基于改進的SPAR-H化工實驗室人因可靠性分析

谷繼慧，路 帥，劉慶龍，陳 諾

(1.中國石油大學(華東)機電工程學院，山東 青島 266580；2.中國石油大學(華東)化學工程學院，山東 青島 266580;3.青島歐賽斯環境與安全技術有限責任公司，山東 青島 266520)

為完成教學和科研任務，在高校、科研院所、化工企業均設有不同數目的化工實驗室。實驗室事故多發，據統計2001—2013年我國共發生實驗室事故100起，其中人的不安全行為造成的事故最多，占事故總數的27%。因此，有必要從現有的實驗室事故中吸取教訓，加強對實驗室內人的不安全行為的管控。

人因可靠性分析(Human Reliability Analysis,HRA)研究始源于20世紀50年代，20世紀80年代進入繁榮發展時期。在工效學中，人的行為控制主要關注的就是人的可靠性或人為差錯研究。HRA的規則基本保持不變：確定人為錯誤的來源并量化人為錯誤，預測人類表現的能力。2004年由Gertman等提出的SPAR-H方法被認為是人因失誤率預測(Technique for Human Error Rate Prediction，THERP)的簡化方法，在核電工業領域取得了良好的應用效果，后被推廣到其他領域；Whaley等對SPAR-H方法相關定義、應用基本流程做了詳細介紹；Laumann等對SPAR-H方法提出了改進建議，目的是制定適用于石油行業的更具體的性能影響因素(PSFs)定義，以提高SPAR-H方法的可靠性；吳優以核電廠任務為研究對象，運用程序化任務復雜度量化方法TACOM對 SPAR-H 方法中的復雜度因素進行了量化。

在實驗室開發一種用于評估操作者人因失誤概率(Human Error Probability,HEP)的技術是必要的，這種對實驗室操作者進行人因可靠性評價技術的應用將是未來工作的主題。但是，以往的研究主要針對核電廠、石油化工企業，對化工實驗室人因可靠性研究較少,且SPAR-H方法不完全適用于化工實驗室。因此，本文首先基于SPAR-H方法并結合認知模型劃分人因失誤模式；然后結合化工實驗室安全管理相關要求建立更適用于危化品實驗室的PSFs水平確定標準；最后利用解釋結構模型(ISM)分析不同失誤類型對應的影響因素，完善化工實驗室人因失誤率量化過程,以提高人因分析的準確性。

1 SPAR-H方法

SPAR-H方法將任務類型分為“診斷”(Diagnosis)和“執行”(Action)。“診斷”任務包括依靠知識和經驗來了解現有條件，規劃和確定活動的優先順序，并確定適當的行動方案。“執行”任務包括計劃、團隊交流或者任務進行中的資源分配以及后續操作過程中執行的其他活動。

SPAR-H方法通過使用PSFs來計算與人為失誤事件相關的上下條件，并通過依賴項分配來調整HEP，通過進一步研究確定了8種能夠影響人類表現的因素，分別為處理任務的可用時間、壓力、經驗和培訓、任務的復雜性、人體工程學、程序、適應性、工作流程。一旦分配了PSFs級數，最后的HEP只是基本人因失誤概率(BHEP)和PSFs的乘積，即：

(1)

式中：BHEP為基本人因失誤概率；PSF為第

i

個性能影響因素水平，

i

=1，2，…,8。

2 化工實驗室人因可靠性分析

2.1 化工實驗室人因失誤類型

傳統行為心理學中的S-O-R(刺激-組織-反應)模式，認為在實驗過程中人的認知活動第一步通過視覺、嗅覺、聽覺等接收外界信息，然后大腦對接收的信息進行判斷處理，最后執行動作進行具體的實驗操作。因此，本文將人的認知過程分為觀察/感知、理解/決策、動作三個過程，任一認知過程出現差錯就會出現人誤行為。化工實驗室人因失誤類型見表1，其中BHEP值源于NUREG/CR-12中為應用THERP方法提供的人因手冊。

表1 化工實驗室人因失誤類型

2.2 PSFs水平確定標準

性能影響因素(PSFs)是指在工作環境中影響人類表現行為的背景因素，PSFs可以表示積極影響降低失誤概率，也可以表示消極影響提高失誤概率。在開發基本SPAR-H模型時評估了任務可用時間、任務復雜程度、壓力(處理任務時)，三者關注任務本身屬性對人因失誤發生可能性的影響，在不同應用領域PSFs水平確定標準無顯著性差異。隨著SPAR-H應用范圍的擴展，其余5種PSFs(經驗/培訓、程序、人機工程學和人機界面、適用性以及工作流程)通常被評為標稱值，因為它們是事件、工廠或人員特定的，如“人機工程學和人機界面”在自動化程度高的核電廠領域重點關注機器界面布局設計是否友好、電腦軟件的計算性能是否優良，顯然不適用于化工實驗室人因可靠性分析，因此需要對這些因素進行合理的定性評估，并結合化工實驗室安全管理需求制定其相關的水平確定標準。

2.2.1 與任務屬性相關的PSFs水平確定標準

任務處理時間初始定義為操作員或機組人員診斷和處理異常事件的時間，在化工實驗室中其水平考慮操作可用時間與所需時間的比值。在人員操作時時間可用性隨具體操作步驟而變化，在實際應用中需要結合工程實踐經驗進行判斷。

任務復雜程度是指在情景條件下執行任務的復雜性，任務復雜性同時考慮任務和執行任務的環境。其中，執行任務的環境與人機環境內容存在重合，為了避免重復計算，在此僅考慮任務本身，則影響實驗操作任務復雜程度的因素主要有處理任務所需的認知水平、技能水平、操作動作難度同時需要關注的對象數量。

壓力是指阻礙操作者輕松完成任務的不良條件程度。但是在應用SPAR-H方法時我們沒有辦法實時檢測出人的壓力水平，因此選擇處理任務時面臨情景后果嚴重性作為壓力水平的確定標準。

化工實驗室與任務屬性相關的PSFs水平確定標準見表2，并為不同水平PSFs賦予相應的數值作為調整系數充當BHEP的乘數。

表2 與任務屬性相關的PSFs水平確定標準

2.2.2 化工實驗室特定的PSFs水平確定標準

經驗/培訓是指參與任務的操作員的經驗和接受的安全培訓。影響經驗/培訓水平的因素主要有實驗者是否有多年的操作經驗以及是否接受過足夠的安全培訓。

操作規程是指操作過程中存在并使用的正式操作程序，程序的目的是在人類執行任務時指導人類的行動，以增加行動安全地實現任務目標的可能性。因此，對操作規程進行判斷主要考慮其與實際情景的匹配程度。

SPAR-H方法中最初定義人機工程學/人機界面是指儀器所提供的設備、顯示和控制、布局、質量和數量，以及操作人員/機組人員與設備之間的相互作用。在化工實驗室中人、設備、工作臺、內部環境共同構成了實驗室特有的人-機-環境。因此，可從實驗室物理環境與技術環境兩方面來綜合考量人機環境水平。

職責適宜度是指在執行任務時人的生理和心理狀態是否適宜，它在所有的分析中缺少信息支撐難以得到具體水平量化分析標準。因此，可從個人能力與個體狀態兩方面來進行綜合考量，一般情況下職責適宜度水平判定為正常。

工序的定義是指工作的各個方面，包括組織間、安全文化、工作規劃溝通、管理、支持和政策等。在化工實驗室中工序涉及安全文化、團隊組織。

結合上述分析，化工實驗特定的PSFs水平確定標準見表3。

2.3 人因失誤概率(HEP)量化

2.3.1 基于ISM的化工實驗室人因失誤溯源分析

解釋結構模型(Interpretative Structural Modeling,ISM)是由Warfied于1973年提出的一種系統分析方法，該方法通過經驗定義各因素之間的影響關系，并借助計算機技術能夠將各因素之間的關系以清晰的結構圖表現出來。基于ISM對化工實驗室人因失誤進行溯源分析的具體步驟如下：

(1) 確定影響因素。SPAR-H方法8種PSFs中與任務屬性相關的有3種：任務處理時間、任務復雜程度和壓力，它們與特定情境無關并直接影響實驗人員行為，故本文主要分析特定性能影響因素對實驗人員不安全行為的影響路徑。化工實驗室人因失誤的影響因素見表4。

(2) 確定鄰接矩陣。鄰接矩陣可以說明兩兩因素間的相互影響關系，鄰接矩陣

A

=[

a

](

i

，

j

=1，2，…，13) 。其中，元素

a

表示兩因素

F

與

F

之間是否存在二元關系，其判斷公式如下：

(2)

根據專家經驗判斷，可以得到人因失誤影響因素的鄰接矩陣

A

。

表3 化工實驗室特定的PSFs水平確定標準

表4 化工實驗室人因失誤的影響因素

(3) 計算分解可達矩陣。可達矩陣

M

由鄰接矩陣

A

加上一個與同階單位矩陣

I

通過1次或

K

+1次布爾運算得到，其計算公式如下：

M

=(

A

+

I

)+1=(

A

+

I

)≠…≠(

A

+

I

)

(3)

應用MATLAB軟件進行布爾運算，可得到可達矩陣

M

：

其中：

對可達矩陣進行分解，可得到人因失誤每個影響因素的可達集合

P

(

F

)、前因集合

Q

(

F

)和最高集合

T

(

F

)，具體求集合公式如下：

P

(

F

)={

F

|

a

=1}

(4)

Q

(

F

)={

F

|

a

=1}

(5)

T

(

F

)={

F

|

P

(

F

)∩

Q

(

F

)=1}

(6)

由公式(4)、(5)、(6)計算得到的可達集合和前因集合見表5，求解影響因素集合

R

，則有：

R

={1}，

R

={2,3,4}，

R

={7,10,11}，

R

={5,6,8,9}，

R

={12},

R

={13}。

(4) 化工實驗室人因失誤溯源分析模型。根據可達集合分解結果，繪制化工實驗室人因失誤溯源分析模型，見圖1。觀察/感知失誤與技術環境差、個體狀態差、組織管理不足、安全文化不良有關；理解/決策失誤與個人能力不足、個體狀態差、操作規程不完整、技術環境差、物理環境差、工作經驗少、安全文化不良、組織管理差、安全培訓不足有關。

表5 化工實驗室人因失誤影響因素的可達集合和前因集合

圖1 化工實驗室人因失誤溯源分析模型Fig.1 Tracing analysis model of human error in chemical laboratory

2.3.2 確定人因失誤概率(HEP)計算公式

根據前文化工實驗室人因失誤溯源分析結果與PSFs水平判斷標準對人因失誤概率進行量化計算，某一步驟人因失誤概率的具體計算公式如下：

HEP=BHEP×PSF

(7)

PSF=PSF×PSF×PSF×PSF×PSF×(0.50PSF+0.50PSF)

(8)

=PSF×PSF×PSF×PSF×(0.35PSF+0.65PSF)×(0.30PSF+0.70PSF)×(0.35PSF+0.65PSF)×(0.50PSF+0.50PSF)

(9)

式中：HEP為步驟

i

的人因失誤概率；PSF為步驟

i

的第

j

個性能影響因素水平，

j

=1，2，3；PSF為

j

個性能影響因素水平，

j

=4，5，6，7，8。

若PSFs表示消極影響因素個數超過3，則應用調整公式進行計算：

(10)

若操作步驟中同時出現診斷和執行失誤，則最終的人因失誤概率計算公式如下：

HEP=HEP/診斷+HEP/執行

(11)

3 人的不安全行為管控措施

由ISM分析結果可知，化工實驗室人因失誤的直接原因為個人缺陷與操作規程不完善，間接原因為環境不良，根本原因為安全管理不足。因此，需要從個人和組織層面提出提高個人職責適宜度、改善實驗室環境、提高組織管理能力的具體措施，以減少人的不安全行為發生的可能性；同時，基于本質安全原理通過優化實驗設計來控制任務的復雜程度、處理任務的可用時間和壓力對實驗人員的影響，進而避免危險。

3.1 個人層面

(1) 提高實驗室操作人員的專業技能。操作者失誤主要體現在操作不熟練、對危化品試劑危險性掌握不夠，因此操作者在操作之前應熟悉實驗流程，熟悉使用的危化品的性質，同時掌握必要的風險評估方法，了解實驗過程中存在的風險。

(2) 提高實驗室操作人員的自我安全意識，在實驗時將生命安全放在第一位。在實驗前操作者要主動佩戴好防護用品，實驗過程中要注意力集中，如有身體不適要及早終止實驗；同時，自覺接受安全培訓教育，并在實驗時規范自己的行為。

(3) 嚴格執行實驗室安全管理規章制度，實驗室安全監管人員應加強巡邏，保證監管力度，堅決不允許無資質操作者進入實驗室，并嚴格執行實驗室安全準入制度，開展實驗室行為觀察，減少實驗過程中出現的不規范動作。

3.2 組織層面

(1) 改善實驗室環境。增加安全投入，并及時檢查更換老舊的儀器設備，保證儀表示值準確；同時，改善實驗室物理環境，保證實驗室溫度、濕度、照明等條件適宜操作者進行實驗。

(2) 完善實驗室安全教育體系。目前化工實驗室安全培訓形式單一，因此應在網絡教學的基礎上結合現場模擬教學，以提高實驗操作人員的學習效率；同時，應制定具有針對性的教學方案，重點確保化工實驗室操作人員掌握危險化學品的相關知識，提高實驗人員的專業操作技能與安全防護意識。

(3) 建立濃厚的安全文化氛圍，從“要我安全”轉變為“我要安全”。化工實驗室管理者可以通過張貼事故照片、分享事故案例、組織安全文化角等建設活動來增強實驗操作者的安全意識，從而更有效地規避習慣性違規。

3.3 優化實驗設計

(1) 降低反應物的危險性。在不影響實驗效果的前提下通過最小化與替代原則，減少實驗中反應物使用的量或者選用危險性較低的化學品參與反應，降低實驗后果嚴重性。

(2) 降低反應過程的危險性。反應過程中應盡量采用溫和的反應條件或者選用危化品危害最小的反應形態，并根據簡化原則盡量減少反應步驟以及所使用的設備。

(3) 選擇本質安全設計完好的設備。尤其對于危險性較高的實驗項目要選擇可靠性高且具有聯鎖保護裝置的設備，可在人因失誤時第一時間中斷反應，以避免事故發生。

4 實例驗證

本文以某科研院所化工實驗室高壓反應釜操作為例進行人因可靠性分析。該化工實驗室操作人員為博士學歷，工作時間超過一年；實驗室內環境良好，符合《科學實驗建筑設計規范》(JGJ 91—93)，反應釜于2013年投入使用。

首先對實驗過程按照實驗前準備、實驗過程、實驗結束劃分作業步驟；然后對每一步驟可能出現的人因失誤行為進行辨識；最后依據實驗室安全管理水平及PSFs水平確定原則計算各步驟人因失誤概率。反應釜操作規程中對每一項任務內容進行了詳細說明，可作為兩任務之間的信息提示，故不考慮任務之間的依賴性，該化工實驗室高壓反應釜操作人因可靠性分析結果見表6。

表6 某化工實驗室高壓反應釜操作人因可靠性分析結果

通過對該化工實驗室高壓反應釜操作進行人因可靠性分析，結果發現該化工實驗室操作人員最容易出現的人因失誤行為為超壓和超溫時決策失誤，一方面是由于反應過程中操作時間緊迫，同時面臨的事故后果嚴重，另一方面是由于組織管理缺陷，操作規程對溫度壓力異常時的應急操作指導作用欠佳；其次是填料裝料時操作人員未正確佩戴防護用品的可能性比較大，主要原因為實驗室未進行防護用品專項安全教育，導致操作人員不具備正確選擇防護用品的能力。此外，該化工實驗室無專(兼)職安全監管人員，由不具備安全相關專業知識的新入職員工代理職責。針對該化工實驗室現存不足提出的補充建議如表6第5列所示。

5 結論與建議

(1) 本文基于SPAR-H方法并結合化工實驗室特點對其進行了改進，明確了化工實驗室PSFs水平的確定標準，并結合ISM方法確定了不同認知失誤類型對應的影響因素，不僅能夠追溯人的不安全行為深層次原因，而且能夠簡化人因失誤概率的量化過程。

(2) 應用改進的SPAR-H方法對某科研院所化工實驗室反應釜操作進行人因可靠性分析，結果發現該化工實驗室操作人員最容易出現的人因失誤行為為超溫超壓時決策失誤與未佩戴正確的防護用品；此外，該化工實驗室還存在操作規程不完善、安全培訓內容較單一、無專業安全監管人員等管理缺陷，表明改進的SPAR-H方法能夠匹配化工實驗室操作人因可靠性分析場景。

(3) 目前未建立專門的實驗室人因失誤數據庫，所使用的基本數據來源于核電廠，直接應用于化工實驗室可能會造成結果出現偏差。因此，今后應加強化工實驗室操作人員的不安全行為相關統計工作，進一步完善化工實驗室人因失誤基本數據庫，從而提升人因失誤概率計算結果的準確性。