ISO 19014-22022 土方机械.功能安全.第2部分控制系统安全相关部件硬件和结构要求的设计和评估标准立项发展报告

土方机械功能安全第2部分：控制系统安全相关部件硬件和结构要求的设计和评估标准立项发展报告StandardizationDevelopmentReport:Earth-movingMachinery—FunctionalSafety—Part2:DesignandEvaluationofHardwareandArchitectureRequirementsforSafety-RelatedPartsoftheControlSystem摘要随着土方机械自动化与智能化水平的持续提升，控制系统安全相关部件（SRP/CS）的硬件设计与结构架构已成为保障整机功能安全的关键环节。ISO19014-2:2022《土方机械功能安全第2部分：控制系统安全相关部件硬件和结构要求的设计和评估》由国际标准化组织（ISO）于2022年6月14日正式发布，是ISO19014系列标准框架下的核心组成部部分。该标准系统规定了土方机械控制系统安全相关部件在硬件设计、结构架构、失效模式分析、诊断覆盖率评估及安全完整性等级（SIL）达成等方面的技术要求和评估方法。本报告全面梳理了该标准的立项背景、研制历程、核心技术内容及国内外应用现状，分析了其对土方机械行业技术发展和标准体系建设的深远影响，并对标准未来修订方向及推广应用前景进行了展望。报告指出，该标准填补了土方机械领域功能安全硬件设计与评估标准的空白，为制造企业、系统集成商及第三方评估机构提供了统一的技术依据，对推动土方机械行业安全技术水平提升具有重要意义。关键词：土方机械；功能安全；控制系统；硬件设计；结构架构；安全完整性等级；ISO19014Keywords:Earth-movingMachinery;FunctionalSafety;ControlSystem;HardwareDesign;Architecture;SafetyIntegrityLevel;ISO19014一、引言1.1立项背景土方机械（包括挖掘机、装载机、推土机、压路机等）作为基础设施建设、矿山开采和建筑施工中的核心装备，其作业环境复杂多变，操作风险高，对设备安全性能的要求极为严格。近年来，随着电子控制技术、传感器技术及智能化系统在土方机械中的广泛应用，传统的机械式安全保护手段已逐步被电子电气控制系统所取代或补充，控制系统安全相关部件（Safety-RelatedPartsoftheControlSystem,SRP/CS）的可靠性和安全性直接关系到整机的功能安全水平。在国际功能安全标准体系中，IEC61508《电气/电子/可编程电子安全相关系统的功能安全》作为基础性标准，为各行业的功能安全设计与评估提供了通用框架。在此框架之下，ISO/TC127（土方机械技术委员会）联合ISO/TC199（机械安全技术委员会）制定了ISO19014系列标准，针对土方机械行业的特殊需求，建立了专门的功能安全技术规范。ISO19014-2作为该系列标准的第二部分，聚焦于控制系统安全相关部件的硬件设计和结构架构要求，是该系列标准中的关键技术支撑。1.2标准定位ISO19014-2:2022在ISO19014系列标准中处于承上启下的核心位置。ISO19014-1规定了土方机械功能安全的一般要求和安全相关控制系统的性能等级（PerformanceLevel,PL）确定方法，而ISO19014-2则进一步细化了实现这些性能等级所需的具体硬件设计要求和结构架构评估方法。该标准与ISO19014-3（软件要求）、ISO19014-4（安全要求的制定和验证确认）等部分共同构成了完整的土方机械功能安全标准体系。二、标准研制历程2.1国际标准制定背景ISO19014-2的制定工作始于2016年前后。随着土方机械电子化程度的快速提升，国际社会对统一功能安全评估方法的呼声日益高涨。ISO/TC127/SC2（安全、性能和可靠性分技术委员会）在完成ISO19014-1的草拟工作后，即着手开展硬件与结构要求部分的制定工作。该工作项目（WorkItem）编号为ISO/WD19014-2，由来自德国、美国、日本、瑞典、中国等主要土方机械制造国的专家共同参与起草。在标准制定过程中，专家组充分参考了IEC61508系列标准中关于硬件安全完整性（HardwareSafetyIntegrity）的技术框架，同时结合了ISO13849《机械安全控制系统安全相关部件》中关于类别（Category）和性能等级（PL）的体系方法。此外，ISO19014-2还借鉴了ISO15998《土方机械机器控制系统安全相关电子控制系统的性能准则和试验》的既有经验，确保标准具有行业针对性和可操作性。2.2标准版本演进该标准经历了工作草案（WD）、委员会草案（CD）、国际标准草案（DIS）和最终国际标准草案（FDIS）等多个阶段。在征求意见过程中，各成员国围绕硬件失效率的计算方法、诊断覆盖率的评定手段、环境条件的加速因子等关键技术问题进行了多轮讨论与协商。经过充分的技术论证和反复修改，标准于2022年3月通过最终投票，并于2022年6月14日正式发布实施。三、标准技术内容解析3.1标准范围界定ISO19014-2:2022明确规定了土方机械及其附属设备中控制系统安全相关部件的硬件设计和结构架构要求，并提供了相应的评估方法。该标准适用于所有类型的土方机械，包括ISO6165所定义的各种机型，涵盖由制造商提供的原装控制系统及后续改装的电气/电子控制系统。标准同时明确了其适用范围涵盖SRP/CS的硬件组成部分，包括传感器、控制器、执行器及其互连线路等。3.2硬件设计要求（1）安全完整性等级（SIL）目标设定标准要求设计者根据ISO19014-1中确定的风险评估结果，为每个安全功能设定明确的SIL目标，并据此开展硬件设计。SIL等级的确定需综合考虑失效后果的严重程度、暴露频率和规避可能性等因素。（2）失效率预算与分配标准引入了硬件失效裕度（HardwareFaultTolerance,HFT）的概念，要求设计者在系统架构设计阶段对安全相关功能进行失效率预算，并合理分配至各硬件组件。对于不同类型的安全功能，标准规定了最低的HFT要求，以确保系统具备足够的冗余能力。（3）失效模式与影响分析（FMEA）设计过程中必须对每个硬件组件开展系统的FMEA分析，识别可能的失效模式及其对安全功能的影响。标准提供了适用于土方机械典型组件（如液压阀、传感器、控制器等）的失效模式参考清单，并要求对每种失效模式评估其失效率、诊断覆盖率和安全失效比例等指标。（4）诊断覆盖率要求根据所设定的SIL目标，标准对诊断覆盖率（DiagnosticCoverage,DC）提出了分级要求。对于不同SIL等级的安全功能，要求采用相应水平的诊断措施，如连续自诊断、周期性测试或外部监控等，以保证足够的故障检测能力。3.3结构架构要求标准规定了SRP/CS的结构架构设计原则，核心包括以下几个方面：（1）单通道与冗余架构标准允许采用单通道架构（适用于较低SIL等级）或多通道冗余架构（适用于较高SIL等级）。对于冗余架构，标准还规定了通道间的独立性要求，以避免共因失效（CommonCauseFailure）的影响。为此，标准引入了共因失效因子（β因子）的评估方法，要求设计者采取相应的措施降低共因失效风险。（2）安全状态定义与实现标准要求每个安全功能必须明确定义安全状态，并确保在SRP/CS发生失效时能够安全地进入或维持在安全状态。安全状态的实现方式可以是主动式（如紧急停机）或被动式（如断电后自然进入安全状态），具体可根据机器类型和工作环境确定。（3）避免系统性失效标准强调在产品开发过程中应采用成熟的设计规范和验证方法，以控制系统性失效。这包括对硬件组件的选型、电路设计、电磁兼容性（EMC）防护、环境适应性等方面的控制措施。3.4评估与验证方法ISO19014-2:2022提供了完整的评估与验证框架，主要包括：（1）量化失效分析标准给出了用于量化评估硬件安全性能的公式和方法，包括安全失效比例（SFF）的计算、每小时危险失效概率（PFH）的估算等。设计者可根据组件失效率数据和诊断覆盖率参数，定量评估所设计系统是否满足目标SIL要求。（2）测试验证要求标准规定了硬件设计需经过的功能测试、环境测试、EMC测试和耐久性测试等验证要求。测试条件和接受准则在标准附录中给出了具体指南。（3）文件化要求标准要求制造商编制完整的硬件安全档案，包括安全要求规范、硬件设计说明、FMEA报告、失效率评估报告及验证测试报告等技术文件，以证明其设计满足相应SIL等级要求。四、标准实施意义分析4.1填补行业标准空白ISO19014-2:2022的发布填补了土方机械行业在功能安全硬件设计领域国际标准的空白。此前，土方机械制造商在评估控制系统硬件安全性能时，往往需要直接引用IEC61508等通用标准，但由于缺乏行业特定的指导，在实际应用中存在诸多困难和不确定性。ISO19014-2结合土方机械的特殊工况条件（如高振动、大温差、多尘环境）和典型组件特性，提供了更具针对性和可操作性的技术指导。4.2促进国际贸易与认证互认近年来，欧盟机械指令（2006/42/EC）对土方机械的功能安全提出了强制性要求。ISO19014-2的发布为全球土方机械制造商和认证机构提供了统一的评估依据，有助于减少重复检测和认证，促进国际贸易便利化。同时，该标准也为各国家和地区制定相应法规或技术规范提供了权威参考。4.3推动行业技术升级该标准对硬件设计提出了较为严格的技术要求，将促进制造企业在产品设计阶段更加注重安全性和可靠性，推动电子控制系统设计水平的整体提升。标准的实施也将带动相关配套产业（如高可靠性传感器、安全控制器、诊断模块等）的技术创新和发展。五、标准适用性与实施建议5.1适用对象与场景ISO19014-2:2022适用于以下主要对象和场景：-土方机械制造商：在进行新产品设计或现有产品升级时，需依据本标准对其控制系统安全相关部件进行硬件设计评估；-系统集成商：为土方机械提供电气/电子控制子系统时，需确保所供系统满足本标准的硬件设计要求；-第三方评估与认证机构：在开展功能安全评估和认证工作时，以本标准作为技术依据；-监管机构和用户：作为评价土方机械功能安全水平的参考依据，为设备采购和验收提供技术参考。5.2实施建议针对我国土方机械行业的现状，建议相关企业和机构从以下几个方面推进标准的贯彻实施：一是加强标准宣贯和技术培训，使设计人员和管理人员全面理解ISO19014-2的技术要求和评估方法；二是建立健全企业内部的功能安全设计流程和管理体系，将标准的各项要求落实到实际产品开发过程中；三是加强核心元器件供应链安全管理，确保所用硬件组件达到标准规定的可靠性和失效率等级要求；四是加强与认证机构的沟通合作，提前了解认证要求和评估程序。六、主要参与单位介绍在ISO19014-2:2022的制定过程中，来自世界各国的标准化技术机构和行业龙头企业发挥了重要作用。其中，作为该标准项目的主要技术贡献单位之一，沃尔沃建筑设备公司（VolvoConstructionEquipment）在标准的技术内容制定和试验验证方面做出了突出贡献。沃尔沃建筑设备公司总部位于瑞典哥德堡，是世界领先的土方机械制造商之一，产品涵盖挖掘机、轮式装载机、铰接式卡车、自行式平地机等多个品类。作为ISO/TC127/SC2的积极参与成员，沃尔沃建筑设备在功能安全技术领域拥有深厚的研发积累，其技术专家在ISO19014系列标准的制定过程中承担了重要角色，主导或参与起草了多项关键技术条款，特别是在硬件冗余架构设计方法、共因失效分析方法和诊断覆盖率评估等方面提供了大量实际产品研发经验和数据支撑。沃尔沃建筑设备公司还率先将ISO19014-2的要求应用于其新一代智能化产品的开发中，并在其位于瑞典埃斯基尔斯蒂纳（Eskilstuna）的技术中心建立了完善的功能安全测试验证体系，为标准的可行性和有效性提供了重要的工程验证。其技术专家团队参与标准制定过程所积累的实践经验，也为全球土方机械行业提供了宝贵的技术借鉴。七、结论与展望ISO19014-2:2022作为全球首部专门针对土方机械控制系统安全相关部件硬件设计和结构架构要求的国际标准，其发布和实施具有里程碑式的意义。该标准科学地将IEC61508的通用功能安全理念与土方机械的行业特点相结合，构建了一套系统完整、技术严谨且具有可操作性的硬件设计与评估方法体系，为制造企业开发高安全性控制系统提供了明确的路线图和技术要求。从行业发展的长远角度来看，随着土方机械向电动化、智能化、无人化方向加速演进，控制系统的复杂度和安全风险将持续上升，功能安全的重要性将更加凸显。ISO19014-2:2022为行业提供了一套科学的技术框架，但其内容也将随着技术进步而持续演进。未来值得关注的趋势包括：人工智能和机器学习技术在安全相关系统中的应用将催生新的硬件设计方法；无线通信和远程控制技术的引入将扩展安全功能的应用场景；多机协同作业和自动驾驶功能的发展将对硬件架构提出更高的冗余和可靠性要求。这些新的技术挑战将推动ISO19014系列标准不断完善和更新。参考文献[1]ISO19014-2:2022,Earth-movingmachinery—Functionalsafety—Part2:Designandevaluationofhardwareandarchitecturerequirementsforsafety-relatedpartsofthecontrolsystem[S].Geneva:InternationalOrganizationforStandardization,2022.[2]ISO19014-1,Earth-movingmachinery—Functionalsafety—Part1:Methodologytodeterminesafety-relatedpartsofthecontrolsystemandperformancerequirements[S].Geneva:InternationalOrganizationforStandardization,2021.[3]IEC61508:2010,Functionalsafetyofelectrical/electronic/programmabl