载人潜水器作为复杂环境下作业的高端技术装备，承担着水下勘探、设备布放回收、样本采集等任务，对科学研究、资源勘探意义十分重大^[1-2]。坐底过程作为载人潜水器作业过程的重要环节，涉及航控、通信系统、电气等多系统协作^[3]。深海密闭、高湿、高压的作业环境为安全作业提出了更高的要求，潜航员的不安全行为或人因失误成为影响载人潜水器安全运行的重要因素。对载人潜水器作业过程进行人因可靠性分析(human reliability analysis，HRA)，目标是分析、预测、减少和预防人的失误。人因可靠性分析经历了行为模型和认知模型两个阶段的发展，已形成一系列的HRA评估方法^[4-5]：第一代HRA方法以SLIM-MAUD^[6]、HCR^[7]、HEART等^[8]方法为代表，以对待机器的方式对待人，受制于当时心理学、认知科学和计算机科学的发展水平，第一代方法普遍存在以下不足：缺乏系统分析数据；缺少一致性判断；模拟机数据缺乏足够的分析和验证；精确性不足；缺乏心理依据；缺乏对态度、文化差异、组织因素、管理等因素的分析。第二代可靠性模型是以认知心理学、行为科学等学科为基础，通过研究人的认知行为建立人的认知可靠性模型，将认知可靠性分析评估与动作执行可靠性评估相结合，产生一种完善的系统的可靠性评估方法，第二代方法主要以ATHEANA^[9]、CREAM^[10]、MERMOS^[11]等方法为代表。本文采用的CREAM为第二代HRA方法，文中采用任务和认知过程对传统CREAM进行优化。虽然在核电^[12]、航空^[13]、航天^[14]、航海船舶、工业生产^[15]等领域已得到广泛应用和认可，但是深海作业环境的特殊性，载人潜水器作业系统人因可靠性涉及水下任务环境的多变性、潜航员自身生理和心理因素的复杂性、以及影响因素多样性等特点。目前我国载人潜水器已完成系统工程设计并通过大量水下实验证明工程可靠性，在投入实践应用的同时展开针对任务环境的人因可靠性研究。

1 载人潜水器作业系统分析

载人潜水器作业系统主要包括结构系统、动力系统、生命支持系统、潜浮于应急抛载系统、水声通信系统、控制系统。以4 500 m载人潜水器为例：最大工作深度4 500 m；载员3人，其中潜航员1名，科学家2名；内部空间为直径2.1 m球型舱室；观察窗透光直径200 mm的主观察窗1个，透光直径120 mm的侧观察窗4个^[16]，如图 1所示。

作为复杂的人机系统，载人潜水器中人为因素对于作业安全起着至关重要的作用。所以结合对载人潜水作业环境、任务的特点，有针对性地研究人为失误机理，探索人为失误的影响因素以及人为失误概率，以期通过采取切实有效的预防措施，降低人为失误概率。

载人潜水器作为一种深海作业类深潜器，与其他作业系统最大的区别在于作业任务时间长、作业空间小、任务难度和强度大、作业环境恶劣^[17-19]。潜航员要面临在长期封闭空间中对身体的考验，以及在幽闭隔绝环境中对心理的考验。

作业时间长：在3 000 m级海试任务，潜航员需要进行7~9 h左右水下作业。5 000~7 000 m级海试任务，平均水下作业时间超过10 h。

作业空间小：载人潜水器舱室为内径2 100 mm的钛合金载人球，潜航员生活工作在内径为2.1 m的球体舱内，活动空间十分狭小，刚好能容下3个人(1名潜航员与2名观察员)。

任务强度大：每次水下作业任务都需要经历布放、水面、下潜、巡航、坐底等8个阶段；在水下需要进行样本采集、地形绘制、设备布放与回收等多项科考任务。

任务环境恶劣：任务过程潜航员长时间处于昏暗、高温、潮湿狭小载人舱内；在海面，受到涌浪造成的剧烈颠簸晃动; 在海底，潜航员需要在密闭狭小的舱内面对黑暗、未知的深海环境开展考察活动。

2 载人潜水坐底过程任务及认知分析

载人潜水器进入深海作业区域后，需要人为坐沉海底，以便机械手运用相关作用工具进行海底作业。在硬质海底地基条件下，坐底过程会带来强大的冲击力，对潜水器的结构产生影响; 在软质海底条件下，坐底冲击又可能造成潜水器坐底结构陷入软沉积物。因此，载人潜水器坐底过程是一典型的危险工况，坐底过程要十分谨慎，需要重点分析^[20]。

根据载人潜水作业任务的情景环境，针对潜水作业过程中潜航员的认知行为进行系统化的任务描述，识别并确认潜航员认知决策机制以及舱室相应情景环境。根据载人潜水作业任务的一般过程，将载人潜水器坐底过程分析分为两种模式、两个过程。

两种模式即正浮力坐底模式Z和负浮力坐底模式F；两个过程即任务过程A和认知过程B。

2.1 正浮力坐底任务过程Z

正浮力主动坐底模式在坐底过程中潜水器处于正浮力状态，通过螺旋桨动力进行载人潜水器坐底任务，然后调整为负浮力。

如图 2所示，正浮力坐底任务过程Z中，任务活动Z₀为与母船指挥室沟通，主要失误为沟通不充分或有遗漏；任务活动Z₁为调整浮力模式为正浮力，浮力调整不完全；任务活动Z₂为保持螺旋桨推力下潜，主要失误为下潜速度控制不当；活动任务Z₃为观察是否触底，主要失误为观察不到位；任务活动Z₄为调节浮力替代推力主要失误为操作执行的时间错误或速度不当。

通过螺旋桨将潜水器坐底时，观察系统不方便观察潜水器在什么时刻刚好触底，即使观察到潜水器触底，还要在保持潜水器推力的情况下，向可调压载水箱内注水，使得总重量增加，以代替螺旋桨推力。所以，正浮力坐底要求准确把握坐底瞬间，坐底后调节浮力会增加总的坐底力。

2.2 负浮力坐底任务过程F

负浮力被动坐底模式在坐底过程中潜水器悬停在距离海底一定高度，通过浮力调整系统(或者推力器向上推力的减少)，将潜水器调整为负浮力，然后潜水器自由下降坐底，通过调节为较小量的负浮力，控制坐底速度和坐底力，坐底后不需要调节浮力。

如图 3所示，负浮力坐底任务过程中F，任务活动F₀与母船指挥室沟通，主要失误为沟通不充分或有遗漏；任务F₁调整浮力模式为负浮力，浮力调整不完全；任务活动F₂潜水器自由下降，主要失误为下潜速度控制不当；活动任务F₃观察是否触底，主要失误为观察不到位。

由于本坐底过程是将潜水器在坐底前调整好纵倾与横倾平衡后，通过调整潜水器的水下浮力，自动下沉来实现坐底。这样的坐底过程通常能够保证潜水器有良好的水平姿态。但在坐底过程中不能保证潜水器的坐底支架与海底保持最大的接触面。在给定海底地基条件下，潜水器坐底安全就主要依靠控制潜水器与海底的接触面积和接触速度来保证。潜水器的坐底速度则通过水下浮力大小来进行控制。

2.3 载人潜水器坐底过程一般认知过程B

认知过程主要根据潜航员认知活动进行划分，主要包括正常作业观察活动，综合判断所处环境以及下潜状态，并及时做出决断，根据设备监控反馈数据进行任务有效性检验。

如图 4所示，在一般坐底任务中，认知活动B₁为监视状态，对下潜阶段设备状态进行观察，主要失误是错误的辨识观察目标；活动B₂分析设备状态及环境状态，主要失误是错误分析当前状态；活动B₃判断当前任务状态，主要失误是判断错误；活动B₄为行动制定方案，主要失误是方案计划不当；活动B₅采取适当的行动，主要失误是行动方式；B₆对行动实施结果进行检验，主要失误是检验失效；B₇反馈检验，主要失误是反馈检验不及时或有遗漏。

3 基于认知可靠性的坐底并-串混联结构系统

在潜航员任务过程中，心理因子、生理因子、经验、能力等因素影响用户操作的整个过程，从而诱发人误事件^[21]。本文在分析载人潜水器任务和认知两个过程的基础上，采用并串联系统结构，针对载人潜水器坐底作业过程构建人因可靠性并串混联结构模型，用于分析坐底作业过程人因失效概率。串并混联混合系统是工程中应用非常广泛的一类系统^[22]，针对载人潜水器水下作业任务背景下，对串并混联系统进行可靠性建模，研究系统的可靠性指标，对合理设计系统结构具有重要的理论意义和实际参考价值。

通过研究载人潜水器两种坐底模式，结合认知可靠性模型构建两种坐底模式的可靠性并串联模型以提高可靠性分析和预测的准确性。根据串联系统中每个部分发生故障都会影响整个系统的特性可将坐底过程和潜航员认知过程作为两个串联系统进行分析；根据并联系统相互独立的特性坐底过程与认知过程结合为一个并联系统；系统中沟通、监视、反馈三个独立的过程并联于整个系统当中，如图 5所示。

正浮力坐底任务过程认知可靠性量值Z_R为

$ \begin{array}{l} {Z_R} = 1-\overline {{R_B}} (1-{R_{{Z_0}}})(1-{R_{{Z_1}}}{R_{{Z_2}}}{R_{{Z_3}}}{R_{{Z_4}}})\cdot{\rm{ }}\\ (1 - {R_{{B_1}}})(1 - {R_{{B_2}}}{R_{{B_3}}}{R_{{B_4}}}{R_{{B_5}}}{R_{{B_6}}})(1 - {R_{{B_7}}}) \end{array} $

(1)

负浮力坐底任务过程认知可靠性量值F_R:

$ \begin{array}{l} {F_R} = 1-\overline {{R_B}} (1-{R_{{Z_0}}})(1-{R_{{Z_1}}}{R_{{Z_2}}}{R_{{Z_3}}})\cdot\\ (1 - {R_{{B_1}}})(1 - {R_{{B_2}}}{R_{{B_3}}}{R_{{B_4}}}{R_{{B_5}}}{R_{{B_6}}})(1 - {R_{{B_7}}}) \end{array} $

(2)

$ \overline {{R_B}} = \frac{{\sum\limits_{x = 1}^k {{R_{{B_x}}}} }}{k} $

(3)

式中：R_Z为任务过程节点可靠性量值，R_B为一般认知过程节点可靠性量值，$\overline {{R_B}} $为一般认知过程可靠性修正系数，x为一般任务过程节点，x=1，2，…，k。

4 失效概率预测 4.1 载人潜水器共同绩效条件

潜航员长时间在深海环境中自主地操作潜水器开展作业活动将在很大程度上会受到水下环境的影响。水下环境的复杂性以及潜水器舱室的密闭性导致了水下作业的危险性。

如表 1所示，本文参考CREAM给出的“CPC与绩效可靠性及权重因子”表^[23]，结合载人潜水器作业情景环境条件，通过向专家发放调查问卷的形式，针对CREAM给出的9种CPC因子获得适合载人潜水器作业环境的CPC因子权重值W_i(i=1，2，…，N)，并由W_i得到效应影响指数ρ，如表 1所示。

$ \rho = \frac{{\sum\limits_{i = 1}^N {{W_i}m} }}{N} $

(4)

式中：W_i表示认知功能因子权重值，m为量化效应值。

4.2 认知功能及失效模式识别

在潜航员作业过程中由任务目标引发的认知操作将经过观察G、分析F、计划决策J、执行Z四个阶段，其中失误事件在每个阶段都有可能发生，根据CREAM提供的认知功能失误模式和失误概率基本值CFP₀对整个作业过程中认知行为失效概率进行描述。

CREAM方法提供了9类认知功能失效模式，见表 2^[10]。

其中CFP₀为认知活动中最可能失效模式的基本值。根据潜航员作业过程认知行为活动以及与之相匹配的最易产生的失效模式，建立认知功能识别匹配关系，确定CFP₀，如表 3所示。

4.4 失效概率预测

根据CREAM扩展法进行CFP失效概率进行预测^[24]。根据表 2所列出的认知功能失效模式基本值，确定每个认知活动中最可能的认知功能失效模式的失效概率基本值CPC₀，根据表 3分别求得每个认知活动下所有CPC因子的权重因子乘积，及总权重因子。

潜航员认知失误概率CFP表达式为

$ {\rm{CFP}} = {\rm{CF}}{{\rm{P}}_0} \times {10^{0.25\beta }} $

(5)

$ \beta = \sum\limits_{i = 1}^9 {{\rho _i}} $

(6)

式中：β为环境影响指数，ρ为效应影响指数, CFP₀为失误概率基本值。

结合式(4)、(5)两种坐底模式并串混联结构模型，可计算出两种坐底任务过程认知可靠性量值R。计算获得两种坐底模式潜航员人为失效概率约为1.589×10^-3，而通过CREAM方法计算驾驶舱失误概率一般都在10^-1~10^-3数量级，该计算结果较为精确，该型载人潜水器在坐底作业任务环境下失效概率约为1.589×10^-3，情况比较好。

5 结论

1) 文中采用CREAM扩展法对载人潜水器坐底作业过程潜航员认知失效概率进行分析计算，正浮力坐底和负浮力坐底两种模式过程计算结果基本一致，经过认知过程优化的并串混联结构模型计算结果较为精确。

2) 载人潜水器两种坐底作业过程中由于任务导致的失误基本一致，过程中失误的主要诱因存在于任务环境对潜航员认知活动产生的影响。

目前研究是依据静态情景环境构建作业过程串并混联模型的基础框架优化CREAM预测方法，由于载人作业环境是在时间纬度上随着深度的变化而持续变化的动态环境，其中人的可靠性随着温度、湿度、时间、疲劳性等因素动态变化，因子动态可靠性预测将是未来研究的重点。