[论文解读] Average probability of a dangerous failure on demand: Different modelling methods, similar results

Florent Brissaud, Fernando Luíz|arXiv (Cornell University)|Jan 20, 2015

Risk and Safety Analysis被引用 4

一句话总结

本文评估了四种不同的建模方法——故障树分析、多阶段马尔可夫模型、随机佩特里网和近似解析方程——在安全关键系统中计算危险失效平均概率（PFDavg）的性能。通过一个统一的案例研究，结果表明，当在IEC 61508标准要求下应用时，所有方法得出的PFDavg结果高度一致，说明方法选择应基于建模工作量和系统特性等实际考量，而非方法论上的教条主义。

ABSTRACT

According to the IEC 61508 functional safety standard, it is required to estimate the achieved safety integrity of the system due to random hardware failures. For a safety function operating in a low demand mode, this measure is the average probability of a dangerous failure on demand (PFDavg). In the present paper, four techniques have been applied to various configurations of a case study: fault tree analyses supported by GRIF/Tree, multi-phase Markov models supported by GRIF/Markov, stochastic Petri nets with predicates supported by GRIF/Petri, and approximate equations (developed by DNV and different from those given in IEC 61508) supported by OrbitSIL. It is shown that all these methods yield very similar results for PFDavg, taking the characteristics required by the standard into account. The choice of a method should therefore not be determined by dogmatic assumptions, but should result of a balance between modelling effort and objectives, given the system properties. For this task, a discussion about pros and cons of each method is proposed.

研究动机与目标

• 评估不同建模技术在安全关键系统中对PFDavg估计的一致性。
• 评估在IEC 61508标准下，针对低需求模式安全功能，不同建模方法是否产生可比结果。
• 对每种方法的优缺点进行对比分析，以指导基于系统特性与项目目标的方法选择。
• 验证只要标准被正确遵循，方法论差异不会显著影响PFDavg结果。

提出的方法

• 使用GRIF/Tree工具进行故障树分析，以建模系统失效情景。
• 通过GRIF/Markov工具实现多阶段马尔可夫模型，以捕捉随时间变化的失效行为。
• 使用GRIF/Petri工具结合谓词的随机佩特里网，以建模复杂的状态转换。
• 利用OrbitSIL工具应用近似解析方程（由DNV开发，不同于IEC 61508中的方程）进行快速PFDavg估算。
• 所有方法均应用于相同的案例研究配置，以确保一致比较。
• 结果根据IEC 61508标准中关于安全完整性等级（SIL）确定的要求进行评估。

实验结果

研究问题

• RQ1 当应用于同一安全系统配置时，不同建模方法是否会显著影响PFDavg值？
• RQ2 在PFDavg估算的准确性与工作量方面，故障树分析、马尔可夫模型、随机佩特里网和近似方程之间有何比较？
• RQ3 在标准化的IEC 61508准则下，方法论差异在多大程度上影响最终的PFDavg结果？
• RQ4 近似解析方程能否提供与马尔可夫或佩特里网等复杂模型相当的结果？
• RQ5 在实际应用中，应基于哪些因素选择PFDavg计算的建模方法？

主要发现

• 所有四种建模方法——故障树分析、多阶段马尔可夫模型、随机佩特里网和近似方程——在相同系统配置下产生了非常相似的PFDavg结果。
• 在IEC 61508标准中用于安全完整性等级分配的所需精度阈值范围内，不同方法之间的PFDavg差异可忽略不计。
• 只要系统按照标准要求一致建模，建模方法的选择不会显著影响最终的PFDavg结果。
• 每种方法在建模工作量、清晰度和可扩展性方面具有独特优势，但在测试条件下，没有一种方法在准确性上持续优于其他方法。
• 本研究支持在近似方程足够准确且需最小化建模工作量时，使用更简单或更快的方法。
• 结果验证了方法选择应基于工作量、系统复杂度和项目目标之间的实际权衡，而非方法论偏好。