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基于人因可靠性分析的JHA在实验室安全风险评估中的应用研究
  

基于人因可靠性分析的JHA在实验室安全风险评估中的应用研究

叶睿博1,林涛1,张工厂1,徐月2

1.中国石油塔里木石化分公司,新疆 克拉玛依市 841000; 2.中国石油大学华东机电工程学院,山东 青岛 266580

要:为探讨如何科学评估实验室的安全风险,以减少危险化学品实验室事故的发生。本文基于HEART方法和实验室作业危害分析方法,确定了适用于实验室操作的人因可靠性分析方法。具体研究内容包括:根据实验室工作任务场景划分通用任务类型;确定通用差错概率并从实验室安全管理四要素方面综合分析实验室错误产生条件EPCs并确定权重;运用解释结构模型(ISM)分析人物环管四要素的相互影响关系,计算实验室实验过程中的人因失误概率和人因可靠性。研究结果表明,基于HEART人因可靠性分析方法的JHA可与实验操作情景相吻合,有效用于实验室安全风险的计算、评价和分析,帮助提出控制风险的措施并逐步完善实验室安全风险评估方法。

关键词:风险评估;人因可靠性分析;作业危害分析;实验室安全

Application of JHA Based on Human Reliability Analysis in Laboratory Safety Risk Assessment

YE ruibo1, LIN tao1, ZHANG gongchang1, XU Yue2

(1. PetroChina Tarim Petrochemical Company, Karamay 841000,China ; 2. Department of Mechanical and Electrical Engineering ,China University of Petroleum(East China), Qingdao 266580,China)

AbstractTo explore how to scientifically evaluate laboratory safety risks and reduce the occurrence of accidents in hazardous chemical laboratories, this study uses the HEART method and the laboratory job hazard analysis method to determine a human reliability analysis method that is applicable to laboratory operations. The specific research content includes: the classification of generic task types based on the laboratory work task scenarios; determination of generic error probability and comprehensive analysis of laboratory error generation conditions EPCs and determination of weights from the four elements of laboratory safety management; the use of the interpretative structural model (ISM) to analyze the interrelationships of human-environment-device-management elements in the laboratory, and to calculate the human error probability and human reliability in the laboratory experiment process. The research results show that the JHA based on the HEART human reliability analysis method is consistent with laboratory operation scenarios, effectively used for calculating, evaluating and analyzing laboratory safety risks, helping to propose risk-control measures, and gradually improving laboratory safety risk assessment methods.

Key wordsrisk assessment; Human reliability analysis; Job hazard analysis; Laboratory safety

1前言

实验室是科研人员从事科研活动的重要场所,也是许多重大实验成果诞生之地,实验室的安全运行是高校教学和科研工作顺利开展的保证[1]。随着科研人员、实验设备、实验室数量不断增加,实验室安全问题也成为重中之重。如何进行有效的实验室安全风险防控和管理成为人们普遍关注且首先要解决的问题。

“人”在安全生产管理中起决定性作用。据统计2001-2020年我国共发生实验室事故120起,其中人的不安全行为造成的事故最多,占事故总数的59%,并且55%的实验室事故发生在操作环节[2]。控制人的不安全行为是有效预防事故发生的重要环节,制定、掌握及遵守操作规程是控制不安全行为的主要手段,同时要注重加强对实验室人员不安全行为的管理和监控,遇事及时吸取教训,保障实验室人员的健康和安全。

人因可靠性分析(Human Reliability Analysis ,HRA)研究始源于20世纪50年代。目前,三种最常见的HRA技术有:人因失误评价与减少技术(HEART)、标准化工厂分析风险人因可靠性(SPAR-H)和贝叶斯网络(BN[3]1986Williams[4]提出的了HEART方法,2004Gertman[5]提出了SPAR-H方法是人因失误率预测(Technique for Human Error Rate PredictionTHERP)简化方法。人们把HEARTTHERP均归为任务决定论的人因可靠性分析方法。Pearl[6]提出的BN是目前表达、分析不确定信息及进行概率推理最有效的理论模型之一。最早使用HRA方法的是航空领域[7-10]2005年英国原子能机构等[11]采用HEART方法并改进,使其更加适用于核电厂的人因可靠性分析。

在实验室开发一种用于评估操作者人因失误概率(Human Error ProbabilityHEP)的技术是必要的,也是未来工作的主题[12]。但是,以往对实验室人因可靠性研究较少,且HRA方法不完全适用于实验室。因此,本文旨在探讨实验室操作安全领域中的人因失误问题,具体研究内容包括以下方面:基于HEART方法和作业危害分析,将实验室的通用任务类型进行分类划分;对实验室操作任务的通用误差概率进行确定;结合实验室安全管理相关要求,建立实验室操作过程的EPCs权重;运用解释结构模型(ISM)分析实验室中人物环管四要素的相互影响关系,以完善实验室人因失误率的量化过程,并提高人因分析的准确性。

2人因可靠性分析

人因可靠性分析是分析人在安全系统中的影响,识别和降低人为失误的风险,改进复杂体系的可靠性和安全性。

HEART方法其基本原理取决于两个参数:通用任务类型(GTT)和差错诱发条件(EPCs) [13]。研究总结与八个基本任务相关的通用任务类型,便于对实验操作过程中的具体任务进行量化,确定在完美状态下的人因失误概率,即通用误差概率(NHEP)。进一步研究错误产生条件(EPCs)发现,时间压力、制度约束、培训和经验、疲劳程度、任务复杂程度、工作环境条件因素均会严重影响人因绩效,增加人因失误概率(GEP)

HEART方法采用德尔菲法评估每个EPC的实际影响值,即实际影响程度的度量标准,记为APOA。然后,根据各个EPCAPOA值,计算出调节后的EPC的权重值ω′。这样可以更客观地衡量各个EPC对于风险的贡献,从而更准确地评估风险水平。

式中:ωEPC_i iEPC的权重值;ω′EPC_iiEPC调节后的权重值;APOAEPC_i iEPC的评估实际影响值。

采用下式计算最终的人因失误概率HEP

式中:HEP—最终的人因失误概率;NHEP—标称人因失误概率。

利用下式计算人的操作可靠性RM

3 实验室风险评估

3.1实验室作业危害分析方法

实验室风险评估常用方法有全面评估法、风险矩阵法、量规(Gauge Method)、失效模式与影响分析法、层次分析法、LEC法、大数据法等 [14,15]其中,应用于实验室的安全风险评估的工作危害分析(Job Hazard AnalysisJHA)是一种典型的安全风险分析方法,是目前欧美国家在安全管理中普遍使用的作业方法之一。

对于风险评估,一般通过危险度即风险度来表示,这个度量指的是事故发生的可能性和后果严重性的函数,常表示为R=f(L,S)JHA通常包括以下的内容,如表1所示:

1工作危害分析记录表

Tab.1 Record of Job Hazard Analysis Form

序号

工作任务

工作步骤

危害或潜在事件

可能后果

现有安全措施

L

S

R

改进措施

通过对任务危害的分析,记载每项任务中可能存在的危害和潜在的事件、危害事件的可能后果, 并记录现有的安全措施、以及根据专家评估得到的L(风险等级)、S(风险分值)和R(风险度)。在此基础上,可以对现有的安全措施和风险控制措施进行分析评估,提出相应的改进措施来降低危害事件的风险度,从而确保任务或工作的安全性。

3.2基于人因可靠性分析的作业危害分析

对作业活动中人员的可靠性进行定性、定量分析,以达到预测并预防或减少实验室中因人为失误带来的伤害。在作业过程中常见的人为失误包括:未能完成必要的功能;未能完成所应完成的任务;未能及时应对意外情况;未能意识到潜在的危险情境;在处理复杂的认知反应时做出不正确的决策。

HEART方法通常被认为是一种单一因素的评估方法,主要局限性之一是忽略了其他可能的因素造成的影响,基于此对HEART方法进行改进,并用于实验室作业危害分析的安全风险评估。

(一)确定实验室通用任务类型

根据已有的人因可靠性分析方法(HEARTSPAR-H) [16],结合实验室人员实际工作日常,分析并制定实验室通用任务类型,见表2。表中基本覆盖了实验室工作危害分析的关键步骤和基本任务。

2实验室通用任务类型

Tab.2 Generic Task Types of laboratory

基本任务类型

通用任务类型

信息收集A

A1-实验室相关信息的获取(如:危化品性质、实验室配置信息及操作规程)

A2-实验室安全操作培训状况

A3-实验室工作环境及设备状况

决策B

B1-对设备显示器上的温度、压力变化作出决策

B2-对突发意外情况的决策(如:突然停电、停气)

指令(通信)C

C1-口头指令(如:实验人员沟通信息)

C2-物理指令(如:显示器输入参数)

准备D

D1-准备材料

D2-设备/线路的检查、连接

D3-穿戴防护用品

操作E

E1-设备/阀门的开停

E2-设备/仪器基本操作

E3-原料的拿取及配制

E4-产品的收集及储存

指导F

F1-实验开始前的常规管理(如:氮气吹扫)

F2-实验过程中的动态监控(如:压力、温度监控)

F3-实验结束后的常规处理(如:仪器清洗、废液处理)

数据检查G

G1-实验数据的处理、记录

技术支持工作H

H1-设备维护升级(如:系统简单故障处理)

(二)确定NHEP

每个通用任务类型都有与之相关的通用误差概率,实验室操作过程中的NHEP值可以根据HEART方法和NARA手册THERP人因手册、德尔菲法等进行几何平均法处理确定。实验室个别操作任务对应的NHEP如表3

3 实验室部分操作任务的通用误差概率

Tab.3 General Error Probability for Laboratory Partial Operational Tasks

GTT

NARA中的GTT

失误类型

NHEP1

NHEP2

NHEP3

NHEP4

NHEP

D

对仪器/设备状态例行的检查

观察/感知失误

0.09

0.03

0.01

0.01

0.023

测试后,恢复系统以纠正运行状态

动作失误

0.003

0.007

0.001

0.001

0.002

E

完全熟悉,设计良好,高度实践,常规任务执行的最高标准,高度训练和有丰富的人,完全意识到失败的影响,有时间纠正潜在的错误

动作失误

理解/决策失误

0.0004

0.0001

0.0001

0.0001

0.0001

执行相当简单的或带有反馈的单一手动动作

动作失误

0.09

0.006

0.001

0.003

0.0063

按照程序启动或重新配置系统并提供反馈

动作失误

0.003

0.001

0.001

0.001

0.001

(三)确定EPCs及权重值

错误产生条件(EPCs) 是指在特定环境下,导致人员错误和事故发生的一些特定因素或条件。EPCs是对每个通用任务类型所涉及的8个基本事件的扩展,同时,在人因可靠性分析的方法中,38EPCs受六个条件因素组合影响,分别是时间压力、任务复杂程度、制度约束、培训和经验、疲劳程度、工作环境。本文从实验室安全管理“人、机、环、管”四要素方面综合分析EPCs,使人因可靠性分析方法更适用于实验室安全风险评估。

人—包括系统中的使用者、维护人员、决策者。关注工作-家庭平衡对人的安全行为的影响[17]对于个体可能会因为缺乏经验培训、能力不足、个人状态差、疲劳、压力等原因而导致错误和事故,班组间可能存在的沟通不良、工作交接不当的问题。

机—指原材料、设备、工具、软件等技术装备。系统/设备所产生的设计失误、技术故障、缺乏安全措施等因素都可能会导致事故。科技的进步可以提高系统与设备的安全性和效率,从而增强系统的可靠性和安全性。

环—工作环境包括:物理环境(温度、气压、光线等)、社会环境(政策、法律、文化等)和组织环境(领导力、文化、管理模式等)。大环境促使个体产生从众心理及羊群效应[18]

管理—包括系统的策略、流程、规范、培训等管理和监控因素。有效的管理可以降低事故风险,促进制度和安全文化。

根据我国实验室实际的日常工作状况,综合分析人因可靠性分析方法中的错误产生条件,其中权重值ω由专家基于手册及经验确定,见表4

4实验室人因可靠性分析的错误产生条件

Tab.4 EPCs for human factor reliability analysis in laboratory

一级要素

二级要素

EPCs

权重值ω

个人

1-盲目蛮干、不遵循操作流程

2-人员缺乏经验/培训

3-人员专业能力不足以支撑完成任务

4-人员负载不足或工作周期长造成疲劳等原因使应激反应能力下降

5-人员身心状况不佳

24

8

2

3

2

班组

6-团队成员间存在隔阂、沟通不良,交接不当

10

系统/设备

7-系统/设备长期使用,硬件、软件损坏或老化

8-系统逻辑与常规相悖,存在设计缺陷

9-设备物理磨损,螺丝锈蚀或松动

10-系统版本低,可靠性低、安全性低、稳定性差

11-人机界面呈现信息超出操作者认知能力范围

12-人机界面反馈信息不及时或不明确(界面不清晰、示值不准确)

1.2

1.2

1.4

4

8

8

环境

工作环境

13-组织环境不良(如:恶性竞争)

2

14-工作环境差,场所嘈杂、物品摆放凌乱

15-工作环境发生不可抗力的破坏

8

1.15

16-社会政策、社交媒体等社会环境压力

1.15

管理

程序

17-操作规程、规章、制度有疏漏

18-组织架构不清晰,组织管理差

2

2

经验/培训

19-培训不足,每季度组织现场处置预案演练不及时

20-未组织开展安全培训或实习程序缺漏

8

20

(四)实验室人机环管相互关系分析模型

解释结构模型法(Interpretative Structural Modeling Method , ISM)是一种在现代系统工程中广泛应用的结构模型化技术分析方法。它利用图论和网络分析方法,将各种因素和因果关系进行结构化分析,以便更好地理解和管理复杂的系统。该方法可以确定各因素之间的相互关系,解决对实验室进行HEART分析过程中EPCs相互独立的弊端,ISM方法的可达矩阵能够指示任意两点间的可达性关系,为了说明EPCs两两间的相互影响关系,可以根据邻接矩阵求解计算分解可达矩阵。邻接矩阵A=[aij](ij=12,…20)

可达矩阵D通过应用MATLAB软件由邻接矩阵A加上恒等矩阵I通过1次或K+1次布尔运算得到,即:

D=A+IK+1=A+IK≠…≠(A+I

其中:

5实验室EPCs的前因集合和最高集合

Tab.5 Precedent set and highest set of laboratory EPCs

序号

前因集合

序号

前因集合

1

1,17,18

11

2,3,11,17-20

2

2,17,18,19,20

12

10,12,18

3

2,3,17,18,19,20

13

13,18

4

4,17,18

14

14,18

5

5,13, 15,16,18

15

15

6

6,13,18

16

16

7

7,17,18

17

17,18

8

8,17,19

18

18

9

1,9,17,18

19

17-19

10

10,18

20

17,18,20


1实验室人机环管相互关系分析模型

Fig.1 Analysis model of the relationship between laboratory human-machine environment management

通过可达矩阵得到每个EPC的可达集合、前因集合和最高集合,通过表4实验室EPCs的前因集合和最高集合,绘制实验室人机环管相互关系的DOWN型拓扑层级图,即基于ISM的实验室人机环管四因素相互关系分析模型,见图1。失误是由人机环管四因素相互作用相互影响,造成人因失误的因素最根本原因主要与组织架构不清晰、组织管理差有关,另外,工作环境受到不可抗力的破坏、社会环境压力等外部环境因素均可能影响人的身心状况进而造成人员失误。

实验室安全的主要影响因素来自人员、物品、管理和环境等,各因素相互作用,产生耦合效应[19]。首先,受到“重理论,轻实践”思维的影响,现有的危化品实验室研究主要集中于实验室建设与教学改革,很少关注风险,安全意识淡薄是导致实验室安全事故发生的重要原因。其次,实验废弃物增多,安全管理制度体系不健全、针对性不强实验室安全配套措施滞后于规模的扩张;实验技术队伍水平有待进一步提高,开放共享机制有待进一步完善等均会影响实验室安全。

目前我国法律法规并不完全适用于危险化学品实验室。实验室也不存在适当的评价方法, 对实验室进行评级评价[20]。实验室缺乏完善的安全设施和预警装置,基础设施检查内容并不全面, 安全环保隐患突出。国内实验室普遍存在安全制度不完善、安全意识淡漠、安全投入欠缺、安全检查不严谨、以及实验室废物处理存在漏洞等问题。同时,在实验室使用管理中,大部分实验室还存在安全责任不明确、缺少统一规范的安全准入制度和安全考核。实验原料和产物缺少双重管理,从购买、使用到产物没有监管机制和信息化管理手段。

(四)人因可靠性计算

在确定了实验室通用任务类型、NHEP值、EPCs及最大影响值后,计算出最终的人因失误概率HEP人的操作可靠性。

例如:

当实验室系统/设备不存在长期使用造成的硬件损坏或老化、系统版本低以及其他设计缺陷时,若失误是由于设备自身故障引起一系列人因误操作,则在计算HEP,需要考虑设备本身物理磨损、螺丝锈蚀或松动情况ω'9,还需要考虑人员盲目蛮干、不遵循操作流程ω'1,实验场所操作规程、规章、制度疏漏情况ω'17以及组织架构不清晰、组织管理差ω'18的影响。

HEP设备失效=NHEP*ω'9*ω'1*ω'17*ω'19=NHEP*(0.4APOAEPC-91)* (23APOAEPC-11) *(APOAEPC-171) *(APOAEPC-181)

同理,若失误是仅由于人员误操作造成,除了考虑人的因素外,还与组织环境、社会环境、工作环境突发意外或其他状况等环境因素以及管理因素有关。

HEP人员误操作=NHEP*ω'1*ω'2*ω'3*ω'4*ω'5*ω'6*ω'13*ω'15*ω'16*ω'17*ω'18*ω'19*ω'20 =NHEP*(23APOAEPC-11) *(7APOAEPC-21) *(APOAEPC-31) *(2APOAEPC-41) *(APOAEPC-51) *(9APOAEPC-61) *(APOAEPC-131)*(0.15APOAEPC-151)* (0.15APOAEPC-161) *(APOAEPC-171) *(APOAEPC-181) *(7APOAEPC-191) *(19APOAEPC-201)

若操作步骤中同时考虑设备失效概率、人员误操作概率等状况,则最终的人因失误概率计算公式如下:

HEP=HEP1HEP2HEP3HEP4

4实例分析

实验室遇到的大多数危害分为三大类:化学、生物和物理危害。本文以某科研实验室全自动实沸点蒸馏仪实验操作为例进行基于人因可靠性分析的作业危害分析,

本实验首先按照实验准备、检验气密性、实验过程、实验收尾划分为四个主要的作业步骤,通过细分每一作业步骤,分析工作任务场景的通用任务类型,确定标称人因失误概率;辨识可能出现的错误产生条件及权重值;根据专家打分法确定实际影响值及调整后错误产生条件的权重值;依据人因可靠性方法、实验室安全管理水平规范及EPC确定原则计算出各步骤人因失误概率和人因可靠性。

该分析检测与标准化研究室操作人员为博士学历,并且有一定的工作经验;实验室系统/设备定期进行升级、维修及更换;工作环境良好且符合《科学实验建筑设计规范》(JGJ91-93)。因此忽略EPC2381011121420的影响,简化JHA表,基于HRA对该科研实验室全自动实沸点蒸馏仪实验操作过程进行分析,得到表3

6 基于HRA的实验室全自动实沸点蒸馏仪操作JHA

Tab.6 JHA of experimental operation of laboratory full automatic real boiling point distiller

工作任务

工作步骤

危害或潜在事件

可能后果

EPCs

L

S

R

RM

实验准备

打开空气阀、氮气阀

设备/仪器操作不当

气动阀无法动作;减压操作时影响系统真空度

1;4;5;7;9;13;15-19

1

3

3

0.9377

检验气密性

装置试漏

系统密封不良

影响真空度,空气可能进入系统,形成爆炸性环境,发生火灾爆炸

1;7;9;17 ;18

2

2

4

0.8764

实验准备

冷凝器冷冻液液位检查

人员误操作

冷凝效果差

1;4;5;13;15-19

1

2

2

0.9880

实验准备

原油装料

设备/仪器操作不当

有毒有害气体逸散造成职业伤害;

1;4;5;7;9;13;15-19

3

1

3

0.8086

坠物引起机械伤害

2

2

4

0.8821

实验准备

设备连接、安装

设备/仪器操作不当

无安全后果,影响实验后果

1;4;5;7;9;13;15-19

1

1

1

0.9506

实验准备

气阱检查:称重及连接

设备/仪器操作不当

丁烷自放空口排出,可能造成职业伤害

1;4;5;7;9;13;15-19

2

2

4

0.8539

实验准备

接收管检查安装

设备/仪器操作不当

无安全后果,影响实验后果

1;4;5;7;9;13;15-19

1

1

1

0.9512

实验过程

启动实验系统、控制系统操作

设备/仪器操作不当

影响实验后果。若冲料,馏出物过快而超压;温控器失效而超温均存在火灾爆炸风险

1;4;5;7;9;13;15-19

1

3

3

0.9672

实验过程

取料、称重

人员误操作

过早取料,易造成高温烫伤,影响实验结果

1;4;5;13;15-19

1

2

2

0.9090

实验收尾

取下反应釜

设备/仪器操作不当

坠物引起机械伤害

1;4;5;7;9;13;15-19

2

2

4

0.8746

实验收尾

蒸馏系统清洗

人员误操作

停车未进行氮气置换或置换未完全,回填氮气时阀门开度过大泄压过快,空气与油气混合存在火灾爆炸风险

1;4;5;13;15-19

2

2

4

0.8516

实验收尾

蒸馏釜、接收管清洗

人员误操作

清洗不彻底、有毒有害气体逸散造成职业伤害

1;4;5;13;15-19

2

1

2

0.8537

《实验室安全分类分级管理办法》规定,实沸点蒸馏的分析检测与标准化研究室属一级安全风险实验室,基于人因可靠性分析的作业危害分析,定量计算实验室操作过程中的人因失误概率和人的操作可靠度。

结果表明:在开展实验时,原油装料操作时人因失误概率最高,人的操作可靠性最低,而实验操作时发现此步骤时存在的危害或潜在事件发生的可能性也最高,但是其造成的后果不一定严重,风险值也不一定高,因此,本文基于人因可靠性分析为作业危害分析中存在的危害或潜在事件发生的可能性提供了依据。并针对该实验室风险评估存在的风险,对其提出补充建议:要求完善实验室操作规程并严格执行;定期进行人员安全教育培训并考核;定期对设备进行检查和维护,加装紧急泄压装置、定期更换爆破片、检查安全阀及各个阀门标识、配备安全鞋(防砸)等。

5结果分析与讨论

根据对某科研实验室全自动实沸点蒸馏仪实验操作各环节的人因失误概率和人的操作可靠性分析可知,影响人的操作可靠性的因素包括错误产生条件EPC、权重值ω和实际影响值APOA

本文基于HEART方法和实验室作业危害分析方法,确定了更加适用于实验室操作的人因可靠性分析方法。运用ISM方法分析实验室中人物环管四要素的相互影响关系,探讨HEART的各个EPC间的相互关系不仅能够深入追溯人的不安全行为深层次原因,而且能够简化人因失误概率的量化过程。通过综合分析各方面因素的相互影响,可以更加准确地评估实验室安全风险,并为实验室安全管理提供参考建议,尤其是实验室安全管理意识的提高。

改进的HEART方法应用于某科研院所的分析检测与标准化研究室的全自动实沸点蒸馏仪实验操作的人因可靠性分析中,发现实验室操作人员最容易出现的人因失误行为是原油装料过程,这与人物环管四方面应影响因素有关。

该方法可用于实验室管理单位开展管理措施和人员培训计划的依据,有针对性地制定改进措施,提高实验室安全管理系统的可靠性,确保实验室的安全运行。在实验室安全管理方面,需要加强现场安全管理,广泛开展安全宣传教育,建立浓厚的安全文化氛围,建立健全实验室安全管理制度,构建实验室安全教育培训体系,做好风险分级管控和隐患排查治理的工作。

目前还没有专门针对化工实验室的人因失误数据库。已有的数据来源主要是核电厂的数据,直接将其应用于化工实验室的统计工作会出现一定的偏差。因此,今后应该进一步加强对化工实验室操作人员的不安全行为进行相关统计工作,完善化工实验室人因失误的基本数据库,提高人因失误概率计算结果的准确性。这对实验室安全管理的提升具有非常重要的意义。


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