基于AHP-SLIM的抽水蓄能电站充排水人因失误预测分析.pdf

第 30 卷 第 3 期 天 津 农 学 院 学 报 Vol.30，No.3 2023 年 6 月 Journal of Tianjin Agricultural University June，2023 收稿日期：2021-11-11 基金项目：“十三五”国家水体污染控制与治理重大专项（2017ZX07106003）；天津市教委科研计划项目（2022KJ023）作者简介：马慧鑫（1999），女，硕士在读，主要从事人因风险分析方面的研究。E-mail：。通信作者：梁静（1988），女，讲师，博士，主要从事水利工程相关风险研究。E-mail：liangjing_。文章编号：1008-5394（2023）03-0070-05 DOI：10.19640/ki.jtau.2023.03.013 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，梁静通信作者，邱兰清（天津农学院 水利工程学院，天津 300392）摘 要：随着我国水利工程事业的高速发展，水利工程中的安全问题越来越被重视。本文将人因可靠性分析与抽水蓄能电站结合，利用 SLIM（Success likelihood index method，SLIM）方法对抽水蓄能电站充排水作业人员进行可靠性分析。由于 SLIM 方法更多依赖于专家的主观意见，为提高结果的准确性，本文采用层次分析法与 SLIM 相结合的方式筛选出部分不合格的专家打分结果，再以 PSF为准则层计算出权重值和对失误的影响程度，得到失误发生概率。分析结果证明“组织完善性、人机界面（MMI）与运行支持的完善性、经验培训、各成员合作质量”对发生概率较高的失误影响程度较大，即人为因素对水电站实际操作有重要影响，工程上可主要通过提高人因可靠性来降低事故发生概率。关键词：失误预测；抽水蓄能电站；人因可靠性分析；成功似然指数法 中图分类号：X914 文献标识码：A Human error prediction in charging and drainage of pumped storage power station based on AHP-SLIM Ma Huixin,Yu Ping,Liang JingCorresponding Author,Qiu Lanqing（College of Water Conservancy Engineering,Tianjin Agricultural University,Tianjin 300392,China）Abstract:With the rapid development of water conservancy engineering in China,more and more attention has been paid to the safety of water conservancy engineering.In this paper,human factor reliability analysis was combined with pumped storage power station,and Success likelihood index method（SLIM）was used to analyze the reliability of charging and drainage personnel in pumped storage power station.Since SLIM relied more on experts subjective opinions,in order to improve the accuracy of results,Analytic hierarchy process（AHP）was combined with SLIM to screen out some unqualified experts scoring results,and then PSFs were chosen as the criterion layer to calculate the weight value and the degree of influence on the error to obtain the probability.Analysis results showed that the influence of“Integrity,man-machine interface（MMI）,operation support the integrity of cooperation quality,experience training and members cooperation quality”on the probability of high error degree was bigger.The human factors have important effects on actual operations of hydropower station.Thus,engineering could improve reliability of human factors to reduce accidents.Key words:error prediction;pumped storage power station;human reliability analysis;success likelihood index method 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。厉丹丹等第 3 期 马慧鑫，等：基于AHP-SLIM的抽水蓄能电站充排水人因失误预测分析 71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、SLIM6-7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 i打分，归一化得到 Wi，如公式（1）。=iiiW （1）Wi：指第 种的 PSF 的归一化权重值；i：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）。SLIjiWiRij （2）SLIj：为任务 j 的 SLIj；Wi：指第i 种的PSF 的归一化权重值（iWi1）；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）。baSHLIEP+=Log （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 ；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 ；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、培训程度和经天 津 农 学 院 学 报 第 30 卷 72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 序号 步骤 风险点 1 检修结束后，操作人员进行无水关/启球阀操作 关闭过程中导致球阀密封损坏；引水隧道内遗留物件（包括机组压力钢管水平段）导致设备损坏 2 操作人员检查机组尾水检修闸门已提起，蜗壳及尾水管的进人孔已关闭 蜗壳以及尾水管内有人和物体遗留 3 利用尾水将压力钢管水位充至与下水库齐平水位 设备、水工建筑物漏水 4 操作人员切换球阀工作及检修密封操作 球阀密封因操作水压丢失，导致异常退出 5 利用水库闸门充水阀进行充水 引水隧道之间存在较大的压差而导致输水系统破坏 表 2 抽水蓄能电站引水道排水步骤及风险辨识 序号 步骤 风险点 1 操作人员检查引水隧道排水流道上相应机组的尾闸关闭并可靠隔离，尾水管排空 相应机组尾闸关闭不严或异常开启；自流排水洞内有人，排水对其造成伤害 2 操作人员检查上库进出水口闸门关闭并可靠隔离 上库闸门关闭不严或异常开启，导致上库水进入 3 操作人员进行排水时球阀工作及检修密封操作水源切换 球阀密封因操作水压丢失，导致异常退出 4 操作人员打开压力钢管手动排水针阀进行排水 排水过程中压力钢管排水针阀发生空蚀；放水速度过快，压力钢管或混凝土因其内部残压过大导致混凝土开裂或压力钢管变形；两条输水管道不同时进行排水，两条引水隧道之间存在较大的压差而导致输水系统破坏 5 操作人员进行排水后无水开启球阀操作 开启过程中密封退不到位，导致密封损坏；全开时，球阀异常关闭 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第 3 期 马慧鑫，等：基于AHP-SLIM的抽水蓄能电站充排水人因失误预测分析 73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 PSF CPC 因子 1 组织完善性 2 人机界面（MMI）与运行支持的完善性 3 经验培训是否充分 4 各成员合作质量 5 工作条件 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 PSF 权重 PSF1 PSF2 PSF3 PSF4 PSF5 权重 0.418 0.265 0.167 0.108 0.041 以第一位专家为例，量化结果符合一致性检验，满足CR0.1 的要求后得到专家 1 的评分结果。表 5 基于专家 1 的各项人为失误中PSFs的影响 PSFs 失误1 失误2 失误3 失误4 PSF1 0.566 7 0.056 0 0.104 4 0.273 0 PSF2 0.056 9 0.557 9 0.121 9 0.263 4 PSF3 0.395 4 0.367 6 0.122 5 0.114 5 PSF4 0.117 6 0.517 6 0.061 1 0.303 8 PSF5 0.130 8 0.503 8 0.068 9 0.296 5 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 失误 专家 1 专家 2 专家 3 专家 4 专家 5 人员 1 人员 2 人员 3 人员 4 人员 5 失误 1 0.336 0.362 0.347 0.342 0.341 0.355 0.341 0.338 0.349 0.348 失误 2 0.310 0.295 0.307 0.298 0.298 0.288 0.308 0.307 0.296 0.305 失误 3 0.106 0.132 0.129 0.074 0.104 0.103 0.105 0.107 0.106 0.105 失误 4 0.248 0.248 0.243 0.257 0.258 0.254 0.246 0.248 0.248 0.242 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 充排水工作中的人因失误 FLIs 的几何均值 精确率 E/M 充排水工作中的人因失误 精确率 E/M 专家（E）工作人员（M）专家（E）工作人员（M）1 0.345 5 0.346 4 0.997 6 0.046 5 0.446 0 0.099 8 2 0.301 5 0.300 7 1.002 7 0.039 6 0.395 0 0.100 3 3 0.104 1 0.105 2 0.989 2 0.019 5 0.019 6 0.994 9 4 0.250 7 0.247 6 1.012 4 0.033 0 0.032 7 1.009 2 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天 津 农 学 院 学 报 第 30 卷 74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。参考文献：1 张红璐，王春源，胡愚.人因可靠性研究进展可视化分析J.人类工效学，2021，27（4）：66-72.2 李鹏程，陈国华，张力，等.人因可靠性分析技术的研究进展与发展趋势J.原子能科学技术，2011，45（3）：329-340.3 何旭洪，童节娟，黄祥瑞.核电站概率安全分析中人因事件的风险重要性J.清华大学学报（自然科学版），2004，44（6）：748-750.4 厉丹丹，柳志国，李雷.溃坝事件中的人因失误分 析J.水利水运工程学报，2013（6）：92-95.5 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