基于故障樹法的船舶艙室人因可靠性研究

陳爐云，張裕芳

(上海交通大學船舶海洋與建筑工程學院，上海 200240)

基于故障樹法的船舶艙室人因可靠性研究

陳爐云，張裕芳

(上海交通大學船舶海洋與建筑工程學院，上海 200240)

人因可靠性的量化分析可為分析人－機系統(tǒng)的薄弱環(huán)節(jié)提供支持。本文通過將人的操作失誤模式定義為底事件，建立人因操作失誤樹，并以此為基礎(chǔ)，進行船舶艙室操作臺的人因可靠性計算。仿真計算表明，故障樹法分析人－機系統(tǒng)內(nèi)人的可靠性具有較高的可靠性和實用性。

人因可靠性分析;操作失誤模式;故障樹;人－機系統(tǒng)

0 引言

人－機系統(tǒng)包含人、機器設(shè)備、組織、環(huán)境等4個組成部分，由客觀存在的設(shè)備和具有主觀能動性的操作人員及與之相關(guān)聯(lián)的環(huán)境因素組成。在人－機系統(tǒng)的可靠性研究中，人操作可靠性具有重要的意義。楊懌［1］用可靠性理論進行潛艇的風險評估。廉士乾等［2］分析了人因失誤的機理和影響失誤的個體因素和組織因素。張錦等［3］從控制論角度分析人因可靠性，提出了一種新的人因可靠性分析方法。王洪德等［4］通過對操作失誤數(shù)據(jù)的分析，推導出操作失誤概率模型，提出了改進辦法。孫鳳等［5］在分析全局決策樹方法的基本框架基礎(chǔ)上建立了圖形化的決策樹模型。魏剛等［6］分析了人機相關(guān)性下的人可靠性。劉莉等［7］對飛行人員可靠性進行了分析，采用貝葉斯網(wǎng)絡(luò)建立了相應(yīng)的人因可靠性的評估模型。Pierre［8］分析了人為失誤原因，將人的可靠性評估方法用于電力公司人可靠性評估和三哩島核電站安全評估。Marko［9］采用最小割集分析考慮人為錯誤的概率的評價。Jung等［10］分析了核電站中應(yīng)急任務(wù)下的人可靠性分析中的數(shù)據(jù)分析。

1 人因可靠性

人的失誤包括人感知環(huán)境信息的失誤、人處理信息時做出錯誤的決策和動作器官沒能完成指定動作3部分。行為形成因子是對人的認識、判斷、行動過程中產(chǎn)生(不利)影響的物理的、精神的(或外部的、內(nèi)部的)的主要因素。受行為形成因子影響，操作者會出現(xiàn)感知差錯、判斷決策差錯和執(zhí)行操作差錯。

對于人的操作失誤，其相對應(yīng)的是人的操作可靠性，定義一般情況下人在連續(xù)工作條件下的可靠性，以RH(t)表示人的操作可靠度，則有:

式中:e(t)為人的瞬時差錯率;t為工作時間。

對于人的執(zhí)行任務(wù)模型中的任意一種失誤模式，其可靠度函數(shù)都可用式(1)來表示。因此，在求得了人的接收信息、決策判斷和操作的可靠度隨時間的分布函數(shù)以后，就可分析任意時刻人的可靠度。對于人的可靠性分析，還需考慮人的學習能力、自我糾偏能力、群體作業(yè)相互糾偏等因素。

2 人因失誤樹分析

故障樹是一種將零部件故障和特定的系統(tǒng)故障聯(lián)系起來的一種樹狀事件邏輯圖，以表示所定義的系統(tǒng)故障和零部件故障之間的關(guān)系。故障樹將系統(tǒng)故障的各種原因(包括硬件、環(huán)境、人為因素)，由總體至部分，按樹枝狀結(jié)構(gòu)，自上而下逐層細化。將人因失誤行為因子作為基本事件，將人的操作失誤與特定系統(tǒng)失誤聯(lián)系起來的一種邏輯樹就是人因失誤樹。

在人因失誤樹模型分析中，對人執(zhí)行的任務(wù)進行流程分析和失誤模式分析，以人的執(zhí)行任務(wù)失敗作為起始端，找出導致任務(wù)失敗的直接原因(如操作者的操作失誤，或某種先決條件不滿足等)，并分析它們與任務(wù)失敗之間的邏輯關(guān)系(如“同時發(fā)生才導致任務(wù)失敗”，“只要有一個發(fā)生就導致任務(wù)失敗”等)，列出它們之間的邏輯關(guān)系。依次類推，直到找到最基本的原因為止。最基本的原因就是人的某種失誤模式，將其定義為失誤樹底事件。其中，將人因失誤模式具體化:接收信息失誤可以表現(xiàn)為“某儀表數(shù)據(jù)讀錯”;決策失誤可以表現(xiàn)為“對某類信息缺乏或不能及時反應(yīng)”;操作失誤可以表現(xiàn)為“某旋鈕未旋到正確位置”等。

以某船艇控制室的操作任務(wù)為例，分析人的操作失誤模式、計算人的操作可靠性。對于人的操作失誤模式，以控制室系統(tǒng)手動啟動任務(wù)為例進行分析，通過對使用單位的實地調(diào)查研究，結(jié)果列于表1所示。

表1 AIP系統(tǒng)手動啟動失誤模式Tab.1 Fault operation model of AIP system

圖1 人因失誤樹Fig.1 Human fault tree

對于表1中的失誤模式，將定義的失誤模式進一步細分為人的視覺系統(tǒng)失誤、聽覺系統(tǒng)失誤、判斷決策失誤和操作失誤等，即可獲得每個決策任務(wù)的底事件，最終可構(gòu)造出人操作失誤樹。

3 人因可靠性仿真

在進行人的可靠性分析中，通過對人操作失誤模式的分析、各失誤模式的發(fā)生概率，結(jié)合人因失誤樹，就可以求得某一操作任務(wù)中人因可靠性。下面以操作人員在控制艙室操作臺為例進行人因可靠性仿真計算。

3.1 人因失誤數(shù)據(jù)

進行控制艙室內(nèi)人因可靠性分析，關(guān)鍵步驟是人因失誤概率參數(shù)的獲得，試驗是獲取人因失誤參數(shù)最直接有效的途徑。在試驗中，選取控制艙室操作臺作為操作對象進行人操作失誤實驗。表2所示即為通過一系列操作試驗后，收集到控制艙室操作人因失誤概率的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。其中，假設(shè)人在人因失誤概率參數(shù)滿足指數(shù)分布。

表2 試驗記錄數(shù)據(jù)Tab.2 Record of experimental

由表2可知，“控制系統(tǒng)啟動按鈕提前松開”失誤操作的MTBF值很低，這涉及到按鈕的設(shè)計問題。此外，在控制臺出現(xiàn)信息的誤判斷也是人因失誤的一個重要因素，這涉及到顯示設(shè)備的設(shè)計問題。

3.2 可靠性仿真計算

根據(jù)表2的數(shù)據(jù)，運用相應(yīng)的計算公式或仿真計算軟件即可完成相應(yīng)的人操作可靠性計算。在數(shù)值計算分析時，只需將人因失誤樹的結(jié)構(gòu)特征編制成相應(yīng)的數(shù)據(jù)文件輸入計算機，調(diào)用可靠性仿真程序計算即可。可靠性數(shù)值仿真計算流程如圖2所示。

圖2 數(shù)值仿真計算流程Fig.1 The process of numerical analysis

通過可靠性仿真計算，在仿真計算次數(shù)為10 000次下，可得到在確定的艙室系統(tǒng)手動啟動任務(wù)中，人的操作可靠度為:

通過對艙室操作臺進行人因可靠性量化分析，取得了相應(yīng)環(huán)境條件下人的操作可靠性數(shù)據(jù)。對于該計算結(jié)果，將其與設(shè)備的可靠性相結(jié)合就可以得到該艙室的任務(wù)可靠度。

4 結(jié)語

通過對人在艙室內(nèi)的操作可靠性計算，可定量地得到人的可靠性。通過分析可靠性參數(shù)，可為艙室內(nèi)的操縱面板布置問題、按鈕設(shè)計、燈布置問題和界面設(shè)計問題的研究提供技術(shù)支持。為艙室的布置的頂層設(shè)計和操作人員的培訓工作提供技術(shù)建議。

［1］楊懌.人因分析在潛艇風險評估中的應(yīng)用［D］.天津大學，2007.

YANG Yi.The application of human error analysis to risk assessmentfor a submarine［D］.Tianjin:Tianjin University，2007.

［2］廉士乾，張力，王以群，宋洪濤.人因失誤機理及原因因素研究［J］.工業(yè)安全與環(huán)保，2007，33(11):46 －48.

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［3］張錦，張力.一種人因可靠性分析(HRA)方法［J］.安全與環(huán)境學報，2003，3(2):62 －64.

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SUN Feng，ZHONG Shan，WU Zhi-yu.A method and application study on holistic decision tree for human reliability analysis in nuclear power plant［J］.Chinese Journal of Nuclear Science and Engineering，2008，28(3):268－272.

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WEI Gang，YANG Yu-hang，WANG Wu-hong.A reliability model of man-machine system based on dependence among stimuli，organisms and actions［J］.Acta Armamentarii，2002，23(4):439 －441.

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［10］JUNG W D，YOON W C，KIM J W.Structured information analysis for human reliability analysis of emergency tasks in nuclear power plants［J］.Reliability Engineering and System Safety，2001，71(1):21－32.

Research on human reliability analysis of ship chamber based on fault tree

CHEN Lu-yun，ZHANG Yu-fang
(School of Naval Architecture，Ocean and Civil Engineering，Shanghai Jiaotong University，Shanghai 200240，China)

The purpose of human reliability analysis(HRA)is to provide a quantitative conclusion for detect the weak points of a man-machine system.In this paper，by defined the fault operation model as the bottom event，based on it，there have building the fault tree to analysis the human reliability of the operation desk in the ship chamber.The numerical results show that the fault tree analysis method is capable of dealing with the human reliability analysis of man-machine system，and it is reliable and practical.

human reliability analysis;fault operation model;fault tree;man-machine system

TL365

A

1672－7649(2012)01－0110－04

10.3404/j.issn.1672－7649.2012.01.027

2011－05－09;

2011－05－31

陳爐云(1975－)，男，助理研究員，主要從事船舶可靠性及人因工程研究。