確定安全關鍵項目和殘余風險；提出分析結論和評價意見，為后續安全性設計、驗證、評價和工程決策活動提供參考和依據；分析結果可支持安全性驗證工作。

論證階段和方案設計階段初期，安全性分析重點在于考察產品固有危險特性，即識別分析第一類危險源；方案設計階段后期和初樣、試樣、定型階段，安全性分析重點在于對故障、接口以及產品使用操作等有關的危險進行全面分析和綜合評價，即識別人的不安全行為、物的不安全狀態、環境的不良條件和管理缺陷等第二類危險源。

在危險源識別的基礎上，選取典型危險源為對象，針對復雜機械沖擊、熱、電磁等典型激源，開展面向產品的安全性仿真分析，實施實戰條件下多學科、多尺度聯合仿真分析，獲取發動機、火工品等典型危險源在不同環境剖面下的安全性閾值。對比產品仿真結果及技術要求，識別產品安全性設計薄弱環節與事故后果，實現“機”、“環”耦合作用下的安全性分析方法，主要思路如圖4所示。

在危險事件識別的基礎上，針對導彈武器裝備型號典型任務流程，以產品（“機”）為核心，考慮產品故障、人為誤操作、外界環境激勵等異常因素，基于GO法的系統可靠性分析方法（即以功能流為導向，將系統的原理圖或工程圖按一定的規則轉化成為GO圖，進而定性或定量的分析系統的可靠性）[6-9]，開展面向流程的安全性建模與仿真分析。識別任務流程安全性薄弱環節，搜索可能引發安全事故的潛在事件鏈，在此基礎上，根據事故動態特征計算事故風險概率，實現“人”、“機”、“環”耦合作用下的安全性分析，為減少事故鏈、制定安全性措施提供支持，主要思路如圖5所示。

2.3.3 安全性設計方法

按論證、方案、初樣、試樣、定型等研制階段，在導彈武器裝備型號設計、生產、試驗過程基礎上，根據研制過程各階段中各項工作開展需具備的條件、具體工作內容以及工作輸出，研究安全性設計工作與研制各階段相關工作之間的關系，進而將安全性設計工作項目合理嵌入研制流程，探索安全性與性能協同設計分析方法，建立與研制流程相融合的安全性設計工作流程。安全性設計工作流程通過在研制各階段迭代開展安全性分析，包括初步危險分析、系統危險分析、試驗危險分析、職業健康危險分析、使用和保障危險分析，在進行多次迭代之后，開展安全性設計準則符合性檢查等后續工作項目。

通過實施安全性設計工作流程，并基于導彈武器裝備型號危險源識別及安全性仿真分析結果，有針對性地開展型號關鍵產品及典型流程的安全性設計及改進提升，實現安全性設計與產品性能設計、流程方案設計同步開展，按產品安全性設計、測試試驗安全性設計、總裝總測安全性設計、轉載運輸安全性設計、貯存安全性設計及使用維護安全性設計等方法展開具體工作內容，如圖6所示，以從根源處消除導彈武器裝備型號中的安全隱患，賦予裝備較高的安全性。

3 導彈武器裝備試驗階段安全管理

3.1 試驗安全管理四要素分析

導彈武器裝備通過在研制階段實施安全性工程，針對裝備進行了全面地危險源識別、安全性分析與設計，裝備的安全性得到了充分地驗證，在試驗階段時裝備殘余風險處于基本可控狀態。而試驗階段主要是對各參試裝備性能進行檢驗，根據事故致因理論，主要安全風險集中在人的不安全行為、物的不安全狀態、不良的環境條件和管理缺陷四大方面。從系統安全出發，大型試驗要實現本質安全，應實現人的行為安全、物的狀態安全、環境本質安全和管理本質安全四位一體的“人、機、環、管”系統[10]。因此，大型試驗階段安全管理的首要任務是重點管控系統中“人、機、環、管”四要素的安全風險，同時從整體出發研究、分析試驗的組織和運行過程，從而實現系統的優化和風險受控。試驗階段安全管理四要素的具體內容如圖7所示。

3.2 試驗全生命周期安全管理工作剖面分析

按照系統工程和項目管理思想對試驗階段安全管理工作全生命周期進行結構分解，劃分為進場前、產品運輸、試驗過程、產品運輸和試驗總結五個階段，如圖8所示。進場前的主要任務為試驗組織部門開展試驗場地考察、參試單位組織進場前安全教育、試驗隊組織召開進場前安全評審會、簽訂試驗隊安全責任書、制定試驗安全管理工作計劃和安全管理制度。進場和撤場時的產品運輸過程任務相同，主要是召開裝車調度會、開展裝車現場安全監管、運輸途中安全檢查、卸車現場安全監管。試驗過程主要是開展試驗隊及參試單位的兩級安全教育，組織臨時進場人員簽訂安全責任書，開展危險源識別及風險控制策劃，召開進場后、轉場前、發射前三個階段的安全評審，組織開展應急預案或應急處置措施演練，開展技術及發射陣地技術安全檢查、試驗過程安全檢查和發射前安全檢查，針對危險作業進行安全審批，試驗結束后有序撤收。試驗總結階段主要是將試驗隊安全管理資料及相關記錄歸檔，編寫試驗安全管理工作總結。

4 結語

（1）以系統安全工程技術和管理方法對導彈武器裝備研制安全性工程進行研究，建立與導彈武器裝備研制并行的安全性工作項目及流程，提出安全性管理體系、危險源綜合識別方法、安全性分析方法及安全性設計方法，能夠實現研制階段安全性薄弱環節充分識別、合理分析、閉環設計和有效管理，有效降低研制階段安全風險，達到提高導彈武器裝備本質安全性的目的。（2）將傳統的安全性工作與創新的安全性仿真分析技術相融合，提出面向產品、面向流程的安全仿真分析方法，該方法能夠全面有效辨識系統危險源及危險事件，識別事故致因因素及其耦合作用關系，實施基于關鍵產品和典型流程的安全性設計及改進，為人-機-環耦合條件下導彈武器裝備安全性工作高效開展提供支持。（3）運用系統安全理論，建立導彈武器裝備研制與試驗安全管理模式，以研制階段安全性工程作為試驗階段的前提準備，確保試驗進場時各系統和裝備的殘余風險降到最低，再經試驗階段的“人、機、環、管”四要素安全風險管理及試驗全生命周期安全管理工作剖面分析，能夠有效提高導彈武器裝備研制本質安全性及試驗期間安全管理水平。