（船舶与海洋结构物设计制造专业论文）偶然载荷下海底管道风险评估中的人因分析.pdf

摘要 本文主要应用风险评估中的相关理论及方法，结合人因可靠性( n ) 分析， 对海底管道进行风险评估。目前发生的海底管道事故中多数是由于人的因素引起 的。在起重作业事件中的坠落事故，船舶碰撞平台和抛锚作业中对海底管道造成 的偶然载荷中人因因素也是不可忽略的。本文主要以船舶碰撞平台作为事故场景 来研究。对于此类事件分别采用人为差错预计法( t h e r p ) 和人的认知可靠性法 ( h c r ) ，预测操纵人员的行为可靠性和认知可靠性。 本文首先对相关研究领域的发展以及各国学者研究此类问题所采用的一般 方法做出介绍。然后对基本理论进行了阐述，即人因可靠性分析理论、船舶碰撞 风险评估理论和管道风险评估理论。船舶碰撞风险评估是在人因可靠性理论体系 内，借助了t h e r p 方法完成的，其主要任务包括：用p o n t e c o r v o 法计算、识别 风险源、基于人因事件树的失效概率计算和总风险的评估。对于坠落事故的风险 评估，采用类似的方法处理，只不过要用到h c r 法来评估操纵人员的认知可靠 性。整个分析过程的核心是人因事件树，事件树的构造、行为形成因子( p s f s ) 修正和相关性修正应引起分析人员注意。 其中包括故障树的构造。故障树的顶事件即为事故场景的初因事件，并按照 逻辑顺序用所有可能导致顶事件发生的事件自上而下地构造整个故障树。 最后，以某平台作为算例来进行研究，其结果表明了人员因素对平台的影响 并且给出了人因失误数据。对于坠落事故用人为差错预计法( t h e r p ) 和人的认知 可靠性法( h c r ) 进行了分析。 关键字：人因失误，人为差错预计法，人的认知可靠性，人因事件树 a b s t r a c t m a i n l yb a s e do nt h e o r i e sa n dm e t h o d o l o g i e sr e l e v a n tt og e n e t i cr i s ka s s e s s m e n t ， i nc o m b i n a t i o nw i t hh u m a nr e l i a b i l i t ya n a l y s i s ( r m a ) m e t h o d , t h i sp a p e rp r e s e n t s t h ep r o c e d u r eo fr i s ka s s e s s m e n tf o rb e n t h a lp i p e l i n e a m o n ga l lp o t e n t i a lh a z a r d s b e n t h a lp i p e l i n e ，f o rb e i n ge v e n t so ff r e q u e n to c c u r r e n c ea n dd i s a s t r o u se f f e c t sa l e m a i n l yf o rt h ef l a tr o o fc r e w a sf o rt h er i s ke v e n t sm e n t i o n e da b o v e ，a p p r o p r i a t e l y e m p l o y e da r et w om e t h o d s ，t e c h n i q u ef o rh u m a ne r r o rr a t ep r e d i c t i o n ( t h e r p ) a n d h u m a nc o g n i t i o nr e l i a b i l i t y ( h c r ) ，f o rt h e i ro v e r r i d i n gr o l ei np r e d i c t i n go p e r a t o r s p e r f o r m a n c er e l i a b i l i t ya n dc o g n i t i v er e l i a b i l i t y , r e s p e c t i v e l y t h i sp a p e rs t a r t sw i t l lt h ea d v a n c ei nr e l e v a n tr e s e a r c ha r e a s ，a sw e l la sg e n e r i c a p p r o a c h e se m p l o y e db ys c h o l a r sa r o u n dt h ew o r l d w h a t e n s u e si st h ed i s c u s s i o no f s u c hf u n d a m e n t a lt h e o r i e sa sh u m a nr e l i a b i l i t ya n a l y s i s ( h r a ) ，r i s ka s s e s s m e n tf o r c o l l i s i o nh a z a r da n dr i s ka s s e s s m e n tf o rc r a n e i nt h ef r a m eo fh g a , r i s ka s s e s s m e n t f o rc o l l i s i o nh a z a r di sp r e c e d e db yv i r t u eo ft h e r p t h em a j o rt a s ke m b r a c e s ： c a l c u l a t i n gw i t l lt h em e t h o dp o n t e c o r v o ，t h ei d e n t i f i c a t i o no fh a z a r d o u ss u b s t a n c e ，t h e p r o b a b i l i t yc o m p u t a t i o nb a s e do nh u m a nr e l i a b i l i t ye v e n tt r e ea n dt h ee v a l u a t i o no f g e n e r a lr i s k a sf o rr i s ka n a l y s i sf o rc t a n ef a c i l i t i e s ，t h ew o r ki sm a d ei nas i m i l a rw a y ； h o w e v e r , h c r i se m p l o y e da sas o l u t i o nt oa s s e s so p e r a t o r s c o g n i t i v er e l i a b i l i t y a t t h eh e a r to ft h ew h o l ea n a l y s i si st h eh u m a nr e l i a b i l i t ye v e n tt r e ew h i c hs h o u l dd r a w a n a l y s t s a t t e n t i o nt oi t sc o n s t r u c t i o n ，p s f sm o d i f i c a t i o na n d c o r r e l a t i o nm o d i f i c a t i o n t h ep a p e ra l s ou s e st h ef a u l tt r e e sm e t h o d , t h et o pe v e n t so fw h i c ha r ej u s tt h e i n i t i a t i n ge v e n t so ft w oi d e n t i f i e da c c i d e n ts c e n a r i o s t h e nt h ef a u l tt r e e sa r eb u i l t d o w n w a r d , i na c c o r d a n c ew i 也l o g i c a ls e q u e n c e ，w i t ha l lp o s s i b l ee v e n t sl e a d i n gt o t h eo c c u r r e n c eo ft o pe v e n t s f i n a l l yp r e s e n t e di sac a s es t u d yo faf l a tr o o f 1 1 1 er e s u l t so ft h i sc a s es t u d y i n d i c a t et h ee f f e c t so fh u m a nf a c t o r sa n dp r o v i d eh u m a ne r r o rd a t a a l s ou s eh u m a n e r r o rr a t ep r e d i c t i o n ( t h e r p ) a n d ，h u m a nc o g n i t i o nr e l i a b i l i t y0 - i c r ) i nt h e 、 a n a l y z i n go ff a l l i n ga c c i d e n t 一 k e y w o r d s ：h u m a ne r r o r , t e c h n i q u ef o rh u m a ne r r o rr a t ep r e d i c t i o n , h u m a n c o g n i t i v er e l i a b i l i t y , h u m a ne v e n tt r e e 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的 研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得墨鲞盘堂或其他教育机构的学位或证 书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中 作了明确的说明并表示了谢意。 洲文名：彭饥蝴期：。7 引月8 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解墨盗盘堂有关保留、使用学位论文的规定。 特授权丕洼盘堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名嘭彳扎 签字日期：d7 年06 月r 8 日 导师签名： 签字日期：秒1 7 年月占旧 ， 天津大学硕士学位论文第一章绪论 1 1 研究的背景及意义 第一章绪论弟一早瑁化 海底管道是海洋油气开发工程重要的组成部分。海底管道系统要进行量化的 风险评估，是国际权威机构d n v ( 挪威船级社) 在2 0 0 0 版最新标准中对设计提 出的新要求【5 】，该标准还明确在制订海底管道海上安装程序时承包者必须做危险 作业( h a z o p ) 分析。其中又明确提出为了加强对海底管道的保护对由偶然性 载荷引发的风险应进行定量风险评估，并制定了相应的标准( d 】虾，枷p _ - f 1 0 7 ) 。 根据美国海岸警备队( u s c g ) 提供的1 9 7 3 年一1 9 9 9 年海上原油泄漏的来 源比较数据，总泄漏1 7 6 来源于管道装置。其中起重作业，船舶碰撞平台和抛 锚事件中对海底管道造成的偶然载荷导致管线事故对于海底管线来说是比较典 型的。特别在船舶避碰系统中，人是主要的因素之一。美国对海难做了大量的研 究，统计结果表明，从1 9 7 0 1 9 7 9 年1 0 年中，碰撞事故由1 0 9 3 起增至1 6 2 1 起， 人为失误为主要原因的事故占了6 5 。荷兰对液化气船近1 1 年( 1 9 6 3 1 9 7 4 年) 来在沿海发生的搁浅与碰撞事故进行了研究，发现2 3 的搁浅事故及全部的碰撞 事故( 只一例除外) 是由人为失误造成的【3 1 。 关于人为因素在碰撞事故中的作用问题，国际上进行了很多研究。虽然研究 方法和选用的船舶种类及大小等不同，但是所得的意见毕竟是一致的： ( 1 ) 人为因素的作用在事故( 包括碰撞事故) 中是很关键的。 ( 2 ) 非常需要更多更好的涉及人为因素方面的各种系统信息及资料。 ( 3 ) 作为战略措施，为了减少碰撞事故，将出现全球性的共同投入。 但是，何谓风险? 风险和危险是同义词吗? 我们所说的危险就是指一个或一组具有某种潜在的造成损害或失败的可能 性。易燃性或毒性都是具有危险特性的范例。 基于我们评价的目的，将风险定义为发生特定危害事件的可能性以及事件造 成损失的大小。用管道运输危险品是有风险的，因为如果危险品发生泄露，会导 致产品损失的危害。发生管道泄露事件( 一般称为管道事故) 。按照这一定义， 当事故发生的可能性增加，或是事件后果的严重性增大时，风险将随之加大。其 损失值通常用经济术语来表示。 区分出危险和风险的不同点是十分重要的，因为我们无法改变危险但是可以 化解风险。 天津大学硕士学位论文 第一章绪论 基于以上原因，对于人员可靠性分析的复杂系统的可靠性分析越来越受到广 大科技人员的重视。 1 2 国内外相关课题的研究进展 偶然载荷下海底管道事故的多数是人为因素造成的，事实证明，只重视设备 和设施的先进性是远远不够的。在风险评估研究发展的最初阶段，研究重点主要 局限于硬件故障模式及失效机理方面【l 】【6 1 。随着时代的发展，风险分析专家经过 长期实践工作，逐渐认识到非硬件因素即人员因素在风险评估领域发挥着举足轻 重的作用。人因失误分析作为风险评估和可靠性理论研究的新分支已成为该领域 研究的重点。 h r a 并不是一个新生事物，在第二次世界大战结束后，英美等国就制订了 规范，要求在设计阶段必须考虑人与操作、设备，环境等的匹配问题，于是诞生 了一个新的学科一人因工程学( 或人类工程学) ，同时开始了现代的h r a 研究。 经各国学者不懈的努力，诞生了许多h r a 模式，这其中有以t h e r p 、s l i m 和 h c r 为代表的可以称之为第一代h r a 模式。 2 0 世纪8 0 年代，将h r a 结合到系统的p r a 中开创了另外一个研究的方向。 在美国电力研究员的资助下，h a n n a m a n 提出了s h a r p 框架模型，将h r a 纳入 系统p r a 的分析系统中。在s h a r p 框架中采纳了h c r 和t h e r p 做为标准方 法，分别用估计人的认知错误和操作错误。s h a r p 框架在美国和欧洲部分国家 得到了较为广泛的接受和应用，美国核管理委员会也认为它是一个可以接受的、 系统化的人的可靠性分析框架。现在用的s h a r p 也已经被一个改进的s h a r p l 所取代，其中执行h r a 的过程得到了加强。包含了对事故及人的行为的经验和 理解。 进入2 0 世纪9 0 年代，许多研究者对于以往的方法进行了批判，分析已有方 法的不足，把精力更放在对人的认知可靠性的讨论上，于是诞生了第二代的h r a 法。相较于于第一代的h r a 方法，第二代h r a 法以认知可靠性与认知分析 ( c r e a m 法) 和认知环境模拟( c e s ) 为代表，更为全面的考虑了两个方面的 内容： ( 1 ) 加深对人的认知过程的理解，认知科学和错误心理学成为重要的武器， 在此基础上越来越详细地寻找影响人的行为的内在因素和外在因素，并根据可用 的数据和专家的经验量化，以形成对人的可靠性的估计。 ( 2 ) 在人的行为模型中引入动态、随机的本质，利用动态可靠性分析技术， 在动态的系统中估计人与系统的互动关系。 2 天津大学硕士学位论文 第一章绪论 国内的清华大学核能与新能源技术研究院就人因可靠性在各类事故分析中 的应用方面做出了重大贡献【7 】【8 】【9 】。黄祥瑞教授领衔的科研小组将人员操作分为 三种类型：始发事件( 又叫初因事件) 前人员动作、引起始发事件的人员动作、 响应始发事件而进行的人员动作；针对核加拿大戴尔豪斯大学a m y o t t e 教授和纽 芬兰纪念大学k h a n 教授合作应用成功似然权重指数法【1 2 】【1 3 】( 简称s l i m ) 对海洋 平台火灾、人员落水和油气泄漏三种事故场景进行人因失误分析。s l i m 法的前 提假设是任一人因失误事件的概率值是人员执行该任务时所涉及的p s f s 值的函 数；并且为每一操作步骤定义一个似然权重指数s l i i , 该值与对应的操作步骤成 功概率值成对数线性关系，经过换算便可以得到人因失误率。 电站失水事故这一始发事件，识别人误操作、确定人因失误事件、选取相 关行为形成因子，运用人为差错预计法，构建基本人因事件树、进行p s f s 修 正、相关性修正等步骤，得出了综合评价结果。 e r i ch o l l n a g e l 在其著作中提出c r e a m 模式【1 4 】，此方法建立了独特的认知 模型、前因后果分类方案和分析技术。c r e a m 模式的显著特点是对人的行为 的描述置于一个环境中，并在分析的早期阶段就考虑环境背景对人的绩效的影 响。 1 3 本文的主要任务及采用的方法 d n v 对于偶然性载荷( 船舶碰撞、起重作业、抛锚作业) ，这三种载荷概率 的计算都给出了一些现成的方法，但是这些公式对于其中的人因因素都是以统计 数给定的。本文的目的就在于对其中人因因素的独立研究。用人因分析方法对于 这些因素进行详细分析。最后以船舶碰撞和起重机坠落事故为工程实例进行计 算。 对于碰撞事故，主要工作为： i 、用p o n t c c o r v o 法计算算例； 2 、碰撞事故风险评估的主要流程； 3 、碰撞风险源识别； 4 、用人为差错预计法构建碰撞后引起火灾及爆炸的人因事件树； 对于起重机系统故障，主要工作为 1 、介绍起重机系统的组成； 2 、坠落事故过程描述； 3 、利用人为差错预计法与人的认知可靠性方法确定操作员的失误率。 天津大学硕士学位论文第二章人因可靠性分析 2 1 概述 第二章人因可靠性分析 人因差错，又称人为差错，是指任何超过系统正常工作所规定的接受标准或 容许范围的人的行为或动作，并具有可预防性和可纠正性【2 】。 在各种工程系统的可靠性中人都起到关键的作用。在整个决策过程中都是通 过人一设备一环境的综合作用来实现的。并且在系统的设计、制造，管理和使用 的各个阶段，遵循人因工程的原则，能更好的提高人员可靠性，进而更好的保障 系统的安全和效率。 2 2 人为差错的分类 、人为差错的分类是认为错误识别以及自身基本结构和框架的主体，一旦人为 差错识别完成之后就要采用相应的分类方法。s w a i n 和g u t t m a n n 提出了一种简单 但应用很广的人为差错分类方法【l 】： l 、遗漏错误任务被遗漏( 没有执行) 。 2 、执行错误任务执行得还不够，或执行次序出错，或是执行得太早或太 迟。还包括量方面的错误，即执行任务程度的过大或过小，或方向错误等。 3 ，无关的行为一不需要的或错误的行为。 这种方法尽管全面，但是差别不大，比较粗糙。r e a s o n 提出的一种分类方 法很有用处： 1 ，遗漏与错误一比如按错了开关，或忘记较长程序中的一步。这类错误还 包括了维修和检验过程中可能导致以后发生失效的遗漏和错误。这类错误的特点 是意图是正确的，但是在执行过程中产生了错误。通常纠正的可能性很大。 2 、错误一比如判断失误或误解。他们属于小的错误但是十分重要，与操作 者对发生的时间的判断失误有关，还涉及由于操作者的能力导致不可预测的状态 或事故。也就是说，意图是不正确的，并导致错误的行动。成功纠正的概率没有 第一类大。 3 ，违反规则一指违反规则和程序等的一些错误，以及随之产生的导致风险 的因素。通常有三种基本类型，第一类是违反操作程序，比如执行任务过程中采 天津大学硕士学位论文第二章人因可靠性分析 取了非法的捷径，或者操作过程中的一些小的细节；第二类是状况违规，当执行 任务是发生类似人员短缺等特殊的情况；第三类是极端违规，比如某人试图测试 系统能偏离正常状况多远，或使安全装置失效。 另外还有一种是针对人员动作的分类一般而言，人员动作的划分要先于人因 差错的分类，人员动作通常可以分为三类：始发事件( 初因事件) 前的人员动作、 引起始发事件的人员动作、始发事件后的人员动作。这其中对引起始发事件的人 误事件分析较少，因为一般始发事件频率数据中已经包含了人员因素的影响，如 果进行了引起始发事件的人误事件分析，并将分析结果加到始发事件频率中，则 有可能带来重复计算的问题；始发事件后的人因失误分析主要考虑的是始发事件 发生后系统响应过程中人员的动作可靠性，因此是整个人因可靠性分析的重点。 对于人为错误分析的一种辅助工具就是人为错误分析表【7 】。针对人员动作的特 点，可将人因失误分为如下几类见表2 1 ： 。 表2 1 人因失误分类 人的失误类 失误原因 序号说明 型 给人分配的任务不当 1设计差错人机匹配不佳 设计未满足人因工程原则 设计工作草率 装错元器件 1 照明不足 漏装元器件 2 噪声高 2 装配差错未按图纸装配 3 工作安排的不好 焊接不正确 4 信息传递差和温度过高 5 缺乏管理和培训 元件引线接反 6 图纸质量差 第1 类疏忽型注意力差与1 缺乏正确规程 记2 任务复杂、超负荷工作 忆差错两种3 人员选择不当并缺乏培 3操作差错第类执行型操作差错训 辨识差错4 操作员粗心并对工作无 解释差错兴趣 5 恶劣的环境条件 5 天津大学硕士学位论文第二章人因可靠性分析 6 违反正确的操作规程 1 检查人员犯第1 类或第 类错误 4检查差错与检查有关的差错 2 检查不是百分之百准确 3 检查工具有问题 1 没有根据说明书或蓝图 安装设备 5安装差错设计安装阶段的差错 2 技术水平差的工人上岗 1 修理培训不够 2 任务复杂难度大 6维修差错发生于现场，修理不当造成 3 维修手册有缺陷 4 维修环境不好 2 3 人因可靠性分析模式 2 3 1 人为差错预计法模式 行为形成因子【6 】( 简称p s f s ) 是指影响人员完成任务能力的一系列参数，这 些参数的确定主要与六个因素有关： 环境因素； 工作任务说明书，设备使用清单等因素； 设备和任务状况因素； 心理应力因素； 人员所处的身体条件因素； 6 天津大学硕士学位论文第二章人因可靠性分析 人员的组织和训练情况因素。 上述六个因素涵盖的具体内容见表2 2 。 表2 2 行为形成因子 人员行为因 素 设计的内容 工作场所、质量环境、工作和休息时间、工具设备的可用性与适 用性、工作分配要发挥个人长处与爱好，使工作人员充满工作的 环境因素 兴趣与热情、组织结构，权威性机构，责任和情况交流、行政管 理活动、报酬，赏识和利益 工作任务对于人的工作任务执行必须事先计划好一个程序或说明书注意事 说明书 项必须是分门别类，格式清楚合理 设备和任务设备的要求( 速度、精度、能力) 、控制和操作的局限性、人员的 状况因素兴趣和活力、任务的复杂程度、操作的重复性人员之间的协调 心理应力因 任务的突发性、高风险操作、应对措施的失败、应对异常的困难 素 程度等 人员所处的 身体条件因 工作强度、紧张情况、人员工作时间的长短、干渴和饥饿、温度、 素 放射性条件、缺氧、振动环境、健康状况 人员的组织 和训练情况个人的经验、学历、技能、性格、知识水平 因素 2 3 2 认为差错预计法( t h e r p ) t h e r p ( t e c h n i q u e f o rh u m a ne r r o rr a t ep r e d i c t i o n ) 模式主要基于h r a 事件树 模型，它将人因事件树中涉及的人员行为按事件发展过程进行分析，并在事件 树中确定失效路径后进行定量计算。人因可靠性事件树描述人员操作过程中一 系列操作事件序列，它以时间为序，以量态分枝扩展。其每一次分叉表示该系统 处理任务的必要操作，有成功和失败两种可能途径。因而某作业过程中的人因 可靠性事件树可描述出该作业过程中一切可能出现的人因失误模式及其后果， 7 天津大学硕士学位论文第二章人因可靠性分析 对树的每个分枝赋予其发生的概率，则可最终得出作业成功或失败的概率【6 】。 应用这种方法需要1 2 个步骤如表2 3 所示： 表2 3t h e r p 法主要步骤 步骤序列执行的任务 分析人员应与系统工作人员会晤、询问和记录有关的行为形 1 系统考察 成因子，每考察一次要突出重点。 2 操纵人员可能导 致 着重了解操纵人员的规程对系统运行的影响，尤其是对关键 设备的影响，这些人为差错事件在故障树中应予以表示。 的差错事件 了解所分析的故障树中与人为差错有关的基本事件；与基本 3 走访调查 事件有关的人员的操作；边界条件。 把人员应该进行的操作分解成一系列相连贯的动作。对每一 4 操作分析 步必须弄清楚以下要求：动作实施的设备部件；要求操纵员 的动作；潜在的人为差错i 控制显示的位置。 事件树是描述人员进行操作过程中一系列操作事件序列的 5 建立人员可靠性图形表示法，事件树中的每一个分叉表示该系统在处理事故 分析事件树过程中的必要操作，这种任务可能成功可能失败，每个枝终 点，表示一项任务的结束。 6 人为差错概率的 人为失效数据主要是以核电站人员可靠性分析手册为主，并 选取和估算 根据专家的判断加以选取。 7 行为形成因子对操作失误率所做的p s f 修正主要参考n r c 发表的核电站 ( p s f ) 的估算 人员可靠性分析手册中的部分典型数据( 见表2 一) 。 8 操作之间的相关 在t h e r p 中，将操作之间的相依性分为五类：完全相依 ( c d ) ；高相依( h d ) ；中等相依( m d ) ；低相依( l d ) ； 性确定 零相依( z d ) 。根据分析选定其中一种。 9 操作链概率计 初因事件概率与每一步操作的条件概率相乘即可得到该操 作链的失效概率然后把任务所有可能失效的操作链概率相 算 一 加可以得到该项人为操作任务的总失效概率。 8 天津大学硕士学位论文第二章人因可靠性分析 1 0 讨论复原因子 某些人员操作失误是可以纠正的，这里必须仔细考虑工况的 特性，选取复原因子，复原因子可以是一个点估计值或用复 的影响 原过程的人因事件树来计算复原概率 通过改变一个或几个分析因素的数值，观察其对概率的影响 1 1 灵敏度分析有多大，进而获得不同人误概率( h e p ) 条件下的系统可靠 性结果 1 2 修改故障树中 在故障树分析中，对有人因失误的基本事件和由于人的因素 造成的共因失效，运用人因可靠性分析的最后结果重新进行 定量化结果 定量计算 表2 - 4 各种应力水平p s f 值 应力水平 应力p s f 修正值( 有经验操作员) 不确定边界 极低应力2b h e p2 倍范围 最佳应力1b h e p1 倍范围 中等应力( 一 步接一步操2b h e p2 倍范围 作) 中等应力( 动 5b h e p5 倍范围 态类型操作) 极高应力h e p = 0 2 50 0 3 0 7 5 注：b h e p 为手册中给出的人因失误率； 不确定边界表示人因失误率的上下边界，例如，失误概率在最佳应力条件的 值为0 0 0 4 ，其9 0 置信区间为0 0 0 1 , 4 ) 0 1 ，则在极低应力值条件的均值为0 0 0 8 ， 上下限界值区问为0 0 0 2 - 4 ) 0 2 。对于极高应力条件的失误概率均值和不确定边界 是给定的。 9 天津大学硕士学位论文第二章人因可靠性分析 故障树分析( f r a ，f a u l tt r e ea n a l y s i s ) 方法，是将系统故障的各种原因( 包括硬 件、环境、人为因素) ，由总体至部分，按树枝状结构，自上而下逐层细化的分 析方法。 故障树定性分析的主要任务就是找出最小割集或最小路集。这里要说明割集 和路集的概念。所谓割集是指故障树中一些底事件的集合，当这些底事件发生时， 顶事件必然发生，若将割集中所含底事件任意去掉一个就不成为割集，这样的割 集就是最小割集；所谓路集是指故障树中一些底事件的集合，当这些底事件不发 生时，顶事件必然不发生若将路集中所含底事件任意去掉一个就不成为路集，这 样的路集就是最小路集。 故障树分析中另一重要概念是对偶树，所谓对偶树是将原故障树“与门”改 为“或门”且“或门”改为“与门”，其它不变，即可得到故障树的对偶树。这种对 偶关系有如下性质：故障树的路集( 最小路集) 是对偶树的割集( 最小割集) ，故障 树的割集( 最小割集) 是对偶树的路集( 最小路集) 。 故障树分析中另一重要概念是对偶树，所谓对偶树是将原故障树“与门”改 为“或门”且“或门”改为“与门”，其它不变，即可得到故障树的对偶树。这种对 偶关系有如下性质：故障树的路集( 最小路集) 是对偶树的割集( 最小割集) ，故障 树的割集( 最小割集) 是对偶树的路集( 最小路集) 。 人因可靠性分析事件树示意图如图2 1 所示，失效路径表示为f ，成功路 径表示为s 。人员作业成功概率和失败概率可表示为： p s ( s ) = 口( b a ) ( 2 - 1 ) 尸，( f ) = a ( b a ) + a ( b 彳) + a x ( b 么)( 2 - 2 ) 式中：p r ( s ) 指成功路径的概率 p ，( ，) 指失效路径的概率 。 a 、6 指任务成功概率 彳、丑指任务失误概率 b a 、6 a 、b a 、b 口一分别指条件概率，例如，表示a 发生后b 发 生的概率 根据人因可靠性分析理论，操纵人员在事故发生后所进行的一系列操作与行 为形成因子有关系，特别是心理应力因素更为重要。经行为形成因子修正后的失 误概率公式为： h e p = b h e p xp 蹋艘 ( 2 3 ) 式中： 脚一失误概率名义值； 脚一修正后的失误概率值； 只踞一第i 个行为形成因子。 1 0 天津大学硕士学位论文第二章人因可靠性分析 事故发生后，操纵人员进行的各步操作之间具有相关性，前一步操作的成功 与否直接决定后续步骤的执行。在t h e r p 模型中包含5 种相关性公式， 完全相依性： 弓( 曰i 彳i c d ) = 1( 2 - 4 ) 高相依性： ， p r ( b a i h d ) ：半 ) 中相依性： p p ( b a im d ) ：1 + _ 6 p - ( b ) ( 2 6 ) 低相依性： p r ( b i a il d ) 三警( 2 - 7 ) 零相依性： 名( 召i 彳l z d ) = p ( b ) ( 2 8 ) 式中：c d 完全相依标志；h d 一高相依标志；m d 一中相依标志；l d 低 相依标志；z d 一零相依标志； 上述公式的意义是：a 事件先于b 事件发生，在某一相关性条件下 ( c d ，h d ，m d ，l d ，z d ) a 发生后b 发生的概率。这些关系均以条件概率的形式出现 分别详述如下： 完全相关性条件概率公式为： 弓l 彳i c d ) = 1 ( 2 9 ) 其意义为在a 操作失败b 与a 具有完全相依性的条件下，b 操作必定失败。 经修正后的枝线概率为： p ( c d b 彳) = 尸( 彳) p ( bi 彳) p ( bi 么ic d ) 。( 2 - l o ) 高相依性的条件概率公式为： p p ( b i a i h d ) ：i + i h e p ； ( 2 1 1 ) 其意义为在a 操作失败b 与a 具有高相依性的条件下，b 操作失败的概率。 经修正后的支线概率为： p ( h d b 么) = p ( 彳) p ( b i 彳) p ( 8 l 么l h d ) 。( 2 - 1 2 ) 中相依性的条件概率公式为： p , ( bia im d ) ；1 + _ 6 h - e p ；( 2 1 3 ) 其意义为在a 操作失败b 与a 具有中相依性的条件下，b 操作失败的概率。 天津大学硕士学位论文 ， 第二章人因可靠性分析 经修正后的支线概率为： p ( m d b 彳) = p ( 彳) p ( b i 彳) p ( b l 彳i m d ) ：( 2 - 1 4 ) 低相依性的条件概率公式为： p r ( ba il d ) ：i + 下1 9 h e p ；( 2 1 5 ) 其意义为在a 操作失败b 与a 具有低相依性的条件下，b 操作失败的概率。 经修正后的支线概率为： p ( l d b 彳) = p ( 彳) p ( bi4 ) p ( bi 彳il d ) ；( 2 1 6 ) 零相依性的条件概率公式为： b 但i 彳i z d ) = h e p ； ( 2 1 7 ) 其意义为在a 操作失败b 与a 具有零相依性的条件下，就是b 在a 操作失 败的条件下操作失败的概率( 即p ( b ) = 矗印) 。经修正后的支线概率为： p ( z d b 彳) = p ( 彳) p ( b i 么) p ( b l 彳l z d ) ( 2 - 1 8 ) b 图2 1t h e r p 事件树模型 1 2 i i 天津大学硕士学位论文第二章人因可靠性分析 2 4 人的认知可靠性模式( h c r ) 2 4 1h c r 法 人的认知可靠性h c r ( h u m a nc o g n i t i v er e l i a b i l i t y ) ，是迄今为止使用最为广 泛的分析模式之一。该模式具有两个前提假设：基于黜即眦s s 锄的s r - l 三级行 为模型，该模型将系统中所有人员动作的行为类型依据是否为例行工作、规程书 情况和培训程度等分为技能型( s ) 、规则型( r ) 和知识型( k ) 三种，这一模型以分层 的形式概要地表示了与决策相关的那些行为，本质上是定性的分析；每一种行 为类型的失误率仅决定于操纵人员进行响应的可用时间与操纵人员实际时间之 比，且遵从三参数威布尔分布【8 】。 ，第一种假设中的三种行为模型可做如下解释：技能型行为( s i r , i 1 1 b a s e d b e h a v i o r ) 是指信息输入与人的响应之间存在非常密切的耦合关系，它不完全依赖 于给定任务的复杂性，而只依赖于人员的实践水平和完成该任务的经验，它是个 体对外界刺激或需求的一种条件反射式的反应，如对一些控制器的简单操作或将 仪器从某个位置调整到另一个位置，操纵人员对这些操作非常熟练，无需任何思 考；规则型行为( r u l e - b a s e db e h a v i o r ) 是指人的行为由一组规则控制、支配，它与 技能型行为的主要不同点是来自对实践的了解程度，失误的主要原因是对情景的 误判断或不正确地选择规则；知识型行为( k n o w l e d g e - b a s e db e h a v i o r ) 是指当遇到 新鲜情景，没有现成可用的规程，操纵人员必须依靠自己的知识和经验进行分析 诊断及处理，由于知识的局限性和不完善性，该水平上的失误有些情况下很难避 免，其结果也很严重l 】j 。 2 4 2 操纵员响应失误率模型 如前所述操纵员在时间t 的响应失误率p ( t ) 服从威布尔分布【引，其数学解析形 式表示如下： p ( f ) = e x p 一掣r 门抡7( 2 - 1 9 ) u 。 l 尸( f ) = 1 j 7 式中：y 位置参数( 最小响应时间) o 刁一尺度参数( 特征响应时间) ； 一形状参数。 该公式描述了h c r 模式的数学模型，在实际使用过程中为了减小系统特征造 成的内在时间差异的影响，还要对操纵员响应时间进行规范化处理。规范化时间 天津大学硕士学位论文第二章人因可靠性分析 定义为f 五，2 0 其中t 为允许操纵人员进行响应的时间，五，：为操纵人员完成某种诊 断和决策所用的时间中值。响应时间中值应满足：当f = 互，2 时，p ( o = o 5 。将其 代入公式( 2 1 9 ) 得到公式( 2 2 0 ) ，考虑到操纵人员的经验、心理状况、人际匹配等 因素的影响对公式( 2 2 0 ) 进行修正得到公式( 2 2 0 + ) 。 五，2 = r + r t ( 1 n 2 ) ， ( 2 2 0 ) t l ，2 = 五，2x ( 1 + k i ) x ( 1 + k z ) x ( 1 + k 3 )( 2 2 0 ) 式中：k ，操作经验； k 2 一心理压力； k ，人机界面。 参数墨，k 2 和k 3 的取值见下表2 5 。 表2 5h c r 模型的行为形成因子及取值 类型行为形成因子取值 专家，受过良好的训练- 0 2 2 操纵员经验( k 1 ) 平均训练水平0 0 0 新手，最小训练水平0 4 4 严重应激情景o 4 4 严重应激情景高工作负 0 2 8 心理压力( k ：)荷 最佳应激情景正常0 0 0 低度应激放松情况0 2 8 优秀- 0 2 2 良好o 0 0 人机界面( k ，) 中等( 一般) o 4 4 较差0 7 8 极差o 9 2 用t l ，2 归一化处理响应代入公式( 2 1 9 ) 得到下式， 1 4 ( 2 2 1 ) j ， j 一 篓 天津大学硕士学位论文 第二章人因可靠性分析 式中：c ，= y 厂i l 2 ；q = r t l r z ；不变。 为了确定上述公式中的参数，一般要求先在模拟机上进行实验，采集操纵人 员进行某种作业的响应时问和响应概率，然后用统计学中常用的线性回归威布尔 分布拟合方法得到结果。对于采集到的数据进行如下处理：同一人机界面( m ) 上 的个操纵员的响应时间按由小到大的顺序排列为，t 2 ，- ，f 。互2 丙备为前 个操纵员对m 响应的概率估计值，操纵员在时间t 的响应概率f ( t ) 公式为： f ( f ) ：1 一尸( f ) ：l e x p 一( t - r y ( 2 2 2 ) 1 经过推导得到如下两式： i n 1 一，( f ) 】= 揭， ( 2 2 3 ) r 1 h b n 赢2 f l l n ( t - 力一肚r ( 2 - 2 4 ) f 与f ( f ) 经过变换构成对数线性关系，其中最小反应时间y 应满足o 7 ( f 。+ f 。) ( 2 - 2 5 ) 式中：f 。有后备人员的时间百分比； f ，。一没有后备人员的时间百分比； ，一单个人员的可靠度； 乞+ t 。= 1 0 0 ( 2 - 2 6 ) 天津大学硕士学位论文第三章船舶碰撞事故的风险评估 3 1 风险概述 第三章船舶碰撞事故的风险评估 船舶碰撞平台进而破坏海底管线的概率等于船舶碰撞平台的概率乘以碰撞 平台后进而碰撞立管的概率。而碰撞发生后立管的破坏主要由立管在平台上的几 何位置和立管的保护措施决定不属于人因分析的范围，所以风险分析在船舶碰撞 平台事故中展开。 船与平台之间的碰撞是近海结构的主要风险来源之一。根据d n v 分析从 1 9 6 5 年到1 9 9 1 年间平台损伤的主要原因，约2 2 的损伤由船舶的碰撞引起，同 疲劳损伤所占比例相同。 最频繁的碰撞发生在近海补给船和平台接触的时候，由于设计上已在很大程 度上考虑了碰撞折减系数，因此大多数情况下只对平台造成轻微损伤。然而根据 w o a d 数据库中有关碰撞时间的统计，从1 9 8 0 年起，有6 起平台发生完全损坏 是由于碰撞或接触引起的。 碰撞是与位置相关的，但这在结构的设计标准上没有得到反映，因此平台可 能被设计成具有相同的抗碰撞能力，而实际上碰撞位于不同的位置，碰撞的概率 相差很大，显然碰撞的风险差别也很大。 3 2 风险源分类 与平台发生碰撞的风险源可按照风险源在事故发生过程中的作用来研究风 险源。在这里，将风险源分成两大类，即第一类风险源和第二类风险源【1 7 】。 根据事故致因理论中的能量意外释放论，事故是指能量的意外释放，作用于 人体( 或结构) 的过量的或干扰人与外界能量交换的危险物质是造成人员伤害或 财产损失的直接原因。能量和危险物质在事故致因中占有非常重要的位置，故称 其为第一类风险源。定义导致能量或危险物质的约束或限制措施破坏或失效的各 种不安全因素为第二类风险源。 根据风险源分类，碰撞事故中的第一类风险源包括各种船舶( 见表3 1 ) ：第 二类风险源包括人员为了防止碰撞发生、减小碰撞损失所采取的消防措施中的隐 患。 评估碰撞风险的第一步是对第一类风险源，即可能和近海平台发生碰撞的 天津大学硕士学位论文第三章船舶碰撞事故的风险评估 船舶进行分类。碰撞可以发生在相关的运输上，如补给船，或外来的过往船舶， 如商船。这些过往船舶和平台碰撞时可能是有动力的，或处于漂浮状态。前者主 要与船上的观察失误有关f 1 8 】( 例如：舰桥上没有领航员，值班人员睡觉或雷达工 作不正常) 。对于漂浮的船只主要与主机和推进装置失效有密切关系。 根据北海的经验，最大的险情来源于商船( 发生频率较低但是后果严重) ， 因为它们通常非常巨大，因此具有相当大的碰撞能量，而且一些区域的商船运 输可能非常密集。源于补给船的碰撞险情发生频率高但是后果不严重 表3 1 碰撞船只分类 外部无关运输油田相关运输 商用 商船平台( 到达或 备用船 海军水面舰艇 离开自己的油补给船 田) 工作船 潜艇 储油船 渔业 拖捞船 近海平台( 到达备用船 浮式结构 储藏船 或离开其他油 补给船 船队驳船