هندسة السلامة

هندسة السلامة هي فرع من فروع الهندسة يضمن أن توفر الأنظمة المصممة مستويات مقبولة من السلامة . وهي ترتبط ارتباطًا وثيقًا بالهندسة الصناعية / هندسة النظم ، وتحديدًا هندسة سلامة النظم . تضمن هندسة السلامة أن يعمل النظام الحيوي كما هو مطلوب، حتى في حالة تعطل مكوناته .

يمكن تقسيم أساليب التحليل إلى فئتين: الأساليب النوعية والأساليب الكمية . يشترك كلا النهجين في هدف إيجاد العلاقات السببية بين الخطر على مستوى النظام وأعطال المكونات الفردية. تركز الأساليب النوعية على السؤال: "ما الذي يجب أن يحدث خطأً حتى يحدث خطر على النظام؟"، بينما تهدف الأساليب الكمية إلى تقديم تقديرات حول احتمالات ومعدلات وشدة العواقب.

يؤدي تعقيد الأنظمة التقنية، مثل تحسينات التصميم والمواد، وعمليات التفتيش المخططة، والتصميم المحكم، وأنظمة النسخ الاحتياطي، إلى تقليل المخاطر وزيادة التكلفة. ويمكن خفض المخاطر إلى مستوى ALARA (أقل قدر ممكن عمليًا) أو ALAPA (أقل قدر ممكن عمليًا).

تقليديًا، تعتمد تقنيات تحليل السلامة كليًا على مهارة وخبرة مهندس السلامة. في العقد الأخير، برزت المناهج القائمة على النماذج ، مثل تحليل العمليات النظرية للأنظمة (STPA). وعلى عكس الطرق التقليدية، تسعى التقنيات القائمة على النماذج إلى استخلاص العلاقات بين الأسباب والنتائج من خلال نموذج ما للنظام.

الأساليب التقليدية لتحليل السلامة

أكثر تقنيات نمذجة الأعطال شيوعًا هما تحليل أنماط الفشل وتأثيراتها (FMEA) وتحليل شجرة الأعطال (FTA). هاتان التقنيتان هما مجرد طريقتين لاكتشاف المشكلات ووضع خطط للتعامل مع حالات الفشل، كما هو الحال في تقييم المخاطر الاحتمالية . من أوائل الدراسات الشاملة التي استخدمت هذه التقنية في محطة نووية تجارية دراسة WASH-1400 ، المعروفة أيضًا باسم دراسة سلامة المفاعل أو تقرير راسموسن.

تحليل أنماط الفشل وآثاره

تحليل أنماط الفشل وتأثيراتها (FMEA) هو أسلوب تحليلي استقرائي تصاعدي، يُمكن تطبيقه على مستوى الوظائف أو على مستوى المكونات. في تحليل أنماط الفشل وتأثيراتها الوظيفي، تُحدد أنماط الفشل لكل وظيفة في النظام أو الجهاز، عادةً باستخدام مخطط الكتلة الوظيفية . أما في تحليل أنماط الفشل وتأثيراتها على مستوى المكونات، فتُحدد أنماط الفشل لكل مكون (مثل الصمام، أو الموصل، أو المقاوم، أو الثنائي). ويتم وصف تأثيرات نمط الفشل، وتحديد احتمالية حدوثه بناءً على معدل الفشل ونسبة نمط الفشل للوظيفة أو المكون. يصعب تحديد هذه التأثيرات الكمية للبرمجيات، فوجود خلل برمجي من عدمه لا يُؤثر عليها، كما أن نماذج الفشل المستخدمة لمكونات الأجهزة لا تنطبق عليها. فدرجة الحرارة والعمر واختلافات التصنيع تُؤثر على المقاوم، بينما لا تُؤثر على البرمجيات.

يمكن دمج أنماط الفشل ذات التأثيرات المتطابقة وتلخيصها في ملخص تأثيرات نمط الفشل. وعند دمجها مع تحليل الأهمية الحرجة، تُعرف هذه الطريقة بتحليل أنماط الفشل وتأثيراتها وأهمية المخاطر (FMECA).

تحليل شجرة الأعطال

تحليل شجرة الأعطال (FTA) هو أسلوب تحليلي استنتاجي من أعلى إلى أسفل . في هذا الأسلوب، تُتتبع الأحداث الأولية، مثل أعطال المكونات والأخطاء البشرية والأحداث الخارجية، عبر بوابات منطقية ثنائية، وصولاً إلى حدث نهائي غير مرغوب فيه، مثل تحطم طائرة أو انصهار قلب مفاعل نووي. والهدف من ذلك هو تحديد سبل تقليل احتمالية وقوع هذه الأحداث النهائية، والتحقق من تحقيق أهداف السلامة.

تُعد أشجار الأعطال معكوسًا منطقيًا لأشجار النجاح، ويمكن الحصول عليها من خلال تطبيق نظرية دي مورغان على أشجار النجاح (التي ترتبط مباشرة بمخططات كتلة الموثوقية ).

قد يكون تحليل شجرة الأعطال نوعيًا أو كميًا. عندما تكون احتمالات الأعطال والأحداث غير معروفة، يمكن تحليل أشجار الأعطال النوعية لتحديد مجموعات القطع الدنيا. على سبيل المثال، إذا احتوت أي مجموعة قطع دنيا على حدث أساسي واحد، فقد يكون الحدث الأعلى ناتجًا عن عطل واحد. يُستخدم تحليل شجرة الأعطال الكمي لحساب احتمالية الحدث الأعلى، ويتطلب عادةً برامج حاسوبية مثل CAFTA من معهد أبحاث الطاقة الكهربائية أو SAPHIRE من مختبر أيداهو الوطني .

تستخدم بعض الصناعات كلاً من أشجار الأعطال وأشجار الأحداث . تبدأ شجرة الأحداث من مُسبِّب غير مرغوب فيه (مثل فقدان إمداد حيوي، أو عطل في أحد المكونات، إلخ) وتتبع أحداث النظام اللاحقة المحتملة وصولاً إلى سلسلة من النتائج النهائية. عند دراسة كل حدث جديد، تُضاف عقدة جديدة إلى الشجرة مع توزيع احتمالات اختيار أي من الفرعين. وبذلك، يمكن الاطلاع على احتمالات مجموعة من "الأحداث الرئيسية" الناجمة عن الحدث الأولي.

صناعة النفط والغاز البحرية (API 14C؛ ISO 10418)

تستخدم صناعة النفط والغاز البحرية تقنية تحليل أنظمة السلامة النوعية لضمان حماية أنظمة ومنصات الإنتاج البحرية. يُستخدم هذا التحليل خلال مرحلة التصميم لتحديد مخاطر هندسة العمليات، بالإضافة إلى تدابير تخفيف المخاطر. وقد وُصفت هذه المنهجية في الممارسة الموصى بها رقم 14C الصادرة عن معهد البترول الأمريكي، بعنوان " تحليل وتصميم وتركيب واختبار أنظمة السلامة السطحية الأساسية لمنصات الإنتاج البحرية".

تستخدم هذه التقنية أساليب تحليل النظم لتحديد متطلبات السلامة اللازمة لحماية أي مكون من مكونات العملية، مثل الخزانات أو خطوط الأنابيب أو المضخات . ^{[ 1 ]} تُدمج متطلبات السلامة الخاصة بكل مكون في نظام سلامة متكامل للمنصة، يشمل أنظمة احتواء السوائل وأنظمة الدعم في حالات الطوارئ، مثل أنظمة كشف الحرائق والغازات. ^{[ 1 ]}

تُحدد المرحلة الأولى من التحليل مكونات العملية الفردية، والتي قد تشمل: خطوط التدفق، والمجمعات، وأوعية الضغط ، والأوعية الجوية، والسخانات التي تعمل بالوقود، والمكونات التي يتم تسخينها بواسطة العادم، والمضخات، والضواغط ، وخطوط الأنابيب، والمبادلات الحرارية . ^{[ 2 ]} يخضع كل مكون لتحليل السلامة لتحديد الأحداث غير المرغوب فيها (مثل تعطل المعدات، واضطرابات العملية، وما إلى ذلك) التي يجب توفير الحماية منها. ^{[ 3 ]} كما يُحدد التحليل حالة قابلة للكشف (مثل الضغط العالي ) تُستخدم لبدء إجراءات لمنع أو تقليل تأثير الأحداث غير المرغوب فيها. يتضمن جدول تحليل السلامة (SAT) لأوعية الضغط التفاصيل التالية. ^{[ 3 ] [ 4 ]}

جدول تحليل السلامة (SAT) أوعية الضغط
حدث غير مرغوب فيه	سبب	حالة غير طبيعية قابلة للكشف
الضغط الزائد	منفذ مغلق أو مقيد يتجاوز التدفق الداخل التدفق الخارج تسرب الغاز (من المنبع) عطل في نظام التحكم بالضغط التمدد الحراري مدخلات حرارية زائدة	ضغط عالٍ
فيضان السائل	يتجاوز التدفق الداخل التدفق الخارج تدفق سائل على شكل فقاعات مخرج السائل مسدود أو مقيد عطل في نظام التحكم في مستوى السائل	مستوى السائل المرتفع

تشمل الأحداث غير المرغوب فيها الأخرى بالنسبة لأوعية الضغط انخفاض الضغط، وتسرب الغاز، والتسرب، وارتفاع درجة الحرارة، بالإضافة إلى أسبابها المرتبطة بها والظروف التي يمكن اكتشافها. ^{[ 4 ]}

بعد تحديد الأحداث والأسباب والظروف القابلة للكشف، تستخدم المرحلة التالية من المنهجية قائمة فحص تحليل السلامة (SAC) لكل مكون. ^{[ 5 ]} تُدرج هذه القائمة أجهزة السلامة التي قد تكون مطلوبة أو العوامل التي تُغني عن الحاجة إلى مثل هذا الجهاز. على سبيل المثال، في حالة فيضان سائل من وعاء (كما ذُكر أعلاه)، تُحدد قائمة فحص تحليل السلامة ما يلي: ^{[ 6 ]}

• A4.2d - مستشعر المستوى العالي (LSH) ^{[ 7 ]}
  • 1. تم تثبيت LSH.
  • 2. المعدات الموجودة في اتجاه مجرى مخرج الغاز ليست نظام شعلة أو تهوية ويمكنها التعامل بأمان مع أقصى قدر من انتقال السوائل.
  • 3. لا تتطلب وظيفة الوعاء التعامل مع أطوار سائلة منفصلة.
  • 4. الوعاء عبارة عن مصيدة صغيرة يتم تصريف السوائل منها يدويًا.

يضمن التحليل توفير مستويين من الحماية للتخفيف من آثار كل حدث غير مرغوب فيه. على سبيل المثال، بالنسبة لوعاء ضغط يتعرض لضغط زائد، تتمثل الحماية الأساسية في مفتاح ضغط مرتفع (PSH) لإيقاف تدفق السائل إلى الوعاء، بينما تُوفر الحماية الثانوية بواسطة صمام أمان الضغط (PSV) الموجود على الوعاء. ^{[ 8 ]}

تتضمن المرحلة التالية من التحليل ربط جميع أجهزة الاستشعار وصمامات الإغلاق وأنظمة الفصل وأنظمة الدعم في حالات الطوارئ في شكل مخطط تقييم وظائف تحليل السلامة (SAFE). ^{[ 2 ] [ 9 ]}

مخطط تقييم وظيفة تحليل السلامة (SAFE)				أغلق صمام المدخل	أغلق صمام المخرج	جهاز إنذار
				ESV-1a	ESV-1b
تعريف	خدمة	جهاز	مرجع SAC
V-1	فاصل الضغط العالي	PSH	A4.2a1	X		X
		LSH	A4.2d1	X		X
		LSL	A4.2e1		X	X
		PSV	A4.2c1
		إلخ.
V-2	فاصل LP	إلخ.

يشير X إلى أن جهاز الكشف الموجود على اليسار (مثل PSH) يبدأ عملية الإغلاق أو التحذير في أعلى اليمين (مثل إغلاق ESV).

يشكل مخطط SAFE أساس مخططات السبب والنتيجة التي تربط أجهزة الاستشعار بصمامات الإغلاق وإيقاف تشغيل المصنع والتي تحدد البنية الوظيفية لنظام إيقاف تشغيل العملية .

تحدد المنهجية أيضًا اختبارات الأنظمة اللازمة لضمان فعالية أنظمة الحماية. ^{[ 10 ]}

نُشرت المواصفة القياسية API RP 14C لأول مرة في يونيو 1974. ^{[ 11 ]} وصدرت الطبعة الثامنة منها في فبراير 2017. ^{[ 12 ]} وتم اعتمادها كمعيار ISO 10418 في عام 1993 بعنوان " صناعات البترول والغاز الطبيعي - منشآت الإنتاج البحرية - تحليل وتصميم وتركيب واختبار أنظمة السلامة الأساسية للعمليات السطحية". ^{[ 13 ]} وصدرت أحدث طبعة من معيار ISO 10418 في عام 2019. ^{[ 14 ]}

عادةً ما تحدد إرشادات السلامة مجموعة من الخطوات والوثائق المطلوبة ومعايير الخروج، مع التركيز على التخطيط والتحليل والتصميم والتنفيذ والتحقق والتدقيق وإدارة التكوين وأنشطة ضمان الجودة لتطوير نظام بالغ الأهمية للسلامة. ^{[ 15 ]} بالإضافة إلى ذلك، تحدد هذه الإرشادات عادةً التوقعات المتعلقة بإنشاء واستخدام إمكانية التتبع في المشروع. على سبيل المثال، اعتمادًا على مستوى أهمية أحد المتطلبات، تتطلب إرشادات إدارة الطيران الفيدرالية الأمريكية DO-178B/C إمكانية التتبع من المتطلبات إلى التصميم ، ومن المتطلبات إلى شفرة المصدر وشفرة الكائن القابلة للتنفيذ لمكونات البرمجيات في النظام. وبالتالي، يمكن لمعلومات التتبع عالية الجودة تبسيط عملية الاعتماد والمساعدة في بناء الثقة في نضج عملية التطوير المطبقة. ^{[ 16 ]}

عادةً ما يُعتبر الفشل في الأنظمة المعتمدة للسلامة مقبولاً إذا كان متوسط ​​الخسائر في الأرواح الناتجة عن هذا الفشل أقل من حالة وفاة واحدة لكل 10⁹ ^ساعة من التشغيل المتواصل. (وفقًا لوثيقة إدارة الطيران الفيدرالية AC 25.1309-1A). معظم المفاعلات النووية الغربية ، والمعدات الطبية، والطائرات التجارية معتمدة وفقًا لهذا المستوى. وقد اعتُبرت التكلفة مقابل الخسائر في الأرواح مناسبة عند هذا المستوى (من قِبل إدارة الطيران الفيدرالية لأنظمة الطائرات بموجب لوائح الطيران الفيدرالية ). ^{[ 17 ] [ 18 ] [ 19 ]}

بمجرد تحديد نمط العطل، يمكن عادةً التخفيف من آثاره بإضافة معدات إضافية أو احتياطية إلى النظام. على سبيل المثال، تحتوي المفاعلات النووية على إشعاعات خطيرة ، ويمكن أن تُنتج التفاعلات النووية كميات هائلة من الحرارة يصعب على أي مادة احتواءها. لذلك، تُزود المفاعلات بأنظمة تبريد طارئة للنواة للحفاظ على انخفاض درجة الحرارة، ودروع واقية لاحتواء الإشعاع، وحواجز هندسية (عادةً ما تكون متعددة ومتداخلة، يعلوها مبنى احتواء ) لمنع التسرب العرضي. ويُشترط عادةً في الأنظمة بالغة الأهمية للسلامة ألا يؤدي أي حدث منفرد أو عطل في أحد المكونات إلى نمط عطل كارثي.

معظم الكائنات الحية لديها قدر معين من التكرار: أعضاء متعددة، أطراف متعددة، إلخ.

بالنسبة لأي عطل معين، يمكن دائمًا تقريبًا تصميم نظام احتياطي أو نظام بديل ودمجه في النظام.

توجد فئتان من التقنيات لتقليل احتمالية الفشل: تقنيات تجنب الأعطال التي تزيد من موثوقية العناصر الفردية (زيادة هامش التصميم، وخفض التصنيف، وما إلى ذلك). وتقنيات تحمل الأعطال التي تزيد من موثوقية النظام ككل (التكرار، والحواجز، وما إلى ذلك). ^{[ 20 ]}

تتشابه هندسة السلامة وهندسة الموثوقية في جوانب كثيرة، لكن السلامة ليست هي الموثوقية. فإذا تعطل جهاز طبي، يجب أن يكون تعطلّه آمناً؛ إذ ستكون هناك بدائل أخرى متاحة للجراح. وإذا تعطل محرك طائرة ذات محرك واحد، فلن يكون هناك بديل احتياطي. تُصمَّم شبكات الطاقة الكهربائية مع مراعاة السلامة والموثوقية معاً؛ بينما تُصمَّم أنظمة الهاتف مع مراعاة الموثوقية، التي تُصبح مسألة سلامة عند إجراء مكالمات الطوارئ (مثل مكالمات الطوارئ الأمريكية 911 ).

أدى التقييم الاحتمالي للمخاطر إلى نشوء علاقة وثيقة بين السلامة والموثوقية. وتُستخدم موثوقية المكونات، التي تُعرَّف عمومًا بمعدل فشل المكونات، واحتمالية وقوع حدث خارجي، في أساليب التقييم الكمي للسلامة، مثل تحليل شجرة الأعطال (FTA). وتُستخدم الأساليب الاحتمالية ذات الصلة لتحديد متوسط ​​الوقت بين الأعطال (MTBF) للنظام ، وتوافر النظام، أو احتمالية نجاح المهمة أو فشلها. يتميز تحليل الموثوقية بنطاق أوسع من تحليل السلامة، حيث يأخذ في الاعتبار حالات الفشل غير الحرجة. ومن ناحية أخرى، تُعتبر معدلات الفشل الأعلى مقبولة للأنظمة غير الحرجة.

لا يمكن تحقيق السلامة عمومًا بالاعتماد على موثوقية المكونات وحدها. تتوافق احتمالات الفشل الكارثي البالغة 10⁻⁹ ^في الساعة مع معدلات فشل المكونات البسيطة جدًا، مثل المقاومات والمكثفات . قد يتمكن نظام معقد يحتوي على مئات أو آلاف المكونات من تحقيق متوسط ​​وقت بين الأعطال (MTBF) يتراوح بين 10,000 و100,000 ساعة، أي أنه سيفشل بمعدل 10⁻⁴ ^أو 10⁻⁵ ^في الساعة. في حال كان فشل النظام كارثيًا، فإن الطريقة العملية الوحيدة لتحقيق معدل فشل 10⁻⁹ في الساعة هي عادةً من خلال التكرار ^.

عندما يكون إضافة معدات جديدة غير عملي (عادةً بسبب التكلفة)، فإنّ أقلّ أشكال التصميم تكلفةً غالبًا ما يكون تصميمًا آمنًا بطبيعته . ويتضمن هذا التصميم عادةً تصميم نظام معين بطريقة تضمن عدم تسبب أعطاله في كوارث. وتُعدّ أنظمة الأمان المدمجة شائعة في المعدات الطبية، وإشارات المرور والسكك الحديدية، ومعدات الاتصالات، ومعدات السلامة.

يتمثل النهج المعتاد في تصميم النظام بحيث تؤدي الأعطال الفردية العادية إلى إيقاف تشغيل الآلية بطريقة آمنة (في محطات الطاقة النووية، يُطلق على هذا التصميم اسم " التصميم الآمن السلبي "، مع العلم أنه يشمل حالات أعطال أخرى غير الأعطال العادية). وبدلاً من ذلك، إذا كان النظام يحتوي على مصدر خطر مثل بطارية أو دوار، فقد يكون من الممكن إزالة هذا الخطر من النظام بحيث لا تكون أنماط أعطاله كارثية. وتولي الممارسة القياسية لسلامة الأنظمة الصادرة عن وزارة الدفاع الأمريكية (MIL-STD-882) أولوية قصوى لإزالة المخاطر من خلال اختيار التصميم. ^{[ 21 ]}

من أكثر أنظمة الأمان شيوعًا أنبوب تصريف الفائض في أحواض الاستحمام وأحواض المطابخ. فإذا علق الصمام مفتوحًا، فبدلًا من حدوث فيضان وتلف، ينسكب الماء من الخزان إلى أنبوب التصريف. مثال آخر شائع هو في المصاعد، حيث يحافظ الكابل الذي يدعم الكابينة على المكابح الزنبركية مفتوحة. فإذا انقطع الكابل، تثبت المكابح القضبان، فلا تسقط كابينة المصعد.

بعض الأنظمة لا يمكن جعلها مقاومة للأعطال بشكل كامل، إذ يتطلب الأمر توفرها المستمر. على سبيل المثال، يُعدّ فقدان قوة دفع المحرك أثناء الطيران أمرًا خطيرًا. في مثل هذه الحالات، تُستخدم آليات التكرار، وتحمّل الأعطال، وإجراءات الاستعادة (مثل وجود محركات متعددة مستقلة يتم التحكم بها وتزويدها بالوقود). كما يجعل هذا النظام أقل حساسية لأخطاء التنبؤ بالموثوقية أو عدم اليقين الناتج عن جودة العناصر المنفصلة. من ناحية أخرى، يصبح اكتشاف الأعطال وتصحيحها وتجنب الأعطال ذات السبب المشترك أمرًا بالغ الأهمية لضمان موثوقية النظام على مستوى النظام. ^{[ 22 ]}

• كتيب الجيش الأمريكي رقم 385-16: دليل إدارة سلامة النظام ( مؤرشف بتاريخ 21 مارس 2014 في أرشيف الإنترنت) .