方 舟（上海核工程研究設(shè)計院, 上海 200233）

核電廠人因工程集成系統(tǒng)確認

方 舟
（上海核工程研究設(shè)計院, 上海 200233）

核電廠控制室除了成百上千的人機接口資源，還是一個包括規(guī)程、操縱員、環(huán)境、組織和管理等多種要素的復雜集成系統(tǒng)。在設(shè)計階段，這些要素往往由不同的負責方分別進行考慮。然而在實際核電廠運行中，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)確認活動需要解決的問題。文章借助某核電項目的開展，研究和實踐人因工程集成系統(tǒng)的確認技術(shù)；介紹集成系統(tǒng)確認試驗的背景、流程以及方法；討論試驗的開展情況及結(jié)果；總結(jié)整項研究工作中獲得的經(jīng)驗。

人因工程；驗證和確認；集成

近年來，全球核電行業(yè)對人因工程（HFE）的重要性已達成共識，HFE也成為核電設(shè)計和安全審評中必不可少的內(nèi)容。文章對人因工程集成系統(tǒng)確認（ISV）的方法進行了自主深入研究，并將結(jié)果應(yīng)用于一個30萬kW壓水堆的工程實踐中。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，還具有一個無控制功能的電廠計算機系統(tǒng)（CPC）。而應(yīng)急控制室（ECR）則完全由傳統(tǒng)模擬設(shè)備實現(xiàn)。

整個HFE項目的開展，完全遵循了NUREG 0711[1]的要求，并且項目持續(xù)數(shù)年。根據(jù)NUREG 0711，人因工程項目可劃分為4個階段（計劃和分析、設(shè)計、驗證和確認、實施和運行），共12個要素。ISV是驗證和確認（V&V）的活動之一。同時，ISV也和V&V之外的一些要素存在聯(lián)系。例如，運行經(jīng)驗評審收集了參考核電廠的負面評價及改進建議。人員可靠性分析識別了核電廠的風險重要任務(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接口（HSI）資源，足以支持操縱員以可接受的負荷完成運行任務(wù)。在HSI設(shè)計中，本項目開展了分別針對大屏幕（LDP）、CPC顯示畫面和CPC報警功能的3次工程試驗。并基于全尺寸的MCR實體模型，采用導則比對和情境走查法進行了HSI資源靜態(tài)特性的驗證。

作為V&V活動的一部分，ISV在人因工程分析和設(shè)計工作完成后，核電廠投運前展開。相對于靜態(tài)的驗證工作，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情境的基于人員效能的試驗，來論證和評估HSI設(shè)計的可用性和容錯性，以及規(guī)程、培訓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行?？梢哉f，作為HSI資源的最終可用性試驗，ISV體現(xiàn)了人因失誤縱深防御的理念。

1 方法

ISV試驗是一個需要多方參與，準備周期較長的活動。在ISV試驗開始前，業(yè)主應(yīng)完成規(guī)程的詳細開發(fā)和驗證，以及模擬機的調(diào)試驗收工作，參與試驗的操縱員也應(yīng)完成一定的培訓。同時，設(shè)計院則通過運行條件取樣活動確定試驗情境。在完成試驗設(shè)計之后，應(yīng)針對每個情境開展充分的預試驗，以優(yōu)化情境設(shè)計和試驗設(shè)計。在正式試驗開始前，還需按要求挑選有資質(zhì)的操縱員作為試驗被試，組織和建立來自不同領(lǐng)域的工作人員團隊，并完成工作人員和被試的培訓工作。正式試驗與數(shù)據(jù)收集、處理和初步分析可以同步進行。在完成分析后，在整個ISV試驗中發(fā)現(xiàn)的人因工程HED將輸入給HED解決活動。下面將詳細介紹ISV活動的一些重點環(huán)節(jié)。

1.1 情境選擇

由于核電廠設(shè)計包含成百上千個單獨的HSI設(shè)備，電廠運行情況也復雜多樣，對所有的任務(wù)開展確認試驗既不現(xiàn)實也沒有必要，為此需要采用適當?shù)牟呗裕ㄟ\行條件取樣）來選擇ISV情境。

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

鑒于研究核電廠屬于改進項目，所有對人員效能有潛在影響的設(shè)計改進項也需重點分析，確定確認策略。為了確保所選情境的覆蓋性和代表性，研究開發(fā)了運行條件取樣代表性分析表，最終確定了6個情境。研究還為每一個情境編制了一份說明書，對情境假設(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)容進行了闡述。同時，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

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

1.3 資質(zhì)及培訓

經(jīng)過充分培訓、合格的操縱員可作為被試參與ISV試驗，因為在實際運行中控制室和相應(yīng)的HSI資源將僅供其使用。作為最終用戶，目標核電廠的操縱員作為被試參與了試驗。由于ISV試驗的范圍是MCR和ECR，在試驗中就地操作員由模擬機教練員扮演。

為了ISV試驗的順利開展，為所有被試班組提供了半天的標準化培訓。培訓包括課堂和實地兩個環(huán)節(jié)，內(nèi)容主要是ISV介紹、設(shè)計改進項和規(guī)程整體性回顧。

工作人員主要有觀察員、模擬機教練員和軟、硬件支持人員。為了確保發(fā)現(xiàn)盡可能多的問題，觀察員來自設(shè)計院和業(yè)主（參與預試驗的操縱員）單位，涵蓋了人因、儀控、概率安全評價和運行多個專業(yè)的專家組成?？紤]到背景差異，研究從規(guī)程、運行、人機接口、試驗用材料/流程/文檔控制等多個角度對工作人員進行了有針對性的培訓。

1.4 試驗設(shè)計

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

可見，試驗設(shè)計需要在ISV試驗規(guī)模增加和邊際效應(yīng)遞減間進行平衡。研究共選擇了6個情境，每個班組包括6名操縱員，故每個情境最少需要兩次重復試驗。但若出現(xiàn)試驗失敗，為了避免結(jié)論的模糊性，則需要增加第三次試驗。作為例外，啟堆情境僅進行一次試驗。因為此情境耗時較長、壓力和工作負荷低，且可通過電廠調(diào)試數(shù)據(jù)進行補充。

由于試驗條件的不確定性，在試驗開始前僅能確定試驗設(shè)計的原則。研究不采取隨機分配的方式確定被試班組與情境的組合，而是根據(jù)實際情況采用滾動計劃的方式動態(tài)安排試驗日程。

1.5 預試驗

預試驗是ISV必不可少的一個重要環(huán)節(jié)。其目的是關(guān)閉實施計劃中需要模擬機或現(xiàn)場資料才能確定的開口項（情境進程、培訓充分性、數(shù)據(jù)收集手段等），以及發(fā)現(xiàn)模擬機軟硬件、情境和試驗設(shè)計等存在的潛在問題。在研究中，目標核電廠操縱員參與了為期一周的集中預試驗以及后續(xù)若干次分散的預試驗。

1.6 數(shù)據(jù)收集

研究通過模擬機、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：核電廠運行數(shù)據(jù)；2）操縱員動作：操縱員操作記錄；3）主觀反饋：來自于被試、觀察員、模擬機教員的反饋。

1.7 正式試驗

每場正式試驗中，試驗前應(yīng)做好充分的準備工作并留出一定時間回答被試的問題。在試驗開展過程中，觀察員將觀測記錄填寫在觀察員指南的空白欄中。而在試驗過程中，也需要收集情境認知、工作負荷、團隊效能等數(shù)據(jù)。在情境完成后，還需要組織相應(yīng)的試驗后討論。

由于試驗有多方人員參與、數(shù)據(jù)量大、耗時長，且臨時變動的可能性大，所以一個良好的試驗管理制度非常重要。在研究中，除了ISV總負責人外，每場試驗均安排了一位負責人進行總控和跟蹤。同時，還開發(fā)了文控總表、日程安排滾動計劃表、試驗日志表、討論流程指南和試驗偏差項表等多份管理性表單。

2 試驗結(jié)果

在ISV試驗數(shù)據(jù)處理中，由于樣本數(shù)量的限制，統(tǒng)計上假設(shè)檢驗的方法一般無法運用。研究對于定量數(shù)據(jù)主要采取描述統(tǒng)計的方法進行分析，對于定性數(shù)據(jù)則進行歸納總結(jié)。

試驗基于操縱員主觀反饋，對工作負荷、情境認知和團隊績效進行了測量。下面以工作負荷為例進行說明。工作負荷代表了操縱員完成任務(wù)所需的投入。研究采用NASA-TLX的標準化量表對工作負荷進行測量。NASA-TLX從努力程度、挫敗感、腦力需求、效能需求、體力需求和時間壓力6個維度來分析工作負荷。所以在數(shù)據(jù)處理時，除了總工作負荷（6個維度工作負荷的均值），還對每個維度的工作負荷進行了統(tǒng)計計算。研究從情境和操縱員角色兩個角度對工作負荷進行了分析。從分析結(jié)果來看，副值長（DSS）工作負荷最高，緊接著是值長（SS）和堆操1（RO1）。需要注意，試驗中在瞬態(tài)時，DSS報告過工作負荷過高。在運行時，DSS負責讀規(guī)程，幫助（RO）、機操（TO）和電操（EO），以及監(jiān)視整個電廠的運行情況。為了解決緊急運行時的這一問題，一方面有必要增加RO、TO和EO的經(jīng)驗；另一方面，當遇到高工作負荷時則可采用靈活的任務(wù)分配方式（SS分擔一部分DSS的工作）。在6個工作負荷維度中，負荷從高到低為：腦力需求、努力程度、時間壓力、體力需求、挫敗感和效能需求。這表明了負荷的主要來源是認知層面。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中的表現(xiàn)。

此外，研究也對其他數(shù)據(jù)進行了分析。為今后的數(shù)字化控制室進行積累，一個分析重點是CPC的使用情況。在專業(yè)軟件的支持下，研究對一場試驗中CPC畫面調(diào)用數(shù)量、每幅畫面停留時間和訪問頻率、畫面切換情況、鼠標移動和點擊、功能鍵盤使用等數(shù)據(jù)進行了詳細挖掘，并分析了導致操縱員低效或錯誤操作的潛在設(shè)計問題。而對于觀察員指南上的評論、調(diào)查問卷、討論記錄等主觀反饋，研究則進行了整理，并分析歸納了發(fā)現(xiàn)的問題。

在ISV中發(fā)現(xiàn)了近200條HED，例如，報警窗顏色、報警等級劃分、盤臺面板分割線、電動閥的中間位置指示、控制器類型、照明眩光、CPC畫面工藝參數(shù)設(shè)置、CPC趨勢功能多班組使用模式等問題。這些不符合項涉及設(shè)計院、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、模擬機等多個專業(yè)。對于無法在電廠投運前需要解決的不符合項，將反饋給人員效能監(jiān)測及后續(xù)項目的運行經(jīng)驗評審環(huán)節(jié)。

3 結(jié)論

文章研究的內(nèi)容是國內(nèi)首次參照NUREG 0711開展集成系統(tǒng)確認工作。整個集成系統(tǒng)確認工作由設(shè)計院主導，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)計者和業(yè)主提供了大量有價值的反饋信息，也證明了研究中電廠控制室人機接口設(shè)計能實現(xiàn)安全運行，具有良好的人因工程設(shè)計水平。同時，通過對整個ISV的方法和組織進行了深入的研究，基于實踐的反饋，作者對不同方法的優(yōu)、缺點有了更為深入的認識，完整掌握了該技術(shù)，具備了獨立開展相關(guān)工作的能力。此外，研究也對情境代表性的評判指標、情境認知的測量方法、團隊效能的測量方法等一些國際學術(shù)和工業(yè)界尚在爭論的技術(shù)點進行了嘗試，積累了數(shù)據(jù)，為今后進一步深入研究打下了基礎(chǔ)。

此次活動開展過程中也獲得了一些寶貴的經(jīng)驗：為了確保ISV試驗的順利開展，提高預試驗的效率，應(yīng)將情境的測試納入模擬機模型測試環(huán)節(jié)；由于ISV開展較晚，導致HED解決面臨諸多限制，為此，在后續(xù)項目中應(yīng)注重工程試驗、任務(wù)分析、驗證和確認活動之間的聯(lián)動，盡量在設(shè)計階段避免問題的產(chǎn)生等。

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

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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)計等工作。