基于AHP-SLIM 的抽水蓄能電站充排水人因失誤預(yù)測(cè)分析

馬慧鑫，余萍，梁靜，邱蘭清

（天津農(nóng)學(xué)院 水利工程學(xué)院，天津 300392）

人因可靠性（Human reliability）用于描述在系統(tǒng)運(yùn)行的任何階段里，人員在規(guī)定的最短時(shí)間內(nèi)成功完成任務(wù)的概率。人因可靠性分析（Human Reliability Analysis，HRA）發(fā)展的第一階段是20世紀(jì)50 年代，美國(guó)Sandia 國(guó)家實(shí)驗(yàn)室數(shù)學(xué)家Herman Williams和電子設(shè)備工程師Purdy Meigs在1952 年的武器系統(tǒng)可行性研究報(bào)告中發(fā)表了關(guān)于復(fù)雜裝備系統(tǒng)的風(fēng)險(xiǎn)分析。他們首先試圖評(píng)估人為失誤對(duì)設(shè)備可靠性的影響，繼而評(píng)估人為失誤的概率，隨后有關(guān)HRA 的方法不斷被提出并得到了初步發(fā)展[1]。在我國(guó)，HRA 早期主要應(yīng)用于核工業(yè)、航空等領(lǐng)域，近年來在船舶、水利等行業(yè)也有所發(fā)展。李鵬程等早在20 世紀(jì)90 年代就已經(jīng)對(duì)人因可靠性分析做出了較為全面的闡釋。李鵬程等長(zhǎng)期致力于研究人的可靠性分析技術(shù)，并總結(jié)了人因可靠性的進(jìn)展和發(fā)展趨勢(shì)[2]；何旭洪等進(jìn)行了人因可靠性方法的比較分析[3]，運(yùn)用HRA發(fā)現(xiàn)核電站的安全問題，提出改進(jìn)建議與措施，為我國(guó)HRA 的發(fā)展領(lǐng)域做出了貢獻(xiàn)。水利樞紐工程對(duì)社會(huì)經(jīng)濟(jì)、生態(tài)和人們?nèi)粘Ｉ钣兄匾绊?，將人因分析?yīng)用于水利工程中，是提升水電站作業(yè)安全及人員可靠性的有效途徑。厲丹丹等在上千座潰壩事件中，挑選出板橋水庫(kù)、小海子等多起典型的潰壩事件，分析事故發(fā)生的根源，找出與人因方面并且是主要導(dǎo)致失誤的因素，為水庫(kù)安全管理提供了可靠依據(jù)[4]；孫開暢等對(duì)水利工程施工中的安全人為因素進(jìn)行重要度分析，構(gòu)建事故樹-貝葉斯網(wǎng)絡(luò)模型，分析高處墜落事故中的關(guān)鍵人為因素及判斷重要度[5]。

人因可靠性分析發(fā)展至今，已有HCR、THERP、SLIM[6-7]為代表的1 代人因分析方法、CREAM、ATHEANA 為代表的2 代人因分析方法以及CES、COSIMO 等的3 代人因分析方法。SLIM 作為第一代人因可靠性分析方法，基于專家判斷的進(jìn)行人誤定量計(jì)算[8]，不需要將人因失誤分的很細(xì)，而是進(jìn)行高層次和相對(duì)整體的任務(wù)描述[9]，對(duì)于水電站作業(yè)具有較強(qiáng)的適用性。但由于SLIM 方法主要依靠專家判斷，缺少人因失誤數(shù)據(jù)庫(kù)，在實(shí)際應(yīng)用中往往存在判斷誤差的可能[10-11]。由于層次分析法（Analytic hierarchy process，AHP）中每個(gè)由專家賦值的判斷矩陣都會(huì)進(jìn)行一致性檢驗(yàn)來篩除不合格的專家打分，將其與SLIM 相結(jié)合可以很大程度上提高SLIM 方法中專家打分的合理性和規(guī)范性，從而提高對(duì)水電站作業(yè)過程中的風(fēng)險(xiǎn)及失誤概率預(yù)測(cè)的正確性[12-13]。因此本文選取AHP 與SLIM 結(jié)合的方法，以抽水蓄能電站為例，通過分析抽水蓄能電站引水道充水和排水作業(yè)過程，以此確定作業(yè)人員人為失誤的影響因素，并計(jì)算失誤概率，達(dá)到對(duì)潛在風(fēng)險(xiǎn)的預(yù)先識(shí)別，進(jìn)而提出降低抽水蓄能電站引水道充排水作業(yè)中操作人員失誤概率的有效措施，并可據(jù)此結(jié)合實(shí)際完善相關(guān)工程中的規(guī)章制度。

1 方法介紹

1.1 SLIM 簡(jiǎn)介

1984 年Embrey 首次提出了成功似然指數(shù)法（Success likelihood index method，SLIM）[14]。SLIM是依賴于專家的一種集體評(píng)判方法。主要是在選取的多個(gè)待選方案中優(yōu)先量化專家意見。SLIM 認(rèn)為人完成某項(xiàng)任務(wù)的可靠性極大地依賴于當(dāng)時(shí)的行為形成因子PSF（Performance Shaping Factor）[15]。SLIM 需要計(jì)算各PSFs 的權(quán)重并對(duì)等級(jí)評(píng)分，進(jìn)而計(jì)算成功概率。

（1）專家對(duì)各個(gè)影響失誤的PSF 的權(quán)重值σi打分，歸一化得到Wi，如公式（1）。

Wi：指第i種的PSF 的歸一化權(quán)重值；σi：專家評(píng)分的權(quán)重值。

（2）利用AHP 矩陣計(jì)算得到每個(gè)PSF 對(duì)每個(gè)失誤的影響程度Ri，乘以其對(duì)于權(quán)重值即成功似然指數(shù)SLI，計(jì)算公式如公式（2）。

SLIj：為任務(wù)j 的SLIj；

Wi：指第i 種的PSF 的歸一化權(quán)重值（∑iWi＝1）；

Rij：第i 種PSF 影響下完成某項(xiàng)任務(wù)j 的相對(duì)可靠度。

之后應(yīng)用對(duì)數(shù)方程計(jì)算出成功概率，見公式（3）。

其中，a、b 均為待定系數(shù)，由成功似然指數(shù)所在區(qū)間進(jìn)行確定。

1.2 AHP 與SLIM 的結(jié)合

由于SLIM 方法缺少相關(guān)獨(dú)立的數(shù)據(jù)庫(kù)，其對(duì)失誤因子的判斷主要是依靠專家的主觀意向，容易出現(xiàn)專家意見產(chǎn)生分歧的情況[16]。層次分析法（Analytic hierarchy process，AHP）是一種定性和定量相結(jié)合的、系統(tǒng)的、層次化的分析方法，為多目標(biāo)、多準(zhǔn)則或無結(jié)構(gòu)特性的復(fù)雜決策問題提供簡(jiǎn)便的決策方法，并且AHP 中的一致性檢驗(yàn)可以篩除不符合標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)據(jù)。故本文將AHP 與SLIM相結(jié)合，在AHP 應(yīng)用階段，將SLIM 中PSFs 的重要性替換成AHP 中的可能性進(jìn)行大小比較，以每個(gè)PSF 為準(zhǔn)則，兩兩比較PSFs 得到各PSF 的權(quán)重值，即Wi；接著在各PSF 下對(duì)人為失誤發(fā)生可能性進(jìn)行兩兩比較，并對(duì)每個(gè)判斷矩陣進(jìn)行一致性檢驗(yàn)，得到PSFs 對(duì)每個(gè)失誤發(fā)生的影響程度，即Rij；之后返回SLIM 方法繼續(xù)計(jì)算得到各人因失誤發(fā)生的可能性即失誤似然指數(shù)。在量化階段對(duì)專家進(jìn)行多輪人誤發(fā)生概率的上下限進(jìn)行賦值，計(jì)算出a、b 兩個(gè)未知數(shù)，帶入失誤似然指數(shù)求出失誤發(fā)生概率。基于認(rèn)知可靠性與失誤分析方法（CREAM），該方法給出了通用效能條件（Common performance condition, CPC）的評(píng)估細(xì)則，包括組織完善性、工作條件、人機(jī)界面與操作支持的完善性、規(guī)程/計(jì)劃的完善性、必須同時(shí)考慮的目標(biāo)數(shù)量、任務(wù)的可用時(shí)間、值班時(shí)間區(qū)、培訓(xùn)程度和經(jīng)驗(yàn)水平、班組成員的協(xié)作水平，計(jì)算流程如圖1。

圖1 SLIM 計(jì)算流程圖

2 案例分析

就抽水蓄能電站而言，為保證水電站的順利運(yùn)行，工作人員需通過充排水期間取得的完整監(jiān)測(cè)資料對(duì)輸水系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和工程質(zhì)量進(jìn)行檢查，故操作人員的行為在此過程中起到了關(guān)鍵性作用。由于人的操作容易受多種外界的干擾，工作中檢查工作不細(xì)致或?qū)z測(cè)時(shí)間點(diǎn)把握的不精確就會(huì)對(duì)監(jiān)測(cè)的數(shù)據(jù)結(jié)果的準(zhǔn)確性造成一定影響，為了最大可能地消除人因部分的失誤，現(xiàn)對(duì)引水道充排水的每一步驟以及存在風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行分析提取PSFs。

2.1 抽水蓄能電站引水道充排水的步驟及風(fēng)險(xiǎn)辨識(shí)

抽水蓄能電站引水道充排水工作情況復(fù)雜多樣，其運(yùn)行工作主要保證各設(shè)備的運(yùn)行情況與設(shè)備的質(zhì)量安全，基本操作步驟及其中相對(duì)應(yīng)存在的風(fēng)險(xiǎn)見表1 和表2。

表1 抽水蓄能電站引水道充水步驟及風(fēng)險(xiǎn)辨識(shí)

表2 抽水蓄能電站引水道排水步驟及風(fēng)險(xiǎn)辨識(shí)

2.2 提取失誤以及PSFs

根據(jù)上述存在的風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行分析，提取出如下典型的人為失誤：

（1）球閥啟閉時(shí)因人員操作不當(dāng)導(dǎo)致球閥密封損壞；

（2）操作人員檢查不到位致使相關(guān)隧洞蝸殼等有人或者遺留物而造成損壞；

（3）操作人員對(duì)于相應(yīng)機(jī)組尾閘關(guān)閉不嚴(yán)，異常開啟；

（4）操作人員打開壓力鋼管手動(dòng)排水針閥進(jìn)行排水時(shí)放水速度過快導(dǎo)致混凝土開裂或壓力鋼管變形。

針對(duì)這些失誤，參考二代人因可靠性分析方法的CREAM 中外界因素對(duì)人類活動(dòng)影響的9 種共同績(jī)效條件，確定PSFs 如表3 所示。

表3 抽水蓄能電站引水道充排水中人因失誤行為形成因子

2.3 AHP-SLIM 應(yīng)用階段

本次專家評(píng)判階段設(shè)有兩組，專家組和操作人員組，在邀請(qǐng)的7 名專家和6 名操作人員評(píng)分結(jié)果中，其中有2 名專家和1 名操作人員的未通過歸一化檢驗(yàn)，故篩除。

得到專家打分賦值后，在每個(gè)PSF 準(zhǔn)則下每?jī)蓚€(gè)人因失誤相互比較，形成比較矩陣后計(jì)算就會(huì)得到PSFs 的權(quán)重值以及每個(gè)PSF 對(duì)失誤的影響程度，結(jié)果見表4 和表5。

表4 PSFs的權(quán)重值

表5 基于專家1 的各項(xiàng)人為失誤中PSFs的影響

以第一位專家為例，量化結(jié)果符合一致性檢驗(yàn)，滿足CR≤0.1 的要求后得到專家1 的評(píng)分結(jié)果。

根據(jù)公式（2）將專家1 評(píng)分結(jié)果中的PSFs對(duì)失誤1 的影響乘以對(duì)應(yīng)的PSFs 的權(quán)重值，得到專家1 的評(píng)分結(jié)果。其他結(jié)果如表6。

表6 專家評(píng)分結(jié)果匯總

通過專家對(duì)失誤發(fā)生概率的上下限的賦值，計(jì)算出a、b的值，將5 位專家對(duì)失誤1 的評(píng)分結(jié)果取幾何均值，得到FLIs 的幾何均值，帶入到公式（3）中得到失誤發(fā)生概率。再將操作人員組與專家組的結(jié)果對(duì)比，比值圍繞1 浮動(dòng)（表7）。說明專家組和操作人員組的意見趨于一致，結(jié)果具有代表性。

表7 結(jié)果匯總

3 結(jié)果與分析

本文所選用的是理論知識(shí)豐富的專家組和實(shí)操經(jīng)驗(yàn)豐富的操作人員組，且兩組結(jié)果對(duì)比精確率的計(jì)算結(jié)果圍繞1 上下略微浮動(dòng)，可以認(rèn)為專家組與實(shí)際操作人員組的意見大致統(tǒng)一，計(jì)算結(jié)果具有代表性。

從結(jié)果可以看出，失誤1 和失誤2 的發(fā)生概率概率較大，并且綜合表5 中專家1 和其他專家的評(píng)判結(jié)果可以看到PSF1“組織完善性”與PSF3“經(jīng)驗(yàn)培訓(xùn)是否充分”對(duì)失誤1的影響相對(duì)較大，PSF2、4 對(duì)應(yīng)的“人機(jī)界面（MMI）與運(yùn)行支持的完善性”“各成員合作質(zhì)量”對(duì)于失誤2影響較大。在抽水蓄能電站充排水作業(yè)中，良好健全的組織管理機(jī)制、操作人員的經(jīng)驗(yàn)水平和人機(jī)運(yùn)行支持的完善性對(duì)于操作人員檢查設(shè)備的時(shí)候減少失誤，提高效率起到了關(guān)鍵性影響。當(dāng)條件允許時(shí)，施工單位可以將工作環(huán)境、監(jiān)督管理體制、培養(yǎng)員工知識(shí)素養(yǎng)等進(jìn)行全面提升，當(dāng)條件限制時(shí)，可以優(yōu)先考慮如何完善組織管理體制和提升人員經(jīng)驗(yàn)水平，提高人機(jī)的協(xié)調(diào)性來最大程度減少失誤的發(fā)生。

4 結(jié)論

本文選取AHP-SLIM 方法對(duì)水電站人因可靠性進(jìn)行分析，根據(jù)抽水蓄能電站充排水作業(yè)步驟及存在風(fēng)險(xiǎn)提取出常見失誤和PSFs，并根據(jù)CREAM 中的共同績(jī)效條件進(jìn)行類比分析。根據(jù)專家組和操作人員組數(shù)據(jù)結(jié)果的一致性可以得出AHP-SLIM 的結(jié)合在分析抽水蓄能電站引水道充排水作業(yè)人因可靠性分析是可行的。通過案例分析結(jié)果可以得到以下結(jié)論：

（1）由于SLIM 沒有單獨(dú)的數(shù)據(jù)庫(kù)，專家意見評(píng)審階段中沒有具體的衡量標(biāo)準(zhǔn)，故SLIM 的分析過程對(duì)專家的經(jīng)驗(yàn)水平要求較高，本文將AHP與SLIM 相結(jié)合可以在一定程度上篩除部分專家不合理的打分，從而保證結(jié)果的準(zhǔn)確性。

（2）在抽水蓄能電站引水道充排水作業(yè)中，分析結(jié)果得到“因人員操作不當(dāng)導(dǎo)致球閥密封損壞”“操作人員檢查不到位致使相關(guān)隧洞蝸殼等有人或者遺留物而造成損壞”兩個(gè)失誤發(fā)生概率較大，在以節(jié)約成本為前提下，建議將管理體制、經(jīng)驗(yàn)水平、人機(jī)協(xié)調(diào)性為主要改善因子，工作單位機(jī)制考慮更加完善的工作管理體制，開展講座學(xué)習(xí)等提高人員經(jīng)驗(yàn)水平，提高操作人員使用設(shè)備的熟練度來減少失誤。