導彈人-機-環系統安全行為動態仿真模型*

劉逸超,王 強,高建國,錢擁軍

(空軍工程大學裝備管理與安全工程學院,西安 710051)

導彈人-機-環系統安全行為動態仿真模型*

劉逸超,王 強,高建國,錢擁軍

(空軍工程大學裝備管理與安全工程學院,西安 710051)

為了研究組織因素對地空導彈人-機-環系統研制、生產和使用部署中人為差錯的影響,在構建組織視角下系統人員安全行為分析框架的基礎上,建立了基于直覺模糊有序加權算子和模糊認知圖的直覺模糊認知圖模型,并進行模擬仿真,揭示了組織因素對地空導彈人-機-環系統人員感知行為、決策行為以及執行行為的影響機理。結果表明,該模型能夠很好的描述組織因素影響地空導彈人-機-環系統安全行為的動態機理。

地空導彈;安全行為;直覺模糊集;模糊認知圖;人-機-環系統

0 引言

地空導彈的研制、生產和使用部署通常被視為是一個復雜的人-機-環系統[1]。系統安全行為特性會受到人員、裝設備以及環境的諸多不安全因素的影響,特別是隨著科學技術的進步和生產制造水平的提高,人員因素導致事故的比例已達到了70%以上。

大量的事故表明,組織因素對保證系統安全具有決定性作用,其作業人員每一個不安全行為幾乎都可以在組織層面找到原因[2]。因此,對地空導彈研制、使用訓練過程中人員安全行為特性的研究必須考慮組織因素的重要影響。

目前,關于組織因素影響系統人員安全行為的研究,已有大量的模型和方法,例如人的失誤率預測技術(THERP)、人員認知可靠性模型(HCR)、人誤分析技術(ATHEANA)以及認知可靠性與差錯分析模型(CREAM)[3]。上述模型和方法大多是將組織因素作為個體安全行為形成因子加以分析,且考慮的組織因素不夠全面。在此基礎上Shang Hwa Hsu[4]、Hafida Bouloiz[5]等均建立模型來刻畫組織因素對作業人員安全行為的作用機制,但對組織因素影響作業人員安全行為的不確定性、交互關聯性以及因果關系描述過程中的模糊性等問題未能較好解決。

模糊認知圖(fuzzy cognitive maps,FCM)作為一種支持因果知識表示與推理的網絡模型,其通過概念間的關系來進行模糊推理,能較好的模擬組織因素對地空導彈人-機-環系統安全行為的動態影響[7]。文中在分析模糊認知圖的特點和不足的基礎上,將直覺模糊有序加權算子引入模糊認知圖理論,提出一種基于直覺模糊認知圖的系統人員安全行為特性仿真模型,通過模擬仿真分析組織因素對系統人員個體感知行為、決策行為以及執行行為的影響機理。

1 組織視角下地空導彈系統人員安全行為分析框架

組織因素對地空導彈系統人員安全行為具有直接或間接影響。文中通過整合個體認知行為模型[8]和組織事故模型[9],構建了組織視角下的地空導彈系統人員安全行為分析框架,如圖1所示。

圖1 組織視角下系統人員安全行為分析框架

由圖1可知,組織因素影響系統人員安全行為的途徑有4種:分別是通過影響人員的心理狀態進而影響其安全行為；通過影響作業環境進而影響人員安全行為;通過影響人員的技能和經驗進而影響其安全行為和直接影響系統人員安全行為。

考慮影響系統人員安全行為的組織因素很多,文中根據國內外相關研究成果[2-5],結合地空導彈研制、使用訓練實際,將影響安全行為的組織因素歸納為安全目標、規程、培訓、交流、組織指揮、安全監察、安全文化。同時,為便于揭示組織因素對人員安全行為的作用機理,根據個體認知行為過程模型[8],將安全行為劃分為感知行為、決策行為和執行行為。

2 直覺模糊認知圖模型及推理算法

2.1 基本理論

2.1.1 模糊認知圖

模糊認知圖是由Kosko在認知圖模型的基礎上,將模糊測度的概念引入概念間因果關系所提出的[7],能夠更有效的描述因素之間的作用關系以及系統動態行為。盡管如此,還存在一定的局限性,主要表現在以下兩方面。

1)關于模糊關系的描述。盡管FCM將概念間的因果關系從三值{-1,0,1}邏輯關系拓展為[-1,1]區間上的模糊關系,但其對于因果關系的表述仍是一個單值,即表現為只能對“亦此亦彼”的模糊關系進行描述,不能對“非此非彼”的模糊關系進行描述。在作業人員安全行為特性分析過程中,因素之間作用關系通常具有“非此非彼”的特性。由于直覺模糊集(intuitionistic fuzzy sets,IFS)[10]的特點是對模糊關系的描述通常從隸屬度、非隸屬度和猶豫度三個方面考慮,且其隸屬度為[0,1]內的子區間,因此,直覺模糊集在表述這種具有“非此非彼”的模糊關系時更具有明顯的優勢,將其引入到FCM模型可以有效提高分析結果的準確性。

2)關于模糊邏輯推理。由于FCM存在表述與或關系的局限性,所以其模糊邏輯推理過程只是進行簡單的加權求和,而引入閾值函數會致使分析結果進一步失真。直覺模糊有序加權算子(intuitionistic fuzzy OWA,IFOWA)作為一種參數化的與或運算[11],將其引入到FCM模型可以有效的描述概念間的與或關系。2.1.2 直覺模糊集

1)直覺模糊集的概念

定義1[10]:設X是一個非空集合,則X上的直覺模糊集A為

(1)

其中:μA(x)∈[0,1]表示A的隸屬度函數,νA(x)∈[0,1]表示A的非隸屬度函數,二元組〈μA(x),νA(x)〉或[μA(x),1-νA(x)]稱為x在直覺模糊集A上的直覺模糊數,且滿足條件0≤μA(x)+νA(x)≤1。πA=1-μA(x)-νA(x)為表示集合X中元素x對A的猶豫程度。

2)直覺模糊集的運算法則

設A和B是非空集合X上的直覺模糊子集,給出涉及的兩種直覺模糊集運算法則,即

直覺模糊數的排序

定義2[10]:設a1=〈μa1,νa1〉,a2=〈μa2,νa2〉為直覺模糊數,s(a1)=μa1-νa1表示a1的得分數,h(a1)=μa1+νa1表示a1的精確度,則:

①當s(a1)>s(a2)時,a1>a2。

②當s(a1)=s(a2)時,若h(a1)=h(a2),則a1=a2;若h(a1)h(a2),則a1>a2。

4)直覺模糊有序加權算子

定義3[10]:設ai=〈μai,νai〉(i=1,2,…,n)為一組直覺模糊數,則稱IFOWAw:Ωn→Ω為直覺模糊有序加權算子,即：

IFOWAw=(a1,a2,…,an)=w1aσ(1)?w2aσ(2)?…

(2)

基于上述分析,在對FCM中節點信息和關聯信息進行直覺模糊描述的基礎上,將IFOWA算子替代傳統FCM模型中的加權求和與閾值函數,建立基于直覺模糊集理論和IFOWA的模型,即直覺模糊認知圖(intuitionistic fuzzy cognitive maps,IFCM)模型。

所建立的IFCM模型其概念節點的狀態值和節點間的影響程度均在[0,1]之間進行取值。

定義4:IFCM的拓撲結構為一個4元組:IFCM=(C,E,O,IFOWAw) 其中:

C=(C1,C2,…,Cn)表示IFCM的概念節點全體集合;

O:Ci→oi,即O=(o1,o2,…,on)T表示IFCM節點狀態空間,oi=〈μoi,νoi〉(i=1,2,…,n)表示IFCM節點的狀態信息;

E:(Ci,Cj)→eij,即E=(eij)n×n是節點關聯關系糊數矩陣,Ci,Cj∈C,eij=〈μeij,νeij〉表示Ci對Cj的關聯關系或影響作用;

IFOWAw=(IFOWAw1,IFOWAw2,…,IFOWAwn)是直覺模糊有序加權平均算子序列,IFOWAwi是與節點Ci(i=1,2,…,n)相對應,相關的權重向量為w=(w1,w2,…,wn)T(i=1,2,…,n)。2.3 直覺模糊認知圖模型推理算法

IFCM模型中的初值是由其所研究系統的初始條件決定的,其模糊推理過程基本上可以概括為:在系統初始狀態確定后,利用IFOWA算子進行推理計算,當系統狀態趨于穩定有限循環狀態或固定狀態時,表明整個推理過程結束。根據文獻[12]的觀點,將時間變量t引入IFCM模型,使其可描述系統的動態演化過程。

oi(t)=〈μoi(t),νoi(t)〉(i=1,2,…,n)表示模型中概念節點Ci在t時刻的狀態值,即t時刻的狀態集合為O(t)=(o1(t),o2(t),…,on(t))T。

E(t)=(eij(t))n×n,其中eij(t)=〈μeij(t),νeij(t)〉表示節點Ci對Cj在t時刻的關聯關系。

IFCM推理過程如下:

設t時刻節點Ci(i=1,2,…,n)通過有向弧(Ci,Ck)對節點Ck產生的作用強度為rik,則:

1)當i≠k時

(3)

2)當i=k時

(4)

節點Ck在t+1時刻的狀態取值為

(5)

其中,rσ(j)k(t)是(r1k(t),r2k(t),…,rnk(t))降序排列組成數列中處于第j個位置的直覺模糊數,即rσ(j-1)k(t)≥rσ(j)k(t)(?j=1,2,…,n)。

由模糊推理過程可知,系統在某一時刻t的狀態是由模型中各節點及其狀態通過模糊關聯關系相互影響而導致的。IFCM模型中的節點都將通過節點間的關聯關系影響與其相連接的其他節點,促使相連節點的狀態也發生變化,進而使整個系統呈現出動態演化特性。2.4 直覺模糊認知圖推理步驟

依據IFCM模型模糊推理算法,其推理步驟如下:

步驟1:確定模型概念節點C=(C1,C2,…,Cn);

步驟2:確定模型節點間關聯信息E=(eij)n×n;

步驟3:確定O(1)=(o1(1),o2(1),…,on(1))T,即根據系統初始條件,給IFCM模型所包含的各概念節點賦以初值,并確定各節點的直覺模糊有序加權平均算子以及相關的權重向量;

步驟4:利用式(3)～式(5)進行推理計算;

步驟5:若O(t+1)=O(t)或?i=1,2,…,t使得O(t+1)=O(i),則視為推理過程結束,否則轉到步驟4繼續進行推理計算。

3 基于IFCM的地空導彈系統人員安全行為仿真模型

3.1 確定模型概念節點

IFCM模型中的概念節點沒有固定的輸入與輸出之分,為使構建模型表述清晰,文中將模型中的概念節點劃分為輸入節點、中間節點和輸出節點。

1)輸入節點。用來描述影響作業人員安全行為的組織因素。依據組織視角下的安全行為分析框架,輸入節點包括C1(安全目標)、C2(規程)、C3(培訓)、C4(交流)、C5(組織指揮)、C6(安全監察)和C7(安全文化)。

2)中間節點。用來描述影響作業人員安全行為的狀態因素。依據組織視角下的安全行為分析框架,中間節點主要有C8(技能和經驗)、C9(工作環境)和C10(心理狀態)。

3)輸出節點。用來描述作業人員在認知過程中的行為狀態。依據組織視角下的安全行為分析框架,輸出節點分為C11(感知行為)、C12(決策行為)和C13(執行行為)。

3.2 模型狀態信息描述

考慮確定IFCM模型中概念節點和節點間關聯狀態隸屬度函數存在較大困難,文中采用語言變量與直覺模糊集的對應關系確定模型中概念節點狀態信息和節點間關聯信息的直覺模糊描述[13],對應關系如表1所示。在仿真分析過程中,為說明問題簡便起見,令概念節點間關聯屬性值不隨時間而變化。

表1 語言變量與直覺模糊集的對應關系

3.3 作業人員安全行為IFCM模型的建立

根據所確定的IFCM模型節點概念,分別建立系統人員行為特性的感知行為IFCM模型、決策行為IFCM模型和執行行為IFCM模型。3.3.1 感知行為IFCM模型

分析影響作業人員感知行為的因素,建立感知行為IFCM模型,該模型包括C3、C4、C5、C7、C8、C9、C10和C11等8個概念節點,其連接關系如圖2所示。

圖2 感知行為IFCM模型

參照表1確定節點間關聯信息矩陣。其元素為直覺模糊數,由隸屬度和非隸屬度組成,利用專家咨詢法,確定此矩陣的隸屬度矩陣E(μij)和非隸屬度矩陣E(νij)分別為:

C3C4C5C7C8C9C10C11

E(μij)=C3

C4

C5

C7

C8

C9

C10

C3C4C5C7C8C9C10C11

E(νij)=C3

C4

C5

C7

C8

C9

C10

分析影響作業人員決策行為的因素,建立決策行為IFCM模型,該模型包括C1、C2、C3、C4、C7、C8、C10和C12等8個概念節點,其連接關系如圖3所示。

圖3 決策行為IFCM模型

參照表1節點間關聯信息矩陣,確定其隸屬度矩陣E(μij)和非隸屬度矩陣E(νij)分別為:

C1C2C3C4C7C8C10C12

E(μij)=C1

C2

C3

C4

C7

C8

C10

C1C2C3C4C7C8C10C12

E(νij)=C1

C2

C3

C4

C7

C8

C10

分析影響作業人員執行行為因素,建立執行行為IFCM模型,該模型包括C2、C3、C4、C5、C6、C7、C8、C9、C10和C13等十個概念節點,其連接關系如圖4所示。

參照表1節點間關聯信息矩陣,確定其隸屬度矩陣E(μij)和非隸屬度矩陣E(νij)分別為:

C2C3C4C5C6C7C8C9C10C13

E(μij)=C2

C3

C4

C5

C6

C7

C8

C9

C10

圖4 執行行為IFCM模型

C2C3C4C5C6C7C8C9C10C13E(νij)=C2

C3

C4

C5

C6

C7

C8

C9

C10

4 模擬仿真與結果分析

4.1 感知行為特性仿真模擬

情景假設:在某一地空導彈部隊,作業人員能夠得到充分培訓,作業現場的組織指揮井然有序,且具有良好的安全文化,但調查發現作業人員之間缺乏有效的溝通交流。這樣,給出感知行為IFCM模型中概念節點的初始狀態值為:

O(0)={o3(0),o4(0),o5(0),o7(0),o8(0),o9(0),o10(0),o11(0)}={〈0.7,0.25〉,〈0.25,0.7〉,〈0.7,0.25〉,〈0.5,0.4〉,〈0.95,0.05〉,〈0.25,0.7〉,〈0.5,0.4〉,〈0.7,0.25〉},取orness測度值為0.5,進行感知行為模擬仿真,仿真結果如圖5所示。

圖5 感知行為模擬仿真結果

由圖5可知,即使在作業人員得到充分培訓和有效組織指揮的前提下,由于人員之間缺乏溝通交流,人員感知行為的安全水平也會處于不斷下降的趨勢,并最終處于穩定狀態,充分說明組織管理上的缺陷會潛移默化地影響人員安全行為。仿真結果還表明,強化溝通交流有助于提高人員信息感知階段安全行為能力。4.2 決策行為特性仿真模擬

情景假設:在某一地空導彈部隊,其安全目標、規程、安全文化以及作業人員的培訓、交流均處于一個較高的狀態值。據此,給出決策行為IFCM模型中概念節點的初始狀態值為:

O(0)={o1(0),o2(0),o3(0),o4(0),o7(0),o8(0),o10(0),o12(0)}={〈0.95,0.05〉,〈0.7,0.25〉,〈0.95,0.05〉,〈0.7,025〉,〈0.7,0.25〉,〈0.5,0.4〉,〈0.25,0.7〉,〈0.05,0.95〉},取orness測度值為0.5,進行決策行為模擬仿真,仿真結果如圖6所示。

圖6 決策行為模擬仿真結果

由圖6可以看出,當一個決策行為能力較弱的作業人員處在一個較好的組織情景下時,即使其初始的決策行為能力較差,經過一段時間后,其決策行為能力也會得到顯著提升,表明良好的組織氛圍對人員安全行為具有重塑作用。

4.3 執行行為特性仿真模擬

情景假設:在某一地空導彈部隊,其規程、組織指揮、安全文化以及人員的培訓、交流均處于一個較高的狀態值。但其存在安全監察不力的問題。據此,令執行行為IFCM模型中概念節點的初始狀態值為:O(0)={o2(0),o3(0),o4(0),o5(0),o6(0),o7(0),o8(0),o9(0),o10(0),o12(0)}={〈0.95,0.05〉,〈0.7,0.25〉,〈0.7,0.25〉,〈0.7,025〉,〈0.25,0.7〉,〈0.95,0.05〉,〈0.25,0.7〉,〈0.7,0.25〉,〈0.25,0.7〉},當t=3時刻時,安全管理部門通過改進安全管理,使得安全監察水平得到提升,其狀態信息變為o6(3)=〈0.7,0.25〉,取orness測度值為0.5,進行決策行為模擬仿真,仿真結果如圖7所示。

圖7 執行行為模擬仿真結果

由圖7可以看出,由于安全監察不力,使得在初始階段作業人員執行安全行為水平逐步下降。當t=3時,安全監察水平得到有效提升,但作業人員執行行為水平仍有下降的趨勢,直到t=6時,才出現上升趨勢;說明安全監察對作業人員執行行為的影響具有延遲效應,出現這種情況主要是因為組織安全行為具有慣性作用。

5 結束語

文中充分考慮組織因素對地空導彈系統人員安全行為的作用影響,提出了基于模糊認知圖的系統安全行為模擬仿真模型,分別對組織因素影響系統人員感知行為、決策行為和執行行為的動態影響機理進行仿真分析。由于在模型中引入了隸屬度和直覺指數,仿真結果能夠更加科學的刻畫不同組織情景下系統人員安全行為的變化趨勢,為從組織層面上有效預防地空導彈研制、生產和使用訓練中的人為差錯提供了支撐。

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A Dynamic Simulation Model of Missile Human-machine-environment System Safety Behavior

LIU Yichao,WANG Qiang,GAO Jianguo,QIAN Yongjun

(Equipment Management and Safety Engineering College, Air Force Engineering University, Xi’an 710051, China)

It is held by the authors that organizational factors had great influence on the occurrence of human errors in the process of surface-to-air missile man-machine-environment system development, produce and operation, by affecting the safety behaviors of operating personnel. Firstly, a dynamic simulation model of safety behavior of surface-to-air missile man-machine-environment system integrating organizational factors was proposed by combining intuitionistic fuzzy sets and fuzzy cognitive map theory. Then, the analysis framework of safety behavior characteristics of operating personnel from organizational perspective was established. And an intuitionistic fuzzy cognitive map model was established based on intuitionistic fuzzy ordered weighted operator and fuzzy cognitive map by analyzing the influencing relationships among organizational factors, system state and the safety behaviors of operating personnel. Finally, the mechanism of organizational factors influencing the perceived behavior, decision-making behavior and execution behavior of operating personnel was simulated based on the proposed model. And the simulation results showed that the proposed model was effective to reflect the dynamic mechanism of organizational factors influencing safety behaviors of surface-to-air missile man-machine-environment system.

surface-to-air missile; safety behavior; intuitionistic fuzzy sets; fuzzy cognitive maps; human-machine-environment system

2016-11-14

劉逸超(1990-),男,山東濟寧人,碩士研究生,研究方向:裝備安全管理和人為因素。

TP391.9

A