核電廠數(shù)字化主控室操縱員行為形成因子評(píng)價(jià)模型

劉艷琪，張 力,,*，劉雪陽(yáng)，劉建橋，李林峰

(1.南華大學(xué) 核科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，湖南 衡陽(yáng) 421001；2.湖南工學(xué)院 人因與安全工程研究院，湖南 衡陽(yáng) 421002；3.蘇州熱工研究院有限公司，江蘇 蘇州 215000)

人因可靠性分析(HRA)對(duì)概率安全評(píng)價(jià)(PSA)的質(zhì)量有很大影響，是國(guó)際原子能機(jī)構(gòu)(IAEA)高度關(guān)注的問(wèn)題。HRA的主要目標(biāo)為分析正常工況和事故工況下的人因失誤，并量化其發(fā)生概率。HRA方法一般可分為時(shí)間關(guān)聯(lián)的可靠性分析[1-3]和行為形成因子(PSF)關(guān)聯(lián)的可靠性分析[4-6]兩大類，其中基于PSF的HRA方法中有一部分是利用PSF集調(diào)整人因失誤概率(HEP)，如人誤率預(yù)測(cè)技術(shù)(THERP)[7]、人誤評(píng)價(jià)與減少技術(shù)(HEART)[8]、認(rèn)知可靠性和失誤分析方法(CREAM)[9]，有一部分根據(jù)評(píng)級(jí)和整合的PSF得到HEP，如成功似然指數(shù)法(SLIM)[4]和人因可靠性社會(huì)技術(shù)評(píng)估法(STAHR)[5]，還有一些HRA方法如CREAM、復(fù)雜系統(tǒng)中認(rèn)知可靠性分析法(INCORECT)[10]和人誤分析技術(shù)(ATHEANA)[11]利用PSF集進(jìn)行定性和定量分析整個(gè)工作環(huán)境和促使犯錯(cuò)的背景。上述文獻(xiàn)提出的影響人因可靠性的PSF很多，但分析PSF對(duì)人因可靠性影響程度的方式是通過(guò)專家評(píng)判，從而帶有主觀性、模糊性和不確定性，且用于量化HEP的每套PSF都不是相互正交和獨(dú)立的，它們之間存在相互影響，從而給HEP的量化帶來(lái)錯(cuò)誤的估計(jì)。實(shí)際上不同類型的人因事件，主要影響人的行為可靠性的PSF各有異同，上述文獻(xiàn)未給出一種有效方法以識(shí)別不同類型的人因事件中影響人行為可靠性的主要的PSF，為人因失誤的預(yù)防提供決策支持。

本文對(duì)典型HRA方法中提出的PSF進(jìn)行總結(jié)研究，考慮標(biāo)準(zhǔn)化核電廠風(fēng)險(xiǎn)分析人因可靠性分析方法(SPAR-H)[12]、核設(shè)施安全委員會(huì)(CSNI)[9]及HRA在實(shí)踐操作中PSF的分類[13]，通過(guò)對(duì)主控室操縱員和主控室全尺寸模擬機(jī)培訓(xùn)教員進(jìn)行問(wèn)卷調(diào)查，運(yùn)用德?tīng)柗品ǎ俳Y(jié)合數(shù)字化控制系統(tǒng)中的情境環(huán)境特征的分析[14]，識(shí)別核電廠數(shù)字化主控室中典型的PSF，構(gòu)建數(shù)字化主控室影響操縱員績(jī)效的15個(gè)基本評(píng)價(jià)指標(biāo)。利用人因事件的相關(guān)系數(shù)矩陣、圖的距離分類和主成分分析法(PCA)相結(jié)合的思想構(gòu)建核電廠數(shù)字化主控室操縱員PSF的評(píng)價(jià)模型。

1 PSF評(píng)價(jià)指標(biāo)的建立

在定性的HRA中PSF被認(rèn)為是失誤的原因和貢獻(xiàn)因子，在定量的HRA中PSF被用來(lái)量化人因失誤概率，故PSF在HRA方法中起著重要的作用。通過(guò)對(duì)典型HRA方法中PSF分類的研究，如CREAM選擇9個(gè)共同績(jī)效條件(CPC)、NUREG-1792選擇14個(gè)PSF、SPAR-H選擇8個(gè)PSF及Groth等[15]的9個(gè)因子模型，IDAC模型[16]研究了人因失誤與情境環(huán)境的關(guān)系，把影響關(guān)系分成3類：?jiǎn)我蛩刂鲗?dǎo)影響(用I表示)，即PSF本身對(duì)具體的行為有著顯著影響；集體因素共同主導(dǎo)影響(用C表示)，即1組PSF像I類PSF一樣有同樣影響；可調(diào)整影響(用A表示)，即對(duì)行為響應(yīng)有某種程度影響，看作是對(duì)影響程度的修正因素，但沒(méi)有I和C類影響重要。在文獻(xiàn)調(diào)研的基礎(chǔ)上，以常見(jiàn)的8種HRA方法中的PSF為基礎(chǔ)，運(yùn)用問(wèn)卷調(diào)查和德?tīng)柗品êY選出與數(shù)字化核電廠主控室操縱員行為失誤相關(guān)的PSF集，列于表1。

2 基于主成分分析的PSF篩選模型

常用HRA方法有50多種PSF，它們之間存在相互影響，給HEP的量化帶來(lái)錯(cuò)誤的估計(jì)。然而不同類型的人因事件，主要影響人行為可靠性的PSF各有異同，為能用較少的因子反映較多因素的信息，采用PCA來(lái)進(jìn)行降維，定量篩選因素，盡可能多地減少冗余因素，從而簡(jiǎn)化影響人因可靠性的PSF指標(biāo)體系，更有利于管理決策，提高人因可靠性。

主成分分析[17-18]的優(yōu)點(diǎn)是在保證原始數(shù)據(jù)信息損失最小的情況下，用少數(shù)綜合變量取代原有的多維變量，使數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)大為簡(jiǎn)化，避免主觀隨意性。在實(shí)際情況中，并不是所有人因事件的主成分都是一樣的，因此本文在進(jìn)行主成分分析前先對(duì)人因事件進(jìn)行聚類，再?gòu)母黝愂录袑?duì)PSF進(jìn)行主成分分析。PSF篩選模型的建立分為兩個(gè)過(guò)程：首先利用人因事件報(bào)告建立事件與PSF的關(guān)聯(lián)矩陣，根據(jù)關(guān)聯(lián)陣得到事件間的相關(guān)系數(shù)矩陣，根據(jù)相關(guān)系數(shù)矩陣構(gòu)造的完全賦權(quán)圖對(duì)人因事件進(jìn)行分類[19-20]；然后從聚類后的人因事件集對(duì)PSF進(jìn)行主成分分析。

表1 核電廠數(shù)字化主控室操縱員PSF集

2.1 基于相關(guān)系數(shù)矩陣的人因事件分類模型

用人因事件的相關(guān)性對(duì)事件進(jìn)行分類，以事件為頂點(diǎn)，事件間的相關(guān)系數(shù)作為完全賦權(quán)圖中邊的權(quán)值；得到事件間的完全賦權(quán)圖，根據(jù)相關(guān)系數(shù)大小將原始事件進(jìn)行分類，并根據(jù)實(shí)際需求給定的相關(guān)系數(shù)臨界值作為分類標(biāo)準(zhǔn)。

事件分類的具體步驟如下。

i=1,2,…,n;j=1,2,…,m

(1)

步驟2，根據(jù)事件間的相關(guān)系數(shù)得到距離完全賦權(quán)圖G，令每一個(gè)事件與圖G中1個(gè)頂點(diǎn)v一一對(duì)應(yīng)，圖G的頂點(diǎn)集V={v1,v2,…,vk}，從而邊集E={(u,v)|?u∈V,?v∈V,u≠v}，則圖G為1個(gè)完全簡(jiǎn)單圖。

設(shè)每條邊(vi,vj)(i≠j)上賦權(quán)為wij=ρij，將圖G中的每一條邊賦權(quán)wij，則圖G為1個(gè)完全賦權(quán)圖。

步驟3，給定相關(guān)系數(shù)的臨界值，對(duì)指標(biāo)進(jìn)行分類。對(duì)事件進(jìn)行分類，實(shí)質(zhì)上是對(duì)圖G的頂點(diǎn)集進(jìn)行一個(gè)劃分，即V=V1∪V2∪…∪Vt。其中，Vi∩Vj=Φ(i,j=1,2,…,t)且Vi={u|?u∈V,?v∈V有d(u,v)≤ρ}∪{v}，ρ為事先給定的閾值。

根據(jù)相關(guān)系數(shù)矩陣構(gòu)造的完全賦權(quán)圖聚類算法步驟如下：1) 輸入圖G；2) 計(jì)算每個(gè)頂點(diǎn)的度，按度排序記為d(v1)≥d(v2)≥…≥d(vn)；3) 找v1的鄰集，記為N(v1)；4) 找聚類團(tuán)Ks，使得v1∈V(Ks)，求G[v1∪N(v1)]/{v1}的最大完全圖；5)G=G/Ks，返回步驟2，直到G為空，輸出所有的Ks，即得到聚類的結(jié)果。

這個(gè)聚類算法的優(yōu)點(diǎn)是直觀地把相關(guān)性較高的因素聚成一團(tuán)，圖頂點(diǎn)度越大，聚類效果越好，但對(duì)度越小的頂點(diǎn)容易分成很多類，在精確度上有一定的缺陷，且聚類結(jié)果不是唯一的。本文在此基礎(chǔ)上進(jìn)行了優(yōu)化，在團(tuán)與團(tuán)之間再進(jìn)行聚類，其基本思想是定義團(tuán)與團(tuán)之間的相關(guān)系數(shù)，再以團(tuán)作為頂點(diǎn)，團(tuán)與團(tuán)之間的相關(guān)系數(shù)為圖中邊的權(quán)值，得到完全賦權(quán)圖，給定相關(guān)系數(shù)的臨界值再對(duì)團(tuán)進(jìn)行聚類。團(tuán)G1與G2間的相關(guān)系數(shù)η定義為：

(2)

其中：ρvivj為邊vivj上的相關(guān)系數(shù)；‖E[V1,V2]‖為邊集E[V1,V2]中邊的數(shù)目，E[V1,V2]={vivj|vi∈V1,vj∈V2，vivj∈G}，V1=V(G1)；V2=V(G2)。

2.2 基于主成分分析的因素篩選模型

PCA的基本思想是對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行降維，把原來(lái)眾多且相關(guān)性較高的指標(biāo)x1，x2，…，xp重新進(jìn)行組合，用1組有較少且互不相關(guān)(正交)的綜合指標(biāo)Zm(m

(3)

其中：xi為第i個(gè)指標(biāo)，i=1,2,…,p；zj為第j個(gè)主成分，j=1,2,…,m；lji為第j個(gè)主成分中第i個(gè)因子對(duì)應(yīng)主成分的因子載荷；p為指標(biāo)個(gè)數(shù)；m為主成分個(gè)數(shù)。

主成分分析指標(biāo)篩選的具體步驟如下。

步驟1，從聚類的事件集中計(jì)算PSF的相關(guān)系數(shù)矩陣R。

(4)

步驟2，求出相關(guān)系數(shù)矩陣R的特征值λi和它對(duì)應(yīng)的特征向量ei(i=1,2,…,p)、方差的貢獻(xiàn)率ωi和累積的貢獻(xiàn)率G(m)。

其中λi的意義是第i個(gè)主成分能解釋原指標(biāo)的數(shù)據(jù)的總方差，則第i個(gè)主成分對(duì)原指標(biāo)數(shù)據(jù)方差的貢獻(xiàn)率ωi為：

(5)

累計(jì)的貢獻(xiàn)率G(m)為：

(6)

步驟3，據(jù)累計(jì)貢獻(xiàn)率(或特征值)選擇主成分，最后確定主成分的個(gè)數(shù)m。選取主成分的準(zhǔn)則為：取G(k)≥85%所對(duì)應(yīng)的主成分或取λi>1對(duì)應(yīng)的主成分。

步驟4，通過(guò)計(jì)算λi對(duì)應(yīng)的特征向量ei從而得到主成分的因子載荷lij。

設(shè)aij為λi對(duì)應(yīng)的特征向量ei中第j個(gè)分量，lij為：

(7)

步驟5，以主成分的因子載荷lij的絕對(duì)值來(lái)篩選指標(biāo)。lij的絕對(duì)值越大表明PSF對(duì)評(píng)價(jià)結(jié)果的影響越顯著，則越應(yīng)保留；lij的絕對(duì)值越小則表明PSF對(duì)評(píng)價(jià)結(jié)果的影響越弱，則越應(yīng)刪除。

3 實(shí)例分析

3.1 人因事件分類

以某數(shù)字化運(yùn)行核電廠179起人因事件報(bào)告為例，令每個(gè)事件為圖G中的1個(gè)頂點(diǎn)v，則G的頂點(diǎn)集為V={v1,v2,…,v179}。根據(jù)人因事件與表1的15個(gè)具體PSF的關(guān)聯(lián)矩陣，將數(shù)據(jù)代入式(1)，計(jì)算得到各事件間的相關(guān)系數(shù)rij，得到相關(guān)系數(shù)矩陣；以rij作為圖G上每條邊(vi,vj)所對(duì)應(yīng)的權(quán)wij，得到權(quán)矩陣W=[wij]179×179。給定閾值|ρ|=0.6(即在完全賦權(quán)圖中相關(guān)系數(shù)的絕對(duì)值大于等于0.6的邊保留，相關(guān)系數(shù)的絕對(duì)值小于0.6的邊刪除)，根據(jù)完全賦權(quán)圖構(gòu)造的團(tuán)聚類方法聚類結(jié)果如圖1a所示，再進(jìn)行團(tuán)之間的聚類，結(jié)果如圖1b所示。從最終聚類結(jié)果可知，179起人因事件聚成7類，與經(jīng)HRA專家事先定義的技能型、規(guī)則型、知識(shí)型人因事件的分類結(jié)果幾乎一致。

3.2 PSF篩選

將聚類后的團(tuán)(事件集)以聚類得到的規(guī)則型事件集為例對(duì)15個(gè)PSF進(jìn)行主成分分析，將PSF相應(yīng)的數(shù)據(jù)代入式(3)～(7)，應(yīng)用SPSS軟件進(jìn)行主成分分析，選擇主成分的特征值大于1或累計(jì)方差貢獻(xiàn)率大于85%的各主成分中因子載荷的絕對(duì)值較大的PSF，本文選取第1主成分中因子載荷絕對(duì)值大于0.8的PSF和第2、3主成分中因子載荷絕對(duì)值最大的PSF，分析結(jié)果列于表2、3。由表2可知，提取前3個(gè)主成分，即m=3。由表3可知，人機(jī)界面交互性、顯示系統(tǒng)的合理性、信息質(zhì)量、任務(wù)復(fù)雜度、規(guī)程設(shè)計(jì)的合理性、時(shí)間負(fù)荷、班組間溝通的質(zhì)量在第1主成分上有較高荷載，班組成員構(gòu)建的合理性在第2主成分上有較高荷載，安全文化氛圍在第3主成分上有較高荷載。

a——第1次聚類結(jié)果；b——第2次聚類結(jié)果

表2 主成分的特征值和方差貢獻(xiàn)率

表3 主成分因子載荷矩陣表

3.3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

以某核電廠的179起人因事件對(duì)本模型進(jìn)行驗(yàn)證，通過(guò)聚類對(duì)其分為技能型人因事件、規(guī)則型人因事件、知識(shí)型人因事件、技能和規(guī)則混合型人因事件、技能和知識(shí)混合型人因事件、規(guī)則和知識(shí)混合型人因事件7大類，對(duì)其中的規(guī)則型人因事件通過(guò)主成分分析法從15個(gè)影響人因可靠性的基本評(píng)價(jià)指標(biāo)中篩選出9個(gè)指標(biāo)，即人機(jī)界面交互性、顯示系統(tǒng)的合理性，信息質(zhì)量、任務(wù)復(fù)雜度、規(guī)程設(shè)計(jì)的合理性，時(shí)間負(fù)荷、班組成員構(gòu)建的合理性、安全文化氛圍。

4 小結(jié)

人因可靠性受諸多PSF的影響，但PSF對(duì)人因可靠性影響程度的估計(jì)是通過(guò)專家評(píng)判，從而帶有主觀性、模糊性和不確定性，且用于量化HEP的每套PSF均不是相互正交和獨(dú)立的，它們之間存在著相互影響。在實(shí)際中不同類型的人因事件，主要影響人可靠性的PSF各有異同，本文利用相關(guān)系數(shù)矩陣、圖的距離分類和主成分分析法相結(jié)合的思想建立了核電廠數(shù)字化主控室操縱員PSF的評(píng)價(jià)模型，針對(duì)不同類型的人因事件選出影響人可靠性的主要PSF，為人因失誤的預(yù)防提供決策支持。以某核電廠的179起人因事件對(duì)本模型進(jìn)行驗(yàn)證，聚類結(jié)果比較理想，在同類型人因事件中提出的主要影響人因可靠性的PSF與當(dāng)今主流的HRA方法提出的PSF幾乎一致。