余 露， 席永濤， 胡甚平

(上海海事大學(xué) 商船學(xué)院，上海 201306)

0 引 言

隨著國(guó)內(nèi)對(duì)液化天然氣(Liquefied Natural Gas,LNG)的需求不斷增長(zhǎng)，我國(guó)的LNG船不斷增多，LNG船運(yùn)行過(guò)程中的安全性問(wèn)題受到業(yè)內(nèi)人員的密切關(guān)注。據(jù)統(tǒng)計(jì),從1968年至今,已有42起LNG船事故是在裝貨和卸貨階段引發(fā)的，其中,卸貨階段25起，裝貨階段13起，卸料臂斷開(kāi)階段4起。因此，開(kāi)展LNG船裝卸貨作業(yè)人因可靠性研究刻不容緩。

在LNG船安全性研究方面:李品友等[1]對(duì)LNG船裝卸系統(tǒng)中的船岸管路連接、部件組成和裝卸貨操作流程進(jìn)行了分析;李賀南[2]采用模糊理論對(duì)LNG船裝卸貨作業(yè)的安全性進(jìn)行了評(píng)估;VANEM等[3]采用規(guī)范化安全評(píng)估(Formal Safety Assessment,FSA)方法,從碰撞、擱淺、觸碰、失火、爆炸和裝卸貨等方面對(duì)LNG船進(jìn)行了風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估;ROLDAN等[4]對(duì)LNG船裝卸貨作業(yè)的失效場(chǎng)景和后果進(jìn)行了研究;MELANI等[5]運(yùn)用功能樹(shù)、預(yù)先危險(xiǎn)性分析、因果圖分析和貝葉斯網(wǎng)絡(luò)(Bayesian Network,BN)對(duì)LNG船裝卸貨設(shè)備風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行了研究。

在人因失誤概率研究方面:KONSTANDINIDOU等[6]將模糊集合論與認(rèn)知可靠性和失誤分析方法(Cognitive Reliability and Error Analysis Model,CREAM)相結(jié)合獲取人因失誤概率數(shù)據(jù);MARESGUERRA等[7]從共同績(jī)效條件(Common Performance Condition,CPC)的權(quán)重分配和水平方面進(jìn)行了改造;YANG等[8]應(yīng)用模糊評(píng)判建立推理規(guī)則，采用BN處理第二代人因可靠性分析(Human Reliability Analysis,HRA)中的不確定性問(wèn)題;王世錦等[9]將CREAM運(yùn)用到空中交通管制員的HRA研究中;席永濤等[10]以CREAM為基礎(chǔ)，采用模糊集合、BN和證據(jù)推理算法，對(duì)不確定信息條件下的船舶值班駕駛員操作的可靠性進(jìn)行了量化分析。

本文以LNG船卸貨作業(yè)為研究對(duì)象，綜合考慮操作人員個(gè)體因素和情景環(huán)境，構(gòu)建以CREAM為基礎(chǔ)的LNG船卸貨作業(yè)可靠性量化分析模型。

圖1 CPC因子與控制模式的關(guān)系圖

1 作業(yè)過(guò)程人因失誤定量化模型

1.1 總體量化分析

CREAM是以認(rèn)知模型和框架為基礎(chǔ)的HRA方法,通過(guò)評(píng)估CPC獲取認(rèn)知控制模式及其失誤概率區(qū)間，實(shí)際上是構(gòu)建任務(wù)場(chǎng)景狀態(tài)與人因失誤概率區(qū)間之間的映射關(guān)系。所有CPC因子對(duì)績(jī)效的期望效應(yīng)都劃分為降低、不顯著和改進(jìn)等3個(gè)級(jí)別。為定量確定9個(gè)CPC因子，分別對(duì)績(jī)效的影響程度定義期望效應(yīng)α，取值為1、0和-1，分別表示CPC因子的期望效應(yīng)為“降低”“不顯著”和“改進(jìn)”。由此,Σ降低(x)表示期望效應(yīng)為“降低”的CPC因子效應(yīng)和;Σ改進(jìn)(x)表示期望效應(yīng)為“改進(jìn)”的CPC因子效應(yīng)和(見(jiàn)圖1)。定義情境影響指數(shù)為

γ=x+y,λ∈[-7,9]

(1)

則

(2)

式(1)和式(2)中:αi(i=1,2,…,9)為各CPC因子效應(yīng)量化值。由此，控制模式、情境影響指數(shù)r和失誤概率區(qū)間的關(guān)系見(jiàn)表1。

表1 控制模式、情境影響指數(shù)γ和失誤概率區(qū)間的關(guān)系

當(dāng)γ=0時(shí)，總體失誤概率表示為基本失誤概率，記作“pGE0”，γ的大小與人因失誤概率的大小成反比；當(dāng)γ≠0時(shí)，表示情景環(huán)境有正向影響或負(fù)向影響，總體失效概率記作pGE。pGE、pGE0和γ的關(guān)系為

lg(pGE/pGE0)=kγ

(3)

式(3)中：k可由總體失效概率及情境影響指數(shù)lg(pGE/pGE0)=kγ的最大值和最小值確定，即

lg(pGEmax/pGE0)=kγmax

(4)

lg(pGEmin/pGE0)=kγmin

(5)

k=lg(pGEmax/pGEmin)/(γmax-γmin)

(6)

pGE0=pGEmax/10kγmax

(7)

根據(jù)圖1，γmax=9，γmin=-7；根據(jù)表1，pGEmax=1.0，pGEmin=0.000 1。將這些數(shù)據(jù)代入式(6)，可得k=0.25;根據(jù)式(7)可得pGE0=0.005 6。由此,總體失誤概率pGE表示為

pGE=pGE0×100.25γ

(8)

1.2 認(rèn)知任務(wù)分析

根據(jù)任務(wù)分析建立起來(lái)的任務(wù)步驟，分析每個(gè)步驟對(duì)應(yīng)的可能的認(rèn)知活動(dòng)，CREAM給出15種認(rèn)知活動(dòng)。在給定每個(gè)步驟的認(rèn)知活動(dòng)之后，需找到每個(gè)認(rèn)知活動(dòng)對(duì)應(yīng)的認(rèn)知功能。每個(gè)認(rèn)知活動(dòng)可對(duì)應(yīng)不只1種認(rèn)知功能，同時(shí)每個(gè)認(rèn)知功能不只對(duì)應(yīng)1種認(rèn)知活動(dòng)，比如認(rèn)知功能“觀察”對(duì)應(yīng)監(jiān)視、觀察、調(diào)節(jié)、掃描和檢驗(yàn)等認(rèn)知活動(dòng)。

1.3 認(rèn)知任務(wù)失誤概率量化

1.3.1 失誤模式及失誤概率基本值pHE0確定

通過(guò)查表確定所研究事件的每個(gè)步驟對(duì)應(yīng)的認(rèn)知功能之后，需獲得對(duì)應(yīng)的失誤模式。表2為認(rèn)知功能失誤模式和失誤概率基本值[11]。

表2 認(rèn)知功能失誤模式和失誤概率基本值

1.3.2 CPC認(rèn)知功能權(quán)重因子確定

由任務(wù)所處的情景環(huán)境評(píng)估CREAM的9個(gè)CPC的水平，給定這9個(gè)CPC對(duì)績(jī)效可靠性產(chǎn)生的影響。每個(gè)CPC對(duì)應(yīng)若干個(gè)不一樣的水平，每個(gè)水平都有相應(yīng)的認(rèn)知功能權(quán)重[12]。

1.3.3 IS因子量化

基于人因失誤由環(huán)境驅(qū)使的觀點(diǎn)，CREAM將9個(gè)CPC構(gòu)成的情景環(huán)境作為人因失誤的驅(qū)動(dòng)變量。然而，從心理學(xué)的角度看，人的行為是外部環(huán)境與內(nèi)部因素共同作用的結(jié)果，IS因子與認(rèn)知功能的關(guān)系見(jiàn)表3。因此，操作人員的個(gè)體狀態(tài)也應(yīng)是考慮的因素，通過(guò)調(diào)研和遴選[13]，確定9種個(gè)體狀態(tài)作為人的行為的內(nèi)部因子，并確定其水平對(duì)人的行為的影響及對(duì)應(yīng)的權(quán)重(見(jiàn)表4)。通過(guò)查閱相關(guān)文獻(xiàn)資料,并對(duì)人的認(rèn)知行為進(jìn)行分析[14]，將人為內(nèi)在因子FHI與認(rèn)知功能之間的關(guān)系劃分為3個(gè)等級(jí)。

在給定FHI與認(rèn)知功能的關(guān)系之后，將這種基本關(guān)系轉(zhuǎn)化為定量關(guān)系。FHI和認(rèn)知功能權(quán)重按以下要求量化：

1) 將具有“較弱”影響的FHI因子的量化值設(shè)置為“1”;

2) 每個(gè)FHI因子都對(duì)應(yīng)若干個(gè)水平等級(jí)，不一樣的水平等級(jí)對(duì)績(jī)效的期望效應(yīng)有不一樣的情況。

量化時(shí)需根據(jù)考慮以下情況：

1) 當(dāng)期望效應(yīng)為“不顯著”時(shí)，將其對(duì)認(rèn)知功能的權(quán)重因子量化值設(shè)置為“1”。

2) 當(dāng)期望效應(yīng)為“改進(jìn)”時(shí)，將權(quán)重值設(shè)置為小于1。若影響等級(jí)為“中等”，則量化為0.80;若影響等級(jí)為“較強(qiáng)”，則量化為0.50。

表3 IS因子與認(rèn)知功能的關(guān)系

表4 IS因子的水平對(duì)人的行為的影響及對(duì)應(yīng)的權(quán)重

3) 當(dāng)期望效應(yīng)為“降低”時(shí)，將權(quán)重值設(shè)置為大于1。若影響等級(jí)為“中等”，則量化為1.20;若影響等級(jí)為“較強(qiáng)”，則量化為2.00。

1.3.4 總失誤概率

根據(jù)所研究任務(wù)的情景環(huán)境評(píng)估CREAM的9個(gè)CPC因子的影響等級(jí)，給出對(duì)應(yīng)的期望效應(yīng)。類比CPC因子，根據(jù)操作人員在執(zhí)行任務(wù)時(shí)自身的狀況，評(píng)估9個(gè)IS因子的影響等級(jí)，給出對(duì)應(yīng)的期望效應(yīng)。9個(gè)CPC因子的認(rèn)知功能權(quán)重因子由CPC認(rèn)知功能權(quán)重表可知;IS認(rèn)知功能權(quán)重因子由表4可知。分別計(jì)算每種認(rèn)知活動(dòng)下CPC認(rèn)知功能權(quán)重因子的乘積“ω1”，以及每種認(rèn)知活動(dòng)下所有IS認(rèn)知功能權(quán)重因子的乘積“ω2”。由此，修正之后的pHE值為

pHEi=pHE0·ω1·ω2

(9)

則總?cè)蝿?wù)失誤概率值為

(10)

2 實(shí)例分析

2.1 LNG船卸貨作業(yè)過(guò)程

LNG船卸貨作業(yè)主要分為卸貨前準(zhǔn)備工作、卸貨作業(yè)和卸貨完成后工作等3個(gè)階段。首先，對(duì)LNG船卸貨作業(yè)的具體操作過(guò)程進(jìn)行分析，建立事件序列，具體見(jiàn)圖2。

圖2 LNG船卸貨作業(yè)過(guò)程

2.2 LNG船卸貨作業(yè)人失誤概率總體分析

根據(jù)專家的經(jīng)驗(yàn)和多名LNG船船長(zhǎng)的CPC評(píng)定規(guī)則,給出LNG船卸貨作業(yè)3階段的CPC因子評(píng)價(jià)，進(jìn)而得出這些因子對(duì)績(jī)效的影響程度。將各作業(yè)階段的CPC因子及其對(duì)績(jī)效可靠性的影響量化,結(jié)果見(jiàn)表5。定義期望效應(yīng)α，取其值為1、0和-1，分別表示CPC因子的期望效應(yīng)為“降低”“不顯著”和“改進(jìn)”[15]。

表5 LNG船卸貨作業(yè)3階段的CPC因子量化值

根據(jù)式(1)，對(duì)LNG船卸貨作業(yè)的3個(gè)階段的各CPC因子量化值αi(i=1,2,…,9)求和，得到3個(gè)階段的環(huán)境影響指數(shù)γ。由表1可知：“卸貨前準(zhǔn)備工作”階段的環(huán)境影響指數(shù)γ1=-1；“卸貨作業(yè)”階段的環(huán)境影響指數(shù)γ2=-3；“卸貨完成后工作”階段的環(huán)境影響指數(shù)γ3=-3。γ在[-3,-1]范圍內(nèi)，屬于戰(zhàn)術(shù)型控制模式。

將γ1、γ2和γ3分別代入式(8)，得到LNG船卸貨作業(yè)3個(gè)階段的人誤概率為

pGE1=pGE0×10-0.25γ1=3.10×10-3

(11)

pGE2=pGE0×10-0.25γ2=1.0×10-3

(12)

pGE3=pGE0×10-0.25γ3=1.0×10-3

(13)

總體失誤概率分析得到的是卸貨作業(yè)的總體失誤概率，沒(méi)有對(duì)每個(gè)步驟的認(rèn)知活動(dòng)類別和認(rèn)知功能失效模式對(duì)認(rèn)知失誤概率的影響進(jìn)行分析。因此,需進(jìn)一步進(jìn)行擴(kuò)展量化分析。

2.3 LNG卸貨作業(yè)認(rèn)知任務(wù)失誤概率量化

由于LNG船卸貨作業(yè)步驟較多，限于篇幅,僅以第2階段部分步驟為例進(jìn)行擴(kuò)展量化分析。同樣,根據(jù)專家和多名LNG船船長(zhǎng)的經(jīng)驗(yàn)分析每個(gè)子步驟對(duì)應(yīng)的認(rèn)知行為和認(rèn)知功能。

首先對(duì)各子步驟進(jìn)行認(rèn)知功能分析(見(jiàn)表6)，確定最可能的認(rèn)知功能失效模式。由表2得出認(rèn)知功能失效模式和失效概率基本值pHE0。

表6 LNG船卸貨作業(yè)對(duì)應(yīng)的認(rèn)知行為和認(rèn)知功能

結(jié)合所處情景和CPC因子的水平及其對(duì)績(jī)效的影響，確定LNG船卸貨作業(yè)的CPC因子的水平和績(jī)效可靠性及其認(rèn)知功能權(quán)重見(jiàn)表7。根據(jù)表5和表7計(jì)算得到LNG船卸貨作業(yè)的9個(gè)CPC因子對(duì)應(yīng)的觀察、解釋、計(jì)劃和執(zhí)行等4個(gè)認(rèn)知功能的總權(quán)重分別為0.384 0、0.600 0、0.240 0和0.307 2。

表7 LNG船卸貨作業(yè)的CPC因子的水平和績(jī)效可靠性及其認(rèn)知功能權(quán)重

根據(jù)LNG船卸貨操作員當(dāng)時(shí)的狀態(tài)確定IS因子的水平，結(jié)合表3所示的權(quán)重因子得到LNG船卸貨作業(yè)過(guò)程的IS因子的水平及其認(rèn)知功能權(quán)重見(jiàn)表8,由此可計(jì)算得到LNG船卸貨作業(yè)過(guò)程中的9個(gè)IS因子對(duì)應(yīng)的觀察、解釋、計(jì)劃和執(zhí)行等4個(gè)認(rèn)知功能的總權(quán)重分別為0.64、1.28、1.28和1.28。

由認(rèn)知功能失誤模式和失誤概率基本值表[14]，最終可得到LNG船卸貨作業(yè)各步驟的認(rèn)知活動(dòng)的失誤概率見(jiàn)表9(以第2階段部分步驟為例)。

在一連串的認(rèn)知活動(dòng)中，各認(rèn)知活動(dòng)之間具有很強(qiáng)的相關(guān)性。只要有1個(gè)步驟出現(xiàn)失誤，就會(huì)影響整個(gè)任務(wù)的完成,并可能造成失誤事件發(fā)生。因此,最終的失誤概率值取完成任務(wù)的所有步驟中的失誤概率的最大值。LNG船卸貨作業(yè)的認(rèn)知活動(dòng)失誤概率取步驟中的失誤概率最大值1.72×10-3。同理，LNG船“卸貨前準(zhǔn)備工作”階段的認(rèn)知活動(dòng)失誤概率取4.10×10-2；LNG船“卸貨完成后工作”階段的認(rèn)知活動(dòng)失誤概率取7.37×10-3。最后，由式(10)對(duì)應(yīng)LNG船卸貨作業(yè)3階段的認(rèn)知活動(dòng)，可得到在該場(chǎng)景下，LNG船卸貨作業(yè)的人因失誤概率為4.97×10-2。

表8 LNG船卸貨作業(yè)過(guò)程的IS因子的水平與績(jī)效可靠性及其認(rèn)知功能權(quán)重

表9 LNG船卸貨作業(yè)失誤概率

3 靈敏性檢驗(yàn)

CPC狀態(tài)發(fā)生變化會(huì)引起人因失誤概率發(fā)生變化。積極的改動(dòng)會(huì)降低人因失誤概率；消極的改動(dòng)會(huì)提高人因失誤概率?；谠撛瓌t，針對(duì)LNG船卸貨作業(yè)的3個(gè)階段，改變“CPC9班組成員的合作質(zhì)量”量化值，分別改為積極和消極2種，通過(guò)計(jì)算得到3個(gè)階段的3種場(chǎng)景下的人因失誤概率見(jiàn)表10。

表10 3個(gè)階段的3種場(chǎng)景下的人因失誤概率

由表10可知，當(dāng)3個(gè)階段的CPC因子的量化值改變時(shí)，在積極的場(chǎng)景下人因失誤概率降低，在消極的場(chǎng)景下人因失誤概率升高，符合模型可靠性檢驗(yàn)規(guī)律。由此，可證明該模型是合理的。

4 結(jié) 語(yǔ)

本文結(jié)合CREAM，在情景環(huán)境的基礎(chǔ)上引入操作人員個(gè)體的影響，構(gòu)建了LNG船卸貨作業(yè)人因可靠性分析模型,主要得到以下結(jié)論：

1) 將情景環(huán)境影響量化為指數(shù)γ，可直接反映出情景環(huán)境對(duì)人的績(jī)效可靠性的影響程度,在總體分析階段即可得到比概率區(qū)間更具體的總體失誤概率。

2) 考慮操作人員個(gè)體因素對(duì)認(rèn)知功能的影響，彌補(bǔ)僅考慮情景環(huán)境影響存在的不足。

3) 采用該模型對(duì)LNG船卸貨作業(yè)人因失誤概率進(jìn)行量化的結(jié)果表明,LNG船卸貨作業(yè)處于戰(zhàn)術(shù)型控制模式,LNG船“卸貨前準(zhǔn)備工作”階段出現(xiàn)人因失誤的概率比另外2個(gè)階段大。LNG船卸貨作業(yè)的人因失誤概率為4.97×10-2。