戴立操，范 瑞，張美慧，李鵬程，李冬生，陳建華

核電廠主控室中大多采用先進的數(shù)字化控制系統(tǒng)(Digital Control System，DCS)。操縱員通過計算機屏幕監(jiān)視電廠狀況，利用鼠標、鍵盤對電廠進行控制，DCS代替了傳統(tǒng)主控室的盤臺、信號燈、開關、按鈕、儀表盤等。DCS中控制和操縱核電廠的信息輸入輸出方式發(fā)生改變可能導致操縱員對信息的加工機制發(fā)生改變，從而導致新的人因失誤。研究人員針對DCS系統(tǒng)對操縱員人因失誤影響進行了一系列的研究[1-2]，認為數(shù)字化人機界面新特征有可能增加操縱員的認知負荷和操作負荷，容易產生模式混淆、情境意識喪失等不利影響。Shukri根據(jù)DCS系統(tǒng)對操縱員的影響建立了IDA認知模型，模擬數(shù)字化后操縱員的認知過程[3]。戴立操等通過研究操縱員的認知行為特征，從監(jiān)視檢測、狀態(tài)評估、計劃響應、計劃執(zhí)行 4 種主要的認知行為進行分析，了解了界面管理任務對認知行為產生的不利影響主要表現(xiàn)為操縱員的認知負荷和操作負荷的增加[4]。盡管上述文獻描述了主控室DCS系統(tǒng)的界面管理任務對操縱員的人因失誤影響以及操縱員的認知過程，但并未從操縱員的認知機理角度深入闡述界面管理任務對操縱員完成主任務的影響。

人的認知過程是人對信息的加工過程。人通過調動注意力資源和記憶力資源來獲取外界信息，并將信息通過編碼暫時存儲在工作記憶中，信息的分析、考慮、轉換和操縱都是在工作記憶中完成的[5]。工作記憶包含當前可供系統(tǒng)處理的信息，也包括當前環(huán)境信息、推論、當前目標信息和長期記憶痕跡的編碼。Baddeley的工作記憶理論認為，人腦中存在兩種信息加工機制，分別是視覺空間模板加工和語音回路加工[6-8]。兩者是獨立存在的，且兩者之間存在一個中央執(zhí)行區(qū)，三者組成部分相互作用，為認知活動提供一個全面的工作空間。語音回路一般被用來存儲數(shù)字，視覺空間模板一般用來存儲空間關系。中央執(zhí)行區(qū)負責對兩者進行協(xié)調，它將信息從閱讀語句(基本上是在語言回路中)轉換為視覺空間模板上的心理圖像。Baddeley通過雙任務范式實驗[9]發(fā)現(xiàn)，如果兩項任務需要同一認知過程或認知資源，那么，在雙任務條件下就不可能比在各自單獨進行的情況下完成得更好。

人在人機界面中對信息的處理是人對人機界面信息加工處理的過程。人對信息處理過程中所使用的知識存儲在人員大腦中。在人的大腦中知識以什么形式存在和如何被存儲，即人的知識表征(Knowledge Representation)[10]45。知識通過文字、圖像、符號和空間順序等載體來進行表征。CRUM認為，計算表征理論是將心靈比作計算機，以類比推理的方式去了解心靈構建知識的方式[11]。命題符號理論[12]認為，認知的構成是命題，由命題形成命題網絡，對命題不斷操作會不斷更新命題網絡，并且一種情境可以由一系列明確的命題來構成。Anderson研究發(fā)現(xiàn)，用命題表征表示各類知識結構十分復雜且效率低下，非命題表征能在生產系統(tǒng)框架中發(fā)揮重要作用[10]49。在表示認知單元時，Anderson按照知識在認知活動中的操作過程將知識表征分為三類：用順序結構來表示陳述的順序；用空間圖像結構來表示元素的空間相對位置；用抽象命題結構來表示假定的邏輯解釋。本文通過模擬機實驗來分析操縱員在操作過程中的各類知識表征，在此基礎上辨識數(shù)字化人機界面管理任務對操縱員完成不同知識表征主任務的影響。

一 核電廠主控室操縱員的知識表征

(一)模擬實驗

為了解核電廠數(shù)字化主控室操縱員在執(zhí)行事故處理任務過程中的知識表征，以一回路操縱員緩解一回路小破口事故為例，基于南華大學人因研究所的壓水堆核電廠模擬機平臺多次對其操縱過程模擬，分析其知識表征類型及其特點。

在正常情況下，主控室操縱員利用鼠標在計算機屏幕上進行操作，執(zhí)行界面管理任務，完成主任務，以確保核電廠能夠安全運行。當核電廠發(fā)生事故和瞬態(tài)變化時，操縱員在主控室人機界面上進行控制操作來應對。如果核電廠發(fā)生SLOCA事故，當一回路壓力降低至穩(wěn)定壓力的低整定值時觸發(fā)反應堆緊急停堆，當降低至穩(wěn)壓器壓力的低低整定值時觸發(fā)安注信號。此時，中壓安注不可用，二次側局部冷卻自動功能無法滿足安注箱和低壓安注泵投運的條件。操縱員需要根據(jù)規(guī)程手動執(zhí)行二次側快速冷卻，對一回路降溫降壓，操作失敗將導致堆芯損傷。此時，可將操縱員的操作分為以下四個階段，見圖1。

第一階段，電廠狀態(tài)監(jiān)測。從出現(xiàn)紅色報警至安注啟動，該階段操縱員主要對電廠狀態(tài)進行監(jiān)測，包括功率量程、Δtsat值、穩(wěn)壓器液位、一回路溫度和壓力等。第二階段，事故診斷。安注啟動后，操縱員根據(jù)安注事故導則對二回路放射性、一回路壓力、SG壓力、安全殼壓力等進行監(jiān)測，最終診斷當前事故為一回路小破口事故。第三階段，診斷確認及自動動作確認。操縱員根據(jù)一回路小破口事故導則對安全殼壓力、溫度、放射性情況進行確認，確保當前執(zhí)行規(guī)程無誤，并手動復歸安注。第四階段，快速降溫降壓，安注停運后，操縱員按照規(guī)程不斷調整一回路狀態(tài)，利用二回路將溫度降至170 ℃以下，利用噴淋系統(tǒng)將一回路壓力降至27bar以下，利用上充穩(wěn)定PZR液位大于-4 m。此時，一回路狀態(tài)穩(wěn)定，可安排維修人員進入一回路進行檢修。對各階段操縱員的操縱任務進行分析，確認各時間點操縱員需要完成的主任務及界面管理任務，可得操縱員完成任務時的知識表征，如表1所示。根據(jù)表1數(shù)據(jù)分析可知，操縱員完成界面管理任務時的知識表征主要是空間圖像表征和順序表征，而主任務則是抽象命題表征和空間圖像表征。

表1 核電廠小LOCA事故時操縱員控制操縱任務分解表

(二)知識表征

基于多次模擬實驗，對操縱過程進行分解分析，確定操縱員操作中的知識表征，即研究其對不同信息的處理方式和表現(xiàn)形式。

1.順序表征

順序表征是通過創(chuàng)建順序來記錄事件的順序結構，它記錄的是順序信息而不是間隔信息。因為工作記憶的容量有限，所以順序表征只有3個或5個元素。在核電廠主控室中，操縱員獲取或處理的順序信息情況主要分為以下幾種：(1)規(guī)程中的順序信息。電廠的規(guī)程都是按照事故發(fā)展進程來進行編寫的，操縱員在何種情況下該進行何種操作都是按照規(guī)程進行的。此時，操縱員從規(guī)程上獲取的信息屬于順序信息。(2)主任務的操作順序。DCS系統(tǒng)中的操作界面存在一定的邏輯順序，許多頁面都存在閉鎖開關，只有關閉閉鎖才能調節(jié)該頁面的開關。(3)二類管理任務的操作順序。操縱員在任何時候通過DCS上的顯示屏都只能查看到部分信息，有限的觀看區(qū)域這一特征被稱為“鎖孔效應”[13]，通過“鎖孔”訪問信息。那么，從哪個“鎖孔”才能成功訪問操縱員需要操作或查看的頁面就屬于二類管理任務的操作順序信息。

順序表征的網絡符號不僅能表示保存順序結構，還能表示類別信息、屬性信息和子結構信息。操縱員確認報警頁面的順序表征，見圖2。

圖2 操縱員確認報警頁面的順序表征圖

2.空間圖像表征

空間圖像表征是保存元素空間排列的結構，它編碼的是結構信息、相對位置信息而不是絕對距離或大小的信息。大的空間圖像的分層組織更多的是記錄對象空間的結構信息，關于對象的外觀信息則較少，這是空間圖像表征區(qū)別于真實圖像的一個重要方面。主控室操縱員需要處理的空間較多。操縱員獲取或處理的空間圖像信息的情況主要分為以下幾種：(1)DCS系統(tǒng)中的空間圖像。DCS系統(tǒng)中大約有1 000余張圖片，各個界面控件的所處位置、形狀等信息都屬于空間圖像信息。(2)紙質規(guī)程與計算機屏幕的空間切換。核電廠主控室操縱員除了需要查看屏幕上的規(guī)程外，有時還需要使用紙質規(guī)程，或在記錄本上記錄電廠的重要數(shù)據(jù)信息等。

空間圖像表征有五種形式，分別為：直觀的實際刺激(畫面的直接呈現(xiàn))、子圖像排列(畫面的圖標及其方位排布)、絕對描述排列(圖標名稱及其方位排布)、絕對描述的坐標編碼(圖標名稱及其位置的坐標)和非精確的文字描述(簡單文字描述)。操縱員查看RCV002YCD頁面的空間圖像表征，見圖3。

圖3 操縱員查看RCV002YCD頁面的空間圖像表征圖

3.抽象命題表征

抽象命題表征與其他兩種表征不同，它不是對環(huán)境結構的直接反映，而是反映對事件的抽象，它代表的是觀念而不是對電廠界面語義中的詞、短語或句子本身。抽象命題的編碼過程本身是需要學習的。每個人從出生開始對母語的學習、理解過程就是對編碼過程的學習。抽象命題表征也可以編碼結構、類別和屬性信息，并且以全有或全無的方式存儲和檢索。操縱員在DCS系統(tǒng)中獲取或處理抽象命題信息主要有以下幾種情況：(1)規(guī)程中的抽象命題信息。操縱員查看計算機屏幕上的規(guī)程、紙質規(guī)程以及記錄本等都可以獲得抽象命題信息。(2)計算機屏幕上的抽象命題信息。操縱員通過計算機屏幕查看電廠狀況，包括P/T圖、總貌圖及其他界面的數(shù)值或趨勢信息，并將這些信息與規(guī)程信息對比，做出下一步操作。(3)二類管理任務中的抽象命題信息。操縱員在規(guī)程上獲得的某些二類管理任務，如調用畫面ECP200YST，也屬于抽象命題信息。

抽象命題由兩部分組成：一個關系和一個以上的論題。論題可以是行動的主體、行動的客體、行動的目的、行動的工具以及行動的接受者。同一個主題的若干個命題會發(fā)生相互聯(lián)系，形成命題網絡。一回路操縱員通知二回路操縱員快速冷卻的抽象命題表征，見圖4。

圖4 一回路操縱員通知二回路操縱員快速冷卻的抽象命題表征圖注：R代表關系，S代表主體，O代表客體。

4.混合表征

操縱員在完成任務時，這三種表征方式可能不是單獨存在的，而是多種表征同時存在的復雜情況，它們編碼不同的信息，具有不同的模式匹配、構造原則和處理過程，但這三種類型可以使用相同的基本網絡表示法，見圖5。圖5為操縱員根據(jù)規(guī)程打開上充泵最小流量隔離閥時的知識表征情況。時間順序編碼了打開控件序列的主要元素，空間圖像編碼了計算機屏幕上的信息位置，抽象命題編碼了單個操作的語義信息。

圖5 多個表征類型的復雜結構

二 實驗驗證

(一)實驗目的

主控室操縱員為保證電廠安全穩(wěn)定運行，需要完成兩種任務，分別是主任務和界面管理任務。主任務是操縱員為了實現(xiàn)電廠的功能目標需要執(zhí)行的，分別為監(jiān)視檢測、狀態(tài)評估、響應計劃和響應執(zhí)行[14]。界面管理任務是操縱員為完成主任務需要執(zhí)行的操作，如屏幕配置、畫面調整等。操縱員在完成主任務時必須要完成界面管理任務，并且兩種任務的知識表征不完全相同。操縱員運用空間模板對空間圖像表征或順序表征信息進行處理，運用語音回路對抽象命題表征的信息進行加工，當兩種任務的知識表征相同即運用同一認知資源時，操縱員的認知負荷必然增大，需要更長的反應時間來完成任務。為了進一步明確界面管理任務對不同表征主任務的影響，本文以一回路小破口事故中操縱員的操作過程為例，基于南華大學人因研究所的壓水堆核電廠模擬機平臺對界面管理任務和主任務進行數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析，以此識別界面管理任務對不同知識表征的主任務的影響。

(二)實驗描述

由于插入一回路小破口至核電廠恢復平穩(wěn)這一過程時間長，且中間可變因素多，本文通過對其中截取的一個階段進行反復實驗，以此確認界面管理任務對各種知識表征類型的主任務的影響。為排除前半部分操作對實驗結果的影響，在教練員第一次完成前期部分的結尾處設置一個時間抽點A，后續(xù)每一次實驗直接從時間抽點A開始。每次實驗分為甲乙兩組，每組各選擇10名南華大學的碩士研究生，在簡單介紹設備和本次任務之后開展實驗。

1.實驗Ⅰ：界面管理任務對以空間圖像表征為主的主任務的影響

實驗程序：選取第四階段(降溫降壓至電廠平穩(wěn))中操縱員需要完成以空間圖像表征為主的主任務部分。該選段中，操縱員需要恢復上充，隔離硼酸注入箱，其中包括四次界面調整，九個閥門的尋找與開關，具體操作，見圖6。

圖6 實驗Ⅰ操縱員操作任務分析圖

首先由教練員完成實驗前期部分，將實驗進度調整至任務初始點，未經過培訓的操縱員在簡單了解任務后進行實驗， 操縱員需佩戴頭戴式眼動儀實時記錄，實驗時間為任務初始點至任務完成。甲組操縱員需自己完成屏幕配置、調整，乙組操縱員在已配置完成的屏幕上進行操作(三塊屏幕固定顯示三個需要進行操作的界面，RCV001YCD、RCV002YCD和RIS002YCD)。

實驗結果：對眼動儀的記錄畫面進行觀察后得到兩組操縱員完成各次實驗任務的平均時間，見圖7。

圖7 實驗Ⅰ操縱員任務完成結果分析圖

2.實驗Ⅱ：界面管理任務對以抽象命題表征為主的主任務的影響

實驗程序：選取第四階段(降溫降壓至電廠平穩(wěn))中操縱員需要完成以抽象命題表征為主的主任務部分。該選段中，操縱員需要冷卻和降壓，通過反復調整噴淋閥的大小將一回路壓力降至65bar，同時保證Δtsat>20 ℃，并且用RCV046VP維持穩(wěn)壓器水位>-4 m。

首先由教員完成前期部分，將實驗進度調整至任務初始點，再選取未經過培訓的操縱員在簡單了解任務后進行實驗， 該操縱員需佩戴頭戴式眼動儀實時記錄，實驗完成時間為任務初始點至任務完成。其中甲組操縱員需自己完成屏幕配置、調整，乙組操縱員在已配置完成的屏幕上進行操作(三塊屏幕固定顯示三個需要使用的界面，RCP002YCD、ECP200YST和RCV001YCD)。

實驗結果：對眼動儀的記錄畫面進行分析后得到兩組操縱員完成各次實驗任務的平均時間，見圖8。

圖8 實驗Ⅱ操縱員任務完成結果分析圖

(三)實驗結果分析

操縱員完成各項主任務和界面管理任務時，調動注意力資源獲取電廠信息，再通過工作記憶調用長時記憶的知識對信息進行加工輸出，觸發(fā)響應計劃和響應執(zhí)行。其基本過程是信息編碼，信息存儲，從長時記憶中檢索信息，信息匹配和決策。界面管理任務在一定程度上增大了操縱員的認知負荷，影響人員績效。根據(jù)兩組實驗結果，可得：多次的操縱技能培訓的確能夠在很大程度上提高操縱員的操作速度并降低失誤，但是即便經過多次訓練，界面管理任務的完成還是會影響操縱員完成主任務的進程，并且這些影響主要體現(xiàn)在任務完成時間上。對比兩組實驗可以發(fā)現(xiàn)，實驗一中單次甲乙兩組的完成任務平均時間差大于實驗二，這說明界面管理任務對操縱員完成以空間圖像表征為主的主任務的影響大于以抽象命題表征為主的主任務。操縱員經過多次培訓能夠增強知識的記憶，從而加快知識的檢索、匹配和決策過程。但操縱員完成主任務的同時需要消耗認知資源來完成界面管理任務，若兩種任務的知識表征不同，操縱員運用語音回路加工抽象命題表征的主任務，同時運用空間模板加工空間圖像表征的界面管理任務，兩者沖突較小，操縱員認知負荷較低。若兩種任務都為空間圖像表征，都需要運用空間模板來進行加工，此時操縱員的認知負荷增大，任務的完成時間也會增加。

三 結 語

核電廠主控室先進的DCS系統(tǒng)在提高儀表控制系統(tǒng)的數(shù)據(jù)處理能力、改善操縱員的界面信息顯示、提高主控室的整體監(jiān)控能力等方面做出了巨大貢獻，但同時這些改變也引起了操縱員認知行為的改變，可能導致新的人因失誤，從而威脅核電廠安全。本文雖然分析了操縱員在事故緩解過程中各種操作行為的知識表征，而且實驗驗證了界面管理任務對各種知識表征的主任務的影響，為后續(xù)的研究提供了理論基礎。但如何消除或降低這些影響還需要進行進一步的深入研究。