核電廠控制室系統(tǒng)環(huán)境設(shè)計研究

余周俊，張瑞萍，葉 琳，吳 茜，劉一鳴

（華龍國際核電技術(shù)有限公司，北京 100036）

0 引言

隨著科學(xué)技術(shù)的進步，核電廠的設(shè)施和設(shè)備已經(jīng)越來越可靠，人為失誤逐漸成為導(dǎo)致系統(tǒng)失效的主要原因[1]，提高人員可靠性的需求日益增加。為降低導(dǎo)致人為失誤的風(fēng)險，核電廠廣泛采取的方法包括：①改進人機接口設(shè)計；②改進操作員培訓(xùn)計劃，以滿足嚴(yán)格的操作員取證和再認證要求；③改進選拔方法，選擇有能力和責(zé)任感強的操作員；④改進運行操作規(guī)程，以更有效地支持人員操作；⑤引進操作員決策輔助，以給操作員提供更智能的信息。

核電廠主控制室采用輪班制全天24h 需要人員值守，操作員正常的睡眠周期被打亂，會導(dǎo)致其睡眠不足、警覺性受損和工作能力下降，人為操作失誤的風(fēng)險可能會大大增加，尤其在夜間。因此，除上述方法外，提高當(dāng)值操作員的警覺性對降低人為失誤也尤為重要。

本文分析影響主控制室操作員警覺性的各種因素。其中，控制室系統(tǒng)環(huán)境這一影響因素與人因工程設(shè)計密切相關(guān)?；诃h(huán)境設(shè)計相關(guān)法規(guī)標(biāo)準(zhǔn)和行業(yè)內(nèi)相關(guān)情況，提出控制室系統(tǒng)環(huán)境設(shè)計建議，旨在為提高操作員警覺性提供一定參考。

1 影響操作員警覺性的因素分析

1.1 倒班導(dǎo)致的睡眠剝奪與睡眠障礙

由于核電廠主控制室的運行需要，操作員必須長期執(zhí)行倒班工作。

倒班工作會對操作員造成一定程度的睡眠剝奪。睡眠剝奪對操作員的影響主要體現(xiàn)在兩個方面：

1）睡眠剝奪會顯著損害操作員的學(xué)習(xí)和記憶能力。研究表明，睡眠剝奪的時間越長，對學(xué)習(xí)和記憶能力的損害就越嚴(yán)重[2]。

2）睡眠剝奪會損害操作員的大腦執(zhí)行控制功能。睡眠剝奪帶來的長時間覺醒狀態(tài)將造成機體的警覺性降低，可用腦力資源下降[3,4]。當(dāng)腦力資源不足以滿足工作需要時，會導(dǎo)致操作員的人員效能降低，進而帶來操作失誤的風(fēng)險。

倒班工作時間與人的晝夜節(jié)律相悖，會導(dǎo)致操作員出現(xiàn)睡眠障礙。最常見的睡眠障礙包括睡眠呼吸暫停綜合癥、腸胃返流、嗜睡癥、失眠。睡眠障礙將給操作員的工作帶來不可接受的困倦，極大影響操作員的警覺性和人員效能[5]。

1.2 操作員工作行為

通過對某核電廠操作員直接訪談和討論，發(fā)現(xiàn)操作員在工作時的行為也對其自身的警覺性有一定影響，主要體現(xiàn)在以下幾個方面：

1）身體活動

操作員如果久坐不動，缺乏身體活動，容易自然而然產(chǎn)生困倦，導(dǎo)致警覺性受損。多數(shù)情況下，操作員在主控制室僅僅是站一站或者走動走動，而不是一直坐著，就可以是一個有效的干預(yù)，就能顯著提高警覺性。

2）精神活動

同身體疲勞一樣，無聊也是降低警覺性的一個重要因素。所以進行操作員之間互動（例如，口頭討論工作任務(wù)和培訓(xùn)材料），合理地安排需要體力和腦力活動的工作任務(wù)，都是提高警覺性的有效方法。

3）飲用咖啡和含咖啡因的飲料

適量飲用含咖啡因的飲料是幫助主控制室操作員在夜間工作時保持警覺性和效能的方法之一?？Х纫蚩梢燥@著提高操作員在警覺性受損期間的有效工作能力，但大劑量的咖啡因會引起緊張、焦慮和不安等負面影響。

4）夜班飲食

和許多生理系統(tǒng)一樣，人體消化系統(tǒng)也受晝夜節(jié)律的調(diào)節(jié)。人體不習(xí)慣在半夜進食和消化食物，操作員的消化系統(tǒng)在夜班時處理脂肪類或淀粉類食物的能力尤為不佳。在身體消化不良的時候吃這類食物，不但會對警覺性產(chǎn)生負面影響，也不能持續(xù)提供能量或利于身體正常運行。

1.3 工作任務(wù)

工作任務(wù)對核電廠操作員的警覺性和人員效能有復(fù)雜影響。影響包括操作員的身體活動、監(jiān)視和試驗所花費的時間，以及操作員的精神和身體壓力等。工作任務(wù)影響操作員警覺性的因素介紹如下[5]：

1）任務(wù)類型

實驗研究發(fā)現(xiàn)，對需要高度警覺和注意力的監(jiān)測任務(wù)，人在大約持續(xù)0.5h 的警覺后，人為錯誤率急劇增加。對于其他類型的任務(wù)，比如邏輯推理和決策，人員效能下降的速度似乎要慢一些。

簡言之，重復(fù)的、枯燥的任務(wù)比不同的、有趣的任務(wù)對操作員的警覺性更有挑戰(zhàn)性。但值得注意的是，在生理警覺性最低的時候，任務(wù)不應(yīng)該太多樣化或太有挑戰(zhàn)性，特別是在夜班的凌晨2 點到5 點。

2）任務(wù)時間

在單一任務(wù)上持續(xù)花費的時間對操作員的警覺性和人員效能也有重要影響，長時間執(zhí)行同一任務(wù)會降低警覺性和效能。例如，對軍用飛機上的聲納和雷達操作員進行的研究表明，4h 大約是一個人在這類任務(wù)中表現(xiàn)最佳的最長時間。

3）晝夜節(jié)律

人在一天中不同時間內(nèi)的表現(xiàn)是不一樣的。研究表明，人們最容易出錯的時間是大約凌晨2 點至5 點之間（見圖1）。其次，在中午前后，警覺性和效能也會出現(xiàn)下降，這可能只是部分與進食有關(guān)（也就是說，即使不進食，某些表現(xiàn)指標(biāo)也會下降）。

圖1 一天中各時段的人誤概率Fig.1 Human error index over the 24-hours

這一發(fā)現(xiàn)意味著，在這段時間內(nèi)安排的任務(wù)在可行的情況下，應(yīng)該是需要員工積極參與的、更簡單的任務(wù)（在認知上不那么復(fù)雜）。在這些時間內(nèi)，應(yīng)該避免錯誤后果嚴(yán)重的關(guān)鍵任務(wù)。

1.4 控制室系統(tǒng)環(huán)境

控制室系統(tǒng)環(huán)境設(shè)計通常屬于人因工程領(lǐng)域。一般而言，人因工程關(guān)注的是如何將工作場所應(yīng)用于所有已知的人的行為，以減少人為錯誤的可能性。

人為錯誤可能是由系統(tǒng)、設(shè)計或人引起的。前兩個錯誤涉及系統(tǒng)設(shè)計的缺陷、系統(tǒng)與人的能力和局限之間的不匹配（例如，人機界面的問題）。相比之下，人引起的錯誤關(guān)注的是影響人員效能的個人內(nèi)部狀態(tài)的變化。顯然，一個人的生理警覺性水平在這方面是一個主要的考慮因素，并直接受工作環(huán)境因素的影響。

控制室系統(tǒng)環(huán)境對操作員警覺性的影響體現(xiàn)在4 個因素：

①光環(huán)境；②聲環(huán)境；③熱環(huán)境；④內(nèi)飾。

以上因素都有可能對操作員的警覺性產(chǎn)生消極或積極的影響。雖然，通常環(huán)境因素對操作員警覺性的影響非常微妙，但當(dāng)這些因素與操作員夜班期間自然發(fā)生的警覺性下降相結(jié)合時，會導(dǎo)致操作員的警覺性出現(xiàn)更為嚴(yán)重的問題。

將針對控制室系統(tǒng)環(huán)境，分析國內(nèi)外相關(guān)的法規(guī)標(biāo)準(zhǔn)并結(jié)合行業(yè)設(shè)計經(jīng)驗，對提高操作員警覺性的控制室系統(tǒng)環(huán)境設(shè)計提出建議。

2 控制室系統(tǒng)環(huán)境設(shè)計

2.1 光環(huán)境

在主控制室的所有環(huán)境因素中，光環(huán)境是最明顯且最可能對操作員警覺性造成危害的因素，主控制室的照明可能也是最復(fù)雜的環(huán)境管理因素。

主控制室照明依據(jù)相關(guān)法規(guī)標(biāo)準(zhǔn)對照明照度、均勻性、陰影、眩光和反光等方面的要求進行設(shè)計。主控制室照明應(yīng)滿足主控制室內(nèi)各功能區(qū)不同的照度水平要求，同時應(yīng)避免室內(nèi)存在陰影，防止出現(xiàn)反光、眩光，以減輕操作員的疲勞和眼睛困倦，維持操作員的警覺性，降低其因照明缺陷出現(xiàn)失誤的概率。

通過對光環(huán)境設(shè)計國內(nèi)外相關(guān)的法規(guī)標(biāo)準(zhǔn)的研究分析[6-10]（詳見表1），為滿足主控制室的運行需求及操作員警覺性需要，正常照明的設(shè)計應(yīng)注意照度、均勻性、陰影、反光、眩光等因素，主要指標(biāo)要求為：

表1 光環(huán)境相關(guān)法規(guī)標(biāo)準(zhǔn)要求Table 1 Requirements of illumination related regulations and standards

1）照明照度最大750lx、最小200lx，可調(diào)。

2）均勻度≥0.7。

3）眩光值（UGR）≤19。

2.2 聲環(huán)境

環(huán)境噪聲會造成操作員聽力分散、煩躁和疲勞，進而反應(yīng)遲鈍，警覺性下降。另一方面，持續(xù)或重復(fù)的、相對較低的噪音會有效地降低人的警覺性水平，甚至達到誘導(dǎo)睡眠的程度。在主控制室中，通風(fēng)系統(tǒng)以及各種設(shè)備發(fā)出的持續(xù)的嗡嗡聲產(chǎn)生了低噪聲。白班時，這些噪音可能不被注意到，因為它們經(jīng)常被主控制室的高強度活動和人員來往所掩蓋。然而，在夜班時，當(dāng)操作員活動水平較低時，這些無關(guān)緊要的、有規(guī)律的低噪音可能會影響他們的警覺性。

國內(nèi)、國際和美系標(biāo)準(zhǔn)對主控制室聲環(huán)境設(shè)計的要求，如背景噪聲水平、混響時間、聲音信號強度等，都是為了保證主控制室內(nèi)的人員交流不受影響，聲音信號易于識別，盡量降低噪聲引起的聽力分散、煩躁或疲勞。各標(biāo)準(zhǔn)對聲環(huán)境的主要要求見表2。

表2 聲環(huán)境相關(guān)法規(guī)標(biāo)準(zhǔn)要求Table 2 Requirements of auditory environment related regulations and standards

聲環(huán)境國內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)要求環(huán)境噪聲不超過45dB，工程實踐過程中由于為滿足主控制室輻射防護的要求保持主控制室內(nèi)正壓，送風(fēng)量相對較大，導(dǎo)致目前在運電廠均未實現(xiàn)這一要求。參考國內(nèi)火電及化工行業(yè)的主控制室環(huán)境噪聲不大于55dB（A），歐美核電標(biāo)準(zhǔn)中最嚴(yán)格的要求不大于50dB（A），同時結(jié)合工程實際，建議主控制室環(huán)境噪聲不大于50dB（A）。主控制室混響時間應(yīng)在1s 以內(nèi)。

2.3 熱環(huán)境

實驗室研究表明，溫暖、悶熱的環(huán)境不僅會導(dǎo)致人長期工作表現(xiàn)不佳，還會讓休息良好的人犯困。對不同緯度的核電廠主控制室操作員進行問卷調(diào)查，結(jié)果顯示：約60%以上的操作員認為主控制室溫度偏低。為減少熱引起的困倦的風(fēng)險，保持操作員的警覺性，一定程度的“涼爽”是有益的。由于人體在夜間的自然散熱傾向，如果在夜班期間提高控制室內(nèi)溫度會對操作員的警覺性產(chǎn)生不利影響。

國內(nèi)外法規(guī)標(biāo)準(zhǔn)對主控制室溫濕度、風(fēng)速的要求各有不同。綜合各個標(biāo)準(zhǔn)（詳見表3）和調(diào)查三代核電項目的設(shè)計要求，核電廠主控制室冬季溫度保持在20℃～24℃，夏季保持在22℃～26℃之間，相對濕度控制在30%～60%以內(nèi)，氣流速度不超過14 m/min 的指標(biāo)要求是較為合理的，可以滿足核電廠主控制室的運行需求。

表3 熱環(huán)境相關(guān)法規(guī)標(biāo)準(zhǔn)要求Table 3 Requirements of ambient temperature related regulations and standards

2.4 內(nèi)飾

對于操作員的警覺性問題，主控制室內(nèi)飾最重要的方面是舒適度。操作員的舒適度往往與最佳人員效能相關(guān)。然而，舒適也是入睡的重要前提。因此，必須在“生產(chǎn)性舒適”（即提高人員效能）和消極影響警覺性的舒適水平之間折中。例如，為減少“椅子疲勞”，為操作員配備能夠提供足夠背部支撐，避免座椅傾斜或向后傾斜的椅子。

綜合HAF J0055-1995《核電廠控制室設(shè)計的人因工程原則》和ISO 11064-6-2005《控制中心的人類工效學(xué)設(shè)計 第6 部分：控制中心的環(huán)境要求》的要求，在維持操作員警覺性方面，控制室內(nèi)飾應(yīng)考慮：

1）顏色的協(xié)調(diào)性。

2）用燈光和顏色形成一種良好的視覺環(huán)境，不存在使眼睛疲勞和過度緊張的眩光。

3）地面材料應(yīng)降低站立和行走的疲勞。

4）裝飾材料要盡可能吸聲、降噪。

3 結(jié)語

維持操作員警覺性的研究，涉及多個學(xué)科和領(lǐng)域。本文對影響主控制室操作員警覺性的各種因素做了初步分析，在控制室系統(tǒng)環(huán)境設(shè)計方面提出建議，對提高操作員警覺性具有一定參考意義。