生命攸關系統


生命攸關系統（life-critical system）或安全攸關系統（safety-critical system）也稱為生命關鍵系統或安全關鍵系統，是指若系統失效或誤動作，會產生以下後果的系統：


  • 人員重傷或死亡，或者

  • 設備的嚴重毀損，或者

  • 環境的危害

這類的風險一般會配合安全工程的工具進行管理。生命攸關系統一般會設計在失效率小於10-9 1/h的條件下[1]。常用的設計工具包括概率风险评估（英语：Probabilistic Risk Assessment），是一種結合失效模式與影響分析（FMEA）及故障樹分析的技術。越來越多的安全攸關系統是基于電腦的系統。




目录





  • 1 可靠度作法


  • 2 生命攸關系統的軟體工程


  • 3 生命攸關系統的例子

    • 3.1 基礎設備


    • 3.2 醫療設備[3]


    • 3.3 核能工程[4]


    • 3.4 娛樂或運動設備


    • 3.5 運輸

      • 3.5.1 鐵路[5]


      • 3.5.2 汽車[7]


      • 3.5.3 航空[8]


      • 3.5.4 太空梭[9]




  • 4 相關條目


  • 5 参考文献


  • 6 外部連結




可靠度作法


在生命攸關系統中，有以下幾種可靠度的作法：


  • 失效可操作的系统（Fail-operational systems）：在其重要或主要系統損壞時，仍可正常完成正常或最终的重要动作的系統，例如配有紧急或备用系统的電梯、家用的自動調溫器，以及消極安全核反應爐（英语：Passive nuclear safety）。失效可操作的系统有時並不安全，例如美軍的核武不允許使用通訊中斷即發射（launch-on-loss-of-communications）的系統，因為後者是失效可操作的系统，若通訊中斷就自動發射核武，這種運作方式風險太高。美軍的思惟恰好和蘇聯死手系统（英语：Dead Hand (nuclear war)）在失效後自動發射的失效致命特性相反[2]。


  • 失效安全（Fail-safe）系統 ：是指系統不運作時會處在安全狀態，不會造成人員傷亡的系統。許多醫療系統都是這一類的，例如醫療的輸液泵（英语：infusion pump）可能損壞，但因為其安全間隔期夠長，可以用人工介入處理，只要它會停止輸液，並且發出警告提醒護理人員，並不會造成人員的傷亡。像工業用或是家用的燃燒控制器可能損壞，但也一定要有失效安全的特性（在其偵測到損壞時，自動熄滅火源）。一個接收到發射命令才會發射（launch-on-command）的核武也是失效安全的，因為在通訊系統損壞時，核武不會發射。鐵路信號也會設計成失效安全的。

  • Fail-secure的中文也是失效安全（可理解为“失效保障”），但主要著重于事物不被毀損、場地不被入侵的安全性：例如Fail-safe的電動鎖是为保護人員，在電力失效時自動開鎖；而Fail-secure的電動鎖是为保護場地安全，在電力失效時自動上鎖。

  • 失效消极防护系统（Fail-Passive systems）即使在系統失效的情形下仍可以用其他方式運作，例如倘若飛機的自動駕駛系統失效，飛機也會維持在一個可控制的狀態，讓飛行員可以接手完成航程，順利降落。


  • 容錯系統（Fault-tolerant system）是在系統有錯誤或故障時不會讓系統失效。像一般的核反應爐的控制系統就會是容錯系統。一般容錯的方式为數台電腦不間斷地測試系統的各部份，若有子系統失效，直接線上熱切換到其他正常的子系統。只要在正常的維修間隔內更換或修復有問題的子系統，此系統就视作是安全的。不過在一些系統中，會要求所用的電腦規格完全相同，電源供應器及人工控制面板等也不例外。


生命攸關系統的軟體工程


生命攸關系統的軟體工程格外困難，有三個層面的考量會對生命攸關系統的軟體工程有幫助。首先是流程的工程及管理，再來是为此系統選擇適當的工具及開發環境，這可以讓系統開發者可以利用仿真的方式有效地測試系統，觀察其是否有效果。第三，需解決所有法律及法規上的要求，像是飛行系統需要處理的美國聯邦航空總署（FAA）要求。若有設定在系統開發時需要符合的標準，也就強制了設計者需依循相關要求進行開發。航空电子產業已成功提出了製作生命攸關航空电子軟體的標準方法，即DO-178B（英语：DO-178B）。汽車業的ISO 26262、醫療產品的IEC 62304及核能的IEC 61513也是類似的法規。這些標準作法目的是要小心地編程、檢視、測試、驗證及分析系統，並書寫說明文件。另一種作法是驗證一產品系統、編譯器，再依規格產生系統的代碼。還有一種方式是用形式方法，用數學證明來證明代碼符合要求。這些方法都可以提昇生命攸關系統的軟體品質，方式可能是透過測試，或是減少開發程序中的人工步驟，因為人可能會出錯，這也是最常見的生命攸關系統潛在錯誤的原因。



生命攸關系統的例子



基礎設備


  • 斷路器


  • 灾难应对調度系統


  • 發電、輸電系統及配電系統

  • 火災警報（英语：Fire alarm）

  • 自動灑水系統

  • 保險絲

  • 液壓保險器

  • 电信


醫療設備[3]


其技術要求可能超過避免失效的程度，甚至可能包括建立醫療照護（有關病人的醫療）及生命維持（英语：life support）（有關穩定病人的生理狀態）。


  • 人工心肺機（英语：Heart-lung machine）


  • 機械通風（英语：Mechanical ventilation）系統


  • 輸液泵（英语：Infusion pump）及胰岛素泵


  • 放射線療法機器

  • 機器人手術（英语：Robotic surgery）


  • 去顫機器


  • 透析機器

  • 電子式監控生命機能的儀器（例如心电图，ECG或EKG，以及腦電圖EEG）

  • 醫療影像儀器（X光，X射线计算机断层成像- CT或CAT，核磁共振影像-MRI，正电子发射计算机断层扫描- PET）


核能工程[4]



  • 核反应堆控制系統


娛樂或運動設備


  • 機動遊戲

  • 登山裝備（英语：Climbing equipment）

  • 降落伞

  • 水肺裝備


運輸



鐵路[5]



  • 鐵路信號及控制系統

  • 控制列車車門的平台檢測[6]

  • 列車自動停止[6]


汽車[7]



  • 安全气囊系統


  • 剎車系統

  • 座位安全帶


  • 動力轉向（英语：Power Steering）系統

  • 高级辅助驾驶系统

  • 电子节气门控制（英语：Electronic throttle control）

  • 電動車及油電混合車的电池管理系统

  • 電子停車剎車（英语：Electric Park Brake）


  • 變速線控（英语：Shift by wire）系統


  • 驱动线控（英语：Drive by wire）系統

  • 停車線控（英语：Park by wire）


航空[8]



  • 航空交通管制系統


  • 航空电子，特別是飛行線控系統


  • 无线电导航接收机自主完好性监测（英语：Receiver Autonomous Integrity Monitoring）（RAIM）

  • 发动机控制系统（英语：Aircraft engine controls）


  • 航空生命維持（英语：Life support (aviation)）系統

  • 航程的飛行計劃，以確認油料需求


太空梭[9]



  • 载人航天太空梭


  • 航天发射中心安全系統


  • 发射载具安全

  • 太空人救援系統

  • 太空人傳輸系統


相關條目


  • 关键任务

  • 核反应堆

  • 生物醫學工程

  • 形式化方法

  • Therac-25案例

  • 可靠度理論（英语：Reliability theory）

  • 可靠度

  • 冗餘

  • 生物医学工程

  • SAPHIRE（英语：SAPHIRE）

  • 区域安全性分析（英语：Zonal safety analysis）

  • 安全相關系統


参考文献




  1. ^ AC 25.1309-1A


  2. ^ Inside the Apocalyptic Soviet Doomsday Machine. WIRED. 


  3. ^ Medical Device Safety System Design: A Systematic Approach. mddionline.com. 


  4. ^ Safety of Nuclear Reactors. world-nuclear.org. 


  5. ^ 存档副本 (PDF). [2016-10-23]. （原始内容 (PDF)存档于2013-12-19）. 


  6. ^ 6.06.1 存档副本 (PDF). [2013-12-18]. （原始内容 (PDF)存档于2013-12-19）. 


  7. ^ Safety-Critical Automotive Systems. sae.org. 


  8. ^ Leanna Rierson. Developing Safety-Critical Software: A Practical Guide for Aviation Software and DO-178C Compliance. ISBN 978-1-4398-1368-3. 


  9. ^ http://www.dept.aoe.vt.edu/~cdhall/courses/aoe4065/NASADesignSPs/N_PG_8705_0002_.pdf



外部連結


  • An Example of a Life-Critical System

  • Safety-critical systems Virtual Library

  • They Write the Right Stuff

  • Explanation of Fail Operational and Fail Passive in Avionics


  • Useful Slides which explain Fault Tolerance and Fail * in distributed Systems[永久失效連結]


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