李娜，談立成，燕春光，傅振亮，田雪艷

(中國北車集團 唐山軌道客車有限責(zé)任公司 產(chǎn)品技術(shù)研究中心，河北 唐山 063035)*

0 引言

根據(jù)東南亞地區(qū)高溫高濕、炎熱、多雨的熱帶氣候以及基礎(chǔ)設(shè)施相對陳舊和落后、具有一定的維修能力但缺乏先進的工具手段和技術(shù)水平的特點，在出口某內(nèi)燃動車組的設(shè)計中采用“安全可靠、堅固耐用、適風(fēng)適俗、成熟經(jīng)濟”的原則.該內(nèi)燃動車組適用于某國最長運輸距離為150 km軌鐵路的旅客運輸.動車組為3輛編組，兩輛動車和一輛拖車.動車組可以實現(xiàn)兩列重聯(lián)運行.車體鋼結(jié)構(gòu)采用薄壁筒形整體承載焊接結(jié)構(gòu)，設(shè)計強度滿足標(biāo)準EN12663中P-III的要求，牽引傳動系統(tǒng)采用交—直—交傳動技術(shù)，主要由柴油機、主發(fā)電機、逆變器和牽引電機等組成.

對于鐵路客車產(chǎn)品而言，安全可靠的運營至關(guān)重要，在出口某內(nèi)燃動車組設(shè)計過程中采用了系統(tǒng)安全工程的分析方法［1］，以識別車輛、子系統(tǒng)、接口、硬件、軟件、相關(guān)操作和運營程序等可能導(dǎo)致的引起人員傷亡、系統(tǒng)損壞、運營嚴重中斷的隱患事件，并根據(jù)事故影響的嚴重程度以及可能的發(fā)生概率評估其風(fēng)險，提出了設(shè)計、制造、測試、維修程序等相關(guān)減輕措施，將該內(nèi)燃動車組的安全風(fēng)險控制在合理可接受的范圍，即符合國際標(biāo)準 EN50126“Railway applications-The specification and demonstration of Reliability，Availability，Maintainability and Safety(RAMS)”鐵路應(yīng)用可靠性，可用性，可維護性和安全性技術(shù)條件和驗證(RAMS)中規(guī)定的ALAPP(風(fēng)險降到可行)原則.

1 各階段安全性分析工作

在安全性研究的所有內(nèi)容中，最基本的是安全性分析和安全性評估［2］.根據(jù)EN50126標(biāo)準中對RAMS工作的要求，并結(jié)合公司實際，內(nèi)燃動車組在產(chǎn)品設(shè)計初期就將系統(tǒng)安全性分析的各項工作融入到了產(chǎn)品生命周期各階段中［3］，如圖1所示.隨著設(shè)計工作的進展、可獲得的數(shù)據(jù)和信息的增多，相關(guān)技術(shù)人員對安全性分析結(jié)果及時進行了更新、補充和完善.

圖1 項目各階段安全性分析工作

2 采用的安全性分析方法

系統(tǒng)安全性分析是安全系統(tǒng)工程的核心內(nèi)容，也是安全性評價的基礎(chǔ)［4］.通過對出口某內(nèi)燃動車組的功能特性和運行條件進行分析，項目采用的系統(tǒng)安全分析方法主要有初步危害分析(PHA)、系統(tǒng)危害分析(SHA)、子系統(tǒng)危害分析(SSHA)、接口危害分析(IHA)、操作和保障危害分析(O＆SHA)、量化風(fēng)險評估以及安全原則及規(guī)范要求的符合性評估.

在開展內(nèi)燃動車組各項安全性分析之前，首先制定了系統(tǒng)安全性工作計劃［5］，該計劃包含用戶所提出的安全性工作項目要求，用來實現(xiàn)組織結(jié)構(gòu)、責(zé)任、工作流程和資源的合理安排，明確并安排所要開展工作項目、時間節(jié)點進度，并同時保證系統(tǒng)能夠滿足合同及項目規(guī)定的安全性要求，安全性工作計劃隨著產(chǎn)品研發(fā)進程不斷完善，并根據(jù)用戶要求對工作計劃做相應(yīng)更改.本內(nèi)燃動車組項目中安全性分析流程如圖2所示.

圖2 安全性分析流程

2.1 系統(tǒng)定義

在項目設(shè)計初期對出口某內(nèi)燃動車組進行了系統(tǒng)定義，明確系統(tǒng)的主要功能及系統(tǒng)功能層次和約束條件，為安全性分析工作提供基礎(chǔ)［5］.同時，通過分析發(fā)現(xiàn)了許多低層次功能的接口問題，為系統(tǒng)接口隱患分析奠定了基礎(chǔ).此項分析也是可靠性分析工作，如功能FMEA、可靠性建模、可靠性分配、可靠性預(yù)計等的前導(dǎo)工作.

本項目中系統(tǒng)定義涉及到的主要內(nèi)容有系統(tǒng)功能和接口分析、成熟產(chǎn)品分析、環(huán)境條件及敏感部件分析等.

2.2 初步隱患分析(PHA )

隱患分析是針對系統(tǒng)的潛在隱患進行系統(tǒng)的分析，確定系統(tǒng)的主要隱患清單是進行初步隱患分析的基礎(chǔ)［6］.本項目中通過識別和車輛相關(guān)的隱患事件(參見表1)，確定了車輛系統(tǒng)安全要求，并進一步驗證了車輛系統(tǒng)架構(gòu)和功能設(shè)計是否滿足其安全要求，以確保系統(tǒng)從設(shè)計一開始便具備固有的安全屬性.

表1 主隱患清單

在項目設(shè)計初期進行了車輛初步隱患分析，用以識別車輛系統(tǒng)可能涉及和需要控制的潛在隱患，并提出系統(tǒng)設(shè)計過程中需要執(zhí)行的措施以消除或減輕相關(guān)隱患.本項目中進行的初步隱患分析如表2所示.

2.3 系統(tǒng)隱患分析、接口隱患分析以及操作和支持隱患分析

系統(tǒng)危害分析(SHA)用以識別和分析與子系統(tǒng)設(shè)計相關(guān)的、與安全關(guān)鍵設(shè)備功能和接口的相關(guān)的潛在隱患(如子系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計、功能劃分等)，并提出相應(yīng)的隱患消除或減輕措施［6］.SHA將設(shè)備看作“黑盒”以識別其邊界范圍內(nèi)的隱患，并確定其相應(yīng)的安全需求.SHA的目的包括驗證和確認子系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和功能設(shè)計是否滿足其安全要求;識別設(shè)備功能和接口故障以及人因錯誤可能導(dǎo)致的潛在隱患及對子系統(tǒng)/系統(tǒng)的影響等.本項目中進行的系統(tǒng)隱患分析如表3所示.

表2 初步隱患分析

表3 系統(tǒng)隱患分析

接口隱患分析(IHA)用以識別和分析與系統(tǒng)/子系統(tǒng)內(nèi)部以及外部的接口相關(guān)的潛在隱患，提出系統(tǒng)/子系統(tǒng)和相關(guān)接口系統(tǒng)/子系統(tǒng)需要執(zhí)行的隱患消除或減輕措施［6］.IHA關(guān)注接口功能中可能存在的潛在隱患，其識別出的隱患減輕措施可做為系統(tǒng)/子系統(tǒng)本身以及接口系統(tǒng)/子系統(tǒng)的安全需求.在分析過程中，一般也可采用系統(tǒng)隱患分析代替接口隱患分析.

操作和支持隱患分析(O＆SHA)用以識別和分析在系統(tǒng)/子系統(tǒng)/設(shè)備的運營和維修過程中與人員和規(guī)程相關(guān)的潛在隱患，并提出需要執(zhí)行的隱患消除或減輕措施［6］.OSHA關(guān)注與人員操作相關(guān)的潛在隱患，其目的是優(yōu)化系統(tǒng)設(shè)計或運維規(guī)程.本項目中進行的系統(tǒng)隱患分析如表4所示.

2.4 隱患管理和關(guān)閉

出口某內(nèi)燃動車組項目中所有識別出的隱患均記錄在隱患登記冊中.使用隱患登記冊對隱患關(guān)閉狀態(tài)以及證據(jù)進行管理，定期更新隱患登記冊中有關(guān)隱患信息、預(yù)防/減輕措施相關(guān)證據(jù)、隱患關(guān)閉狀態(tài)等.車輛系統(tǒng)的隱患關(guān)閉遵循ALARP(風(fēng)險降到可行)原則，隱患關(guān)閉過程如圖3所示.

圖3 車輛系統(tǒng)的隱患關(guān)閉過程

2.5 安全關(guān)鍵項

安全關(guān)鍵項(SCI)是一種工程項目，其安全完整性對列車的安全至關(guān)重要.本項目根據(jù)FMECA、危害分析和量化風(fēng)險評估的結(jié)果，對顯著影響車輛安全運營的設(shè)備或產(chǎn)品列入安全關(guān)鍵項清單，進行重點關(guān)注和管理.本項目中納入安全關(guān)鍵項管理的項目包括:

(1)單一故障導(dǎo)致“嚴重的”或以上后果的部件或組件;

(2)單一故障導(dǎo)致初始風(fēng)險等級為R1或R2的部件或組件;

(3)雙重故障導(dǎo)致“重大的”或以上后果的部件或組件.

其中形成的安全性關(guān)鍵項清單如表5所示.

3.安全性分析結(jié)果

通過對出口某內(nèi)燃動車組開展上述系統(tǒng)安全分析，對車輛系統(tǒng)的各種潛在的隱患進行了識別，對風(fēng)險發(fā)生的可能性及后果嚴重性進行了綜合分析，根據(jù)國際鐵路標(biāo)準EN50126:1999中的規(guī)定，在本項目執(zhí)行過程中，依照表6定義的風(fēng)險矩陣對所有危害進行了風(fēng)險等級評估:初始風(fēng)險等級R1的12項，R2為22項，R3為84項，R4為102項.各風(fēng)險等級的定義如下:

(1)R1(不容許的):除特殊情況外，必須消除該類風(fēng)險(Risk must be reduced save in exceptional circumstances);

(2)R2(不希望的):必須將風(fēng)險減低至最低實際可行的水平(Risk must be reduced if it is reasonably practicable to do so);

(3)R3(容許的):可忍受的風(fēng)險，但仍須按成本效益盡量減低風(fēng)險(Risk is tolerable but should be further reduced if it is cost effective to do so);

(4)R4(可忽略的):可接受的風(fēng)險 (Risk is acceptable).

表5 安全關(guān)鍵項清單

表6 風(fēng)險矩陣

通過以上的風(fēng)險分析結(jié)果，在設(shè)計、制造、安裝、測試以及運營維護等階段提出為消除危險或?qū)L(fēng)險減少到用戶可接受水平所需的安全性措施和替換方案，其中以在設(shè)計上采取糾正措施作為首選考慮，并在設(shè)計過程中制定了所采用的安全性設(shè)計準則，例如，采用聯(lián)鎖、警告和過程指示等設(shè)計特性來避免會導(dǎo)致事故的人為差錯等.車輛系統(tǒng)最終剩余風(fēng)險R1為0項、R2為0項、R3為23項、R4為197項.

3 結(jié)論

出口某內(nèi)燃動車組項目通過在產(chǎn)品生命周期的不同階段開展PHA、SHA、IHA以及O＆SHA，識別出車輛、子系統(tǒng)、接口、硬件、軟件、相關(guān)操作和運營程序等可能導(dǎo)致的引起人員傷亡、系統(tǒng)損壞、運營嚴重中斷的隱患事件，并針對隱患提出了設(shè)計、制造、測試、維修程序等相關(guān)減輕措施.通過將PHA、SHA、IHA、O＆SHA 識別出的隱患和措施記錄在隱患登記冊，定期更新隱患登記冊中有關(guān)隱患信息、預(yù)防/減輕措施相關(guān)證據(jù)、隱患關(guān)閉狀態(tài)等，實現(xiàn)了改善系統(tǒng)的安全薄弱環(huán)節(jié)，有效降低了車輛產(chǎn)品的運營風(fēng)險.

［1］周經(jīng)倫，龔時雨，顏兆林.系統(tǒng)安全性分析［M］.長沙:中南大學(xué)出版社，2003:14-19.

［2］艷萍，唐禎敏，武旭.地鐵行車安全保障系統(tǒng)的研究［J］.城市軌道交通研究，2004(5):23.

［3］張凌輝，王海峰，漁海雷.港口工程全壽命風(fēng)險管理［J］.中國水運，2008，8(8):56-57.

［4］沈斐敏.安全系統(tǒng)工程基礎(chǔ)與實踐［M］.2版，北京:煤炭工業(yè)出版社，1996.

［5］BSI.EN50126-1:1999 Railway applications-The specification and demonstration of Reliability，Availability，Maintainability and Safety(RAMS)(S).［s.l.］:［s.n.］，1999.

［6］MIL-STD-882C System Safety Program Requirements［S］.［s.l.］:［s.n.］，1996.