馮 燕,路 燕,劉景賓,張?jiān)撇?/p>
(環(huán)境保護(hù)部核與輻射安全中心,北京 100082)
AP1000核電站具有獨(dú)特設(shè)計(jì)特征,每個(gè)反應(yīng)堆有兩回路。電廠設(shè)計(jì)目標(biāo)是60年,壽期內(nèi)不更換壓力容器,采用數(shù)字儀表控制系統(tǒng)和先進(jìn)的主控室設(shè)計(jì)。主控室能夠在正常和預(yù)期的瞬態(tài)和設(shè)計(jì)基準(zhǔn)事故期間控制電廠[1]。它包括能夠監(jiān)測和控制電廠安全系統(tǒng)以及非安全相關(guān)控制系統(tǒng)的指示和控制。遠(yuǎn)程停堆站包含指示和控制器,允許操作員在主控制不可用時(shí),在事件發(fā)生后實(shí)現(xiàn)并維護(hù)電廠的安全停堆。主控室和遠(yuǎn)程停站均按照人因的工程原理和實(shí)踐設(shè)計(jì)。由于在現(xiàn)代人機(jī)接口中采用的數(shù)字計(jì)算機(jī)和圖形顯示技術(shù)發(fā)生了快速變化,AP1000的設(shè)計(jì)認(rèn)證側(cè)重于用于設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)人機(jī)界面的過程。人因工程在AP1000設(shè)計(jì)中的應(yīng)用包括人因工程項(xiàng)目管理,運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)評審,功能需求分析與分配,任務(wù)分析,人員配置,人員可靠性分析與人因工程集,人機(jī)接口設(shè)計(jì),規(guī)程開發(fā),培訓(xùn)大綱開發(fā),人因驗(yàn)證與確認(rèn),設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn),人員效能監(jiān)測等12個(gè)要素[2]。
人因工程包括資源和環(huán)境的設(shè)計(jì)和實(shí)施,幫助人們更可靠地執(zhí)行任務(wù)。 數(shù)字計(jì)算機(jī)和彩色圖形顯示技術(shù)的快速變化為AP1000設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)提供了改善操作員實(shí)時(shí)決策支持的機(jī)會。 AP1000的全廠網(wǎng)絡(luò)可為電廠人員提供預(yù)處理數(shù)據(jù)。 工廠工作人員和工廠設(shè)備之間的實(shí)時(shí)過程控制接口是儀表和控制(I&C)設(shè)備,在集成的人機(jī)界面中驅(qū)動圖形顯示設(shè)備。 認(rèn)知系統(tǒng)工程應(yīng)用于人機(jī)界面的設(shè)計(jì)。電廠人員和設(shè)備之間的實(shí)時(shí)過程控制接口是圖形顯示設(shè)備驅(qū)動的儀控設(shè)備,并集成于人機(jī)接口。認(rèn)知系統(tǒng)工程也應(yīng)用于人機(jī)接口設(shè)計(jì)。在中國AP1000機(jī)組人因工程和控制室設(shè)計(jì)的審評過程中,以下幾個(gè)問題得到了重點(diǎn)關(guān)注。
背景噪聲是指在發(fā)生,檢查,測量和記錄系統(tǒng)中與有用信號無關(guān)的任何干擾。 環(huán)境噪聲是指工業(yè)生產(chǎn),建設(shè),運(yùn)輸和社會生活中產(chǎn)生的噪音。 在核電廠的設(shè)計(jì)控制室工作環(huán)境中,背景噪聲是指設(shè)備在主控室工作的噪音。
關(guān)于主控室背景噪聲有一系列標(biāo)準(zhǔn)。
NUREG0700 (人機(jī)接口設(shè)計(jì)審評導(dǎo)則)要求控制室的聲學(xué)設(shè)計(jì)應(yīng)確保操縱員之間的語言通訊不能受損,聽覺信號易于檢測,并且最小化聽覺分散,刺激和疲勞。主控室的背景噪聲不能損害主控區(qū)域內(nèi)任意兩點(diǎn)之間的語言通訊。
圖1 背景噪聲和距離之間的聲級函數(shù) Fig.1 Voice level as a function of distance and ambient noise leve
NUREG0700也考慮了正常或輕微提高聲音的語言通訊。圖1說明具體距離時(shí)不同背景噪聲水平下的語言交流方式(正常,大聲……)[3]。
NUREG0700指出若在背景噪聲65dB的環(huán)境下,距離2.4米以上的操縱員就必須大聲說話。因此若控制室內(nèi)的工作站,顯示盤或控制接口距離較遠(yuǎn),就必須降低背景噪聲限值。
IEC 60964-2009要求聽覺環(huán)境的設(shè)計(jì)應(yīng)確保運(yùn)營團(tuán)隊(duì)容易溝通,環(huán)境噪聲的干擾最小,并可靠地獲知聲音信息,報(bào)警和應(yīng)急信號等[4]。IEC 60964-2009指出主控室正常運(yùn)行時(shí)的環(huán)境技術(shù)要求參見ISO11064-6控制中心的環(huán)境設(shè)計(jì), Part 6: 控制中心的環(huán)境要求)。ISO 11064-6要求環(huán)境噪聲不超過45 dB LAeq,T,控制室的本底噪聲在30 dB to 35 dB LAeq,T。等效連續(xù)A聲級(LAeq,T)是指在規(guī)定的時(shí)間內(nèi),某一連續(xù)穩(wěn)態(tài)聲的A[計(jì)權(quán)]聲壓,具有與時(shí)變得噪聲相同的均方A[計(jì)權(quán)]聲壓,則這一連續(xù)穩(wěn)態(tài)聲的聲級,就是此時(shí)噪聲的等效聲級。噪聲等效聲級(分貝)數(shù)值越小越好。計(jì)算公式如下[5]:
EUR 2.10也明確了主控室的環(huán)境設(shè)計(jì)。包括主控室和技術(shù)支持中心的每個(gè)控制點(diǎn)的環(huán)境噪聲不超過50 dB,所有區(qū)域的正?;驊?yīng)急通風(fēng)系統(tǒng)應(yīng)滿足這一要求。
三門核電廠設(shè)計(jì)中,主控室的背景噪聲不超過50dBA, 噪聲峰值不超過65dBA .在電廠啟動階段的人因工程驗(yàn)證活動中,主控室噪聲的實(shí)際測量值遠(yuǎn)高于50dBA。
主控室的噪聲水平比驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)值高,這對操縱員通訊和效能產(chǎn)生負(fù)面影響。較高的噪聲水平會干擾語言通訊,操縱員極有可能不能正確的傾聽語言通訊和指令,引起操縱員失誤。除此之外,較高的背景噪聲水平影響操縱員探測聽覺信號,比如報(bào)警。聽覺干擾,刺激和疲勞也是潛在的后果。為了降低噪聲,必須采取一系列降噪措施。
事故工況下主控室應(yīng)急可居留系統(tǒng)(VES)投運(yùn)后72h之內(nèi),綜合考慮主控室人員可居留性和設(shè)備鑒定的要求,主控室溫升的驗(yàn)收準(zhǔn)則是不超過有效溫度85℉(29.5℃)的執(zhí)照申請限值,該值對應(yīng)的空氣參數(shù)為干球溫度95℉(35℃)且相對濕度50%。根據(jù)DCP4733報(bào)告的描述,結(jié)合主控室(MCR)內(nèi)部設(shè)備的發(fā)熱強(qiáng)度,VES系統(tǒng)現(xiàn)有的設(shè)計(jì)不能實(shí)現(xiàn)控制溫升的要求。圖2和圖3是現(xiàn)有VES設(shè)計(jì)下的主控室溫度。VES系統(tǒng)若要維持主控室壓力邊界(MCRE)內(nèi)設(shè)備鑒定和人員活動的要求,必須對現(xiàn)有設(shè)計(jì)作執(zhí)照申請相關(guān)的變更,具體做法是在啟動VES后關(guān)閉MCR內(nèi)非安全相關(guān)的電儀設(shè)備熱負(fù)荷,包括:局域網(wǎng)大屏幕顯示器、無蓄電池供應(yīng)的照明、主控室區(qū)域輻射監(jiān)測儀/處理器、TVS視頻控制器、辦公設(shè)備、廚房設(shè)備等熱負(fù)荷。表1是關(guān)閉主控室設(shè)備清單,圖4是設(shè)計(jì)變更后主控室溫升示意圖。變更實(shí)施后,設(shè)計(jì)基準(zhǔn)事故(DBA)下啟動VES系統(tǒng),MCR空氣溫度將不超過執(zhí)照申請的相關(guān)要求。同時(shí)可以手動將上述非安全相關(guān)的MCR電儀設(shè)備重新投運(yùn)。
圖2 無切斷方案下主控室溫度Fig.2 No load shedding with AC power
圖3 蓄電池耗盡工況下主控制室溫度Fig.3 No load shedding with battery exhaustion
圖4 切斷方案下主控室溫度Fig.4 Temperature with the load shedding
階段一關(guān)閉的設(shè)備熱負(fù)荷(W)階段二關(guān)閉的設(shè)備熱負(fù)荷(W)局域網(wǎng)大屏幕顯示器691×2局域網(wǎng)電腦72×3無蓄電池供應(yīng)的照明2855MCR打印機(jī)158 5主控室區(qū)域輻射監(jiān)測儀/處理器192就地控制站109×2TVS視頻控制器520大屏幕顯示器691×14辦公設(shè)備1094廚房設(shè)備2457其它2663 4
針對該設(shè)計(jì)變更的具體實(shí)施內(nèi)容,VES觸發(fā)后,需要分兩個(gè)階段關(guān)閉部分非安全級的熱負(fù)荷,其中第一階段需關(guān)閉的設(shè)備包含15、16號局域網(wǎng)大屏幕顯示器、主控室區(qū)域輻射監(jiān)測儀/處理器、TVS視頻控制器、熱水器、對流加熱器(值長辦公室)、飲水機(jī)、冰箱和打印機(jī)等,均對安全功能無影響,對于第一階段需關(guān)閉的設(shè)備對人因工程影響的分析是可以接受的。同時(shí),對于關(guān)閉無蓄電池供電的部分照明,通過試驗(yàn)分析表明ELS關(guān)閉后主控室照度變化不大,因此關(guān)閉ELS是可以接受的。
但關(guān)閉第二階段的14塊大屏幕,操縱員獲取電廠信息的途徑可能減少,或者不能直觀快速的獲取信息,這在一定程度上可能會增加操縱員負(fù)荷,而且此時(shí)主控室內(nèi)的溫度可能也會上升,在事故工況下可能會引起人因失誤;而且關(guān)閉第二階段大屏幕后,進(jìn)入主控室的其他人員無法迅速了解電廠的當(dāng)前狀態(tài),因此從控制室運(yùn)行和人員負(fù)荷的角度第二階段不應(yīng)關(guān)閉所有大屏幕。而且控制主控制室溫升的首選方案應(yīng)是提高VES系統(tǒng)的能力和(或)減少主控制室內(nèi)設(shè)備的發(fā)熱量。鑒于AP1000依托項(xiàng)目VES系統(tǒng)的設(shè)計(jì)特性,提高VES系統(tǒng)的能力已不可行,但通過設(shè)備選型以降低主控制室內(nèi)設(shè)備(特別是大屏幕的發(fā)熱量)應(yīng)是實(shí)際可行的。
人因驗(yàn)證和確認(rèn)全面評價(jià)核電廠人因工程設(shè)計(jì)是否符合人因工程設(shè)計(jì)準(zhǔn)則,并使電廠人員能夠成功完成他們的任務(wù)以達(dá)到安全和其他運(yùn)行目的。HFE V&V活動由以下活動組成:運(yùn)行條件取樣、人機(jī)接口任務(wù)支持驗(yàn)證、HFE設(shè)計(jì)驗(yàn)證、集成系統(tǒng)確認(rèn)和人因工程偏差(HED)解決。集成系統(tǒng)確認(rèn)采用基于效能的試驗(yàn)來評價(jià)集成系統(tǒng)的設(shè)計(jì)(即,硬件、軟件和人員各要素)是否滿足效能要求,并能夠支持電廠的安全運(yùn)行。如果不滿足效能準(zhǔn)則則定為HED。集成系統(tǒng)確認(rèn)試驗(yàn)須由操縱員在高度逼真、接近全范圍的培訓(xùn)模擬機(jī)上進(jìn)行[13]。圖5是核電廠人因工程驗(yàn)證與確認(rèn)活動總貌。
圖5 核電廠先進(jìn)控制室人因工程驗(yàn)證與確認(rèn)總貌Fig.5 Overview of verification andvalidation activites
基于對ISV相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)(NUREG 0711、NUREG 6393等)分析,以下幾方面為ISV主要的評價(jià)要素與準(zhǔn)則[6,7]:
ISV試驗(yàn)由專門的驗(yàn)證團(tuán)隊(duì)完成,從事驗(yàn)證的人員應(yīng)參與設(shè)計(jì)。
詳細(xì)的試驗(yàn)?zāi)繕?biāo)應(yīng)被確定,以證明集成系統(tǒng)為電廠人員提供了充分的支持,使其安全運(yùn)行電廠。
集成系統(tǒng)確認(rèn)試驗(yàn)的試驗(yàn)平臺需具有以下特點(diǎn):接口完整性,接口實(shí)體逼真度,接口功能逼真度,環(huán)境逼真度,數(shù)據(jù)完整性逼真度,數(shù)據(jù)內(nèi)容逼真度,數(shù)據(jù)動態(tài)逼真度。
參與ISV試驗(yàn)的人員應(yīng)能夠代表實(shí)際電廠中與HSI直接交互的人員(例如,持證操縱員,而不是接受培訓(xùn)人員或工程人員);應(yīng)對參試人員進(jìn)行取樣;選用人員時(shí),應(yīng)考慮最小人員配備,正常人員配備和最大人員配備水平;應(yīng)避免選擇帶有偏好的測試人員。
ISV使用一組有層次的效能測量指標(biāo),包括測量電廠性能、人員任務(wù)效能、情境意識、認(rèn)知負(fù)荷,以及人體測量/生理因素[8-10]。同時(shí),也有研究強(qiáng)調(diào)了對團(tuán)隊(duì)協(xié)作測量的重要性[11]。同時(shí)還需要確定合適的測量指標(biāo),如時(shí)間、準(zhǔn)確性、頻率、失誤(包括EOO 和 EOC)、所用的假設(shè)條件數(shù)量、參與人員的主觀意識、觀察人員的觀察結(jié)果等[12]。效能測量指標(biāo)見表2。
表2 效能測量指標(biāo)特性Table 2 Characteristics of performance measures
試驗(yàn)設(shè)計(jì)包括以下幾個(gè)方面:情景分配,試驗(yàn)程序,試驗(yàn)人員培訓(xùn),被測試人員培訓(xùn)和預(yù)試驗(yàn)。
(1)使用定性和定量方法對試驗(yàn)所收集的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析,該分析應(yīng)建立所觀察的效能數(shù)據(jù)與所建立的效能評價(jià)準(zhǔn)則之間的清楚關(guān)系。
(2)使用不同方法進(jìn)行測試,獲取的不同結(jié)果應(yīng)集中評估,而各自獲得的數(shù)據(jù)應(yīng)先進(jìn)行獨(dú)立分析。
(3)通過數(shù)據(jù)分析發(fā)現(xiàn)設(shè)計(jì)中的不足之處。
(4)當(dāng)所觀察的效能不滿足效能準(zhǔn)則時(shí),應(yīng)確定為HED。對于由“通過/不通過”測量指標(biāo)確定的HED,應(yīng)在設(shè)計(jì)完成之前進(jìn)行解決。
確認(rèn)報(bào)告中應(yīng)記錄ISV試驗(yàn)的統(tǒng)計(jì)和邏輯依據(jù),用于判斷集成系統(tǒng)的效能在目前和將來都是可接受的。確認(rèn)報(bào)告文件中也記錄ISV試驗(yàn)的局限性,以及這種局限性可能會對ISV試驗(yàn)結(jié)論和設(shè)計(jì)的實(shí)施產(chǎn)生的影響。
全范圍模擬機(jī)平臺將在需要時(shí)可用于HFE V&V工作,模擬機(jī)包含了代表主控室的控制臺、盤、大屏幕、操縱員工作站以及最新可用的控制邏輯和操縱員畫面。集成系統(tǒng)確認(rèn)試驗(yàn)的人員從目標(biāo)用戶里提取,選擇的人員應(yīng)最能代表實(shí)際的運(yùn)行人員,最終操縱AP1000電廠[14]。
三門核電廠的人因工程集成系統(tǒng)確認(rèn)試驗(yàn)活動包括四項(xiàng)活動:
(1)第一項(xiàng)活動是在中國標(biāo)準(zhǔn)電廠模擬機(jī)上,由西屋公司運(yùn)行教練員作為被試人員進(jìn)行集成系統(tǒng)確認(rèn)活動并完成了中國AP1000標(biāo)準(zhǔn)電廠集成系統(tǒng)確認(rèn)報(bào)告(CPP-OCS-GER-003,Rev 0)。
這份報(bào)告明確了幾點(diǎn)限制:模擬機(jī)限制(模擬機(jī)沒有包括一些電廠系統(tǒng),軟件不能滿足測試的先決條件),致使23個(gè)情境只開展了16個(gè),并存在情境失敗情況(5個(gè));規(guī)程限制(規(guī)程沒有被人機(jī)接口確認(rèn),不能連續(xù)使用等);被試人員限制(只有兩組操縱員用于試驗(yàn),這些操縱員是美國或西班牙的培訓(xùn)教員,沒有中國的AP1000操縱員參加)。另外還有測試方法限制等因素。這次試驗(yàn)依據(jù)CPP-OCS-GEH-001(China AP1000 Human Factors Engineering Verification and Validation Plan)中,沒有集成系統(tǒng)確認(rèn)試驗(yàn)計(jì)劃。
(2)第二項(xiàng)活動是在AP1000標(biāo)準(zhǔn)電廠模擬機(jī)上,使用美國受訓(xùn)的操縱員作為被試人員,重新進(jìn)行了一遍早期中國標(biāo)準(zhǔn)電廠ISV中包含有1級HED的情境以及早期由于模擬機(jī)原因未能覆蓋的7個(gè)情境(CPP-0CS-GER-007)。這項(xiàng)活動使用的是美國操作員,不能代表未來中國的操縱員。
(3)第三項(xiàng)活動是中國操縱員模擬機(jī)培訓(xùn)觀察。在中國AP1000人因工程驗(yàn)證和確認(rèn)結(jié)果報(bào)告(CPP-OCS-GER-004,Rev 0)中。此項(xiàng)活動也有局限性:培訓(xùn)情境與ISV的情境有很大不同;觀察者不能直接收集操縱員的任何主觀的數(shù)據(jù)和個(gè)人意見,這使觀察者結(jié)論(滿足ISV目標(biāo))大打折扣。此外,中國操縱員使用英語交流,降低了通訊效率并影響班組效能。此外,此次觀察也沒有采集操縱員的相關(guān)績效數(shù)據(jù)。
(4)第四項(xiàng)活動是在AP1000標(biāo)準(zhǔn)電廠模擬機(jī)上實(shí)施AP1000標(biāo)準(zhǔn)電廠ISV,并解決早期中國項(xiàng)目ISV中遺留的開口項(xiàng)和HED。APP-OCS-GER-320(AP1000 Human Factors Engineering Integrated System Validation Report),對AP1000標(biāo)準(zhǔn)電廠的ISV活動進(jìn)行了描述和總結(jié),但整個(gè)報(bào)告并未提及早期中國項(xiàng)目ISV中遺留的開口項(xiàng)和HED。
三門核電廠ISV進(jìn)行時(shí)模擬機(jī)的狀態(tài)與實(shí)際使用的狀態(tài)相差較遠(yuǎn)。同時(shí),并未采用中國操縱員參與試驗(yàn),而是使用美國和西班牙的教員,試驗(yàn)人員也承認(rèn)這是一個(gè)局限。且補(bǔ)充的模擬機(jī)培訓(xùn)觀察,沒有采集操縱員的相關(guān)績效數(shù)據(jù),執(zhí)行的任務(wù)也與ISV中的不相同,另外操縱員的熟練程度也不足。因此上述四項(xiàng)活動不能替代相關(guān)的確認(rèn)試驗(yàn),應(yīng)重新開展確認(rèn)試驗(yàn)。
驗(yàn)證和確認(rèn)(V&V)全面評價(jià)確定電廠的人因工程符合人因工程設(shè)計(jì)原則,并使電廠人員能夠成功執(zhí)行其任務(wù),以確保電廠安全和運(yùn)行目標(biāo)。這些評價(jià)確定人因工程偏差項(xiàng)(HED)。人機(jī)接口任務(wù)支持驗(yàn)證中, HED的定義是:(1)HSI不能完全支持人員任務(wù)要求,(2)存在不需要支持人員任務(wù)的HSI部件。HFE設(shè)計(jì)驗(yàn)證是核實(shí)HSI的設(shè)計(jì)是否能夠適應(yīng)HFE導(dǎo)則(例如NUREG-0700中的導(dǎo)則)所反映的人的能力和局限性。如果設(shè)計(jì)與HFE導(dǎo)則不一致則定為HED。集成系統(tǒng)確認(rèn)采用基于效能的試驗(yàn)來評價(jià)集成系統(tǒng)的設(shè)計(jì)(即,硬件、軟件和人員各要素)是否滿足效能要求,并能夠支持電廠的安全運(yùn)行。如果不滿足效能準(zhǔn)則則定為HED。HED解決合理地保證了在V&V活動中確認(rèn)的HED已經(jīng)得到了令人滿意的評估和解決。HED解決應(yīng)與V&V一起反復(fù)進(jìn)行。
三門核電廠的人因工程偏差項(xiàng)報(bào)告總結(jié)了中國AP1000人因驗(yàn)證和確認(rèn)活動期間確定的HED的狀態(tài)。從設(shè)計(jì)驗(yàn)證,任務(wù)支持驗(yàn)證和ISV生成的所有HED都被正式記錄和跟蹤到解決。 “人因工程偏差項(xiàng)解決總結(jié)報(bào)告”總結(jié)了HED解決過程的結(jié)果,并包含以下信息:HEDs根據(jù)其對安全性和可操作性的潛在影響進(jìn)行優(yōu)先排序;描述HED根據(jù)設(shè)計(jì),程序或培訓(xùn)計(jì)劃是可接受的理由關(guān)閉HED的理由;描述通過設(shè)計(jì)更改解決的HED決議,程序修改,人員配置建議或其他培訓(xùn)要求;以及關(guān)閉HED所需的任何剩余活動的說明;在設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上關(guān)閉HED的理由【15】。但到目前為止,三門核電廠還有一些HED的狀態(tài)是開放的。
中國的AP1000核電廠作為世界首臺AP1000機(jī)組,沒有豐富的建設(shè)經(jīng)驗(yàn)和運(yùn)行經(jīng)驗(yàn),控制室設(shè)計(jì)和人因工程能獲取的經(jīng)驗(yàn)反饋也不多,因此控制室的環(huán)境設(shè)計(jì),驗(yàn)證和確認(rèn)方面可能會存在一些問題,所以進(jìn)行充足的驗(yàn)證和確認(rèn)非常必要,在后續(xù)的電廠優(yōu)化和新電廠設(shè)計(jì)中考慮這些問題,提升電廠的安全水平。
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