考慮共因失效的列控系統(tǒng)定量安全分析研究

羅繼光

（湖南中車時代通信信號有限公司，湖南 長沙 410005）

0 引言

隨著高速鐵路的快速發(fā)展，列車運行控制系統(tǒng)（簡稱“列控系統(tǒng)”）的安全性直接影響行車安全［1］。安全計算機平臺被廣泛應(yīng)用于列控系統(tǒng)中，列控系統(tǒng)為了達到規(guī)定的安全等級，其安全計算機平臺通常采用多通道冗余設(shè)計，通過對多個相同或相似的并行通道或功能模塊的輸出結(jié)果進行表決來實現(xiàn)功能安全。各通道的相似性使其較易由于共同原因而引發(fā)多個通道或功能模塊的失效。因此，在設(shè)計列控系統(tǒng)時，除了應(yīng)該采取設(shè)置多樣性及其他方式來防止共因失效外，還應(yīng)在系統(tǒng)危險側(cè)失效率的計算中充分考慮共因失效分數(shù)。

現(xiàn)有列控系統(tǒng)共因失效研究通常借鑒核電和航空領(lǐng)域共因失效分析的經(jīng)驗，采用擴展的故障樹法、馬爾科夫鏈和多參數(shù)模型等方法對系統(tǒng)進行共因失效定量分析。上述計算模型的分析過程過于復(fù)雜，在系統(tǒng)設(shè)計和開發(fā)過程中不易識別共因失效及評估其所引發(fā)的危害程度［2］；同時，這些計算模型更多依賴專家經(jīng)驗或者半經(jīng)驗公式，沒有達成統(tǒng)一認可的參數(shù)確認方式；另外，列控系統(tǒng)由于缺少對共因失效歷史數(shù)據(jù)庫的積累和完善，導(dǎo)致計算結(jié)果因沒有相關(guān)數(shù)據(jù)支撐而存在較大誤差。為此，本文通過建立基于β因子的共因失效分析模型，選取計算機聯(lián)鎖系統(tǒng)，對其進行共因失效篩選和識別，發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)設(shè)計過程中的薄弱環(huán)節(jié)；同時，結(jié)合β因子對系統(tǒng)共因失效進行定量安全分析，并針對薄弱環(huán)節(jié)提出相應(yīng)的安全防御措施，進一步改善系統(tǒng)的安全設(shè)計。

1 基礎(chǔ)理論

1.1 共因失效

由同一種原因而導(dǎo)致的一個以上相同的部件、模塊、單元或者系統(tǒng)發(fā)生的失效被稱為共因失效［3］。

1.1.1 共因失效原因

共因失效產(chǎn)生的原因既可能由于設(shè)計錯誤、制造錯誤這樣的內(nèi)在原因，也可能來源于操作錯誤、維護錯誤以及外部環(huán)境這樣的外在原因。其中，操作錯誤指的是系統(tǒng)運行期間錯誤的強置型指令或者停止指令等；維護錯誤指的是安裝錯誤、維修程序錯誤或者升級錯誤等；外部環(huán)境指的是振動沖擊、火災(zāi)/煙霧、腐蝕性氣體、鹽霧和潮濕等環(huán)境［4］。

1.1.2 共因失效防御措施

避免共因失效發(fā)生可以從以下3個角度對系統(tǒng)設(shè)計提出防御措施［5］：

1）冗余單元的物理隔離。將冗余單元安裝在不同的機箱內(nèi)，保證其在物理和電氣上是相互隔離的，從而增加對共因失效的抵抗能力。

2）提升硬件和軟件設(shè)計的多樣性。例如，在軟件設(shè)計中采用異步操作模式以減小共因失效出現(xiàn)的可能性；采用不同廠商生產(chǎn)的電子元器件以提升硬件設(shè)計的多樣性。

3）強化設(shè)計，以提高強度。例如，增強系統(tǒng)各模塊對環(huán)境的抗干擾能力并進行抗干擾性測試；在系統(tǒng)開發(fā)過程中采用嚴格的質(zhì)量管理和安全管理流程，從而減少系統(tǒng)性失效和隨機性失效。

1.2 β因子

1.2.1β因子模型

β因子是導(dǎo)致共因失效發(fā)生的因子。根據(jù)IEC 61508-6Functionalsafetyofelectrical/electronic/programmableelectronicsafety-relatedsystems-part6：guidelinesontheapplicationofIEC61508-2andIEC61508-3附錄D.4的描述［6］，對于執(zhí)行診斷測試的安全架構(gòu)，由共因失效引起的總失效率為“λDUβ+λDDβD”。其中，λDU為每個通道不可檢測的危險失效率；λDD為每個通道可檢測的危險失效率；β為不可檢測的危險失效的共因失效因子；βD為可檢測的危險失效的共因失效因子。

1.2.2β因子估算方法

IEC 61508-6 標準附錄中提供了β因子估算方法，標準對8個影響共因失效的因素（分離/隔開、多樣性與冗余、復(fù)雜性/設(shè)計/應(yīng)用/老化/經(jīng)驗、評估/分析及數(shù)據(jù)反饋、規(guī)程/人工接口、能力/培養(yǎng)/安全素養(yǎng)、環(huán)境的控制和環(huán)境測試）進行了劃分說明［6］。為了最大限度地減小共因失效發(fā)生的概率，首先要結(jié)合這8 個因素對系統(tǒng)建立有效的防御措施（在系統(tǒng)中采用適當?shù)陌踩烙胧軌驕p少在估算因為共因失效而引發(fā)系統(tǒng)失效時使用的β因子的數(shù)值）［7］；其次，對照這8個因素涉及的問題，評估系統(tǒng)是否采用了有效的安全防御措施，從而對每個問題進行打分；最后，計算所有問題的總分，并基于總分，得到β因子的數(shù)值。β和βD的估算方法在IEC 61508-6 附錄D.4 中有具體說明。估算方法中，參數(shù)S=X+Y；參數(shù)SD=X（Z+1）+Y。其中，X為所采用的措施對提高診斷測試有效性的貢獻值；Y為所采用的措施對降低共因失效的貢獻值；Z為綜合診斷覆蓋率和診斷測試間隔得出的結(jié)果。X和Y數(shù)值的確定，需要結(jié)合IEC61508-6 標準附錄D.5，對邏輯子系統(tǒng)與傳感器和最終元件中是否采用了安全防御措施進行分析評估，即對照檢查項，對系統(tǒng)的符合情況逐項進行打分，分值相加可分別得到X和Y的數(shù)值。每種措施的X∶Y比值，表示了診斷測試能夠提高該措施對抗共因失效的作用程度［8］。Z值在IEC61508-6 的表D.2 和表D.3中進行了說明。表D.2 為邏輯子系統(tǒng)中Z值的確定方法；表D.3為傳感器和最終元件中Z值的確定方法。

2 共因失效分析模型

根據(jù)系統(tǒng)安全理論，本文提出基于β因子模型的共因失效分析模型，結(jié)合β因子和獨立性分析方法對系統(tǒng)可能的共因失效情況進行分析評估，從而保證分析的系統(tǒng)性以及確認共因失效的閉環(huán)控制［9］。共因失效分析模型如圖1所示。

圖1 共因失效分析模型Fig.1 Analysis model of common cause failure

共因失效分析步驟如下：

1）明確系統(tǒng)定義。確定共因失效分析范圍，包括明確系統(tǒng)邊界及接口。

2）建立系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計模型?；谙到y(tǒng)設(shè)計定義，確定系統(tǒng)所采用的架構(gòu)設(shè)計模型。

3）初步篩選分析。利用IEC 61508-6 標準附錄中涉及的8個影響共因失效因素的檢查表對系統(tǒng)進行評審，識別分析系統(tǒng)的共因失效弱點。對照這8個因素涉及的問題，評估系統(tǒng)是否采用了有效的安全防御措施。

4）分析和控制共因失效。針對關(guān)鍵的共因失效進行定性和定量分析，確定共因失效發(fā)生的根本原因，消除或控制共因失效［10］。

5）關(guān)閉共因失效。通過定性分析和定量分析，確定所有的共因失效已經(jīng)被降低到可以接受的范圍，系統(tǒng)達到規(guī)定的安全目標。

3 實例分析

3.1 系統(tǒng)架構(gòu)

計算機聯(lián)鎖系統(tǒng)是列車運行控制系統(tǒng)的重要組成部分，本文選擇計算機聯(lián)鎖系統(tǒng)作為研究對象。圖2為計算機聯(lián)鎖系統(tǒng)中常見的2取2系統(tǒng)安全架構(gòu)。其中，計算機聯(lián)鎖系統(tǒng)中的主機插件、安全數(shù)字量輸入插件、安全數(shù)字量輸出插件均采用此架構(gòu)設(shè)計模型，在2取2（2oo2）架構(gòu)設(shè)計中CPU_A通道和CPU_B通道采用相同的硬件和軟件進行邏輯運算，各通道在進行自檢的同時不斷地將控制計算結(jié)果進行交互比較。最終通過通信總線將輸出命令發(fā)送至輸出模塊，由輸出模塊執(zhí)行輸出。

圖2 計算機聯(lián)鎖系統(tǒng)2 取2 架構(gòu)Fig.2 Architecture of 2-vote-2 in the computer interlocking system

在IEC 61508中，安全計算機包括輸入、邏輯計算和輸出3 個子系統(tǒng)，安全計算機的平均危險側(cè)失效率等于各個子系統(tǒng)的平均危險側(cè)失效率之和，即

式中：PSYS——整個安全計算機的平均危險側(cè)失效率；PS——輸入子系統(tǒng)（傳感器）的平均危險側(cè)失效率；PFE——輸出子系統(tǒng)（最終元件）的平均危險側(cè)失效率；PL——邏輯計算子系統(tǒng)的平均危險側(cè)失效率。

計算機聯(lián)鎖系統(tǒng)中的采集部分、邏輯部分和驅(qū)動部分分別對應(yīng)安全計算機中的輸入子系統(tǒng)（傳感器）、邏輯計算子系統(tǒng)和輸出子系統(tǒng)（最終元件）。安全計算機冗余結(jié)構(gòu)通常采用圖3所示的2乘2取2架構(gòu)。

圖3 2 乘2 取2 架構(gòu)Fig.3 Architecture of double 2-vote-2

3.2 共因失效分析

明確計算機聯(lián)鎖系統(tǒng)的系統(tǒng)定義和系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計后，結(jié)合IEC 61508-6標準附錄中8個影響共因失效因素的檢查表，對系統(tǒng)設(shè)計進行對照評審，根據(jù)其邏輯計算和輸入/輸出3個子系統(tǒng)的設(shè)計要求，審視系統(tǒng)依據(jù)檢查表中的每一項是如何進行安全設(shè)計的，從而對每個檢查項點進行打分。表1是結(jié)合IEC 61508-6附錄中的“分離/隔開”因素，對計算機聯(lián)鎖系統(tǒng)在實際設(shè)計中采用的安全防御措施進行評估和打分的結(jié)果。表1 的“計算機聯(lián)鎖中采用的安全防御措施”一欄中，列出了在系統(tǒng)實際設(shè)計中所采用的控制共因失效的安全防御措施。

表1 分離/隔開分析Table 1 Separation analysis

在完成共因失效篩選和識別后，分析各個潛在的共因故障，評估這些共因失效是否滿足獨立性要求。系統(tǒng)總的危險側(cè)失效率包含由共因故障引起的失效以及獨立失效。

IEC 61508-6 標準中定義了不同冗余架構(gòu)的平均危險側(cè)失效率計算方法。在計算機聯(lián)鎖系統(tǒng)中，2 取2（2oo2）的平均危險側(cè)失效率P2oo2計算公式為

式（2）中，λDU=λD（1-FDC）。其中，F(xiàn)DC為診斷覆蓋率，λD為單通道危險側(cè)失效率。

計算平均危險側(cè)失效率時，首先計算每個2oo2架構(gòu)的危險側(cè)失效率，然后以該失效率作為1oo2 架構(gòu)每個通道的危險側(cè)失效率，從而計算得到2 乘2 取2 架構(gòu)的平均危險側(cè)失效率。IEC 61508-6 中定義的1oo2 的平均危險側(cè)失效率P1oo2計算公式為

經(jīng)過對計算機聯(lián)鎖系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計中所采用的安全防御措施進行分析和比對，得出計算機聯(lián)鎖系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計中涉及的邏輯子系統(tǒng)X值為50、Y值為46，傳感器和最終元件的X值為42、Y值為46。在計算機聯(lián)鎖系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計中，各個子系統(tǒng)的X、Y和Z的計算結(jié)果如表2所示。

表2 各子系統(tǒng)X、Y 和Z 值Table 2 X，Y，and Z values of each subsystem

根據(jù)表2所示，邏輯子系統(tǒng)中X值為50、Y值為46、Z為2.0，可計算得到參數(shù)S=96、參數(shù)SD=196；傳感器和最終元件中X值為42、Y值為46、Z為2.0，可計算得到參數(shù)S=88、參數(shù)SD=172。

表3為IEC 61508-6標準中定義的S與β及SD與βD的對應(yīng)關(guān)系。根據(jù)表3所示，可得計算機聯(lián)鎖系統(tǒng)中邏輯子系統(tǒng)β的值為1%、βD的值為0.5%；傳感器和最終元件的β的值為2%、βD的值為1%。

表3 β、βD 的取值Table 3 β or βD values

計算機聯(lián)鎖系統(tǒng)對單一故障、多故障和動態(tài)故障的診斷覆蓋率大于99%，計算機聯(lián)鎖系統(tǒng)中單通道都有自檢電路，能保證系統(tǒng)危險故障發(fā)生時單通道能自動導(dǎo)向安全。進行共因失效分析時，由于可以檢測到的危險失效概率對系統(tǒng)安全不會造成影響，可以忽視不計。

根據(jù)既有計算機聯(lián)鎖系統(tǒng)的可靠性數(shù)據(jù)，通過對計算機聯(lián)鎖系統(tǒng)中采用2 乘2 取2 安全架構(gòu)進行共因失效計算，采用β因子模型，計算得到共因失效分數(shù)β和βD，然后帶入式（1）～式（3）中，可以分別得到由獨立失效（獨立故障原因）和共因失效（共因故障原因）導(dǎo)致的危險側(cè)失效率。計算結(jié)果如表4所示。

表4 基于β 因子的計算結(jié)果Table 4 Calculation results based on β factors

定量計算結(jié)果表明，共因失效導(dǎo)致的危險側(cè)失效率接近總的平均危險側(cè)失效率的計算結(jié)果，這說明β和βD是決定平均危險側(cè)失效率計算結(jié)果的重要參數(shù)?？紤]并采用8 個影響共因失效因素的防御措施，能夠優(yōu)化系統(tǒng)安全設(shè)計，并滿足系統(tǒng)獨立性設(shè)計要求。

4 結(jié)束語

本文根據(jù)系統(tǒng)安全理論，建立一種基于β因子的共因失效分析模型，利用共因失效檢查表對系統(tǒng)進行初步篩選分析，識別分析系統(tǒng)設(shè)計過程中的薄弱環(huán)節(jié)，并提出安全防御措施；同時結(jié)合β因子對共因失效進行定量安全分析計算，判定系統(tǒng)危險失效率是否在可接受的范圍并達到規(guī)定的安全目標，從而進一步改善系統(tǒng)的安全設(shè)計。

通過分析共因失效的原因和耦合機制，能夠?qū)ο到y(tǒng)設(shè)計過程進行審視，發(fā)現(xiàn)設(shè)計中的薄弱環(huán)節(jié)并制定相應(yīng)的安全防御措施，從而進一步提升系統(tǒng)的安全性。相比多參數(shù)模型，β因子模型具有表達直觀、易于維護和可操作性強的優(yōu)勢。由定量計算結(jié)果可知，β因子越小，共因失效影響越小。因此，為了有效控制共因失效，在系統(tǒng)設(shè)計階段，需要盡量滿足IEC 61508-6附錄提出的相關(guān)安全防御措施要求。下一步將綜合考慮共因失效、故障檢測率和維修率對系統(tǒng)可靠性和安全性的影響。