IEC 61508

IEC 61508是一项用于工业领域的国际标准，其名称是《电气/电子/可编程电子安全相关系统的功能安全》（Functional Safety of Electrical/Electronic/Programmable Electronic Safety-related Systems (E/E/PE, or E/E/PES）。

IEC 61508是由国际电工委员会发布，其目的要建立一个可应用于各种工业领域的基本功能安全标准。它将功能安全定义为：“是受控设备（EUC）或受控设备系统总体安全中的一部分；其安全性是依赖于电气/电子/可编程电子（E/E/PE）安全相关系统、其他技术的安全相关系统或外部风险降低措施的正确机能。”

## 简介

IEC 61508标准起源于工业程序控制领域。该标准涵盖了完整的安全生命周期，当制定相关领域特定的功能安全标准时，需要进一步细化说明。

IEC 61508标准定义的安全生命周期包含16个阶段，各阶段所关注的均是系统安全功能，粗略地可以分为3块：

- 1-5阶段描述了分析过程。
- 6-13阶段描述了实现过程。
- 14-16阶段描述了运作及维护过程。

标准由7个部分组成。

- 1-3部分包括标准需求，偏向规范性的内容。
- 4-7部分包括开发过程指导和示例，以资料性的内容为主。

IEC 61508标准的核心是风险和安全功能的概念。风险是指危害事件频率（或可能性）以及事件后果严重性的组合。可以借由应用包括电气/电子/可编程电子（E/E/PES）及其它技术构成的安全功能，使风险降低到可以容忍的水平。电气/电子/可编程电子以外的技术也可能被用于降低风险，但IEC 61508标准的详细需求只覆盖了采用E/E/PES技术的安全功能。

IEC 61508对风险的观点如下：

- 不可能达到零风险。
- 必须从一开始就要考虑安全性。
- 将风险降低到合理且可容忍的范围（ALARP）。

## 危害及风险分析

IEC 61508要求需实施危害分析及风险分析 (工程)：“针对每一个被确认的危害事件，需计算或估计EUC（受控设备）的风险”。

此标准建议“可以实施量化或非量化的危害及风险分析技术”，并在标准中提出了许多的分析方式。以下是一种量化危害分析的方式，将事件几率区分为6类，事件影响区分为4类：

出现几率的分类

分类｜定义｜范围（每年的失效率）

频繁（Frequent）｜系统生命周期中出现很多次｜> 10−3

可能（Probable）｜系统生命周期中出现数次｜10−3 至 10−4

偶尔（Occasional）｜系统生命周期中出现一次｜10−4 至 10−5

微乎其微（Remote）｜系统生命周期不太可能出现｜10−5 至 10−6

几乎不可能（Improbable）｜非常不可能出现｜10−6 至 10−7

难以置信（Incredible）｜无法相信会出现的事件｜< 10−7

影响的分类

分类｜定义

灾难（Catastrophic）｜多人死亡

严重（Critical）｜一人死亡

临界（Marginal）｜一人或多人重伤

轻微（Negligible）｜至多造成轻伤

可将上述的几率及影响组合成以下的风险矩阵

影响

几率｜灾难｜严重｜临界｜轻微

频繁｜I｜I｜I｜II

可能｜I｜I｜II｜III

偶尔｜I｜II｜III｜III

微乎其微｜II｜III｜III｜IV

几乎不可能｜III｜III｜IV｜IV

难以置信｜IV｜IV｜IV｜IV

其中

- I类：在任何情形下都无法接受。
- II类：不希望出现，只有在实务上无法降低风险，或是降低风险成本远高于改善所获得的效益时才可以接受。
- III类：若降低风险的成本高于改善所获得的效益，可接受这类事件发生。
- IV类：可接受这类事件发生，但需加以监控。

## 安全完整性等级

安全完整性等级主要是依以下三个要素的评估情形，较高的安全完整性等级需要在这三个部分有更好的相容性：

- 提升可靠度。
- 失效而安全。
- 管理、系统技术、验证及确认。

安全完整性等级是针对单一减少偒害的方法（在风险分析中决定），不是针对整个系统，也不是针对个别零件。

### 提升可靠度

对于连续运转的系统（连续模式）及一年运转超过一次的系统（高需求），需评怙其容许的失效频率。对于间歇性运转的系统（一年运转不到一次/低需求），失效几率定义为系统无法回应需求动作的几率。

SIL｜ 低需求模式：无法回应需求动作的平均几率 ｜ 高需求模式或连续模式：每小时出现危险失效的几率

1｜≥ 10−2 至 < 10−1｜≥ 10−6 至 < 10−5

2｜≥ 10−3 至 < 10−2｜≥ 10−7 至 < 10−6

3｜≥ 10−4 至 < 10−3｜≥ 10−8 至 < 10−7

4｜≥ 10−5 至 < 10−4｜≥ 10−9 至 < 10−8

### 失效而安全

安全故障失效比率（safe failure fraction，简称SFF）的计算可确认系统失效安全的程度。安全故障失效比率比较安全失效及危险失效的比例，但安全故障失效比率本身不足于宣告安全完整性等级，在 IEC 61508标准中有定义各等级的安全完整性等级需要的安全故障失效比率。

### 管理、系统技术、验证及确认

管理及系统技术确保可以避免在生命周期中任一部分出现的错误。即使是可靠度最高的保护方式，也可能被从初期概念、风险分析、规格、设计、安装、维护一直到丢弃过程中导入的错误所破坏。IEC61508列出在生命周期的各阶段需要应用的相关技术。

## 产业或特定领域标准

### 车辆软件

汽车产业软件可靠性协会（MISRA）的方针中涵盖了有关车辆安全相关系统的软件开发。MISRA计划是要提供车辆用嵌入式软件开发的方针。在1994年11月时发行了一套车用嵌入式软件开发的方针，是第一个在车辆产业对应IEC 61508的标准，1998年时MISRA提出了MISRA C，是兼顾嵌入式系统的安全性及可移植性的C语言开发标准。

ISO 26262是将IEC 61508延伸到车辆的电机/电子系统的安全标准。

### 铁路软件

EN 50128全名为《铁路应用-铁路控制及保护软件》（Railway applications - Software for railway control and protection）是将IEC 61508应用在铁路应用的欧盟技术标准，内容涵盖铁路控制及保护软件的开发，包括通讯、讯号及处理系统等。

### 制造业

制造业包括许多种类的制造工艺：包括炼油厂、石化、化工、制药、纸浆、造纸及电力等。IEC 61511是这些工程系统的技术标准，确保使用仪表设备时工业流程的安全性。

### 核电厂

IEC 61513全名为《功能安全－核能工业的安全仪表系统》（Functional safety – safety instrumented systems for the Nuclear Industries）提供了核电厂的设备及安全控制系统相关的要求及建议事项，其中的要求包括针对传体硬件的设备、以电脑为基础的设备以及同时使用上述二种技术的设备。

### 机械

IEC 62061全名为《机械安全与安全有关的电气、电子和可编程电子控制系统的功能安全标准》（Safety of machinery, Functional safety of safety-related electrical, electronic and programmable electronic control systems），是IEC 61508在机械安全的功能安全标准，IEC 62061提供了各类型和机械安全有关的电机控制系统的要求，适用于系统层级的设计，也适用于非复杂的子系统及设备。

## 软件测试

依IEC 61508开发的软件依其需达到的安全完整性等级（SIL）不同，有可能需要经过单元测试。单元测试的目的是在确认软件在模组层次已进行了完整测试。若是有些安全完整性等级较高的应用，软件的代码覆盖要求更高，而且也需使用修改条件判断覆盖（MCDC）准则，而不是简单的分支覆盖（branch coverage）。若要得到MCDC覆盖率的资讯，一般都需要单元测试软件，甚至是软件模组测试软件。

## 外部链接

- 功能安全中心
- 61508 Association
- IEC Functional safety zone
- Inside Functional Safety - Technical magazine focusing on functional safety
- CFSE Governance Board website
- - Motor Industry Software Reliability Association

### 论文

- A revised proposal for IEC 61508. This paper was presented at the Embedded Systems Show 2006 in Birmingham, UK.
- An article about meeting the IEC 61508 part 3 (software development) requirements for tool certification, specially compilers.
- Open IEC 61508 Certification of Products - This paper describes an assessment for product designs and the product development process that produces a full safety case as well as additional public documentation.
- Satisfying SIL Requirements: Ensure Functional Safety of E/E/PE Safety-Related Systems (from Parasoft)

## 延伸书目

- M.Medoff, R.Faller, "Functional Safety - An IEC 61508 SIL 3 Compliant Development Process" - www.exida.com
- C. O'Brien, "Final Elements and the IEC 61508 and IEC 61511 Functional Safety Standards" - www.exida.com
- M.Punch, "Functional Safety for the Mining Industry – An Integrated Approach Using AS(IEC)61508, AS(IEC) 62061 and AS4024.1." (1st Edition, ISBN 978-0-9807660-0-4, in A4 paperback, 150 pages). www.marcuspunch.com
- D.Smith, K Simpson, "Safety Critical Systems Handbook: A Straightforward Guide to Functional Safety, IEC 61508 (2010 Edition) And Related Standards, Including Process IEC 61511 and Machinery IEC 62061 and ISO 13849" (3rd Edition ISBN 978-0-08-096781-3, Hardcover, 288 Pages).