基于灰色关联分析的舰船舱室人因可靠性评估.pdf

第4 5卷第2 3 期2023年1 2 月舰船科学技术SHIP SCIENCEANDTECHNOLOGYVol.45,No.23Dec.,2023基于灰色关联分析的舰船舱室人因可靠性评估赵震，赵博（华北理工大学机械工程学院，河北唐山0 6 3 2 1 0）摘要：针对舰船舱室人因可靠性难以定量、定性综合评估这一问题，提出基于灰色关联分析的舰船舱室人因可靠性评估方法。该方法利用认知可靠性模型（HCR），分析舰船舱室驾驶员操舵的动态认知行为、应激操舵动作输出模式后，计算不同应激操舵动作输出模式下人因错误率，制定人因可靠性评估参照标准；通过基于余弦定理的人因可靠性评估指标筛选方法，由余弦定理筛选历史舰船操舵事故出现的行为形成因子，作为可靠性评估指标；构建基于灰色关联分析的人因可靠性评估模型，设置满足人因错误率标准的驾驶员操舵指标数据为参考序列，需测驾驶员的指标数据为对比序列，运算2 种序列灰色关联度，关联度较大，表示人因可靠性较高，以此完成舰船舱室人因可靠性综合评估。经测试，该方法对舰船舱室驾驶员的人因可靠性评估结果与实况数据相符。关键词：灰色关联分析；舰船舱室；人因可靠性；人因错误率；余弦定理；行为形成因子中图分类号：TP391文章编号：1 6 7 2-7 6 4 9(2 0 2 3)2 3-0 1 6 6-0 4Human reliability evaluation of ship cabins based on grey correlation analysis(College of Mechanical Engineering,North China University of Science and Technology,Tangshan 063021,China)Abstract:To address the issue of difficulty in quantitatively and qualitatively evaluating the human reliability of shipcabins,a grey correlation analysis based human reliability evaluation method for ship cabins is proposed.This method util-izes the cognitive reliability model(HCR)to analyze the dynamic cognitive behavior of ship cabin pilots during steering andthe output mode of stress steering actions.After calculating the human error rate under different stress steering action outputmodes,a reference standard for human reliability evaluation is established.By using the cosine theorem based human reliab-ility evaluation index screening method,the behavior formation factors of historical ship steering accidents are selected as re-liability evaluation indicators based on the cosine theorem.Build a human reliability evaluation model based on grey correla-tion analysis,set the pilot steering indicator data that meets the human error rate standard as the reference sequence,and theindicator data of the driver to be tested as the comparison sequence.Calculate the grey correlation degree of the two se-quences,with a high correlation degree,indicating high human reliability.This completes the comprehensive evaluation ofhuman reliability in ship cabins.After testing,the human reliability evaluation results of the ship cabin pilot using this meth-od are consistent with the actual data.Key words:grey correlation analysis;ship cabins;human reliability;human error rate;cosine theorem;behavi-oral shapingfactor0引言舰船舱室人因可靠性评估是驾驶员胜任力分析、绩效考核的重要内容。考虑舰船航行环境条件的多变性，驾驶员要在长时间内保持高度的警觉和专注，需要具备良好的生理和心理状况、专业的驾驶技能和知收稿日期：2 0 2 3-0 8-1 5作者简介：赵震（1 9 7 3），男，硕士，副教授，研究方向为产品设计及虚拟仿真。文献标识码：AZHAO Zhen,ZHAO Bodoi:10.3404/j.issn.1672-7649.2023.23.030识，包括船舶操作、导航、天气预测、应急处理等方面的知识!。除此之外，驾驶员需要与船员、指挥员和其他相关人员进行有效的沟通和协作，才能保证航行状态不出现意外情况2 。由此可知，舰船舱室驾驶员的可靠性评估是一个重要的议题，涉及多个因素，包括生理和心理状况、技能和知识水平等。张爱琳等3 第4 5卷使用贝叶斯网络技术，分析船舶引航员认知可靠性与引航失误问题，实现了船舶引航人因可靠性定量评估。但贝叶斯网络需要先验知识，如果先验知识错误或不完备，可能会导致评估结果有误。龚恒宇等4 利用模糊综合评价方法与相似度系数，针对舰船舱内协作能力进行评估，此方法主要侧重于定性评估舰船舱内组织协作能力，评估内容单一，普适性有待优化。综上所述，舰船舱室人因可靠性评估问题，属于驾驶员综合操舵能力的多因素评估，多因素评估评估常用方法中，灰色关联分析方法是一种比较简单、可靠的分析方法。为此本文设计基于灰色关联分析的舰船舱室人因可靠性评估方法，用于驾驶员人因可靠性定量与定性相结合的综合评估。1舰船舱室人因可靠性评估1.1舰船舱室人因可靠性评估标准分析方法认知可靠性模型（HCR）是一种用于评估人类在特定任务中表现可靠性的方法5。在本文研究问题中，不同舰船舱室驾驶员，其操舵认知行为存在差异，主要分为技能型、规则型、知识型。技能型操舵认知行为表示舱室驾驶员可在恶劣天气、航道信号显示异常等复杂工况中，根据自己的视觉感知、听觉感知信息，快速调整舵令完成舰船控制。规则型操舵认知行为下，驾驶员需要多次分析自己在舰船舱室的操舵行为，是否满足标准规定，此类操舵认知过程消耗驾驶员的时间与精力较多。在HCR模型中，常用人因错误率作为行为可靠性的定性分析指标。为此，将人因错误率作为舰船舱室人因可靠性参考标准的制定指标。考虑舰船舱室人因可靠性评估时，驾驶员操舵存在动态认知过程，此过程行为数据规模较大，因此，本文先以定量分析的角度，制定评估参照的参考标准。基于此标准，利用灰色关联分析方法，快速完成舱室驾驶员人因可靠性的定性评估。人因可靠性参考标准如表1 所示。表1 中，舰船舱室人因错误率的分析方法为：表1 人因可靠性参考标准Tab.1 Human reliability reference standards模式人因错误率数值区间混乱式0.1g1.0机会式0.01g0.5战术式0.001g0.1战略式0.00005g0.01赵震，等：基于灰色关联分析的舰船舱室人因可靠性评估D:To.5g=p其中：、8 分别代表技能型操认知行为、规则型操舵认知行为、知识型操舵认知行为；tET代表操舵耗费时间、标准执行耗时；P、D 分别代表自然对数的底数、修正系数。基于式（1）与表1 的参考标准，便可设定舰船舱室人因可靠性评估所用参考样本，用于后续人因可靠性评估。1.2基于余弦定理的人因可靠性评估指标筛选方法以舰船舱室操舵事故作为指标筛选源，从个体W、情景F、组织Z三种角度，筛选人因可靠性评估指标y，y=(W,F,Z)。设置W中行为形成因子为e，随机一个行为形成因子描述为We；设定事故案例数量是n，随机一个事故j出现行为形成因子e的概率为Qej，其数值为1 时，表示事故j存在行为形成因子e，将事故中常出现的行为形成因子作为评估指标。把各个行为形成因子，看成存在n个元素的分序列向量(Wc)m按照此方法筛选情景F、组织Z的行为形成因子。为避免出现指标重复问题，将未选中作为指标的因子设为。，此类因子看成存在n个元素的分序列向量(Wo)1m运算o、e 因子之间存在的向量夹角，分析因子大小差异度，使用余弦定理分析后，设定(e,o)是因子夹角，则cos(e,o)当余弦值cos(e,o)为1 时，表示2 个因子之间夹角是9 0，存在一致性，e、o 留下一个作为人因可靠性评估指标便可。当余弦值为0 时，表示2 个行为形成因子不存在相似性，需要全部留下作为人因可靠性评估因子。利用此方法合理筛选人因可靠性评估指标，筛选结果如图1 所示。1.3基于灰色关联分析的人因可靠性评估模型1.3.1设置舰船舱室人因可靠性评估序列设置舰船舱室人因可靠性参考标准为因变量因素，设置的评价指标因素为自变量因素，则舰船舱室人因可靠性评估时，因变量为参考序列Yo，m个自变量因素组建的对比序列为yoi，i=1,2,m。1.3.2舰船舱室人因可靠性评估序列无量纲处理为便于分析，把图1 每个舱室人因可靠性评估序列均值化处理，并组建无量纲序列，则:167.(1)(2)(we)m:168Fig.1Human reliability evaluation indicators for ship cabins(Yi,Y2,.,Ym)=1.3.3舰船舱室人因可靠性评估指标求差分析式（3）中列与列之间的距离即为其相似度，若距离较小，则2 组序列变化状态存在一致性，表示所评估的驾驶员某评估指标与参考标准相同。运算式（3）中首行参考序列（满足人因错误率标准的驾驶员的指标数据）和剩下对比序列（被测驾驶员的评估指标数1 m据）的绝对差值，其绝对差值矩阵为：Aml.Amm此矩阵的最大数与最小数即为最大差与最小差。1.3.4舰船舱室人因可靠性评估的关联系数运算一般情况下，舰船舱室人因可靠性评估时，绝对值序列数据之间，数量级会存在明显不同，需规范化处理才可合并运算。设置绝对差值矩阵最大数(max)与最小数(min),则(mi n)0(ma x)(ma x)其中，o;()为绝对差值矩阵中间值，则被测驾驶员人因可靠性评估指标数据，与参考序列中评估指标数据的关联系数计算方法为：(mi n)+(ma x)00;(t)=Ao;(t)+(ma x)其中，8 o;(t)代表关联系数。将绝对差值矩阵中数据使用式（5）转换，获取的关联系数矩阵为：舰船科学技术舱室作业熟悉度身体情况个体技术水平工作经验舰船舱室人因可靠性评估的指标体系图1 舰船舱室人因可靠性评估指标y01y02y11y12y1mymlym2Ao;(t)1。第4 5卷611oj=.ml.Smm团队交流关联系数数值大于1，此数值可表示对比序列和参情景助航设备运行状态海洋交通流舰船运行环境能见度海洋风流船舶管理状态组织安全知识水平责任认知工作目标yomymmA11.(4)(5)0im考序列在某指标上的关联水平。1.3.5基于灰色关联度的人因可靠性评估结果判断被测驾驶员人因可靠性评估所用对比序列样本，和参考序列样本的关联度，需由m个评估指标的关联系数体现，所以计算全部评估指标序列的关联系数均值，便可获取体现被测驾驶员舱室人因可靠性的灰色关联度，关联度数值较高，表示对比序列和参考序列较相似。把满足人因错误率标准的驾驶员的评估指标数据，构建为参考序列，把需测驾驶员评估指标数据设成对比序列，运算的关联度数值越高，代表该驾驶员的舱室人因可靠性越好，其在舰船舱室中的操舵能(3)力越优秀。2实验结果与分析为测试本文方法使用效果，以舰船避碰问题为例，使用本文方法评估舰船舱室驾驶员的人因可靠性。舰船航行环境如图2 所示。舰船自航行地点航行至终点时，因出现突发障碍物，舱内驾驶员需要合理操舵，控制舰船快速改变航线躲避障碍物。为此，以躲避障碍物的航线段为评估区间，使用本文方法评估驾驶员的舱室人因可靠性。1086N4航行2起点0864Y/km20突发障碍物图2 舰船航行环境Fig.2 Ship navigation environment表2 为4 位驾驶员的驾驶技能考核实况数据，4 位驾驶员的应激动作输出模式分为混乱式、机会式、战术式、战略式。将表2 数据结合表1 标准进行对比分析，4 位驾驶员中，只有1#驾驶员的人因错误率超出标准范围，剩下3 位驾驶员的人因错误率均处于标准范围之内，但4#驾驶员和障碍物碰撞次数为0 次，且单位路程增加量最少，仅有8 1.3 4 m，不存在超出边界问题、终点位置与方向都不存在偏差，说明该驾驶员的舱室操舵技能最可靠。(6)评借航线范围终点810462X/km第4 5卷表2 4 位驾驶员的驾驶技能考核实况数据Tab.2 Actual data of driving skills assessment for four drivers分析参数4#战略式超出边界次数/次2终点位置偏差量/m23.32终点方向偏差量/20.53单位路程增加量/m234.34与障碍物碰撞次数1人因错误率1.1使用本文方法对表2 中4#驾驶员进行人因可靠性评估，基于表1 所示参考标准，以及所构建的人因可靠性评估指标，通过灰色关联度判断驾驶员的人因可靠性，并将可靠性评估结果与表2 实况数据进行比较，从而判断本文方法评估结果的准确性。本文方法对舰船舱室人因可靠性评估结果如图3 所示。本文方法对表2 中4#驾驶员进行人因可靠性评估后，4#驾驶员对突发障碍物时，人因可靠性评估所用序列，与参考序列的灰色关联度始终接近于1，所以可认定该驾驶员人因可靠性优。此评估结果结合表2 实况数据可证实，本文方法可准确评估舰船舱室人因可靠性。1.00.80.60.4航行0.2起点08642Y/km图3 4#驾驶员人因可靠性评估的灰色关联度详情Fig.3 Details of grey correlation degree for human reliabilityassessmentof4#drivers3结语在舰船舱室人因可靠性评估中，灰色关联分析可赵震，等：基于灰色关联分析的舰船舱室人因可靠性评估1#混乱式2#机会式 3#战术式000.540.320.340.23124.35168.34000.040.003终点1086420突发障碍物169以用于分析多种因素下人员行为可靠性，实现人因可靠性的综合判断。本文提出基于灰色关联分析的舰船舱室人因可靠性评估方法，该方法在实验中被验证具0备可用性，能够定量、定性评估舱室驾驶员的操舵行0为，以及对舰船航行状态的影响。081.3400.000 05X/km参考文献：1】郝勇，时间，吴昊.基于冰山模型的长江危险品船船员素质评价指标体系构建J.安全与环境学报,2 0 2 0,2 0(4):1 3 7 6-1383.HAO Yong,SHI Jian,WU Hao-min.Building up quality evalu-ation index piles of crew members in charge of dangerous goodsprocessing along the Yangtze River based on the icebergmodelJ.Journal of Safety and Environment,2020,20(4):1376-1383.2】岑康,张翌东,黄夏雨，等.考虑人因可靠性的安全仪表功能SIL验证方法研究J.中国安全生产科学技术，2 0 2 0,1 6(3)31-36.CEN Kang,ZHANG Yi-dong,HUANG Xia-yu,et al.Study onverification method of safety integrity level(SIL)for safety in-strumented function considering human reliabilityJJ.Journal ofSafety Science and Technology,2020,16(3):31-36.3张爱琳，刘晓佳.改进CREAM模型的船舶引航员人因可靠性预测J.中国航海,2 0 2 1,4 4(1):3 2-3 7+4 3.ZHANG Ai-lin,LIU Xiao-jia.Improved CREAM model forprediction of human reliability concerning harbor pilotsJ.Nav-igation of China,2021,44(1):32-37+43.4】龚恒宇，曹辉.船舶机舱协作式模拟训练评估方法1 .船海工程,2 0 2 0,4 9(1):1 1 1-1 1 4+1 1 9.GONG Heng-yu,CAO Hui.Evaluation method for collabora-tive simulation training of marine engine roomJJ.Ship&OceanEngineering,2020,49(1):111-114+119.5李星，谭麟，高凌云，等.系统安全领域人因错误理论研究进展.中国电子科学研究院学报，2 0 2 0,1 5(7)：6 1 2-6 1 9+6 2 8.LI Xing,TAN Lin,GAO Ling-yun,et al.Research progress ofhuman error theory in industry safety engineering.Journal ofChina Academy of Electronics and Information Technology,2020,15(7):612-619+628.