导弹人-机-环系统安全行为动态仿真模型*

刘逸超,王 强,高建国,钱拥军

(空军工程大学装备管理与安全工程学院,西安 710051)

导弹人-机-环系统安全行为动态仿真模型*

刘逸超,王 强,高建国,钱拥军

(空军工程大学装备管理与安全工程学院,西安 710051)

为了研究组织因素对地空导弹人-机-环系统研制、生产和使用部署中人为差错的影响,在构建组织视角下系统人员安全行为分析框架的基础上,建立了基于直觉模糊有序加权算子和模糊认知图的直觉模糊认知图模型,并进行模拟仿真,揭示了组织因素对地空导弹人-机-环系统人员感知行为、决策行为以及执行行为的影响机理。结果表明,该模型能够很好的描述组织因素影响地空导弹人-机-环系统安全行为的动态机理。

地空导弹;安全行为;直觉模糊集;模糊认知图;人-机-环系统

0 引言

地空导弹的研制、生产和使用部署通常被视为是一个复杂的人-机-环系统[1]。系统安全行为特性会受到人员、装设备以及环境的诸多不安全因素的影响,特别是随着科学技术的进步和生产制造水平的提高,人员因素导致事故的比例已达到了70%以上。

大量的事故表明,组织因素对保证系统安全具有决定性作用,其作业人员每一个不安全行为几乎都可以在组织层面找到原因[2]。因此,对地空导弹研制、使用训练过程中人员安全行为特性的研究必须考虑组织因素的重要影响。

目前,关于组织因素影响系统人员安全行为的研究,已有大量的模型和方法,例如人的失误率预测技术(THERP)、人员认知可靠性模型(HCR)、人误分析技术(ATHEANA)以及认知可靠性与差错分析模型(CREAM)[3]。上述模型和方法大多是将组织因素作为个体安全行为形成因子加以分析,且考虑的组织因素不够全面。在此基础上Shang Hwa Hsu[4]、Hafida Bouloiz[5]等均建立模型来刻画组织因素对作业人员安全行为的作用机制,但对组织因素影响作业人员安全行为的不确定性、交互关联性以及因果关系描述过程中的模糊性等问题未能较好解决。

模糊认知图(fuzzy cognitive maps,FCM)作为一种支持因果知识表示与推理的网络模型,其通过概念间的关系来进行模糊推理,能较好的模拟组织因素对地空导弹人-机-环系统安全行为的动态影响[7]。文中在分析模糊认知图的特点和不足的基础上,将直觉模糊有序加权算子引入模糊认知图理论,提出一种基于直觉模糊认知图的系统人员安全行为特性仿真模型,通过模拟仿真分析组织因素对系统人员个体感知行为、决策行为以及执行行为的影响机理。

1 组织视角下地空导弹系统人员安全行为分析框架

组织因素对地空导弹系统人员安全行为具有直接或间接影响。文中通过整合个体认知行为模型[8]和组织事故模型[9],构建了组织视角下的地空导弹系统人员安全行为分析框架,如图1所示。

图1 组织视角下系统人员安全行为分析框架

由图1可知,组织因素影响系统人员安全行为的途径有4种:分别是通过影响人员的心理状态进而影响其安全行为；通过影响作业环境进而影响人员安全行为;通过影响人员的技能和经验进而影响其安全行为和直接影响系统人员安全行为。

考虑影响系统人员安全行为的组织因素很多,文中根据国内外相关研究成果[2-5],结合地空导弹研制、使用训练实际,将影响安全行为的组织因素归纳为安全目标、规程、培训、交流、组织指挥、安全监察、安全文化。同时,为便于揭示组织因素对人员安全行为的作用机理,根据个体认知行为过程模型[8],将安全行为划分为感知行为、决策行为和执行行为。

2 直觉模糊认知图模型及推理算法

2.1 基本理论

2.1.1 模糊认知图

模糊认知图是由Kosko在认知图模型的基础上,将模糊测度的概念引入概念间因果关系所提出的[7],能够更有效的描述因素之间的作用关系以及系统动态行为。尽管如此,还存在一定的局限性,主要表现在以下两方面。

1)关于模糊关系的描述。尽管FCM将概念间的因果关系从三值{-1,0,1}逻辑关系拓展为[-1,1]区间上的模糊关系,但其对于因果关系的表述仍是一个单值,即表现为只能对“亦此亦彼”的模糊关系进行描述,不能对“非此非彼”的模糊关系进行描述。在作业人员安全行为特性分析过程中,因素之间作用关系通常具有“非此非彼”的特性。由于直觉模糊集(intuitionistic fuzzy sets,IFS)[10]的特点是对模糊关系的描述通常从隶属度、非隶属度和犹豫度三个方面考虑,且其隶属度为[0,1]内的子区间,因此,直觉模糊集在表述这种具有“非此非彼”的模糊关系时更具有明显的优势,将其引入到FCM模型可以有效提高分析结果的准确性。

2)关于模糊逻辑推理。由于FCM存在表述与或关系的局限性,所以其模糊逻辑推理过程只是进行简单的加权求和,而引入阈值函数会致使分析结果进一步失真。直觉模糊有序加权算子(intuitionistic fuzzy OWA,IFOWA)作为一种参数化的与或运算[11],将其引入到FCM模型可以有效的描述概念间的与或关系。2.1.2 直觉模糊集

1)直觉模糊集的概念

定义1[10]:设X是一个非空集合,则X上的直觉模糊集A为

(1)

其中:μA(x)∈[0,1]表示A的隶属度函数,νA(x)∈[0,1]表示A的非隶属度函数,二元组〈μA(x),νA(x)〉或[μA(x),1-νA(x)]称为x在直觉模糊集A上的直觉模糊数,且满足条件0≤μA(x)+νA(x)≤1。πA=1-μA(x)-νA(x)为表示集合X中元素x对A的犹豫程度。

2)直觉模糊集的运算法则

设A和B是非空集合X上的直觉模糊子集,给出涉及的两种直觉模糊集运算法则,即

直觉模糊数的排序

定义2[10]:设a1=〈μa1,νa1〉,a2=〈μa2,νa2〉为直觉模糊数,s(a1)=μa1-νa1表示a1的得分数,h(a1)=μa1+νa1表示a1的精确度,则:

①当s(a1)>s(a2)时,a1>a2。

②当s(a1)=s(a2)时,若h(a1)=h(a2),则a1=a2;若h(a1)h(a2),则a1>a2。

4)直觉模糊有序加权算子

定义3[10]:设ai=〈μai,νai〉(i=1,2,…,n)为一组直觉模糊数,则称IFOWAw:Ωn→Ω为直觉模糊有序加权算子,即：

IFOWAw=(a1,a2,…,an)=w1aσ(1)⨁w2aσ(2)⨁…

(2)

基于上述分析,在对FCM中节点信息和关联信息进行直觉模糊描述的基础上,将IFOWA算子替代传统FCM模型中的加权求和与阈值函数,建立基于直觉模糊集理论和IFOWA的模型,即直觉模糊认知图(intuitionistic fuzzy cognitive maps,IFCM)模型。

所建立的IFCM模型其概念节点的状态值和节点间的影响程度均在[0,1]之间进行取值。

定义4:IFCM的拓扑结构为一个4元组:IFCM=(C,E,O,IFOWAw) 其中:

C=(C1,C2,…,Cn)表示IFCM的概念节点全体集合;

O:Ci→oi,即O=(o1,o2,…,on)T表示IFCM节点状态空间,oi=〈μoi,νoi〉(i=1,2,…,n)表示IFCM节点的状态信息;

E:(Ci,Cj)→eij,即E=(eij)n×n是节点关联关系糊数矩阵,Ci,Cj∈C,eij=〈μeij,νeij〉表示Ci对Cj的关联关系或影响作用;

IFOWAw=(IFOWAw1,IFOWAw2,…,IFOWAwn)是直觉模糊有序加权平均算子序列,IFOWAwi是与节点Ci(i=1,2,…,n)相对应,相关的权重向量为w=(w1,w2,…,wn)T(i=1,2,…,n)。2.3 直觉模糊认知图模型推理算法

IFCM模型中的初值是由其所研究系统的初始条件决定的,其模糊推理过程基本上可以概括为:在系统初始状态确定后,利用IFOWA算子进行推理计算,当系统状态趋于稳定有限循环状态或固定状态时,表明整个推理过程结束。根据文献[12]的观点,将时间变量t引入IFCM模型,使其可描述系统的动态演化过程。

oi(t)=〈μoi(t),νoi(t)〉(i=1,2,…,n)表示模型中概念节点Ci在t时刻的状态值,即t时刻的状态集合为O(t)=(o1(t),o2(t),…,on(t))T。

E(t)=(eij(t))n×n,其中eij(t)=〈μeij(t),νeij(t)〉表示节点Ci对Cj在t时刻的关联关系。

IFCM推理过程如下:

设t时刻节点Ci(i=1,2,…,n)通过有向弧(Ci,Ck)对节点Ck产生的作用强度为rik,则:

1)当i≠k时

(3)

2)当i=k时

(4)

节点Ck在t+1时刻的状态取值为

(5)

其中,rσ(j)k(t)是(r1k(t),r2k(t),…,rnk(t))降序排列组成数列中处于第j个位置的直觉模糊数,即rσ(j-1)k(t)≥rσ(j)k(t)(∀j=1,2,…,n)。

由模糊推理过程可知,系统在某一时刻t的状态是由模型中各节点及其状态通过模糊关联关系相互影响而导致的。IFCM模型中的节点都将通过节点间的关联关系影响与其相连接的其他节点,促使相连节点的状态也发生变化,进而使整个系统呈现出动态演化特性。2.4 直觉模糊认知图推理步骤

依据IFCM模型模糊推理算法,其推理步骤如下:

步骤1:确定模型概念节点C=(C1,C2,…,Cn);

步骤2:确定模型节点间关联信息E=(eij)n×n;

步骤3:确定O(1)=(o1(1),o2(1),…,on(1))T,即根据系统初始条件,给IFCM模型所包含的各概念节点赋以初值,并确定各节点的直觉模糊有序加权平均算子以及相关的权重向量;

步骤4:利用式(3)～式(5)进行推理计算;

步骤5:若O(t+1)=O(t)或∃i=1,2,…,t使得O(t+1)=O(i),则视为推理过程结束,否则转到步骤4继续进行推理计算。

3 基于IFCM的地空导弹系统人员安全行为仿真模型

3.1 确定模型概念节点

IFCM模型中的概念节点没有固定的输入与输出之分,为使构建模型表述清晰,文中将模型中的概念节点划分为输入节点、中间节点和输出节点。

1)输入节点。用来描述影响作业人员安全行为的组织因素。依据组织视角下的安全行为分析框架,输入节点包括C1(安全目标)、C2(规程)、C3(培训)、C4(交流)、C5(组织指挥)、C6(安全监察)和C7(安全文化)。

2)中间节点。用来描述影响作业人员安全行为的状态因素。依据组织视角下的安全行为分析框架,中间节点主要有C8(技能和经验)、C9(工作环境)和C10(心理状态)。

3)输出节点。用来描述作业人员在认知过程中的行为状态。依据组织视角下的安全行为分析框架,输出节点分为C11(感知行为)、C12(决策行为)和C13(执行行为)。

3.2 模型状态信息描述

考虑确定IFCM模型中概念节点和节点间关联状态隶属度函数存在较大困难,文中采用语言变量与直觉模糊集的对应关系确定模型中概念节点状态信息和节点间关联信息的直觉模糊描述[13],对应关系如表1所示。在仿真分析过程中,为说明问题简便起见,令概念节点间关联属性值不随时间而变化。

表1 语言变量与直觉模糊集的对应关系

3.3 作业人员安全行为IFCM模型的建立

根据所确定的IFCM模型节点概念,分别建立系统人员行为特性的感知行为IFCM模型、决策行为IFCM模型和执行行为IFCM模型。3.3.1 感知行为IFCM模型

分析影响作业人员感知行为的因素,建立感知行为IFCM模型,该模型包括C3、C4、C5、C7、C8、C9、C10和C11等8个概念节点,其连接关系如图2所示。

图2 感知行为IFCM模型

参照表1确定节点间关联信息矩阵。其元素为直觉模糊数,由隶属度和非隶属度组成,利用专家咨询法,确定此矩阵的隶属度矩阵E(μij)和非隶属度矩阵E(νij)分别为:

C3C4C5C7C8C9C10C11

E(μij)=C3

C4

C5

C7

C8

C9

C10

C3C4C5C7C8C9C10C11

E(νij)=C3

C4

C5

C7

C8

C9

C10

分析影响作业人员决策行为的因素,建立决策行为IFCM模型,该模型包括C1、C2、C3、C4、C7、C8、C10和C12等8个概念节点,其连接关系如图3所示。

图3 决策行为IFCM模型

参照表1节点间关联信息矩阵,确定其隶属度矩阵E(μij)和非隶属度矩阵E(νij)分别为:

C1C2C3C4C7C8C10C12

E(μij)=C1

C2

C3

C4

C7

C8

C10

C1C2C3C4C7C8C10C12

E(νij)=C1

C2

C3

C4

C7

C8

C10

分析影响作业人员执行行为因素,建立执行行为IFCM模型,该模型包括C2、C3、C4、C5、C6、C7、C8、C9、C10和C13等十个概念节点,其连接关系如图4所示。

参照表1节点间关联信息矩阵,确定其隶属度矩阵E(μij)和非隶属度矩阵E(νij)分别为:

C2C3C4C5C6C7C8C9C10C13

E(μij)=C2

C3

C4

C5

C6

C7

C8

C9

C10

图4 执行行为IFCM模型

C2C3C4C5C6C7C8C9C10C13E(νij)=C2

C3

C4

C5

C6

C7

C8

C9

C10

4 模拟仿真与结果分析

4.1 感知行为特性仿真模拟

情景假设:在某一地空导弹部队,作业人员能够得到充分培训,作业现场的组织指挥井然有序,且具有良好的安全文化,但调查发现作业人员之间缺乏有效的沟通交流。这样,给出感知行为IFCM模型中概念节点的初始状态值为:

O(0)={o3(0),o4(0),o5(0),o7(0),o8(0),o9(0),o10(0),o11(0)}={〈0.7,0.25〉,〈0.25,0.7〉,〈0.7,0.25〉,〈0.5,0.4〉,〈0.95,0.05〉,〈0.25,0.7〉,〈0.5,0.4〉,〈0.7,0.25〉},取orness测度值为0.5,进行感知行为模拟仿真,仿真结果如图5所示。

图5 感知行为模拟仿真结果

由图5可知,即使在作业人员得到充分培训和有效组织指挥的前提下,由于人员之间缺乏沟通交流,人员感知行为的安全水平也会处于不断下降的趋势,并最终处于稳定状态,充分说明组织管理上的缺陷会潜移默化地影响人员安全行为。仿真结果还表明,强化沟通交流有助于提高人员信息感知阶段安全行为能力。4.2 决策行为特性仿真模拟

情景假设:在某一地空导弹部队,其安全目标、规程、安全文化以及作业人员的培训、交流均处于一个较高的状态值。据此,给出决策行为IFCM模型中概念节点的初始状态值为:

O(0)={o1(0),o2(0),o3(0),o4(0),o7(0),o8(0),o10(0),o12(0)}={〈0.95,0.05〉,〈0.7,0.25〉,〈0.95,0.05〉,〈0.7,025〉,〈0.7,0.25〉,〈0.5,0.4〉,〈0.25,0.7〉,〈0.05,0.95〉},取orness测度值为0.5,进行决策行为模拟仿真,仿真结果如图6所示。

图6 决策行为模拟仿真结果

由图6可以看出,当一个决策行为能力较弱的作业人员处在一个较好的组织情景下时,即使其初始的决策行为能力较差,经过一段时间后,其决策行为能力也会得到显著提升,表明良好的组织氛围对人员安全行为具有重塑作用。

4.3 执行行为特性仿真模拟

情景假设:在某一地空导弹部队,其规程、组织指挥、安全文化以及人员的培训、交流均处于一个较高的状态值。但其存在安全监察不力的问题。据此,令执行行为IFCM模型中概念节点的初始状态值为:O(0)={o2(0),o3(0),o4(0),o5(0),o6(0),o7(0),o8(0),o9(0),o10(0),o12(0)}={〈0.95,0.05〉,〈0.7,0.25〉,〈0.7,0.25〉,〈0.7,025〉,〈0.25,0.7〉,〈0.95,0.05〉,〈0.25,0.7〉,〈0.7,0.25〉,〈0.25,0.7〉},当t=3时刻时,安全管理部门通过改进安全管理,使得安全监察水平得到提升,其状态信息变为o6(3)=〈0.7,0.25〉,取orness测度值为0.5,进行决策行为模拟仿真,仿真结果如图7所示。

图7 执行行为模拟仿真结果

由图7可以看出,由于安全监察不力,使得在初始阶段作业人员执行安全行为水平逐步下降。当t=3时,安全监察水平得到有效提升,但作业人员执行行为水平仍有下降的趋势,直到t=6时,才出现上升趋势;说明安全监察对作业人员执行行为的影响具有延迟效应,出现这种情况主要是因为组织安全行为具有惯性作用。

5 结束语

文中充分考虑组织因素对地空导弹系统人员安全行为的作用影响,提出了基于模糊认知图的系统安全行为模拟仿真模型,分别对组织因素影响系统人员感知行为、决策行为和执行行为的动态影响机理进行仿真分析。由于在模型中引入了隶属度和直觉指数,仿真结果能够更加科学的刻画不同组织情景下系统人员安全行为的变化趋势,为从组织层面上有效预防地空导弹研制、生产和使用训练中的人为差错提供了支撑。

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A Dynamic Simulation Model of Missile Human-machine-environment System Safety Behavior

LIU Yichao,WANG Qiang,GAO Jianguo,QIAN Yongjun

(Equipment Management and Safety Engineering College, Air Force Engineering University, Xi’an 710051, China)

It is held by the authors that organizational factors had great influence on the occurrence of human errors in the process of surface-to-air missile man-machine-environment system development, produce and operation, by affecting the safety behaviors of operating personnel. Firstly, a dynamic simulation model of safety behavior of surface-to-air missile man-machine-environment system integrating organizational factors was proposed by combining intuitionistic fuzzy sets and fuzzy cognitive map theory. Then, the analysis framework of safety behavior characteristics of operating personnel from organizational perspective was established. And an intuitionistic fuzzy cognitive map model was established based on intuitionistic fuzzy ordered weighted operator and fuzzy cognitive map by analyzing the influencing relationships among organizational factors, system state and the safety behaviors of operating personnel. Finally, the mechanism of organizational factors influencing the perceived behavior, decision-making behavior and execution behavior of operating personnel was simulated based on the proposed model. And the simulation results showed that the proposed model was effective to reflect the dynamic mechanism of organizational factors influencing safety behaviors of surface-to-air missile man-machine-environment system.

surface-to-air missile; safety behavior; intuitionistic fuzzy sets; fuzzy cognitive maps; human-machine-environment system

2016-11-14

刘逸超(1990-),男,山东济宁人,硕士研究生,研究方向:装备安全管理和人为因素。

TP391.9

A