考慮時(shí)間因素的人因可靠性分析方法

余建星， 盧賀帥， 李 妍， 李 俊， 趙羿羽， 王亞瓊

(1.天津大學(xué) 建筑工程學(xué)院水利工程仿真與安全國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 天津 300072；2.高新船舶與深海開(kāi)發(fā)裝備協(xié)同創(chuàng)新中心， 上海 200240；3.海洋石油工程股份有限公司， 天津 300451)

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考慮時(shí)間因素的人因可靠性分析方法

余建星1,2， 盧賀帥1,2， 李 妍1,2， 李 俊3， 趙羿羽1,2， 王亞瓊1,2

(1.天津大學(xué) 建筑工程學(xué)院水利工程仿真與安全國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 天津 300072；2.高新船舶與深海開(kāi)發(fā)裝備協(xié)同創(chuàng)新中心， 上海 200240；3.海洋石油工程股份有限公司， 天津 300451)

該文首先改進(jìn)了認(rèn)知可靠性與失誤分析方法(CREAM)，根據(jù)海洋工程領(lǐng)域的作業(yè)特點(diǎn)修改了共同績(jī)效條件(CPC)，把共同績(jī)效條件對(duì)人因可靠性的影響進(jìn)行區(qū)分，建立新的總體人誤概率計(jì)算方法。其次結(jié)合馬爾科夫(Markov)理論推導(dǎo)出人誤概率和時(shí)間的關(guān)系函數(shù)，并建立考慮時(shí)間因素的人誤概率定量計(jì)算方法。實(shí)例分析表明，該方法的適用性和可靠性是合理有效的。

人因可靠性分析；海洋工程；認(rèn)知可靠性與失誤分析方法；馬爾科夫理論

0 引言

海洋石油工業(yè)具有自然環(huán)境相對(duì)惡劣、生產(chǎn)工藝復(fù)雜、作業(yè)空間狹小、作業(yè)內(nèi)容繁瑣等特點(diǎn)。海洋石油平臺(tái)工作人員每天的工作時(shí)間相對(duì)較長(zhǎng)，很多崗位的工作時(shí)間長(zhǎng)達(dá)12小時(shí)，有的甚至高達(dá)18小時(shí)。在長(zhǎng)時(shí)間值守過(guò)程中，受到環(huán)境(噪聲、高溫等)、任務(wù)壓力和生理規(guī)律等因素的影響，人的執(zhí)行任務(wù)能力總體呈下降趨勢(shì)，人為差錯(cuò)的產(chǎn)生概率將增加。因此對(duì)需要長(zhǎng)時(shí)間值守的任務(wù)進(jìn)行人因可靠性分析研究，確定合理的值班制度、降低人誤概率具有重要意義。

Hollnagel[1]提出的認(rèn)知可靠性與失誤分析方法(CREAM)是目前應(yīng)用較多，相對(duì)成熟的方法。Marzio[2]應(yīng)用模糊數(shù)學(xué)思想對(duì)CREAM方法進(jìn)行了改進(jìn)，He Xuhong[3]提出了一種簡(jiǎn)化的基于CREAM方法的人誤概率計(jì)算方法，柴松[4]將一種改進(jìn)CREAM方法應(yīng)用到海洋工程領(lǐng)域，徐培娟[5]將Markov理論應(yīng)用到人因可靠性分析。國(guó)內(nèi)外考慮組織因素對(duì)人因可靠性影響的研究較多，鮮有考慮時(shí)間因素對(duì)人因可靠性造成的影響。

該文根據(jù)海洋石油工業(yè)的實(shí)際情況，改進(jìn)了CREAM方法的，并結(jié)合了Markov理論，推導(dǎo)出人誤概率和時(shí)間因素之間的關(guān)系函數(shù)，得出考慮時(shí)間因素的人誤概率定量計(jì)算方法。

1 基于CREAM基本法的人誤概率定量分析

1.1 共同績(jī)效因子改進(jìn)

根據(jù)研究需要和海上油氣生產(chǎn)過(guò)程中的實(shí)際情況，由于可用時(shí)間一般與突發(fā)事件等情況有關(guān)，而突發(fā)事件往往會(huì)對(duì)人的心理和生理產(chǎn)生影響，減小該CPC對(duì)研究人因可靠性隨時(shí)間變化的一般規(guī)律的影響，刪除可用時(shí)間；由于海洋工程領(lǐng)域人機(jī)界面與運(yùn)行支持的完善性、同時(shí)出現(xiàn)的目標(biāo)數(shù)量對(duì)海上油氣生產(chǎn)作業(yè)的影響程度很小，因此刪除該CPC；由于海上作業(yè)勞動(dòng)強(qiáng)度高，工作人員的身體狀態(tài)會(huì)對(duì)人因可靠性產(chǎn)生顯著影響，故增加個(gè)人身體狀態(tài)。調(diào)整后的共同績(jī)效條件和可靠性對(duì)應(yīng)關(guān)系見(jiàn)表1。

表1 共同績(jī)效條件和可靠性對(duì)應(yīng)關(guān)系

CREAM基本法并未考慮在不同任務(wù)環(huán)境下CPC的權(quán)重差別，對(duì)所有的CPC同等對(duì)待，這顯然是不符合實(shí)際情況的。采用模糊層次分析法(Fuzzy Analytic Hierarchy Process，F(xiàn)AHP)，可以使CPC對(duì)于任務(wù)環(huán)境的描述更為精確。

1.2 人因可靠性定量計(jì)算

為便于CPC權(quán)重處理和綜合分值的計(jì)算，將CPC對(duì)可靠性期望影響的量化關(guān)系確定如下：

(1)

兩種影響模式對(duì)人因可靠性的影響不能直接抵消，因此將改進(jìn)和降低兩種影響模式分別進(jìn)行處理：

(2)

(3)

式中：I為產(chǎn)生改進(jìn)影響的CPCs加權(quán)；J為產(chǎn)生降低影響的CPCs加權(quán)；ωi為應(yīng)用模糊分析法求得的各CPCs的權(quán)重。

假設(shè)共同績(jī)效條件的變化和人因可靠性的改進(jìn)或者降低之間可以用對(duì)數(shù)關(guān)系來(lái)描述。人誤概率(human error probability，HEP)得到對(duì)應(yīng)關(guān)系如下：

(4)

(5)

(6)

式中：HEPI為改進(jìn)CPCs對(duì)人因可靠性影響總和；HEP0為不顯著CPCs對(duì)人因可靠性影響總和；HEPR為降低CPCs對(duì)人因可靠性影響總和；k為常數(shù)。

為了便于計(jì)算，假設(shè)各個(gè)CPC具有相同的權(quán)重值，即ωi=1/7，故I的最大值取6/7，此時(shí)HEPi取得最大值1；R的最大值取-1，此時(shí)HEPR取得最小值0.000 05。把數(shù)據(jù)帶入式(4)、式(5)可得：

HEP0≈0.010 349，k ≈-2.31 594

代入式(6)可以得到總體人誤概率：

(7)

2 基于Markov理論的人因可靠性時(shí)變規(guī)律

Markov理論可以用于分析任務(wù)時(shí)間連續(xù)的可靠性問(wèn)題[6]。對(duì)于海上油氣生產(chǎn)工作人員來(lái)說(shuō)，在時(shí)刻存在正確執(zhí)行任務(wù)和失誤兩種狀態(tài)：

(8)

對(duì)于長(zhǎng)期值守人員，假設(shè)其在tn時(shí)刻前并不進(jìn)行操作活動(dòng)，那么tn+1時(shí)刻能否正確執(zhí)行任務(wù)與其在t

(9)

對(duì)于確定的時(shí)刻t和t+Δt，轉(zhuǎn)移概率函數(shù)：

(10)

式中：a為t到t+Δt時(shí)間內(nèi)的平均失誤率。

(11)

長(zhǎng)期值守工作人員的狀態(tài)是一個(gè)連續(xù)的過(guò)程，因此其對(duì)應(yīng)的正確執(zhí)行任務(wù)的概率也是一個(gè)連續(xù)的過(guò)程。假設(shè)工作人員在任意時(shí)刻正確執(zhí)行任務(wù)概率的倒數(shù)存在，則對(duì)式(11)變形，并對(duì)Δt求極限得：

(12)

當(dāng)t=0時(shí)，認(rèn)為正確執(zhí)行任務(wù)的概率為1，即P(X(0)=0)=1。帶入并對(duì)微分方程(12)求解得：

(13)

則：

(14)

式中：F(t)為時(shí)刻工作人員操作失誤的概率。

由上文可知，通過(guò)式(7)求得的HEP代表該任務(wù)環(huán)境下的總體人誤概率，同時(shí)也是該特定環(huán)境下發(fā)生人誤概率的平均值，可以認(rèn)為HEP近似等于a，即HEP≈a，帶入式(14)：

(15)

根據(jù)式(14)繪制不同CPC情況下的人誤概率隨時(shí)間變換的曲線，如圖1所示。

圖1 不同CPC條件下任務(wù)概率隨時(shí)間變化曲線

由以上分析可以看出：(1)在任務(wù)環(huán)境良好的情況下，人誤概率受時(shí)間因素影響的程度很小。(2)在任務(wù)環(huán)境惡劣的情況下，人誤概率會(huì)隨著時(shí)間的推移大幅增加，因此有必要通過(guò)改進(jìn)工作人員的任務(wù)環(huán)境或者減少人員的工作時(shí)間以提高人員可靠性。(3)對(duì)于同一時(shí)刻而言，良好的任務(wù)環(huán)境對(duì)人誤概率的影響不大，而惡劣的任務(wù)環(huán)境會(huì)對(duì)人誤概率產(chǎn)生明顯的影響。

3 實(shí)例計(jì)算

以渤海海域某已經(jīng)投產(chǎn)的海上石油平臺(tái)為例，采用問(wèn)卷的形式進(jìn)行了調(diào)研。問(wèn)卷包涵7組題目，分別對(duì)7項(xiàng)CPC進(jìn)行了描述。在確定判斷標(biāo)準(zhǔn)時(shí)借鑒了模糊數(shù)學(xué)的思想，得到的CPC評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)見(jiàn)表2。

表2 CPC評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)

CPC的評(píng)價(jià)遵循最大隸屬原則，得到的CPC評(píng)價(jià)結(jié)果見(jiàn)表3。

表3 CPC評(píng)價(jià)結(jié)果

根據(jù)專家對(duì)不同CPC的打分?jǐn)?shù)據(jù)，利用FAHP方法建立模糊判斷矩陣，經(jīng)計(jì)算得到各CPC的權(quán)重值，見(jiàn)表4。

表4 模糊矩陣和權(quán)重值

結(jié)合表3和表4的數(shù)據(jù)計(jì)算得到：

I=0.124, R=-0.567

圖2 人誤概率和時(shí)間的對(duì)應(yīng)關(guān)系 誤概率變化的一般規(guī)律，得出考慮時(shí)間影響的人誤概率定量計(jì)算方法。實(shí)例計(jì)算表明，該方法合理可行，對(duì)于確定值班制度、降低人誤概率有重要意義。

[1] Hollnagel E. Cognitive Reliability and Error Analysis Method：CREAM [M]. Oxford, UK: Elsevier Science Ltd, 1998.

[2] Marzio Marseguerra, Enrico Zio, and Massimo Librizzi. Human Reliability Analysis by Fuzzy “CREAM” [J]. Risk Analysis. 2007(27):137-154.

[3] He Xuhong, Wang Yao, Shen Zupei, et al. A simplified CREAM prospective quantification process and its application [J]. Reliability Engineering and System Safety, 2008,93(2):298-306.

[4] 柴松，余建星，馬維林，等．基于CREAM和不確定推理的人因可靠性分析方法[J]．天津大學(xué)學(xué)報(bào)，2013，45(11)：958-962．

[5] 徐培娟，彭其淵，文超，等．基于THERP—Markov原理的高鐵列調(diào)人因可靠性分析[J]．交通運(yùn)輸系統(tǒng)工程與信息，2014，14(6)：133-140．

[6] 郭永基．可靠性工程原理[M]．北京：清華大學(xué)出版社；施普林格出版社，2002．

[7] Li G, Moridis GJ, Zhang K, Li X-S. Evaluation of gas production potential from marine gas hydrate deposits in shenhu area of south china sea. Energy and Fuels. 2010;24(11):6018-33.

[8] Fan H.G., Liu Q.Q., An Y., Effects of Fracture Seepage on the Stability of Landslide during Reservoir Water Level Fluctuation, Disaster Advances, 2010;3(4):306-308.

[9] Xiaohui Zeng, Yang Yu, Liang Zhang, Qingquan Liu and Han Wu. A New Energy-Absorbing Device for Motion Suppression in Deep-Sea Floating Platforms.Energies.2015,8(1),111-132.

將上述數(shù)據(jù)代入式(15)，得到該海洋平臺(tái)工作人員的人誤概率為：

人誤概率與時(shí)間的對(duì)應(yīng)關(guān)系如圖2所示。

在上述惡劣任務(wù)環(huán)境中工作6小時(shí)的情況下，工作人員的人誤概率高達(dá)0.192 3。可見(jiàn)對(duì)于上述特定相對(duì)惡劣的環(huán)境而言，人誤概率會(huì)隨著時(shí)間的推移大幅增加。管理人員應(yīng)該考慮減小工作人員的值班時(shí)間或者改善當(dāng)前任務(wù)環(huán)境。

4 結(jié)論

該文改進(jìn)了CREAM法，把CPC的兩種影響模式分別進(jìn)行了定量計(jì)算，減少了該方法中的不合理因素。然后結(jié)合Markov相關(guān)理論， 定量描述人在長(zhǎng)時(shí)間值守過(guò)程中人

A Human Reliability Analysis Method Considering Time Factor

YU Jian-xing, LU He-shuai, LI Yan, LI Jun, ZHAO Yi-yu, WANG Ya-qiong

(1. State Key Laboratory of Hydraulic Simulation and Safety, Tianjin University, Tianjin 300072, China;2.Collaborative Innovation Center for Advanced Ship and Deep-sea Exploration, Shanghai 200240, China;3.Offshore Oil Engineering Co., Ltd, Tianjin 300451,China)

This work improved cognitive reliability and error analysis method (CREAM) by modifying the common performance conditions (CPC) based on the characters of ocean engineering, separated the influence of the CPC, and then derived a method for calculating overall human error probability. A function was constructed between human error probability and time by combining the method above and Markov property. Quantitative method to calculate human error probability considering time factor was established. An analysis of the example was given, and the results showed the quantitative method is reasonably and effective.

human reliability analysis; ocean engineering; cognitive reliability and error analysis method; Markov theory

2015-07-23

國(guó)家重點(diǎn)基礎(chǔ)研究發(fā)展計(jì)劃資助項(xiàng)目(NO.2014CB046804)，國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(NO.51239008)，國(guó)家自然科學(xué)基金(NO.51379145)。

余建星(1958-)，男，教授。

1001-4500(2016)01-0073-05

TE 88

A