Надёжность работы и ошибки человека

Лекция 7

Надежность человеческого фактора в системе функционирования строительных конструкций

Как известно, технологические объекты, в которых транспортируются и хранятся в большом количестве огнеопасные и взрывоопасные продукты могут функционировать в заданном безопасном для окружающей среды технологическом режиме только благодаря наличию такого основного звена, как человек. Тем не менее, в ранних работах по надежности функционирования этих ответственных инженерных сооружений основное внимание уделялось исключительно конструктивной надежности основного и вспомогательного технологического обору­дования, и совсем не учитывалась надежность человека как элемента систе­мы. На недопустимость подобного положения при эксплуатации сложных технических систем указал в 50-х годах Вильямс [19], который отметил, что анализ надежности реальных систем должен обя­зательно включать и человеческий фактор.

Согласно данным работы [18], примерно 20 - 30% отказов прямо или косвенно связаны с ошибками человека; по данным работы [17], 10 - 15% всех отказов непосредственно связаны с ошибками человека. Поэтому есте­ственно, что отказы оборудования, вызываемые ошибками человека, и их влияние на надежность газонефтепроводов и хранилищ в настоящее время чрезвычайно актуальны и находятся в поле зрения исследователей.

Надёжность работы и ошибки человека

Надежность работы человека определяется как вероятность успешного выполнения им работы или поставленной задачи на заданном этапе функционирования системы в течение заданного интервала времени при определенных требованиях к продол­жительности выполнения работы.

Ошибка человека определяется как невыполнение по­ставленной задачи (или выполнение запрещенного действия), которое может явиться причиной повреждения оборудования или имущества либо нарушения нормального хода запланированных операций.

В реальных условиях в большинстве систем, в том числе системе снабжения потребителей нефтью, нефтепродуктами и углеводородными газами, независимо от степени их автоматизации требуется в той или иной мере участие человека.

Но совершенно очевидно, что там, где работает чело­век, появляются ошибки. Число их напрямую зависит от уровня подготовки, квалификации или опыта специалиста. Поэтому прогнозирование конструктивной надежности без учета надежности работы че­ловека не может дать истинной картины эксплуатационной надёжности системы.

Соотношение между качеством работы человека и действую­щими нагрузками отображено на рис. 4.4.

Рис.4.4. Гипотетическая зависимость эффективности работы человека от действующей нагрузки

Оно показывает, что зависимость частоты появления ошибок от действующих нагру­зок является нелинейной. При очень низком уровне нагрузок большинство операторов работают неэффективно (так как за­дание кажется скучным и не вызывает интереса) и качество работы далеко от оптимального. При умеренных нагрузках ка­чество работы оператора оказывается оптимальным, и поэтому умеренную нагрузку можно рассматривать как достаточное ус­ловие обеспечения внимательной работы человека-оператора.

При дальнейшем увеличении нагрузок качество работы челове­ка начинает ухудшаться, что объясняется главным образом та­кими видами физиологического стресса, как страх, беспокойст­во, неуверенность в своих действиях и т. п. Из рис. 4.4 следует, что при самом высоком уровне нагрузок надежность работы человека достигает минимального значения.

Ошибки по вине человека могут возникнуть в тех случаях, когда:

· оператор или какое-либо лицо стремится к достиже­нию ошибочной цели;

· поставленная цель не может быть до­стигнута из-за неправильных действий оператора;

· оператор бездействует в тот момент, когда его участие необходимо.

Ошибки человека можно распределить по трем уровням (рис. 4.5), и на каждом уровне возможно предупреждение оши­бок.

Рис. 4.5. Категории ошибок человека.

Например, на уровне 1 можно предотвратить ошибки чело­века; на уровне 2 можно избежать нежелательных последствий ошибок, корректируя неправильное функционирование системы вследствие ошибок, внесенных по вине человека; на уровне 3 можно исключить повторное возникновение тех или иных ситуаций, приводящих к ошибкам человека.

Среди основных причин ошибок человека можно выделить такие, как

· неудовлетворительная подготовка или низкая квалифика­ция обслуживающего персонала, когда операторы или специа­листы по техническому обслуживанию технологических объектов ГНС недостаточно подготов­лены к выполнению поставленной задачи и не имеют знаний и практических навыков по данной специальности;

· следование обслуживающего персонала неудовлетвори­тельным процедурам технического обслуживания или эксплуата­ции;

· плохие условия работы, связанные, например, с плохой доступностью оборудования, теснотой рабочего помещения или чрезмерно высокой температурой;

· неудовлетворительное оснащение необходимой аппарату­рой и инструментами;

· недостаточное стимулирование операторов или специали­стов по техническому обслуживанию, не позволяющее достиг­нуть оптимального уровня качества их работы.

Рассмотрим, как определяется функция надёжности работы человека в непрерывной временной области

К этой категории действий, имеющих непрерывный харак­тер, относятся наблюдение, контроль и слежение, в случае ко­торых вероятность появления ошибки по вине человека в интер­вале времени (при заданном Е₁) определяется как

, (4.38)

где: f(t) - частота появления ошибок по вине чело­века в момент времени t (этот показатель аналогичен интен­сивности отказов z(t) в классической теории надежности);

Е₁ - событие, состоящее в безошибочной работе человека в течение времени t;

Е₂ - событие, состоящее в появлении ошибки человека в интер­вале времени [ t, t + dt ].

Совместная вероятность безошибочной работы может быть выражена как

(4.39)

где - событие, состоящее в том, что в интервале времени [ t, t + dt ] ошибка не появится.

Данное выражение можно за­писать в следующем виде:

(4.40)

где R_h (t) - вероятность безошибочной работы человека.

Это уравнение выражает вероятность безошибочной работы челове­ка в интервале времени [ 0, t ] и [ t, t + dt ] и с учетом выражения для R может быть записано как

(4.41)

В предельном случае имеем

(4.42)

Интегрируя обе части уравнения (5.30) по времени в интервале [0, t], получаем

(4.43)

При известных начальных условиях, т.е. когда t = 0, R_h(t) = 1, решение этого интегрального уравнения принимает вид

откуда следует:

(4.44)

Таким образом, получено общее выражение (5.32) для вычисления вероятности безошибочной работы человека, то есть надежности его производственной деятельности на одном из объектов.

Для проверки достоверности этой математической модели авторы работы [21] предложили простой алгоритм получения данных об ошиб­ках по вине человека. В проведенном ими эксперименте фикси­ровались ошибки, допущенные оператором, который должен был наблюдать за световым табло, напоминающим электронные часы, и реагировать на «погасшее табло» нажатием кнопки.

В результате удалось выявить, что оператор допускал ошибки двух типов:

· ошибки необнаружения - оператор не замечал, что табло погасло;

· ошибки ложной тревоги - оператор нажимал на кнопку, хотя табло в действительности светилось.

В процессе экспери­мента регистрировались также время до появления первой ошибки необнаружения, время до появления ошибки ложной тревоги и время до появления любой из этих ошибок.

Полученные данные об отказах анализировались графиче­ским методом и по критерию Колмогорова - Смирнова. Было установлено, что частота ошибок по вине человека зависит от времени и что распределение Вейбулла, гамма- распределение и логарифмически нормальное распределение хорошо согласуют­ся с экспериментальными данными.

Функция корректирующей способности человека в непрерывной временной области есть ве­роятность того, что ошибка, допущенная при выполнении зада­ния, будет исправлена в течение времени t в условиях нагрузок и окружающей обстановки, соответствующих данному конкрет­ному заданию. Другими словами, эта функция характеризует процесс исправления человеком собственных ошибок и может быть записана как С_h (t) = Р - исправление ошибки в момент t при действующих нагрузках.

Тогда производная по времени от обратной функции бу­дет иметь вид

(4.45)

где: N - общее число случаев исправления допущенных при выполнении задания ошибок после момента времени t;

- число случаев невыполнения задания по ис­течении времени t.

Производная может быть также представлена в следую­щем виде:

(4.46)

Так как правая часть данного уравнения есть не что иное, как мгновенная частота исправления ошибок C_R(t), имеем

Решая это дифференциальное уравнение при заданных начальных условиях, получаем

(4.47)

Поскольку

то (4.48)

Это уравнение справедливо как для постоянной, так и для мгновенной частоты исправления ошибок.

Одним из основных методов анализа надежности работы че­ловека является построение дерева вероятностей. При исполь­зовании этого метода задается некоторая условная вероятность успешного или ошибочного выполнения человеком каждой важ­ной операции либо вероятность появления соответствующего события. Исход каждого события изображается ветвями дере­ва вероятностей. Полная вероятность успешного выполнения оп­ределенной операции находится суммированием соответствую­щих вероятностей в конечной точке пути успешных исходов на диаграмме дерева вероятностей.

Этот метод с некоторыми уточнениями может учитывать такие факторы, как стресс, вы­зываемый нехваткой времени; эмоциональная нагрузка; нагрузка, определяемая необходимостью ответных действий, результатами взаимодействий и отказами оборудования.

Следует заметить, что данный метод обеспечивает хорошую наглядность, а связанные с ним математические вычисления просты, что в свою очередь снижает вероятность появления вы­числительных ошибок. Кроме того, он позволяет специалисту по инженерной психологии легко оценить условную вероят­ность, которую в противном случае можно получить только с помощью решения сложных вероятностных уравнений.

Пример. Пусть оператор выполняет два задания - сначала х, а затем у, при этом он может выполнять их как правильно, так и неправильно. Другими словами, неправильно выполняемые задания - единственные ошибки, которые могут появляться в данной ситуации. Требуется построить дерево возможных исходов и найти общую вероятность неправильного выполнения задания. Предполагается, что вероятности статистически независимы.

Для решения поставленной задачи воспользуемся деревом возможных исходов, изображенным на рис.4.6, но сначала введем следующие обозначения:

Р_s - вероятность успешного выполнения задания;

P_f - вероятность невыполнения задания;

s - успешное выполнение задания;

f - невыполнение задания;

Р_х - вероятность успешного выполнения задания х;

Р_у - вероятность успешного выполнения задания у;

- вероятность невыполнения задания х;

- вероятность невыполнения задания у.

Согласно рис. 4.6, вероятность успешного выполнения задания равна

(4.49)

Аналогично находим выражение для вероятности невыполнения задания

(4.50)

Из рис. 4.6 следует, что единственным способом успешного выполнения системного задания является успешное выполнение обоих заданий - х и у. Именно поэтому вероятность правильного выполнения системного задания определяется как

Рис. 4.6. Схема дерева исходов в случае гипотетического задания.