蔣建軍, 張　力,2, 王以群, 彭玉元, 李鵬程， 李　敏， 張曉玲， 伍大清

(1.南華大學(xué) 經(jīng)濟(jì)管理學(xué)院人因研究所，湖南 衡陽(yáng)，421001； 2. 湖南工學(xué)院，湖南 衡陽(yáng)，421002；3.華南理工大學(xué)廣州學(xué)院 計(jì)算機(jī)工程學(xué)院，廣東 廣州，510800；4.南華大學(xué) 計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，湖南 衡陽(yáng)，421001)

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核電廠數(shù)字化規(guī)程在屏之間布局方法及評(píng)價(jià)

蔣建軍1, 張力1,2, 王以群1, 彭玉元3, 李鵬程1， 李敏4， 張曉玲4， 伍大清4

(1.南華大學(xué) 經(jīng)濟(jì)管理學(xué)院人因研究所，湖南 衡陽(yáng)，421001； 2. 湖南工學(xué)院，湖南 衡陽(yáng)，421002；3.華南理工大學(xué)廣州學(xué)院 計(jì)算機(jī)工程學(xué)院，廣東 廣州，510800；4.南華大學(xué) 計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，湖南 衡陽(yáng)，421001)

摘要：面對(duì)數(shù)字化系統(tǒng)帶來(lái)的挑戰(zhàn)，以減少同一操縱員在屏之間的移動(dòng)距離為目標(biāo)，以核電廠數(shù)字化人機(jī)界面事故規(guī)程為研究對(duì)象，以人因可靠性為基礎(chǔ)，提出事故規(guī)程布局的動(dòng)態(tài)標(biāo)識(shí)最短移動(dòng)路徑算法，并利用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)人因可靠性評(píng)價(jià)方法分析執(zhí)行過(guò)程的可靠性。提出的方法通過(guò)實(shí)例進(jìn)行了分析，實(shí)驗(yàn)表明提出的方法具有較好的性能，能解決核電廠數(shù)字化事故規(guī)程在屏之間的自動(dòng)布局。

關(guān)鍵詞：事故規(guī)程； 人因可靠性； 動(dòng)態(tài)標(biāo)識(shí)最短移動(dòng)路徑算法

核電廠數(shù)字化規(guī)程布局指在事故狀態(tài)下，各規(guī)程在某一時(shí)間如何定位到其中一個(gè)計(jì)算機(jī)屏上,使同一操縱員在屏之間的移動(dòng)距離最少,進(jìn)而減少事故恢復(fù)時(shí)間，達(dá)到減少人因事故的目的。 事故處理過(guò)程中，規(guī)程及信息均呈現(xiàn)在不同的顯示屏上,操縱員需在顯示屏之間進(jìn)行移動(dòng)來(lái)執(zhí)行或恢復(fù)事故。移動(dòng)路徑主要受2個(gè)方面影響[1]：1)顯示屏之間的距離； 2)起始位置及目標(biāo)位置的定位方式。以影響移動(dòng)路徑的二個(gè)因素為切入點(diǎn)，以減少操縱員在屏之間的移動(dòng)距離為目標(biāo),本文研究了數(shù)字化規(guī)程布局的最短移動(dòng)路徑算法，從而減少操縱員事故恢復(fù)的時(shí)間。

1數(shù)字化規(guī)程在屏之間布局方法及評(píng)價(jià)

1.1規(guī)程布局流程

本研究利用人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的處理機(jī)制，對(duì)數(shù)字化規(guī)程在屏之間布局的方法進(jìn)行詳細(xì)描述。人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)是基于大腦神經(jīng)元結(jié)構(gòu)對(duì)自然界事物反應(yīng)及處理過(guò)程的信息模型[2]。根據(jù)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的基本理論，本文提出的數(shù)字化規(guī)程在屏之間布局過(guò)程由3層組成。第1層為參數(shù)輸入層,包括人的影響因子及各規(guī)程的執(zhí)行時(shí)間；第2層為隱含層,包括功能函數(shù)和人因可靠性評(píng)價(jià)；第3層為輸出層,輸出結(jié)果為數(shù)字化規(guī)程在屏之間布局的人因可靠性。圖1顯示了規(guī)程在屏之間布局的流程。

圖1　核電廠數(shù)字化規(guī)程在屏之間布局流程

1.2動(dòng)態(tài)標(biāo)識(shí)最短移動(dòng)路徑算法

目前為止,最短路徑算法主要有[3]： 1) 深度與寬度優(yōu)先搜索算法； 2) 啟發(fā)式算法; 3) 動(dòng)態(tài)規(guī)劃方法； 4) 標(biāo)號(hào)法； 5) 迭代法； 6) Dijkstra算法； 7) Floyd算法等等。本文以Floyd算法為基礎(chǔ)，對(duì)核電廠數(shù)字化規(guī)程在屏之間的布局提出了動(dòng)態(tài)標(biāo)識(shí)最短移動(dòng)路徑算法。

1.2.1問(wèn)題描述

當(dāng)事故發(fā)生時(shí), 主控室同一操縱員需在多個(gè)顯示屏之間不斷移動(dòng)來(lái)獲取參數(shù)信息,且須按照規(guī)程序列一步一步完成任務(wù)。這些事故規(guī)程動(dòng)態(tài)地呈現(xiàn)在不同顯示屏上,操縱員需在不同屏之間進(jìn)行畫面切換,且需按處理流程進(jìn)行操作。這就涉及到操縱員需在不同顯示屏之間進(jìn)行移動(dòng)才能順利完成操作,因此，操作過(guò)程完成每一步規(guī)程的執(zhí)行時(shí)間包括移動(dòng)時(shí)間和處理時(shí)間。需要解決的是如何使執(zhí)行每一步規(guī)程的移動(dòng)時(shí)間最小,也即是規(guī)程如何定位到某個(gè)顯示屏上。該布局過(guò)程要注意幾點(diǎn):1)顯示屏位置是固定不變的,信息分配則是動(dòng)態(tài)的；2)有些顯示屏上的規(guī)程或信息在某時(shí)刻可以被其他規(guī)程或信息覆蓋,有些則不能；3)有些顯示屏上的規(guī)程或信息可以暫時(shí)被其他規(guī)程或信息覆蓋,但不久后需進(jìn)行恢復(fù)。

上述描述的這個(gè)問(wèn)題,實(shí)際就是最短路徑的動(dòng)態(tài)規(guī)劃問(wèn)題。當(dāng)規(guī)程切換到某個(gè)顯示屏并完成相應(yīng)的操作時(shí),需確定下一規(guī)程應(yīng)布局在哪個(gè)顯示屏上以使操縱員移動(dòng)距離最短,移動(dòng)距離最短意味著移動(dòng)時(shí)間最小,移動(dòng)時(shí)間越小越能保證操縱員有更多的時(shí)間去處理事故，從而提高事故處理的可靠性。這一過(guò)程簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)就是規(guī)程或信息的布局影響移動(dòng)時(shí)間,移動(dòng)時(shí)間又進(jìn)一步影響人因事件的可靠性,因此，該問(wèn)題可看成是求動(dòng)態(tài)過(guò)程中的最短路徑問(wèn)題。

1.2.2動(dòng)態(tài)標(biāo)識(shí)最短移動(dòng)路徑算法的提出

為描述方便，把每個(gè)顯示屏看成是圖形結(jié)構(gòu)中的一個(gè)節(jié)點(diǎn)。1)對(duì)每個(gè)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行標(biāo)識(shí),若為true,則表明從其他節(jié)點(diǎn)不能到達(dá)該節(jié)點(diǎn),若為false,則能夠從其他節(jié)點(diǎn)到達(dá)該節(jié)點(diǎn)或從該節(jié)點(diǎn)本身到達(dá)本身。每個(gè)節(jié)點(diǎn)的標(biāo)識(shí)為true或false是動(dòng)態(tài)變化的,每執(zhí)行完一個(gè)規(guī)程畫面或輔助信息畫面,就需判斷每個(gè)節(jié)點(diǎn)標(biāo)識(shí)是否變化,節(jié)點(diǎn)標(biāo)識(shí)的改變完全由其信息特征決定。2)所有節(jié)點(diǎn)需分為2組,一組用來(lái)存放標(biāo)識(shí)為true的節(jié)點(diǎn),另一組用來(lái)存放標(biāo)識(shí)為false的節(jié)點(diǎn)。3)節(jié)點(diǎn)之間的連接權(quán)重指距離權(quán)重,用Wij表示(節(jié)點(diǎn)i與節(jié)點(diǎn)j之間的權(quán)重),若i=j,則Wij=0。

算法具體執(zhí)行過(guò)程如下。最開(kāi)始可以任意假定一個(gè)節(jié)點(diǎn)的標(biāo)識(shí)為true,為描述方便，這里假設(shè)v0的標(biāo)識(shí)為true,這時(shí)第1組僅包含節(jié)點(diǎn)v0,用Group1={v0}表示(最初始節(jié)點(diǎn)的標(biāo)識(shí)也可以為false, 那么此時(shí)Group1={ }),其余的節(jié)點(diǎn)屬于第2組,用Group2={v1,v2,…，vn}表示,用Dis[vi,vj]表示從節(jié)點(diǎn)vi到vj的距離，這里所指的距離并非節(jié)點(diǎn)之間的實(shí)際距離，而是指節(jié)點(diǎn)之間的距離間隔數(shù)。之后從第2組中選擇一個(gè)節(jié)點(diǎn)，使從v0出發(fā)到該節(jié)點(diǎn)的距離最小，假設(shè)該節(jié)點(diǎn)為v3,需滿足Dis[v0,v3]= min(Dis[v0,vj])。同時(shí)要?jiǎng)討B(tài)生成權(quán)重Wij,還需評(píng)估v3節(jié)點(diǎn)上的信息特征,決定是否改變其標(biāo)識(shí),若變?yōu)閠rue,則節(jié)點(diǎn)v3進(jìn)入第1組,同時(shí)需從第2組刪除v3,若標(biāo)識(shí)無(wú)改變，則v3仍留在第2組(若是這種情況，下次到達(dá)的目的地就是節(jié)點(diǎn)本身v3)；另一方面，需評(píng)估第1組中所有節(jié)點(diǎn),決定其節(jié)點(diǎn)標(biāo)識(shí)是否發(fā)生改變,若某個(gè)節(jié)點(diǎn)標(biāo)識(shí)發(fā)生改變,則該節(jié)點(diǎn)需進(jìn)入第2組,同時(shí)把其從第1組中刪除；類似，第2次執(zhí)行過(guò)程同樣需從第2組中選擇一個(gè)最小的Dis[vi,vj]值,如果上一次節(jié)點(diǎn)的標(biāo)識(shí)仍為false,那么該次規(guī)程畫面布局目的地就為同一節(jié)點(diǎn),則Dis[vi,vj]=0,Wij=0,否則,若上一次節(jié)點(diǎn)的標(biāo)識(shí)為true,則用上述描述的方法繼續(xù)執(zhí)行下去,不斷循環(huán),直到事故完全得到恢復(fù)為止。

1.2.3動(dòng)態(tài)標(biāo)識(shí)最短移動(dòng)路徑算法的執(zhí)行過(guò)程

假使有6個(gè)節(jié)點(diǎn), 用數(shù)組set存放每對(duì)節(jié)點(diǎn)的路徑值,節(jié)點(diǎn)用v表示,標(biāo)識(shí)用flag表示,節(jié)點(diǎn)i與節(jié)點(diǎn)j之間的距離用disij表示,執(zhí)行次數(shù)為5次,具體執(zhí)行過(guò)程如圖2。

從圖2的求解過(guò)程可以看出：規(guī)程布局形成的最短距離分別為0、3、2、0、3、3；規(guī)程畫面最開(kāi)始顯示在第1號(hào)屏上,此后在執(zhí)行其他5個(gè)規(guī)程過(guò)程中,規(guī)程畫面依次顯示在第3、第5、第5、第2、第5號(hào)顯示屏上。

1.2.4算法性能分析及代碼描述

假設(shè)事故需要執(zhí)行n次,節(jié)點(diǎn)數(shù)為v,邊的數(shù)量為e。該算法復(fù)雜度主要花費(fèi)在掃描節(jié)點(diǎn)數(shù)組以找出節(jié)點(diǎn)之間的最短距離,顯然，每一次尋找節(jié)點(diǎn)之間最短距離的執(zhí)行次數(shù)為v,那么，執(zhí)行n次的運(yùn)行次數(shù)為n×v,從而將花費(fèi)O(|v×n|)代價(jià)去查找節(jié)點(diǎn)之間的最短距離；另一方面,在執(zhí)行任務(wù)前,需給所有節(jié)點(diǎn)及節(jié)點(diǎn)之間的邊賦值,此過(guò)程的執(zhí)行次數(shù)為O(|e2|)，因此,該算法總的復(fù)雜度為O(|v×n|+|e2|)。

算法的偽代碼如下。

1)將節(jié)點(diǎn)初始化并分為2組。

V1=True；v2,v3,…，vn=false;

Set:Group1={v1}; Set:Group2={v2,v3,…，vn}。

2)對(duì)邊的權(quán)重賦初值

Fora=1;a≤|e|;a++) For (b=1;b≤|e|;b++) Dis[i,j].weight=adjacent[i,j]。

3) flagV1=true；i=1。

4)重復(fù)執(zhí)行n步，直到事故完成。

For(k=1;k≤n;k++) {min=賦一個(gè)很小的初始值； If(flagvk=false) min(dis[k,j])=0; Else{For(j=1;j≤v;j++)

{ If(dis[k,j]

移動(dòng)到節(jié)點(diǎn)Vj;T[k,j]=獲取動(dòng)態(tài)時(shí)間；k=j; If (vk=true)

{Group1_nodes=Group1_nodes+{vk}; Group2=all_nodes-Group1_noses; } Elsevk∈Group2;

//對(duì)第1組的各個(gè)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行判斷,識(shí)別節(jié)點(diǎn)的標(biāo)識(shí)是否發(fā)生變化

for(i=1;i≤Group1_nodes;i++) if(vi=false){Group1_nodes=Group1_nodes- {vi};

Group2_nodes=Group2_nodes+{vi};}}}。

1.3規(guī)程布局評(píng)價(jià)方法

本研究中,規(guī)程布局性能評(píng)價(jià)采用作者前期的研究成果，即：利用帶時(shí)間參數(shù)的人因可靠性神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)方法，該評(píng)價(jià)方法如下[4]。

yA(t)output=g(u(x)),

(1)

y(t+Γ(t)))])。

(2)

這里,yA(t)output是某事故下經(jīng)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)變換得到的最終人因失誤率；wi是神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)各神經(jīng)元的連接權(quán)重，pi表示初步人因失誤率，wi和pi的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)詳見(jiàn)已有研究[4-7]；y(t+γ(t))表示完成所有規(guī)程情況下的初步人因失誤率；t+γ(t)表示事故狀態(tài)下第j次操作過(guò)程的執(zhí)行時(shí)間,t表示在屏之間的移動(dòng)時(shí)間,需通過(guò)動(dòng)態(tài)標(biāo)識(shí)最短移動(dòng)路徑算法獲得,γ(t)表示操縱員完成第j次操作的時(shí)間,n為人的影響因子個(gè)數(shù)。式(2)具體計(jì)算過(guò)程見(jiàn)作者前期研究[8]。

圖2　動(dòng)態(tài)標(biāo)識(shí)最短移動(dòng)路徑算法的執(zhí)行過(guò)程

2事例分析

2.1事例描述

本實(shí)驗(yàn)以核電廠SGTR(蒸汽傳熱管斷裂事故)為背景。實(shí)驗(yàn)過(guò)程使用了2臺(tái)電腦及12個(gè)顯示屏，事故規(guī)程模擬畫面均由作者通過(guò)Visual studio basic.net工具開(kāi)發(fā)得到。

實(shí)驗(yàn)過(guò)程需獲得的執(zhí)行時(shí)間包括在顯示屏之間的移動(dòng)時(shí)間及處理規(guī)程或信息的時(shí)間。在得到時(shí)間后,須對(duì)規(guī)程布局過(guò)程的性能評(píng)價(jià)其人因失誤率，采用MATLAB完成人因失誤率的計(jì)算工作。

2.2規(guī)程布局過(guò)程及性能評(píng)價(jià)

1) 本實(shí)驗(yàn)對(duì)SGTR中的規(guī)程進(jìn)行模擬, 根據(jù)本研究提出的動(dòng)態(tài)標(biāo)識(shí)最短移動(dòng)路徑算法對(duì)數(shù)字化規(guī)程如何在不同顯示屏之間進(jìn)行布局,得到整個(gè)事件時(shí)間參數(shù)t。試驗(yàn)起始操作屏為第4屏, 試驗(yàn)過(guò)程進(jìn)行了36次數(shù)字化規(guī)程畫面的布局，除此之外，還進(jìn)行了34次輔助畫面調(diào)用。

表1中，參數(shù)disij表示當(dāng)前顯示屏與顯示下一規(guī)程的顯示屏之間的距離,為簡(jiǎn)單起見(jiàn),距離用顯示屏之間的間隔數(shù)來(lái)表示；min{ disij}表示取disij的最小值。由于執(zhí)行次數(shù)較多，這里只列出幾次數(shù)字化規(guī)程布局參數(shù)變化情況，如表1。

表1　規(guī)程布局過(guò)程及參數(shù)變化表

實(shí)驗(yàn)過(guò)程經(jīng)歷了36步,實(shí)驗(yàn)獲得的數(shù)字化規(guī)程在顯示屏之間布局的順序依次為v4,v6,v6,v4,v6,v6,v4,v5,v5,v6,v6,v4,v5,v5,v3,v6,v4,v5,v4,v4,v5,v4,v5,v5,v6,v6,v5,v2,v5,v2,v1,v1,v2,v5,v4,v6。

2)用于評(píng)價(jià)規(guī)程布局的人因失誤率。

根據(jù)動(dòng)態(tài)標(biāo)識(shí)最短移動(dòng)路徑算法及式(2)，表1分別獲得了10次模擬的總時(shí)間T及用于性能評(píng)估的人因失誤率。根據(jù)本實(shí)例的具體情況,不管實(shí)驗(yàn)次數(shù)多少，規(guī)程布局基本上是一致的,因此在模擬實(shí)驗(yàn)中,多次實(shí)驗(yàn)過(guò)程的規(guī)程布局基本上是相同的,且只有按這樣的順序布局在屏上,操縱員的移動(dòng)路徑才會(huì)最少,其他9次實(shí)驗(yàn)不再列出規(guī)程布局及參數(shù)變化過(guò)程。10次模擬實(shí)驗(yàn)得到的各自執(zhí)行時(shí)間及人因失誤率見(jiàn)表2。

表2　SGTR事件模擬訓(xùn)練過(guò)程的時(shí)間及人因失誤率

2.3訓(xùn)練過(guò)程失誤率變化情況

為更清楚表達(dá)執(zhí)行時(shí)間與人因失誤率之間關(guān)系的變化曲線，可根據(jù)實(shí)驗(yàn)得到的數(shù)據(jù),用一個(gè)圖來(lái)表示，圖形如圖3所示。

圖3　SGTR實(shí)驗(yàn)過(guò)程失誤率、執(zhí)行時(shí)間的變化曲線圖

顯然，從圖3可以看出, 1) 失誤率不斷變化，說(shuō)明提出的方法靈敏度高； 2)失誤率變化幅度不太大，說(shuō)明該方法比較穩(wěn)定； 3)盡管訓(xùn)練時(shí)間有差別，但失誤率變化與時(shí)間變化不成正比，這說(shuō)明只要按提出的算法進(jìn)行規(guī)程自動(dòng)布局，失誤率變化不會(huì)很明顯，因此失誤率很大程度上由規(guī)程布局決定，更說(shuō)明該算法具有一定的現(xiàn)實(shí)意義。

3小結(jié)

本文在Floya算法基礎(chǔ)上，結(jié)合人因可靠性理論，提出了核電廠數(shù)字化規(guī)程在屏之間的布局方法, 解決了核電廠數(shù)字化人機(jī)界面事故規(guī)程在顯示屏之間的自動(dòng)布局方法，使同一操縱員在屏之間移動(dòng)距離最小，進(jìn)一步減少操縱員處理事故的時(shí)間，從而彰顯了該算法的優(yōu)勢(shì)。且通過(guò)實(shí)驗(yàn)分析驗(yàn)證了該方法能很好地應(yīng)用到數(shù)字化系統(tǒng)下規(guī)程的自動(dòng)布局，能減少處理事故的時(shí)間，提高了系統(tǒng)的安全性。

本研究也存在一些缺陷,例如人的影響因子還需進(jìn)一步完善，可能會(huì)存在偏差。后續(xù)擬通過(guò)模擬機(jī)實(shí)驗(yàn)對(duì)方法進(jìn)行完善并在其他數(shù)字化領(lǐng)域進(jìn)行應(yīng)用與推廣。

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A Layout Method and Evaluation Research Among Different Screens for Digital Procedure of Nuclear Power Plant

JIANG Jianjun1, ZHANG Li1,2, WANG Yiqun1, PENG Yuyuan3, LI Pengcheng1, LI Min4, ZHANG Xiaoling4, WU Daqing4

(1. Human Factors Institute, College of Economic & Management, University of South China, Hengyang 421001, China；2. Hunan Institute of Technology, Hengyang 421002, China；3. School of Computer Engineering, Guangzhou College of South China University of Technology, Guangzhou 510800, China；4. College of Computer Science and Technology, University of South China, Hengyang 421001, China)

Abstract：Facing the challenge of digitization, with decreasing the moving distance among different screens for the same operator as goal, and taking accident procedures of digital human-computer interface in Nuclear Power Plant as a research object and human reliability as basis, a shortest moving path algorithm with dynamic flag for accident procedure layout is proposed and the reliability executing process analyzed by neural networks human reliability evaluation method. Finally, the proposed method is analyzed by an example. The experiment shows that the proposed method has good performance and could solve the procedure automatic layout in accident among the screens.

Key words：accident regulations; human reliability; shortest moving path algorithm with dynamic flag

收稿日期：2015- 02- 07

基金項(xiàng)目：國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(71371070,71301069)；湖南省自然科學(xué)基金項(xiàng)目(2016JJ6129,14JJ7046)； 湖南省重點(diǎn)學(xué)科項(xiàng)目-管理科學(xué)與工程科學(xué)資助項(xiàng)目；湖南省教育廳基金資助項(xiàng)目(14C0974)；南華大學(xué)科研支撐項(xiàng)目(2012XQD51)

作者簡(jiǎn)介：蔣建軍(1977-)，男,湖南省人，副教授，博士，主要研究方向?yàn)槿艘蚬こ?、?shù)據(jù)挖掘.

doi:10.3969/j.issn.1007- 7375.2016.03.012

中圖分類號(hào)：TP301

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號(hào)：1007-7375(2016)03- 0071- 06