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 資源與土木工程學院，遼寧 沈陽 110819；2.遼寧省國有資產管理委員會，遼寧 沈陽 110032）

0 引言

隨著冶金有色工業(yè)的快速發(fā)展，作為重要基礎產業(yè)的冶金設備大型化趨勢越來越明顯。如果高溫熔融金屬、熔渣在冶煉、轉運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備損壞，對社會產生惡劣的影響[1-2]。據(jù)統(tǒng)計資料顯示，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)中的煉鋼生產為例，生產過程中高溫作業(yè)線很長，作業(yè)和設備種類多，生產過程中可能發(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)人員的操作培訓和崗位作業(yè)安全考評訓練提供參考和借鑒。

人員可靠性分析到現(xiàn)在已經發(fā)展成了兩代（HRA）方法，其中認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]，該方法依賴認知模型Contextual Control Model（COCOM），并強調情景環(huán)境對人的行為的重要影響[5]。

本文結合冶金行業(yè)高溫熔融金屬作業(yè)模式的特點，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)的安全可靠運行。

1 CREAM方法理論基礎

CREAM方法依賴完成任務時所處的環(huán)境，由任務環(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]。在大量的實踐基礎上，該方法中將任務環(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因子的評價結果，分別得到對可靠性影響效果改進、降低、不顯著的CPC數(shù)目之和，以∑降低為X軸，以∑改進為Y軸，由∑改進和∑降低確定該情境環(huán)境下人完成任務所處的認知控制模式，如圖1，在CREAM方法中認為每個CPC因子同樣重要，由于該方法起源于核工業(yè)領域，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)領域的生產作業(yè)特點[8]。因此對于不同的工作性質，CPC應該賦予不同的權重。

表1 失誤概率區(qū)間與對應的控制模式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)的人為可靠性計算

計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)特點提出適合的CPC評估細則。

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

步驟3：評估數(shù)據(jù)的獲取。對上文的CPC因子評估細則進行評分，根據(jù)專家評分和CPC因子權重得到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)進行模糊處理[9]。

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

2.1 CPC評估細則的確定

根據(jù)冶金企業(yè)特點，參照《國家安全監(jiān)管總局關于印發(fā)冶金企業(yè)（煉鐵煉鋼煤氣）安全生產標準化評定標準的通知》（安監(jiān)總管四〔2011〕110號）的要求，得到CPC因子評估細則，見表3。

2.2 權重確定方法

由于層次分析法AHP是一種主觀賦權法，引入基于統(tǒng)計數(shù)據(jù)的客觀賦權方法——熵值法對層次分析法的結果進行修正，熵值法就是利用指標的熵值來確定權重[10]。

2.2.1 AHP確定指標權重

采用專家打分的形式來評價CPC影響因子，向專家發(fā)放CPC影響因子打分表，邀請他們對其進行打分。根據(jù)打分結果，對同一層次指標兩兩比較，構造出判斷矩陣。然后進行一致性檢驗。各指標權重，見表4。

表3 CPC因子評估細則Tab.3 Evaluation form of the CPC

2.2.2 熵值法確定指標權重的步驟

（1）用熵值法的具體方法。

若評價指標數(shù)量為n項，方案m個，形成x=(xij)m×n的原始指標數(shù)據(jù)矩陣。

①各指標同度量化，計算第j項指標下第i方案指標值的比重Pij

②計算第j項指標的熵值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，ej取極大值，即：

設k=1/1nm，有0≤ej≤1

③計算第j項指標的差異性系數(shù)dj

這里定義差異性系數(shù)：dj=1-Ej（ 5）

④確定指標的權重μj

（2）極端值處理。

用熵值進行評價時，會遇到一些極端的數(shù)值，如指標值為負數(shù)（或是零），這時不能直接計算比重，也不能取對數(shù)，為保證數(shù)據(jù)的完整性又不能刪去，因此需要對該項指標數(shù)據(jù)進行變換處理，采用對各項指標值標準化的方法來處理[11]。見公式（7）。

其中，sij和 分別為第j項指標值的標準差和平均值，可將坐標平移來消除負值，X′=Xij+A （ 8）

（3）確定權重。

根據(jù)文獻[3,12-14]資料，總結事故原因數(shù)據(jù)，將事故原因放到CPC評估細則中考慮，根據(jù)熵值法的計算步驟，計算CPC評估因子指標權重，見表4。

2.2.3 AHP-熵值法綜合確定指標權重

根據(jù)上文步驟求各項指標權重，然后根據(jù)公式

（9）計算各指標綜合優(yōu)化權重：

式中：

ωi—指標綜合優(yōu)化權重；Fi—AHP方法計算的權重；Vi—為熵值法確定各指標的權重結果，見表4。

表4 指標權重表Tab.4 The weight of each CPC

2.3 CPC評估數(shù)據(jù)輸入

對任務環(huán)境的量化可以通過對CPC因子打分來實現(xiàn)，這里記為λcpci，1分對應于有改進作用，不顯著則對應為0，降低作用則對應于-1，通過計算λcpci的數(shù)值可確定對應的控制模式。如公式（10）所示：

根據(jù)表3的評估細則，選擇行業(yè)專家對9個CPC因子進行打分。為了優(yōu)化專家的打分結果，采用模糊邏輯對打分數(shù)據(jù)進行處理，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)間的分數(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的權重。其中λcpci見公式（9）。

因為有9個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，人因可靠性會因為任務環(huán)境的改善而相應的提高[4]。假設任務環(huán)境與人失誤概率之間存在著近似的對應關系，人失誤概率PHEP與可靠性影響指數(shù)R之間的關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，為一段時間發(fā)生人失誤概率的平均值，認為近似等于平均錯誤率，同時考慮到企業(yè)為三班倒，一般每天工作8小時，所以人的可靠性計算：

表5 每個CPC評估分數(shù)Tab.5 Marks of each CPC

3 實例應用

鋼鐵企業(yè)的轉爐冶煉作業(yè)工序有發(fā)生噴濺事故的危險。因此需要在轉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，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，要促進熔池升高溫度。以下的幾種情況都要及時降槍：在終點適時降槍，主要是為了避免終點碳的氧化速度猛增；爐役前期爐膛小，溫度又低，為了避免（TFe）含量過高，這時要注意及時降槍；補爐后要注意及時降槍，此外如果采用留渣操作，為了防止產生爆發(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（不按照標準化作業(yè)導致吹煉期間氧化性強鋼水中反應劇烈）造成噴濺事故?，F(xiàn)選取轉爐煉鋼過程中吹煉工序來計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?？蒲袑＜腋饕幻麑σ陨献鳂I(yè)過程涉及的CPC因素進行打分，見表5。同時考慮行業(yè)經驗（評審冶金企業(yè)的數(shù)量）、工作時間、技術職稱3方面因素得出4位專家的權重分別為（0.3 0.26 0.24 0.2），考慮專家權重后每個CPC最終得分見表5第6列。根據(jù)公式（11）確定9個CPC評估因子的隸屬度函數(shù)，如圖2。以圖2的每個CPC因子的隸屬度函數(shù)為基礎，將每個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CPC因子屬于相應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)術型控制模式。通過改善CPC因子對應的因素條件，人失誤概率還可以進一步降低。

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，細化了CPC因子的評估細則；將AHP和熵值法相結合來確定CPC因子的權重，利用模糊數(shù)學原理實現(xiàn)CPC 評估因子輸入的模糊化，優(yōu)化專家評分結果；推導出高溫熔融金屬作業(yè)人員失誤概率和可靠度計算公式。最后通過煉鋼冶煉作業(yè)的人員失誤概率和可靠性分析，驗證了模型的有效性和實際應用性。