核電廠人因工程集成系統(tǒng)確認(rèn)

方 舟（上海核工程研究設(shè)計(jì)院, 上海 200233）

核電廠人因工程集成系統(tǒng)確認(rèn)

方 舟
（上海核工程研究設(shè)計(jì)院, 上海 200233）

核電廠控制室除了成百上千的人機(jī)接口資源，還是一個(gè)包括規(guī)程、操縱員、環(huán)境、組織和管理等多種要素的復(fù)雜集成系統(tǒng)。在設(shè)計(jì)階段，這些要素往往由不同的負(fù)責(zé)方分別進(jìn)行考慮。然而在實(shí)際核電廠運(yùn)行中，這一集成系統(tǒng)能否順利配合，是否具有良好的人因工程設(shè)計(jì)水平，以避免人員失誤，都是在電廠交付前開展的集成系統(tǒng)確認(rèn)活動(dòng)需要解決的問(wèn)題。文章借助某核電項(xiàng)目的開展，研究和實(shí)踐人因工程集成系統(tǒng)的確認(rèn)技術(shù)；介紹集成系統(tǒng)確認(rèn)試驗(yàn)的背景、流程以及方法；討論試驗(yàn)的開展情況及結(jié)果；總結(jié)整項(xiàng)研究工作中獲得的經(jīng)驗(yàn)。

人因工程；驗(yàn)證和確認(rèn)；集成

近年來(lái)，全球核電行業(yè)對(duì)人因工程（HFE）的重要性已達(dá)成共識(shí)，HFE也成為核電設(shè)計(jì)和安全審評(píng)中必不可少的內(nèi)容。文章對(duì)人因工程集成系統(tǒng)確認(rèn)（ISV）的方法進(jìn)行了自主深入研究，并將結(jié)果應(yīng)用于一個(gè)30萬(wàn)kW壓水堆的工程實(shí)踐中。研究中，核電廠主控制室（MCR）屬于混合型控制室，不但具有傳統(tǒng)的模擬顯示和控制設(shè)備，還具有一個(gè)無(wú)控制功能的電廠計(jì)算機(jī)系統(tǒng)（CPC）。而應(yīng)急控制室（ECR）則完全由傳統(tǒng)模擬設(shè)備實(shí)現(xiàn)。

整個(gè)HFE項(xiàng)目的開展，完全遵循了NUREG 0711[1]的要求，并且項(xiàng)目持續(xù)數(shù)年。根據(jù)NUREG 0711，人因工程項(xiàng)目可劃分為4個(gè)階段（計(jì)劃和分析、設(shè)計(jì)、驗(yàn)證和確認(rèn)、實(shí)施和運(yùn)行），共12個(gè)要素。ISV是驗(yàn)證和確認(rèn)（V&V）的活動(dòng)之一。同時(shí)，ISV也和V&V之外的一些要素存在聯(lián)系。例如，運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)評(píng)審收集了參考核電廠的負(fù)面評(píng)價(jià)及改進(jìn)建議。人員可靠性分析識(shí)別了核電廠的風(fēng)險(xiǎn)重要任務(wù)和關(guān)鍵人員操作。任務(wù)分析則基于規(guī)程分析了是否存在完備的人機(jī)接口（HSI）資源，足以支持操縱員以可接受的負(fù)荷完成運(yùn)行任務(wù)。在HSI設(shè)計(jì)中，本項(xiàng)目開展了分別針對(duì)大屏幕（LDP）、CPC顯示畫面和CPC報(bào)警功能的3次工程試驗(yàn)。并基于全尺寸的MCR實(shí)體模型，采用導(dǎo)則比對(duì)和情境走查法進(jìn)行了HSI資源靜態(tài)特性的驗(yàn)證。

作為V&V活動(dòng)的一部分，ISV在人因工程分析和設(shè)計(jì)工作完成后，核電廠投運(yùn)前展開。相對(duì)于靜態(tài)的驗(yàn)證工作，ISV則綜合考慮硬件、軟件、規(guī)程、操縱員、工作環(huán)境等因素，采用涵蓋了一系列有代表性的試驗(yàn)情境的基于人員效能的試驗(yàn)，來(lái)論證和評(píng)估HSI設(shè)計(jì)的可用性和容錯(cuò)性，以及規(guī)程、培訓(xùn)和控制室人員配備水平的充分性，從而確定其能否合適地支持電廠安全運(yùn)行?？梢哉f(shuō)，作為HSI資源的最終可用性試驗(yàn)，ISV體現(xiàn)了人因失誤縱深防御的理念。

1 方法

ISV試驗(yàn)是一個(gè)需要多方參與，準(zhǔn)備周期較長(zhǎng)的活動(dòng)。在ISV試驗(yàn)開始前，業(yè)主應(yīng)完成規(guī)程的詳細(xì)開發(fā)和驗(yàn)證，以及模擬機(jī)的調(diào)試驗(yàn)收工作，參與試驗(yàn)的操縱員也應(yīng)完成一定的培訓(xùn)。同時(shí)，設(shè)計(jì)院則通過(guò)運(yùn)行條件取樣活動(dòng)確定試驗(yàn)情境。在完成試驗(yàn)設(shè)計(jì)之后，應(yīng)針對(duì)每個(gè)情境開展充分的預(yù)試驗(yàn)，以優(yōu)化情境設(shè)計(jì)和試驗(yàn)設(shè)計(jì)。在正式試驗(yàn)開始前，還需按要求挑選有資質(zhì)的操縱員作為試驗(yàn)被試，組織和建立來(lái)自不同領(lǐng)域的工作人員團(tuán)隊(duì)，并完成工作人員和被試的培訓(xùn)工作。正式試驗(yàn)與數(shù)據(jù)收集、處理和初步分析可以同步進(jìn)行。在完成分析后，在整個(gè)ISV試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)的人因工程HED將輸入給HED解決活動(dòng)。下面將詳細(xì)介紹ISV活動(dòng)的一些重點(diǎn)環(huán)節(jié)。

1.1 情境選擇

由于核電廠設(shè)計(jì)包含成百上千個(gè)單獨(dú)的HSI設(shè)備，電廠運(yùn)行情況也復(fù)雜多樣，對(duì)所有的任務(wù)開展確認(rèn)試驗(yàn)既不現(xiàn)實(shí)也沒有必要，為此需要采用適當(dāng)?shù)牟呗裕ㄟ\(yùn)行條件取樣）來(lái)選擇ISV情境。

在選擇情境時(shí)，需要綜合考慮以下因素：1）核電廠工況（正常運(yùn)行、故障、瞬態(tài)和事故）；2）人員任務(wù)（風(fēng)險(xiǎn)重要的人員操作、系統(tǒng)和事故序列、知識(shí)型的任務(wù)和高頻度執(zhí)行的任務(wù)）；3）狀態(tài)因素（運(yùn)行上困難的任務(wù)和高工作負(fù)荷狀態(tài)）。

鑒于研究核電廠屬于改進(jìn)項(xiàng)目，所有對(duì)人員效能有潛在影響的設(shè)計(jì)改進(jìn)項(xiàng)也需重點(diǎn)分析，確定確認(rèn)策略。為了確保所選情境的覆蓋性和代表性，研究開發(fā)了運(yùn)行條件取樣代表性分析表，最終確定了6個(gè)情境。研究還為每一個(gè)情境編制了一份說(shuō)明書，對(duì)情境假設(shè)條件、初始工況、事件描述、終止條件、使用到的規(guī)程和情境步驟列表等內(nèi)容進(jìn)行了闡述。同時(shí)，研究還開發(fā)了綜合規(guī)程、HSI資源、班組任務(wù)分配等信息的觀察員指南以支持觀察員的工作。

1.2 ISV平臺(tái)

ISV采用全范圍培訓(xùn)模擬機(jī)作為試驗(yàn)平臺(tái)，其模擬范圍包括MCR和ECR。在試驗(yàn)前，需要確保模擬機(jī)良好再現(xiàn)了實(shí)際的控制室設(shè)施，即其在物理、功能、環(huán)境、數(shù)據(jù)完整性和動(dòng)態(tài)特性等方面具有較高的逼真度。

1.3 資質(zhì)及培訓(xùn)

經(jīng)過(guò)充分培訓(xùn)、合格的操縱員可作為被試參與ISV試驗(yàn)，因?yàn)樵趯?shí)際運(yùn)行中控制室和相應(yīng)的HSI資源將僅供其使用。作為最終用戶，目標(biāo)核電廠的操縱員作為被試參與了試驗(yàn)。由于ISV試驗(yàn)的范圍是MCR和ECR，在試驗(yàn)中就地操作員由模擬機(jī)教練員扮演。

為了ISV試驗(yàn)的順利開展，為所有被試班組提供了半天的標(biāo)準(zhǔn)化培訓(xùn)。培訓(xùn)包括課堂和實(shí)地兩個(gè)環(huán)節(jié)，內(nèi)容主要是ISV介紹、設(shè)計(jì)改進(jìn)項(xiàng)和規(guī)程整體性回顧。

工作人員主要有觀察員、模擬機(jī)教練員和軟、硬件支持人員。為了確保發(fā)現(xiàn)盡可能多的問(wèn)題，觀察員來(lái)自設(shè)計(jì)院和業(yè)主（參與預(yù)試驗(yàn)的操縱員）單位，涵蓋了人因、儀控、概率安全評(píng)價(jià)和運(yùn)行多個(gè)專業(yè)的專家組成。考慮到背景差異，研究從規(guī)程、運(yùn)行、人機(jī)接口、試驗(yàn)用材料/流程/文檔控制等多個(gè)角度對(duì)工作人員進(jìn)行了有針對(duì)性的培訓(xùn)。

1.4 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)設(shè)計(jì)的目的是確定在給定的試驗(yàn)情境數(shù)量下，每個(gè)情境需要重復(fù)試驗(yàn)的次數(shù)和被試班組數(shù)量。在試驗(yàn)設(shè)計(jì)時(shí)，存在以下原則或限制：1）每個(gè)情境需有多于一次的重復(fù)次數(shù)；2）每個(gè)情境的不同次重復(fù)試驗(yàn)應(yīng)由不同的被試班組完成；3）每個(gè)情境的被試人數(shù)應(yīng)滿足數(shù)據(jù)分析的要求。由于ISV的目標(biāo)是發(fā)現(xiàn)可用性問(wèn)題而非進(jìn)行假設(shè)檢驗(yàn)，根據(jù)人因原則6～10位被試可發(fā)現(xiàn)89%～98%的問(wèn)題。

可見，試驗(yàn)設(shè)計(jì)需要在ISV試驗(yàn)規(guī)模增加和邊際效應(yīng)遞減間進(jìn)行平衡。研究共選擇了6個(gè)情境，每個(gè)班組包括6名操縱員，故每個(gè)情境最少需要兩次重復(fù)試驗(yàn)。但若出現(xiàn)試驗(yàn)失敗，為了避免結(jié)論的模糊性，則需要增加第三次試驗(yàn)。作為例外，啟堆情境僅進(jìn)行一次試驗(yàn)。因?yàn)榇饲榫澈臅r(shí)較長(zhǎng)、壓力和工作負(fù)荷低，且可通過(guò)電廠調(diào)試數(shù)據(jù)進(jìn)行補(bǔ)充。

由于試驗(yàn)條件的不確定性，在試驗(yàn)開始前僅能確定試驗(yàn)設(shè)計(jì)的原則。研究不采取隨機(jī)分配的方式確定被試班組與情境的組合，而是根據(jù)實(shí)際情況采用滾動(dòng)計(jì)劃的方式動(dòng)態(tài)安排試驗(yàn)日程。

1.5 預(yù)試驗(yàn)

預(yù)試驗(yàn)是ISV必不可少的一個(gè)重要環(huán)節(jié)。其目的是關(guān)閉實(shí)施計(jì)劃中需要模擬機(jī)或現(xiàn)場(chǎng)資料才能確定的開口項(xiàng)（情境進(jìn)程、培訓(xùn)充分性、數(shù)據(jù)收集手段等），以及發(fā)現(xiàn)模擬機(jī)軟硬件、情境和試驗(yàn)設(shè)計(jì)等存在的潛在問(wèn)題。在研究中，目標(biāo)核電廠操縱員參與了為期一周的集中預(yù)試驗(yàn)以及后續(xù)若干次分散的預(yù)試驗(yàn)。

1.6 數(shù)據(jù)收集

研究通過(guò)模擬機(jī)、HFE專用軟件、紙筆等手段，主要收集了3種類型的數(shù)據(jù)：1）核電廠反饋：核電廠運(yùn)行數(shù)據(jù)；2）操縱員動(dòng)作：操縱員操作記錄；3）主觀反饋：來(lái)自于被試、觀察員、模擬機(jī)教員的反饋。

1.7 正式試驗(yàn)

每場(chǎng)正式試驗(yàn)中，試驗(yàn)前應(yīng)做好充分的準(zhǔn)備工作并留出一定時(shí)間回答被試的問(wèn)題。在試驗(yàn)開展過(guò)程中，觀察員將觀測(cè)記錄填寫在觀察員指南的空白欄中。而在試驗(yàn)過(guò)程中，也需要收集情境認(rèn)知、工作負(fù)荷、團(tuán)隊(duì)效能等數(shù)據(jù)。在情境完成后，還需要組織相應(yīng)的試驗(yàn)后討論。

由于試驗(yàn)有多方人員參與、數(shù)據(jù)量大、耗時(shí)長(zhǎng)，且臨時(shí)變動(dòng)的可能性大，所以一個(gè)良好的試驗(yàn)管理制度非常重要。在研究中，除了ISV總負(fù)責(zé)人外，每場(chǎng)試驗(yàn)均安排了一位負(fù)責(zé)人進(jìn)行總控和跟蹤。同時(shí)，還開發(fā)了文控總表、日程安排滾動(dòng)計(jì)劃表、試驗(yàn)日志表、討論流程指南和試驗(yàn)偏差項(xiàng)表等多份管理性表單。

2 試驗(yàn)結(jié)果

在ISV試驗(yàn)數(shù)據(jù)處理中，由于樣本數(shù)量的限制，統(tǒng)計(jì)上假設(shè)檢驗(yàn)的方法一般無(wú)法運(yùn)用。研究對(duì)于定量數(shù)據(jù)主要采取描述統(tǒng)計(jì)的方法進(jìn)行分析，對(duì)于定性數(shù)據(jù)則進(jìn)行歸納總結(jié)。

試驗(yàn)基于操縱員主觀反饋，對(duì)工作負(fù)荷、情境認(rèn)知和團(tuán)隊(duì)績(jī)效進(jìn)行了測(cè)量。下面以工作負(fù)荷為例進(jìn)行說(shuō)明。工作負(fù)荷代表了操縱員完成任務(wù)所需的投入。研究采用NASA-TLX的標(biāo)準(zhǔn)化量表對(duì)工作負(fù)荷進(jìn)行測(cè)量。NASA-TLX從努力程度、挫敗感、腦力需求、效能需求、體力需求和時(shí)間壓力6個(gè)維度來(lái)分析工作負(fù)荷。所以在數(shù)據(jù)處理時(shí)，除了總工作負(fù)荷（6個(gè)維度工作負(fù)荷的均值），還對(duì)每個(gè)維度的工作負(fù)荷進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)計(jì)算。研究從情境和操縱員角色兩個(gè)角度對(duì)工作負(fù)荷進(jìn)行了分析。從分析結(jié)果來(lái)看，副值長(zhǎng)（DSS）工作負(fù)荷最高，緊接著是值長(zhǎng)（SS）和堆操1（RO1）。需要注意，試驗(yàn)中在瞬態(tài)時(shí)，DSS報(bào)告過(guò)工作負(fù)荷過(guò)高。在運(yùn)行時(shí)，DSS負(fù)責(zé)讀規(guī)程，幫助（RO）、機(jī)操（TO）和電操（EO），以及監(jiān)視整個(gè)電廠的運(yùn)行情況。為了解決緊急運(yùn)行時(shí)的這一問(wèn)題，一方面有必要增加RO、TO和EO的經(jīng)驗(yàn)；另一方面，當(dāng)遇到高工作負(fù)荷時(shí)則可采用靈活的任務(wù)分配方式（SS分擔(dān)一部分DSS的工作）。在6個(gè)工作負(fù)荷維度中，負(fù)荷從高到低為：腦力需求、努力程度、時(shí)間壓力、體力需求、挫敗感和效能需求。這表明了負(fù)荷的主要來(lái)源是認(rèn)知層面。較低的挫敗感和較高的效能滿意度也表明了操縱員基本滿意自己在試驗(yàn)中的表現(xiàn)。

此外，研究也對(duì)其他數(shù)據(jù)進(jìn)行了分析。為今后的數(shù)字化控制室進(jìn)行積累，一個(gè)分析重點(diǎn)是CPC的使用情況。在專業(yè)軟件的支持下，研究對(duì)一場(chǎng)試驗(yàn)中CPC畫面調(diào)用數(shù)量、每幅畫面停留時(shí)間和訪問(wèn)頻率、畫面切換情況、鼠標(biāo)移動(dòng)和點(diǎn)擊、功能鍵盤使用等數(shù)據(jù)進(jìn)行了詳細(xì)挖掘，并分析了導(dǎo)致操縱員低效或錯(cuò)誤操作的潛在設(shè)計(jì)問(wèn)題。而對(duì)于觀察員指南上的評(píng)論、調(diào)查問(wèn)卷、討論記錄等主觀反饋，研究則進(jìn)行了整理，并分析歸納了發(fā)現(xiàn)的問(wèn)題。

在ISV中發(fā)現(xiàn)了近200條HED，例如，報(bào)警窗顏色、報(bào)警等級(jí)劃分、盤臺(tái)面板分割線、電動(dòng)閥的中間位置指示、控制器類型、照明眩光、CPC畫面工藝參數(shù)設(shè)置、CPC趨勢(shì)功能多班組使用模式等問(wèn)題。這些不符合項(xiàng)涉及設(shè)計(jì)院、業(yè)主、供貨商多家單位，覆蓋了人因、信息、控制室、堆控、儀表、電氣、通信、建筑、工藝、規(guī)程、模擬機(jī)等多個(gè)專業(yè)。對(duì)于無(wú)法在電廠投運(yùn)前需要解決的不符合項(xiàng)，將反饋給人員效能監(jiān)測(cè)及后續(xù)項(xiàng)目的運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)評(píng)審環(huán)節(jié)。

3 結(jié)論

文章研究的內(nèi)容是國(guó)內(nèi)首次參照NUREG 0711開展集成系統(tǒng)確認(rèn)工作。整個(gè)集成系統(tǒng)確認(rèn)工作由設(shè)計(jì)院主導(dǎo)，與業(yè)主共同完成，多專業(yè)共同參與，開展了大量工作。ISV結(jié)果不但為設(shè)計(jì)者和業(yè)主提供了大量有價(jià)值的反饋信息，也證明了研究中電廠控制室人機(jī)接口設(shè)計(jì)能實(shí)現(xiàn)安全運(yùn)行，具有良好的人因工程設(shè)計(jì)水平。同時(shí)，通過(guò)對(duì)整個(gè)ISV的方法和組織進(jìn)行了深入的研究，基于實(shí)踐的反饋，作者對(duì)不同方法的優(yōu)、缺點(diǎn)有了更為深入的認(rèn)識(shí)，完整掌握了該技術(shù)，具備了獨(dú)立開展相關(guān)工作的能力。此外，研究也對(duì)情境代表性的評(píng)判指標(biāo)、情境認(rèn)知的測(cè)量方法、團(tuán)隊(duì)效能的測(cè)量方法等一些國(guó)際學(xué)術(shù)和工業(yè)界尚在爭(zhēng)論的技術(shù)點(diǎn)進(jìn)行了嘗試，積累了數(shù)據(jù)，為今后進(jìn)一步深入研究打下了基礎(chǔ)。

此次活動(dòng)開展過(guò)程中也獲得了一些寶貴的經(jīng)驗(yàn)：為了確保ISV試驗(yàn)的順利開展，提高預(yù)試驗(yàn)的效率，應(yīng)將情境的測(cè)試納入模擬機(jī)模型測(cè)試環(huán)節(jié)；由于ISV開展較晚，導(dǎo)致HED解決面臨諸多限制，為此，在后續(xù)項(xiàng)目中應(yīng)注重工程試驗(yàn)、任務(wù)分析、驗(yàn)證和確認(rèn)活動(dòng)之間的聯(lián)動(dòng)，盡量在設(shè)計(jì)階段避免問(wèn)題的產(chǎn)生等。

雖然研究積累了一定的經(jīng)驗(yàn)，但由于ISV對(duì)象為模擬和數(shù)字過(guò)渡型控制室，后續(xù)還需要繼續(xù)研究數(shù)字化控制室ISV的方法，并積累實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)。

[1] J. O＇Hara, J. Higgins, et al. NUREG-0711, Human Factors Engineering Program Review Model[S]. Washington D.C.: U.S. Nuclear Regulatory Commission, Feb. 2004, Rev.2.

[2] J. O＇Hara, W. Stubler, et al. NUREG/CR-6393, Integrated system validation: Methodology and review criteria[S]. Washington D.C.: U.S. Nuclear Regulatory Commission, Sep. 1995.

[3] IEC 61771，Nuclear Power Plants Main Control Room Verification and Validation of Design [S]. Switzerland : International Electrotechnical Commission, Dec. 1995.

[4] K.S. Park, C.H. Lim. A structured methodology for comparative evaluation of user interface designs using usability criteria and measures[J]. International Journal of Industrial Ergonomics, 1999，（23）: 379-389.

[5] M.H. Yun, S.H. Han, S.W. Hong, et al. Development of a systematic checklist for the human factors evaluation of the operator aiding system in a nuclear power plant[J]. International Journal of Industrial Ergonomics, 2005,（25）: 597-609.

[6] David N. Hogg, Knut Folleso, et al.Development of a situation awareness measure to evaluate advanced alarm systems in nuclear power plant control rooms[J]. Ergonomics, 1995, Vol.38, No.11: 2394-2413.

[7] 董建明, 傅利民（美）. 人機(jī)交互：以用戶為中心的設(shè)計(jì)和評(píng)估[M]. 北京：清華大學(xué)出版社，2007，第二版.（DONG Jian-ming, FU Li-min (US). Man-machine Interaction: User-oriented Design and Assessment[M]. Beijing:Tsinghua University Press, 2007, 2nd edition.）

[8] Clint A. Bowers, Ben B. Morgan, et al. Assessment of coordination demand for aircrew coordination training[J]. Military Psychology, 5（2）: 95-112.

Validation of Human Factor Engineering Integrated System

FANG Zhou
(Shanghai Nuclear Engineering Research and Design Institute, Shanghai 200233, China)

Apart from hundreds of thousands of human-machine interface resources, the control room of a nuclear power plant is a complex system integrated with many factors such as procedures, operators, environment, organization and management. In the design stage, these factors are considered by different organizations separately. However, whether above factors could corporate with each other well in operation and whether they have good human factors engineering (HFE) design to avoid human error, should be answered in validation of the HFE integrated system before delivery of the plant. This paper addresses the research and implementation of the ISV technology based on case study. After introduction of the background, process and methodology of ISV, the results of the test are discussed. At last, lessons learned from this research are summarized.

HFE；verification and validation (V&V)；integration

TL37 Article character: A Article ID: 1674-1617(2013)02-0111-04

TL37

A

1674-1617(2013)02-0111-04

2013-01-04

方 舟（1979—），男，浙江臺(tái)州人，碩士，工程師，主要從事核電廠儀控、人因工程領(lǐng)域的設(shè)計(jì)等工作。