CN108373088A - 电梯功能安全评估方法 - Google Patents

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樊卫华
龚勋
王天野
宋恺
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Abstract

本发明提出一种电梯功能安全评估方法。确定电梯的最低安全完整性等级以及电梯硬件失效率范围；根据硬件失效率判断电梯硬件功能安全水平是否符合所述最低安全完整性等级，如果不符合，则对硬件失效率高的电子元器件进行优化，直至硬件功能安全水平符合所述最低安全完整性等级；使用电梯体系完整性水平评估模型，根据各一级指标的评分获得电梯体系完整性水平；判断电梯体系完整性水平是否符合最低安全完整性等级，若不符合则，对评分低的指标所对应的事项进行优化，直到电梯体系完整性水平符合最低安全完整性等级。本发明可以直观、综合、定量地确定电梯功能安全性能，并根据实测电梯功能安全指标给出电梯运行控制策略的优化建议。

Description

电梯功能安全评估方法
技术领域
本发明涉及电梯控制技术领域，具体涉及一种电梯功能安全评估方法。
背景技术
功能安全技术在发达国家的生产领域已经十分普及。欧美已经涌现出一批第三方安全评估公司，例如德国的TUV、美国的Exida等。通过这些第三方评估机构，生产厂商可以对自己的产品及产品生产线进行严格的评估认证，这样确保了产品功能安全技术的规范性从而也提升了产品的可靠性和性能。第三方机构也在提供服务的同时不断发现功能安全技术的缺陷并对其加以改进，从而推动了功能安全技术的发展。至此功能安全的发展进入了良性循环。相对于国外在功能安全技术领域不断开花结果，我国在该领域则没有大的进步。由于我国对安全问题的重视不足，对于安全相关标准的制定总是滞后于发达国家。自IEC61508发布后6年我国才制定了等同于IEC61508的标准GB/T20438。然而在各个领域内的专用标准，我国却迟迟未能跟进。
随着电梯在城市生活中的逐渐普及和生活水平的提高，人们对电梯运行安全的要求也随之提高。因此充分揭示电梯功能安全水平与其相关参数指标的直接联系，建立可靠的电梯功能安全评估系统，可以给我国电梯功能安全研究带来新的活力，对于提高和改善电梯功能安全评估方法的研究也具有重大意义。
由于电梯具有使用周期长、使用频率高等特点，对电梯安全进行准确的评估就显得尤为重要。功能安全水平即安全完整性水平是指系统安全功能被有效执行的能力。相比于其他安全评估方法，功能安全评估兼顾电梯的软件与硬件两个方面，所以更加全面；相比于传统的定性评估结果，功能安全评估可以给出定量的结果，使得评估更加直观，也便于后期有针对地给出整改意见。
发明内容
本发明的目的在于提供一种直观、综合、定量的电梯功能安全评估方法，并根据实测电梯功能安全指标给出电梯运行控制策略的优化建议。
为了解决上述技术问题，本发明提供一种电梯功能安全评估方法，步骤如下：
步骤一，确定电梯的最低安全完整性等级，根据所述最低安全完整性等级和IEC61508标准确定电梯硬件失效率范围；
步骤二，计算电梯硬件失效率，根据硬件失效率是否在步骤一确定的失效率范围内，判断电梯硬件功能安全水平是否符合所述最低安全完整性等级，如果符合，则继续步骤三，如果不符合，则对硬件失效率高的电子元器件进行优化，直至硬件功能安全水平符合所述最低安全完整性等级；
步骤三，使用电梯体系完整性水平评估模型，根据各一级指标的评分获得电梯体系完整性水平；其中，所述电梯体系完整性水平评估指标体系包括八个一级指标，分别为：设计指标、制造指标、安装指标、维护保养指标、维修改造指标、使用指标、管理指标和检验指标；所述电梯体系完整性水平评估模型为神经网络，神经网络的输入层的输入数据为电梯体系完整性水平评估指标体系中的八个一级指标的评分，输出为电梯体系完整性水平；判断电梯体系完整性水平是否符合步骤一确定的最低安全完整性等级，若不符合则，对评分低的指标所对应的事项进行优化，直到电梯体系完整性水平符合步骤一确定的最低安全完整性等级。
进一步，根据电梯中各电子元器件的工作电压、工作电流和工作环境，使用FMEDA硬件失效率算法计算获得各电子元器件的硬件失效率；根据各电子元器件的硬件失效率获得电梯整体的硬件失效率。
进一步，将电梯分为传感器子系统、逻辑子系统以及最终组件子系统等三个子系统，现分别计算每个子系统的硬件失效率，然后根据每个子系统的硬件失效率计算获得电梯整体的硬件失效率。
进一步，所述神经网络可以为Hopfield神经网络、BP神经网络或者模糊神经网络中的一种。
本发明与现有技术相比，其显著优点在于：
(1)通过对不同电梯的使用环境、使用频率和要求等方面的需求制定不同的评估目标，使得电梯功能安全维护的目的更加明确；
(2)同时兼顾体系与硬件两个方面进行功能安全评估，能够更加全面准确地得到电梯的功能安全现状；
(3)能够根据FMEDA硬件失效算法将电梯功能安全水平定量化运算，与传统的定性评估相比更加直观和准确；
(4)提出基于多目标优化技术的电梯控制优化策略，能够让待测电梯有效优化功能安全指标，最终达到相关标准。
(5)能够定量得出系统的功能安全水平，所以能够更加直观地判断出需要改进的指标，此外由于该方法考虑了体系功能安全与电子元器件的状态，所以也更加综合全面。
附图说明
图1是本发明电梯功能安全评估方法示意图。
图2是本发明中电梯硬件功能安全评估示意图。
图3是本发明中电梯体系功能安全评估示意图
图4是电梯最低安全完整性等级目标确定标准示意图。
图5是电梯冗余结构示意图。
图6是逻辑子系统电路图。
具体实施方式
容易理解，依据本发明的技术方案，在不变更本发明的实质精神的情况下，本领域的一般技术人员可以想象出本发明电梯功能安全评估方法的多种实施方式。因此，以下具体实施方式和附图仅是对本发明的技术方案的示例性说明，而不应当视为本发明的全部或者视为对本发明技术方案的限制或限定。
结合图1，电梯功能安全评估方法包括如下步骤：
步骤1，根据电梯功能、使用环境和频率等因素确定其需要达到的最低安全完整性等级(SIL)；将最低安全完整性等级(SIL)作为评估目标并根据IEC61508标准确定失效率范围。如果电梯的失效率在此范围以内，则合格，超出则不合格。
步骤2，进行硬件功能安全评估。
收集厂家提供的各电梯参数指标，并测量电梯中各电子元器件的工作电压、工作电流和工作环境等参数，使用FMEDA硬件失效率算法计算各电子元器件的硬件失效率。经过基于浴盆曲线的补偿算法运算后再结合相关机械结构评测结果判断是否符合步骤1中的最低安全完整性等级的要求。若符合则进入步骤3，不符合则针对失效率高的电子元器件给出优化方法，不断优化直至硬件功能安全等级符合最低安全完整性等级。
步骤3，进行体系功能安全评估。
按照电梯体系完整性水平评估指标体系中的各项指标进行检测，获得各指标的评分；使用电梯体系完整性水平评估模型，根据各一级指标的评分获得电梯体系完整性水平；其中，所述电梯体系完整性水平评估指标体系包括八个一级指标，分别为：设计指标、制造指标、安装指标、维护保养指标、维修改造指标、使用指标、管理指标和检验指标；
所述电梯体系完整性水平评估模型为神经网络，神经网络的输入层的输入数据为电梯体系完整性水平评估指标体系中的八个一级指标的评分，输出为电梯体系完整性水平。
判断电梯体系完整性水平是否符合步骤1确定的最低安全完整性等级，若不符合则对评分低的指标所对应的事项进行优化，直到电梯体系完整性水平符合安全标准。
上述神经网络可以为Hopfield神经网络、BP神经网络或者模糊神经网络。
上述指标体系中的各项指标需要测评人员或者相关专家根据相关数据和材料给出相应的评分。检测人员对电梯的设计指标、制造指标、安装指标、维护保养指标、维修改造指标、使用指标、管理指标和检验指标八项指标进行检查，并对各项指标进行评分。一般来说，检测人员直接检测三级指标，并根据三级指标的评分得出一级指标的评分，如果没有三级指标，则直接对二级指标进行评分，从而获得一级指标的评分。
实施例：
待测电梯介绍：本次评估选取南京市某办公大楼的民用电梯作为案例，记为A梯。该电梯安装于2009年12月，9层9站，速度1.5m/s，载重1500kg。
步骤1，电梯制动系统的后果程度C为级CC，在危险区域中的频率和暴露的时间F为FA级，避开危险的时间P为PB级，根据图4确定，在左边方框的输出为X4，再结合不期望事件的发生概率W为W2级。可以判定该电梯系统所需要达到的最低安全完整性等级(SIL)为SIL2级。
步骤2，使用FMEDA硬件失效率算法计电梯的算硬件失效率。
A梯在进行安全评估之前发生过一次制动器故障事件，在进行本次安全功能评估时电梯可以正常工作。电梯6个月检修一次，平均恢复时间为8小时。
如图5所示，本发明从硬件角度将电梯分为传感器子系统、逻辑子系统以及最终组件子系统等三个子系统，每个子系统均包含相应的电子元器件。
(1)传感器子系统算硬失效率计算
如表1所示，传感器子系统包括重量传感器和旋转编码器，
表1传感器子系统硬件失效数据
根据重量传感器和旋转编码器硬失效率时，根据电梯厂家提供的基础失效率和诊断覆盖率，以及电梯的冗余结构通过查询相关国家标准获得重量传感器和旋转编码器硬失效率。根据标准GJB 299C-2006查表可知，6个月检修平均恢复时间为8小时条件下，重量传感器平均失效率为5E-8，旋转编码器平均失效率为2.5E-8。所以传感器子系统的硬件失效概率为：
PFDs＝5E-8+2.5E-8＝7.5E-8
(2)逻辑控制子系统算硬失效率计算
逻辑子系统的电路如图6所示。逻辑子系统中各电子元器件的硬件失效率是通过厂家提供的基础失效率和现场测试的工作温度、工作电压和工作电流等信息通过标准GJB299C-2006中提供的公式计算得出。
对于单一电子元器件，其硬件失效率计算方法为：λP＝λbπEπQπKπC。其中，λb为基本失效率，πE为环境系数，πQ为质量系数，πK为种类系数，πC为结构系数。
表2逻辑控制子系统检测记录
逻辑控制子系统中各电子元器件如表2所示，将上表的最后一列各电子元器件的失效概率相加可以得出电梯系统的危险失效等级为2E-7。由电路冗余结构图可知该子系统冗余结构为1oo2。根据该电梯的基本信息可知此子系统的检验测试时间间隔为6个月。在此基础之上，β＝10％，βD＝5％且诊断覆盖率为0％。根据以上数据查表计算可得其平均失效率为1E-8。
根据厂家提供的PLC系统的基础失效概率为2.4E-5。由电路冗余结构图可知该子系统冗余结构为1oo1。根据该电梯的基本信息可知此子系统的检验测试时间间隔为6个月。由于其失效模式都是危险失效且诊断覆盖率为99％，所以计算可得其平均失效概率为1.4E-7。
综上所述，逻辑控制子系统总平均失效概率为：
PFDL＝1.4E-7+1E-8＝15E-8
(3)最终组件子系统算硬失效率计算
首先针对电梯的制动器系统进行评估。需要测定4个指标分别为制动器弹簧状态、磨损情况、制动轮与闸瓦衬垫状态和紧急制停距离。
其中前三个指标均合格，对于紧急制停距离指标运算过程与结果如下：
经过现场工作人员测量该电梯紧急制停所需距离分别为0.43米(上行)与0.94米(下行)，经过测量电梯门高度为2.2米，故而预留的安全距离为1.77(上行)和1.26米，均大于标准规定的人不会被剪切的最小高度0.6米。故而该指标符合安全标准。
下面依照最终组件子系统的冗余结构计算其失效率，检测数据如下表：
表3逻辑控制子系统检测记录
根据标准中查表可知，6个月检修平均恢复时间为8小时条件下，制动器弹簧平均失效率为2.5E-7，制动器平均失效率为2.5E-7，闸瓦平均失效率为5E-9，制动器线圈平均失效率为1E-7，制动器电阻平均失效率为2E-8，制动器电容平均失效率为2E-8。所以传感器子系统的失效概率为
PFDPE＝2.5E-7+2.5E-7+5E-9+1E-7+2E-8+2E-8＝645E-9
综上所述电梯最终的硬件失效率为:
PFDSYS＝PFDS+PFDLPFDPE＝7.5E-8+15E-8+645E-9＝8.7E-7
根据上面的年限补偿，该电梯运行8年无需进行补偿，所以最终失效率为8.7E-7。由于该电梯最终失效率≥10-7且＜10-6所以该电梯系统安全完整性等级评估结果为高操作要求下的SIL2，符合电梯安全标准，检验通过。
步骤3，进行体系功能安全评估。使用数据训练神经网络，然后将专家对于表4的评分结果输入神经网络中得出体系功能安全评估结果。
本发明根据相关电梯事故数据，归纳电梯事故发生的原因基本可以分为下面的三类：电梯自身元件或者机械结构失效导致电梯功能失效造成的风险；使用环节中老化导致的风险；人为破坏以及使用不当。除此之外，还需要从困人时间，伤害严重性和救援是否及时三个方面来判断后果的严重程度。最终根据电梯风险来源分析，确定出八个影响电梯体系完整性水平的一级指标，包括：设计指标、制造指标、安装指标、维护保养指标、维修改造指标、使用指标、管理指标和检验指标。为了能够让测评人员或专家对所有的因素做出全面的评价，需要继续对这8个一级指标进行了细分，将其分为多个二级和三级指标进行评分。本发明最终确定的评估指标体系包括8类一级指标，一级指标细分为若干二级指标，有的二级指标还可以细分为若干三级指标。具体如表4所示。
表4电梯体系完整性水平评价指标体系
上述指标可以从我国目前实施的相关标准中查询获得。
按照评估指标体系中的各项指标进行检测，获得各指标的评分。
上述指标体系中的各项指标需要测评人员或者相关专家根据相关数据和材料给出相应的评分。检测人员对电梯的设计指标、制造指标、安装指标、维护保养指标、维修改造指标、使用指标、管理指标和检验指标八项指标进行检查，并对各项指标进行评分。一般来说，检测人员直接检测三级指标，并根据三级指标的评分得出一级指标的评分，如果没有三级指标，则直接对二级指标进行评分，从而获得一级指标的评分。
使用建立的电梯体系完整性水平评估模型，根据各一级指标的评分获得电梯体系完整性水平。并可根据该完整性水平得出电梯体系安全完整性等级。
将前述获得的电梯体系完整性水平评价指标体系中各项指标的评分作为评估模型的输入，电梯体系完整性水平(即电梯体系完整性等级)作为评估模型的输出，构建神经网络。所述电梯体系完整性水平评估模型为一个多输入单输出的非线性系统，以电梯体系完整性水平指标体系中的各项指标评分作为输入，利用神经网络可以高精度逼近任意非线性函数的特性。所述电梯体系完整性水平评估模型需要利用广泛调研得到的数据来不断训练，以寻找最优的神经网络权重和连接组合。本发明对电梯体系完整性水平评估模型进行训练时，根据历史的各指标评分结果以及对应的SIL等级(安全完整性等级)，训练所建立的神经网络，寻找最优的神经网络权重和连接组合，确定电梯体系完整性水平与各指标之间的函数关系。

Claims (4)

1.电梯功能安全评估方法，步骤如下：
步骤一，确定电梯的最低安全完整性等级，根据所述最低安全完整性等级和IEC61508标准确定电梯硬件失效率范围；
步骤二，计算电梯硬件失效率，根据硬件失效率是否在步骤一确定的失效率范围内，判断电梯硬件功能安全水平是否符合所述最低安全完整性等级，如果符合，则继续步骤三，如果不符合，则对硬件失效率高的电子元器件进行优化，直至硬件功能安全水平符合所述最低安全完整性等级；
步骤三，使用电梯体系完整性水平评估模型，根据各一级指标的评分获得电梯体系完整性水平；其中，所述电梯体系完整性水平评估指标体系包括八个一级指标，分别为：设计指标、制造指标、安装指标、维护保养指标、维修改造指标、使用指标、管理指标和检验指标；所述电梯体系完整性水平评估模型为神经网络，神经网络的输入层的输入数据为电梯体系完整性水平评估指标体系中的八个一级指标的评分，输出为电梯体系完整性水平；判断电梯体系完整性水平是否符合步骤一确定的最低安全完整性等级，若不符合则，对评分低的指标所对应的事项进行优化，直到电梯体系完整性水平符合步骤一确定的最低安全完整性等级。
2.如权利要求1所述电梯功能安全评估方法，根据电梯中各电子元器件的工作电压、工作电流和工作环境，使用FMEDA硬件失效率算法计算获得各电子元器件的硬件失效率；根据各电子元器件的硬件失效率获得电梯整体的硬件失效率。
3.如权利要求2所述电梯功能安全评估方法，将电梯分为传感器子系统、逻辑子系统以及最终组件子系统等三个子系统，现分别计算每个子系统的硬件失效率，然后根据每个子系统的硬件失效率计算获得电梯整体的硬件失效率。
4.如权利要求1所述电梯功能安全评估方法，所述神经网络可以为Hopfield神经网络、BP神经网络或者模糊神经网络中的一种。
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