结合人机交互的复杂系统可靠性评估方法

《Expert Systems with Applications》：Reliability evaluation method for complex system incorporating human–machine interaction

本研究提出一种整合人机交互的复杂系统可靠性评估方法，通过构建多场景人为因素评估模型和硬件多状态退化模型，揭示人机耦合机制对系统可靠性的影响，并以南海某海底BOP的电气控制系统为案例验证，结果显示该方法能有效提升评估精度。

　　

刘子杰|蔡宝平|杨超|于玉龙|翟国豪

中国石油大学（华东）机械与电子工程学院，高端海上油气设备设计与制造山东省重点实验室，山东省青岛市266580

摘要

防喷器（BOP）是海上油气生产中的关键安全设备，其电气控制系统（ECS）对安全运行至关重要。因此，对ECS进行可靠的评估具有重要意义。现有的方法主要依赖于对硬件退化的精确建模来实现准确的可靠性评估。然而，这些方法通常忽略了人为因素对设备的影响，导致理论预测与实际情况之间存在差异。为了解决这一局限性，提出了一种结合人机交互的可靠性评估方法。通过多场景人机交互评估模型，同时考虑了外部环境因素和操作员相关因素。通过硬件可靠性模型，同时描述了多状态退化、硬件冗余和层次依赖关系。建立了人机交互机制，以表示人为因素状态对硬件可靠性的影响以及设备状态对人类可靠性的反馈效应。以南海的海底防喷器为例，验证了所提出的方法。结果表明，纳入人类可靠性后，可以获得更加真实和可靠的可靠性评估结果。

引言

随着海上油气开发不断扩展到深水区域，海上钻井和生产系统的安全性和可靠性变得越来越重要（Yang, Cai, Wu等，2023）。防喷器是海上井控系统中的关键安全设备，ECS负责命令传输、逻辑控制和状态反馈。因此，ECS是支持防喷器正常运行的核心子系统（Jia等，2019）。ECS的故障可能导致严重的人员伤亡和巨大的经济损失（B. Li等，2025）。因此，对ECS进行可靠性评估至关重要。可靠性评估可以提供系统的实时信息，并帮助识别薄弱环节，从而防止大规模复杂系统中的突然故障（Z. Liu等，2014；Yang, Cai, Zhang等，2023）。

目前，关于复杂设备可靠性评估的研究主要集中在硬件退化、故障传播和结构失效机制上（Fu等，2025；Kabir和Papadopoulos，2019）。这些方法对于描述设备状态演变和结构依赖性非常重要（J. Zheng等，2025）。然而，当应用于典型的人机协作系统（如ECS）时，这些方法存在明显局限性（Osterrieder等，2020）。在实际操作中，人和设备并不是独立工作的，它们构成了一个动态耦合的系统。因此，可靠性评估不仅应考虑硬件可靠性，还应考虑人类可靠性以及人与设备之间的交互（Q. Wang等，2026；Wu等，2024）。现有的人机系统可靠性研究主要关注交互机制，但人机可靠性模型通常只考虑单一因素，例如疲劳（Tan等，2026）。硬件可靠性模型也通常仅限于简单的退化过程（H. Li等，2025）。此外，对人类可靠性和硬件可靠性的建模不足会降低交互机制的准确性。因此，现有的可靠性评估方法无法完全反映人机系统的实际可靠性演变，可能会偏离工程实践。

为了解决这些问题，提出了一种结合人机交互的复杂系统可靠性评估方法。该方法包括人机可靠性模型、硬件可靠性模型和人机交互机制，将操作员状态、外部环境因素、硬件退化及其耦合关系纳入统一的评估过程中。这使得在不同场景下能够更真实地描述复杂系统的可靠性演变。最后，以南海中国钻井平台上的海底防喷器为例，验证了所提出方法的有效性。主要贡献如下：

1. 提出了一种结合人机交互的复杂系统可靠性评估方法，很好地表示了人为因素状态对硬件可靠性的影响以及设备状态对人类可靠性的反馈效应。

开发了一种多场景人机可靠性评估模型，将外部环境因素和操作员相关因素同时纳入动态模型中，提高了评估结果的合理性。

通过硬件可靠性模型，同时描述了多状态退化、硬件冗余和层次依赖关系，使模型更符合实际硬件运行条件。

本文结构如下：第2节回顾相关文献；第3节介绍结合人机交互的可靠性评估方法；第4节验证该方法在中国钻井平台防喷器ECS上的应用；第5节分析可靠性评估结果；第6节为研究结论。

章节摘录

文献综述

复杂系统通常涉及多个控制终端、多个任务阶段和多个运行状态。因此，复杂系统的可靠性评估需要更清晰地描述组件之间的关系，以支持更有效的评估（Z. Zhang等，2025）。现有的可靠性评估方法大致可以分为两类：基于系统结构和网络模型的方法，以及基于数据驱动方法的方法。

人机交互系统的可靠性评估框架

复杂人机交互系统的可靠性评估框架如图1所示。首先，通过人机可靠性模型量化人类决策对系统可靠性的影响；然后，通过硬件可靠性模型捕捉硬件可靠性的时间演变；最后，通过双向人机交互机制整合人类可靠性和硬件可靠性，实现全面的可靠性评估。

中国南海钻井平台上海底防喷器ECS的介绍

使用中国南海钻井平台上的海底防喷器ECS验证了该可靠性评估方法。该系统涉及多个任务场景，主要包括操作、执行和维护。其结构如图4所示。平台组件、海底组件和连接脐带电缆构成了系统的基本组成部分。传感器获取实时数据，这些数据通过人机界面进行处理和显示。

ECS的硬件可靠性分析

图6显示了硬件可用性在运行过程中的下降，这是由于硬件退化和共因故障造成的；在维护期间，硬件可用性有所提高。前四年的整体趋势呈下降趋势，因为共因故障逐渐累积。第五年，大修显著提高了系统可用性。

为了研究共因故障的影响，设计了三种共因故障策略，如表6所示。图7显示了ECS的总运行时间。

结论

提出了一种结合人机交互的复杂系统可靠性评估框架，该框架整合了人类可靠性、硬件可靠性及其双向耦合机制。在此框架内，开发了多场景人机可靠性模型，以表征操作员相关因素和外部环境因素的动态影响。同时，建立了硬件可靠性模型，以描述多状态退化、冗余等。

未引用的参考文献

Yang等，2023；Li等，2025；Yang等，2023；Wang等，2026；Li等，2025；Zhang等，2025；Li等，2025；Wang等，2024；Gao等，2026；Gao等，2023；Wang等，2024。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的可能会影响本文工作的财务利益或个人关系。

致谢

本研究得到了国家自然科学基金（编号：52325107、52171287）、工业和信息化部的高科技船舶研究项目（编号：2023GXB01-05-004-03、GXBZH2022-293）、山东省杰出青年学者科学基金（编号：ZR2022JQ25）以及中央高校基本科研业务费（编号：24CX10006A）的支持。