基于PHA與FMEA的企業(yè)安全評(píng)價(jià)方法的應(yīng)用研究

李　峰,賈　湖

(天津大學(xué) 管理與經(jīng)濟(jì)學(xué)部,天津　300072)

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基于PHA與FMEA的企業(yè)安全評(píng)價(jià)方法的應(yīng)用研究

李峰,賈湖

(天津大學(xué) 管理與經(jīng)濟(jì)學(xué)部,天津300072)

在企業(yè)生產(chǎn)活動(dòng)中,生產(chǎn)事故會(huì)受到生產(chǎn)設(shè)備、操作員工、管理體系以及外部因素的多重影響。企業(yè)事故的風(fēng)險(xiǎn)源于對(duì)過(guò)程危險(xiǎn)點(diǎn)未妥善處理,繼而產(chǎn)生嚴(yán)重的后果。通過(guò)建立企業(yè)安全價(jià)值要素傳遞模型,以預(yù)先危險(xiǎn)性分析法(PHA)和失效模式與效應(yīng)分析(FMEA)為基礎(chǔ),提出了全面的企業(yè)安全評(píng)價(jià)方法。從企業(yè)生產(chǎn)系統(tǒng)的剖析,到關(guān)鍵危險(xiǎn)點(diǎn)的發(fā)掘,最后進(jìn)行系統(tǒng)失效模式分析并提出相應(yīng)的改進(jìn)措施。通過(guò)建造企業(yè)中塔吊的實(shí)例驗(yàn)證其有效性,從而提高了該安全評(píng)價(jià)方法的實(shí)用性。

預(yù)先危險(xiǎn)性分析法;失效模式與效應(yīng)分析;企業(yè)安全評(píng)價(jià);結(jié)構(gòu)化分析和設(shè)計(jì)技術(shù)

安全是人類生存和發(fā)展的重要前提。在生產(chǎn)活動(dòng)中,國(guó)內(nèi)外企業(yè)都已確立了安全第一的生產(chǎn)準(zhǔn)則。據(jù)統(tǒng)計(jì),僅因工傷及職業(yè)病所造成的損失就相當(dāng)于全球GDP 的4%左右,安全問(wèn)題是人類亟待解決的一個(gè)重要問(wèn)題[1]。企業(yè)安全評(píng)價(jià)是以實(shí)現(xiàn)工業(yè)生產(chǎn)、系統(tǒng)安全為目的,應(yīng)用安全系統(tǒng)工程原理和方法,對(duì)工程、系統(tǒng)中存在的危險(xiǎn)、有害因素進(jìn)行辨識(shí)與分析,判斷工程、系統(tǒng)發(fā)生事故和職業(yè)危害的可能性及其嚴(yán)重程度,從而為制定防范措施和管理決策提供科學(xué)依據(jù)[2]。 安全評(píng)價(jià)既需要評(píng)價(jià)理論的支撐,又需要理論與實(shí)際經(jīng)驗(yàn)的結(jié)合,二者缺一不可。

目前國(guó)內(nèi)外已有的關(guān)于安全評(píng)價(jià)的方法主要有:預(yù)先危險(xiǎn)分析(PHA,preliminary hazard analysis)[3],是指在產(chǎn)品或系統(tǒng)開(kāi)發(fā)初期,對(duì)危險(xiǎn)類別、危險(xiǎn)產(chǎn)生條件、事故后果的定性分析;故障樹(shù)分析(FTA,fault tree analysis)法[1],通過(guò)故障樹(shù)的形式來(lái)找出某個(gè)故障的原因的邏輯演繹法;失效模式與效應(yīng)分析(FMEA,failure mode and effects analysis)法[4],該方法原理是將系統(tǒng)分割,針對(duì)子系統(tǒng)應(yīng)有的功能,找出各部件可能存在的所有故障模式;危險(xiǎn)可操作性研究法[5],是以關(guān)鍵詞為引導(dǎo),找出系統(tǒng)中工藝過(guò)程或狀態(tài)的變化,從而分析造成偏差的原因;量化危險(xiǎn)分析(FHA,functional hazard analysis)法[6],主要用于軟件系統(tǒng)的非概率性的分析方法。通過(guò)研究發(fā)現(xiàn),不同的方法分別適用于不同的系統(tǒng)或工程,以及針對(duì)不同的過(guò)程階段。為了使理論方法更加準(zhǔn)確的適用于企業(yè)生產(chǎn)系統(tǒng),David等[7]提出了將統(tǒng)一建模語(yǔ)言與FMEA相結(jié)合的思路。但企業(yè)生產(chǎn)活動(dòng)中的事故具有突發(fā)性強(qiáng)、系統(tǒng)關(guān)聯(lián)性高和危險(xiǎn)性大的特點(diǎn),如何選擇一種全面有效地安全評(píng)價(jià)方法尚未得到解決。

綜上所述,為了有效減少企業(yè)活動(dòng)中的危險(xiǎn)事故,提出了安全需求要素傳遞模型,并引入軟件工程中的結(jié)構(gòu)化分析和設(shè)計(jì)技術(shù)(SADT,structured analysis and design technique)[8],在企業(yè)活動(dòng)前期首先對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行完善的結(jié)構(gòu)化分析,進(jìn)而使用PHA對(duì)關(guān)鍵危險(xiǎn)點(diǎn)進(jìn)行發(fā)掘,獲得對(duì)應(yīng)的安全需求,最后通過(guò)對(duì)影響安全需求的工程特性進(jìn)行FMEA失效模式分析并提出改善措施,從而實(shí)現(xiàn)了對(duì)企業(yè)的安全評(píng)價(jià)和改善。該方法應(yīng)用于生產(chǎn)活動(dòng)前期,PHA方法的應(yīng)用保證了風(fēng)險(xiǎn)分析的全面化,而SADT和FMEA方法能夠深入地對(duì)復(fù)雜系統(tǒng)因關(guān)聯(lián)性而導(dǎo)致的風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行探究。

1　安全價(jià)值要素傳遞模型

企業(yè)安全價(jià)值以安全為核心,覆蓋企業(yè)生產(chǎn)系統(tǒng)、人員健康、環(huán)境狀況以及管理體制等各方面。為了更全面和準(zhǔn)確地表達(dá)企業(yè)安全價(jià)值的內(nèi)容和傳遞過(guò)程,研究借鑒顧客價(jià)值層次理論中的目標(biāo)層、結(jié)構(gòu)層和屬性層的理念[9],提出了企業(yè)安全價(jià)值要素傳遞模型,如圖1所示。

圖1　安全價(jià)值要素傳遞模型Fig.1　Transfer model of safety value elements

安全價(jià)值要素是指在企業(yè)生產(chǎn)活動(dòng)中因危險(xiǎn)事故的發(fā)生而導(dǎo)致的安全需求,危險(xiǎn)事故主要來(lái)源于兩個(gè)方面:系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的可靠性失效和人為的操作失誤,在此將其分別定義為生產(chǎn)系統(tǒng)工程特性和行為系統(tǒng)工程特性。因此針對(duì)兩類工程特性的研究和改善將有效解決企業(yè)的安全需求。由于行為系統(tǒng)工程特性依賴于企業(yè)的管理規(guī)章,我們不做著重探討,而主要研究生產(chǎn)系統(tǒng)以及其與行為系統(tǒng)交叉的工程特性,并從該角度進(jìn)行企業(yè)的安全評(píng)價(jià),提升安全管理水平。

2　方法步驟設(shè)計(jì)

基于安全價(jià)值要素傳遞模型,提出了一套安全評(píng)價(jià)方法,實(shí)現(xiàn)了從發(fā)掘企業(yè)安全需求,到獲取相關(guān)工程特性,最后分析工程特性的失效原因及改進(jìn)方案的研究過(guò)程。在調(diào)研企業(yè)背景的過(guò)程中,結(jié)合了訪談法、問(wèn)卷法等系統(tǒng)評(píng)估方法和SADT系統(tǒng)結(jié)構(gòu)/功能分析方法,在充分研究系統(tǒng)的基礎(chǔ)上,對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行PHA預(yù)先風(fēng)險(xiǎn)分析,并獲取關(guān)鍵危險(xiǎn)點(diǎn),將其轉(zhuǎn)換為安全需求,進(jìn)而分析得到其對(duì)應(yīng)的生產(chǎn)系統(tǒng)工程特性,最終采用FMEA 的原理分析該工程特性的故障和失效模式,計(jì)算危險(xiǎn)優(yōu)先數(shù),對(duì)危險(xiǎn)優(yōu)先數(shù)較高的提出相應(yīng)的改進(jìn)措施,然后再對(duì)改進(jìn)后的系統(tǒng)進(jìn)行安全性評(píng)價(jià),如此反復(fù)直到系統(tǒng)滿足設(shè)定的目標(biāo)安全性的水平。圖2為安全性評(píng)價(jià)方法的流程圖。

圖2　安全評(píng)價(jià)方法的流程Fig.2　Process of safety assessment

在對(duì)企業(yè)活動(dòng)的背景進(jìn)行訪談和問(wèn)卷調(diào)查之后,采用結(jié)構(gòu)化分析和設(shè)計(jì)技術(shù)(SADT)對(duì)企業(yè)的具體活動(dòng)進(jìn)行分解和抽象,即把復(fù)雜的系統(tǒng)分割成若干個(gè)小系統(tǒng),并通過(guò)數(shù)據(jù)流圖進(jìn)行串聯(lián)。根據(jù)系統(tǒng)的復(fù)雜程度決定向下分解的程度和層次。目的是通過(guò)該方法快速掌握系統(tǒng)的運(yùn)轉(zhuǎn)邏輯,又可以詳盡了解系統(tǒng)各層屬性細(xì)節(jié),為安全評(píng)價(jià)提供可靠依據(jù)。同時(shí)該方法可以更有效實(shí)現(xiàn)安全評(píng)價(jià)方法的建模和自動(dòng)化,這也是研究應(yīng)用該方法的另一重要原因。

在對(duì)企業(yè)系統(tǒng)進(jìn)行盡職調(diào)查后,應(yīng)用預(yù)先風(fēng)險(xiǎn)分析(PHA)全面識(shí)別系統(tǒng)中所有可能的危險(xiǎn)事故,并將對(duì)應(yīng)的危險(xiǎn)事件分析轉(zhuǎn)化成為企業(yè)的安全需求。應(yīng)用安全檢查表輔助進(jìn)行預(yù)先風(fēng)險(xiǎn)分析,該表首先定義了工業(yè)通用危險(xiǎn)源,繼而根據(jù)系統(tǒng)的功能和活動(dòng),考慮了風(fēng)險(xiǎn)觸發(fā)環(huán)境、觸發(fā)條件和事件詳情,同時(shí)計(jì)算各個(gè)危險(xiǎn)源對(duì)人/環(huán)境/系統(tǒng)的危險(xiǎn)性評(píng)價(jià),Gp、Ge、Gs分別代表該危險(xiǎn)源對(duì)人、環(huán)境和系統(tǒng)的危險(xiǎn)性大小,F代表該危險(xiǎn)源發(fā)生的頻率。研究定義危害值Hj=Max(Fj× Gij), i=p,e,s,j為危險(xiǎn)點(diǎn)編號(hào)。假設(shè)Ha為關(guān)鍵危害臨界值,如果Hj>Ha,則j為關(guān)鍵危險(xiǎn)點(diǎn),同時(shí)危害系數(shù)R= Hj/ Ha。通過(guò)逆向分析可以得到關(guān)鍵危險(xiǎn)點(diǎn)對(duì)應(yīng)的企業(yè)安全需求,并對(duì)其進(jìn)行更深一步研究。

結(jié)合企業(yè)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和功能,挖掘與企業(yè)安全需求相關(guān)的生產(chǎn)系統(tǒng)工程特性,并對(duì)其進(jìn)行失效模式與效應(yīng)分析(FMEA),通過(guò)分析故障模式的原因和后果,采取有效措施,從而能夠減少因系統(tǒng)失效而產(chǎn)生的危險(xiǎn)事件。在應(yīng)用該方法時(shí),首先找出相關(guān)工程特性的潛在故障模式,評(píng)估各故障模式對(duì)系統(tǒng)可能造成的嚴(yán)重程度S,分析故障發(fā)生的原因及其發(fā)生的可能性O(shè),以及評(píng)估故障發(fā)生時(shí)的難檢測(cè)程度D,并計(jì)算危險(xiǎn)優(yōu)先數(shù)(RPN,risk priority number)[10]。在研究企業(yè)安全評(píng)價(jià)的方法中,為了綜合衡量系統(tǒng)某一部分故障對(duì)客觀事物和系統(tǒng)的危險(xiǎn)性,定義綜合嚴(yán)重度S’=S×R,危險(xiǎn)優(yōu)先數(shù)RPN=S’×O×D。基于企業(yè)的安全目標(biāo),對(duì)RPN值較大的關(guān)鍵故障模式需要進(jìn)行有效地改進(jìn),采取必要的措施固化改進(jìn)成果,并進(jìn)行二次驗(yàn)證。

3　實(shí)例研究

以在建筑工程中常見(jiàn)的塔吊為實(shí)例,應(yīng)用上文提出的基于PHA和FMEA的方法對(duì)企業(yè)生產(chǎn)項(xiàng)目進(jìn)行安全評(píng)價(jià),說(shuō)明該方法的實(shí)用性。

3.1確定評(píng)估系統(tǒng)

在對(duì)企業(yè)活動(dòng)進(jìn)行安全評(píng)價(jià)前,首先應(yīng)該收集研究關(guān)于該活動(dòng)的相關(guān)資料,了解其生產(chǎn)目的、生產(chǎn)周期、作業(yè)環(huán)境等基本信息,并根據(jù)要求確定該活動(dòng)的安全性目標(biāo)。塔吊主要用于房屋建筑施工中物料的垂直和水平輸送及建筑構(gòu)件的安裝,由金屬結(jié)構(gòu)、工作機(jī)構(gòu)和電氣系統(tǒng)三部分組成。同時(shí)在確定安全性目標(biāo)時(shí),首先應(yīng)該了解在當(dāng)前作業(yè)水平下的安全性水平現(xiàn)狀,通過(guò)對(duì)現(xiàn)狀水平的分析設(shè)定在可期望范圍內(nèi)的目標(biāo)值。由于企業(yè)活動(dòng)風(fēng)險(xiǎn)的復(fù)雜性,也應(yīng)考慮突發(fā)因素的影響。

3.2分析系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和功能

運(yùn)用SADT方法對(duì)塔吊進(jìn)行結(jié)構(gòu)和功能分析,如圖3所示。該數(shù)據(jù)流圖為塔吊系統(tǒng)的第二層分析結(jié)果,其已滿足了安全評(píng)價(jià)所需的信息。圖3展示了塔吊活動(dòng)的運(yùn)轉(zhuǎn)流程以及輸入/輸出和各個(gè)階段的主要參與因素。在塔吊系統(tǒng)安全分析中將著重研究相關(guān)參與因素在各個(gè)階段活動(dòng)中面臨的危險(xiǎn)事件。

圖3　塔吊系統(tǒng)SADT數(shù)據(jù)流圖Fig.3　SADT data flow diagram of tower crane system

3.3預(yù)先風(fēng)險(xiǎn)分析和安全需求的獲取

運(yùn)用PHA方法進(jìn)行預(yù)先風(fēng)險(xiǎn)分析研究結(jié)果見(jiàn)表1,研究?jī)H取在塔吊作業(yè)中風(fēng)速危險(xiǎn)源作為實(shí)例。表2和表3為危險(xiǎn)性和發(fā)生概率的等級(jí)標(biāo)準(zhǔn)。在對(duì)該危險(xiǎn)源導(dǎo)致的風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行觸發(fā)因素的分析后,將對(duì)風(fēng)險(xiǎn)的概率和后果做定性和定量分析,繼而提出改善措施并重新評(píng)估。通過(guò)分析結(jié)果,引用改善后的估計(jì)值,計(jì)算得到Hj=12,j為風(fēng)速,定義Ha= 8,Hj>Ha,a為關(guān)鍵危險(xiǎn)點(diǎn),其中危害系數(shù)R=Hj/Ha= 3/2。通過(guò)分析得到風(fēng)速為塔吊系統(tǒng)的關(guān)鍵危險(xiǎn)點(diǎn),因此需將風(fēng)速轉(zhuǎn)化為對(duì)應(yīng)的安全需求,即在風(fēng)速大時(shí)系統(tǒng)運(yùn)轉(zhuǎn)安全。為了有效控制風(fēng)險(xiǎn),需要對(duì)風(fēng)速相應(yīng)的模塊進(jìn)行失效模式與效應(yīng)分析。

3.4工程特性獲取及其FMEA

針對(duì)風(fēng)速這一關(guān)鍵危險(xiǎn)點(diǎn),分析其安全需求所對(duì)應(yīng)的塔吊生產(chǎn)系統(tǒng)工程特性,得到了風(fēng)速儀和電路系統(tǒng)兩個(gè)工程特性。分別對(duì)其運(yùn)用FMEA方法進(jìn)行失效模式與效應(yīng)分析,結(jié)果見(jiàn)表4。表5和表6為嚴(yán)重度和難檢測(cè)度的等級(jí)標(biāo)準(zhǔn),發(fā)生概率的等級(jí)標(biāo)準(zhǔn)將沿用表3。以風(fēng)速儀為例,通過(guò)分析得到,風(fēng)速儀主要的故障模式有兩種:完全失效和指示結(jié)果不準(zhǔn)確,在分別對(duì)該兩種模式進(jìn)行故障描述和后果分析后,根據(jù)等級(jí)標(biāo)準(zhǔn),對(duì)故障的嚴(yán)重度、發(fā)生概率和難檢測(cè)度進(jìn)行估計(jì),通過(guò)RPNz=(S×R)×O×D(其中:z為故障模式的序號(hào))計(jì)算得到各自危險(xiǎn)優(yōu)先數(shù)。假設(shè)塔吊系統(tǒng)的危險(xiǎn)可接受水平為20,RPN1<20,說(shuō)明其在嚴(yán)格遵循操作流程和安全規(guī)章后,危險(xiǎn)可以被有效控制,處于可接受的水平。RPN2>20,說(shuō)明其綜合危險(xiǎn)性較高,需要通過(guò)增加改善預(yù)防措施,比如安裝備用風(fēng)速儀,實(shí)現(xiàn)兩者信號(hào)的比較,降低難檢測(cè)度,從而將危險(xiǎn)下降至可接受水平。

表1　預(yù)先風(fēng)險(xiǎn)分析危險(xiǎn)點(diǎn)匯總

表2　危險(xiǎn)性等級(jí)標(biāo)準(zhǔn)

表3　發(fā)生概率等級(jí)標(biāo)準(zhǔn)

表4 失效模式與效應(yīng)分析匯總表

表5　嚴(yán)重度等級(jí)標(biāo)準(zhǔn)

表6　難檢測(cè)度等級(jí)標(biāo)準(zhǔn)

3.5形成風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估報(bào)告并固化改進(jìn)結(jié)果

根據(jù)PHA和FMEA兩種分析形成的表格,可以實(shí)現(xiàn)對(duì)塔吊風(fēng)險(xiǎn)系統(tǒng)的關(guān)鍵危險(xiǎn)點(diǎn)發(fā)掘和相關(guān)工程特性模塊失效模式的分析。對(duì)于非關(guān)鍵危險(xiǎn)點(diǎn),通過(guò)提出預(yù)防和改善措施,將危害值下降至更低的水平。對(duì)于關(guān)鍵危險(xiǎn)點(diǎn),將其轉(zhuǎn)化為安全需求,并著重進(jìn)行相關(guān)工程特性的失效模式研究,盡可能通過(guò)技術(shù)手段確保系統(tǒng)的可靠性,從而提高其安全性。在風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估報(bào)告中,將總體介紹該企業(yè)系統(tǒng)的活動(dòng)背景以及各階段的危險(xiǎn)點(diǎn),并對(duì)關(guān)鍵危險(xiǎn)點(diǎn)和相關(guān)失效模塊著重提示,提出行之有效的技術(shù)改善措施和切合實(shí)際的安全操作規(guī)范,固化改進(jìn)結(jié)果,從而保證系統(tǒng)安全水平達(dá)到目標(biāo)要求。

4　結(jié)語(yǔ)

在企業(yè)活動(dòng)中,系統(tǒng)的安全既需要完善的安全操作規(guī)范,又需要一套可靠性高的生產(chǎn)系統(tǒng)。不同的安全評(píng)價(jià)方法分別從不同角度分析和改善系統(tǒng)的風(fēng)險(xiǎn)。研究建立了安全價(jià)值要素傳遞模型,從基礎(chǔ)的風(fēng)險(xiǎn)分析方法入手,結(jié)合企業(yè)活動(dòng)的特殊性,從系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)分析,到預(yù)先風(fēng)險(xiǎn)分析,最后完成系統(tǒng)工程特性的失效模式和效應(yīng)分析,提出了一套完善的企業(yè)系統(tǒng)安全評(píng)價(jià)方法。有針對(duì)性地提出了安全操作規(guī)范,改善系統(tǒng)可靠性,將安全性提高到可接受水平。在進(jìn)行安全性分析評(píng)價(jià)的過(guò)程中,預(yù)防和改進(jìn)措施可能不會(huì)一次成功,需要不斷改進(jìn)、不斷檢驗(yàn)。安全性工作也是理論和實(shí)踐的高度結(jié)合,需要持續(xù)改善。

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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，碩士研究生，研究方向?yàn)楣I(yè)風(fēng)險(xiǎn).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,賈湖.基于PHA與FMEA的企業(yè)安全評(píng)價(jià)方法的應(yīng)用研究[J].甘肅科學(xué)學(xué)報(bào),2016,28(4):136-140.]