基于THERP可變功能機械功能轉換過程評價

王圣輝, 賀華波*

基于THERP可變功能機械功能轉換過程評價

王圣輝1,2, 賀華波1,2*

（1.寧波大學 機械工程與力學學院, 浙江 寧波 315211; 2.浙江省零件軋制成形技術研究重點實驗室, 浙江 寧波 315211）

可變功能機械額功能轉換過程設計是該類產品設計開發的一個重要環節, 其設計結果不僅決定產品功能的實現與否, 還會對諸如安全性、經濟性等非技術類問題造成影響, 目前還缺少專門針對此過程設計解的分析及評估方法. 為解決此問題, 結合人失誤概率預測技術(Technique for Human Error Rate Prediction, THERP)模型及風險概率與經濟性安全評價對功能轉換過程進行定量分析. 依據THERP模型將功能轉換過程劃分為一系列子任務, 并建立功能轉換過程二叉樹, 同時按照功能轉換過程的特點對二叉樹進行簡化, 接著評估各失誤路徑的發生概率及失誤嚴重度, 并將失誤嚴重度量化為經濟損失, 最后得到功能轉換過程的風險值. 同時通過角磨機向電鋸功能轉換的過程定量分析, 驗證了該方法的可行性.

可變功能; 人失誤概率預測技術; 二叉樹; 功能轉換

現代社會科技的進步使得產品功能不斷完善細化, 以滿足人們對功能的多樣性需求. 然而, 更多的功能往往意味著更多的產品, 繁雜多樣產品所造成的不便促使人們尋找既能實現多個功能又相對結構簡單、緊湊的單一產品. 可變功能機械是一種通過更改構件或者構件間的連接方式以實現多種功能的機械系統[1]. 作為典型的多功能機械, 其既能實現一個產品包含多種功能, 又能滿足人們對于產品簡化的期許. 但另一方面, 隨著功能集成度及機械復雜程度越來越高, 可變功能機械的功能轉換過程也相應更為復雜. 與傳統機械相比較, 可變功能機械的功能轉換過程大多需要用戶本人完成, 由于用戶的經驗、專業技能和知識背景不盡相同, 這大大提高了產品使用的失誤風險性. 故而對可變功能機械的功能轉換過程進行安全評估, 探討消除或減少危險的措施, 對于提高產品的安全性顯得尤為必要.

人失誤概率預測技術(Technique for Human Error Rate Prediction, THERP)模型是由20世紀80年代初, Swain和Guttmann等開發的一套針對操作人員在某工作環境下及工作過程中動作發生失誤概率的預測方法, 以測算該工作過程中人失誤可能性[2]. 王全偉等[3]、文豪等[4]運用THERP模型分析正常工作情況下起重機司機的人因可靠性. 鄧明明等[5]用THERP分析某企業汽車內飾裝配過程的冷媒加工工序, 驗證THERP模型的合理性及不足. 陳農田等[6]基于THERP+HCR(Human Cognitive Reliability)綜合模型對航空維修差錯的人失誤概率進行計算. 張建祥等[7]運用THERP-CREAM(Cogni- tive Reliability and Error Analysis Method)通過相似事件來預測空管人因失效概率. 通過以上研究可知, THERP用來預測和評估由于人為差錯導致的故障問題有著不錯的效果, 而且THERP與時間相關較小的任務較為貼合. 但傳統THERP僅僅是給出任務的失誤概率, 并沒有對人失誤及產生相應的后果進行綜合評價. 可變功能機械由于具有需用戶本人完成功能轉換過程的特點, 且與時間的相關程度較低, 與THERP模型較為貼合. 因此本文基于該模型, 同時結合風險概率與經濟性對可變功能機械的功能轉換過程進行綜合評價, 以期為此類產品的設計開發提供相應的技術支持.

1 THERP模型

THERP在人因可靠性方面的優勢相當明顯. 章逸民[8]曾對人因可靠性的主流分析方法進行綜合評價, 認為THERP是得分最高的評價方法, 尤其在可用性、成熟度、可接受性等方面得到滿分的評價.

THERP將工作人員的工作過程總任務拆分為一系列連貫的動作或者子任務[9], 接著根據各個子任務所包含的動作類型預測動作的風險性, 進而對總任務的可靠性進行預估. THERP總體過程大致可以分為4個階段, 分別是系統相關信息的收集階段、初步定性分析階段、定量分析階段以及應用階段, 下文簡要介紹前3個階段.

1.1 階段一: 系統相關信息的收集

查閱歷史資料, 包含歷史事故、歷史故障等, 了解機械系統的運作方式, 以及工作人員的工作過程等, 分析歷史事故與人員工作過程的關系.

1.2 階段二: 初步定性分析

該階段需要將總任務分解成一系列動作或者子任務, 并結合子任務或動作及其相關設備、動作行為、環境限制等影響因素, 為子任務或動作建立相應的事件樹. 在完成上述步驟后, 使用二叉樹對事件進行描述, 并給出各個子任務或者動作成功或失誤的概率, 模型如圖1所示.

圖1 二叉樹模型

1.3 階段三: 定量分析

(1)以圖1為例, 串聯模式成功概率為:

失誤概率為:

(2)若任務為并聯模式, 成功概率為:

失誤概率為:

(3)修正系數(PSF)

由于每個子任務或動作之間或許存在相關性, 按照Swain手冊將相關性分為5個等級, 依次為完全相關(CD)、強相關(HD)、相關(MD)、低相關(LD)以及無相關(ZD), 具體相應任務概率的計算公式如下:

2 基于THERP模型的功能轉換過程評價模型

2.1 可變功能機械功能轉換相關任務的特點

(1)可變功能機械是多功能機械的一個分支, 其有別于普通多功能機械的特點之一是需要對機械系統進行功能構件的更換或者改變其連接方式, 以獲得不同的功能. 因此, 當用戶需要轉換功能時, 就必須對機械系統進行功能構件的更換或連接方式的改變. 此過程通常需要用戶本人完成, 也是本文研究的重點.

(2)用戶初次完成功能轉換過程出錯的概率較高. 用戶從取得產品到初次使用, 一般經過以下幾個步驟: 1)閱讀使用說明書; 2)按照說明書指示進行功能轉換; 3)在功能轉換過程中出錯并糾正, 如此反復; 4)最終完成功能轉換. 由此可見, 在用戶接觸到新產品的使用初期, 出現失誤概率較高.

(3)用戶在后續的使用中出現失誤具有反復性. 由于用戶個人的受教育程度、使用環境、使用時間等不盡相同, 因此用戶在后續使用的失誤情況也呈多樣化趨勢. 但是各用戶在功能轉換過程中的失誤都具有反復性, 且用戶自身也有一定的糾錯能力, 能在一定程度上避免后續的功能轉換失誤.

(4)用戶在各子任務上的失誤會引起不同后果. 由于功能轉換過程可分解為一系列子任務或動作, 那么用戶在各個子任務或動作上都有失誤的可能, 這些失誤可能會導致最終的功能轉換失敗, 但用戶仍有可能繼續使用, 進而產生一定后果.

2.2 功能轉換過程評價模型

首先依據THERP模型建立功能轉換過程的二叉樹, 然后按照規則對二叉樹的每條失誤路徑進行篩選, 查詢THERP模型相關表格, 獲取每條路徑子任務或動作失誤的概率. 接著對剩下路徑上每個子任務或動作按照風險矩陣進行評價并篩選, 隨后將每條路徑中失誤可能導致的事故嚴重程度轉化為風險經濟損失, 并計算總風險經濟損失, 最后根據總風險經濟損失得到功能轉換過程的安全狀態, 并根據評價結果提出相應的改進措施. 具體評價方法流程如圖2所示.

圖2 功能轉換評價過程

2.3 采用風險評價矩陣對子任務進行篩選

風險評價矩陣作為一種直觀有效的風險評估方法, 能根據事故的嚴重程度以及其發生的概率對某一事故進行初步的評估. 本文通過風險評價矩陣對總任務所劃分的子任務或動作進行初步的評價, 篩選出安全概率較高的任務, 從而減輕工作量.

本文以任務的失誤嚴重程度為橫軸, 分為非常嚴重、嚴重、中等、輕微4個等級. 子任務或動作發生失誤的概率為縱軸, 分為概率高、概率中, 概率低、概率非常低4個等級. 將子任務的風險程度分為高、中、低、可忽略4個等級[10]. 可根據風險矩陣對子任務進行初步的篩選(表1).

表1 風險矩陣

2.4 確定二叉樹中路徑的發生概率

首先熟悉產品資料以及功能轉換過程任務, 掌握功能轉換的整個過程, 同時分析進行此項任務的各種邊界條件, 建立二叉樹, 并對簡化后的失誤路徑進行定量分析.

為了對功能轉換過程的二叉樹中各失誤路徑進行定量分析, 首先需要對路徑進行簡化.

2.4.1 二叉樹失誤路徑的簡化原則

二叉樹失誤路徑的簡化原則需要THERP模型結合可變功能機械功能轉換過程的特點制定, 簡化原則如下:

(1)規定從任務節點向右為失敗, 從任務節點向左或垂直向下為成功;

(3)對二叉樹上的子任務進行分析風險矩陣評價, 確定必定成功的子步驟;

(3)對于二叉樹的任務節點來說, 如果上一個子任務嚴重影響到下一個子任務開展, 那么可認定此任務必定成功;

(4)對于二叉樹上某個任務節點, 如果其中的一條分支能鑒別出任務的失誤或成功, 那么此任務路徑將直接被認定失誤或成功, 且不需后續的分解;

(5)若總任務為并聯模式, 則將總任務轉化為多個串聯模式.

2.4.2 計算各失誤路徑的發生概率

按照二叉樹定量分析過程對簡化后的失誤路徑進行概率計算.

2.5 風險損失的定量化計算

2.5.1 風險經濟性損失

為了量化功能轉換過程的風險性, 本文以功能轉換過程可能造成的經濟損失來量化功能轉化過程的風險性. 在考慮功能轉換過程可能造成的最大損失以及事故發生的可能性時, 可用事故在被發現前的可能性加以修正, 以得到較為客觀的功能轉換過程風險評價. 本文采用文獻[11]提出的量化方法, 將失誤可能對操作人員造成的傷害以及誤工時長換算成經濟損失, 從而得以衡量功能轉換過程的風險性.

可變功能機械的功能轉換任務失誤路徑有多條, 任務第條失誤路徑的風險程度為路徑的失誤發生概率與失誤路徑后果經濟損失的乘積, 則功能轉換失誤子任務的風險度計算公式為:

根據式(2)可以對功能轉換各失誤路徑的風險進行量化.

2.5.2 功能轉換過程的風險值修正

由可變功能機械功能轉換過程的特點可知, 由于轉換過程大多由用戶完成, 且用戶的受教育水平、技能水平、心理條件等不盡相同, 因此失誤路徑能否被用戶發現也是一項重要的指標, 用戶如果能及時發現失誤的發生, 并重新完成也能大大降低了此過程的風險值. 故而引入失誤路徑發現修正系數M用以修正風險值(表2).

式中:為總任務風險值;M為第個失誤路徑的風險修正系數.

表2 失誤路徑發現概率

根據式(3)、(4)可以得出整個功能轉換過程的風險值, 并按照產品特性設置合適的閾值, 以篩選滿足條件的功能轉換過程方案, 同時也可根據過程的風險值提出改進措施, 并給出相應評價結果報告.

3 實例

以某品牌角磨機、電鋸可變功能機械為例. 該產品將角磨機和電機集合在一起, 通過更換部分部件實現角磨機和電鋸兩種功能, 成為一機兩用的可變功能機械產品(圖3). 下文對角磨機向電鋸功能轉換的過程進行分析.

圖3 角磨機(a)與電鋸(b)

步驟1 對角磨機向電鋸功能之間轉換的整個過程進行分析, 可將這一過程分解成以下幾個子任務步驟:

(1)下壓板替換成鏈鋸帶動齒(子任務1);

(2)卡位對準, 將角磨機固定(子任務2);

(3)安裝主板鋁件, 擰緊螺絲(子任務3);

(4)拆卸護蓋螺絲(子任務4);

(5)安裝擋板, 擰緊螺絲(子任務5);

(6)安裝手柄, 擰緊螺絲(子任務6).

詳細過程如圖4所示.

圖4 功能轉換過程

接著可按照風險矩陣對此6個子任務步驟進行分析(表3), 初步確定其風險等級. 該評定過程通常可由公司中相關有經驗的技術人員通過調查完成. 進而確定可忽略等級的子任務, 即子任務4、5視為必定成功.

表3 風險矩陣分析

步驟2 建立二叉樹模型.

步驟3 按照路徑的簡化原則對任務流程進行梳理簡化. 對于子任務1來說, 如果子任務1發生失誤時, 則子任務2將無法正常進行, 也就是說子任務1的失敗將嚴重影響任務2的進行, 即用戶在子任務1失誤情況下去完成子任務2, 會發現子任務2難以進行, 從而反過來對子任務1進行修正, 故而我們認定子任務1必定成功. 簡化后的二叉樹模型如圖5所示.

圖5 簡化二叉樹模型

從圖5可以看出, 失誤路徑一共有7條路徑, 從左至右依次為:

路徑1: 子任務1、2、3、4、5成功, 子任務6失敗;

路徑2: 子任務1、2、4、5、6成功, 子任務3失敗;

路徑3: 子任務1、2、4、5成功, 子任務3、6失敗;

路徑4: 子任務1、3、4、5、6成功, 子任務2失敗;

路徑5: 子任務1、3、4、5成功, 子任務2、6失敗;

路徑6: 子任務1、4、5、6成功, 子任務2、3失敗;

路徑7: 子任務1、4、5成功, 子任務2、3、6失敗.

查詢THERP表格，以相同類別的動作失誤概率類比子任務的失誤概率, 并計算相應失誤路徑的失誤概率.

每條失誤路徑的失誤概率依次計算為:

設定各失誤路徑的人因失誤概率的修正系數PSF, 按正常情況即不考慮各種壓力情況下, PSF取值為1. 各路徑相應的事故嚴重度按式(1)～(4)計算, 接著評估各失誤路徑的發現可能性, 并取相應的M值, 其相應結果見表4.

表4 功能轉換過程評估結果

4 結果分析

(1)由失誤路徑4可知, 在失誤概率大以及可能引起較為嚴重后果的情況下, 只要能被用戶或其他手段檢測到并改正, 就能大大降低失誤路徑的風險度.

(2)總失誤路徑的風險值按照設計者本身的要求, 確定是否接受, 不接受就需要對功能轉換過程進行優化.

(3)通過THERP數據表查到的數值, 在應用到各個領域時不夠準確, 需要設計者按照設計工作需要進行調整, 或者大范圍地收集本領域的人因失誤概率數據, 可以大大提高準確性.

(4)上述計算過程受各種不同特定條件的影響, 會產生不同結果, 通過計算經濟損失的方法在一定程度上可反映功能轉換過程的風險性, 也能同時了解并對比各失誤路徑的風險值. 設計人員可據此對功能轉換過程進行優化, 進而使得整個產品系統的設計得以改進.

(5)由于事故的嚴重度、風險概率需要專家成員的分析與評估, 故而存在一定程度的主觀性, 可通過收集行業的資料大數據來提高專家分析評估的準確性.

5 結論

通過結合THERP模型、風險概率和經濟性安全評價方法對可變功能機械的功能轉換過程進行定量分析. 運用THERP模型對功能轉換總任務進行任務劃分, 并依據可變功能機械的功能轉換過程特點對二叉樹模型進行簡化. 隨后計算各失誤路徑的失誤概率及事故嚴重度, 同時評估失誤路徑的可發現性, 最后得出總失誤路線的風險值.

功能轉換過程的劃分及各子任務的風險值計算有助于對比各失誤路徑的風險值, 為設計者的改進設計提供一條思路; 同時對總失誤路線風險值的定量分析有助于對功能轉換整個過程的綜合評價, 方便設計者進行設計評價與驗收.

但定量分析的數據來源具有一定的環境相關性, 相應數據采集也存在一定難度, 使得分析結果還存在一定程度的主觀性, 這些方面有待于未來的進一步研究和完善.

[1] 鄒長武, 鄧益民, 王根華. 基于修正賦權有向圖功能結構的可變功能機械建模方法[J]. 機械制造, 2016, 54(1): 1-4; 10.

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Evaluation of function conversion process of adaptable-function mechanical product based on THERP

WANG Shenghui1,2, HE Huabo1,2*

( 1.Faculty of Mechanical Engineering & Mechanics, Ningbo University, Ningbo 315211, China; 2.Zhejiang Provincial Key Laboratory of Part Rolling Technology, Ningbo 315211, China )

The function conversion process of the adaptable-function mechanical product is one of major tasks in the design and development of this specific type of product. The design solution for the function conversion process not only determines the implementation of product functions, but also has repercussions on non-technical issues such as safety and economy. Currently, there still lacks particular method for the analysis and evaluation of the relevant design solutions. To address this problem, this paper carries out quantitative analysis of the function conversion process by integrating the THERP (Technique for Human Error Rate Prediction) model, the risk probability calculation and the economic safety evaluation. With THERP model, the function conversion process is divided into a series of subtasks, and its binary tree is established. and meanwhile simplified by taking the mechanical characteristics of function conversion process into account. Subsequently, the occurrence probability and error severity of each error path are evaluated, and the error severity is quantified as economic loss. Finally, the risk value of the entire task is obtained that is used to evaluate the function conversion process. A case study of the function conversion process from angle grinder to chainsaw is also presented to verify the feasibility of the proposed method.

adaptable function; technique for human error rate prediction; binary tree; function conversion

TH122

A

1001-5132（2023）03-0050-07

2022?11?10.

寧波大學學報（理工版）網址: http://journallg.nbu.edu.cn/

國家自然科學基金（51375246）.

王圣輝（1996－）, 男, 安徽六安人, 在讀碩士研究生, 主要研究方向: 機械設計與理論研究. E-mail: 1178622100@qq.com

通信作者:賀華波（1976－）, 男, 浙江寧波人, 博士/副教授, 主要研究方向: 機械設計與理論研究. E-mail: hehuabo@nbu.edu.cn

（責任編輯 章踐立）