Fattori Umani per la sicurezza sistemica: Modelli e simulazioni di comportamento umano

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1 Corso di Laurea in Ingegneria Aerospaziale Fattori Umani per la sicurezza sistemica: Modelli e simulazioni di comportamento umano Docente: Page 1

2 Human Factors 1. L'importanza di includere le considerazioni relative all'elemento umano nell analisi di sicurezza di impianti e sistemi aeronautici è stata già ampiamente accertata. 2. L obiettivo principale di questo capitolo è di presentare e discutere le teorie ed i metodi più diffusi e noti per l implementazione dei fattori umani, sia in studi prospettici sia in indagini retrospettive. 3. Verrà infine discussa una metodologia specifica per l inclusione di fattori umani in studi di sicurezza e progetto di sistemi integrati uomomacchina, la quale offrirà un quadro riassuntivo e sistematico. Page 2

3 Human Factors - Fattori Umani I Fattori Umani possono essere definiti come la disciplina che si occupa dell analisi e dell ottimizzazione delle relazioni tra le persone e le loro attività, integrando le scienze umane e l ingegneria in applicazioni sistemiche, e prendendo in considerazione gli aspetti cognitivi e sociotecnici dei contesti lavorativi. Attraverso questa definizione, il concetto di Fattori Umani supera la visione puramente egronomica dell uomo in ambiente di lavoro (Edwards, 1988), e va al di là della scienza comportamentale in ambiente lavorativo, comprendendo sia gli aspetti cognitivi sia le prospettive di progetto e analisi di sicurezza del sistema integrato uomo-macchina. Page 3

4 Elementi di Gestione dell Errore Umano Fattori Umani nella tecnologia moderna Un nuovo elemento per il Progetto e per l Analisi di Sicurezza: uso estensivo dell automazione, grande miglioramento dell'affidabilità dell hardware. automazione: Working environments molto più complessi e basati su abilita cognitive. I sistemi rispondono attraverso l automazione la quale obbedisce ai criteri del progettista. Questi ultimi non sono sempre conosciuti. miglioramento dell'affidabilità dell hardware: la riduzione delle failures dell hardware hanno fatto aumentare la percentuale e la visibilità degli errori umani. Page 4

5 Elementi di Gestione dell Errore Umano Una Metodologia per l Analisi Causale di Incidenti Molti errori attivi che danno origine ad incidenti possono essere considerati come il risultato di inefficienza o fattori legati ad altre catene di eventi, che contengono errori latenti (assenza di procedure, progetto inadeguato di interfaccia per il controllo e la supervisione, insufficiente numero di persone presenti in sala controllo, ecc.) In molti casi, failures di sistema sono direttamente correlati ad errori latenti, come nel caso della manutenzione o nel progetto di sistemi di emergenza. Si rende necessaria una rappresentazione formale di errori attivi/latenti tale da considerare entrambi questi tipi di errori in maniera logica e correlata Page 5

6 Elementi di Gestione dell Errore Umano Error Management Per Error Management si intende la varietà di metodi sviluppati per prevenire e ridurre gli errori umani, per recuperare la normalità e per controllare le conseguenze avverse degli errori qualora questi venissero comunque commessi. prevenire e ridurre gli errori umani: mettere in atto tutte le misure (barriere) necessarie per fare in modo che un errore, a tutti i livelli di un'organizzazione, non sia commesso o venga impedito. recuperare la normalità : implica approntare le misure necessarie per ristabilire condizioni di operabilità e normalità funzionale in presenza di tipi di errore che avvengono comunque. controllare le conseguenze: definire le misure ingegneristiche che rafforzano la risposta tecnologica agli errori umani, mediante l implementazione di misure tecniche e non-tecniche (training, procedure) tendenti a migliorare la resistenza dell organizzazione agli errori umani. Page 6

7 Elementi Caratteristici di Sistemi Uomo-Macchina Un sistema uomo-macchina può essere definito come l insieme degli elementi costituiti dal personale, dalle procedure, materiali, strumenti, equipaggiamento, infrastrutture e software che fanno parte di un impianto. Tali elementi interagiscono e vengono utilizzati nell ambiente operazionale per mettere in opera i compiti assegnati o per ottenere specifici risultati, ovvero per raggiungere gli obbiettivi prefissati da una missione specifica Il punto di partenza di base per sviluppare tali metodi e la disponibilità di un Architettura di Human-Machine Interaction (HMI) Human Model Architettura di HMI di Rouse nel 1980 M achine M odel H UMAN-M ACHINE INTERACTION A RCHITECTURE Page 7

8 Actuators Struttura Modello Macchina Human Responses Plant Context/Environ. descend to w Interfaces Proc... Proc 1 e. e. cl Noise Temperature Weather Team Work Communications Company... rules Plant Stimuli Context Stimuli MACHINE MODEL Page 8

9 Controls POLITECNICO DI MILANO ON OFF w t/h X 0 Interfaces Plant Stimuli Human Responses Pa m void 0 1 t/h Context Stimuli Team Work Company rules Communications Kh Noise, Weather,.. Humidity/heat National culture Context/Environment Page 9

10 Meta-knowledge Struttura Modello Uomo Machine Stimuli Context Stimuli Memory Knowledge Base Interpretation Planning Personality Perception Execution Intentions Decisions Responses HUMAN MODEL Page 10

11 Elementi Socio-tecnici di un Sistema Uomo-Macchina Elementi delle Tecnologie Complesse : Caratteristiche Culturali e Organizzative Ambienti di lavoro Difese, barriere e salvaguardie Fattori Personali e esterni. Caratteristiche Culturali e Organizzative La cultura di un'organizzazione e definita come l'insieme delle valori, norme ed assunzioni fondamentali, largamente inconsci, che un organizzazione sviluppa su se stessa, sulla natura dei suoi componenti e sull ambiente. In pratica, la cultura e l insieme delle regole non scritte che governano il comportamento accettabile dentro e fuori organizzazione stessa. Page 11

12 Elementi Socio-tecnici di un Sistema Uomo-Macchina Ambienti di lavoro Ambienti di lavoro sono i fattori che influenzano l efficacia e l'affidabilità delle performance in un contesto di lavoro specifico. Difese, barriere e salvaguardie Difese, barriere e salvaguardie sono le misure sviluppate dall'organizzazione per creare sensibilità, attenzione, protezione, riparo, contenimento e vie di fuga da pericoli ed incidenti. Page 12

13 Elementi Socio-tecnici di un Sistema Uomo-Macchina Fattori Personali e Esterni Fattori Esterni sono sconsiderati tutti i fattori casuali esterni o le contingenze del sistema che influenzano o alterano le condizioni di lavoro, e le misure di sicurezza in maniera tale da condizionare comportamenti inadeguati del sistema ed errori umani. Fattori Personali sono le condizioni fisiche e mentali degli individui che influenzano il comportamento e che sono specifici di ogni individuo. Questi possono essere considerati solo quando un gruppo specifico di persone è considerato in luogo di grandi classi e categorie di persone. Page 13

14 Organisational Processes Local Working Conditions Personal and External Factors Defences, Barriers, Safeguards Page 14

15 Modelli di Comportamento Umano POLITECNICO DI MILANO Negli anni 70, ispirati dalla metafora dell operatore visto come un Sistema di Processo di Informazione Information Processing System dovuta ad autori quali Neisser (1967) e Newell e Simon (1972), nascono i primi modelli cognitivi di comportamento umano. Il paradigma dell operatore come Information Processing System può essere scelto come analogia di riferimento per modelli di comportamento umano La caratteristica principale dell IPS è l attenzione per la modellizzazione delle funzioni o dei processi mentali che avvengono tra stimoli e risposte. La differenza principale tra modelli cognitivi e behavioiristi consiste in queste modellizzazioni. Page 15

16 Numero minimo di funzioni e processi cognitivi per un Information Processing System Funzioni cognitive : Perception, Interpretation, Planning Execution Processi cognitivi : Memory/Knowledge Base Allocation of Resources Page 16

17 Memory/Knowledge Base Allocation of resources Context Stimuli Perception Interpretation Planning Execution Machine Stimuli Human Responses Page 17

18 Struttura Modello Umano Memory/Knowledge Base Stimuli Perception Interpretation Planning Execution Responses Allocation of resources HUMAN MODEL Page 18

19 Struttura Modello Umano: Situational Awarness SA Memory/Knowledge Base Stimuli Perception Interpretation Planning Execution Responses Allocation of resources HUMAN MODEL Page 19

20 Modelli Cognitivi di Riferimento Reference Model of Cognition (RMC-PIPE) (Wickens, 1984; Cacciabue, 1998) Skill, Rule, Knowledge (SL/SRK) (Rasmussen, 1986) Model of Fallible Machine (Reason, 1990) Contextual Control Model (COCOM) (Hollnagel, 1993). SHEL(L) (Edwards, 1972, 1988) Page 20

21 Reference Model of Cognition (RMC-PIPE) Memory/Knowledge Base Interpretation Planning Context Stimuli Perception Execution Machine Stimuli Human Responses Allocation of resources Reference Model of Cognition Page 21

22 La Percezione è legata al contenuto delle informazioni trasferite all uomo attraverso i normali recettori sensoriali, vale a dire: vista, udito, gusto, tatto e l'olfatto. L Interpretazione consiste, infatti, nella elaborazione di informazioni percepite, attraverso il confronto tra i segni/sintomi provenienti e rilevati dall'ambiente con quanto già acquisito e formalizzato La Pianificazione implica una scelta o uno sviluppo di un piano per il controllo manuale o azione da svolgere, ed è il risultato del precedente evolvere di processi cognitivi. L Esecuzione implica l'attuazione della decisione. La Memoria/Knowledge Base contiene tutta la precedente esperienza, le conoscenze (know-how) acquisite durante la formazione di un individuo sia attraverso la pratica. L Allocazione delle Risorse è un processo ancora più cruciale per l'intero modello cognitivo, in quanto descrive le risorse disponibili all'uomo. Page 22

23 Il modello SRK KNOWLEDGE-BASED BEHAVIOUR GOALS Identification Decision of task Planning SYMBOLS RULE-BASED BEHAVIOUR Recognition Association state/task Stored rules for tasks SIGNS SKILL-BASED BEHAVIOUR Feature Formation SIGNS Automated sensory-motor patterns SENSORY INPUT SIGNALS ACTIONS Page 23

24 In una sequenza standard, tutte le informazioni passano attraverso le attività di trattamento a regole dell operatore (Rule Based Behaviour). Tuttavia, sono possibili scorciatoie. Il comportamento Skill Based si ha quando la percezione sensoriale di stimoli genera una situazione ben conosciuta e familiare all uomo, il quale reagisce senza dover interpretate e ricercare le regole che definiscono il comportamento. Quando si incontra una situazione sconosciuta, inattesa o non familiare, può essere necessario il ricorso a conoscenza di base dei processi di funzionamento dei sistemi ed il ragionamento su funzioni causale e processi fisici (Knowledge Based Behaviour). Accoppiamento tra stimolo sensoriale e reazione istintiva ("Skill"); L esecuzione di insiemi di regole e/o procedure, richiamate consciamente alla memoria e verificate ("Rule"); Il processo analitico di risoluzione di un problema, che richiede un lavoro mentale laborioso e complesso ("Knowledge"). Page 24

25 Knowledge Based Level EVALUATION Information processing activities States of knowledge Ambiguity Ultimate goal INTERPRETATION System state Target state IDENTIFICATION TASK DEFINITION Set of observations Task OBSERVATION PLANNING Alert Rule Based Level Procedure ACTIVATION Skill Based Level EXECUTION Page 25

26 Model of Fallible Machine Sensory Inputs Focal Working Memory Peripheral Working Memory Similarity Matching Frequency Gambling Direct Search Knowledge Base Outputs Page 26

27 Sensory Inputs WM FWM PWM SM, FG, DS KB Outputs Knowledge Frames Knowledge Units KB = Knowledge Base PWM = Peripheral Working Memory FWM = Focal Working Memory FG = Frequency Gambling SM = Similarity Matching DS = Direct Search Page 27

28 Contextual Control Model - COCOM Due caratteristiche: natura ciclica dei meccanismi cognitivi dipendenza dal contesto. Modello delle Memory competenze \ Knowledge Base Due componenti: modello delle competenze modello del controllo. Interpretation Planning Perception Execution Data \ Measurements Actions Page 28

29 Modello del controllo Primitive di meta-conoscenza o regolatori del controllo: Esperienze precedenti Stima soggettiva del tempo Strategic Control Tactical Control Opportunistic Control Scrambled Control Page 29

30 Il modello SHEL(L) L E S H E L L H S H E L Software Hardware Environment Liveware S Page 30

31 Human (L) copre gli aspetti associati con l individuo e la sua performance, incluse le caratteristiche fisiche, gli aspetti fisiologici e psicologici; Liveware-environment interface (L-E) copre gli aspetti associati con l ambiente, inclusi i compiti, gli aspetti sociali ed i fattori di organizzazione e management, in aggiunta al lato puramente ambientale del lavoro; Liveware- hardware interface (L-H) si riferisce al sistema quale l aeromobile, le operazioni, la strumentazione, il software, e ogni materiale di supporto per svolgere i compiti; Liveware-software interface (L-S) considera separatamente gli aspetti di interfaccia che non sono direttamente tangibili, quali ad esempio il training, e le procedure; Liveware-liveware interface (L-L) si riferisce alle comunicazioni, supervisione, e controlli. Page 31

32 SHELL-T Air Traffic Controller H L E L H S Pilot S E H L L H S Co-Pilot Flight Engineer Page 32

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34 Implementazioni dei Modelli in Simulazioni numeriche Skill Based Behaviour (SBB) controllo manuale e il riconoscimento di situazioni note ( detection ) => ("signal detection theory") (Sheridan e Ferrel, 1974) sviluppati ed ampiamente applicati negli anni 80 Rule Based Behaviour (RBB) controllo e supervisione; teoria del controllo; regole di produzione; teoria degli insiemi sfumati PROCRU, OCDM,.. Knowledge Based Behaviour (KBB) sistemi di produzione e la modellistica funzionale, attori ecc. CES, OFMspert, COSIMO, AIDE. Page 34

35 Errori Umani L errore umano e definito come il fallimento nel raggiungere l obbiettivo desiderato di azioni pianificate, senza l intervento di eventi esterni imprevisti. Classi di errori 1. Le interazioni precedenti l'evento iniziatore di una sequenza incidentale; 2. Le interazioni relative al funzionamento dell'impianto in condizioni normali; 3. Le interazioni connesse con l'evento incidentale stesso Page 35

36 Modi e Tipi di Errori Umani Errori Attivi e Latenti Active Errors: Sono errori commessi da operatori di linea, cioè dagli attori primari nel processo di controllo di un sistema, i quali risultano sono immediatamente visibili nell evoluzione di un incidente. Latent Errors : Sono errori commessi ad alti livelli in seno ad un organizzazione ovvero in condizioni remote o distanti dal processo attivo di controllo, come, ad esempio, durante la manutenzione. Tali errori sono per loro natura complessi e difficili da scoprire in prima battuta. Page 36

37 Modi e Tipi di Errori Umani Tipologia Swain, 1987 Errori di Omissione: Mancate esecuzioni di azioni note e previste dalle procedure Errori di Commissione: Altri modi di errore, quali azioni inappropriate specifiche derivanti da errori di rappresentazione o da ragionamenti sbagliati oppure da diagnosi errate Page 37

38 Tipologia Reason, 1990 Slips: Lapses: Mistakes: sono associati con mancanze di attenzione o percezione e risultano in azioni osservabili non appropriate sono eventi cognitivi che normalmente coinvolgono una mancanza di memoria sono errori commessi ad alto livello cognitivo, che coinvolgono un processo che dipende dalle informazioni percepite, dalla pianificazione, giudizio e dalla formulazione di intenzioni. Violations: sono deviazioni dalle pratiche operative, da standards e regole di sicurezza. Page 38

39 Reason (1990) ha combinato una classificazione di human errors con il noto modello di Rasmussen (1986), (SRK model) che considera 3 possibili livelli di comportamento umano Skill-based level: routine e compiti altamente praticati, che sono messi in atto in maniera automatica. Rule-based level : regole e conoscenza acquisita applicate coscientemente attraverso l implementazione di comportamenti e procedure pre-programmati Knowledge-based level : principi di base e ragionamenti complessi sono applicati per sviluppare soluzioni e pianificare azioni di fronte ad una situazione completamente nuova senza referenza a passate esperienze. Page 39

40 Table I Errors and violations types and levels of human behaviour Levels of human behaviour Error types Violations types Skill-based Slips and Lapses Routine Violations Rule-based Rule based Mistakes Situation Violations Knowledge-based Knowledge based Mistakes Exceptional Violations Page 40

41 Tipologie di Errore Umano TTi ippi i TTi ippool looggi iee Modalità esecutiva Natura/temporalità Attivi x Latenti x Slips x Lapses x Mistakes x Violations x Omissioni x Commisioni x Page 41

42 Modalità di Errore Umano Modi di errore: forme che le diverse tipologie di errore possono assumere sotto il profilo della azione umana manifestazioni di errori Esempi di tali semplificazioni possono essere: La delimitazione di possibili "azione premature", definite come una manifestazione di errata esecuzione, a degli intervalli quali, ad esempio, 30' e 60' come le uniche due possibili azioni premature nel corso di incidenti in esame. La limitazione della manifestazione "troppo a lungo" a 30', 45' e 60', quali possibili durate incorrette delle azioni da intraprendere. La considerazione di un numero limitato e noto nelle sue forme per la rappresentazione del fenotipo "ripetizione", identificando a priori quali azioni possono essere ripetute Page 42

43 Nel contesto di un'analisi di fattori umani, il modello cognitivo, che agisce come paradigma di riferimento per la rappresentazione del comportamento dell'uomo, necessita il supporto di una corrispondente tassonomia capace di rappresentare in maniera ordinata e strutturata le azioni errate. Una tassonomia è una classificazione, vale a dire un insieme di categorie in cui vengono raccolti dei dati. Una tassonomia, nel dominio dell'analisi di sicurezza, mira a classificare le informazioni su un possibile incidente od evento indesiderato in modo sistematico, seguendo uno schema prestabilito ed è quindi anche un'ottima guida nella condotta dell'analisi dell'evento stesso. Page 43

44 TASSONOMIA Tabelle Cause < = > Effetti Modello Perc.-Inter.-Pian.-Esec. Cause Manifestazioni Impianto Interfacce Uomo- Macchina Interazione Uomo- Uomo Page 44

45 Grazie per la Vostra attenzione Page 45