PSA中HRA基本概念與方法

1、PSA中中HRA基本概念與方法基本概念與方法 國家自然科學基金資助項目（79870004，70271016，70573043）國防軍工技術基礎計劃項目（Z012002A001，Z012005A001)湖南工學院（籌）安全工程與管理研究所張張 力教授力教授人因可靠性專題講座之五人因可靠性專題講座之五1 1 HRA在在PSA中的作用與意義中的作用與意義人因可靠性分析人因可靠性分析（HRA）:以人因工程、系統(tǒng)分析、認知科學、概率統(tǒng)計、行為科學等學科為理論基礎，以對人的可靠性進行定性與定量分析和評價為中心內容，以分析、預測、減少與預防人的失誤為研究目標。概率安全評價概率安全評價（ PSA）：對來自系統(tǒng)

2、運行各個水平上的損害和其他不期望后果進行辨識，并對相關事件作出定性定量分析、評價、預測的系統(tǒng)安全/風險評估方法。在PSA研究與應用的早期階段，設計與安全技術能力不如當今，大多數系統(tǒng)失效均與硬件失效相關，因而PSA關注的重點是硬件可靠性對系統(tǒng)安全的貢獻。近年來，人因失誤已成為對系統(tǒng)安全性影響最大的因素之一： 人機系統(tǒng) 7090 核電站 國際 5585 國內 70 系統(tǒng)風險注意焦點之一轉向人因失誤HRA成為PSA的重要內容 國際原子能機構（IAEA）： HRA為PSA不可或缺部分； HRA水平為衡量PSA水平重要指標之一HRA應用于人機系統(tǒng)PSA也是目前HRA學科研究中心內容之一，是推動該學科發(fā)展

3、的主要動力。2 HRA發(fā)展歷史與研究動態(tài)發(fā)展歷史與研究動態(tài) HRA最早工作是20世紀50年代美國Sandia國家試驗室（SNL）：采用硬件可靠性分析方法，估計人員失誤對軍隊系統(tǒng)及裝備可靠性的定量影響。1964年8月，在美國新墨西哥大學舉行第一次HRA國際學術會議，美國人因學會會刊HUMAN FACTORS出版專輯。 HRA學科正式確立。HRA發(fā)展歷程的兩個階段發(fā)展歷程的兩個階段第一階段：第一階段：20世紀世紀60年代到年代到80年代中后期年代中后期主要工作：人的失誤理論與分類研究，人的可靠性數據的收集和整理，發(fā)展以專家判斷為基礎的人失誤概率的統(tǒng)計分析與預測方法。代表： THERP (Techn

4、ique for Human Error Rate Prediction)特征：以人的輸出行為為著眼點，不探究行為的內在歷程。對人的處理方式類似于對機器的處理。稱為靜態(tài)的基于專家判斷與統(tǒng)計分析相結合的第一代HRA方法 。 第二階段：第二階段：20世紀世紀90年代至今年代至今 1979年美國三哩島核電廠事故后，結合認知心理學、以人的認知可靠性模型為研究熱點-研究動態(tài)過程中的人的可靠性。 第二代HRA方法，又稱為動態(tài)的人的可靠性分析模型。正在發(fā)展，尚未正式用于PSA工程實踐。 人誤率預計技術(THREP), 1983 人的認知可靠性模型(HCR), 1984 成功似然指數法(SLIM), 1984

5、 操作員動作樹(OAT)，1982 事故引發(fā)與進展分析(AIPA)，1975 成對比較法(PC)，1984 人因可靠性社會技術評估法(STAHR), 1985 系統(tǒng)化的人員行為可靠性分析程序 (SHARP), 1984主要主要HRA方法方法混淆矩陣法(CM)，1981維修個人行為模擬模型(MAPPS)，1984多序貫失效模型(MSFM), 1985人誤評價與減少方法(HEART)，1988估計人決策失誤方法(INTENT)，1992認知事件樹系統(tǒng)(COGENT)，1992人誤分析技術(ATHEANA) ，1996認知可靠性與失誤分析方法(CREAM)，1998當前國際上當前國際上HRA研究三個

6、主流方向研究三個主流方向繼續(xù)探討能合理表征大規(guī)模復雜人機系統(tǒng)中人的行為特征和規(guī)律、系統(tǒng)特征及人機關系的人的行為模型和人機關系行為模型。對原主流方法進行改造與完善，包括模型、技術、數據等。HRA在PSA工程應用研究，由核能、航天航空擴大到石油化工、礦山冶金、交通通訊、海洋工程等領域 。國內對國內對HRA的研究始于的研究始于20世紀世紀90年代初期年代初期黃祥瑞、高佳黃祥瑞、高佳 人的失誤及人的可靠性分析研究、人的動態(tài)認知可靠性模型的理論及應用 楊孟琢、趙炳全、方向楊孟琢、趙炳全、方向 核電廠操縱員認知可靠性模型和模擬機實驗研究，建立了基于模糊數學的操縱員事故響應時間可信性回歸模型 張炯張炯 核反

7、應堆人誤數據統(tǒng)計分析王武宏王武宏 行為形成因子與人的差錯關系模型羅曉利羅曉利 中國民航20年人因事故統(tǒng)計分析研究龐志兵龐志兵 高炮操作失誤類型及原因 本文作者本文作者國防軍工技術項目國防軍工技術項目 核電站人員可靠性基礎研究(2000) 反應堆系統(tǒng)人因事件分析與預防方法(2002)國家自然科學基金項目國家自然科學基金項目 復雜人-機系統(tǒng)中人員可靠性研究(1995) 人因事故分析理論與方法研究(1998) 人誤分析技術及應用(2002)核電站核電站HRA項目項目 大亞灣核電站（1998） 嶺澳核電站（2000） 秦山核電一期（2004）3 3 PSA對對HRA的需求分析的需求分析 為什么歷史上幾

8、十種HRA方法多數不能在PSA中獲得有效應用，甚至有相當數量的HRA方法因不適合PSA而被淘汰、致使夭折？關鍵是它們未能滿足PSA對HRA的本質需求。那么，PSA對HRA的本質需求究竟是什么，應當通過什么途徑來實現它。概率安全評價（概率安全評價（PSA）的主要功能）的主要功能 PSA是一種工程安全系統(tǒng)評價方法。它用基于事故場景的方法和思路分析研究對象系統(tǒng)，通過綜合運用多種安全分析技術，結構化地、系統(tǒng)地鑒別出其可能的后果，計算出各種危險因素導致事故發(fā)生的概率，對可降低風險的各種方案進行比較。PSA的基本分析方法的基本分析方法基本分析方法 找出可能導致事故的各種事件組合(稱之為事故序列)，重點考慮

9、初因事件、系統(tǒng)失效和人誤等的組合，確定每一組合的發(fā)生頻度，最后評估其后果 。事故序列建模：事件樹與故障樹相結合 事件樹（ET）描述系統(tǒng)對事故初因事件的響應和事件序列演變過程，進而求得導致系統(tǒng)失效的定性結果（主要事故序列及最小割集組合）和定量結果（系統(tǒng)失效發(fā)生頻率）；故障樹(FT)描述該響應過程中系統(tǒng)的失效模型，進而確定系統(tǒng)失效原因和不可用度 。在PSA過程中，需要HRA在初因事件確定、事故序列建模、數據評價和參數估計、事故序列量化等步驟作出支持和貢獻。在初因事件確定過程，要求尋找和鑒別可能誘發(fā)初因事件發(fā)生的人員行為和有關因素，以較全面地確定系統(tǒng)潛在的事故源（事故起點）。在事故序列建模過程，需要

10、分析與初因事件和此后的系統(tǒng)響應有關聯(lián)的人員行為，包括發(fā)生在初因事件之前、之中和之后有關的人的因素，以有助于建立完整的系統(tǒng)事故模型和事故影響的后果模型，特別是系統(tǒng)中事故的傳播途徑。在數據評價和參數估計方面，需要HRA提供專門技術和數據以支持人員行為的建模。在事故序列量化中，需要對人員行為建模、給出定量分析并最終歸并于PSA總體框架中。PSA主要程序工作分析主要程序工作分析HRA數 據 評 價和 參 數 估計事故序列建模事故序列量化初因事件確定分 析 文 檔和解釋HRAHRA管理和組織HRA需要分析與初因事件和此后的系統(tǒng)響應有關聯(lián)的人員行為，包括發(fā)生在初因事件之前、之中和之后有關的人的因素，以有助

11、于建立完整的系統(tǒng)事故模型和事故影響的后果模型，特別是系統(tǒng)中事故的傳播途徑。要求尋找和鑒別可能誘發(fā)初因事件發(fā)生的人員行為和有關因素，以較全面地確定系統(tǒng)潛在的事故源。需要HRA提供專門技術和數據以支持人員行為的建模。對人員行為建模、給出定量分析并最終歸并于PSA總體框架。PSA對對HRA的本質需求的本質需求在對象系統(tǒng)的PSA模型、系統(tǒng)假設與邊界的約束下，系統(tǒng)化地辨識系統(tǒng)中潛在的人因事件并給出系統(tǒng)的、客觀的定性定量分析與評價。 HRA的三個基本目標： 辨識什么失誤可能發(fā)生 這些失誤發(fā)生的概率 如何減少失誤和/或減輕其影響 有效性 可用性 可靠性 有效性：HRA方法能夠客觀、真實、準確地測量PSA框架

12、中的確可能發(fā)生的人因失效事件。在數學意義上，有效性（有效度）刻畫被該方法測量的參數與應當被測量對象之間的關系可用性：HRA方法能夠測量出其所使用的參數。在數學意義上，可用性刻畫該方法意欲測量的參數與所測的變量之間的關系可靠性：測量的一致性，其數學意義是刻畫在不同時間或被不同用戶所測得變量之間的關系有效性有效性完備性完備性：覆蓋所有類型的人員行為；可分析所有類型的人 誤；可分析影響行為的所有因素；滿足不同精度要求完整性完整性：定性分析，定量評價準確性準確性：對人機交互行動準確建模，真實反映現實，包括 任 務、人機界面、人員水平、相關性、規(guī)程等靈敏性靈敏性：輸入量微小變化能引起輸出量變化可用性可用

13、性數據可用性數據可用性：有豐富的、多種可供選擇的數據，包括本系 統(tǒng)的原始數據（經驗數據）、模擬機數據、實驗 數據、專家判斷等 程序化程序化：技術規(guī)范化、標準化 適用性適用性：適用范圍廣易用性易用性：培訓成本低 可靠性可靠性一致性一致性：不同的用戶或同一用戶在不同時間對一項給定的 任務分析所得結論一致數據可信性數據可信性：基本數據可信可用可證明性可證明性：所有的假設、模型和數據可證明或可測試可比較性可比較性：分析評價的結論與其它（合格的）方法評價結 論一致有效性、可用性、可靠性的涵義有效性、可用性、可靠性的涵義4 PSA/HRA人因事件分類人因事件分類(IAEA)A類：能導致設備或系統(tǒng)潛在不可用

14、；維護、 校驗、測試 事故前人因事件B類：由人的行為直接引發(fā)或再結合設備失效 導致初因事件發(fā)生 激發(fā)初因的人因事件C類：發(fā)生在初因事件之后，在事故處理過 程中發(fā)生的人因失誤事件；診斷、決 策、操作 事故后人因事件5 HRA基本框架基本框架 任務定義/理解任務分析人誤辨識潛在的人誤恢復行為形成因子量化 定性評價階段6 PSA中中HRA過程范式過程范式七項基本任務七項基本任務 定義 篩選 定性分析 表征 模型集成 量化 建立文件定義確保在研究范圍內所有不同類型的相關人員行為都得到了充分的考慮，保證關鍵的人系統(tǒng)交互作用(HIs) 應被包含在系統(tǒng)分析的邏輯結構(事件樹、故障樹)之中。篩選識別那些對系統(tǒng)

15、安全和運行有顯著影響的人員行為，避免浪費資源?？刹捎枚ㄐ缘南到y(tǒng)分析規(guī)則和定量方法相結合來進行篩選，以最終得到關鍵的HIs。定性分析確定建模所必須的關鍵影響因素，對重要的人員行為進行詳細描述兩類關鍵因素：顯式和隱式。表征為描述重要的人員行為，選擇和運用最合適的邏輯表征技術，以說明人的行為是如何改變事故進程的，例如采用HRA樹描述人的技能和規(guī)則型行為。模型集成描述怎樣將重要的人員行為集成到PSA的系統(tǒng)模型中。分析研究已找出的關鍵HIs人的行為對系統(tǒng)響應的影響，按影響度篩選分類，將其歸入到原來分析的事件樹和故障樹模型中。發(fā)現新的影響后果時應建立新的分析和定量化模型。量化應用恰當的數據或其他量化方法對

16、所考慮的各種人員行為確定概率值，分析靈敏度，建立不確定性范圍。建立文件包括所必需的信息，以使評價是可追溯的、可理解的、可重新產生的。7 7 現行現行HRA方法簡介方法簡介（13種）種） 人的失誤率預測技術（人的失誤率預測技術（THERP： Technique for Human Error Rate Prediction )系統(tǒng)調研階段 1.系統(tǒng)考察、調研 2.系統(tǒng)分析信息收集 定性分析階段 3.走訪調查 4.任務分析 5.建立HRA事件樹定量分析階段 6.基本HEP賦值 7.估算PSFs因子 8.考慮相關性及計算成功與失敗概率 9.確定恢復動作的影響結果應用階段 10.結果并入PSAaAb/

17、aB/ab/AB/A串 連 SFFFFSS并 聯(lián) S 串聯(lián)和并聯(lián)系統(tǒng)的HRA事件樹 串連：P(F) = a(B/a) + A(b/A) + A(B/A)并聯(lián)：P(F) = A(B/A)行為形成因子（PSFs）修正 HEP = BHEPPSF1PSF2 * * *相關性修正 1)/(,.1ABPCD)()/(,.520)(191)/(,.47)(61)/(,.32)(1)/(,.2BPABPZDBPABPLDBPABPMDBPABPHDTHERP數據庫 以核能工業(yè)為主體的人員操作失誤概率 THERP表格共27個 THERP評析評析THERP的突出貢獻 HRA事件樹 基本HEP數據庫 人因可靠性的

18、一個重要概念行為形成因子（PSFs） 結構化的工程分析方法缺陷 診斷決策過程中的人誤度量過于粗糙 PSFs的敏感性不夠 在情景模型和數據庫的應用上缺乏統(tǒng)一性人的認知可靠性模型（人的認知可靠性模型（HCR： Human Cognitive Reliability Model ） 為評價運行班組未能在有限時間內完成診斷決策的概率而開發(fā) 兩個基本假設人機界面上所有人員行為可劃分為技能型、規(guī)則型及知識型三種類別 常規(guī)操作操作員清楚地理解過渡工況或操作內容規(guī)程覆蓋了情景操作員理解規(guī)程操作員對規(guī)程使用熟悉人的行為類型YESNO技能型規(guī)則型技能型技能型規(guī)則型規(guī)則型知識型知識型知識型規(guī)程編制有缺陷技能型規(guī)則型

19、知識型不需要規(guī)程HCR行為類型辨識樹第二個基本假設 每一種行為類別的失誤概率僅與允許時間(t)和執(zhí)行時間(T1/2)的比值有關，服從三參數威布爾分布 21/ t)(Tetp HCR評析評析主要貢獻 提供了一種用模擬機實驗分析人的認知可靠性的有力工具缺陷 較難明確劃分技能型、規(guī)則型或知識型 使用的PSFs較少，且靈敏度不夠 未提供一個完整的HEP操作員動作樹（操作員動作樹（OAT：Operator Action Tree ） OAT與其它一些早期的HRA方法相比，明顯的改進在于將人的響應行為劃分為三個階段觀察、診斷、響應動作不足的是OAT僅考慮了其中的第二階段中的失誤；沒有考慮PSFs的作用 事

20、故引發(fā)與進展分析（事故引發(fā)與進展分析（AIPA： Accident Initiation and Progressing Analysis ） 20世紀70年代中期為評估大型高溫氣冷堆操縱人員的操作響應概率而發(fā)展起來的，其目的是確定操作者在反應時間內某一行為發(fā)生的概率沒有顯式地建立人的行為模型沒有考慮行為形成因子（PSFs）影響在PSA中很少被應用成對比較法（成對比較法（PC： Pair Comparison ） 以專家判斷來定量估計人誤概率。不要求專家們直接作任何定量的分析，而只需他們去比較一系列含有HEPs要求的成對任務，決定哪個最容易產生失誤及其相對等級，最后通過對數變換獲得HEPs的評

21、估其有效性主要依靠專家們的知識經驗，標準數據難找，主觀性較大對于單點的HEPs估計是一種較好的專家評判方法，但難于處理復雜任務的HEPs成功似然指數法（成功似然指數法（SLIM： Success Likelihood Index Methodology ） 基本思想是量化專家群體的選擇偏好。認為人完成某項任務的可靠性依賴于當時PSFs的作用，因此只要能計算出這些PSFs對人行為的影響度即可計算出人員完成該任務可能失敗的概率。PSFs的辨識、各PSF對人員完成任務的影響權重以及在各PSF影響下完成任務的相對可靠度均由專家評估確定表征PSFs對完成任務的影響度的數學量成功似然指數） 完成任務的失敗

22、概率iijijRWSLIbaSLIHEPlog就一個任務而言，它能以一個較高或整體的水平來量化人因可靠性只有在對影響人員響應的各種PSFs均已知的條件才能進行定量計算，否則只能靠估計在PSA中較少直接使用，但可用來幫助確認重要的PSFs 人因可靠性社會技術評估方法人因可靠性社會技術評估方法（STAHR： Socio-Technical Approach to Assessing Human Reliability ） 屬專家判斷方法沒有對人誤行為作出顯式的處理，而是使用影響圖表達多層次PSFs與目標任務間的關系含有濃厚的主觀性，但可通過使用一組人數較多的專家來反映客觀現實，因而對它的應用需要更

23、多的時間和個人努力未充分考慮不同的PSFs間的相關性與PSA模型（事件樹、故障樹）相關不大 混淆矩陣（混淆矩陣（CM： Confusion Matrix ） 專家判斷方法主要用作定性分析相似征兆及其預期影響在一定程度上動態(tài)地反映了事故序列的發(fā)展人誤評估與減少技術（人誤評估與減少技術（HEART： Human Error Assessment and Reduction Technique ） 應用較簡便，適合用作設計過程中的風險評估工具目前只能處理獨立的任務，尚無處理連續(xù)性序列任務的模型估計人決策失誤方法（估計人決策失誤方法（INTENT： Method for Estimating HEPs

24、 for Decision-based Errors ） 提出了20余種基本EOIs概率，并可用11種PSFs修訂，彌補了原有HRA決策失誤評價方法及數據缺乏的缺陷EOIs的多樣性及PSFs的完備性尚不足計算出的概率值與用其他方法計算出的概率值是否具有內在一致性尚未經過充分證明人誤分析技術（人誤分析技術（ATHEANA：A Technique for Human Error Analysis ）既分析人誤機理也分析由此機理產生可觀察到的不安全動作的后果，為HRA提供了一種全新的思路和分析框架 應用困難: 迫使失誤情景（EFCs）的構成因素及其發(fā)生概率的確定認知可靠性與失誤分析方法認知可靠性與失

25、誤分析方法（CREAM： Cognitive Reliability and Error Analysis Method ）對HRA定性分析作了深刻變革，由失誤模型多樣化得到認知失誤處理的新方法，引進復合狀態(tài)信息處理模型改進了操作員行為模型在分析開始階段就考慮PSFs的定性定量影響，且把這種影響真正看作是行為的背景、原因，而不像THERP那樣僅作為對HEP的一種修正定量分析過于簡化，基本數據不足尚未見CREAM工程應用的正式報告THERP+HCR THERP：與時間無關的序列動作HCR：與時間密切相關的認知行為 A、B類人誤行為: THERP C類人誤行為歷程: 察覺、診斷、操作 在大規(guī)模復雜

26、人機系統(tǒng)PSA中，可以THERP+HCR作為HRA的主體分析模型THERP+HCR分析模型分析模型 xPP0,0,0,21/ t321111xCeWSFPHEPxCWSFPHEPxCWSFPHEPCkkNkCBjjNjBAiiNiATC類人誤行為基本模式類人誤行為基本模式SF3 ：P3p3 F2 : P2F1 : P1p2p1操作處理診斷決策觀測信息事件發(fā)生321211321)1)(1 ()1 (ppppppPPPPp1: THERP p2: HCR p3: THERPC類人因事件時間分割函數類人因事件時間分割函數Tc：最大允許時間 ； T0：異常事件覺察時間Tm：任務時間 Tm = Tc -

27、 T0 ； Ta：操作時間Td: 診斷允許時間 Td = Tm Ta ； Td1: 診斷實際所用時間 Tr: 冗余時間 Tr = Tm (Td1 + Ta)TTcT0TmT0TdTaTrTaTd 1T08 8 現行現行HRA方法存在的主要問題方法存在的主要問題（1）功能不完備，過程不完整功能不完備，過程不完整 完整的HRA至少應具備以下基本功能： 任務分析：描述運行人員應當做什么 失誤分析：確定什么可能會出錯 表現形式：表達事件的邏輯和量化的結構 量化：推算失誤的可能性 失誤減少：減少人誤對風險的影響 質量保證和資料編制：有效性，信息資源 （2）數據可用性不良數據可用性不良 人因數據采集極度困

28、難，致使HRA長 期缺乏較充分的可用數據 現有主要人因數據庫 人員可靠性分析手冊，NUCLARR， 英國CORE-DATA 三方面問題 數據的可靠性：專家判斷和外推 數據的適用性：針對某個專門領域建立 它國數據的可引用性（3）缺乏客觀性和一致性缺乏客觀性和一致性人具有生理、心理、社會、精神等方面特性，導致其行為具有多樣性和較大的不確定性現行HRA方法不足以規(guī)則地、結構化地處理上述問題，很大程度上依賴于分析人員的主觀理解、判斷和經驗具有不同學識背景、不同經歷、不同層次的使用者對同一問題獲得相距甚遠的結論（4）應用不規(guī)范應用不規(guī)范 HRA作為一門應用學科，主要目的是指導、應 用于實踐。從工程應用的

29、角度，欲將理論、方法 應用于實踐，首先須將該理論、方法轉化為相應 的技術、程序，使其具有可操作性，才能保證應 用的質量和合理性。 目前問題目前問題 HRA方法選用標準不明確、不統(tǒng)一未建立符合質量保證要求的規(guī)范化的實施程序 嚴重影響和沖擊PSA質量和可信性9 9 現行現行HRA方法綜合評價方法綜合評價 以滿足PSA本質需求為基本原則，從有效性、可用性、可靠性、工程性四個方面，對12種HRA方法進行比較評價。結果表明:在有效性、可用性、可靠性、工程性方面,THERP和HCR是相對較好的HRA方法，這與Swain、 Kosmowski、 Kirwan 、Reer、 Hollnagel等人的評價結果一

30、致，與現實使用的廣泛性也是一致的。但是，THERP和HCR也都存有缺陷，并且這些缺陷已使得THERP和HCR不能滿足當今PSA之需求。 12種HRA方法評價結果詳表 有效性可用性可靠性工程性完備性完整性準確性靈敏性數據可用易用性程序化適用性一致性數據可信可證明可比性相容性可追溯性THERPHCROATAIPIPCSLIMSTAHRCMHEARTINTENTATHEANACREAM12種種HRA方法綜合評價結論方法綜合評價結論 有效性有效性 可用性可用性 可靠性可靠性 工程性工程性 THERPHCR OATAIPIPCSLIMSTAHRCMHEARTINTENTATHEANCREAM + 10 HRA 技術程序技術程序 程序的作用 規(guī)定技術的實施步驟和組織管理 保證該技術的正確應用 HRA技術程序 事故前HRA程序 激發(fā)初因HRA程序 事故后HRA程序 事故前HRA程序 事故前（A類）HRA主要分析系統(tǒng)正常運行時，在維護、校驗、測試等系統(tǒng)安全相關的儀器、設備工作中，導致設備或系統(tǒng)處于潛在失效狀態(tài)的人因失誤