核电厂事故规程自动化水平对人员心智负荷和作

在传统的模拟控制系统中,事故规程一般是纸质的,以下是核科学电厂事故规程自动化范文
【关 键 字】 核电厂  事故规程  自动化  心智员荷  作业绩效
【摘    要】 核电厂控制系统的数字化改变了操纵员在事故处理中的角色,带来了新的人因问题。本文以核电厂事故规程为研究对象,探讨规程的数字化对操纵员心智负荷和作业绩效的影响,实验以三种自动化水平的规程为自变量:纸质规程、电子规程、基于计算机的规程。实验结果显示:当自动化水平较高时,人员作业绩效较好且心智负荷有降低的趋势。实验结果可为核电厂操纵员培训及事故规程的自动化设计提供参考。
 
核电厂采用事故规程来指导操纵员执行事故处理操作[1]。经验丰富的操纵员在没有规程指引时也能执行一般的任务[2],但面对稍复杂的任务,例如机组的正常启停堆,大多数操纵员都表示具有较大的认知负荷[3]。因此,在紧急情况下操纵员必须根据事故规程的指引进行操作。根据呈现媒介的不同对规程进行分类,可分为纸质规程(Paper-Based Procedure, PBP)和数字化规程(Computerized Procedure, CP)两大类[4]。
 
在传统的模拟控制系统中,事故规程一般是纸质的,研究发现纸质规程系统存在诸多可能导致人因失误的因素,如:
 
(1) 操纵员需要手动在不同的规程中来回切换,增加了工作负荷[5],尤其是当出现叠加事故时,很多操纵员都会感觉思维混乱[6]。
 
(2) 操纵员执行规程中需要在不同载体中监视相关参数变化情况[7]。
 
(3) 信息显示是静态的,有时不能反映出电厂当前的真实状态[5]。
 
(4) 规程难以更新、升级 [7]。
 
随着计算机技术的快速发展和自动化水平的提高,事故规程也实现了数字化,在国际上,数字化规程的应用已成为先进主控室的重要标志之一[8]。数字化规程代表了纸质规程和先进人-系统界面的结合,借助相应的数字化控制系统,数字化规程还能为操纵员提供以下支持 [9, 10]:
 
(1) 点击导航链接即可完成程序切换,大大降低了紧急情况下的工作负荷。
 
(2) 可实现对参数的跟踪监视和动态跟踪电厂状态信息。
 
(3) 对规程中要求操纵员监视的相关参数集中显示,降低信息搜索的难度。
 
(4) 易于更新和升级。
 
由于数字化规程的先进性,通常认为在规程执行过程中能显著提高操纵绩效[1]。但是,数字化规程改变了操纵员的角色和所处的工作环境,数字化规程在带来自动化的同时也可能产生新的降低人员绩效的因素,如数字化显示界面的覆盖易使操纵员丧失对电厂状态的情境意识,降低操纵班组对电厂状态的理解[11]。
 
核电厂主控室人机界面的自动化设计,应当以提升人员绩效为主要目标,针对操纵员需要执行的任务进行详尽的人因工程分析、设计、验证。本文通过实验研究不同自动化程度事故规程对人员心智负荷、作业绩效的影响,以期为核电厂事故规程的自动化设计提供参考。
 
1 自动化水平
 
自动化可应用在人员信息处理的四个阶段[12]:(1) 监视;(2) 状态评估;(3) 响应计划;(4) 响应执行。根据在四个认知阶段不同程度的应用,自动化水平有不同程度的区分。最低水平的自动化,通常只整合信息以便于人员进行状态监视,而不提供其他任何形式的支持,而高水平的自动化则几乎不需人的任何干预。
 
数字化规程由于提供的功能不同,可划分为不同的自动化水平,EPRI定义了数字化规程的三种自动化水平[4]:
 
(1) 电子规程(Electronic Procedure, EP):以电脑显示屏呈现图像和文字,基本上是把纸质规程复制到电脑屏幕上,能提供最基本的支持,如能提供链接在相关规程中切换。
 
(2) 基于计算机的规程(Computer-Based procedure, CBP):
 
能够提供以下方面的支持:自动检索和显示完成当前规程步骤所需的具体信息;在规程界面或其他界面直接显示相关信息;关注电厂状态并追踪重要参数变化趋势;对紧急操作提供优先处理建议,但需操纵员最终决策。
 
(3) 基于规程的自动化(CBP with Procedure-Based Automation, CBP with PBA):操纵员可以对一系列规程步骤进行授权,由系统根据规程自动执行相关决策、操作。
 
表1 规程的自动化水平划分[4]
Table 1 The automation level divide of procedure[4]
 
2 实验设计
 
2.1 实验被试
 
本实验被试全部为核工程相关专业在校高年级本科生和研究生,年龄在20~27岁间,含14名男性及6名女性,均熟悉基本的电脑操作,但均无核电厂控制系统操作经验。
 
2.2 实验设备
 
实验采用湖南工学院自主研发的核电厂控制系统仿真平台(见图1),该平台完全参照某核电厂数字化主控室操纵员控制平台和人机界面,实验用规程也采用该核电厂真实的状态导向法事故规程(State-Oriented Procedure, SOP)。仿真平台硬件由四台19寸彩色液晶屏组成,从左至右分别编号为1~4号屏,实验中只有规程作不同自动化水平上的区分,具体操作均在该数字化平台上执行。
 
 
图1 实验平台
Fig.1 Experimental platform
实验选用蒸汽发生器传热管断裂事故(SGTR)为实验场景。SGTR事故在核电历史上已发生过多次,且该事故中操纵员的及时正确干预非常重要,相关操作规程步骤较多,具有代表性。SGTR事故中,如果操纵员及时按照规程作出正确响应,及时识别破管的蒸汽发生器并将其隔离,对反应堆降温降压,终止高压安注并实现破口两侧压力平衡从而终止泄漏,就可能不会有太严重后果,但如果操纵员不能及时作出正确响应,一回路冷却剂则可能通过二次侧卸压阀、安全阀直接排放到环境中,并且破损的蒸汽发生器可能满溢,大大加剧事故的放射性后果。
 
2.3 实验变量
 
实验自变量为事故规程最常用的三种自动化水平:纸质规程(PBP)、电子规程(EP)、基于计算机的规程(CBP)。每名被试都需完成三种自动化水平规程的实验,三种自动化水平说明如下:
 
(1) PBP:将实验所需的操作流程以纸质形式呈现,规程本身完全独立于电脑。
 
(2) EP:将纸质规程以图片形式呈现于电脑屏幕,在相关联的规程间、规程与操作界面间提供链接。
 
(3) CBP:在EP的基础上,还能自动显示正在执行的规程步骤需监视及操作的参数、系统。
 
实验的因变量为:人员心智负荷、作业绩效。测量方法如下。
 
(1) 心智负荷
 
实验采用NASA Task-Load-Index(NASA-TLX)量表[13]测量被试的心智负荷水平。NASA-TLX是一种一致性较高且被广泛使用的主观测量方法,有六项代表性指标:心智需求、体力需求、时间需求、自我绩效、努力程度、挫折程度。被试在每次实验结束后根据其在实验中的主观体验对各项指标进行评分,并通过两两对比的方法定义各项指标权重。
 
(2) 作业绩效
 
实验以被试在规定时间内执行规程的步骤数量作为其作业绩效指标。
 
2.4 实验流程
 
实验开始前给每位被试一份实验手册,并进行了3小时的培训,其内容包括:本研究的目的;核电厂主要系统知识;仿真平台操作方法和规程使用方法。培训完后每名被试执行不低于三次的操作练习。
 
20位实验被试采取随机抽取顺序分别完成前述三种自动化水平规程的执行,在SGTR事故处理过程中,被试还需关注状态显示界面上的各项电厂状态信息,如设备状态、参数趋势等。在每次实验操作完成后,被试根据该自动化水平规程操作过程中的主观感受填写NASA-TLX问卷,填写完后休息10分钟,继续进行下一个自动化水平的规程作业实验。
 
3 实验结果与讨论
 
本节采用SPSS 19作为统计工具对实验中获取的数据进行分析,探讨不同自动化水平规程对人员绩效的影响。
 
3.1 心智负荷
 
首先对NASA-TLX中的六个维度进行维度间相关性比较(见表2),数据显示,六维度间均为无相关或弱相关,说明采用NASA-TLX量表作为实验的心智负荷测量工具是合适的。
 
表2 NASA-TLX六维度相关性比较
Table 2 The correlation analysis of six dimension of NASA-TLX
 
三种自动化水平规程下人员心智负荷得分如图2所示,可见随着规程自动化水平的提高,人员的心智负荷水平呈不断降低的趋势。
 
 
图2 三种自动化水平上人员心智负荷得分
Fig.2 The comparison of mental workload score in each automation level
对三个自动化水平上人员心智负荷分数作单因素方差分析,可知自变量在三个水平上对人员心智负荷水平有显著影响(F=24.083,P=0.000<0.05)。对不同自动化水平上人员心智负荷分数做LSD多重比较,由数据(见表3)可知,不同自动化水平规程间的心智负荷均有显著差异,使用PBP时心智负荷显著高于使用EP和CBP时,使用EP的心智负荷显著高于CBP。可能原因是,使用PBP时,人员需要手动在不同规程间切换,且在搜寻界面以及寻找参数、设备上消耗较高的注意力资源,从而导致人员较高的心智负荷;使用EP时,降低了人员切换规程和寻找界面的难度,但界面管理任务对注意力资源的消耗也给人员带来较高的心智负荷。
 
表3 心智负荷得分LSD多重比较
Table 3 LSD multiple comparison of mental workload score
 
*:均值差的显著性水平为 0.05。
对三个自动化水平上NASA-TLX量表中六项指标分别作单因素方差分析,发现只有体力需求在不同自动化水平上存在显著差异(F=20.079,P=0.000<0.05),且随着规程自动化水平的升高有不断降低的趋势(见图3)。
 
对不同自动化水平上人员体力需求分数做LSD多重比较,由数据(见表4)可知,被试执行不同自动化水平规程时的体力需求均有显著差异,使用PBP时体力需求显著高于使用EP和CBP时,使用EP的体力需求显著高于CBP。说明自动化的提高将由人执行的动作更多交由计算机完成,有效降低了人员体能上的负荷,人员可将分配到操作动作上的注意力资源更多地分配到对系统和参数的分析上来。
 
 
图3 三种自动化水平上人员体力需求得分
Fig.3 The comparison of physical demand score in each automation level
表4 体力需求得分LSD多重比较
Table 4 LSD multiple comparison of physical demand score
 
*:均值差的显著性水平为 0.05。
对NASA-TLX量表中六项指标得分均值做比较(见图4),发现在六项指标中,心智需求得分最高,可能原因是在SGTR事故过程中,系统状态快速变化,需要被试进行大量的分析与决策;时间需求得分最低,可能原因是,在仿真平台上的操作均不会造成后果,因此对被试难以形成时间压力。
 
 
图4 主观负荷六项指标均值比较
Fig.4 Mean value comparison of six dimension of NASA-TLX
3.2 作业绩效
 
三种自动化水平规程下人员作业绩效如图5 所示,由图可知,随着规程自动化水平的提高,人员作业绩效也呈不断提升的趋势。
 
 
图5 三种自动化水平上人员作业绩效
Fig.5 The comparison of operation performance in each automation level
对三个自动化水平上人员作业绩效作单因素方差分析,可知自变量在三个水平上对人员作业绩效有显著影响(F=47.501,P=0.000<0.05)。对不同自动化水平上人员作业绩效做LSD多重比较,由数据(见表5)可知,不同自动化水平规程间的人员作业绩效均有显著差异,使用CBP时作业绩效显著高于使用EP和PBP时,使用EP的作业绩效显著高于PBP。原因主要在于,自动化程度的变化带来了任务的重新分配,使用CBP时,将PBP和EP下由人执行的切换规程以及界面管理任务等工作分配给电脑执行,因此提升了人执行主任务的绩效水平。
 
以上讨论表明,事故规程自动化水平的提升,对人员心智负荷、作业绩效等方面均有良性影响。但值得注意的是,当自动化水平较高时,有可能导致人员过度依赖自动化控制系统而产生松懈,降低其情景意识,在电厂状态演变与预期不符时,则可能大大增加操纵员的心智负荷,而作业绩效也可能显著降低,这一点尤其值得重视。
 
表5 作业绩效LSD多重比较
Table 5 LSD multiple comparison of operation performance
 
*:均值差的显著性水平为 0.05。
3.3 心智负荷与作业绩效的相关性
 
对实验获得的心智负荷和作业绩效数据作相关性分析,数据(r=-0.652, P=0.000<0.05)显示,心智负荷与作业绩效呈现中度负相关,即在实验中被试承受的心智负荷范围内,随着心智负荷的升高,人员作业绩效有降低的趋势(见图6)。因此在事故规程的自动化设计中,应当充分考虑对系统对人员心智负荷的影响,尽量避免让人员产生过高的心智负荷,以提高人员作业绩效。
 
 
图6 心智负荷与作业绩效的关系散点图
Fig.6 Scatter diagram of mental workload and operation performance
4 结论
 
本文通过实验来研究不同自动化程度事故规程对人员绩效的影响,由实验结果与讨论可知,规程的自动化给人员的操作带来了诸多益处,如随着自动化水平的提高,提升了人员作业绩效,降低了人员的心智负荷水平,特别是降低了人员的体力需求水平,表明计算机的辅助能将人从繁琐的操作动作中解放出来,操作者可将更多的注意力资源分配至执行主任务。
 
在核电厂事故工况下,事故规程的可靠性将显著影响操纵员对系统状态的评估和决策,本文的研究结果可为核电厂操纵员培训及事故规程的自动化设计提供参考。本研究的限制在于,真实核电厂中是由操作班组执行事故处理,本研究只以单一人员绩效作为研究对象,且本文的研究仅考虑自动化水平对心智负荷与作业绩效的影响,而规程自动化对于情景意识、人因可靠性的影响也是极为重要的课题,这都是后续研究中需要考虑的问题;此外,操纵员在执行事故处理的不同阶段心智负荷与作业绩效的变化也是非常值得研究的议题。
 
参考文献:
 
[1] Chiuhsiang Joe Lin, Tsung-Ling Hsieh, Chih-Wei Yang, et al.The impact of computer-based procedures on team performance, communication, and situation awareness.International Journal of Industrial Ergonomics, Volume 51, February 2016, Pages 21-29.[2] Chang SH, Choi SS, Park JK, et al. Development of an advanced human-machine interface for next generation nuclear power plants.Reliability Engineering & System Safety 1999; 64(1):109-126.[3] Peng Liu, Zhizhong Li.Comparison of task complexity measures for emergency operating procedures: Convergent validity and predictive validity.Reliability Engineering & System Safety, Volume 127, July 2014, Page 97.[4] Electric Power Research Institute (EPRI), 2009, Computerized procedures design and implementation guidance for procedures, associated automation and soft controls.(EPRI TR-1015313).Palo Alto, CA: Electric Power Research Institute.
 
[5] Fink, R., Killian, C., Hanes, L.Guidelines for the design and implementation of computerized procedures.Nuclear News, 2009, 52(3), 85-88.[6] Converse. Evaluation of the Computerized Procedure Manual II (COPMA II), NUREG/CR-6398.Washington, DC: US Nuclear Regulatory Commission.1995.[7] Niwa Y, Erik Hollnagel, Mark Green.Guidelines for computerized presentation of emergency operating procedures.Nuclear Engineer and Design.1996, 167(2):113-127.
 
[8] Niwa Y, Takahashi M, Kitamura M. The Design of Human-Machine Interface for Accident Support in Nuclear Power Plants[J].Cognition, Technology & Work, 2001, (3): 161-176.
 
[9] 李鹏程,张力,戴立操.核电厂数字化人-机界面特征对人因失误的影响研究[J].核动力工程,2011, 32(1):48-51.
 
[10] 刘飞,张志俭,彭敏俊.核电站计算机化规程显示技术分析[J].核科学与工程,2007, 27(2):120-125.
 
[11] Kawai, K., Takizawa, Y., & Watanabe, S.(1999).Advanced automation for power-generation plants-past, present and future.Control Engineering Practice, 7(11), 1405-1411.
 
[12] Parasuraman, R., Sheridan, T.B., and Wickens, C.D.(2000).A model for types and levels of human interaction with automation, IEEE Trans.On SMC-Part A: Systems and Humans, 30(3), 286-297.
 
[13] Hart, S.G.and Staveland, L.E.(1988).Development of NASA-TLX (Task Load Index): Results of empirical and theoretical research.In P.A.Hancock and N.Meshkati, Human mental workload (pp.139-183).Elsevier Science Publishers.
 
青涛,张力,周杰,罗克川
【作者机构】 南华大学核科学技术学院;湖南工学院;中广核核电运营有限公司
【来    源】 《核科学与工程》 2017年第3期P450-457页

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