基于AHP-SLIM 的抽水蓄能电站充排水人因失误预测分析

马慧鑫，余萍，梁静，邱兰清

（天津农学院 水利工程学院，天津 300392）

人因可靠性（Human reliability）用于描述在系统运行的任何阶段里，人员在规定的最短时间内成功完成任务的概率。人因可靠性分析（Human Reliability Analysis，HRA）发展的第一阶段是20世纪50 年代，美国Sandia 国家实验室数学家Herman Williams和电子设备工程师Purdy Meigs在1952 年的武器系统可行性研究报告中发表了关于复杂装备系统的风险分析。他们首先试图评估人为失误对设备可靠性的影响，继而评估人为失误的概率，随后有关HRA 的方法不断被提出并得到了初步发展[1]。在我国，HRA 早期主要应用于核工业、航空等领域，近年来在船舶、水利等行业也有所发展。李鹏程等早在20 世纪90 年代就已经对人因可靠性分析做出了较为全面的阐释。李鹏程等长期致力于研究人的可靠性分析技术，并总结了人因可靠性的进展和发展趋势[2]；何旭洪等进行了人因可靠性方法的比较分析[3]，运用HRA发现核电站的安全问题，提出改进建议与措施，为我国HRA 的发展领域做出了贡献。水利枢纽工程对社会经济、生态和人们日常生活有着重要影响，将人因分析应用于水利工程中，是提升水电站作业安全及人员可靠性的有效途径。厉丹丹等在上千座溃坝事件中，挑选出板桥水库、小海子等多起典型的溃坝事件，分析事故发生的根源，找出与人因方面并且是主要导致失误的因素，为水库安全管理提供了可靠依据[4]；孙开畅等对水利工程施工中的安全人为因素进行重要度分析，构建事故树-贝叶斯网络模型，分析高处坠落事故中的关键人为因素及判断重要度[5]。

人因可靠性分析发展至今，已有HCR、THERP、SLIM[6-7]为代表的1 代人因分析方法、CREAM、ATHEANA 为代表的2 代人因分析方法以及CES、COSIMO 等的3 代人因分析方法。SLIM 作为第一代人因可靠性分析方法，基于专家判断的进行人误定量计算[8]，不需要将人因失误分的很细，而是进行高层次和相对整体的任务描述[9]，对于水电站作业具有较强的适用性。但由于SLIM 方法主要依靠专家判断，缺少人因失误数据库，在实际应用中往往存在判断误差的可能[10-11]。由于层次分析法（Analytic hierarchy process，AHP）中每个由专家赋值的判断矩阵都会进行一致性检验来筛除不合格的专家打分，将其与SLIM 相结合可以很大程度上提高SLIM 方法中专家打分的合理性和规范性，从而提高对水电站作业过程中的风险及失误概率预测的正确性[12-13]。因此本文选取AHP 与SLIM 结合的方法，以抽水蓄能电站为例，通过分析抽水蓄能电站引水道充水和排水作业过程，以此确定作业人员人为失误的影响因素，并计算失误概率，达到对潜在风险的预先识别，进而提出降低抽水蓄能电站引水道充排水作业中操作人员失误概率的有效措施，并可据此结合实际完善相关工程中的规章制度。

1 方法介绍

1.1 SLIM 简介

1984 年Embrey 首次提出了成功似然指数法（Success likelihood index method，SLIM）[14]。SLIM是依赖于专家的一种集体评判方法。主要是在选取的多个待选方案中优先量化专家意见。SLIM 认为人完成某项任务的可靠性极大地依赖于当时的行为形成因子PSF（Performance Shaping Factor）[15]。SLIM 需要计算各PSFs 的权重并对等级评分，进而计算成功概率。

（1）专家对各个影响失误的PSF 的权重值σi打分，归一化得到Wi，如公式（1）。

Wi：指第i种的PSF 的归一化权重值；σi：专家评分的权重值。

（2）利用AHP 矩阵计算得到每个PSF 对每个失误的影响程度Ri，乘以其对于权重值即成功似然指数SLI，计算公式如公式（2）。

SLIj：为任务j 的SLIj；

Wi：指第i 种的PSF 的归一化权重值（∑iWi＝1）；

Rij：第i 种PSF 影响下完成某项任务j 的相对可靠度。

之后应用对数方程计算出成功概率，见公式（3）。

其中，a、b 均为待定系数，由成功似然指数所在区间进行确定。

1.2 AHP 与SLIM 的结合

由于SLIM 方法缺少相关独立的数据库，其对失误因子的判断主要是依靠专家的主观意向，容易出现专家意见产生分歧的情况[16]。层次分析法（Analytic hierarchy process，AHP）是一种定性和定量相结合的、系统的、层次化的分析方法，为多目标、多准则或无结构特性的复杂决策问题提供简便的决策方法，并且AHP 中的一致性检验可以筛除不符合标准的数据。故本文将AHP 与SLIM相结合，在AHP 应用阶段，将SLIM 中PSFs 的重要性替换成AHP 中的可能性进行大小比较，以每个PSF 为准则，两两比较PSFs 得到各PSF 的权重值，即Wi；接着在各PSF 下对人为失误发生可能性进行两两比较，并对每个判断矩阵进行一致性检验，得到PSFs 对每个失误发生的影响程度，即Rij；之后返回SLIM 方法继续计算得到各人因失误发生的可能性即失误似然指数。在量化阶段对专家进行多轮人误发生概率的上下限进行赋值，计算出a、b 两个未知数，带入失误似然指数求出失误发生概率。基于认知可靠性与失误分析方法（CREAM），该方法给出了通用效能条件（Common performance condition, CPC）的评估细则，包括组织完善性、工作条件、人机界面与操作支持的完善性、规程/计划的完善性、必须同时考虑的目标数量、任务的可用时间、值班时间区、培训程度和经验水平、班组成员的协作水平，计算流程如图1。

图1 SLIM 计算流程图

2 案例分析

就抽水蓄能电站而言，为保证水电站的顺利运行，工作人员需通过充排水期间取得的完整监测资料对输水系统的设计和工程质量进行检查，故操作人员的行为在此过程中起到了关键性作用。由于人的操作容易受多种外界的干扰，工作中检查工作不细致或对检测时间点把握的不精确就会对监测的数据结果的准确性造成一定影响，为了最大可能地消除人因部分的失误，现对引水道充排水的每一步骤以及存在风险进行分析提取PSFs。

2.1 抽水蓄能电站引水道充排水的步骤及风险辨识

抽水蓄能电站引水道充排水工作情况复杂多样，其运行工作主要保证各设备的运行情况与设备的质量安全，基本操作步骤及其中相对应存在的风险见表1 和表2。

表1 抽水蓄能电站引水道充水步骤及风险辨识

表2 抽水蓄能电站引水道排水步骤及风险辨识

2.2 提取失误以及PSFs

根据上述存在的风险进行分析，提取出如下典型的人为失误：

（1）球阀启闭时因人员操作不当导致球阀密封损坏；

（2）操作人员检查不到位致使相关隧洞蜗壳等有人或者遗留物而造成损坏；

（3）操作人员对于相应机组尾闸关闭不严，异常开启；

（4）操作人员打开压力钢管手动排水针阀进行排水时放水速度过快导致混凝土开裂或压力钢管变形。

针对这些失误，参考二代人因可靠性分析方法的CREAM 中外界因素对人类活动影响的9 种共同绩效条件，确定PSFs 如表3 所示。

表3 抽水蓄能电站引水道充排水中人因失误行为形成因子

2.3 AHP-SLIM 应用阶段

本次专家评判阶段设有两组，专家组和操作人员组，在邀请的7 名专家和6 名操作人员评分结果中，其中有2 名专家和1 名操作人员的未通过归一化检验，故筛除。

得到专家打分赋值后，在每个PSF 准则下每两个人因失误相互比较，形成比较矩阵后计算就会得到PSFs 的权重值以及每个PSF 对失误的影响程度，结果见表4 和表5。

表4 PSFs的权重值

表5 基于专家1 的各项人为失误中PSFs的影响

以第一位专家为例，量化结果符合一致性检验，满足CR≤0.1 的要求后得到专家1 的评分结果。

根据公式（2）将专家1 评分结果中的PSFs对失误1 的影响乘以对应的PSFs 的权重值，得到专家1 的评分结果。其他结果如表6。

表6 专家评分结果汇总

通过专家对失误发生概率的上下限的赋值，计算出a、b的值，将5 位专家对失误1 的评分结果取几何均值，得到FLIs 的几何均值，带入到公式（3）中得到失误发生概率。再将操作人员组与专家组的结果对比，比值围绕1 浮动（表7）。说明专家组和操作人员组的意见趋于一致，结果具有代表性。

表7 结果汇总

3 结果与分析

本文所选用的是理论知识丰富的专家组和实操经验丰富的操作人员组，且两组结果对比精确率的计算结果围绕1 上下略微浮动，可以认为专家组与实际操作人员组的意见大致统一，计算结果具有代表性。

从结果可以看出，失误1 和失误2 的发生概率概率较大，并且综合表5 中专家1 和其他专家的评判结果可以看到PSF1“组织完善性”与PSF3“经验培训是否充分”对失误1的影响相对较大，PSF2、4 对应的“人机界面（MMI）与运行支持的完善性”“各成员合作质量”对于失误2影响较大。在抽水蓄能电站充排水作业中，良好健全的组织管理机制、操作人员的经验水平和人机运行支持的完善性对于操作人员检查设备的时候减少失误，提高效率起到了关键性影响。当条件允许时，施工单位可以将工作环境、监督管理体制、培养员工知识素养等进行全面提升，当条件限制时，可以优先考虑如何完善组织管理体制和提升人员经验水平，提高人机的协调性来最大程度减少失误的发生。

4 结论

本文选取AHP-SLIM 方法对水电站人因可靠性进行分析，根据抽水蓄能电站充排水作业步骤及存在风险提取出常见失误和PSFs，并根据CREAM 中的共同绩效条件进行类比分析。根据专家组和操作人员组数据结果的一致性可以得出AHP-SLIM 的结合在分析抽水蓄能电站引水道充排水作业人因可靠性分析是可行的。通过案例分析结果可以得到以下结论：

（1）由于SLIM 没有单独的数据库，专家意见评审阶段中没有具体的衡量标准，故SLIM 的分析过程对专家的经验水平要求较高，本文将AHP与SLIM 相结合可以在一定程度上筛除部分专家不合理的打分，从而保证结果的准确性。

（2）在抽水蓄能电站引水道充排水作业中，分析结果得到“因人员操作不当导致球阀密封损坏”“操作人员检查不到位致使相关隧洞蜗壳等有人或者遗留物而造成损坏”两个失误发生概率较大，在以节约成本为前提下，建议将管理体制、经验水平、人机协调性为主要改善因子，工作单位机制考虑更加完善的工作管理体制，开展讲座学习等提高人员经验水平，提高操作人员使用设备的熟练度来减少失误。