油气站场安全仪表系统 SIL 评估中失效数据采集与分析的实践

1 引言

油气站场作为高危工艺场所，其自动化控制系统必须具备高水平的本质安全能力，安全仪表系统在其中承担着预警、联锁和紧急停车等核心功能。随着功能安全标准执行力度增强，SIL 等级评估已成为衡量安全仪表系统可靠性的重要依据。评估过程中对失效数据的采集完整性与分析准确性提出更高要求，数据质量直接影响系统定级的科学性与控制策略的有效性。

2SIL 评估中失效数据的采集实践

2.1 数据采集范围界定：目标设备与功能回路识别

在油气站场 SIL 等级评估中，安全仪表功能（SIF）作为评估最小单元，其失效数据采集范围必须覆盖从检测设备、逻辑单元到执行器构成的完整功能路径。由于站场存在多级联锁与系统耦合交叉，需采用功能路径驱动的识别方式，结合 P&ID 图、SIS 配置表与控制逻辑图，构建“设备—功能—回路”对应关系，以防止误将局部设备事件视为独立故障或遗漏核心联锁节点。在冗余架构下，应对 2oo3、1oo2D 等逻辑结构内各通道分别采集失效数据，并标明作用路径与影响类型，明确其在系统级功能失效中的逻辑贡献。数据标识采用统一编码体系，如 SIF 路径号、设备编号与功能属性字段组合的格式，确保数据可关联、可追溯。为适配各子系统的数据接口差异，采集系统还需通过 OPCUA 或 ModbusTCP 构建统一协议层，完成不同平台下的数据整合与字段规范。采集边界一经设定，将直接决定失效模型的输入完整性，应由自动化、安全与工艺多专业联合校核，形成服务于SIL 计算的结构化数据源体系。

2.2 失效事件分类标准与记录触发机制

在油气站场安全仪表系统的 SIL 评估实践中，由于 SIL 等级评估高度依赖失效事件的可比性、分层性与响应性，事件分类不能仅依据故障类型进行简单罗列，而必须建立一套以功能路径为轴心、以系统响应为分类逻辑、以数据利用为目标的系统化标准。在标准设定过程中，先需明确事件分类维度，包括功能影响维度（功能丧失/功能降级/非影响故障）、检测可见性维度（可自诊断故障/可检测但非自诊断故障/潜伏故障）、系统构造维度（传感层失效/控制层失效/执行层失效）与源属性维度（硬件故障/逻辑故障/人为误操作等），并对每一类故障建立标准化判别条件及数据字段结构，确保各类事件可在数据库中独立索引、独立建模。为提升 SIL 评估中失效事件记录的准确性与结构完整性，应在 SIS 系统与采集架构中嵌入自动触发与人工确认并行的事件识别机制。自动触发以变量偏离、信号丢失与响应异常为逻辑依据，自动写入事件表；人工确认适用于未被系统识别但经维护发现的隐性故障，需填写结构化模板并附佐证材料。所有事件记录应包含时间戳、设备 ID、功能路径码及状态信息，并设定去重时窗与闭环标记策略，为后续 PFDavg 建模提供动态修复时间基础与可靠输入。

2.3 原始数据质量控制与数据丢失补偿策略

油气站场系统结构复杂、工况切换频繁、数据流来源多样，导致原始数据在完整性、一致性、准确性和可追溯性等维度均容易受到干扰，若无严格的数据质量控制机制，则评估结果将失去实际参考意义。完整性控制方面，应基于功能回路映射表，制定全周期采集计划，要求所有 SIL 相关SIF 路径中设备采集节点在设备通电、运行、停用各阶段均不得出现断档采样，采集系统需配置自检机制，每 24 小时对关键节点数据进行丢失审查，标记采样间隔异常段并生成事件提示[1]。一致性控制方面，需确保各采集系统之间在变量命名、单位表达、时间同步与字段结构上的统一，采用集中式采集中台系统对来自 DCS、SIS、PLC、EWS 等不同平台的数据进行统一协议转换与格式规整，如统一使用 UTC 时间戳、统一采用 IEC 命名规则、统一采用 JSON 结构化字段嵌套存储。在准确性控制方面，应基于设备量程、漂移系数和误差上限设定偏差阈值，对异常突变或长期静态值设定自动识别规则，触发人工标记机制，防止失真数据进入失效率模型[2]。在可追溯性控制中，需将每条记录绑定设备编号、功能路径、模块标识与数据源 IP，形成完整数据链以支持跨平台审核与事后复盘。针对传感器故障或系统中断引发的数据缺失，应结合贝叶斯估计或马尔可夫预测对失效率进行修正，同时以同类设备行为曲线建立对照补偿路径，确保评估数据的连续性、透明性与工程适配性。

3 失效数据的分析方法与评估适配

3.1 失效率与平均概率指标的计算方法

在油气站场安全仪表系统的 SIL 评估中，失效数据经结构化采集与标准化记录后，需通过定量模型转换为失效率（λ）与平均危险失效概率（PFDavg）两个指标，以支撑功能安全等级的判定逻辑。失效率以单位时间内发生的危险失效次数除以总运行时间定义，适用于传感器、逻辑模块、执行器等设备单元，需明确“危险”与“非关键”事件的分类边界，并剔除测试失败等非功能性事件干扰[3]。PFDavg 作为低需求系统的核心指标，其计算依赖失效率与测试间隔（ TI ）的乘积，并需考虑诊断覆盖率、共因失效概率与冗余结构的修正因子。对于单通道回路可采用如下简化表达：

而对于如 2oo3 冗余结构的安全功能，则需采用故障树分析（FTA）与共因失效建模方式处理其等效 PFDavg 值，并通过功能路径映射模型将失效率值分配至 SIF 路径的关键节点，以保证模型中各指标的结构一致性与评估有效性。

3.2 数据分析结果在 SIL 等级评估中的适配应用

在完成失效率与 PFDavg 的定量计算后，SIL 等级的评估需将该结果适配至分级标准区间，结合 SIF 安全需求等级判定表进行静态匹配，同时对数据样本的覆盖性与置信度进行逻辑校验。SIL 标准区间依据 IEC61508 设定，其中 SIL1 至 SIL3 分别对应 PFDavg 为 10^-110^-2 、 10^-210^-3 和 10^-3～10^-4 区间，而 SIL4 一般不适用于典型油气站场过程控制系统[4]。适配过程需结合具体 SIF 路径上的设备配置、测试周期与诊断机制，建立以“路径编号–失效指标–评估等级”为主索引的适配矩阵，判断每一 SIF 是否满足设定等级需求。若存在 PFDavg 边界值临界、数据样本不足或测试周期不稳定等问题，应标注评估结果为“条件有效”并要求补充运行周期后的数据复核，从而保障等级判断的风险容忍性与工程实施的审查完整性。

4 结语

本文基于油气站场功能安全实际，系统解析了 SIL 评估中失效数据的采集边界、事件分类体系、质量控制机制与定量分析路径，构建了贯通采集、建模与等级输出的评估逻辑链。文章提出的数据驱动方法为 SIL 等级判定提供工程化支撑，也为后续构建站场级安全性能演化模型奠定数据基础与应用框架。

参考文献

[1]关鹏婷.在役化工过程安全仪表系统屏障分析及 SIL 评估[D].中国石油大学(北京),2023.

[2]李冬辉.贫数据条件下油气站场安全仪表系统 SIL 等级评估[J].油气田地面工程,2023,42(01):62-67.

[3]王忠杰.SIL 评估在现代煤化工本质安全提升中的应用与探讨[J].中国安全生产,2022,17(10):66-67.