核電廠操縱員態(tài)勢感知方法研究1)

周 濤，陳 寧，劉文斌，任愛群，毛 賞，魏 東，張一童

(1.東南大學(xué)能源與環(huán)境學(xué)院，江蘇 南京 210096；2.華北電力大學(xué)核科學(xué)與工程學(xué)院，北京 102206；3.核熱工安全與標(biāo)準(zhǔn)化團(tuán)隊(duì)，中國)

我國能源界出現(xiàn)過一些的較為嚴(yán)重的事故，其中人誤事件/事故所占的比重相當(dāng)高。當(dāng)今世界核電三起嚴(yán)重事故[1]，都與人因感知相關(guān)。以核電廠這一特殊企業(yè)為對(duì)象,以其“安全性”為評(píng)價(jià)目標(biāo),探究人因可靠性[2]與人機(jī)交互研究對(duì)其安全目標(biāo)的影響,分析各因素對(duì)安全影響的作用力,構(gòu)建影響因素評(píng)價(jià)與識(shí)別系統(tǒng),捕捉影響核電廠安全的主導(dǎo)因素,為有效的概率安全評(píng)價(jià)提供支持,以增強(qiáng)核電廠運(yùn)營的安全性,繼而提升核電廠的競爭力和發(fā)展空間。操縱員的人為差錯(cuò)(或稱人因失誤)是操縱員或決策者的不安全行為的總稱,是由于缺少適當(dāng)?shù)男畔@示和控制能力所造成的疏忽或?qū)σ岩?guī)定行為準(zhǔn)則的任務(wù)完成不適當(dāng)、不完全或超出允許的偏差。人因失誤是假設(shè)始發(fā)事件的重要組成部分，統(tǒng)計(jì)表明約80%核電廠運(yùn)行事件或事故與人因失誤有關(guān)。從某種程度上講,核電廠安全取決于如何減少人因失誤的機(jī)會(huì)并增加對(duì)人因失誤進(jìn)行恢復(fù)的機(jī)會(huì)。

1 研究現(xiàn)狀及存在問題

1.1 研究現(xiàn)狀

自日本福島核事故以來，國內(nèi)外對(duì)核電廠的事故研究非常重視。通過對(duì)事故原因進(jìn)行分析，85%左右的事故都與人因管理因素有關(guān)。換句話說，如果采取了合適的組織管理措施，大部分事故將會(huì)得到很好的控制。2005年，何旭洪[3]等描述了第二代人因可靠性分析方法(A technique for human error analysis，ATHEANA)在三哩島核事故人誤事件分析中的應(yīng)用。分析結(jié)果顯示了ATHEANA方法在認(rèn)知失誤分析方面的可用性和有效性。討論了該方法的未來應(yīng)用以及不足。2011年，謝志國[4]等介紹了紅沿河核電廠數(shù)字化主控室操縱員工作站的結(jié)構(gòu),分析了其可能失效的原因。對(duì)不同數(shù)量的操縱員工作站失效事故進(jìn)行了分析，并在此基礎(chǔ)上制定了操縱員工作站失效事故的處理策略。 2018年，張初明[5]比較了癥狀導(dǎo)向和事件導(dǎo)向兩類規(guī)程的各自特點(diǎn),分析了AOP規(guī)程的獨(dú)特屬性，總結(jié)出使用癥狀導(dǎo)向法的AOP規(guī)程所具有的優(yōu)勢,并提出了開發(fā)和應(yīng)用癥狀導(dǎo)向AOP規(guī)程的注意事項(xiàng)。2019年，陶錫亮[6]通過對(duì)核電廠事故工況下人員的職責(zé)和分工,及協(xié)調(diào)員應(yīng)承擔(dān)的職責(zé)進(jìn)行了詳細(xì)的闡述,總結(jié)了培訓(xùn)過程中常見的協(xié)調(diào)員在事故管理方面存在的問題，并針對(duì)這些問題進(jìn)行梳理并總結(jié)出協(xié)調(diào)員事故管理的正確方法。2019年，Yuandan Li和Ali Mosleh[7]在事故情況下基于操作員知識(shí)的行為進(jìn)行建模，從而增強(qiáng)了真實(shí)性IDAC模型的建立，以及人類可靠性分析(HRA)的仿真方法。2020年，陳帥[8]等基于人因失誤模式和影響分析，定義人因失誤發(fā)生概率、人因失誤影響程度、人因失誤可恢復(fù)概率為風(fēng)險(xiǎn)因子，結(jié)合專家評(píng)價(jià)與模糊語言理論提出一種臨時(shí)設(shè)備投運(yùn)人員可靠性評(píng)估模型。以全廠斷電事故下移動(dòng)電源的接入任務(wù)為例，應(yīng)用所建模型獲得了該任務(wù)中的人誤模式重要度排序及合理的風(fēng)險(xiǎn)見解，驗(yàn)證了模型的可行性。 總體來看，目前核電界已經(jīng)開展了一些研究，但還是存在針對(duì)性不是太強(qiáng)，普適規(guī)律還不足，理論性有待提高，且數(shù)字化人機(jī)界面給操縱員帶來方便的同時(shí),也帶來挑戰(zhàn),其中人因事件為常見的系統(tǒng)失效形式。為減少核電廠運(yùn)行過程中的人因失誤,對(duì)核電廠操縱員態(tài)勢感知方法展開研究與應(yīng)用。

1.2 存在問題

為減少核電廠運(yùn)行過程中的人因失誤，基于當(dāng)前現(xiàn)狀的研究，可以提出存在以下一些問題。

1)操縱人員的感知錯(cuò)誤，決策人員的不安全行為；

2)信息呈現(xiàn)方式復(fù)雜，難以判斷；

3)報(bào)警裝置失效，信息傳遞失效；

4)事故原因不清晰，影響事故判斷；

5)操縱人員獲取信息的方式遲鈍緩慢，影響決策；

6)設(shè)備功能不完善；

7)電廠數(shù)字人機(jī)功能欠完備。

2 研究對(duì)象及技術(shù)路線

2.1 研究對(duì)象

研究對(duì)象如圖1所示。

圖1 研究對(duì)象Fig.1 The study object

從圖1看到，操縱員的人為差錯(cuò)(或稱人因失誤)是操縱員或決策者的不安全行為的總稱,是由于缺少適當(dāng)?shù)男畔@示和控制能力所造成的疏忽或?qū)σ岩?guī)定行為準(zhǔn)則的任務(wù)完成不適當(dāng)、不完全或超出允許的偏差。人因失誤是假設(shè)始發(fā)事件的重要組成部分，統(tǒng)計(jì)表明約80%核電站運(yùn)行事件或事故與人因失誤有關(guān)。

2.2 技術(shù)路線

建立不同的信息呈現(xiàn)方式[9]來對(duì)操縱員進(jìn)行相關(guān)的心理學(xué)實(shí)驗(yàn)，在獲取實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)后，通過對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析得到增強(qiáng)操縱員態(tài)勢感知能力的方法。通過對(duì)核電廠系統(tǒng)與設(shè)備以及以往運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行分析，建立不同信息之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系，將信息對(duì)應(yīng)關(guān)系與心理學(xué)實(shí)驗(yàn)中所獲得的增強(qiáng)態(tài)勢感知能力的方法相結(jié)合，得到操縱員作業(yè)所需的功能要素以及功能要素與核電廠人機(jī)交互界面功能完備性表達(dá)之間的關(guān)系。整體的技術(shù)路線如圖2所示。

圖2 技術(shù)路線Fig.2 The technical route

3 解決途徑及發(fā)展趨勢

3.1 解決途徑

(1)增強(qiáng)操縱員態(tài)勢感知能力的信息表達(dá)

通過對(duì)操縱員進(jìn)行相關(guān)的心理學(xué)實(shí)驗(yàn)，建立不同的信息呈現(xiàn)方式，并將信息輸送給操縱員，分析操縱員對(duì)信息呈現(xiàn)方式不同的主觀接受度變化與心理因素變化。同時(shí)，在實(shí)驗(yàn)中，對(duì)操縱員進(jìn)行態(tài)勢感知能力信息的收集與分析處理，從而獲取不同信息呈現(xiàn)方式對(duì)操縱員態(tài)勢感知能力的影響，并提出增強(qiáng)操縱員態(tài)勢感知能力的信息表達(dá)方法。

(2)報(bào)警原因和傳播過程可視化，明確核電廠當(dāng)前狀態(tài)的報(bào)警原因

通過對(duì)主控室報(bào)警窗通訊傳播進(jìn)行升級(jí)改造，采用分布式報(bào)警窗，報(bào)警數(shù)據(jù)采集模塊采集現(xiàn)場報(bào)警信號(hào)并通過冗余TTCAN通訊傳輸?shù)綀?bào)警窗顯示部分，既保證系統(tǒng)高穩(wěn)定性和高可靠性，又對(duì)現(xiàn)場布線進(jìn)行了簡化。并在報(bào)警窗中添加了SOE功能，方便的存儲(chǔ)報(bào)警信息和對(duì)故障信息進(jìn)行追憶。通過添加事故分析功能，使故障原因簡單準(zhǔn)確的被判斷。

(3)操縱員作業(yè)所需功能要素與核電廠人機(jī)界面功能完備性表達(dá)

通過制定應(yīng)對(duì)策略，使操縱員能快速獲取必要信息，提升態(tài)勢感知能力。每個(gè)顯示屏上呈現(xiàn)的信息不同，操作人員需要轉(zhuǎn)移視線或適當(dāng)移動(dòng)距離來獲取參數(shù)或執(zhí)行任務(wù),為減少視線轉(zhuǎn)移或機(jī)械地移動(dòng)距離，應(yīng)用未確知數(shù)學(xué)理論，可通過算法把參數(shù)信息或任務(wù)布局到最佳顯示屏，從而可以減少切換、調(diào)用、獲取信息的時(shí)間,提高人因可靠性,同時(shí)可減少操作人員頻繁的視線轉(zhuǎn)移、屏之間的來回移動(dòng),從而減少操作員人員的疲勞度。

3.2 發(fā)展趨勢

(1)人因可靠性發(fā)展趨勢

隨著我國經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展,能源需求的不斷增長，核能發(fā)電越來越受到國家的重視,核電企業(yè)也在不斷發(fā)展壯大。主控室操縱員崗位對(duì)于核電機(jī)組正常運(yùn)行的重要性不言而喻。作為人才儲(chǔ)備的核心工作，各大核電集團(tuán)相繼投入了巨大的人力物力用于核電主控室操縱員的培養(yǎng)與歷練。核電公司主控室操縱員的工作優(yōu)化現(xiàn)在主要從強(qiáng)化行為規(guī)范和專項(xiàng)技術(shù)培訓(xùn)、提升工作流程和工作計(jì)劃的嚴(yán)肅性、加強(qiáng)技術(shù)支持和經(jīng)驗(yàn)共享、推進(jìn)企業(yè)安全文化建設(shè)等方面進(jìn)行實(shí)踐。湖南工學(xué)院張力教授團(tuán)隊(duì)開展相關(guān)研究工作，以提升該類核電廠的安全可靠運(yùn)行水平。調(diào)峰任務(wù)和常規(guī)工況下操作任務(wù)相比，操縱員心理負(fù)荷和體力負(fù)荷將發(fā)生較大改變，這將導(dǎo)致操縱員的認(rèn)知模式和人因失誤模式相較于常規(guī)工況存在差異?，F(xiàn)有的人因可靠性分析(HRA)方法和模型難以滿足操縱員人因可靠性分析的需求，因此需要建立一種新的HRA方法解決操控任務(wù)持續(xù)快速變化背景下核電廠操縱員人因可靠性問題。

(2)數(shù)字化技術(shù)發(fā)展趨勢

數(shù)字化控制系統(tǒng)(DCS)技術(shù)[9]給核電廠運(yùn)行和控制帶來革命性變化,發(fā)生人因失誤的模式也發(fā)生了變化。研究和分析DCS對(duì)操縱員人因失誤的影響，對(duì)于減少操縱員人因失誤,有幫助作用。當(dāng)前針對(duì)核電站的智能故障診斷研究大多仍處在理論研究階段，少數(shù)開發(fā)的系統(tǒng)仍停留于原型階段,存在諸多缺陷。因此,在盡可能建立完備、準(zhǔn)確的核電廠系統(tǒng)層級(jí)模型的前提下，將先進(jìn)的人工智能理論應(yīng)用于核電廠系統(tǒng)，增強(qiáng)互動(dòng)和適配性，可有效輔助和指導(dǎo)操縱員在故障或事故工況下準(zhǔn)確高效地應(yīng)用操作。與常規(guī)模擬技術(shù)相比，數(shù)字化儀控技術(shù)發(fā)展迅速，具有功能靈活、強(qiáng)大的特點(diǎn)，數(shù)字化儀控技術(shù)在核電廠的應(yīng)用是大勢趨。目前新建核電廠大多采用數(shù)字化儀控系統(tǒng)，同時(shí)，國外很多在役核電廠也正在進(jìn)行數(shù)字化儀控系統(tǒng)的改造。需要不斷增加操作員與儀控系統(tǒng)互動(dòng)智能感知，利用大數(shù)據(jù)和云計(jì)算，不斷提高核電安全。

(3)通聯(lián)基于5G技術(shù)趨勢

通過回顧核能發(fā)展歷史并分析未來發(fā)展趨勢，吳宜燦院士[10]提出并闡述了第五代核能系統(tǒng)(簡稱“核5G”)的初步概念，認(rèn)為“核5G”將基于“從源頭確保核安全”的基本理念，未來會(huì)在多元化應(yīng)用方面發(fā)揮更大作用，而“靈活性、親近性、智能性”可能成為“核5G”的重要技術(shù)特征。正是在上述三個(gè)方面的重要提升，使得“核5G”將成為未來核能的主要發(fā)展方向?！办`活性”是指能夠擺脫大電網(wǎng)的束縛，滿足多場景的需求。靈活性包括運(yùn)行靈活性、布置靈活性和產(chǎn)品靈活性等。能夠達(dá)到調(diào)功率、燃料多元化應(yīng)用、成本約束下快速建造、廠址特征無關(guān)、發(fā)電/供熱/同位素生產(chǎn)等多元應(yīng)用的目的?！坝H近性”，包括物理臨近性和心理親近性等，物理臨近性指通過技術(shù)手段代替早期的物理距離隔離，心理親近性是指從心理距離上社會(huì)和公眾能夠更加接受核能?！爸悄苄浴保ㄔO(shè)計(jì)智能性、制造智能性和運(yùn)行智能性等。能夠達(dá)到協(xié)同設(shè)計(jì)、多物理耦合、3D打印快速制造、維修優(yōu)化和多堆互聯(lián)等目的。隨著先進(jìn)核能的研究發(fā)展，“核5G”的概念會(huì)不斷地豐富和演化，乃至今后的“核6G”概念，這都需要核領(lǐng)域同仁共同探討，也需要相關(guān)領(lǐng)域的廣泛參與，共尋核能發(fā)展未來之路。

(4)智慧化運(yùn)行發(fā)展趨勢

我國互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)水平越來越高，發(fā)電企業(yè)也在借助互聯(lián)網(wǎng)的優(yōu)勢，推進(jìn)“互聯(lián)網(wǎng)+電能生產(chǎn)”模式[11]的 應(yīng)用，以實(shí)現(xiàn)智慧化發(fā)電。實(shí)現(xiàn)智慧發(fā)電中，以“互聯(lián)網(wǎng)+”的智慧發(fā)電模式為基礎(chǔ)，可以對(duì)發(fā)電過程進(jìn)行智慧化管理，并全面整合各種數(shù)據(jù)，從而實(shí)現(xiàn)安全的智慧化發(fā)電。在“十四五”時(shí)期及可預(yù)見的未來，能源產(chǎn)業(yè)仍將以安全可靠、經(jīng)濟(jì)高效和綠色環(huán)保為發(fā)展目標(biāo)，能源智慧化轉(zhuǎn)型[12]是當(dāng)前階段實(shí)現(xiàn)三大目標(biāo)齊頭并進(jìn)的重要途徑。新時(shí)代能源變革動(dòng)力將更多地來自多能源品種跨界融合和多元化應(yīng)用需求。5G、大數(shù)據(jù)、人工智能、物聯(lián)網(wǎng)、區(qū)塊鏈等先進(jìn)信息技術(shù)快速進(jìn)步，正加速對(duì)傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)進(jìn)行改造、融合與滲透。能源革命與科技革命的歷史性交匯，推動(dòng)全球能源行業(yè)步入嶄新的發(fā)展階段，能源智慧化轉(zhuǎn)型[13]將是這一時(shí)期的重要方向。

4 結(jié)論

通過搭建對(duì)人員進(jìn)行心理培訓(xùn)和在操縱室中搭建數(shù)字化信息模型，可以減少由于操縱員的人為差錯(cuò)，從而有效的防止事故的發(fā)生。

1)基于不同信息呈現(xiàn)方式獲取操縱員的態(tài)勢感知變化，提出了增強(qiáng)操縱員態(tài)勢感知能力的信息表達(dá)方法。

2)利用核電知識(shí)與以往運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)來分析報(bào)警信息與關(guān)聯(lián)信息，建立了可視化的事故報(bào)警系統(tǒng)，快速呈現(xiàn)事故原因。

3)獲取操縱員作業(yè)所需功能要素與核電廠人機(jī)界面功能完備性表達(dá)關(guān)系，構(gòu)建數(shù)字信息化平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)人機(jī)快速智能互動(dòng)。

4)基于5G技術(shù)的通聯(lián)，強(qiáng)化系統(tǒng)的“靈活性、親近性、智能性”，實(shí)現(xiàn)核電系統(tǒng)的智慧化運(yùn)行。