余建星， 盧賀帥， 李 妍， 李 俊， 趙羿羽， 王亞瓊

(1.天津大學 建筑工程學院水利工程仿真與安全國家重點實驗室， 天津 300072；2.高新船舶與深海開發(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 建筑工程學院水利工程仿真與安全國家重點實驗室， 天津 300072；2.高新船舶與深海開發(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)

該文首先改進了認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)特點修改了共同績效條件(CPC)，把共同績效條件對人因可靠性的影響進行區(qū)分，建立新的總體人誤概率計算方法。其次結(jié)合馬爾科夫(Markov)理論推導出人誤概率和時間的關(guān)系函數(shù)，并建立考慮時間因素的人誤概率定量計算方法。實例分析表明，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)境相對惡劣、生產(chǎn)工藝復雜、作業(yè)空間狹小、作業(yè)內(nèi)容繁瑣等特點。海洋石油平臺工作人員每天的工作時間相對較長，很多崗位的工作時間長達12小時，有的甚至高達18小時。在長時間值守過程中，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，人為差錯的產(chǎn)生概率將增加。因此對需要長時間值守的任務(wù)進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]提出的認知可靠性與失誤分析方法(CREAM)是目前應(yīng)用較多，相對成熟的方法。Marzio[2]應(yīng)用模糊數(shù)學思想對CREAM方法進行了改進，He Xuhong[3]提出了一種簡化的基于CREAM方法的人誤概率計算方法，柴松[4]將一種改進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。國內(nèi)外考慮組織因素對人因可靠性影響的研究較多，鮮有考慮時間因素對人因可靠性造成的影響。

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

1 基于CREAM基本法的人誤概率定量分析

1.1 共同績效因子改進

根據(jù)研究需要和海上油氣生產(chǎn)過程中的實際情況，由于可用時間一般與突發(fā)事件等情況有關(guān)，而突發(fā)事件往往會對人的心理和生理產(chǎn)生影響，減小該CPC對研究人因可靠性隨時間變化的一般規(guī)律的影響，刪除可用時間；由于海洋工程領(lǐng)域人機界面與運行支持的完善性、同時出現(xiàn)的目標數(shù)量對海上油氣生產(chǎn)作業(yè)的影響程度很小，因此刪除該CPC；由于海上作業(yè)勞動強度高，工作人員的身體狀態(tài)會對人因可靠性產(chǎn)生顯著影響，故增加個人身體狀態(tài)。調(diào)整后的共同績效條件和可靠性對應(yīng)關(guān)系見表1。

表1 共同績效條件和可靠性對應(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，對所有的CPC同等對待，這顯然是不符合實際情況的。采用模糊層次分析法(Fuzzy Analytic Hierarchy Process，F(xiàn)AHP)，可以使CPC對于任務(wù)環(huán)境的描述更為精確。

1.2 人因可靠性定量計算

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

(1)

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

(2)

(3)

式中：I為產(chǎn)生改進影響的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)共同績效條件的變化和人因可靠性的改進或者降低之間可以用對數(shù)關(guān)系來描述。人誤概率(human error probability，HEP)得到對應(yīng)關(guān)系如下：

(4)

(5)

(6)

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

為了便于計算，假設(shè)各個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HEPi取得最大值1；R的最大值取-1，此時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變規(guī)律

Markov理論可以用于分析任務(wù)時間連續(xù)的可靠性問題[6]。對于海上油氣生產(chǎn)工作人員來說，在時刻存在正確執(zhí)行任務(wù)和失誤兩種狀態(tài)：

(8)

對于長期值守人員，假設(shè)其在tn時刻前并不進行操作活動，那么tn+1時刻能否正確執(zhí)行任務(wù)與其在t

(9)

對于確定的時刻t和t+Δt，轉(zhuǎn)移概率函數(shù)：

(10)

式中：a為t到t+Δt時間內(nèi)的平均失誤率。

(11)

長期值守工作人員的狀態(tài)是一個連續(xù)的過程，因此其對應(yīng)的正確執(zhí)行任務(wù)的概率也是一個連續(xù)的過程。假設(shè)工作人員在任意時刻正確執(zhí)行任務(wù)概率的倒數(shù)存在，則對式(11)變形，并對Δt求極限得：

(12)

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

(13)

則：

(14)

式中：F(t)為時刻工作人員操作失誤的概率。

由上文可知，通過式(7)求得的HEP代表該任務(wù)環(huán)境下的總體人誤概率，同時也是該特定環(huán)境下發(fā)生人誤概率的平均值，可以認為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，人誤概率會隨著時間的推移大幅增加，因此有必要通過改進工作人員的任務(wù)環(huán)境或者減少人員的工作時間以提高人員可靠性。(3)對于同一時刻而言，良好的任務(wù)環(huán)境對人誤概率的影響不大，而惡劣的任務(wù)環(huán)境會對人誤概率產(chǎn)生明顯的影響。

3 實例計算

以渤海海域某已經(jīng)投產(chǎn)的海上石油平臺為例，采用問卷的形式進行了調(diào)研。問卷包涵7組題目，分別對7項CPC進行了描述。在確定判斷標準時借鑒了模糊數(shù)學的思想，得到的CPC評價標準見表2。

表2 CPC評價標準

CPC的評價遵循最大隸屬原則，得到的CPC評價結(jié)果見表3。

表3 CPC評價結(jié)果

根據(jù)專家對不同CPC的打分數(shù)據(jù)，利用FAHP方法建立模糊判斷矩陣，經(jīng)計算得到各CPC的權(quán)重值，見表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)計算得到：

I=0.124, R=-0.567

圖2 人誤概率和時間的對應(yīng)關(guān)系 誤概率變化的一般規(guī)律，得出考慮時間影響的人誤概率定量計算方法。實例計算表明，該方法合理可行，對于確定值班制度、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]．天津大學學報，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)，得到該海洋平臺工作人員的人誤概率為：

人誤概率與時間的對應(yīng)關(guān)系如圖2所示。

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

4 結(jié)論

該文改進了CREAM法，把CPC的兩種影響模式分別進行了定量計算，減少了該方法中的不合理因素。然后結(jié)合Markov相關(guān)理論， 定量描述人在長時間值守過程中人

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

國家重點基礎(chǔ)研究發(fā)展計劃資助項目(NO.2014CB046804)，國家自然科學基金項目(NO.51239008)，國家自然科學基金(NO.51379145)。

余建星(1958-)，男，教授。

1001-4500(2016)01-0073-05

TE 88

A