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        核電廠操縱員態(tài)勢感知方法研究1)

        2021-03-13 07:03:12劉文斌任愛群張一童
        中國核電 2021年1期
        關(guān)鍵詞:人因核電廠事故

        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,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)為對象,以其“安全性”為評價目標(biāo),探究人因可靠性[2]與人機(jī)交互研究對其安全目標(biāo)的影響,分析各因素對安全影響的作用力,構(gòu)建影響因素評價與識別系統(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價提供支持,以增強(qiáng)核電廠運營的安全性,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(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)計表明約80%核電廠運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)會并增加對人因失誤進(jìn)行恢復(fù)的機(jī)會。

        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)外對核電廠的事故研究非常重視。通過對事故原因進(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,分析了AOP規(guī)程的獨特屬性,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。2019年,陶錫亮[6]通過對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的行為進(jìn)行建模,從而增強(qiáng)了真實性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)險因子,結(jié)合專家評價與模糊語言理論提出一種臨時設(shè)備投運人員可靠性評估模型。以全廠斷電事故下移動電源的接入任務(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)險見解,驗證了模型的可行性。 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,也帶來挑戰(zhàn),其中人因事件為常見的系統(tǒng)失效形式。為減少核電廠運行過程中的人因失誤,對核電廠操縱員態(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 研究對象及技術(shù)路線

        2.1 研究對象

        研究對象如圖1所示。

        圖1 研究對象Fig.1 The study object

        從圖1看到,操縱員的人為差錯(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)計表明約80%核電站運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]來對操縱員進(jìn)行相關(guān)的心理學(xué)實驗,在獲取實驗數(shù)據(jù)后,通過對數(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。通過對核電廠系統(tǒng)與設(shè)備以及以往運行經(jīng)驗進(jìn)行分析,建立不同信息之間的對應(yīng)關(guān)系,將信息對應(yīng)關(guān)系與心理學(xué)實驗中所獲得的增強(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)

        通過對操縱員進(jìn)行相關(guān)的心理學(xué)實驗,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,在實驗中,對操縱員進(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)報警原因和傳播過程可視化,明確核電廠當(dāng)前狀態(tài)的報警原因

        通過對主控室報警窗通訊傳播進(jìn)行升級改造,采用分布式報警窗,報警數(shù)據(jù)采集模塊采集現(xiàn)場報警信號并通過冗余TTCAN通訊傳輸?shù)綀缶帮@示部分,既保證系統(tǒng)高穩(wěn)定性和高可靠性,又對現(xiàn)場布線進(jìn)行了簡化。并在報警窗中添加了SOE功能,方便的存儲報警信息和對故障信息進(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、獲取信息的時間,提高人因可靠性,同時可減少操作人員頻繁的視線轉(zhuǎn)移、屏之間的來回移動,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于核電機(jī)組正常運行的重要性不言而喻。作為人才儲備的核心工作,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)范和專項技術(shù)培訓(xùn)、提升工作流程和工作計劃的嚴(yán)肅性、加強(qiáng)技術(shù)支持和經(jīng)驗共享、推進(jìn)企業(yè)安全文化建設(shè)等方面進(jìn)行實踐。湖南工學(xué)院張力教授團(tuán)隊開展相關(guān)研究工作,以提升該類核電廠的安全可靠運行水平。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對操縱員人因失誤的影響,對于減少操縱員人因失誤,有幫助作用。當(dāng)前針對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,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,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)互動智能感知,利用大數(shù)據(jù)和云計算,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和公眾能夠更加接受核能。“智能性”,包括設(shè)計智能性、制造智能性和運行智能性等。能夠達(dá)到協(xié)同設(shè)計、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,以實現(xiàn)智慧化發(fā)電。實現(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),從而實現(xiàn)安全的智慧化發(fā)電。在“十四五”時期及可預(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)前階段實現(xiàn)三大目標(biāo)齊頭并進(jìn)的重要途徑。新時代能源變革動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]將是這一時期的重要方向。

        4 結(jié)論

        通過搭建對人員進(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,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)利用核電知識與以往運行經(jīng)驗來分析報警信息與關(guān)聯(lián)信息,建立了可視化的事故報警系統(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,實現(xiàn)人機(jī)快速智能互動。

        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”,實現(xiàn)核電系統(tǒng)的智慧化運行。

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