综掘工作面人因失误模型

戚　星， 陆　刚， 靳　波， 史德强， 郭其科， 陈振伟

(中国矿业大学 矿业工程学院，江苏 徐州，221116)



综掘工作面人因失误模型

戚星， 陆刚， 靳波， 史德强， 郭其科， 陈振伟

(中国矿业大学 矿业工程学院，江苏 徐州，221116)

摘要：煤矿综掘工作面是由人、机器设备和环境组成的复杂生产系统，其工作面环境条件易变、作业空间狭窄、视觉环境差等，对机器设备的可靠性，以及工人的作业效率及身心健康都有重要的影响。通过理论和实际调研的结合，在研究综掘工作面人-机-环境关系的基础上，借鉴统计理论，建立人因失误模型，运用参数估计进行统计分析，量化人因失误致因因子，求解人子系统的可靠性指标，深入分析人因失误行为发生的类型、行为因子。

关键词：综掘工作面； 人因失误模型； 可靠性

综掘工作面人-机-环境系统是相互作用和影响的复杂系统[1-4]，具有动态反馈的制约作用，影响着系统的最优性能。其工作面作业线就是集掘进、运煤、材料运输、巷道支护等于一体的生产线，具有较高的掘进效率，能够带来可观的经济效益。Huang等[5]根据人的失误对人机系统正常功能的影响程度，将人的失误归结为危险性人为失误和隐藏性人为失误。霍志勤等[6]系统分析了航空事故中人的不安全行为，将失误分为感知失误、记忆失误、决策失误和技能失误4个类别，并通过实证研究表明人的因素干预矩阵对于指定安全建议具有良好的适用性。王永刚等[7]在对现有人因失误理论模型和分类方法比较分析的基础上，提出民航人因失误分类框架，该框架为人因失误的分析、数据收集等工作奠定基础。综上所述，国内外学者多从事故安全的角度研究人-机-环境系统，但是对于系统内人因失误因子的分析以定性分析为主，存在着主观局限性，且子系统与系统整体性能的影响关系不明确，有着系统整体性能提升时子系统因素实施措施定量化不足的局限性。因此，本文分析综掘工作面的影响因素，构建综掘工作面人-机-环境系统，建立人因失误致因模型，为企业提高系统可靠性的提升提出了参考措施，并定量化分析其可靠度，有助于提升系统整体性能。

1综掘工作面人因失误类型及致因分析

人因失误，基于不同的着眼点，有着广泛的定义[8-12]。一般情况下认为，人因失误是指在系统的运行过程中，人的作业出现错误，引起对设定的目标未能完成。显而易见的是，系统的非正常状态下运行，必定是某些方面超出了人的能力限度阈值，但并不是所有的人因失误都会导致系统的错误，故讨论产生不良后果或者事故的人因失误。

在实际的生产过程中，由于人的主观能动性，人因失误会有不同的表现形式，依据不同的出发点，人因失误的分类就会有多种，如表1所示。

表1　人因失误分类

综掘工作面生产系统是一个相互制约的人-机-环境系统，依据系统工程理论，对大量人因失误事故实例进行的分析，可以看出，人因失误行为形成的原因[13-16]主要集中于两方面，一方面是人自身的特征原因；另一方面是外部环境作用，如表2所示。

在研究综掘工作面人-机-环境关系的基础上，分析人因失误行为发生的类型、行为因子等，结合系统工程原理，综掘工作面人机环境系统中的人子系统是一个层次间从上至下有支配关系的结构系统，人因失误因素的递阶结构如图1所示。

表2　人因失误形成致因分析

图1　人因失误因素递阶结构

在该层次结构中，按属性的不同，人因失误致因因素被划分为不同的层次，上一层次对相邻的下一层次或者某些因素有着支配的作用，同一层次的因素之间不存在支配关系，形成了人因失误因素递阶结构。递阶结构的构造，使得人因失误致因因素的分析更加清晰。

2人因失误模型的建立与求解

2.1人因失误的参数估计

人因失误依据不同工种，可划分为m个部件单元，其故障模式为Mi(i=1,2,…,m)，其损害等级由轻度至重度，用Gj(j=1,2,3,4)表示，共划分为1、3、6、9四个等级；人因失误类型依据人因失误类型分类表，用Uk(k=1,2,3,4)表示，划分为4个等级(错觉失误、技术失误、状态失误、管理失误)。人因失误数据估计可以用式(1)表示。

(1)

人因失误的参数数据，拥有较多的信息。为合理分析人因失误，首先收集其参数数据，在分析可靠性的同时，说明人因失误发生的运行机制，提供有效的数据支撑。

2.2人因失误参数的计算

(2)

(3)

单元ai的故障率为

密度函数为

f(t)=βie-βi·t。

把单元ai维修时间分为k组，每组间隔Δtmin，组距中位数的倒数ti和单元修复率的倒数δ分别为

(4)

(5)

单元ai的修复率为

密度函数为

φ(t)=μie-μi·t。

2.3人因失误修正度

人在发生失误的时候，可能会发现并进行纠正，即有纠错能力。定义人因失误修正度函数为C(t)=p{t时间内人因失误的修正}，未能修正的函数为

(6)

其中，N为在时间t内未完成改正的次数。

(7)

(8)

单元ai修正时间服从负指数分布，则人因失误的修正度

(9)

其中，μi=Cri(t)为修正率函数。

2.4人子系统有效度

人子系统中，功能单元处于故障状态或者正常运行的状态，显而易见的是，状态间的转换依赖于人因失误的修正度。系统经过长时间的运行后，处于正常状态的有效度为

(10)

2.5人因失误致因因子的量化

人的可靠性(HRA)研究中，Swain A D提出了人的行为形成主因子(KPSFs)概念，是指人机系统中，影响人正常作业的一些因素，受到多重因素的制约，包括人自身能力、状态以及作业环境等。

选择相关的作业人员共p名，给定评价指标的最小值为1，最大值为10，然后对人行为形成因子的指标xij(i=1,2,…,p;j=1,2,…,q)进行评价，得到

(11)

特征值为

(12)

特征矩阵为

(13)

针对综掘工作面人因失误特点，人因失误引起的系统故障百分比ω，可以看成是行为形成主因子的失误概率F，则

R=P(1-F)≈P(1-ω)，

(14)

(15)

其中，P为行为形成主因子的度量值;R为人的可靠度。

2.6人因失误模糊分析

对于影响人因失误参数的系统状态，应用模糊语言描述系统工作状态，以判别系统状态，进而较为准确地记录与分析工人的行为数据。因为人在系统内进行作业行为时，不仅受到作业任务的支配，也受到自身个体内在因素的影响，只有较为贴切地描述了系统的状态，才能分析人在这个状态上的作业行为。

设可靠度R到模糊语言值X之间的映射关系为X={极可靠、很可靠、可靠、较可靠、临界可靠、较不可靠、不可靠、很不可靠、极不可靠}，取常数y=0.6得9个模糊子集的隶属函数。

(16)

(17)

(18)

(19)

(20)

(21)

(22)

(23)

(24)

3案例分析

本文以河南永城煤电集团有限责任公司城郊煤矿二十辅助采区掘进巷道为研究对象，该掘进巷道为城郊煤矿二十辅助采区轨道巷外段，主要担任二十辅助采区采掘工作面通风及运输任务，该巷道南侧为西翼行人暗斜井下平巷(已掘)，其余均为未采区。设计总工程量为782.708 m(平距)， 在20FG8点前67.5 m位置沿8°方位角按+3‰施工至二十辅助采区轨道巷里段开始位置。本掘进工作面自2014年10月30日开工，预计2015年5月30日竣工。

3.1数据收集与统计

巷道施工采用“边掘边扩”的方式施工，施工工艺流程如图2所示。

采用掘进机配合人工使用风镐、手镐开挖施工，详细设备及工具具体配备情况见表3所示。

图2施工工艺流程

Fig.2Construction technology process

表3　综掘工作面机器设备配备

对巷道进行实地调研，结合生产日志的数据，对收集到的人因失误故障数据进行统计归类，如表4所示。

表4　人因失误故障统计

3.2人因失误计算结果与分析

从实例中分析可知，结合人因失误数据估计公式，对统计数据进行计算，得到人因失误故障停机率占总故障停机率为11.8%，人子系统的可靠度为0.931 8，有效度为0.954，修正度为0.145 2，隶属度为0.89(0.95)，属于极好的工作状态。这说明该系统实际测得的可靠度真实有效，符合实际的生产过程。人因失误在影响系统正常生产运行中，有着较为重要的作用。由此可得，提高人的自身技能素质、适应环境的抗压能力、应急情况预处理与决策能力是提高系统可靠性的有效保障。

4结论

对煤矿综掘工作面的人子系统进行分析，分析了其系统层次结构构成，清晰展现了人因失误因素。从统计分析的角度出发，结合系统可靠性原理，以系统单元故障分析人因失误的参数，阐述人因失误的修正度、人因失误的有效度等内容，针对人因失误的行为形成因子，进行量化分析，辨识出人因失误致因因子。运用模糊算法定量化分析系统运行状态，分析系统可靠度，建立了人因失误模型，并通过实际案例进行了验证分析，指出了人子系统的可靠性指标等内容。实证结果证明该方法应用的可靠性，并且可以提高人因可靠性在煤矿井下生产应用的准确性。以综掘工作面为基础的人因失误计算对系统的正常运行有着重要的作用，为提高系统可靠性提出了有效的改善方法。

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Human Error Model of Fully-mechanized-heading Face

QI Xing , LU Gang , JIN Bo，SHI Deqiang，GUO Qike，CHEN Zhenwei

(School of Mines China University of Mining and Technology，Xuzhou 221116，China)

Abstract：The man-machine environment of fully-mechanized-heading face is a complex system which?is composed of people, machinery, equipment and environment. Its various working environments, with narrow operation space and poor visual condition, has important influence on the reliability of the machinery and equipment, as well as on the efficiency of the workers and their physical and mental health. Through the combination of theory and practice research, the research on the relationship of digging work face with machine and environment, and with the statistical theory for reference, a human error model is established. Using the statistical analysis of parameter estimation, human error factors are quantitatively analysed, solving the reliability index of the subsystems, and analysing the type of behavior and behavior factors causing human errors.

Key words：fully-mechanized-heading face; human error factor model; reliability index system

收稿日期：2015- 11- 14

基金项目：中央高校基本科研业务费专项资助项目(2010QNA34)

作者简介：戚星(1992-)，江苏省人，硕士研究生，主要研究方向为工业工程、矿井人机可靠性、人因工程.

doi:10.3969/j.issn.1007- 7375.2016.03.018

中图分类号：TD421.8

文献标志码：A

文章编号：1007-7375(2016)03- 0109- 06