A rule-based human reliability assessment to enhance shipauxiliary machinery maintenance operations

Abstract

The maintenance operations that carrying out in the engine room are essential for the availability, reliability and smooth running of machinery systems. Thus, maintenance activities should be executed in accordance with a predetermined schedule. In order to standardize this, a planned maintenance schedule (PMS) is widely utilized in the merchant ships. Therefore, the machinery systems should be maintained in accordance with the PMS guidelines. However, these labor intensive actions may end with undesired results due to human errors. Since the human error is responsible for the majority of operational accidents in many industrial domains; estimating the human reliability in accordance with the engine room conditions becomes an important issue. For this reason, human factor studies focus on the more specific, domain based analysis lately. In industrial working environments, there can be Error Producing Conditions (EPC) which may increase the error likelihood of human actors. The EPC often arise from safety issues which can be detected by a proper analysis during or prior to an operation. In the literature, there are 38 different EPC have been identified within the conventional human error assessment and reduction technique (HEART) method. The method calculates human error probability (HEP) not only with the EPC, but also the generic task types (GTT). For this reason, there are also 9 different GTT have been identified with the comprehensive task descriptions. These comprehensive descriptions make GTT a very convenient parameter for different industrial fields. As a result, industry specific human reliability studies modify the EPC parameters rather than GTT. In the literature, the EPC values have been redetermined for particular domains such as nuclear plants, railways, aviation and maritime. In the maritime, the EPC values have been adopted in shipboard operations via shipboard operations human reliability analysis (SOHRA). The SOHRA is a special method that could be implemented in all operations on-board a ship. However, maintenance and operational tasks in the engine room involve a vast number of peculiar actions in comparison with the other shipboard operations. The significant discrepancy between the job definitions of the deck and engine room crew is evidence to this question. Seafarers in the deck perform a multitude of tasks on a vessel, but essentially navigate the vessel from the bridge, whilst; engine room officers are responsible for the maintenance and operation of propulsion systems and auxiliary machinery, in addition to other engine room duties. For this reason, an extension of SOHRA which particularly focuses on engine room crew is fundamental to carry out more accurate human reliability analysis. Therefore, operational safety in marine engineering maintenance and operations can be enhanced with more sensitive HEP calculations along with the pinpointly taken countermeasures. For the reasons mentioned above, this study proposes marine maintenance and operations human reliability analysis (MMOHRA) approach by determining marine engineering specific EPC, as an extension of SOHRA. The EPC in MMOHRA is calculated through meticulously analysed historical data of ship accidents that occurred between 2008-2018. During this phase, there are 1380 ship accident investigation reports are examined and only 70 of them are selected to establish the accident database. The reason of this, there are three important criteria are considered when filtering the investigation reports; i) The accident must be sourced by human error of the engine reeom crew, ii) Accidents should be recent, iii) Accident investigation reports must contain clear evidences. In conclusion, an amount of 435 accident causes is derived from the 70 reports. In the classification phase of accident causes, the human factor analysis and classification system (HFACS) is adopted into marine engineering by suggesting HFACS for marine maintenance and operations (HFACS-MMO) method due to requirement of marine specific new classification layers. In addition to these, a rule based good practice tool of MMOHRA is introduced in order to response EPC and GTT assignment challenge of marine experts. The tool is developed upon a software code which is written through "Python 3" language. Besides, SQLite database is also used in order to embed EPC and GEP values of MMOHRA. Therefore, this tool can be applied to a digital engine room environment to support safety level of a ship. The MMOHRA is demonstrated with the case studies of ship auxillary machinery maintenance operations, namely; screw pump overhaul, HFO separator overhaul and diesel generator overhaul. Firstly, the MMOHRA is implemented in a three-rotor screw pump overhaul of a general cargo ship. Therefore, the difference between the MMOHRA and SOHRA results are highlighted. Second, the HFO separator overhaul is investigated in five different ships' conditions via MMOHRA practical calculation tool. Comparison between the results of classical MMOHRA application and good practice tool based application is provided. Finally, a detailed diesel generator overhaul is inspected under PMS conditions via MMOHRA tool. This time, recovery actions for the ship are identified and MMOHRA framework is completely implemented. Since therefore, this study contributes to the maritime safety literature via proposing meticulously studied significant approaches: MMOHRA and HFACS-MMO. Herein, not only the marine engineering specific EPC values are re-determined but also all descriptions are re-written for marine maintenance and operations. Additionally, the safety deficiencies of accidents that have major impact towards the establishment of HFACS-MMO are highlighted. Besides, safety issues of certain ships are detected and valuable recovery actions are provided via case studies. Moreover, rule based structures for GTT and EPC are discovered and utilized in a software code to create good practice tool of MMOHRA, which can be used by marine experts in marine maintenance and operations.

İnsan güvenilirliği çalışmalarının önemli bir kısmı, yapılacak olan operasyonun görev tanımları ve çalışma ortamının koşulları göz önüne alınarak gerçekleştirilmektedir. Çalışma ortamlarında, insan hatalarının meydana gelme olasılığını artıran bir takım hata üreten koşullar (Error Producing Conditions - EPC) mevcut olabilir. EPC'ler genellikle, bir operasyon başlamadan önce veya operasyon esnasında yapılabilecek olan uygun bir analizle tespit edilebilmektedir. Bu nedenle, insan güvenilirlik analizi, birçok sanayi kuruluşunda insan kaynaklı iş kazalarının önlenmesinde önem arz etmektedir. Literatürde, insan hatası değerlendirme ve azaltma tekniği (Human Error Assessment and Reduction Technique - HEART) yönteminde 38 farklı EPC tanımlanmıştır. Bu yöntem, insan hatası olasılığını (Human Error Probability – HEP) iki ana parametreye göre hesaplamaktadır. Bunlardan ilki, biraz önce bahsi geçen EPC; diğeri ise, operasyonel görevlerin türünü tespit etmeye yarayan genel görev türleridir (General Task Types - GTT). GTT, kapsamlı olarak tanımlanmış 9 farklı görev sınıfına göre görevleri kategorize etmektedir. GTT'nin tanımlamaları herhangi bir endüstriye özgü olarak belirlenmediğinden, farklı endüstriyel alanlar için kullanılabilir bir parametre olarak karşımıza çıkmaktadır. Bu nedenle, endüstriyel alan bazında özelleşmiş insan güvenilirliği çalışmaları EPC parametreleri üzerine yoğunlaşarak, özel EPC değerleri tanımlarken, orijinal HEART yöntemindeki GTT değerlerini kullanmaya devam ederler. Literatürde, EPC değerleri nükleer santraller, demiryolları, havacılık ve denizcilik gibi belirli alanlar için yeniden belirlenmiş ve böylece endüstri özelinde insan güvenilirliği analizi çalışmaları ortaya konulmuştur. Denizcilikte, EPC değerleri, gemi operasyonlarında insan güvenilirliği analizi (Shipboard Operations Human Reliability Analysis - SOHRA) metotuyla yeniden tanımlanmıştır. SOHRA, bir gemideki tüm operasyonlarda uygulanabilecek bir şekilde tasarlanmış, kapsamlı bir yöntemdir. Ancak, makine dairesindeki bakım-onarımlar ve rutin operasyonel görevler, diğer gemi operasyonlarına göre yüksek oranda farklılık gösterir. Güverte zabitlerinin iş tanımları ile makine vardiya zabitlerinin iş tanımları arasındaki temel farklılıklar bu hipotezi doğrulamaktadır. Bu nedenle, makine dairesindeki operasyonlardan doğabilecek insan hatalarının analizi için daha özel bir yaklaşıma ihtiyaç duyulmaktadır. Bu sağlandığı takdirde, gemi bakım-onarımı ve operasyonlarındaki insan güvenilirliği analizi daha hassas ve tutarlı HEP hesaplamaları ile gerçekleştirilebilecektir. Diğer taraftan, makine dairesinde gerçekleştirilen bakım-onarım operasyonlarının etkin bir biçimde gerçekleştirilmesi, ana ve yardımcı makinelerin verimliliği, güvenilirliği ve dayanıklılığı için büyük önem taşımaktadır. Bu nedenle, bakım-onarım faaliyetleri doğru zamanında yürütülmelidir. Bunu sağlamak için, gemilerde planlı bakım takvimi (Planned Maintenance Schedule - PMS) günümüzde yaygın olarak kullanılmaktadır. PMS'ye göre makineler ve diğer yardımcı sistemler, belirli dönemler ve belirli çalışma saatleri temel alınarak gerçekleştirlir. Ancak literatürde, gemi ortamına uygulanma potansiyeli bulunan bir takım yeni yaklaşımlar mevcuttur. Aslında, bir gemiye yeni bir bakım tekniği uygulamak pek çok zorluğa sahiptir. Buna rağmen, 'dijitalleşme ve denizcilik' konusu akademik ve endüstriyel çevrelerce sık sık gündeme getirilmektedir. Çünkü yakın gelecekte, teknolojik ilerlemelerin ve dijitalleşmenin öyle ya da böyle denizciliği de kapsayacak olması kaçınılmaz olarak görülmektedir. Özellikle son yıllarda, dijitalleşme olgusu küresel çapta hızla ivme kazanmıştır. Pek çok sektör, giderek yaygınlaşmakta olan ileri teknoloji cihaz ve donanımları etkin bir biçimde kullanmakta ve büyük bir sanayi devrimi için hazırlanmaktadır. Gelişmekte olan teknoloji ve bilimsel yaklaşımların harmanlanmasıyla elde edilen başarılı uygulamalara her geçen gün yeni örnekler eklenmektedir. Dolayısıyla, bir işyerinde çalışan insanların görev ve sorumluluklarının gelecekte ne gibi değişimler yaşayacağı tartışılmaktadır. Genel kanı, operasyonel süreçlerin otomasyonu ile insanların iş yükünün büyük ölçüde azalacağı şeklindedir. Ancak, insan-makine etkileşimlerinin önemli ölçüde değişecek olması nedeniyle bir takım yeni zorlukların ortaya çıkması da beklenmektedir. Bu durum, mevcut emniyet önlemlerinin yeniden şekillenmesine yol açacaktır. İnsan hatası, iş kazalarının çoğundan sorumlu olduğu için; insan güvenilirliğinin gelecekteki koşullara uygun olarak tahmin edilmesi daha da önemli bir hale gelmektedir. Bu nedenle, insan güvenilirliği konusundaki yeni çalışmaların, günümüz şartlarına ek olarak; yakın gelecekteki endüstriyel şartların emniyet faktörüne olan etkilerine yönelik daha doğru tahminler ve öneriler yapmak üzere dijital ortamlara daha çok odaklanmaları beklenmektedir. Yukarıda belirtilen nedenlerden dolayı bu çalışma, 38 adet EPC parametresini SOHRA'nın bir uzantısı olarak yeniden belirlemekte ve böylelikle özelleştirilmiş gemi bakım-onarım ve operasyonları insan güvenilirliği analizi (Marine Maintenance and Operations Human Reliability Analysis - MMOHRA) yaklaşımını sunmaktadır. MMOHRA'daki EPC değerleri, 2008-2018 yılları arasında meydana gelen gemi kazalarının titizlikle incelenmesi ve emniyet hatalarının derlenerek ortaya çıkarılması sonucu elde edilen veriler aracılığıyla hesaplanmıştır. Bu aşamada, 1380 gemi kazası inceleme raporu dikkate alınmış ve bunlardan sadece 70'i tezin veritabanına uygun bulunmuştur. Bunun nedeni, raporların seçimi aşamasında üç önemli kritere hassasiyet gösterilmiş olmasıdır, bunlar; i) Kazanın makine dairesi kaynaklı insan hatası nedeniyle meydana gelmiş olması, ii) Kazaların güncel olması, iii) Kaza soruşturma raporlarının güvenilir olup somut çıkarımlar yapılabilecek nitelikte olmasıdır. Sonuç olarak, 70 rapordan 435 kaza sebebi ortaya çıkarılmıştır. Kaza nedenlerinin sınıflandırma aşamasında insan faktörü analizi ve sınıflandırma sistemi (Human Factor Analysis and Classification System - HFACS) kullanılmak istenmiş, ancak kaza sebepleri incelendiğinde denize özgü yeni sınıflandırma sisteminin gerekli olduğu sonucuna varılmıştır. Bu nedenle, gemi bakım-onarım ve operasyonları için HFACS (Human Factor Analysis and Classification System for Marine Maintenance and Operations - HFACS-MMO) yöntemi önerilmiştir. Ek olarak, MMOHRA'nın uygulama aşamasında, uzmanların EPC ve GTT atama zorluklarına yanıt vermek amacıyla kural tabanlı bir hesaplama aracı geliştirilmiştir. Bu araç, "Python 3" dilini kullanarak pratik insan güvenilirliği hesaplaması yapmaya elverişli bir yazılımdan oluşmaktadır. Bu nedenle, geliştirilmeye açık olan bu araç, gelecekte bir geminin emniyet seviyesini destekleyebilecek nitelikte, dijital ortamlarla uyumlu olabilecek bir biçimde tasarlanmıştır. Daha sonra, MMOHRA yöntemi gemi yardımcı makineleri bakım-onarım operasyonlarına uygulanarak gerçek gemiler üzerinde gösterimi gerçekleştirilmiştir. MMOHRA üç farklı yardımcı makine işlemi üzerine uygulanmıştır; i) Vidalı pompa bakım-onarımı, ii) Ağır yakıt seperatörü bakım-onarımı ve iii) Dizel jeneratör bakımonarımı. İlk saha çalışmasında MMOHRA, bir genel kargo gemisinin üç vidalı pompası üzerine uygulanmış ve SOHRA ile arasındaki farklar vurgulanmıştır. Ağır yakıt seperatörü bakım-onarım operasyonunda ise MMOHRA; kural tabanlı hesaplama aracı yardımıyla beş farklı gemiye ayrı ayrı uygulanarak farklı gemi koşullarında insan güvenilirliği analizini gerçekleştirilmesini sağlamıştır. Ayrıca, bahse konu hesaplama aracı olmadan, eski yöntemle de hesaplanmış ve sonuçlar arasında karşılaştırma yapılmıştır. Son olarak, bir dizel jeneratör bakım-onarım operasyonuna uygulanmış ve PMS koşulları altında insan güvenilirliğini sorgulamıştır. Bu kez, gemi için emniyet tedbirleri gözden geçirilmiş ve emniyet zafiyetlerinin giderilmesinde etkin rol oynanmıştır. Buna ek olarak, inovatif bir takım değişiklikler önerilmiş, daha dijital bir makine dairesi ortamının makine zabitleri üzerindeki uzun vadeli potansiyel etkilerine dikkat çekilmiştir. Sonuç olarak, bu çalışma titizlikle elde edilmiş önemli yaklaşımlar sunarak, denizcilikte emniyet literatürüne önemli katkılar sağlamaktadır. Bunlardan en önemlileri; MMOHRA ve HFACS-MMO yaklaşımlarıdır. Burada, sadece makine dairesinde kullanılacak olan rakamsal EPC değerleri yeniden belirlenmemiştir, aynı zamanda tüm EPC tanımlamaları gemi bakım-onarım ve operasyonları için yeniden ifade edilmiştir. Ayrıca, HFACS-MMO'nun oluşturulmasına büyük etkisi olan kazaların güvenlik eksiklikleri vurgulanmış, geçmiş kazalardaki emniyet zafiyetleri tartışılmıştır. Buna ek olarak, saha çalışmalarıyla birçok geminin emniyet sorunları tespit edilmiş ve etkin çözümler önerilmiştir. Ayrıca, denizcilikte uzman kişiler tarafından gemi bakım-onarım ve operasyonlarında kullanılabilecek pratik MMOHRA hesaplama aracı oluşturulmuş ve endüstriye kazandırılmıştır.