基于PHA与FMEA的企业安全评价方法的应用研究

李　峰,贾　湖

(天津大学 管理与经济学部,天津　300072)



基于PHA与FMEA的企业安全评价方法的应用研究

李峰,贾湖

(天津大学 管理与经济学部,天津300072)

在企业生产活动中,生产事故会受到生产设备、操作员工、管理体系以及外部因素的多重影响。企业事故的风险源于对过程危险点未妥善处理,继而产生严重的后果。通过建立企业安全价值要素传递模型,以预先危险性分析法(PHA)和失效模式与效应分析(FMEA)为基础,提出了全面的企业安全评价方法。从企业生产系统的剖析,到关键危险点的发掘,最后进行系统失效模式分析并提出相应的改进措施。通过建造企业中塔吊的实例验证其有效性,从而提高了该安全评价方法的实用性。

预先危险性分析法;失效模式与效应分析;企业安全评价;结构化分析和设计技术

安全是人类生存和发展的重要前提。在生产活动中,国内外企业都已确立了安全第一的生产准则。据统计,仅因工伤及职业病所造成的损失就相当于全球GDP 的4%左右,安全问题是人类亟待解决的一个重要问题[1]。企业安全评价是以实现工业生产、系统安全为目的,应用安全系统工程原理和方法,对工程、系统中存在的危险、有害因素进行辨识与分析,判断工程、系统发生事故和职业危害的可能性及其严重程度,从而为制定防范措施和管理决策提供科学依据[2]。 安全评价既需要评价理论的支撑,又需要理论与实际经验的结合,二者缺一不可。

目前国内外已有的关于安全评价的方法主要有:预先危险分析(PHA,preliminary hazard analysis)[3],是指在产品或系统开发初期,对危险类别、危险产生条件、事故后果的定性分析;故障树分析(FTA,fault tree analysis)法[1],通过故障树的形式来找出某个故障的原因的逻辑演绎法;失效模式与效应分析(FMEA,failure mode and effects analysis)法[4],该方法原理是将系统分割,针对子系统应有的功能,找出各部件可能存在的所有故障模式;危险可操作性研究法[5],是以关键词为引导,找出系统中工艺过程或状态的变化,从而分析造成偏差的原因;量化危险分析(FHA,functional hazard analysis)法[6],主要用于软件系统的非概率性的分析方法。通过研究发现,不同的方法分别适用于不同的系统或工程,以及针对不同的过程阶段。为了使理论方法更加准确的适用于企业生产系统,David等[7]提出了将统一建模语言与FMEA相结合的思路。但企业生产活动中的事故具有突发性强、系统关联性高和危险性大的特点,如何选择一种全面有效地安全评价方法尚未得到解决。

综上所述,为了有效减少企业活动中的危险事故,提出了安全需求要素传递模型,并引入软件工程中的结构化分析和设计技术(SADT,structured analysis and design technique)[8],在企业活动前期首先对系统进行完善的结构化分析,进而使用PHA对关键危险点进行发掘,获得对应的安全需求,最后通过对影响安全需求的工程特性进行FMEA失效模式分析并提出改善措施,从而实现了对企业的安全评价和改善。该方法应用于生产活动前期,PHA方法的应用保证了风险分析的全面化,而SADT和FMEA方法能够深入地对复杂系统因关联性而导致的风险进行探究。

1　安全价值要素传递模型

企业安全价值以安全为核心,覆盖企业生产系统、人员健康、环境状况以及管理体制等各方面。为了更全面和准确地表达企业安全价值的内容和传递过程,研究借鉴顾客价值层次理论中的目标层、结构层和属性层的理念[9],提出了企业安全价值要素传递模型,如图1所示。

图1　安全价值要素传递模型Fig.1　Transfer model of safety value elements

安全价值要素是指在企业生产活动中因危险事故的发生而导致的安全需求,危险事故主要来源于两个方面:系统结构的可靠性失效和人为的操作失误,在此将其分别定义为生产系统工程特性和行为系统工程特性。因此针对两类工程特性的研究和改善将有效解决企业的安全需求。由于行为系统工程特性依赖于企业的管理规章,我们不做着重探讨,而主要研究生产系统以及其与行为系统交叉的工程特性,并从该角度进行企业的安全评价,提升安全管理水平。

2　方法步骤设计

基于安全价值要素传递模型,提出了一套安全评价方法,实现了从发掘企业安全需求,到获取相关工程特性,最后分析工程特性的失效原因及改进方案的研究过程。在调研企业背景的过程中,结合了访谈法、问卷法等系统评估方法和SADT系统结构/功能分析方法,在充分研究系统的基础上,对系统进行PHA预先风险分析,并获取关键危险点,将其转换为安全需求,进而分析得到其对应的生产系统工程特性,最终采用FMEA 的原理分析该工程特性的故障和失效模式,计算危险优先数,对危险优先数较高的提出相应的改进措施,然后再对改进后的系统进行安全性评价,如此反复直到系统满足设定的目标安全性的水平。图2为安全性评价方法的流程图。

图2　安全评价方法的流程Fig.2　Process of safety assessment

在对企业活动的背景进行访谈和问卷调查之后,采用结构化分析和设计技术(SADT)对企业的具体活动进行分解和抽象,即把复杂的系统分割成若干个小系统,并通过数据流图进行串联。根据系统的复杂程度决定向下分解的程度和层次。目的是通过该方法快速掌握系统的运转逻辑,又可以详尽了解系统各层属性细节,为安全评价提供可靠依据。同时该方法可以更有效实现安全评价方法的建模和自动化,这也是研究应用该方法的另一重要原因。

在对企业系统进行尽职调查后,应用预先风险分析(PHA)全面识别系统中所有可能的危险事故,并将对应的危险事件分析转化成为企业的安全需求。应用安全检查表辅助进行预先风险分析,该表首先定义了工业通用危险源,继而根据系统的功能和活动,考虑了风险触发环境、触发条件和事件详情,同时计算各个危险源对人/环境/系统的危险性评价,Gp、Ge、Gs分别代表该危险源对人、环境和系统的危险性大小,F代表该危险源发生的频率。研究定义危害值Hj=Max(Fj× Gij), i=p,e,s,j为危险点编号。假设Ha为关键危害临界值,如果Hj>Ha,则j为关键危险点,同时危害系数R= Hj/ Ha。通过逆向分析可以得到关键危险点对应的企业安全需求,并对其进行更深一步研究。

结合企业系统的结构和功能,挖掘与企业安全需求相关的生产系统工程特性,并对其进行失效模式与效应分析(FMEA),通过分析故障模式的原因和后果,采取有效措施,从而能够减少因系统失效而产生的危险事件。在应用该方法时,首先找出相关工程特性的潜在故障模式,评估各故障模式对系统可能造成的严重程度S,分析故障发生的原因及其发生的可能性O,以及评估故障发生时的难检测程度D,并计算危险优先数(RPN,risk priority number)[10]。在研究企业安全评价的方法中,为了综合衡量系统某一部分故障对客观事物和系统的危险性,定义综合严重度S’=S×R,危险优先数RPN=S’×O×D。基于企业的安全目标,对RPN值较大的关键故障模式需要进行有效地改进,采取必要的措施固化改进成果,并进行二次验证。

3　实例研究

以在建筑工程中常见的塔吊为实例,应用上文提出的基于PHA和FMEA的方法对企业生产项目进行安全评价,说明该方法的实用性。

3.1确定评估系统

在对企业活动进行安全评价前,首先应该收集研究关于该活动的相关资料,了解其生产目的、生产周期、作业环境等基本信息,并根据要求确定该活动的安全性目标。塔吊主要用于房屋建筑施工中物料的垂直和水平输送及建筑构件的安装,由金属结构、工作机构和电气系统三部分组成。同时在确定安全性目标时,首先应该了解在当前作业水平下的安全性水平现状,通过对现状水平的分析设定在可期望范围内的目标值。由于企业活动风险的复杂性,也应考虑突发因素的影响。

3.2分析系统的结构和功能

运用SADT方法对塔吊进行结构和功能分析,如图3所示。该数据流图为塔吊系统的第二层分析结果,其已满足了安全评价所需的信息。图3展示了塔吊活动的运转流程以及输入/输出和各个阶段的主要参与因素。在塔吊系统安全分析中将着重研究相关参与因素在各个阶段活动中面临的危险事件。

图3　塔吊系统SADT数据流图Fig.3　SADT data flow diagram of tower crane system

3.3预先风险分析和安全需求的获取

运用PHA方法进行预先风险分析研究结果见表1,研究仅取在塔吊作业中风速危险源作为实例。表2和表3为危险性和发生概率的等级标准。在对该危险源导致的风险进行触发因素的分析后,将对风险的概率和后果做定性和定量分析,继而提出改善措施并重新评估。通过分析结果,引用改善后的估计值,计算得到Hj=12,j为风速,定义Ha= 8,Hj>Ha,a为关键危险点,其中危害系数R=Hj/Ha= 3/2。通过分析得到风速为塔吊系统的关键危险点,因此需将风速转化为对应的安全需求,即在风速大时系统运转安全。为了有效控制风险,需要对风速相应的模块进行失效模式与效应分析。

3.4工程特性获取及其FMEA

针对风速这一关键危险点,分析其安全需求所对应的塔吊生产系统工程特性,得到了风速仪和电路系统两个工程特性。分别对其运用FMEA方法进行失效模式与效应分析,结果见表4。表5和表6为严重度和难检测度的等级标准,发生概率的等级标准将沿用表3。以风速仪为例,通过分析得到,风速仪主要的故障模式有两种:完全失效和指示结果不准确,在分别对该两种模式进行故障描述和后果分析后,根据等级标准,对故障的严重度、发生概率和难检测度进行估计,通过RPNz=(S×R)×O×D(其中:z为故障模式的序号)计算得到各自危险优先数。假设塔吊系统的危险可接受水平为20,RPN1<20,说明其在严格遵循操作流程和安全规章后,危险可以被有效控制,处于可接受的水平。RPN2>20,说明其综合危险性较高,需要通过增加改善预防措施,比如安装备用风速仪,实现两者信号的比较,降低难检测度,从而将危险下降至可接受水平。

表1　预先风险分析危险点汇总

表2　危险性等级标准

表3　发生概率等级标准

表4 失效模式与效应分析汇总表

表5　严重度等级标准

表6　难检测度等级标准

3.5形成风险评估报告并固化改进结果

根据PHA和FMEA两种分析形成的表格,可以实现对塔吊风险系统的关键危险点发掘和相关工程特性模块失效模式的分析。对于非关键危险点,通过提出预防和改善措施,将危害值下降至更低的水平。对于关键危险点,将其转化为安全需求,并着重进行相关工程特性的失效模式研究,尽可能通过技术手段确保系统的可靠性,从而提高其安全性。在风险评估报告中,将总体介绍该企业系统的活动背景以及各阶段的危险点,并对关键危险点和相关失效模块着重提示,提出行之有效的技术改善措施和切合实际的安全操作规范,固化改进结果,从而保证系统安全水平达到目标要求。

4　结语

在企业活动中,系统的安全既需要完善的安全操作规范,又需要一套可靠性高的生产系统。不同的安全评价方法分别从不同角度分析和改善系统的风险。研究建立了安全价值要素传递模型,从基础的风险分析方法入手,结合企业活动的特殊性,从系统的结构分析,到预先风险分析,最后完成系统工程特性的失效模式和效应分析,提出了一套完善的企业系统安全评价方法。有针对性地提出了安全操作规范,改善系统可靠性,将安全性提高到可接受水平。在进行安全性分析评价的过程中,预防和改进措施可能不会一次成功,需要不断改进、不断检验。安全性工作也是理论和实践的高度结合,需要持续改善。

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[3]董强,宋喜义,黄培泉.预先危险性分析法(PHA)在安全评价中的应用研究[EB/OL].北京:中国科技论文在线[2011-08-19].http://www.paper.edu.cn/releasepaper/content/201108-309.

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Application Study of PHA and FMEA Based EnterpriseSecurityEvaluationMethod

Li Feng,Jia Hu

(College of Management and Economics,Tianjin University,Tianjin 300072,China)

Inproductionactivities,accidentswillbeaffectedbyproductionequipment,operationsstaff,managementsystemsandexternalfactors.Enterpriseaccidentrisksstemfromimpropertreatmentofthedangerpointsduringtheprocess,resultingseriousconsequences.Thispaperbuildsenterprisesecurityvalueelementspropagationmodel,takingthePreliminaryHazardAnalysis(PHA),failuremodeandeffectsanalysis(FMEA)asthebasistoproposeacomprehensiveenterprisesafetyevaluationmethod.Thispaperstartsfromtheanalysisoftheproductionsystemtotheexplorationofthecriticaldangerpoints,andthenmakethefinalsystemfailuremodeanalysissoastoproposemeasuresforimprovement.Thenthroughtheexamplesofconstructionofenterprisetowercranetoverifyitseffectiveness,therebyincreasingthepracticalityofthissafetyevaluationmethod.

Preliminaryhazardanalysis;Failuremodesandeffectsanalysis;Enterprisesafetyassessment;Structuredanalysisanddesigntechniques

10.16468/j.cnki.issn1004-0366.2016.04.027.

2015-12-07;

2016-02-01.

李峰(1991-)，男，河北衡水人，硕士研究生，研究方向为工业风险.E-mail:feng.li@insa-cul.fr.

X952

A

1004-0366(2016)04-0136-05

引用格式:Li Feng,Jia Hu.Application Study of PHA and FMEA Based Enterprise Security Evaluation Method[J].Journal of Gansu Sciences,2016,28(4):136-140.[李峰,贾湖.基于PHA与FMEA的企业安全评价方法的应用研究[J].甘肃科学学报,2016,28(4):136-140.]