用于工業(yè)機(jī)器設(shè)計(jì)的安全性分析模式及方法研究

1、 用于工業(yè)機(jī)器設(shè)計(jì)的安全性分析模式及方法研究 摘 要 工業(yè)機(jī)察也屬職業(yè)事故的重要危險(xiǎn)源之一。在其設(shè)計(jì)時(shí)，有效地進(jìn)行安全性分析是消除和控制工業(yè)機(jī)器中存在的固有危險(xiǎn)的最佳途徑。為此，推薦了一種用于工業(yè)機(jī)器的安全分析模式；并對(duì)已有的安全分析方法進(jìn)行了重點(diǎn)選擇，將供設(shè)計(jì)人員使用的安全分析方法從百余種減少到11種；還對(duì)這些方法進(jìn)行了分類，可供設(shè)計(jì)人員在設(shè)計(jì)工業(yè)機(jī)器時(shí)，較方便地選擇和系統(tǒng)地應(yīng)用。關(guān)鍵詞 安全性分析 工業(yè)機(jī)器 風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)1 引 言筆者所指的工業(yè)機(jī)器是工業(yè)生產(chǎn)中使用的工具、機(jī)械設(shè)備和生產(chǎn)系統(tǒng)。國外的大量研究與分析工作和國內(nèi)的生產(chǎn)實(shí)踐都表明，工業(yè)機(jī)器的安全性較差，其主要原因是在設(shè)計(jì)時(shí)沒有進(jìn)行充分的

2、安全性分析及有效的安全性設(shè)計(jì)。因此，工業(yè)機(jī)器導(dǎo)致的職業(yè)事故日益增多。工業(yè)機(jī)器設(shè)計(jì)人員也深知安全與衛(wèi)生對(duì)工業(yè)機(jī)器的重要性，然而，多數(shù)設(shè)計(jì)人員不知如何有效地進(jìn)行安全性設(shè)計(jì)。有效的安全性分析模式及方法是安全性設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)。有很多安全性分析方法可以用于系統(tǒng)設(shè)計(jì)，例如：美國系統(tǒng)安全學(xué)會(huì)出版的系統(tǒng)安全分析手冊(cè)中列出的103種方法；美國航空航天局(na5a)也出版有類似的手冊(cè)。這些方法多數(shù)是由核能、化工、航空航天和國防等高風(fēng)險(xiǎn)工業(yè)中的可靠性或安全性專家們研究和開發(fā)的。工業(yè)機(jī)器的固有風(fēng)險(xiǎn)較上述工業(yè)小得多，一次暴露于工業(yè)機(jī)器危險(xiǎn)的人數(shù)很少多于一人，導(dǎo)致多人死亡的事故也很少見。此外，工業(yè)機(jī)器的復(fù)雜程度也較上述高風(fēng)險(xiǎn)

3、工業(yè)低。因此，已有的分析方法并非都適用于工業(yè)機(jī)器。加之工業(yè)機(jī)器的設(shè)計(jì)人員缺乏對(duì)這些方法適用性的了解，也難于從多達(dá)百余種的方法中選用并難于確定按何種模式進(jìn)行安全性分析，從而造成長期以來工業(yè)機(jī)器未能進(jìn)行有效安全性設(shè)計(jì)的局面，國內(nèi)這一情況更為突出。筆者介紹了一種適用于工業(yè)機(jī)器設(shè)計(jì)的安全性分析模式，并對(duì)安全性分析方法的選擇及分類進(jìn)行了研究，從百余種已有的方法中，選出了11種適用于國內(nèi)工業(yè)機(jī)器設(shè)計(jì)時(shí)采用的安全性分析方法；還對(duì)這些方法進(jìn)行了分類，以幫助設(shè)計(jì)人員在完成工業(yè)機(jī)器的設(shè)計(jì)過程中，方便地選用這些方法，有效地進(jìn)行安全性分析和設(shè)計(jì)。2 安全性分析的一般模式對(duì)一個(gè)系統(tǒng)或產(chǎn)品的安全性分析，一般是指對(duì)其可能存

4、在的所有危險(xiǎn)及其產(chǎn)生的原因進(jìn)行識(shí)別；然后，分別對(duì)這些危險(xiǎn)的風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行估算。在此基礎(chǔ)上，評(píng)估系統(tǒng)或產(chǎn)品的總的安全性，以確定采取何種措施來消除或控制那些風(fēng)險(xiǎn)不可接受的危險(xiǎn)。上述安全性分析是完成對(duì)分析對(duì)象的風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)，而且這種評(píng)價(jià)是一個(gè)反復(fù)迭代的過程。按照系統(tǒng)安全原理，風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)在系統(tǒng)壽命周期的各階段都需進(jìn)行，而在壽命周期的早期進(jìn)行的風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)，對(duì)提高系統(tǒng)安全性的作用更有效。上述安全性分析模式也適用于工業(yè)機(jī)器。國際標(biāo)準(zhǔn)化組織1999年頒布的iso 14121機(jī)器安全一風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)規(guī)則標(biāo)準(zhǔn)，給出了工業(yè)機(jī)器風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)的一般模式(見圖1)。筆者認(rèn)為，該模式也適用于國內(nèi)工業(yè)機(jī)器的風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)。3分析方法的選擇如前所述，用于安

5、全性分析的方法很多，為了便于設(shè)計(jì)人員選用合適的方法，必須從眾多方法中，選擇工業(yè)機(jī)器最適用的方法，其數(shù)量不宜過多，一般5至10種為宜。如何選擇?文獻(xiàn)4提出了按方法的離散性(discretecharacter)和適用性(applicability)進(jìn)行選擇的準(zhǔn)則。所謂離散的方法是指具有以下特點(diǎn)的方法：(1)按照一種特定的觀點(diǎn)和方法論進(jìn)行分析。例如：能量跟蹤與屏障分析，該法認(rèn)為危險(xiǎn)是由不希望能量流、屏障欠佳和目標(biāo)3個(gè)因素構(gòu)成的，通過對(duì)系統(tǒng)中的該3個(gè)因素的分析，以確定存在的危險(xiǎn)。(2)方法是獨(dú)立的，亦即它不需要使用一個(gè)或多個(gè)其他方法來達(dá)到它的目的。(3)不是其他方法組合使用的結(jié)果。離散的方法提供了一種

6、專門的分析手段，而指明了在何時(shí)、何種環(huán)境下使用這種方法，同時(shí)為建立供設(shè)計(jì)工業(yè)機(jī)器時(shí)使用的特定分析方法的表格，所以選擇方法時(shí)僅考慮離散的方法?，F(xiàn)已有的安全分析方法，多數(shù)是由高風(fēng)險(xiǎn)工業(yè)部門中的專家研究與開發(fā)。多數(shù)不適用于工業(yè)機(jī)器，例如：核臨界狀態(tài)分析(nuclearcriticalityanalysis)，低溫系統(tǒng)安全分析(cryogenic system safetyanalysis)，颶風(fēng)分析(windtornado analysis)等。當(dāng)然，這些方法中有一些經(jīng)過簡化和修改后，也可用于工業(yè)機(jī)器。如危險(xiǎn)與可操作性分析(hazop)，修改其關(guān)鍵詞表后，可用于工業(yè)機(jī)器的安全性分析。在評(píng)估方法的適用

7、性時(shí)，還需考慮方法的復(fù)雜程度。因?yàn)?，完成安全性分析是需要花費(fèi)時(shí)間和資源的。顯然，某些高度復(fù)雜和專門的方法，如petri網(wǎng)分析(petri netanalysis)和網(wǎng)絡(luò)邏輯分析(networklogicanalysis)等，對(duì)于大多數(shù)工業(yè)機(jī)器的安全性分析是不適用的。文獻(xiàn)4按上述準(zhǔn)則，從系統(tǒng)安全分析手冊(cè)中的103種方法和有關(guān)文獻(xiàn)及應(yīng)用的經(jīng)驗(yàn)，選出了34種適用于工業(yè)機(jī)器的分析方法。盡管供工業(yè)機(jī)器設(shè)計(jì)人員選用的方法的數(shù)量大大減少了，但是該文還是認(rèn)為34種對(duì)于工業(yè)機(jī)器設(shè)計(jì)人員來說，還是偏多。我國對(duì)系統(tǒng)或產(chǎn)品的安全性分析，在少數(shù)工業(yè)部門如核能、航天剛剛起步，工業(yè)機(jī)器設(shè)計(jì)人員對(duì)安全性分析方法不甚了解。從3

8、4種中選用，對(duì)于我國的設(shè)計(jì)人員仍是非常困難的。筆者在34種方法的基礎(chǔ)上，結(jié)合國內(nèi)的應(yīng)用情況，選擇了11種方法并進(jìn)行了分類列表(見表1)。4 分析方法分類為了便于設(shè)計(jì)人員在設(shè)計(jì)工業(yè)機(jī)器時(shí)，選用適用的安全性分析方法。筆者對(duì)選出的11種方法進(jìn)行了分類和組合。41 風(fēng)險(xiǎn)估算類這類方法用于定性或定量地估算導(dǎo)致職業(yè)傷亡事故的風(fēng)險(xiǎn)。42 危險(xiǎn)及其原因識(shí)別類這類方法用于確定工業(yè)機(jī)器中的固有危險(xiǎn)及產(chǎn)生的原因。按方法采用的分析模式又可分為兩類。第一類稱為回顧分析模式，利用被分析機(jī)器的歷史資料來確定類似的危險(xiǎn)及其發(fā)生的原因。該模式在工業(yè)機(jī)器初步研究和概念設(shè)計(jì)階段使用最合適。第二類稱為預(yù)期分析模式，用于確定新研制機(jī)器

9、或重大改進(jìn)及運(yùn)行的機(jī)器中可能存在的危險(xiǎn)。該模式又可分為歸納推理和演繹推理兩類?，F(xiàn)有的安全分析方法，通常采用一種或多種分析模式。表1中的“檢查表分析”，上述各類分析模式均未采用，該方法僅用來為確定危險(xiǎn)及其原因收集和提供信息，稱“提供信息”模式。43 識(shí)別的風(fēng)險(xiǎn)因素風(fēng)險(xiǎn)的因素通常有四類。(1)物質(zhì)因素。如不良設(shè)計(jì)、附件缺陷、和失效、危險(xiǎn)部件等。(2)人的因素。如人的失誤、無意或有意的錯(cuò)誤或破壞等。(3)組織因素。如工作機(jī)構(gòu)失效、規(guī)程缺陷、交流通訊失誤、信息管理失效、訓(xùn)練不充分、資源估計(jì)不足等。(4)外部環(huán)境因素。如自然現(xiàn)象、相關(guān)系統(tǒng)失效、爆炸：火災(zāi)、事故等。研究表明，有些方法用于識(shí)別某些風(fēng)險(xiǎn)因素較

10、其他方法更有效，而且多數(shù)方法能夠有效地確定多種風(fēng)險(xiǎn)因素，這些因素是危險(xiǎn)的原因或結(jié)果。44 其他特性類安全性分析方法還可以按方法的其他更特殊的特性分類，如可分為自生成法和模擬法等。自生成法是指那些能夠獨(dú)立生成開始分析所需的數(shù)據(jù)，亦即無需使用其他方法的結(jié)果作為輸入的方法，如表1中的能量跟蹤與屏障分析和變化分析。模擬法，該法生成一個(gè)系統(tǒng)或系統(tǒng)中一系列事件的概念模型，這種方法多用于那些可能產(chǎn)生多種失效而導(dǎo)致一種的后果的較復(fù)雜的機(jī)器。這種方法用于確定由多種風(fēng)險(xiǎn)因素組令而導(dǎo)致的可能的后果是非常有效的。5 結(jié) 論工業(yè)生產(chǎn)中使用的機(jī)器、設(shè)備、工具以及各種生產(chǎn)系統(tǒng)是職業(yè)事故的重要危險(xiǎn)源。迄今，國內(nèi)在設(shè)計(jì)工業(yè)機(jī)器時(shí)，僅按已有的規(guī)范、標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行“符合安全”模式的安全性設(shè)計(jì)，只能使工業(yè)機(jī)器的安全性達(dá)到最低的要求，不能有效地消除或控制工業(yè)機(jī)器中存在的固有危險(xiǎn)。若在設(shè)計(jì)時(shí)，采用有效的分析方法和程序進(jìn)行安全性分析，從而采取措施消除或控制已識(shí)別的危險(xiǎn)，就能使工業(yè)機(jī)器的安全性達(dá)到最佳。這一點(diǎn)，已被國外高風(fēng)險(xiǎn)工業(yè)部門的長期實(shí)踐所證明。但是，無論國外還是國內(nèi)，對(duì)于工業(yè)機(jī)器安全性分析工作開展的均不夠，國內(nèi)的情況尤為突出。究其原因，除了缺乏必要的法規(guī)外，主要是設(shè)計(jì)人員對(duì)安全性分析的方法及程序缺乏了解，