ISOTR 13849-32026 机械安全 控制系统的安全相关部件 第3部分基于马尔可夫模型的PFH计算标准立项发展报告

机械安全控制系统的安全相关部件第3部分：基于马尔可夫模型的PFH计算标准立项发展报告StandardizationDevelopmentReport:SafetyofMachinery—Safety-relatedPartsofControlSystems—Part3:MarkovModel-basedPFHCalculation摘要随着工业自动化与智能制造技术的迅猛发展，机械安全控制系统的功能安全评估成为保障人员安全与设备可靠运行的核心环节。在安全相关控制系统的设计中，危险失效概率（PFH，ProbabilityofDangerousFailureperHour）是度量安全功能完整性的关键量化指标。传统PFH计算方法主要依赖简化公式与简化假设，难以充分应对复杂冗余架构、共因失效以及诊断覆盖率等动态因素的耦合作用。为提升评估精度与适用性，国际标准化组织（ISO）于2026年3月正式发布ISO/TR13849-3:2026《机械安全控制系统的安全相关部件第3部分：基于马尔可夫模型的PFH计算》技术报告。该报告在ISO13849-1所确立的类别（Category）架构基础上，系统引入马尔可夫状态空间建模方法，为设计人员提供了一套涵盖状态定义、转移速率确定、求解算法及结果验证的计算框架，有效弥补了传统方法的建模局限性。本报告围绕该标准项目的立项背景、技术内容、与现行标准体系的协调关系，以及主要参与单位的贡献展开深入论述，并对其未来应用前景与推广路径作出展望。关键词：机械安全；控制系统；安全相关部件；PFH计算；马尔可夫模型；功能安全Keywords:Machinerysafety;Controlsystems;Safety-relatedparts;PFHcalculation;Markovmodel;Functionalsafety1引言1.1研究背景机械安全一直是工业发展进程中不可忽视的核心议题。随着自动化技术向高性能、高复杂度方向演进，控制系统承担的安全功能日益增多，涉及急停回路、安全门联锁、光幕监控、双通道冗余等多种场景。国际标准ISO13849-1对控制系统的安全相关部件（SRP/CS）提出了基于类别（Category）、平均每个通道的诊断覆盖率（DCavg）、平均无危险故障时间（MTTFd）和共因失效（CCF）评估等多维度的性能等级（PL，PerformanceLevel）评定方法。其中，每小时危险失效概率（PFH）是确定PL等级的核心量化依据。然而，ISO13849-1所给出的PFH简化计算公式在应对复杂系统结构（如多通道异构冗余、周期性验证测试、多模式运行）时面临一定局限。简化公式通常基于恒定失效率假设，对状态转移过程中的暂态行为和修复过程考虑不足，从而导致计算结果与实际安全性存在偏差。在此背景下，建立一种更精细、更具通用性的计算机制，成为国际标准化组织技术委员会的重要工作方向。1.2标准立项的必要性随着市场对机械安全认证和功能安全评估的需求不断提升，各类安全控制系统设计日趋复杂。一个安全相关子系统可能包含传感器、逻辑控制器、执行器等多个单元，各单元之间存在串联、并联、冗余表决（如1oo1、1oo2、2oo2等）等多种拓扑组合。传统的PFH简化计算方法难以准确反映这些复杂架构的危险失效演化过程。同时，安全标准的更新迭代对可验证性和可审计性提出了更高要求。为此，ISO/TC199（机械安全技术委员会）决定立项制定ISO/TR13849-3，通过引入马尔可夫模型提供高精度的PFH计算技术框架，以补充和完善现有标准体系。1.3适用范围与目标ISO/TR13849-3:2026适用于各类机械控制系统中的安全相关部件，涵盖电气、电子、可编程电子及液压、气动等不同技术领域。其目标在于提供一种基于马尔可夫状态空间的分析方法，帮助设计人员针对具体安全功能架构构建状态转移模型，定量计算PFH值，并据此校核安全性能等级PL的达标情况。该技术报告旨在作为ISO13849-1的补充技术支撑文件，用于工程设计、符合性评估及认证审核环节。2标准内容概述2.1马尔可夫模型的基本原理马尔可夫模型是一种以状态空间描述系统行为并依据转移速率刻画状态间动态演化的数学方法。在安全相关控制系统的PFH计算中，系统被抽象为若干离散状态，如“正常无危险”“可检测危险失效”“不可检测危险失效”等，各状态之间的转移以失效率（λ）、修复率（μ）、诊断覆盖率（DC）等参数加以表征。通过建立并求解状态转移方程组，可得到系统处于危险失效状态的稳态概率，进而换算为PFH值。与传统简化公式相比，马尔可夫模型的突出优势在于可同时纳入多个影响因子，包括系统的冗余结构、共因失效因素、诊断测试间隔、在线修复策略以及周期性功能验证等。这种建模方法对系统的瞬时行为和长时间稳态趋势均能给出准确刻画，特别适用于高完整性安全系统的性能评估。2.2标准主要内容框架ISO/TR13849-3:2026在结构编排上循序渐进，主要包含以下技术要点：（1）状态空间的构建方法。标准首先给出了状态定义的一般规则，指导设计人员根据系统架构和安全功能定义出完备且互斥的状态集合。每个状态需明确表征系统当前的安全状态类别（正常、安全失效、危险失效等），并区分为“可检测”和“不可检测”两类危险失效，为后续计算奠定基础。（2）关键参数的确定。标准详细规定了各类模型参数的选取方法，包括元器件危险失效率（λD）、诊断覆盖率（DC）、共因失效因子（β）、平均修复时间（MTTR）以及验证测试间隔（T验证）等。对于参数来源，标准明确要求优先采用经认可的数据手册值、行业可靠性数据库（如IEC61709或SN29500等）或根据现场运行数据统计分析获得，以确保计算结果的权威性、可追溯性和符合性。（3）求解方法与数值算法。针对不同复杂度水平，标准推荐了相应的求解策略。对于状态数较少的小规模模型，可采用解析法（微分方程组直接求解）；对于状态数较多的大规模模型，则建议采用数值积分方法或借助专用可靠性分析软件实施计算。标准同时给出了求解结果的收敛判据与误差控制要求，保证结果的工程可信度。（4）结果表达与PL等级对接。标准在PFH计算结果的基础上，提供了与ISO13849-1规定的PL等级（a至e级）的对照方法。设计人员可根据求得的PFH值确定所设计系统的性能等级是否达到目标值，并可灵敏地分析不同设计参数（如DC、β、验证测试间隔等）对最终安全性能的影响程度。（5）工程应用示例。为提升标准的操作性，报告设置了多个典型应用示例，包括单通道系统、双通道冗余系统（1oo2结构）、带诊断的并联结构等，每个示例均包含完整的建模步骤、参数输入和结果输出过程。这些示例对于工程设计人员具有直接的参考和指导价值。2.3标准创新点该标准的核心创新体现在将马尔可夫方法从学术研究层面系统性地转化至工程标准操作层面，围绕机械安全SRP/CS领域建立了统一、规范的状态建模和PFH计算流程。其规则化的状态构建方法降低了建模对个人经验的依赖，配套的验证与验证测试间隔评估框架增强了计算的工程适应性，从而使复杂的可靠性建模技术首次以高度工程化形态为机械安全设计人员所用。3标准与现有体系的协调及创新——从ISO13849-1到IEC61508的技术衔接ISO/TR13849-3:2026并非孤立存在，而是ISO13849系列标准整体框架下的重要延伸。ISO13849-1:2023确立了PL等级的评定原理，将PFH作为安全功能的量化考核指标，但其本身仅提供了简化条件下的近似计算公式，适用场景较为受限。ISO13849-2则侧重于安全相关部件的验证与确认流程，未对PFH计算的建模过程作深入阐述。ISO/TR13849-3的发布，填补了该系列在精细化建模与精确计算方面的技术空白。在更宏观的标准层面，ISO/TR13849-3与IEC61508（功能安全基础标准）保持了良好的技术兼容性。IEC61508中广泛采用马尔可夫模型用于安全完整性等级（SIL）的量化评估，而ISO/TR13849-3借鉴了其中经过验证的建模思想，并根据机械控制的行业特点进行了适宜性调整，使PL与SIL两种评定体系在量化层面具备更强的可比性和转换可行性。此外，该技术报告与IEC62061（机械功能安全标准）在PFH计算方面形成互补。IEC62061面向电气电子可编程电子控制系统，偏重于SIL框架下的分析；而ISO/TR13849-3面向更广泛的安全相关部件类型（含液压、气动等非电气技术），与ISO13849-1的类别框架高度衔接。两者从不同维度为机械安全设计提供了量化评估手段。这种“ISO13849-1（架构体系）—ISO/TR13849-3（计算工具）—IEC61508（基础方法论）—IEC62061（电气领域实现）”的协同共进关系，体现了国际标准化组织在机械安全领域中技术方法的深度整合与科学布局。4主要参与单位介绍ISO/TR13849-3:2026的制定由ISO/TC199（机械安全技术委员会）下属工作组主导推进。来自德国、日本、美国、中国、意大利等多个国家的标准化机构及行业组织参与了研讨与文稿编制工作。其中，德国标准化协会（DIN）下属机械安全标准化委员会在该标准项目中发挥了尤为突出的技术牵头作用。德国作为全球机械制造强国，在机械安全标准化领域长期处于引领地位。DIN下属相关工作组召集了来自西门子、皮尔磁（Pilz）、菲尼克斯电气（PhoenixContact）等国际知名企业的功能安全专家，深度参与了建模规则与参数体系的讨论。其中，皮尔磁公司作为功能安全领域的先驱企业，凭借其在安全控制器件与系统评估方面的丰富工程经验，对标准中马尔可夫模型的工程化应用路径提供了大量实践验证数据，特别是在双通道冗余结构建模与共因失效因子选取方面做出了关键贡献。西门子公司的专家则在诊断覆盖率参数的建模方法及软件求解工具的实现策略方面提供了重要建议，为标准中数值算法框架的建立提供了有力支撑。中国作为ISO常任理事国，也积极派遣专家参与该技术报告的讨论与评审。全国机械安全标准化技术委员会（SAC/TC208）组织了国内相关科研院所和检测认证机构参与意见反馈，在标准草案中有关多技术融合系统（电气-液压联合控制）的建模适用性方面提出了建设性意见。此外，日本产业技术综合研究所（AIST）的专家在马尔可夫模型求解方法的数值稳定性方面提供了技术验证；意大利机械工程标准化委员会（UNI）在标准文本结构与术语规范化方面参与了统筹。上述多国专家团队的合作确保了该标准在全球范围内的普适性与权威性。5结论与展望ISO/TR13849-3:2026的发布是机械安全标准化进程中的重要里程碑。该技术报告以马尔可夫模型为核心工具，为控制系统的安全相关部件提供了系统性、精确化的PFH计算方法，有效拓展了ISO13849-1中简化计算的边界，填补了复杂架构下量化评估的技术空白。它不仅提升了PFH计算的科学性和可审计性，而且为安全设计人员提供了一套从参数确定到建模求解再到PL等级校核的完整技术路径。从应用前景来看，随着人工智能辅助安全控制、工业物联网远程诊断、预测性维护等新技术的不断渗透，安全控制系统的架构必将趋于多样化和智能化。ISO/TR13849-3所确立的马尔可夫建模框架具有高度扩展性，未来可便捷地嵌入智能组件的失效模型、动态诊断策略更新模块以及实时可靠性数据更新功能。与此同时，数字化仿真工具和可靠性分析平台的持续进步，将使基于该标准的PFH计算逐步实现自动化、可视化，进一步降低技术应用门槛，推动其在中小型制造企业中的广泛部署。参考文献[1]ISO13849-1:2023,Safetyofmachinery—Safety-relatedpartsofcontrolsystems—Part1:Generalprinciplesfordesign.[2]ISO13849-2:2012,Safetyofmachinery—Safety-relatedpartsofcontrolsystems—Part2:Validation.[3]ISO/TR13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