CN109711667A - 一种空间人机系统舱内维修任务人因失误建模分析方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种空间人机系统舱内维修任务人因失误建模分析方法，包括：对维修任务进行分析并分解，确定维修任务所涉及的乘组认知行为和共同绩效条件；基于乘组认知行为，建立乘组认知过程模型，并确定认知行为认知失效模式和失效概率基本值；基于共同绩效条件，对行为影响因子进行细化，计算得到共同绩效条件水平及乘组认知过程总权重因子；依次计算得到基本人误概率、条件人误概率以及联合人误概率。本发明考虑影响因子干预、维修任务分解及维修子任务间的关联性，更加准确地计算出基本人误概率、条件人误概率以及联合人误概率，为型号设计人员提前预知风险采取应对措施提供参考，保障空间人机系统安全运行。

Description

一种空间人机系统舱内维修任务人因失误建模分析方法

技术领域

本发明属于系统安全性技术领域，尤其涉及一种空间人机系统舱内维修任务人因失误建模分析方法。

背景技术

人因可靠性分析(Human Reliability Analysis，HRA)起源于20世纪50年代，至今已有50多年的历史。20世纪50年代末60年代初期，人们已经开始探讨人因失误对于系统安全性、可靠性的影响，如今，人因失误已成为影响系统安全性的关键因素之一。

人因可靠性分析方法的发展大致可以分为两个阶段，第一阶段的HRA方法中，着重研究人的行为理论和失误分类，形成了和设备可靠性分析相类似的人为失误概率预测技术(Technique of Human Error Rate Prediction，THERP)等方法。第二阶段的HRA方法更加强调情景环境对人的行为的影响，且大都建立了相应的认知行为模型。通过引入行为学、心理学、认知科学等理论，来分析环境条件、操作员本身和设备自身状态等人为差错诱因对人为操作的影响，形成了认知可靠性和失误分析方法(Cognitive Reliability and ErrorAnalysis Method，CREAM)等方法。

相对于第一阶段的HRA方法，第二阶段的HRA方法有了很大的改进，但是还存在很多局限性，如人为可靠性数据不足、缺乏统一的专家评判标准、对人的行为与环境之间的交互性分析不足。随着计算机仿真技术的发展，出现了基于动态仿真的人为可靠性分析方法，本发明将其称之为“第三代HRA方法”，通过构建动态仿真系统，模拟人的认知行为随时间、情景的动态变化，如班组情境下的信息、决策和响应行为(Information，Decision andAction in Crew context，IDAC)模型。动态仿真方法为人为可靠性分析提供了新的手段，但由于人的行为具有复杂性、随机性、易变性等特征，目前也很难对其进行精确模拟，仍处于发展阶段。

综上，THERP是一种通过对任务操作流程的分解来预计人为失误概率的方法；CREAM是一种强调情境环境对人的认知可靠性影响的分析方法，更侧重于人的认知失误分析；IDAC侧重于操作人员班组事故情境下对系统的动态响应。THERP、CREAM和IDAC分别是第一、二、三代HRA的经典方法，三者各有利弊。

发明内容

本发明的技术解决问题：克服现有技术的不足，提供一种空间人机系统舱内维修任务人因失误建模分析方法，通过行为影响因子和共同绩效条件的选择和判定对维修任务认知过程的基本失效概率进行了修正，体现了操作环境对乘组认知决策和维修操作行为的影响。

为了解决上述技术问题，本发明公开了一种空间人机系统舱内维修任务人因失误建模分析方法，包括：

步骤(1)，对维修任务进行分析并分解，确定维修任务所涉及的乘组认知行为和共同绩效条件CPC；

步骤(2)，基于乘组认知行为，建立I-D-P-A乘组认知过程模型，并确定认知行为认知失效模式和失效概率基本值；

步骤(3)，基于共同绩效条件CPC，对行为影响因子进行细化，计算得到共同绩效条件CPC水平及乘组认知过程总权重因子；

步骤(4)，在步骤(1)(2)(3)的基础上，根据影响因子干预、维修任务分解及维修子任务间的关联性，依次计算得到基本人误概率、条件人误概率以及联合人误概率。

在上述空间人机系统舱内维修任务人因失误建模分析方法中，对维修任务进行分析并分解，确定维修任务所涉及的乘组认知行为和共同绩效条件CPC，包括：

对每项舱内维修任务进行分解解析，将维修任务分解到乘组的每一项动作，得到当前维修任务所涉及的乘组认知行为和共同绩效条件；其中，乘组认知行为，包括：观察、识别、检查、比较、评估、决策、计划、协作、通讯和执行；共同绩效条件，包括：组织完备性、工作条件、人机界面与运行支持的完善性、计划的充分性、同时完成的目标数量、可用时间、工作时段、培训和经验的充分性和多人合作质量。

在上述空间人机系统舱内维修任务人因失误建模分析方法中，基于乘组认知行为，建立I-D-P-A乘组认知过程模型，并确定认知行为认知失效模式和失效概率基本值，包括：

基于乘组认知行为，将乘组的认知过程归纳为观察I、决策D、计划P和执行A；

将观察行为I的失效模式分为观察目标错误、故障辨识错误和观察没有进行；

将决策行为D的失效模式分为诊断失败、决策失误和决策延迟；

将计划行为P的失效模式分为优先权错误和计划不适当；

将执行行为A的失效模式分为动作方式错误、动作时间错误、动作目标错误、动作顺序错误和动作遗漏；

根据观察I、决策D、计划P和执行A的分类结果，构建I-D-P-A乘组认知过程模型；并分别给出每种失效模式对应的失效概率基本值。

在上述空间人机系统舱内维修任务人因失误建模分析方法中，基于共同绩效条件CPC，对行为影响因子进行细化，计算得到共同绩效条件CPC水平及乘组认知过程总权重因子，包括：

根据维修环境对乘组认知决策和维修操作行为的影响，将共同绩效条件CPC细化为45类行为影响因子PIFs；

根据45类行为影响因子PIFs，计算每项共同绩效条件CPC水平，确定共同绩效条件CPC等级；

查取认知行为失效对应的权重因子，计算得到乘组认知过程总权重因子。

在上述空间人机系统舱内维修任务人因失误建模分析方法中，在步骤(1)(2)(3)的基础上，根据影响因子干预、维修任务分解及维修子任务间的关联性，依次计算得到基本人误概率、条件人误概率以及联合人误概率，包括：

根据失效概率基本值和总权重因子，计算得到实际失效率F_I、F_D、F_P、F_A；其中，即实际失效率＝失效概率基本值×总权重因子；

通过计算与I-D-P-A四个认知过程对应的任务可靠性R_IDPA，求得乘组完成一项维修任务的基本人误概率BHEP＝1-R_IDPA；

根据基本人误概率BHEP以及子任务之间的先后顺序和关联性，计算得到条件人误概率CHEP；

根据条件人误概率CHEP，计算得到全任务可靠性R_全任务，并求得乘组完成整项维修任务的联合人误概率JHEP＝1-R_全任务。

在上述空间人机系统舱内维修任务人因失误建模分析方法中，

R_IDPA＝(1-F_I)(1-F_D)(1-F_P)(1-F_A)

R_全任务＝(1-CHEP_子任务1)(1-CHEP_子任务2)…(1-CHEP_子任务n)。

在上述空间人机系统舱内维修任务人因失误建模分析方法中，条件人误概率CHEP通过下述公式具体实现：

若两项子任务全相关，则：CHEP＝1

若两项子任务高相关，则：

两项子任务中相关，则：

两项子任务低相关，则：

两项子任务零相关，则：CHEP＝BHEP。

本发明具有以下优点：

本发明所述的空间人机系统舱内维修任务人因失误建模分析方法，提出了I-D-P-A乘组认知过程模型，通过行为影响因子和共同绩效条件的选择和判定对维修任务认知过程的基本失效概率进行修正，体现了操作环境对乘组认知决策和维修操作行为的影响。考虑影响因子干预、维修任务分解及维修子任务间的关联性，更加准确地计算出基本人误概率、条件人误概率以及联合人误概率，为型号设计人员提前预知风险采取应对措施提供参考，保障空间人机系统安全运行。

附图说明

图1是本发明实施例中一种空间人机系统舱内维修任务人因失误建模分析方法的步骤流程图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明公开的实施方式作进一步详细描述。

参照图1，示出了本发明实施例中一种空间人机系统舱内维修任务人因失误建模分析方法的步骤流程图。在本实施例中，所述空间人机系统舱内维修任务人因失误建模分析方法，包括：

步骤101，对维修任务进行分析并分解，确定维修任务所涉及的乘组认知行为和共同绩效条件CPC。

在本实施例中，可以对每项舱内维修任务进行分解解析，将维修任务分解到乘组的每一项动作，得到当前维修任务所涉及的乘组认知行为和共同绩效条件。其中，乘组认知行为包括但不仅限于：观察、识别、检查、比较、评估、决策、计划、协作、通讯和执行等；共同绩效条件包括但不仅限于：组织完备性、工作条件、人机界面与运行支持的完善性、计划的充分性、同时完成的目标数量、可用时间、工作时段、培训和经验的充分性和多人合作质量等。

步骤102，基于乘组认知行为，建立I-D-P-A乘组认知过程模型，并确定认知行为认知失效模式和失效概率基本值。

在本实施例中，可以基于乘组认知行为，将乘组的认知过程归纳为观察I、决策D、计划P和执行A；将观察行为I的失效模式分为观察目标错误、故障辨识错误和观察没有进行；将决策行为D的失效模式分为诊断失败、决策失误和决策延迟；将计划行为P的失效模式分为优先权错误和计划不适当；将执行行为A的失效模式分为动作方式错误、动作时间错误、动作目标错误、动作顺序错误和动作遗漏；根据观察I、决策D、计划P和执行A的分类结果，构建I-D-P-A乘组认知过程模型；并分别给出每种失效模式对应的失效概率基本值。

优选的，每种失效模式对应着失效概率基本值(选取自各行业比较认可的人误数据)，定义为F_{I/D/P/A基本}，如表1所示，例如观察目标错误故障辨识错误观察没有进行

表1，认知行为失效模式的失效概率基本值示意表

步骤103，基于共同绩效条件CPC，对行为影响因子进行细化，计算得到共同绩效条件CPC水平及乘组认知过程总权重因子。

在本实施例中，可以根据维修环境对乘组认知决策和维修操作行为的影响，将共同绩效条件CPC细化为45类行为影响因子PIFs；根据45类行为影响因子PIFs，计算每项共同绩效条件CPC水平，确定共同绩效条件CPC等级；查取认知行为失效对应的权重因子，计算得到乘组认知过程总权重因子。

优选的，可以将组织完备性C₁、工作条件C₂、人机界面与运行支持的完善性C₃、计划的充分性C₄、同时完成的目标数量C₅、可用时间C₆、工作时段C₇、培训和经验的充分性C₈及多人合作质量C₉九类共同绩效条件(CPC)进一步细化为45类行为影响因子(PIFs)，如表2所示。

表2，共同绩效条件对应的权重因子及其包含的行为影响因子示意表

优选的，通过式(1)计算每项CPC水平，记为C_i水平：

式中：n为每项CPC实际包含的PIFs数量；p为对应的PIFs值，取值范围是1～10；ω为每项PIFs对应的权重。

依据表2可知，在计算出每项CPC水平之后，即可确定相应的CPC等级，并查得该CPC等级下认知行为失效对应的权重因子，即C_i权重。

通过式(2)计算乘组认知过程中九项CPC权重因子乘积，得到该认知过程的总权重因子，记为

步骤104，在步骤101、102和103的基础上，根据影响因子干预、维修任务分解及维修子任务间的关联性，依次计算得到基本人误概率、条件人误概率以及联合人误概率。

在本实施例中，可以根据失效概率基本值和总权重因子，计算得到实际失效率F_I、F_D、F_P、F_A；其中，即实际失效率＝失效概率基本值×总权重因子；通过计算与I-D-P-A四个认知过程对应的任务可靠性R_IDPA，求得乘组完成一项维修任务的基本人误概率BHEP＝1-R_IDPA。

基本人误概率(BHEP)是乘组完成一项相对独立、不受其他维修任务影响的维修任务时的人误概率，在认知行为失效概率基本值的基础上考虑认知过程总权重因子的影响。

通过式(3)计算总权重因子对基本失效概率F_{I/D/P/A基本}的修正值，得到认知过程中的实际失效概率，记为

式中：为每项认知过程的总权重因子；F_I基本、F_D基本、F_P基本、F_A基本为表1中的失效概率基本值；F_I、F_D、F_P、F_A为I-D-P-A四个认知过程的实际失效概率。

通过式(4)计算与I-D-P-A四个认知过程对应的任务可靠性，记为R_IDPA，通过式(5)求得乘组完成一项维修任务的基本人误概率(BHEP)。

R_IDPA＝(1-F_I)(1-F_D)(1-F_P)(1-F_A)···(4)

BHEP＝1-R_IDPA···(5)

根据基本人误概率BHEP以及子任务之间的先后顺序和关联性，计算得到条件人误概率CHEP。

在本实施例中，条件人误概率(CHEP)是乘组在一项任务成功或失败的情况下完成另一项任务的人误概率。如果无论第一项任务成败与否，该任务的CHEP是相同的，那么这两项任务互不相关，称为独立任务；反之，如果该任务的CHEP受第一项任务成败的影响，那么这两项任务相互关联，称为联合任务。

假设某舱内维修任务中包含n项顺序操作的维修子任务。如果该任务是相对独立的首项维修子任务，即n＝1，那么其条件人误概率(CHEP)即为基本人误概率(BHEP)；如果子任务n是在子任务n-1后面完成的一项子任务，即n＞1，那么在给定子任务n-1失败后的条件下，子任务n的条件人误概率(CHEP)通过式(6)～(10)分为5种不同的关联性进行计算：

若两项子任务全相关，则：CHEP＝1···(6)

若两项子任务高相关，则：

两项子任务中相关，则：

两项子任务低相关，则：

两项子任务零相关，则：CHEP＝BHEP···(10)

式中：BHEP是子任务n的基本人误概率，n＞1；CHEP是子任务n在子任务n-1失败后的条件人误概率。

根据条件人误概率CHEP，计算得到全任务可靠性R_全任务，并求得乘组完成整项维修任务的联合人误概率JHEP＝1-R_全任务。

在本实施例中，联合人误概率(JHEP)是在正确完成所有任务以取得最终期望目标过程中人的总体失误概率，JHEP是建立在基本人误概率和条件人误概率两者基础上的联合人误概率值。优选的：通过式(11)计算全任务可靠性，记为R_全任务，通过式(12)求得乘组完成整项维修任务的联合人误概率(JHEP)：

R_全任务＝(1-CHEP_子任务1)(1-CHEP_子任务2)…(1-CHEP_子任务n)···(11)

JHEP＝1-R_全任务···(12)

最后，以KJZ环控生保系统供氧组件维修为例对该空间人机系统舱内维修任务人因失误建模分析方法进行验证。

供氧组件维修任务可进一步分解为拆卸和安装两个子任务。该维修任务由两名航天员共同完成，一岗职责为产品拆装、管路插拔等操作项目；二岗职责为配合传递工具和产品、复核管路及电连接器连接的正确性。该维修任务I-D-P-A认知过程失效模式分析见表3，CPC对应模型中认知行为失效的影响因子权重见表4。

表3，供氧组件维修任务失效模式分析示意表

表4，供氧组件维修任务影响因子权重示意表

查询表1，得出供氧组件维修任务失效概率基本值见表5。根据公式(3)，结合表4中的总权重因子，计算得出每项认知失效行为的实际失效概率如下：

表5，供氧组件维修任务认知行为实际失效概率示意表

分别计算出拆卸和安装两个子任务I-D-P-A四个认知过程的实际失效概率：

拆卸子任务：

安装子任务：

根据公式(4)和(5)，分别计算出拆卸和安装两个子任务I-D-P-A四个认知过程的基本人误概率(BHEP)：

拆卸子任务：

R_IDPA＝(1-F_I)(1-F_D)(1-F_P)(1-F_A)＝0.9195

BHEP＝1-R_IDPA＝0.0805

安装子任务：

R_IDPA＝(1-F_I)(1-F_D)(1-F_P)(1-F_A)＝0.9388

BHEP＝1-R_IDPA＝0.0612

由于拆卸子任务是相对独立的首项维修子任务(n＝1)，其条件人误概率即为基本人误概率：CHEP＝BHEP＝0.0805。

由于安装子任务(n＝2)是在拆卸子任务后面完成的一项子任务，且两项任务之间具有关联性，分别采用公式(7)、(8)、(9)试算安装子任务的条件人误概率(CHEP)：

高相关：

中相关：

低相关：

根据公式(11)和(12)，计算得出供氧组件维修任务的联合人误概率(JHEP)：

高相关：JHEP＝1-R_全任务＝1-(1-CHEP_{拆卸子任务})(1-CHEP_{安装子任务})＝0.5684

中相关：JHEP＝1-R_全任务＝1-(1-CHEP_{拆卸子任务})(1-CHEP_{安装子任务})＝0.2601

低相关：JHEP＝1-R_全任务＝1-(1-CHEP_{拆卸子任务})(1-CHEP_{安装子任务})＝0.1799

零相关：JHEP＝1-R_全任务＝1-(1-CHEP_{拆卸子任务})(1-CHEP_{安装子任务})＝0.1368

由于子任务关联性计算模型较为粗略，得出分析结果如下：如果安装子任务与拆卸子任务具有高相关关系，维修任务的联合人误概率为0.5684；如果安装子任务与拆卸子任务具有中相关关系，维修任务的联合人误概率为0.2601；如果安装子任务与拆卸子任务具有低相关关系，维修任务的联合人误概率为0.1799；如果不考虑安装子任务与拆卸子任务之间的关联关系，维修任务的人误概率为0.1368。

综上所述，本发明提出了I-D-P-A乘组认知过程模型，通过行为影响因子和共同绩效条件的选择和判定对维修任务认知过程的基本失效概率进行修正，体现了操作环境对乘组认知决策和维修操作行为的影响。考虑影响因子干预、维修任务分解及维修子任务间的关联性，更加准确地计算出基本人误概率、条件人误概率以及联合人误概率，为型号设计人员提前预知风险采取应对措施提供参考，保障空间人机系统安全运行。

本说明中的各个实施例均采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可。

以上所述，仅为本发明最佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

本发明说明书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员的公知技术。

Claims (7)

1.一种空间人机系统舱内维修任务人因失误建模分析方法，其特征在于，包括：

步骤(1)，对维修任务进行分析并分解，确定维修任务所涉及的乘组认知行为和共同绩效条件CPC；

步骤(2)，基于乘组认知行为，建立I-D-P-A乘组认知过程模型，并确定认知行为认知失效模式和失效概率基本值；

步骤(3)，基于共同绩效条件CPC，对行为影响因子进行细化，计算得到共同绩效条件CPC水平及乘组认知过程总权重因子；

步骤(4)，在步骤(1)(2)(3)的基础上，根据影响因子干预、维修任务分解及维修子任务间的关联性，依次计算得到基本人误概率、条件人误概率以及联合人误概率。

2.根据权利要求1所述的空间人机系统舱内维修任务人因失误建模分析方法，其特征在于，对维修任务进行分析并分解，确定维修任务所涉及的乘组认知行为和共同绩效条件CPC，包括：

对每项舱内维修任务进行分解解析，将维修任务分解到乘组的每一项动作，得到当前维修任务所涉及的乘组认知行为和共同绩效条件；其中，乘组认知行为，包括：观察、识别、检查、比较、评估、决策、计划、协作、通讯和执行；共同绩效条件，包括：组织完备性、工作条件、人机界面与运行支持的完善性、计划的充分性、同时完成的目标数量、可用时间、工作时段、培训和经验的充分性和多人合作质量。

3.根据权利要求1所述的空间人机系统舱内维修任务人因失误建模分析方法，其特征在于，基于乘组认知行为，建立I-D-P-A乘组认知过程模型，并确定认知行为认知失效模式和失效概率基本值，包括：

基于乘组认知行为，将乘组的认知过程归纳为观察I、决策D、计划P和执行A；

将观察行为I的失效模式分为观察目标错误、故障辨识错误和观察没有进行；

将决策行为D的失效模式分为诊断失败、决策失误和决策延迟；

将计划行为P的失效模式分为优先权错误和计划不适当；

将执行行为A的失效模式分为动作方式错误、动作时间错误、动作目标错误、动作顺序错误和动作遗漏；

根据观察I、决策D、计划P和执行A的分类结果，构建I-D-P-A乘组认知过程模型；并分别给出每种失效模式对应的失效概率基本值。

4.根据权利要求1所述的空间人机系统舱内维修任务人因失误建模分析方法，其特征在于，基于共同绩效条件CPC，对行为影响因子进行细化，计算得到共同绩效条件CPC水平及乘组认知过程总权重因子，包括：

根据维修环境对乘组认知决策和维修操作行为的影响，将共同绩效条件CPC细化为45类行为影响因子PIFs；

根据45类行为影响因子PIFs，计算每项共同绩效条件CPC水平，确定共同绩效条件CPC等级；

查取认知行为失效对应的权重因子，计算得到乘组认知过程总权重因子。

5.根据权利要求1所述的空间人机系统舱内维修任务人因失误建模分析方法，其特征在于，在步骤(1)(2)(3)的基础上，根据影响因子干预、维修任务分解及维修子任务间的关联性，依次计算得到基本人误概率、条件人误概率以及联合人误概率，包括：

根据失效概率基本值和总权重因子，计算得到实际失效率F_I、F_D、F_P、F_A；其中，即实际失效率＝失效概率基本值×总权重因子；

通过计算与I-D-P-A四个认知过程对应的任务可靠性R_IDPA，求得乘组完成一项维修任务的基本人误概率BHEP＝1-R_IDPA；

根据基本人误概率BHEP以及子任务之间的先后顺序和关联性，计算得到条件人误概率CHEP；

根据条件人误概率CHEP，计算得到全任务可靠性R_全任务，并求得乘组完成整项维修任务的联合人误概率JHEP＝1-R_全任务。

6.根据权利要求5所述的空间人机系统舱内维修任务人因失误建模分析方法，其特征在于，

R_IDPA＝(1-F_I)(1-F_D)(1-F_P)(1-F_A)

R_全任务＝(1-CHEP_子任务1)(1-CHEP_子任务2)…(1-CHEP_子任务n)。

7.根据权利要求5所述的空间人机系统舱内维修任务人因失误建模分析方法，其特征在于，条件人误概率CHEP通过下述公式具体实现：

若两项子任务全相关，则：CHEP＝1

若两项子任务高相关，则：

两项子任务中相关，则：

两项子任务低相关，则：

两项子任务零相关，则：CHEP＝BHEP。