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第 28 卷 第 2 期2023 年 4 月工业工程与管理Industrial Engineering and ManagementVol.28 No.2Apr.2023药品分发机器人作业安全人因可靠性分析及预测王秋惠，李月（天津工业大学 机械工程学院，天津 300387）摘要:在医院药品智能分发机器人作业过程中，操作人员的失误可能导致作业任务失败。为了研究作业过程的人因可靠性，采用认知可靠性和失误分析方法来预测人因失误率，运用层次分析法对通用绩效条件进行量化评估，并对操作人员作业任务采用层次任务分析法进行分析，最后通过公式计算得出整体人因失误率。结果表明，改进后的方法能够较精准预测人因失误率，识别人员作业过程失误率较高的操作，进而有效避免人因失误的发生，对其他行业人因可靠性分析及预测也有一定参考价值。关键词:药品智能分发机器人；作业安全；人因可靠性；CREAM法中图分类号:TP 242.6 文献标识码:AAnalysis and Prediction of Human Reliability for Operation Safety of Drug Distribution RobotWANG Qiuhui，LI Yue（School of Mechanical Engineering，Tiangong University，Tianjin 300387，China）Abstract:In the operation process of the intelligent drug distribution robot in the hospital，the error of the operator may lead to the failure of the operation task.In order to study the human factor reliability of the operation process，the cognitive reliability and error analysis method were used to predict the human error rate.The general performance condition was evaluated quantitatively by the analytic hierarchy process.The operational task was analyzed by the hierarchical task analysis method.Finally，the overall human error rate was obtained by formula.The results demonstrate that the improved method can more accurately predict the human error rate and identify operations with a high error rate during the operation of personnel，thereby effectively avoiding the occurrence of human error.It also makes a certain reference value for the analysis and prediction of human factors in other industries.Key words:intelligent drug distribution robot;operation safety;human factor reliability;CREAM method1 引言 随着机器人产业的发展，服务机器人覆盖领域和应用范围不断扩大。近年来医疗机器人逐渐成为机器人领域的研究热点1。国际机器人联合会将医疗机器人分为手术、康复、辅助及医疗服务机器文章编号：1007-5429（2023）02-0001-09DOI：10.19495/ki.1007-5429.2023.02.001收稿日期：2021-06-04基金项目：教育部人文社会科学研究规划基金项目（19YJAZH093）作者简介：王秋惠（1969），山东安丘人，教授，博士，硕士生导师，主要研究方向为机器人人因工程及人机界面设计、智能人因学以及设计人因学。E-mail：。-1第 28 卷 王秋惠，等：药品分发机器人作业安全人因可靠性分析及预测人四大类2。医院药品智能分发机器人作为医疗服务机器人的一种，提升了医疗工作效率，减轻了医护人员负担，改变了医护人员与病患的作业方式，由原来的操作任务变为认知任务，人机交互方式由硬控制变为软控制。有效的人机交互模式能提升作业安全性，若人机交互过程出现失误，将会导致任务失败甚至产生严重后果3。因此，对医院药品分发机器人人机交互过程中人因可靠性的分析及预测至关重要。国内学者对医疗服务机器人作业安全的研究多集中于机器人系统及智能技术方面，对人因可靠性的研究相对较少。吴海彬和杨剑鸣 4 从机器人工作原理出发，对机器人作业过程进行了分析，总结出了提高作业安全性的策略，分别为事前控制和事后控制。郑先权 5 提出了一种视觉与力觉相结合的多级人机安全策略。BOGUE 6 对人机交互过程的安全性及相关技术标准进行了阐述。OGORODNIKOVA 7 综合了以人为中心的机器人工作单元风险评估和安全设计相关方法，对人因可靠性、危险评估等方面进行了深入研究。REZAZADEGAN等 8 通过物理人机交互方式对机器人和人因可靠性进行了评估，为人机交互安全策略设计提供了参考。随着机器人技术不断提升，性能逐渐优化，人机交互系统的可靠性和安全性越来越取决于人的因素9。因此，对人因可靠性的分析成为众多研究领域中的热点10。人因可靠性分析（human reliability analysis，HRA）即定性、定量评价人的行为对于系统可靠性和安全性的影响11。HOLLNAGEL12于1998年提出了认知可靠性和失误分析方法（cognitive reliability and error analysis method，CREAM）。CREAM法既可以做追溯性分析，也可以进行预测性分析，CREAM预测分析法包括基本法和扩展法13-14。杨越等15提出了基于CREAM法和贝叶斯网络的人因失误预测方法，用于预测空管人因失误率。李娜等16在CREAM扩展法的基础上，结合决策与实验室方法为通用绩效条件（common performance conditions，CPC）因子赋予权重，改进人因失误率中总权重因子的计算公式，定量预测驾驶员人因失误率。浦同争等17建立了操作员绩效影响因子，对无人机操作员的人因可靠性进行了分析。刘继新等18利用CREAM扩展法量化评估了人员在空中交通指挥过程中的可靠性。层次分析法（analytic hierarchy process，AHP）是一种解决多目标复杂问题的定性和定量相结合进行权重计算的方法。郭华等19运用层次分析法量化分析了人员安全意识对作业安全的影响因素。刘朋鑫20运用层次分析法对铁路调车人因事故的可靠性进行了研究。朱发新等21在人因可靠性评估的基础上，运用层次分析法对船舶事故人因可靠性进行了研究。LIU等22通过层次分析法对认知阶段的影响因素进行了量化评估。层 次 任 务 分 析 法（hierarchical task analysis，HTA）是应用最广泛的任务分析方法，主要通过目标、次目标、操作和计划的层次结构来描述任务，最终实现对任务的详细描述23。YANG等24运用层次任务分析法将驾驶行为分解为多层次的任务要素，建立了给定情况下驾驶员反应的分析模型。WESTRENEN25使用 HTA 技术进行了认知工作分析和用户界面设计。本文以CREAM法为基础，综合运用层次分析法和层次任务分析法对医院药品智能分发机器人作业过程操作人员的人误概率进行预测，实现对人员具体操作任务的量化评估，通过优化人机交互过程和人员操作行为，提高机器人作业的安全性和可靠性。2 作业流程设计与认知模型构建 2.1作业流程设计通过分析医院药品智能分发机器人的作业流程，可明确人机交互方式及交互任务。药品分发机器人在执行任务时，作业环境为整个医院，作业路径为各科室护士站到指定的病房，交互人群涉及医护人员和患者。整体人机交互系统较为复杂，因此需要对交互流程进行分析。图1为药品分发机器人执行一项分发任务的完整流程。2.2COCOM模型构建CREAM法假设操作者对任务的控制力决定人的绩效有效性，由此开发了基于环境控制的认知模型（contextual control model，COCOM），它构成了-2第 2期工 业 工 程 与 管 理CREAM方法的基础26。该模型结构如图2所示，将人的行为分为4种认知功能：观察、理解、计划、执行。该模型认为人的行为是在特定环境下进行，环境背景即CPC用4种控制模式来描述。CPC决定了当前所处的控制模式类型，控制模式促使人的认知行为发生变化，继而再次影响控制模式发生改变，新的控制模式又将带来新的CPC因子状态，这是一个不断循环交互的过程27。在药品分发机器人作业过程中，医护人员和患者按照预期的计划执行操作任务，此过程将会受医院特定环境的影响，包括组织的完善性、人机界面的可靠性、交互流程的可用性等。考虑环境影响最简单的方法是确定可能的控制模式，在COCOM模型下，通过环境反馈给操作者的信息将决定当前所处控制模式类型，进而对医护人员和患者的认知行为产生影响。整个过程是环境因素对人的认知行为产生影响，人的认知行为调整又反过来造成环境因素的变化。3 改进CREAM预测分析法 改 进 CREAM 预 测 分 析 法 实 际 上 是 改 进CREAM扩展预测法，即建立在CREAM扩展法上进行的改进。一般CREAM扩展法分析的步骤为：（1）进行任务识别，确定认知功能；（2）评价CPC因子；（3）识别认知功能失效模式；（4）预测失效概率。在CREAM扩展法中，确定CPC因子权重值及所属评价等级是定量预测人因可靠性的关键，关系到整个预测结果的准确性。但CPC因子评价等级往往通过人为主观判断确定，降低了预测的准确性28。因此，提出基于AHP建立对CPC因子权重和所属评价等级量化的方法，以提高预测的有效性。另外，对作业任务的描述将直接反映这项任务涉及的认知行为和认知功能，直接影响该项任务的人因失误率。现阶段CREAM扩展法中对于作业任务的识别过程具有随机性，缺乏系统化的理论方法支撑。因此，提出运用HTA对目标任务进行层级分解，最终实现对作业任务及子任务的完整识别。改进后CREAM预测分析流程如下：首先，在梳理药品分发机器人作业流程的前提下，运用HTA法对人员操作任务进行层次分解；然后，对CPC因子进行描述，并运用AHP计算CPC因子权重，再对人员的认知行为进行甄选划分，确定对应认知功能、失效模式及基本失效概率值，计算总权重因子，整理得到修正失误概率值，再根据公式计算整体人因失误率；最后，验证改进后CREAM预测的合理性，分析计算结果。具体流程如图3所示。3.1操作人员认知行为识别由于在整个人机交互系统中，人因失误主要来源于医护人员和患者两类人群，因此在熟悉医院药品智能分发机器人作业流程的基础上分别对两类图1医院药品智能分发机器人作业流程图图2COCOM模型图-3第 28 卷 王秋惠，等：药品分发机器人作业安全人因可靠性分析及预测人群作业过程的操作行为进行分析。本文采用HTA法对目标任务进行层级划分，并对每项任务及其子任务进行顺序编号，任务分析图如图4所示。3.2CPC因子评估CREAM假设人因失误存在多种原因29，强调人的行为受自身因素及操作时所处环境的影响，将作 业 环 境 概 括 为 9 种 通 用 绩 效 条 件（common performance conditions，CPCs），统称为 CPC 因子。结合现有医院分发机器人实际作业情景，确定9种CPC因子，如表1所示。将通用绩效条件的评价等级划分为2/3/4种，共对应3种绩效可靠性的影响效果，分别为改进、不显著和降低。邀请10位医护工作者对CPC因子进行评分，评估表 12 如表2所示，每项CPC因子的评分范围为 0，10。对评价等级为2种的CPC因子采用 0，5、6，10 的评分域，评价等级为3种的CPC因子采用 0，3、4，7、8，10 的评分域，评价等级为4种的CPC因子采用 0，2、3，5、6，8、9，10 的评分域。收集整理10位医护人员对CPC因子的评分数据，计算平均值作为最终得分，参照表3划分的评价等级及评分域确定该项CPC因子的评价等级、绩效影响效果及认知功能的权重因子，整理结果如表4所示。邀请10位医护工作者对每个CPC因子的重要度进行打分，分值为15（1表示非常不重要，2表示不重要，3表示一般重要，4表示重要，5表示非常重要），收集整理数据，并计算出每个CPC因子重要度打分的平均值，分别为 2.2、4.2、4.1、2.8、4.3、2.1、2.1、3.1、2.5，将CPC因子两两进行比较，根据相对重要程度构建9阶判断矩阵，如表5所示。为避免构建的判断矩阵出现逻辑性错误，需要对判断矩阵进行一致性检验，通常使用一致性比率（consistency ratio，CR）进行检验。若CRCPC2CPC3CPC8CPC4CPC9CPC1表10人员操作任务对应的认知功能和失效模式序号n11n12n13n21n22n23n31n32n33n41n42n43p11p12p13p21p22p31p32p33认知行为通信执行执行观察通信执行执行执行执行执行通信执行通信通信执行通信执行执行执行执行认知功能理解执行执行观察执行执行执行执行执行执行理解执行观察理解执行执行执行执行执行执行失效模式I3E3E5O3E3E1E3E5E5E3I1E5O2I1E5E3E1E3E5E5基本值0.010 00.000 50.030 00.070 00.000 50.003 00.000 50.030 00.030 00.000 50.200 00.030 00.070 00.200 00.030 00.000 50.003 00.000 50.030 00.030 0表11人员操作任务失效概率序号n11n12n13n21n22n23n31n32n33n41n42n43p11p12p13p21p22p31p32p33CFPb0.010 00.00050.030 00.070 00.000 50.003 00.000 50.030 00.030 00.000 50.200 00.030 00.070 00.200 00.030 00.000 50.003 00.000 50.030 00.030 0Wz0.095 50.097 00.097 00.097 00.097 00.097 00.097 00.097 00.097 00.097 00.095 50.097 00.09700.095 50.097 00.097 00.097 00.097 00.097 00.097 0CFPx9.5510-44.8510-52.9110-36.7910-34.8510-52.9110-44.8510-52.9110-32.9110-34.8510-51.9110-22.9110-36.7910-31.9110-22.9110-34.8510-52.9110-44.8510-52.9110-32.9110-3-7第 28 卷 王秋惠，等：药品分发机器人作业安全人因可靠性分析及预测CPC6CPC7，即在作业环境方面，任务负荷、工作环境、人机界面的可靠性、人员的培训和经验等较为重要。因此，应合理安排操作人员的任务量，降低任务负荷，避免由于过度疲劳而引发人因失误，尽可能为操作人员创造优越的工作环境，改善人机界面设计，包括物理界面和信息界面，提高人机交互的可用性和易用性。此外，组织管理人员工作培训也不可或缺。4.2基于人员因素的可靠性设计策略在人员方面，药品分发机器人作业过程涉及两类人群：医护人员和患者。在分别对两类人群的作业任务进行详细分析后，通过计算得出每一步操作任务的人因失误率，如表11所示。根据结果得知，在医院药品分发机器人作业过程中，医护人员在接收提示、发布任务操作中的失误概率较高，患者在确认信息的操作中失误率较高。据此医院应加强人员相关软件操作的培训指导，使医护人员能够尽快熟悉分发机器人作业流程。同时由于这些失误率较高的操作大多建立在人机界面交互的基础上，因此设计工作者应尝试优化机器人界面设计，增强界面辨识度，简化操作层级，提升操作准确率，从而提高人员的作业效率。5 合理性验证 为了证明改进方法运用的合理性，利用人因可靠性分析中的其中一个公理来验证31。CPC因子的状态发生改变会对整体人因失误率产生影响，积极的改变会降低人因失误率，消极的改变会增大人因失误率32。以CPC3（人机界面的可靠性）为例，在CPC3绩效可靠性不显著的情况下，计算得到整体人因失误率为 7.172 210-2。在其他 CPC 因子保持不变的情况下，对CPC3因子分别进行积极和消极的状态改变。当CPC3的绩效影响效果发生改进/降低的变化时（如表2），其对应的认知功能权重因子也发生了改变，再运用式（1）式（3），重复上述预测计算过程可分别得出改进状态下和降低状态下的人因失误率，计算结果如表12所示。此次验证以定性研究展开分析（以CPC因子状态的正负变化展开），通过不断量化（以表2中的数据作为参考依据再根据公式逐步量化），最后能够较精准预测出不同状态下的人因失误率。由数据的对比分析可知，改进状态下人因失误率降低，降低状态下人因失误率升高。结果与公理所述一致，表明了改进 CREAM 法预测人因失误率的合理性和逻辑性。6 结论 本文以CREAM扩展法为基础，运用AHP法对CPC因子权重值及所属评价等级进行了量化评估，采用HTA法对人员作业任务进行层次分解，最终运用改进的 CREAM 扩展法实现了对医院药品智能分发机器人作业过程人因可靠性的预测分析。改进后的方法能够较准确地量化系统人因失误率，与传统的CREAM法相比具有更高的精度，一定程度上为人机交互过程中人因失误量化分析提供了借鉴。但研究过程尚存在不足，例如，CPC因子的评价等级采用的是CREAM法默认的等级划分，这与CPC因子实际等级水平并不能很好地匹配。因此，建立与各项CPC因子相匹配的评价等级是今后研究中需要解决的问题。参考文献：1 杜志江，孙立宁，富历新.医疗机器人发展概况综述 J.机器人，2003，25（2）：182-187.2 2020年医疗机器人发展现状与投资情况 EB/OL.https：/ 李振纲，张力，洪俊.数字化控制系统人机交互的特征及预防人因失误策略 J.心理技术与应用，2015，3（11）：29-33.4 吴海彬，杨剑鸣.机器人在人机交互过程中的安全性研究进展 J.中国安全科学学报，2011，21（11）：79-86.5 郑先权.服务机器人人机安全策略研究 D.武汉：华中科技大学，2018.表12不同状态下的人因失误率状态改进（积极）不显著降低（消极）人因失误率6.894 010-27.172 210-29.374 810-2-8第 2期工 业 工 程 与 管 理 6 BOGUE R.Robots that interact with humans：A review of safety technologies and standardsJ.Industrial Robot：An International Journal，2017，44（4）：395-400.7 OGORODNIKOVA O.Methodology of safety for a human robot interaction designing stage C/2008 Conference on Human System Interactions.New York：IEEE，2008：452-457.8 REZAZADEGAN F，GENG J，GHIRARDI M，et al.Risked-based design for the 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