戚　星， 陸　剛， 靳　波， 史德強(qiáng)， 郭其科， 陳振偉

(中國(guó)礦業(yè)大學(xué) 礦業(yè)工程學(xué)院，江蘇 徐州，221116)

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綜掘工作面人因失誤模型

戚星， 陸剛， 靳波， 史德強(qiáng)， 郭其科， 陳振偉

(中國(guó)礦業(yè)大學(xué) 礦業(yè)工程學(xué)院，江蘇 徐州，221116)

摘要：煤礦綜掘工作面是由人、機(jī)器設(shè)備和環(huán)境組成的復(fù)雜生產(chǎn)系統(tǒng)，其工作面環(huán)境條件易變、作業(yè)空間狹窄、視覺環(huán)境差等，對(duì)機(jī)器設(shè)備的可靠性，以及工人的作業(yè)效率及身心健康都有重要的影響。通過理論和實(shí)際調(diào)研的結(jié)合，在研究綜掘工作面人-機(jī)-環(huán)境關(guān)系的基礎(chǔ)上，借鑒統(tǒng)計(jì)理論，建立人因失誤模型，運(yùn)用參數(shù)估計(jì)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，量化人因失誤致因因子，求解人子系統(tǒng)的可靠性指標(biāo)，深入分析人因失誤行為發(fā)生的類型、行為因子。

關(guān)鍵詞：綜掘工作面； 人因失誤模型； 可靠性

綜掘工作面人-機(jī)-環(huán)境系統(tǒng)是相互作用和影響的復(fù)雜系統(tǒng)[1-4]，具有動(dòng)態(tài)反饋的制約作用，影響著系統(tǒng)的最優(yōu)性能。其工作面作業(yè)線就是集掘進(jìn)、運(yùn)煤、材料運(yùn)輸、巷道支護(hù)等于一體的生產(chǎn)線，具有較高的掘進(jìn)效率，能夠帶來可觀的經(jīng)濟(jì)效益。Huang等[5]根據(jù)人的失誤對(duì)人機(jī)系統(tǒng)正常功能的影響程度，將人的失誤歸結(jié)為危險(xiǎn)性人為失誤和隱藏性人為失誤?；糁厩诘萚6]系統(tǒng)分析了航空事故中人的不安全行為，將失誤分為感知失誤、記憶失誤、決策失誤和技能失誤4個(gè)類別，并通過實(shí)證研究表明人的因素干預(yù)矩陣對(duì)于指定安全建議具有良好的適用性。王永剛等[7]在對(duì)現(xiàn)有人因失誤理論模型和分類方法比較分析的基礎(chǔ)上，提出民航人因失誤分類框架，該框架為人因失誤的分析、數(shù)據(jù)收集等工作奠定基礎(chǔ)。綜上所述，國(guó)內(nèi)外學(xué)者多從事故安全的角度研究人-機(jī)-環(huán)境系統(tǒng)，但是對(duì)于系統(tǒng)內(nèi)人因失誤因子的分析以定性分析為主，存在著主觀局限性，且子系統(tǒng)與系統(tǒng)整體性能的影響關(guān)系不明確，有著系統(tǒng)整體性能提升時(shí)子系統(tǒng)因素實(shí)施措施定量化不足的局限性。因此，本文分析綜掘工作面的影響因素，構(gòu)建綜掘工作面人-機(jī)-環(huán)境系統(tǒng)，建立人因失誤致因模型，為企業(yè)提高系統(tǒng)可靠性的提升提出了參考措施，并定量化分析其可靠度，有助于提升系統(tǒng)整體性能。

1綜掘工作面人因失誤類型及致因分析

人因失誤，基于不同的著眼點(diǎn)，有著廣泛的定義[8-12]。一般情況下認(rèn)為，人因失誤是指在系統(tǒng)的運(yùn)行過程中，人的作業(yè)出現(xiàn)錯(cuò)誤，引起對(duì)設(shè)定的目標(biāo)未能完成。顯而易見的是，系統(tǒng)的非正常狀態(tài)下運(yùn)行，必定是某些方面超出了人的能力限度閾值，但并不是所有的人因失誤都會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)的錯(cuò)誤，故討論產(chǎn)生不良后果或者事故的人因失誤。

在實(shí)際的生產(chǎn)過程中，由于人的主觀能動(dòng)性，人因失誤會(huì)有不同的表現(xiàn)形式，依據(jù)不同的出發(fā)點(diǎn)，人因失誤的分類就會(huì)有多種，如表1所示。

表1　人因失誤分類

綜掘工作面生產(chǎn)系統(tǒng)是一個(gè)相互制約的人-機(jī)-環(huán)境系統(tǒng)，依據(jù)系統(tǒng)工程理論，對(duì)大量人因失誤事故實(shí)例進(jìn)行的分析，可以看出，人因失誤行為形成的原因[13-16]主要集中于兩方面，一方面是人自身的特征原因；另一方面是外部環(huán)境作用，如表2所示。

在研究綜掘工作面人-機(jī)-環(huán)境關(guān)系的基礎(chǔ)上，分析人因失誤行為發(fā)生的類型、行為因子等，結(jié)合系統(tǒng)工程原理，綜掘工作面人機(jī)環(huán)境系統(tǒng)中的人子系統(tǒng)是一個(gè)層次間從上至下有支配關(guān)系的結(jié)構(gòu)系統(tǒng)，人因失誤因素的遞階結(jié)構(gòu)如圖1所示。

表2　人因失誤形成致因分析

圖1　人因失誤因素遞階結(jié)構(gòu)

在該層次結(jié)構(gòu)中，按屬性的不同，人因失誤致因因素被劃分為不同的層次，上一層次對(duì)相鄰的下一層次或者某些因素有著支配的作用，同一層次的因素之間不存在支配關(guān)系，形成了人因失誤因素遞階結(jié)構(gòu)。遞階結(jié)構(gòu)的構(gòu)造，使得人因失誤致因因素的分析更加清晰。

2人因失誤模型的建立與求解

2.1人因失誤的參數(shù)估計(jì)

人因失誤依據(jù)不同工種，可劃分為m個(gè)部件單元，其故障模式為Mi(i=1,2,…,m)，其損害等級(jí)由輕度至重度，用Gj(j=1,2,3,4)表示，共劃分為1、3、6、9四個(gè)等級(jí)；人因失誤類型依據(jù)人因失誤類型分類表，用Uk(k=1,2,3,4)表示，劃分為4個(gè)等級(jí)(錯(cuò)覺失誤、技術(shù)失誤、狀態(tài)失誤、管理失誤)。人因失誤數(shù)據(jù)估計(jì)可以用式(1)表示。

(1)

人因失誤的參數(shù)數(shù)據(jù)，擁有較多的信息。為合理分析人因失誤，首先收集其參數(shù)數(shù)據(jù)，在分析可靠性的同時(shí)，說明人因失誤發(fā)生的運(yùn)行機(jī)制，提供有效的數(shù)據(jù)支撐。

2.2人因失誤參數(shù)的計(jì)算

(2)

(3)

單元ai的故障率為

密度函數(shù)為

f(t)=βie-βi·t。

把單元ai維修時(shí)間分為k組，每組間隔Δtmin，組距中位數(shù)的倒數(shù)ti和單元修復(fù)率的倒數(shù)δ分別為

(4)

(5)

單元ai的修復(fù)率為

密度函數(shù)為

φ(t)=μie-μi·t。

2.3人因失誤修正度

人在發(fā)生失誤的時(shí)候，可能會(huì)發(fā)現(xiàn)并進(jìn)行糾正，即有糾錯(cuò)能力。定義人因失誤修正度函數(shù)為C(t)=p{t時(shí)間內(nèi)人因失誤的修正}，未能修正的函數(shù)為

(6)

其中，N為在時(shí)間t內(nèi)未完成改正的次數(shù)。

(7)

(8)

單元ai修正時(shí)間服從負(fù)指數(shù)分布，則人因失誤的修正度

(9)

其中，μi=Cri(t)為修正率函數(shù)。

2.4人子系統(tǒng)有效度

人子系統(tǒng)中，功能單元處于故障狀態(tài)或者正常運(yùn)行的狀態(tài)，顯而易見的是，狀態(tài)間的轉(zhuǎn)換依賴于人因失誤的修正度。系統(tǒng)經(jīng)過長(zhǎng)時(shí)間的運(yùn)行后，處于正常狀態(tài)的有效度為

(10)

2.5人因失誤致因因子的量化

人的可靠性(HRA)研究中，Swain A D提出了人的行為形成主因子(KPSFs)概念，是指人機(jī)系統(tǒng)中，影響人正常作業(yè)的一些因素，受到多重因素的制約，包括人自身能力、狀態(tài)以及作業(yè)環(huán)境等。

選擇相關(guān)的作業(yè)人員共p名，給定評(píng)價(jià)指標(biāo)的最小值為1，最大值為10，然后對(duì)人行為形成因子的指標(biāo)xij(i=1,2,…,p;j=1,2,…,q)進(jìn)行評(píng)價(jià)，得到

(11)

特征值為

(12)

特征矩陣為

(13)

針對(duì)綜掘工作面人因失誤特點(diǎn)，人因失誤引起的系統(tǒng)故障百分比ω，可以看成是行為形成主因子的失誤概率F，則

R=P(1-F)≈P(1-ω)，

(14)

(15)

其中，P為行為形成主因子的度量值;R為人的可靠度。

2.6人因失誤模糊分析

對(duì)于影響人因失誤參數(shù)的系統(tǒng)狀態(tài)，應(yīng)用模糊語言描述系統(tǒng)工作狀態(tài)，以判別系統(tǒng)狀態(tài)，進(jìn)而較為準(zhǔn)確地記錄與分析工人的行為數(shù)據(jù)。因?yàn)槿嗽谙到y(tǒng)內(nèi)進(jìn)行作業(yè)行為時(shí)，不僅受到作業(yè)任務(wù)的支配，也受到自身個(gè)體內(nèi)在因素的影響，只有較為貼切地描述了系統(tǒng)的狀態(tài)，才能分析人在這個(gè)狀態(tài)上的作業(yè)行為。

設(shè)可靠度R到模糊語言值X之間的映射關(guān)系為X={極可靠、很可靠、可靠、較可靠、臨界可靠、較不可靠、不可靠、很不可靠、極不可靠}，取常數(shù)y=0.6得9個(gè)模糊子集的隸屬函數(shù)。

(16)

(17)

(18)

(19)

(20)

(21)

(22)

(23)

(24)

3案例分析

本文以河南永城煤電集團(tuán)有限責(zé)任公司城郊煤礦二十輔助采區(qū)掘進(jìn)巷道為研究對(duì)象，該掘進(jìn)巷道為城郊煤礦二十輔助采區(qū)軌道巷外段，主要擔(dān)任二十輔助采區(qū)采掘工作面通風(fēng)及運(yùn)輸任務(wù)，該巷道南側(cè)為西翼行人暗斜井下平巷(已掘)，其余均為未采區(qū)。設(shè)計(jì)總工程量為782.708 m(平距)， 在20FG8點(diǎn)前67.5 m位置沿8°方位角按+3‰施工至二十輔助采區(qū)軌道巷里段開始位置。本掘進(jìn)工作面自2014年10月30日開工，預(yù)計(jì)2015年5月30日竣工。

3.1數(shù)據(jù)收集與統(tǒng)計(jì)

巷道施工采用“邊掘邊擴(kuò)”的方式施工，施工工藝流程如圖2所示。

采用掘進(jìn)機(jī)配合人工使用風(fēng)鎬、手鎬開挖施工，詳細(xì)設(shè)備及工具具體配備情況見表3所示。

圖2施工工藝流程

Fig.2Construction technology process

表3　綜掘工作面機(jī)器設(shè)備配備

對(duì)巷道進(jìn)行實(shí)地調(diào)研，結(jié)合生產(chǎn)日志的數(shù)據(jù)，對(duì)收集到的人因失誤故障數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)歸類，如表4所示。

表4　人因失誤故障統(tǒng)計(jì)

3.2人因失誤計(jì)算結(jié)果與分析

從實(shí)例中分析可知，結(jié)合人因失誤數(shù)據(jù)估計(jì)公式，對(duì)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算，得到人因失誤故障停機(jī)率占總故障停機(jī)率為11.8%，人子系統(tǒng)的可靠度為0.931 8，有效度為0.954，修正度為0.145 2，隸屬度為0.89(0.95)，屬于極好的工作狀態(tài)。這說明該系統(tǒng)實(shí)際測(cè)得的可靠度真實(shí)有效，符合實(shí)際的生產(chǎn)過程。人因失誤在影響系統(tǒng)正常生產(chǎn)運(yùn)行中，有著較為重要的作用。由此可得，提高人的自身技能素質(zhì)、適應(yīng)環(huán)境的抗壓能力、應(yīng)急情況預(yù)處理與決策能力是提高系統(tǒng)可靠性的有效保障。

4結(jié)論

對(duì)煤礦綜掘工作面的人子系統(tǒng)進(jìn)行分析，分析了其系統(tǒng)層次結(jié)構(gòu)構(gòu)成，清晰展現(xiàn)了人因失誤因素。從統(tǒng)計(jì)分析的角度出發(fā)，結(jié)合系統(tǒng)可靠性原理，以系統(tǒng)單元故障分析人因失誤的參數(shù)，闡述人因失誤的修正度、人因失誤的有效度等內(nèi)容，針對(duì)人因失誤的行為形成因子，進(jìn)行量化分析，辨識(shí)出人因失誤致因因子。運(yùn)用模糊算法定量化分析系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)，分析系統(tǒng)可靠度，建立了人因失誤模型，并通過實(shí)際案例進(jìn)行了驗(yàn)證分析，指出了人子系統(tǒng)的可靠性指標(biāo)等內(nèi)容。實(shí)證結(jié)果證明該方法應(yīng)用的可靠性，并且可以提高人因可靠性在煤礦井下生產(chǎn)應(yīng)用的準(zhǔn)確性。以綜掘工作面為基礎(chǔ)的人因失誤計(jì)算對(duì)系統(tǒng)的正常運(yùn)行有著重要的作用，為提高系統(tǒng)可靠性提出了有效的改善方法。

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Human Error Model of Fully-mechanized-heading Face

QI Xing , LU Gang , JIN Bo，SHI Deqiang，GUO Qike，CHEN Zhenwei

(School of Mines China University of Mining and Technology，Xuzhou 221116，China)

Abstract：The man-machine environment of fully-mechanized-heading face is a complex system which?is composed of people, machinery, equipment and environment. Its various working environments, with narrow operation space and poor visual condition, has important influence on the reliability of the machinery and equipment, as well as on the efficiency of the workers and their physical and mental health. Through the combination of theory and practice research, the research on the relationship of digging work face with machine and environment, and with the statistical theory for reference, a human error model is established. Using the statistical analysis of parameter estimation, human error factors are quantitatively analysed, solving the reliability index of the subsystems, and analysing the type of behavior and behavior factors causing human errors.

Key words：fully-mechanized-heading face; human error factor model; reliability index system

收稿日期：2015- 11- 14

基金項(xiàng)目：中央高校基本科研業(yè)務(wù)費(fèi)專項(xiàng)資助項(xiàng)目(2010QNA34)

作者簡(jiǎn)介：戚星(1992-)，江蘇省人，碩士研究生，主要研究方向?yàn)楣I(yè)工程、礦井人機(jī)可靠性、人因工程.

doi:10.3969/j.issn.1007- 7375.2016.03.018

中圖分類號(hào)：TD421.8

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號(hào)：1007-7375(2016)03- 0109- 06