用于工业机器设计的安全性分析模式及方法研究
用于工业机器设计的安全性分析模式及方法研究
[摘要]工业机察也属职业事故的重要危险源之一。在其设计时，有效地进行安全性分析是消除和控制工业机器中存在的固有危险的最佳途径。为此，推荐了一种用于工业机器的安全分析模
式；并对已有的安全分析方法进行了重点选择，将供设计人员使用的安全分析方法从百余种减少到11
种；还对这些方法进行了分类，可供设计人员在设计工业机器时，较方便地选择和系统地应用。‘
[关键词]安全性分析工业机器风险评价
1引言
笔者所指的工业机器是工业生产中使用的工具、机械设备和生产系统。国外的大量研究与分析工作和国内的生产实践都表明，工业机器的安全性较差，其主要原因是在设计时没有进行充分的安全性分析及有效的安全性设计。因此，工业机器导致的职业事故日益增多。
工业机器设计人员也深知安全与卫生对工业机器的重要性，然而，多数设计人员不知如何有效地进行安全性设计。有效的安全性分析模式及方法是安全性设计的基础。有很多安全性分析方法可以用于系统设计，例如：美国系统安全学会出版的《系统安全分析手册》中列出的103种方法；美国航空航天局(na5a)也出版有类似的手册。这些方法多数是由核能、化工、航空航天和国防等高风险工业中的可靠性或安全性专家们研究和开发的。工业机器的固有风险较上述工业小得多，一次暴露于工业机器危险的人数很少多于一人，导致多人死亡的事故也很少见。此外，工业机器的复杂程度也较上述高风险工业低。因此，已有的分析方法并非都适用于工业机器。加之工业机器的设计人员缺乏对这些方法适用性的了解，也难于从多达百余种的方法中选用并难于确定按何种模式进行安全性分析，从而造成长期以来工业机器未能进行有效安全性设计的局面，国内这一情况更为突出。
笔者介绍了一种适用于工业机器设计的安全性分析模式，并对安全性分析方法的选择及分类进行了研究，从百余种已有的方法中，选出了11种适用于国内工业机器设计时采用的安全性分析方法；还对这些方法进行了分类，以帮助设计人员在完成工业机器的设计过程中，方便地选用这些方法，有效地进行安全性分析和设计。
2安全性分析的一般模式
对一个系统或产品的安全性分析，一般是指对其可能存在的所有危险及其产生的原因进行识别；然后，分别对这些危险的风险进行估算。在此基础上，评估系统或产品的总的安全性，以确定采取何种措施来消除或控制那些风险不可接受的危险。上述安全性分析是完成对分析对象的风险评价，而且这种评价是一个反复迭代的过程。按照系统安全原理，风险评价在系统寿命周期的各阶段都需进行，而在寿命周期的早期进行的风险评价，对提高系统安全性的作用更有效。
上述安全性分析模式也适用于工业机器。国际标准化组织1999年颁布的iso14121《机器安全一风险评价规则》标准，给出了工业机器风险评价的一般模式(见图1)。笔者认为，该模式也适用于国内工业机器的风险评价。
3分析方法的选择
如前所述，用于安全性分析的方法很多，为了便于设计人员选用合适的方法，必须从众多方法中，选择工业机器最适用的方法，其数量不宜过多，一般5至10种为宜。如何选择?文献[4]提出了按方法的离散性(discretecharacter)和适用性(applicability)进行选择的准则。所谓离散的方法是指具有以下特点的方法：
(1)按照一种特定的观点和方法论进行分析。例如：能量跟踪与屏障分析，该法认为危险是由不希望能量流、屏障欠佳和目标3个因素构成的，通过对系统中的该3个因素的分析，以确定存在的危险。
(2)方法是独立的，亦即它不需要使用一个或多个其他方法来达到它的目的。
(3)不是其他方法组合使用的结果。
离散的方法提供了一种专门的分析手段，而指明了在何时、何种环境下使用这种方法，同时为建立供设计工业机器时使用的特定分析方法的表格，所以选择方法时仅考虑离散的方法。
现已有的安全分析方法，多数是由高风险工业部门中的专家研究与开发。多数不适用于工业机器，例如：核临界状态分析(nuclearcriticalityanal—ysis)，低温系统安全分析(cryogenicsystemsafetyanalysis)，飓风分析(wind／tornadoanalysis)等。当然，这些方法中有一些经过简化和修改后，也可用于工业机器。如危险与可操作性分析(hazop)，修改其关键词表后，可用于工业机器的安全性分析。
在评估方法的适用性时，还需考虑方法的复杂程度。因为，完成安全性分析是需要花费时间和资源的。显然，某些高度复杂和专门的方法，如petri网分析(petrinetanalysis)和网络逻辑分析(net—worklogicanalysis)等，对于大多数工业机器的安全性分析是不适用的。文献[4]按上述准则，从《系统安全分析手册》中的103种方法和有关文献及应用的经验，选出了34种适用于工业机器的分析方法。尽管供工业机器设计人员选用的方法的数量大大减少了，但是该文还是认为34种对于工业机器设计人员来说，还是偏多。我国对系统或产品的安全性分析，在少数工业部门如核能、航天刚刚起步，工业机器设计人员对安全性分析方法不甚了解。从34种中选用，对于我国的设计人员仍是非常困难的。笔者在34种方法的基础上，结合国内的应用情况，选择了11种方法并进行了分类列表(见表1)。
4分析方法分类
为了便于设计人员在设计工业机器时，选用适用的安全性分析方法。笔者对选出的11种方法进行了分类和组合。
4．1风险估算类
这类方法用于定性或定量地估算导致职业伤亡事故的风险。
4．2危险及其原因识别类
这类方法用于确定工业机器中的固有危险及产生的原因。按方法采用的分析模式又可分为两类。
第一类称为回顾分析模式，利用被分析机器的历史资料来确定类似的危险及其发生的原因。该模式在工业机器初步研究和概念设计阶段使用最合适。
第二类称为预期分析模式，用于确定新研制机器或重大改进及运行的机器中可能存在的危险。该模式又可分为归纳推理和演绎推理两类。
现有的安全分析方法，通常采用一种或多种分析模式。表1中的“检查表分析”，上述各类分析模式均未采用，该方法仅用来为确定危险及其原因收集和提供信息，称“提供信息”模式。
4．3识别的风险因素
风险的因素通常有四类。
(1)物质因素。如不良设计、附件缺陷、和失效、危险部件等。
(2)人的因素。如人的失误、无意或有意的错误或破坏等。
(3)组织因素。如工作机构失效、规程缺陷、交流通讯失误、信息管理失效、训练不充分、资源估计不足等。
(4)外部环境因素。如自然现象、相关系统失效、爆炸：火灾、事故等。
研究表明，有些方法用于识别某些风险因素较其他方法更有效，而且多数方法能够有效地确定多种风险因素，这些因素是危险的原因或结果。
4．4其他特性类
安全性分析方法还可以按方法的其他更特殊的特性分类，如可分为自生成法和模拟法等。
自生成法是指那些能够独立生成开始分析所需的数据，亦即无需使用其他方法的结果作为输入的方法，如表1中的能量跟踪与屏障分析和变化分析。
模拟法，该法生成一个系统或系统中一系列事件的概念模型，这种方法多用于那些可能产生多种失效而导致一种的后果的较复杂的机器。这种方法用于确定由多种风险因素组令而导致的可能的后果是非常有效的。
5结论
工业生产中使用的机器、设备、工具以及各种生产系统是职业事故的重要危险源。迄今，国内在设计工业机器时，仅按已有的规范、标准进行“符合安全”模式的安全性设计，只能使工业机器的安全性达到最低的要求，不能有效地消除或控制工业机器中存在的固有危险。若在设计时，采用有效的分析方法和程序进行安全性分析，从而采取措施消除或控制已识别的危险，就能使工业机器的安全性达到最佳。这一点，已被国外高风险工业部门的长期实践所证明。但是，无论国外还是国内，对于工业机器安全性分析工作开展的均不够，国内的情况尤为突出。究其原因，除了缺乏必要的法规外，主要是设计人员对安全性分析的方法及程序缺乏了解，要从众多的分析方法中，选择最适用的方法也是设计人员面临的最大的困难。笔者从百余种方法中，结合国内的具体情况及工业机器的特点，选择的11种分析方法并进行了分类，以及推荐了有效的分析模式，可帮助设计人员有效地完成工业机器的安全性设计，推动国内工业机器安全性分析工作的开展。
（作者系沈阳航空工业学院摘自：《中国安全科学学报》.1）