航天測試發(fā)射操作中的人因失誤分析

馬昕暉， 姜 曙， 崔村燕， 尚 晨， 徐慧敏(. 裝備學(xué)院 航天裝備系, 北京 046； . 裝備學(xué)院 研究生管理大隊, 北京 046； . 998部隊)

航天測試發(fā)射操作中的人因失誤分析

馬昕暉1， 姜 曙2， 崔村燕1， 尚 晨3， 徐慧敏2
(1. 裝備學(xué)院 航天裝備系, 北京 101416； 2. 裝備學(xué)院 研究生管理大隊, 北京 101416； 3. 92198部隊)

對航天測試發(fā)射操作中人因失誤問題進行了研究。分析了航天測試發(fā)射操作人因失誤的特點，即人因失誤會隨著測試發(fā)射階段和崗位的不同而出現(xiàn)差異，并且危害性大；建立了測試發(fā)射操作的技能-規(guī)則-知識(SRK)人員認知模型，提出了確定人員認知模式的方法，并引入人員認知可靠性(HCR)方法計算人因失誤概率。以航天發(fā)射場某次任務(wù)低溫加注階段的一次人因失誤為實例，應(yīng)用SRK模型確定了該操作人員的認知方式為知識型，使用HCR方法計算了該操作員的失誤概率，并驗證了計算結(jié)果的正確性。

航天測試發(fā)射操作；人因失誤；技能-規(guī)則-知識；人員認知可靠性；低溫加注

在航天測試發(fā)射操作過程中，參與的設(shè)備復(fù)雜、人員數(shù)量多、人員操作崗位多，在此過程中難免出現(xiàn)人員失誤而對航天發(fā)射任務(wù)造成影響，同時，由于航天測試發(fā)射操作設(shè)備可靠性水平的不斷提高，人因失誤產(chǎn)生的后果將進一步凸顯。目前，國內(nèi)外關(guān)于人因可靠性的研究主要集中在核、艦船、航空等領(lǐng)域，在國內(nèi)航天領(lǐng)域，可查閱到關(guān)于發(fā)射場人因可靠性研究的文獻資料較少。本文結(jié)合航天發(fā)射場實際情況，總結(jié)航天測試發(fā)射人員操作特點，建立基于SRK的航天測試發(fā)射操作人員認知模型，運用HCR方法對航天發(fā)射場低溫加注系統(tǒng)人因失誤概率進行預(yù)測，為我國航天發(fā)射場開展人因可靠性分析提供參考。

1 航天測試發(fā)射操作人因失誤特點分析

1.1 不同測試發(fā)射操作階段發(fā)生人因失誤的概率不同

據(jù)統(tǒng)計，在執(zhí)行某項發(fā)射任務(wù)時，在控制系統(tǒng)測試發(fā)射操作過程中出現(xiàn)人因失誤總計70個(處)，其中，狀態(tài)準備操作階段53個(處)，數(shù)據(jù)判讀階段10個(處)，測試階段7個(處)。顯然，狀態(tài)準備階段是發(fā)生人因失誤的高峰期，近76%的人因失誤都集中在這一階段。究其原因，是在狀態(tài)準備階段操作動作比較多，不僅有安裝儀器、連接電纜、設(shè)置狀態(tài)等諸多動作，而且時間緊，多系統(tǒng)并行操作。而數(shù)據(jù)判讀和測試階段操作動作較少，發(fā)生人因失誤也相對少。

1.2 不同崗位發(fā)生人因失誤的比例不同

在狀態(tài)準備階段和數(shù)據(jù)判讀階段，箭上崗位比地面崗位更容易發(fā)生人因失誤；而在測試階段，地面崗位的失誤概率反超箭上崗位。這是由發(fā)射場現(xiàn)有的測試發(fā)射模式所決定的：在狀態(tài)準備階段，箭上崗位要依據(jù)不同測試項目，連接大量不同的電纜插頭或是檢查狀態(tài)，而地面崗位在連好插頭之后狀態(tài)變動較小；在測試階段，箭上崗位操作很少，地面崗位卻要進行加斷電、指令發(fā)送、裝訂程序等諸多操作；在數(shù)據(jù)判讀階段，箭上崗位負責(zé)大部分的數(shù)據(jù)判讀，更容易發(fā)生人因失誤。

1.3 人因失誤產(chǎn)生的危害大

航天發(fā)射任務(wù)是一項組織嚴密、容不得半點差錯的活動，特別是在危害后果大的測試操作中，例如火箭的吊裝和低溫加注過程中，人員操作稍有疏忽或開關(guān)閥門錯誤，就會造成箭體損毀或箭毀人亡的嚴重后果。1981年8月3日，由于推進劑加注人員失誤，導(dǎo)致德爾塔火箭少加了118 kg燃料，最終造成2顆衛(wèi)星未能進入預(yù)訂的軌道[1]34；1990年2月22日，由于一名工作人員將一塊擦拭布遺忘在一級發(fā)動機的水循環(huán)系統(tǒng)中，導(dǎo)致阿里安運載火箭發(fā)生爆炸[1]105。

2 航天測試發(fā)射操作人因可靠性研究

2.1 航天測試發(fā)射操作人因可靠性研究思路

通常情況下，開展人因可靠性分析(Human Reliability Analysis, HRA)需要經(jīng)過人員認知行為研究、情景環(huán)境分析、人因失誤概率計算和人因失誤預(yù)防與控制這4個關(guān)鍵環(huán)節(jié)。筆者圍繞航天測試發(fā)射操作人因失誤，提出航天測試發(fā)射操作人因可靠性研究思路：首先，建立航天測試發(fā)射操作SRK認知模型，并運用Hanaman決策樹確定操作人員的認知行為模式；隨后，在確定了操作人員的認知模式基礎(chǔ)之上，運用HCR方法計算人因失誤概率，并依據(jù)計算結(jié)果提出相應(yīng)的人因失誤預(yù)防與控制措施。

2.2 航天測試發(fā)射操作SRK認知模型

建立認知行為模型是HRA的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，是HRA的心理學(xué)基礎(chǔ)部分，也是人因失誤的內(nèi)在原因[2]。研究人員認知行為，有助于從理論上解釋人因失誤的產(chǎn)生與發(fā)展過程，可為后續(xù)展開人因可靠性定量分析提供理論支持，故建立人員認知行為模型對航天測試發(fā)射操作HRA尤為重要。

圖1 基于SRK的航天測試發(fā)射操作人員認知模型

技能-規(guī)則-知識(SRK)模型由Rasmussen于1986年提出，該模型將人的認知行為分為技能型、規(guī)則型和知識型模式[3]。目前，SRK模型已受到研究人員的廣泛歡迎，被引入到人因可靠性定量計算中：Hanaman在人員認知可靠性方法中引入該模型，得出了3種認知行為下的人因失誤概率；Sun等利用該模型，提出運用工程化思想的方法計算人因失誤概率計算[4]；Saurin利用該模型，對一線工作人員的人因失誤模式進行了分類[5]。

結(jié)合SRK認知模型，同時針對航天測試發(fā)射操作特點，建立如圖1所示的航天測試發(fā)射操作SRK認知模型。圖中，處于技能型認知模式的人員一般具有豐富的工作經(jīng)驗，對測試發(fā)射操作情況非常熟悉，可以熟練地完成測試發(fā)射操作；處于規(guī)則型認知模式的人員工作經(jīng)驗較為豐富，但在執(zhí)行測試發(fā)射操作動作時，往往需要借助操作規(guī)程；處于知識型認知模式的人員一般經(jīng)驗較少，但知識量豐富，此類人員一般不執(zhí)行具體的操作動作，往往在面臨復(fù)雜、緊急情況時，做出決策。

2.3 航天測試發(fā)射操作認知行為模式確定方法

前文建立了航天測試發(fā)射操作中人員的認知模型，下一步就要確定人員的認知行為模式。本節(jié)將通過Hanaman決策樹，確定在航天測試發(fā)射操作SRK模型下的認知行為模式。Hanaman決策樹是由Hanaman提出來的一種認知行為確定方法，結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 Hanaman決策樹結(jié)構(gòu)

結(jié)合航天測試發(fā)射操作特點，表1給出了航天測試發(fā)射操作中Hanaman決策樹中各因素分支的含義。只要根據(jù)人員對應(yīng)6個因素(決策樹下端)的狀態(tài)，就可以得到人員所屬的認知行為模式。

表1 航天測試發(fā)射操作Hanaman決策樹中各因素分支含義

對于不同的情景環(huán)境，Hanaman決策樹中6種因素的狀態(tài)也不同，即既有“下支”，也有“上支”， 例如，對于測試發(fā)射操作類型因素，既有非常規(guī)(下支)，又有常規(guī)(上支)。首先要確定6種因素所屬分支；確定了分支的類型(上支或下支)后，還需考慮每個分支對應(yīng)項目的輕重程度。由于目前國內(nèi)航天領(lǐng)域人因可靠性分析還處于初步研究階段，發(fā)射場人因數(shù)據(jù)相對較為匱乏，但可以通過專家概率評價的方式來獲取所需人因數(shù)據(jù)。確定人員認知行為模式的具體步驟如下：第一步，選擇航天領(lǐng)域?qū)＜胰舾擅?，一般為了使評價效果更好，至少選擇5名專家[6]。每個專家根據(jù)自身的知識和經(jīng)驗，給出表1中6種因素2個分支的概率，其基本形式為：

行為模式?jīng)Q定因素概率(上支，下支)=(P1，P2)，其中P1+P2=1；

第二步，考慮到5名專家在知識、經(jīng)驗上的差異，為每個專家設(shè)置權(quán)重qi(i=1,2,…,m)，定義權(quán)重列向量

第三步，專家i對因素j的概率評價為：

式中，i=1,2,…m,j=1,2,…n，n為Hanaman決策樹中因素個數(shù)，則有決定因素j的概率行向量：

第四步，通過加權(quán)平均求得行為模式因素j的最終狀態(tài)：

(1)

第五步，將各行為模式因素的最終狀態(tài)從左到右依次代入決策樹中，可得到人員所屬的行為模式，Hanaman決策樹末端9個輸出的概率分別為：

(2)

從而得到3種認知行為模式的概率分別為：

Pskill=Pa+Pb+Pe

Prule=Pc+Pd+Pf

Pknowledge=Pg+Ph+Pi

(3)

即人員的認知行為模式概率(技能型，規(guī)則型，知識型)=(Pskill,Prule,Pknowledge)。

2.4 航天測試發(fā)射操作人因失誤概率計算

在核電領(lǐng)域，計算人因失誤概率的方法有很多種，具有代表性的是THERP[7](TechniqueforHumanErrorRatePrediction)方法和HEART[8](HumanErrorAssessmentandReductionTechnique)方法。這2種方法在核領(lǐng)域得到了很好的應(yīng)用，但卻不能直接移植到航天領(lǐng)域,主要是因為：(1)核電領(lǐng)域人員操作主要集中在一系列的操作動作，動作之間的間隔時間相對較短，這與THERP建立事件樹的思路相符，而航天測試發(fā)射操作動作與動作之間間隔時間較長，動作與動作之間具有一定的獨立性；(2)HEART方法中的行為形成因子權(quán)重數(shù)據(jù)庫來自核領(lǐng)域，不適合航天測試發(fā)射操作中的失誤概率計算。基于前文建立的航天測試發(fā)射操作SRK認知模型，以及航天發(fā)射任務(wù)對時間要求較高這一特點，本文選擇HCR方法計算航天測試發(fā)射操作中的人因失誤概率。

圖3 液氧加注系統(tǒng)流程

HCR方法主要用于計算依賴于時間任務(wù)的人因失誤概率，認為操作人員失誤的概率服從Weibull分布[9]，并由下列公式得出失誤概率：

p(t)=exp{-[(t/T0.5-γ)/α]}β

(4)

(5)

式中：t為允許操作員響應(yīng)的時間；T0.5為操作員實際響應(yīng)時間；T0.5，n為操作員在平時操作時的平均響應(yīng)時間；k1為操作員的經(jīng)驗；k2為操作員面臨的壓力；k3為人機界面交互程度；α,β,γ分別為在技能型、規(guī)則型、知識型操作動作下的參數(shù)。各參數(shù)取值如表2、表3所示。

表2 α,β,γ取值[10]11

在計算人因失誤概率時，首先設(shè)定允許操作員響應(yīng)的時間t，并確定操作員的平均響應(yīng)時間，確定T0.5,n的值；其次通過實地調(diào)查，確定k1,k2,k3的值；最后通過2.3節(jié)內(nèi)容，確定人員認知行為方式，確定α,β,λ的值。將各參數(shù)取值代入式(4)和式(5)中，得到人因失誤概率。

表3 k1,k2,k3取值[10]12

3 實例分析

以某航天發(fā)射場在1998年執(zhí)行某發(fā)射任務(wù)低溫加注階段出現(xiàn)人因失誤為例，進行人員認知行為分析和失誤概率計算。

3.1 人因失誤描述

液氧加注在發(fā)射前7 h開始加注，加注過程為：預(yù)冷、大流量加注、停止加注、液氧排放、預(yù)冷前補加、發(fā)動機預(yù)冷、射前補加、排空脫落等工序[11]。液氧加注系統(tǒng)如圖3所示。在液氧加注階段，泵在等待大流量加注命令時，泵溫度升高，并且實際溫度已經(jīng)升至102 K。按照規(guī)定泵在啟動時，溫度應(yīng)不大于95 K，為了防止安全事故發(fā)生，操作員打開24#閥排掉泵腔內(nèi)熱氧，使泵溫度下降至95 K以下，而后再啟動泵。但在泵溫度降至95 K后，由于操作員忘記關(guān)閉24#閥，導(dǎo)致液氧大量流入氧排管路。雖然由于現(xiàn)場人員處理及時得當沒有影響加注和發(fā)射任務(wù)，但應(yīng)當對此任務(wù)中出現(xiàn)的人因失誤加以警惕、避免。

經(jīng)調(diào)查了解，在此次加注任務(wù)中，擔任操作手的是一名具有5年工作經(jīng)驗的士官，學(xué)歷層次為大專畢業(yè)，并且在平時的演練操作中，都能夠按照操作規(guī)程進行操作，但在此次操作中，該操作手出現(xiàn)了人因失誤中的遺忘失誤。

3.2 人員認知行為模式確定

為了確定該操作手的認知行為模式，選取5名航天領(lǐng)域?qū)＜疫M行概率評價，專家情況如表4所示。

根據(jù)專家的知識和經(jīng)驗水平，設(shè)置5名專家權(quán)重向量為Q= [0.3 0.2 0.2 0.15 0.15]，5名專家按照表1中所列項目進行打分，專家打分情況如表5所示。

表4 專家情況簡介表

表5 專家打分情況表

將專家概率評價數(shù)據(jù)按照式(1)進行加權(quán)平均，分別得到6種狀態(tài)2個分支的取值，并將結(jié)果代入到式(2)、式(3)中，得到操作員的3種認知行為模式概率分別為：(技能型，規(guī)則型，知識型)=(0.227 2，0.147 1，0.625 7)?？梢?，該加注系統(tǒng)操作員以22.72%的概率處于技能型認知行為模式，以14.71%的概率處于規(guī)則型認知行為模式，以62.57%的概率處于知識型認知行為模式。為了方便隨后的人因失誤概率計算，這里將操作員的認知行為模式定為三者中概率最高的“知識型”。

3.3 人因失誤概率計算

在確定了操作員的認知行為模式后，就可以運用HCR方法計算人因失誤概率。

經(jīng)查閱發(fā)射場資料，從操作員打開24#閥到溫度降至95 K所用平均時間約為59 min；允許操作員響應(yīng)的時間約為55 min；操作員經(jīng)過專門的培訓(xùn)，k1取-0.22；操作員面臨可能出現(xiàn)的緊急情況，k2取0.28；由于采取數(shù)字化顯示，認為人機界面非常好，k3取-0.22。將以上參數(shù)代入式(4)和式(5)，可得操作員忘記及時關(guān)掉閥門的概率為0.405 0。SHARP(SystematicHumanActionReliabilityProcedure)方法給出了3種認知行為模式所對應(yīng)的人因失誤概率范圍，如表6所示[12]。

表6 SHARP方法中的人因失誤概率范圍

本文計算的人因失誤概率0.405 0落在SHARP方法給出的知識型認知行為模式失誤概率區(qū)間，證明了該方法計算的正確性。

發(fā)射場設(shè)施設(shè)備的失效概率集中在1×10-5左右，而人因失誤的概率主要集中在1×10-5～1×10-1，可見人因失誤概率要大于設(shè)施設(shè)備的失效概率，故有必要開展人因可靠性研究。一般來說，在測試發(fā)射操作中能夠接受的人因失誤概率應(yīng)小于1×10-4，本例中計算出來的人員失誤概率達到了40.50%，這是航天發(fā)射任務(wù)所不能接受的，發(fā)射場管理人員應(yīng)把此作為重點，采取必要措施減小失誤概率。

4 結(jié) 束 語

開展人因可靠性分析是減少人因失誤的重要途徑，但其在我國航天發(fā)射場還缺乏研究和應(yīng)用。文章的分析、計算結(jié)果為后續(xù)開展測試發(fā)射操作人因失誤風(fēng)險評估和預(yù)防控制奠定了基礎(chǔ)。文章的研究思路可為我國航天發(fā)射場其他系統(tǒng)開展人因可靠性分析提供方法。但由于缺乏對人因失誤的重視，目前發(fā)射場積累的人因數(shù)據(jù)較為匱乏，隨著發(fā)射場人因數(shù)據(jù)的不斷積累和豐富，人因可靠性分析的精確度會進一步提升，人因失誤預(yù)防與控制的措施也會更加具體，這對減小發(fā)射場測試發(fā)射操作人員失誤概率，提高其可靠性水平，保證發(fā)射任務(wù)的順利完成具有重要意義。

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(編輯：李江濤)

Human Error Analysis of Space Test and Launch Operation

MA Xinhui1， JIANG Shu2， CUI Cunyan1， SHANG Chen3， XU Huimin2

(1. Department of Space Equipment, Equipment Academy, Beijing 101416, China；2. Department of Graduate Management, Equipment Academy, Beijing 101416, China； 3. 92198 Troops, China)

This paper is studies the human errors in the space test and launch operation. It analyzes the characteristics of human errors in the space test and launch operation, and draws a conclusion that the human errors vary with different test and launch phases and human positions and cause serious harmfulness. Based on this, the paper establishes a skill-rule-knowledge (SRK) human cognitive model for the test and launch operation, proposes a method to determine the human cognitive model and introduces a human cognitive reliability (HCR) method to calculate the human error probability. For a human error in the low temperature filling stage of a mission in the space launch site, this paper determines with SRK model the cognitive pattern of the involved operator as knowledge type, calculates the error probability of this operator with HCR method and verifies the correctness of the calculation result.

space test and launch operation; human error; skill-rule-knowledge(SRK); human cognitive reliability(HCR); low temperature filling

2016-10-26

馬昕暉(1969—)，女，教授，碩士生導(dǎo)師，主要研究方向為航天發(fā)射總體理論與技術(shù)。mxh5821@163.com