多機組核電廠機組間協(xié)作行為對組織可靠性的影響分析

雍 諾，夏冬琴，王飛鵬，戈道川

（中國科學(xué)院合肥物質(zhì)科學(xué)研究院核能安全技術(shù)研究所，合肥 230031）

2011 年日本福島核事故引起了國內(nèi)外學(xué)者對“一址多堆”核電廠安全問題的集中關(guān)注。美國學(xué)者Schroer 在審查了美國核電廠在2000 年到2011 年間的運行事故調(diào)查報告后發(fā)現(xiàn)：導(dǎo)致多機組事故的最常見的致因因素來源于組織人因失誤，占多機組事故調(diào)查報告的44%［1］。

預(yù)測和減少組織人因失誤，需要基于科學(xué)合理的分析和評價方法。起源于20 世紀60 年代的人因可靠性分析［2-3］（Human Reliability Analysis，HRA）就是一種系統(tǒng)化評估人因可靠性水平的技術(shù)。隨著研究的深入，學(xué)者發(fā)現(xiàn)引起人因失誤的根本原因來源于工作環(huán)境和組織因素。只有辨識組織失誤的形成機理，才能從源頭上控制人因失誤的發(fā)生［4］。當(dāng)前，組織行為失誤通常是作為影響人因失誤的一種因素開展研究，針對組織行為可靠性評價方面的研究較少［5］。

組織行為是否可靠是一個值得深入討論的問題。通常情況下，人們普遍認為組織行為相較于個體行為可以提供冗余性與機動性，然而在某些場景下，組織行為的可靠性反而不如個體行為。針對這一問題，社會心理學(xué)與管理學(xué)領(lǐng)域開展了豐富的研究工作［6-8］，但是相關(guān)成果在工業(yè)系統(tǒng)的安全評價中應(yīng)用較少。日本學(xué)者Furuta 提出了一種評估組織行為可靠性的數(shù)學(xué)網(wǎng)絡(luò)模型。該模型采用隱式構(gòu)模的方式，以馬爾科夫模型為基礎(chǔ)構(gòu)建組織可靠性模型。這一工作為核電廠這一類大型人機系統(tǒng)操縱員組織決策場景中的組織行為可靠性的評估提供了一種思路［9-11］。

雖然相關(guān)學(xué)者已經(jīng)意識到，組織人因是影響多臺機組獨立性的重要因素，但是相關(guān)研究仍然處于起步階段［12］。目前學(xué)界針對多機組運行模式下的組織人因失誤機理尚未形成統(tǒng)一的理論，相關(guān)分析方法也是在單機組背景下開發(fā)的，在應(yīng)用于多機組核電廠人因可靠性分析的過程中存在諸多問題。在多機組運行模式下，各機組通過人員、設(shè)備的共享或共用，實現(xiàn)了機組間信息的溝通和資源的協(xié)作。多機組核電廠中這一特殊的機組間協(xié)作行為，一方面，可為單臺機組的安全運行提供冗余設(shè)備和技術(shù)支持；另一方面，可能會破壞機組間的獨立性假設(shè)，在某些場景下可能對多機組核電廠的組織可靠性造成負面影響。

為了探究機組間協(xié)作對組織可靠性的影響機制，本文以Furuta 提出的組織可靠性模型［9］為基礎(chǔ)，結(jié)合多機組場景下組織行為特征［13-14］，建立多機組核電廠組織可靠性數(shù)學(xué)網(wǎng)絡(luò)模型。本文以雙機組核電廠為例，模擬分析機組間協(xié)作行為對多機組核電廠組織可靠性的影響作用，可為多機組核電廠的組織失誤預(yù)防和風(fēng)險評價提供理論支持。

1 組織行為可靠性數(shù)學(xué)網(wǎng)絡(luò)模型

在文獻［9］提出的組織可靠性數(shù)學(xué)網(wǎng)絡(luò)模型中，網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點表示組織中的成員，節(jié)點間的連線反映成員間的相互影響。在組織行為決策過程中，每個成員i被假定具有兩種行為決策狀態(tài)：+1（成功）和-1（失誤），其行為決策的質(zhì)量取決于成員的個人知識儲備、技能水平以及從環(huán)境中獲取信息的價值。一個具有N個成員的組織共有2N種配置狀態(tài)，隨著組織中的每一個成員異步地做出決策（平均速率為λi，描述單位時間內(nèi)成員行為決策狀態(tài)發(fā)生轉(zhuǎn)移的平均頻率，單位：每單位時間步），組織的配置狀態(tài)隨之發(fā)生改變。在第k個配置下，假定成員i可以從環(huán)境中獲取到的外部信息價值表示為：

如果將成員i在無群體互動情況下做出正確決策的概率的對數(shù)定義為成員i的個人能力（記為βi），那么在第k個配置下，成員i做出正確判斷或決策的概率服從sigmoid 函數(shù)：

式中，βi是成員i的個人能力參數(shù)，是成員i在第k個配置下可以從環(huán)境中獲取到的外部信息價值，是成員i在第k個配置下做出正確判斷或決策的概率。

如式（2）所示，成員i做出正確行為決策的概率取決于三方面因素：個人能力（βi），組織內(nèi)其他成員的影響，以及環(huán)境信息價值（ωiσi）。其中，ωiσi+βi在一定程度上反映了組織作為整體能夠調(diào)動的資源。與組織管理有關(guān)，如果組織內(nèi)成員間的影響強度ωij越大，群體就越有可能尋求一致，因此影響強度ωij反映了群體凝聚力。

上述過程可以轉(zhuǎn)換為一個在配置空間內(nèi)的連續(xù)馬爾科夫過程。對于任何一個配置k，如果僅僅改變其中一個成員i的狀態(tài)就會使之轉(zhuǎn)換為配置l，則稱配置l是配置k的鄰居，且由配置k到達配置l的轉(zhuǎn)移速率Gkl（描述單位時間內(nèi)發(fā)生狀態(tài)轉(zhuǎn)移的頻率，單位：每單位時間步）可以表示為：

式中，λi是成員i做出決策的平均速率；是成員i在配置k中的原始狀態(tài)；（+βi）是成員i在配置k中獲取的外部信息價值和個人能力的總和，也是成員i在配置k下做出行為決策的所有影響因素。假設(shè)成員i在配置k中的原始狀態(tài)為，當(dāng)該成員在影響因素（+βi）的作用下以速率λi做出行為決策，使得系統(tǒng)狀態(tài)從配置k到轉(zhuǎn)變?yōu)榕渲胠時，稱配置l是配置k的鄰居，且Gkl是系統(tǒng)由配置k到達配置l的轉(zhuǎn)移速率。

當(dāng)配置l不是配置k的鄰居時，轉(zhuǎn)移速率可以表示為：

對于上述馬爾科夫過程，在t時刻取到配置l的概率分布πl(wèi)（t）可以表示為：

式中，πm（t）是在t時刻取到配置m的概率分布，Gml是從配置m到達配置l的轉(zhuǎn)移速率，π（lt）是在t時刻取到配置l的概率分布，是所有成員做出決策的平均速率之和。

假設(shè)Tl是該組織在配置l下成功的條件概率，那么組織可靠性可以定義為：

在核電廠主控室場景下，認為組織的行動由某位核心成員（如班組長）做出決策，核心成員行為的成功與否決定了組織行為的成功概率。假設(shè)成員1 為核心成員，那么條件概率Tl可以定義為：

以上是Furuta 提出的組織可靠性數(shù)學(xué)網(wǎng)絡(luò)模型的基本框架。該模型假設(shè)組織行為的處理過程受到個體因素、群體因素和環(huán)境因素三方面的影響，其中成員的知識、能力和技術(shù)決定了個人行為決策正確性的上限，而組織架構(gòu)、管理模式和環(huán)境信息等因素最終決定了群體采用何種決策方案。該模型假定成員的行為決策是完全理性的，且組織內(nèi)部個體間存在方便快捷的信息溝通與共享渠道。在核電廠數(shù)字化主控室中，操縱班組成員是經(jīng)過嚴格培訓(xùn)、在規(guī)范指導(dǎo)下開展工作的。文獻［3，15-16］對數(shù)字化主控室操縱班組溝通模式的實驗研究指出，操縱班組成員間的信息發(fā)送與接收是明確且具有崗位背景的，可以通過“問詢”和“聲明”實現(xiàn)規(guī)程、系統(tǒng)功能和設(shè)備的信息共享。因此，本文認為該模型的簡化假設(shè)可以適用于核電廠主控室這一類操縱大型人機系統(tǒng)的主控室班組人員組織行為分析。該模型已被證明可以模擬組織中成員能力、組織規(guī)模、領(lǐng)導(dǎo)風(fēng)格等對組織可靠性的影響規(guī)律，復(fù)現(xiàn)社會學(xué)中發(fā)現(xiàn)的現(xiàn)象（如盲目從眾導(dǎo)致的群體思維效應(yīng)）。然而，該模型在工業(yè)系統(tǒng)中的工作人員管理和組織設(shè)計的優(yōu)化方面的實際應(yīng)用研究較少。

2 多機組核電廠組織行為特征

在福島核事故發(fā)生之后，多機組核電廠運行風(fēng)險受到了世界各國學(xué)者的強烈關(guān)注。各國學(xué)者以福島核事故為典型案例，或圍繞事故教訓(xùn)，或圍繞本國廠址堆型的具體情況，開展了內(nèi)部、外部事件綜合影響下的多堆廠址安全評價案例研究。其中，韓國學(xué)者Kim 通過回顧韓國核工業(yè)界的運行經(jīng)驗，圍繞多機組核電廠事故中的組織人因要素，從人員、設(shè)備、任務(wù)、環(huán)境四個方面總結(jié)出多機組場景相較于單機組場景下組織行為的關(guān)鍵差異［13-14］。研究表明，多機組場景下組織行為的關(guān)鍵特征在于組織形式和成功準則，如表1 所示。

表1 單機組場景與多機組場景的組織行為特征關(guān)鍵差異Table 1 Key differences in organizational behavior characteristics between single-unit and multi-unit scenario

在組織形式方面，由于多機組場景涉及各臺機組間人員、設(shè)備、資源等的共用和協(xié)調(diào)，因此多機組場景包含了固定設(shè)備、共享設(shè)備、移動設(shè)備及其操縱人員，還包括了負責(zé)協(xié)調(diào)設(shè)備、人力資源等的工作人員。在成功準則方面，多機組場景下不僅需要保證各臺機組安全運行，還需考慮到機組間設(shè)備共用、任務(wù)重疊等帶來的影響。因此，下文對第1 節(jié)介紹的組織行為可靠性數(shù)學(xué)網(wǎng)絡(luò)模型進行修正，以描述多機組場景下的組織行為。

3 多機組核電廠組織可靠性模型

基于單機組場景和多機組場景在組織形式和成功準則方面的特征差異，本文對組織行為可靠性數(shù)學(xué)網(wǎng)絡(luò)模型進行修正，建立了多機組核電廠組織行為可靠性數(shù)學(xué)網(wǎng)絡(luò)模型。

3.1 節(jié)點屬性的修正

在節(jié)點屬性方面，多機組場景下存在兩類特殊的成員角色，一是各臺機組負責(zé)執(zhí)行關(guān)鍵安全操作的工作人員，二是在多臺機組之間負責(zé)溝通協(xié)調(diào)的工作人員。在多機組核電廠組織可靠性網(wǎng)絡(luò)模型中設(shè)置三類節(jié)點屬性，如表2 所示。

以雙機組核電廠為例，每臺機組設(shè)置4 名工作人員，如圖1 所示。紅色節(jié)點對應(yīng)執(zhí)行人員（節(jié)點1 和節(jié)點5），藍色節(jié)點對應(yīng)通信人員（節(jié)點4 和節(jié)點6），白色節(jié)點對應(yīng)輔助人員（節(jié)點2、3、7、8）。節(jié)點之間的連線表示工作人員之間存在信息的溝通。在每臺機組內(nèi)部，4 名工作人員兩兩互通。各臺機組間通過通信人員間的溝通實現(xiàn)信息的交流和資源的協(xié)調(diào)。

圖1 雙機組核電廠的組織行為可靠性模型示意Fig.1 Example of organizational reliability model in a dual unit NPP

3.2 成功條件概率的修正

本文將雙機組核電廠的組織行為成功定義為：當(dāng)且僅當(dāng)兩臺機組中的核心成員（執(zhí)行人員）都能做出正確行為決策。以圖1 所示場景為例，條件概率定義為：

為了分析機組間設(shè)備共用、任務(wù)重疊等協(xié)作行為對多機組核電廠組織可靠性的影響，本文在研究中設(shè)計兩種工作場景進行對比。如圖1 所示，在單機組場景下（Single-Unit，記為SU），兩臺機組獨立運行，通信人員間不存在信息的互通；在多機組場景下（Multi-Unit，記為MU），兩臺機組通過通信人員的溝通實現(xiàn)信息互通和資源協(xié)作。

單機組場景下的組織行為可靠性模型與多機組協(xié)作模式下的組織行為可靠性模型的對比如表3 所示。

表3 單機組模型與多機組模型的對比Table 3 Comparison between single-unit model and multi-unit model

3.3 模型參數(shù)的設(shè)計

在組織可靠性數(shù)學(xué)網(wǎng)絡(luò)模型［9］的定義中，組織行為成功的概率取決于成員能力（βi）、成員間的相互影響（ωij）和環(huán)境信息（ωiσi）。其中，成員能力和環(huán)境信息反映了組織作為整體能夠調(diào)動的資源總和（ωiσi+βi），成員間的相互影響（ωij）反映了群體凝聚力。Furuta 通過數(shù)值模擬分析，找到了能夠保證模型收斂的參數(shù)組合，并證明在資源一定的情況下，群體凝聚力可以提升組織的成功概率，而成功概率的上限取決于組織的資源總和［10］。

本研究在提出的多機組核電廠組織可靠性數(shù)學(xué)網(wǎng)絡(luò)模型中沿用了該參數(shù)組合，重點關(guān)注機組間協(xié)作行為的特殊影響作用。參數(shù)設(shè)計如表4 所示。

表4 多機組核電廠組織可靠性模型中的參數(shù)設(shè)計Table 4 Parameter design in the organizational reliability model of multi-unit NPP

4 模擬分析

4.1 機組間協(xié)作行為對組織可靠性的影響

為了探索機組間協(xié)作行為對于組織可靠性的影響，基于上述模型，本文模擬對比了單機組場景（SU）和多機組場景（MU）下組織可靠性因資源稟賦、群體凝聚力不同而呈現(xiàn)出的差異。

圖2 展示了在資源不足和資源豐富兩種情況下，機組間協(xié)作對組織可靠性的影響。隨著群體凝聚力的提高，組織的成功概率得到了顯著提升，而機組間協(xié)作帶來的影響主要體現(xiàn)在資源不足的情況下。如圖2（a）所示，在群體凝聚力等于0 的情況下，成員間不存在溝通與交流，機組間的通信人員亦然。此時，雙機組協(xié)作模式（MU）與單機組模式（SU）的組織可靠性一致。隨著群體凝聚力的提升，MU 模式下組織的成功概率顯著優(yōu)于SU 模式，機組間協(xié)作模式的優(yōu)勢逐漸體現(xiàn)。在資源總和一致的情況下，MU 模式能夠達到的組織成功概率上限顯著優(yōu)于SU 模式。這說明機組間的協(xié)作可以有效提升資源不足情況下的組織可靠性。

圖2 機組間協(xié)作行為對組織可靠性的影響模擬結(jié)果Fig.2 Simulation results on the impact of inter unit collaboration on organizational reliability

在成員自身知識儲備豐富，且獲取外界信息價值較高的情況下，如圖2（b）所示，機組間協(xié)作對組織可靠性幾乎沒有影響。而在實際情況下，成員的知識、技術(shù)、能力、經(jīng)驗等參差不齊，因此采用多機組協(xié)作的模式更能保證電廠的運營安全。

4.2 成員能力差異對組織可靠性的影響

為了進一步研究成員的能力差異，特別是在多機組情境下不同屬性成員能力差異對組織可靠性的影響，本文進一步對比了SU 和MU 兩種模式下，執(zhí)行人員、通信人員、輔助人員的能力差異對組織可靠性的影響差異。

首先分析執(zhí)行人員能力差異對組織可靠性的影響。為保證模擬結(jié)果收斂，在資源豐富的條件下，設(shè)置執(zhí)行人員的能力參數(shù)βi=2，-2，-3，-4，-5（i=1，5）；在資源不足的條件下，設(shè)置執(zhí)行人員的能力參數(shù)βi=0.5，-2，-3，-4，-5（i=1，5）。圖3 分別展示了在不同的資源稟賦、不同的機組間協(xié)作模式下，執(zhí)行人員能力差異對組織可靠性的影響。

圖3 執(zhí)行人員的能力差異對組織可靠性的影響模擬結(jié)果Fig.3 Simulation results on the impact of differences in executive abilities on organizational reliability

由于在模型假設(shè)中，執(zhí)行人員行為的成功與否直接決定了組織成功的條件概率，因此執(zhí)行人員的能力差異對組織可靠性存在很大的影響。特別是在資源不足的情況下，執(zhí)行人員的能力不足對組織可靠性的負面影響尤為強烈。對比圖3（a）和圖3（c）可知，群體凝聚力可以提升組織的成功概率，而機組間的協(xié)作可以進一步放大群體凝聚力的提升作用，MU 模式下組織可靠性的上限值顯著優(yōu)于SU 模式。在資源豐富的情況下，如圖3（d）所示，隨著群體凝聚力的抬升，機組間協(xié)作行為可以引導(dǎo)組織可靠性達到該組織在該資源條件下組織可靠性的極限值，此時執(zhí)行人員能力不足帶來的負面效應(yīng)可以被完全補償。

隨后分析通信人員能力差異對組織可靠性的影響。由于在SU 模式下通信人員未發(fā)揮作用，因此僅模擬了MU 模式下通信人員的能力差異對組織可靠性的影響。同上，在資源豐富的條件下，設(shè)置通信人員的能力參數(shù)βi=2，-2，-3，-4，-5（i=4，6）；在資源不足的條件下，設(shè)置通信人員的能力參數(shù)βi=0.5，-2，-3，-4，-5（i=4，6）。

圖4 展示了在不同的資源條件下，通信人員能力差異對組織可靠性的影響。由于通信人員行為的成功與否不直接影響組織成功的條件概率，因此通信人員的能力差異對組織可靠性的影響與執(zhí)行人員存在顯著差異。如圖4 所示，在群體凝聚力等于0 的情況下，各成員間不存在溝通交流，此時通信人員的能力不足不會影響到執(zhí)行人員的成功概率，因此不會影響到組織可靠性。

圖4 通信人員的能力差異對組織可靠性的影響模擬結(jié)果Fig.4 Simulation results on the impact of differences in communication personnel abilities on organizational reliability

隨著群體凝聚力的提升，能力不足的通信人員參與到組織決策中，在整體資源不足的情況下，反而可能會對組織的行為決策產(chǎn)生誤導(dǎo)，造成組織可靠性的異常下降，如圖4（a）所示。這是因為在資源不足的情況下，群體凝聚力對組織可靠性的抬升效應(yīng)存在極限。若群體凝聚力對組織可靠性的抬升效應(yīng)無法抵消通信人員能力不足對組織可靠性帶來的負面影響，則伴隨著群體凝聚力的抬升，組織可靠性反而會下降；只有當(dāng)群體凝聚力的抬升效應(yīng)可以補償通信人員能力不足的負面影響時，組織可靠性才能夠緩慢提升。如圖4（b）所示，在資源豐富的情況下，機組協(xié)作模式下群體凝聚力的抬升效應(yīng)可以引導(dǎo)組織可靠性達到極限值，此時通信人員能力不足帶來的負面效應(yīng)可以被完全補償。

最后討論執(zhí)行人員和通信人員以外的其他輔助人員能力差異對組織可靠性的影響。同上，設(shè)置資源不足條件下人員的能力參數(shù)βi=0.5，-2，-3，-4，-5（i=2，8），資源豐富條件下人員的能力參數(shù)βi=2，-2，-3，-4，-5（i=2，8）。圖5 展示了在不同的資源條件下，輔助人員的能力差異對組織可靠性的影響。和通信人員類似，輔助人員行為的成功與否通過影響執(zhí)行成員的決策，間接影響組織的成功概率。

圖5 輔助人員的能力差異對組織可靠性的影響模擬結(jié)果Fig.5 Simulation results on the impact of differences in auxiliary personnel abilities on organizational reliability

如圖5 所示，在群體凝聚力等于0 的情況下，各成員間不存在溝通交流，此時該成員的能力不足不會影響到組織可靠性。隨著群體凝聚力的提升，組織可靠性的變化趨勢各異。在SU模式下，如圖5（a）和圖5（b）所示，無論資源是否豐富，提升群體凝聚力都不一定能夠補償該人員能力不足帶來的負面影響。即使是在組織整體資源豐富的情況下，一旦存在個別能力極差的成員，如圖5（b）中β=-5 的案例，群體凝聚力的提升反而會加劇對執(zhí)行人員行為的誤導(dǎo)，造成組織可靠性的異常下降。而在同樣的資源條件下，如圖5（d）所示，機組間協(xié)作可以引導(dǎo)組織可靠性達到其極限值，完全補償個別成員能力不足帶來的負面效應(yīng)。無論是在何種資源條件下，MU 模式的組織可靠性都優(yōu)于SU 模式，在一定程度上補償個別成員能力不足帶來的負面影響。因此，相較于SU 模式，機組間協(xié)作對個別成員能力不足的容忍度更高。

5 結(jié)論

本研究基于相對簡化的模型假設(shè)和簡單的模擬場景設(shè)計，研究了機組間協(xié)作行為對多機組核電廠組織可靠性的影響，得到結(jié)論如下：

（1）機組間協(xié)作可以有效提升資源不足情況下的組織可靠性，補償執(zhí)行人員能力不足對組織可靠性帶來的負面影響。

（2）在資源不足的情況下，通信人員的能力不足反而可能會對組織的行為決策產(chǎn)生誤導(dǎo)，對組織可靠性產(chǎn)生負面影響。

（3）相較于單臺機組獨立運行，機組間協(xié)作對于個別成員能力不足的容忍度更高。

基于研究發(fā)現(xiàn)的機組間協(xié)作對組織可靠性的積極影響，本文建議在多機組核電廠的組織管理中加強機組間信息的溝通和資源的協(xié)調(diào)。此外，筆者建議應(yīng)重視人員培訓(xùn)，特別是參與到機組間信息溝通和資源協(xié)作的工作人員，以降低個別成員能力不足對機組整體可靠性的影響。