考虑时间因素的人因可靠性分析方法

余建星， 卢贺帅， 李 妍， 李 俊， 赵羿羽， 王亚琼

(1.天津大学 建筑工程学院水利工程仿真与安全国家重点实验室， 天津 300072；2.高新船舶与深海开发装备协同创新中心， 上海 200240；3.海洋石油工程股份有限公司， 天津 300451)



考虑时间因素的人因可靠性分析方法

余建星1,2， 卢贺帅1,2， 李 妍1,2， 李 俊3， 赵羿羽1,2， 王亚琼1,2

(1.天津大学 建筑工程学院水利工程仿真与安全国家重点实验室， 天津 300072；2.高新船舶与深海开发装备协同创新中心， 上海 200240；3.海洋石油工程股份有限公司， 天津 300451)

该文首先改进了认知可靠性与失误分析方法(CREAM)，根据海洋工程领域的作业特点修改了共同绩效条件(CPC)，把共同绩效条件对人因可靠性的影响进行区分，建立新的总体人误概率计算方法。其次结合马尔科夫(Markov)理论推导出人误概率和时间的关系函数，并建立考虑时间因素的人误概率定量计算方法。实例分析表明，该方法的适用性和可靠性是合理有效的。

人因可靠性分析；海洋工程；认知可靠性与失误分析方法；马尔科夫理论

0 引言

海洋石油工业具有自然环境相对恶劣、生产工艺复杂、作业空间狭小、作业内容繁琐等特点。海洋石油平台工作人员每天的工作时间相对较长，很多岗位的工作时间长达12小时，有的甚至高达18小时。在长时间值守过程中，受到环境(噪声、高温等)、任务压力和生理规律等因素的影响，人的执行任务能力总体呈下降趋势，人为差错的产生概率将增加。因此对需要长时间值守的任务进行人因可靠性分析研究，确定合理的值班制度、降低人误概率具有重要意义。

Hollnagel[1]提出的认知可靠性与失误分析方法(CREAM)是目前应用较多，相对成熟的方法。Marzio[2]应用模糊数学思想对CREAM方法进行了改进，He Xuhong[3]提出了一种简化的基于CREAM方法的人误概率计算方法，柴松[4]将一种改进CREAM方法应用到海洋工程领域，徐培娟[5]将Markov理论应用到人因可靠性分析。国内外考虑组织因素对人因可靠性影响的研究较多，鲜有考虑时间因素对人因可靠性造成的影响。

该文根据海洋石油工业的实际情况，改进了CREAM方法的，并结合了Markov理论，推导出人误概率和时间因素之间的关系函数，得出考虑时间因素的人误概率定量计算方法。

1 基于CREAM基本法的人误概率定量分析

1.1 共同绩效因子改进

根据研究需要和海上油气生产过程中的实际情况，由于可用时间一般与突发事件等情况有关，而突发事件往往会对人的心理和生理产生影响，减小该CPC对研究人因可靠性随时间变化的一般规律的影响，删除可用时间；由于海洋工程领域人机界面与运行支持的完善性、同时出现的目标数量对海上油气生产作业的影响程度很小，因此删除该CPC；由于海上作业劳动强度高，工作人员的身体状态会对人因可靠性产生显著影响，故增加个人身体状态。调整后的共同绩效条件和可靠性对应关系见表1。

表1 共同绩效条件和可靠性对应关系

CREAM基本法并未考虑在不同任务环境下CPC的权重差别，对所有的CPC同等对待，这显然是不符合实际情况的。采用模糊层次分析法(Fuzzy Analytic Hierarchy Process，FAHP)，可以使CPC对于任务环境的描述更为精确。

1.2 人因可靠性定量计算

为便于CPC权重处理和综合分值的计算，将CPC对可靠性期望影响的量化关系确定如下：

(1)

两种影响模式对人因可靠性的影响不能直接抵消，因此将改进和降低两种影响模式分别进行处理：

(2)

(3)

式中：I为产生改进影响的CPCs加权；J为产生降低影响的CPCs加权；ωi为应用模糊分析法求得的各CPCs的权重。

假设共同绩效条件的变化和人因可靠性的改进或者降低之间可以用对数关系来描述。人误概率(human error probability，HEP)得到对应关系如下：

(4)

(5)

(6)

式中：HEPI为改进CPCs对人因可靠性影响总和；HEP0为不显著CPCs对人因可靠性影响总和；HEPR为降低CPCs对人因可靠性影响总和；k为常数。

为了便于计算，假设各个CPC具有相同的权重值，即ωi=1/7，故I的最大值取6/7，此时HEPi取得最大值1；R的最大值取-1，此时HEPR取得最小值0.000 05。把数据带入式(4)、式(5)可得：

HEP0≈0.010 349，k ≈-2.31 594

代入式(6)可以得到总体人误概率：

(7)

2 基于Markov理论的人因可靠性时变规律

Markov理论可以用于分析任务时间连续的可靠性问题[6]。对于海上油气生产工作人员来说，在时刻存在正确执行任务和失误两种状态：

(8)

对于长期值守人员，假设其在tn时刻前并不进行操作活动，那么tn+1时刻能否正确执行任务与其在t

(9)

对于确定的时刻t和t+Δt，转移概率函数：

(10)

式中：a为t到t+Δt时间内的平均失误率。

(11)

长期值守工作人员的状态是一个连续的过程，因此其对应的正确执行任务的概率也是一个连续的过程。假设工作人员在任意时刻正确执行任务概率的倒数存在，则对式(11)变形，并对Δt求极限得：

(12)

当t=0时，认为正确执行任务的概率为1，即P(X(0)=0)=1。带入并对微分方程(12)求解得：

(13)

则：

(14)

式中：F(t)为时刻工作人员操作失误的概率。

由上文可知，通过式(7)求得的HEP代表该任务环境下的总体人误概率，同时也是该特定环境下发生人误概率的平均值，可以认为HEP近似等于a，即HEP≈a，带入式(14)：

(15)

根据式(14)绘制不同CPC情况下的人误概率随时间变换的曲线，如图1所示。

图1 不同CPC条件下任务概率随时间变化曲线

由以上分析可以看出：(1)在任务环境良好的情况下，人误概率受时间因素影响的程度很小。(2)在任务环境恶劣的情况下，人误概率会随着时间的推移大幅增加，因此有必要通过改进工作人员的任务环境或者减少人员的工作时间以提高人员可靠性。(3)对于同一时刻而言，良好的任务环境对人误概率的影响不大，而恶劣的任务环境会对人误概率产生明显的影响。

3 实例计算

以渤海海域某已经投产的海上石油平台为例，采用问卷的形式进行了调研。问卷包涵7组题目，分别对7项CPC进行了描述。在确定判断标准时借鉴了模糊数学的思想，得到的CPC评价标准见表2。

表2 CPC评价标准

CPC的评价遵循最大隶属原则，得到的CPC评价结果见表3。

表3 CPC评价结果

根据专家对不同CPC的打分数据，利用FAHP方法建立模糊判断矩阵，经计算得到各CPC的权重值，见表4。

表4 模糊矩阵和权重值

结合表3和表4的数据计算得到：

I=0.124, R=-0.567

图2 人误概率和时间的对应关系 误概率变化的一般规律，得出考虑时间影响的人误概率定量计算方法。实例计算表明，该方法合理可行，对于确定值班制度、降低人误概率有重要意义。

[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，马维林，等．基于CREAM和不确定推理的人因可靠性分析方法[J]．天津大学学报，2013，45(11)：958-962．

[5] 徐培娟，彭其渊，文超，等．基于THERP—Markov原理的高铁列调人因可靠性分析[J]．交通运输系统工程与信息，2014，14(6)：133-140．

[6] 郭永基．可靠性工程原理[M]．北京：清华大学出版社；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.

将上述数据代入式(15)，得到该海洋平台工作人员的人误概率为：

人误概率与时间的对应关系如图2所示。

在上述恶劣任务环境中工作6小时的情况下，工作人员的人误概率高达0.192 3。可见对于上述特定相对恶劣的环境而言，人误概率会随着时间的推移大幅增加。管理人员应该考虑减小工作人员的值班时间或者改善当前任务环境。

4 结论

该文改进了CREAM法，把CPC的两种影响模式分别进行了定量计算，减少了该方法中的不合理因素。然后结合Markov相关理论， 定量描述人在长时间值守过程中人

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

国家重点基础研究发展计划资助项目(NO.2014CB046804)，国家自然科学基金项目(NO.51239008)，国家自然科学基金(NO.51379145)。

余建星(1958-)，男，教授。

1001-4500(2016)01-0073-05

TE 88

A