基于CREAM的高溫熔融金屬作業(yè)人員可靠性分析

吳雅菊 許開立教授 王若菌 任 杰 徐曉虎

（1.東北大學(xué) 資源與土木工程學(xué)院，遼寧 沈陽 110819；2.遼寧省國有資產(chǎn)管理委員會，遼寧 沈陽 110032）

0 引言

隨著冶金有色工業(yè)的快速發(fā)展，作為重要基礎(chǔ)產(chǎn)業(yè)的冶金設(shè)備大型化趨勢越來越明顯。如果高溫熔融金屬、熔渣在冶煉、轉(zhuǎn)運(yùn)及加工處理過程中發(fā)生事故，會造成重大的人員傷亡和設(shè)備損壞，對社會產(chǎn)生惡劣的影響[1-2]。據(jù)統(tǒng)計(jì)資料顯示，2010～2012年，由于人員違反操作規(guī)程所引發(fā)事故分別占84%、71%和77%[3]。如以冶金行業(yè)中的煉鋼生產(chǎn)為例，生產(chǎn)過程中高溫作業(yè)線很長，作業(yè)和設(shè)備種類多，生產(chǎn)過程中可能發(fā)生高溫輻射、鋼水和熔渣噴濺等引起的灼燙、爆炸、氧槍回火燃燒爆炸等事故。其中人的誤操作和違章作業(yè)是煉鋼生產(chǎn)安全事故的主要原因。因此，對冶金企業(yè)高溫熔融場所人操作的可靠性進(jìn)行評估和量化顯得尤為重要，而且可以為高溫熔融金屬作業(yè)人員的操作培訓(xùn)和崗位作業(yè)安全考評訓(xùn)練提供參考和借鑒。

人員可靠性分析到現(xiàn)在已經(jīng)發(fā)展成了兩代（HRA）方法，其中認(rèn)知可靠性和失誤分析方法（Cognitive Reliability and Error Analysis Method）由Eric Hollnagel于1998年首次提出，是第二代人因可靠性分析方法中的一種代表性方法[4]，該方法依賴認(rèn)知模型Contextual Control Model（COCOM），并強(qiáng)調(diào)情景環(huán)境對人的行為的重要影響[5]。

本文結(jié)合冶金行業(yè)高溫熔融金屬作業(yè)模式的特點(diǎn)，基于CREAM法，提出適用于高溫熔融金屬作業(yè)人為可靠性分析方法，以保證高溫熔融金屬作業(yè)的安全可靠運(yùn)行。

1 CREAM方法理論基礎(chǔ)

CREAM方法依賴完成任務(wù)時(shí)所處的環(huán)境，由任務(wù)環(huán)境決定控制模式（COCOM，Contetual Control Model），不同的控制模式[6]下，人的差錯(cuò)概率是可以大致確定的，見表1[4]，因此可以通過確定控制模式來確定可靠度區(qū)間[7]。在大量的實(shí)踐基礎(chǔ)上，該方法中將任務(wù)環(huán)境歸納為9種不同因素，見表2[4]，

通用效能條件（CPC，Common Performance Condition）為表2中的9個(gè)因素，表征作業(yè)環(huán)境的具體情況，對人因可靠度有不同影響程度，根據(jù)CPC因子的評價(jià)結(jié)果，分別得到對可靠性影響效果改進(jìn)、降低、不顯著的CPC數(shù)目之和，以∑降低為X軸，以∑改進(jìn)為Y軸，由∑改進(jìn)和∑降低確定該情境環(huán)境下人完成任務(wù)所處的認(rèn)知控制模式，如圖1，在CREAM方法中認(rèn)為每個(gè)CPC因子同樣重要，由于該方法起源于核工業(yè)領(lǐng)域，從理論上看原有的通用效能條件并不能完全適用于冶金行業(yè)領(lǐng)域的生產(chǎn)作業(yè)特點(diǎn)[8]。因此對于不同的工作性質(zhì)，CPC應(yīng)該賦予不同的權(quán)重。

表1 失誤概率區(qū)間與對應(yīng)的控制模式Tab.1 HEP and interval of each COCOM

表2 CPC及對人因可靠度的不同影響程度Tab.2 CPCs and essects on human reliability

圖1 CPC與控制模式之間的關(guān)系Fig.1 The relationship of each CPC and COCOM

2 基于CREAM的高溫熔融金屬作業(yè)的人為可靠性計(jì)算

計(jì)算流程基本步驟如下：

步驟1：根據(jù)冶金行業(yè)高溫熔融金屬作業(yè)特點(diǎn)提出適合的CPC評估細(xì)則。

步驟2：將主觀權(quán)重和客觀權(quán)重方法相結(jié)合，采用AHP-熵值法確定冶金行業(yè)高溫熔融金屬作業(yè)的CPC評估因子權(quán)重。

步驟3：評估數(shù)據(jù)的獲取。對上文的CPC因子評估細(xì)則進(jìn)行評分，根據(jù)專家評分和CPC因子權(quán)重得到CREAM方法所需的輸入數(shù)據(jù)。并根據(jù)模糊理論對輸入數(shù)據(jù)進(jìn)行模糊處理[9]。

步驟4：計(jì)算可靠性影響指數(shù)及特定環(huán)境下的人為失誤概率。

2.1 CPC評估細(xì)則的確定

根據(jù)冶金企業(yè)特點(diǎn)，參照《國家安全監(jiān)管總局關(guān)于印發(fā)冶金企業(yè)（煉鐵煉鋼煤氣）安全生產(chǎn)標(biāo)準(zhǔn)化評定標(biāo)準(zhǔn)的通知》（安監(jiān)總管四〔2011〕110號）的要求，得到CPC因子評估細(xì)則，見表3。

2.2 權(quán)重確定方法

由于層次分析法AHP是一種主觀賦權(quán)法，引入基于統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)的客觀賦權(quán)方法——熵值法對層次分析法的結(jié)果進(jìn)行修正，熵值法就是利用指標(biāo)的熵值來確定權(quán)重[10]。

2.2.1 AHP確定指標(biāo)權(quán)重

采用專家打分的形式來評價(jià)CPC影響因子，向?qū)＜野l(fā)放CPC影響因子打分表，邀請他們對其進(jìn)行打分。根據(jù)打分結(jié)果，對同一層次指標(biāo)兩兩比較，構(gòu)造出判斷矩陣。然后進(jìn)行一致性檢驗(yàn)。各指標(biāo)權(quán)重，見表4。

表3 CPC因子評估細(xì)則Tab.3 Evaluation form of the CPC

2.2.2 熵值法確定指標(biāo)權(quán)重的步驟

（1）用熵值法的具體方法。

若評價(jià)指標(biāo)數(shù)量為n項(xiàng)，方案m個(gè)，形成x=(xij)m×n的原始指標(biāo)數(shù)據(jù)矩陣。

①各指標(biāo)同度量化，計(jì)算第j項(xiàng)指標(biāo)下第i方案指標(biāo)值的比重Pij

②計(jì)算第j項(xiàng)指標(biāo)的熵值Ej

其中l(wèi)n是自然對數(shù)，ej≥0，k＞0，若對于給定的j都相等，那么：

此時(shí)，ej取極大值，即：

設(shè)k=1/1nm，有0≤ej≤1

③計(jì)算第j項(xiàng)指標(biāo)的差異性系數(shù)dj

這里定義差異性系數(shù)：dj=1-Ej（ 5）

④確定指標(biāo)的權(quán)重μj

（2）極端值處理。

用熵值進(jìn)行評價(jià)時(shí)，會遇到一些極端的數(shù)值，如指標(biāo)值為負(fù)數(shù)（或是零），這時(shí)不能直接計(jì)算比重，也不能取對數(shù)，為保證數(shù)據(jù)的完整性又不能刪去，因此需要對該項(xiàng)指標(biāo)數(shù)據(jù)進(jìn)行變換處理，采用對各項(xiàng)指標(biāo)值標(biāo)準(zhǔn)化的方法來處理[11]。見公式（7）。

其中，sij和 分別為第j項(xiàng)指標(biāo)值的標(biāo)準(zhǔn)差和平均值，可將坐標(biāo)平移來消除負(fù)值，X′=Xij+A （ 8）

（3）確定權(quán)重。

根據(jù)文獻(xiàn)[3,12-14]資料，總結(jié)事故原因數(shù)據(jù)，將事故原因放到CPC評估細(xì)則中考慮，根據(jù)熵值法的計(jì)算步驟，計(jì)算CPC評估因子指標(biāo)權(quán)重，見表4。

2.2.3 AHP-熵值法綜合確定指標(biāo)權(quán)重

根據(jù)上文步驟求各項(xiàng)指標(biāo)權(quán)重，然后根據(jù)公式

（9）計(jì)算各指標(biāo)綜合優(yōu)化權(quán)重：

式中：

ωi—指標(biāo)綜合優(yōu)化權(quán)重；Fi—AHP方法計(jì)算的權(quán)重；Vi—為熵值法確定各指標(biāo)的權(quán)重結(jié)果，見表4。

表4 指標(biāo)權(quán)重表Tab.4 The weight of each CPC

2.3 CPC評估數(shù)據(jù)輸入

對任務(wù)環(huán)境的量化可以通過對CPC因子打分來實(shí)現(xiàn)，這里記為λcpci，1分對應(yīng)于有改進(jìn)作用，不顯著則對應(yīng)為0，降低作用則對應(yīng)于-1，通過計(jì)算λcpci的數(shù)值可確定對應(yīng)的控制模式。如公式（10）所示：

根據(jù)表3的評估細(xì)則，選擇行業(yè)專家對9個(gè)CPC因子進(jìn)行打分。為了優(yōu)化專家的打分結(jié)果，采用模糊邏輯對打分?jǐn)?shù)據(jù)進(jìn)行處理，采用模糊隸屬函數(shù)確定數(shù)字形式的語言變量，用模糊集和相對應(yīng)的隸屬度解釋語言變量，這里采用梯形隸屬度函數(shù)來表示，見公式（11）。

其中x為屬于[0,100]區(qū)間的分?jǐn)?shù)，a、b為不同級別的臨界值。

2.4 CPC可靠性影響指數(shù)及人為失誤概率的計(jì)算

為了考慮背景環(huán)境的綜合影響，定義可靠性影響指數(shù)R如公式（12）所示：

式中：

n—CPC因子的數(shù)量；

ωi—CPCi的權(quán)重。其中λcpci見公式（9）。

因?yàn)橛?個(gè)CPC因子，由公式（12）可知，R的最小值和最大值分別為-9和7，在正常的范圍內(nèi)，人因可靠性會因?yàn)槿蝿?wù)環(huán)境的改善而相應(yīng)的提高[4]。假設(shè)任務(wù)環(huán)境與人失誤概率之間存在著近似的對應(yīng)關(guān)系，人失誤概率PHEP與可靠性影響指數(shù)R之間的關(guān)系可以采用自然對數(shù)模型來擬合[15]。

其中公式（13）中的k是常量，推導(dǎo)過程如下：

由于Rmax=7，Rmin=-9，PHEP,max=1.0，PHEP,min=0.00005，則由公式得：

于是人失誤概率為：

由公式（17）得到的PHEP，為一段時(shí)間發(fā)生人失誤概率的平均值，認(rèn)為近似等于平均錯(cuò)誤率，同時(shí)考慮到企業(yè)為三班倒，一般每天工作8小時(shí)，所以人的可靠性計(jì)算：

表5 每個(gè)CPC評估分?jǐn)?shù)Tab.5 Marks of each CPC

3 實(shí)例應(yīng)用

鋼鐵企業(yè)的轉(zhuǎn)爐冶煉作業(yè)工序有發(fā)生噴濺事故的危險(xiǎn)。因此需要在轉(zhuǎn)爐冶煉過程中做好以下幾方面的要求：

（1）要控制好熔池的溫度。要求操作溫度不能過低或過高，特別要防止熔池溫度突然降低的現(xiàn)象。

（2）為了避免熔渣過分的發(fā)泡，或者引起爆發(fā)性的碳氧反應(yīng)，要控制（TFe）使其不出現(xiàn)積聚現(xiàn)象，為了使碳能夠均衡地氧化，避免碳焰上來后形成大噴事故，要促進(jìn)熔池升高溫度。以下的幾種情況都要及時(shí)降槍：在終點(diǎn)適時(shí)降槍，主要是為了避免終點(diǎn)碳的氧化速度猛增；爐役前期爐膛小，溫度又低，為了避免（TFe）含量過高，這時(shí)要注意及時(shí)降槍；補(bǔ)爐后要注意及時(shí)降槍，此外如果采用留渣操作，為了防止產(chǎn)生爆發(fā)性噴濺，兌鐵前必須采取冷凝熔渣的措施[1]。

在吹煉過程中，可能由于人的誤操作（不按照標(biāo)準(zhǔn)化作業(yè)導(dǎo)致吹煉期間氧化性強(qiáng)鋼水中反應(yīng)劇烈）造成噴濺事故。現(xiàn)選取轉(zhuǎn)爐煉鋼過程中吹煉工序來計(jì)算操作人員的可靠性。

請可靠性評估專家、作業(yè)管理人員、安全管理人員和高校科研專家各一名對以上作業(yè)過程涉及的CPC因素進(jìn)行打分，見表5。同時(shí)考慮行業(yè)經(jīng)驗(yàn)（評審冶金企業(yè)的數(shù)量）、工作時(shí)間、技術(shù)職稱3方面因素得出4位專家的權(quán)重分別為（0.3 0.26 0.24 0.2），考慮專家權(quán)重后每個(gè)CPC最終得分見表5第6列。根據(jù)公式（11）確定9個(gè)CPC評估因子的隸屬度函數(shù)，如圖2。以圖2的每個(gè)CPC因子的隸屬度函數(shù)為基礎(chǔ)，將每個(gè)CPC因子的專家最終得分分別代入到隸屬度函數(shù)里，最終得到代表每個(gè)CPC因子屬于相應(yīng)級別的隸屬度水平值。見表5最后一列。

根據(jù)公式（12）、（17）、（18）得到PHEP=0.0033，Rh（8）=0.9737。表明該吹煉過程在目前作業(yè)環(huán)境下人的失誤概率為0.0033，失誤概率區(qū)間處于戰(zhàn)術(shù)型控制模式。通過改善CPC因子對應(yīng)的因素條件，人失誤概率還可以進(jìn)一步降低。

圖2 CPC評估因子隸屬度函數(shù)圖Fig.2 Membership curves for nine CPCs

4 結(jié)論

文章給出了基于CREAM的冶金行業(yè)高溫熔融金屬作業(yè)人員可靠性分析方法，根據(jù)冶金行業(yè)高溫熔融金屬作業(yè)特點(diǎn)，細(xì)化了CPC因子的評估細(xì)則；將AHP和熵值法相結(jié)合來確定CPC因子的權(quán)重，利用模糊數(shù)學(xué)原理實(shí)現(xiàn)CPC 評估因子輸入的模糊化，優(yōu)化專家評分結(jié)果；推導(dǎo)出高溫熔融金屬作業(yè)人員失誤概率和可靠度計(jì)算公式。最后通過煉鋼冶煉作業(yè)的人員失誤概率和可靠性分析，驗(yàn)證了模型的有效性和實(shí)際應(yīng)用性。