任務需求及資源的人因可靠性分析方法研究

陳 娟，吳澤坤

(1.集美大學理學院，福建 廈門 361021；2.北京航空航天大學可靠性與系統(tǒng)工程學院，北京 100191)

0 引言

由于不同工業(yè)領域中系統(tǒng)規(guī)模的不斷擴大，系統(tǒng)復雜程度在不斷提升，人-機交互也愈發(fā)頻繁。因此，近幾年來由人為因素所引起的事故逐漸增多。統(tǒng)計顯示，目前為止，超過60%的工業(yè)事故源于人因差錯[1]。在核電、航空、航運、鐵路、醫(yī)療等高危領域，人為事故會造成災難性的后果。針對工業(yè)領域中的人因差錯，研究人員展開了一系列定性和定量的研究，系統(tǒng)性的人因可靠性分析(human reliability analysis，HRA)方法也隨之被不斷提出[2-4]。本文參考職業(yè)壓力模型，對任務情景中的影響因素和操作人員的心理過程展開逐步分析，從任務需求和任務資源兩種分類下的因素對動機和壓力這兩個重要心理因素進行定性分析，并借鑒可靠性分析中所常用的威布爾分布模型[5]，構建了以動機強度和壓力水平作為自變量的概率模型，對人因差錯進行量化。

1 任務需求及資源方法

1.1 職業(yè)壓力模型

職業(yè)壓力指在工作所處的大型系統(tǒng)環(huán)境中不同因素相互交互而產生的壓力[6-7]。這些因素被稱為“心理壓力源”，它們包括過度的時間壓力、不佳的晉升前景、匱乏的工作支持等等。

職業(yè)壓力模型旨在針對這些壓力源對雇員的生理和心理所產生的影響展開分析，有2個重要特點：第一，職業(yè)壓力模型可以分析工作環(huán)境中引起工作者壓力的主要因素，即心理壓力源；第二，職業(yè)壓力模型發(fā)展出了可以從生理和心理兩個方面提升人為表現的方法。依據職業(yè)壓力研究中的相關理論和模型，可以對現有的HRA做出改進和創(chuàng)新。

1.2 任務需求及資源概念模型

如圖1所示，任務需求及資源方法主要有3個階段，即：行為形成因子 (behavior formation factor,PSFs)的識別，心理過程的分析以及人因差錯的量化。

1.3 動機、壓力及人因差錯之間的定量關系

1.3.1 動機、壓力和人為表現

動機被認為是人為表現模型的基礎并被長期作為組織心理學的研究焦點。本文著重考慮了動機和外部因素對于人為表現的綜合作用。同時，參考以耶克斯-多德森定律為代表的相關研究[8]，設想在每一次任務過程中操作者的人為表現都對應有一個確定的最佳動機水平。

1985年，Jamal[9]的研究支持了壓力和人為表現之間所存在的倒‘U’型曲線關系，即適度的壓力水平對于人為表現是最佳的。Wallgren等[10]的研究則表明，動機在工作者所感知的壓力水平和對于工作的控制程度之間起到了中介作用，并且動機強度和壓力水平呈現出負相關的關系。因此，在任務需求及資源方法中，動機被視作壓力和人為表現之間的中介變量，壓力水平和動機強度之間存在負相關的關系，如圖2所示。

1.3.2 人因差錯的量化

在HRA研究中，人為表現通常以人因差錯進行量化。依據節(jié)1.3.1中對于動機、壓力和人為表現之間關系的分析，人因差錯在任務需求及資源方法中的概率分布可由式(1)表示：

(1)

其中：m是作為隨機變量的動機強度，取值范圍為0～1；m0(s)是以壓力水平作為自變量的最佳動機函數，其具體計算方法將在下文中展開說明；k1是壓力系數，表示壓力對于人為表現的負面影響程度，其取值為壓力水平值的互補數；α,β是外部影響因素系數，表示任務情景之外的因素對于操作者人為表現的影響程度，其取值隨著任務類型而改變。

如圖3所示，在這一關于人因差錯的概率分布中，HEP隨著動機強度的增加呈現先下降后上升的趨勢。此外，在最佳動機強度m0(s)下有一個最低HEP值。這一關于人因差錯的‘U’型概率分布不僅與節(jié)1.3.1中動機和人為表現的關系相一致，而且揭示出了操作者行為背后復雜的心理過程。

確定HEP的最后一個步驟是對壓力在動機所產生的影響進行量化。依據Parker等[11]所做出的研究，高度壓力水平下操作人員的動機會大幅下降，將壓力水平和最佳動機建立線性回歸模型，對這兩個變量之間的負相關關系做出直觀的解釋，如式(2)所示：

m0(s)=1-k2s。

(2)

其中：s是壓力水平數值；k2是相關系數。

2 實驗研究

2.1 實驗設計

為了驗證任務需求及資源方法的適用性，進行了基于此方法的人因可靠性實驗研究。實驗旨在收集任務需求及資源方法所需的人因可靠性數據。

實驗儀器是一個基于單片機的模擬裝置，由1組PAPI燈、1個LCD顯示屏、1個輸入面板、1個信息處理系統(tǒng)和多個控制器組成。在實驗中，針對顯示屏所給出的具體信息，實驗對象需要結合PAPI燈的顯示做出相應的操作。通過在輸入面板中輸入指令，實驗對象的操作可以得到確認和評估，同時，實驗儀器可以記錄下實驗對象的表現和行為。

共有60名(36位男性和24位女性)身體健康的實驗對象參與了本次實驗。所有實驗對象會被隨機分配到具有不同實驗條件的5個實驗小組中，每個實驗小組中的實驗條件分別對應著不同的任務需求和任務資源。

2.2 實驗中的任務需求及資源

2.2.1 任務需求和任務資源

任務需求及資源方法中的第一個階段是對PSFs的識別和分類。在目前的HRA研究中，對于PSFs的選取并無共識。作為對于人因差錯分析的一種探索，實驗中，對PSFs和現有的HRA方法(CREAM、SPAR-H)進行分析比較[12-13]，認為應該強調諸如表現反饋和經濟報酬這樣的影響因素，最終選取了和實驗模擬任務緊密相關的8個PSFs，并將其分為任務需求(任務復雜度、時間壓力、不利的時間安排、不利的任務條件)和任務資源(經濟報酬、表現反饋、支持、訓練)2類，如表1所示。

表1 CREAM、SPAR-H和實驗中的PSFs選取

2.2.2 壓力水平

在實驗中，5個不同實驗小組的實驗條件可以根據專家評估進行具體量化。每個小組所對應的壓力水平可由這一量化結果做出估計，如式(3)所示。

s=[∑TD/max(∑TD)-∑TS/max(∑TS)]/2+1/2，

(3)

其中：s是基于PSFs對于操作者影響的估計壓力水平數值，取值范圍在0～1；∑TD為任務需求中產生顯著壓力影響的PSFs個數；∑TS為任務資源中產生顯著壓力影響的PSFs個數，它們是對應于任務需求和任務資源的PSFs所引起的壓力的數量值；max(∑TD) 和max(∑TS)分別是∑TD和∑TS的最大數值。

根據表2中第1號實驗小組的評測結果可知：任務需求中產生顯著壓力影響的PSFs個數為4，則有∑TD=4,同理可以得到∑TS=2。PSFs總的個數為max(∑TD)=4，同理可知max(∑TS)=4。由式(3)可以推得1號實驗小組中實驗對象所承受的壓力水平s=[4/4-2/4]/2+1/2=0.75,k1=1-s=0.25 。同理可以求得所有實驗小組壓力水平，總體結果如表3所示。

表2 第1號實驗小組中PSFs產生壓力數值的評估結果

表3 5個實驗小組的壓力水平數值和壓力系數

2.2.3 動機強度

相對于壓力水平，動機強度更易隨著不同的個體而產生差異。因此，僅僅采用專家評估難以對個體動機強度之間的差異進行充分分析。針對本次實驗，引入了心理量表對所有實驗對象的動機強度進行測量。在實驗開始之前，所有實驗對象都需要填寫由情景動機量表改編的調查問卷。問卷通過不同的回答選項從4個不同的維度對動機展開了度量。

2.2.4 實驗任務中的人為表現

對于人因差錯的量化是所有HRA方法中關鍵的步驟之一。實驗中實驗對象的人因差錯被定義為未能在給定的時間內完成所要求的任務。實驗條件之一的時間壓力恰好提供了與這一定義相一致的任務成功判據。這一判據是實驗對象完成任務的可用時間。若實驗對象未能在可用時間內完成任務，則認為任務失敗。根據這一判據,HEP可以通過實驗中實驗對象的失敗次數相對于總的任務操作次數的比例來計算。當實驗對象完成50次操作之后，HEP可以通過式(4)計算。

HEP=N0/N，Ti>Ta，

(4)

其中：Ti是實驗對象完成第i次任務所用的時間;Ta是完成任務的可用時間;N0是實驗對象任務失敗的次數;N是任務重復的總次數，實驗中被設定為50次。

2.3 實驗結果

在圖4中通過散點圖對實驗中不同實驗小組的人為表現結果進行了直觀展示。圖4中，x軸和y軸分別表示動機強度和HEP,每個數據點代表著一個實驗對象,不同的實驗小組則處于不同的壓力水平下。由圖4可以看出,1號實驗小組中實驗對象都處于最高壓力水平之下(s=0.75)，而這一組所對應的HEP也是相對最高的；相比之下，5號實驗小組的實驗對象所承受的壓力水平最低(s=0.125)，并且這一組的HEP也是5個實驗小組中最低的。直觀上，HEP隨著不同任務需求和任務資源下不同的壓力水平的上升而上升。對不同實驗小組之間的HEP差異進一步進行了以壓力水平作為單因素的方差分析，結果顯示，壓力水平對于HEP具有顯著的影響(P<0.05)。

每一個實驗小組的HEP曲線由節(jié)1.3.2中的任務需求及資源模型推導而出。對于1號實驗小組，根據其所對應的壓力水平(s=0.750)得到壓力系數(k1=0.250)，進而按照式(1)中的數學模型對實驗數據進行擬合，可以得出外部影響因素系數α和β(α=1.587，β=1.098)，見表4。由于實驗中不同小組的任務是相同的，其余4組的這兩個系數也保持一致。如圖5所示，5個實驗小組的擬合結果呈現出人因差錯伴隨著動機強度而產生的‘U’型趨勢。HEP的最小值可以在最佳動機強度取得。為了驗證動機在壓力和人為表現之間所起到的中介作用，對于實驗中的最佳動機強度和壓力水平進行了線性回歸分析，如圖6所示，依據回歸模型m0=1-k2s最佳動機強度和壓力水平之間呈現出線性關系：m0=1-1.204s(R2=0.740 9)。

表4 不同實驗小組的壓力水平和相應系數

3 結論

本文提出了任務需求及資源人因可靠性分析方法。通過參考人力資源管理中的職業(yè)壓力模型，將任務需求及資源方法聚焦于操作者在某個具體任務中的心理過程，并提出了分析人因差錯的3個基本階段。為了驗證任務需求及資源方法的有效性和適用性，開展了在給定任務需求和任務資源下的人因可靠性實驗，實驗結果支持了任務需求及資源方法中的定性和定量關系，并展示出了該方法在實際應用中的前景。