沈 超高級(jí)工程師 易燦南教授 李照鑫 胡 鴻教授 吳 文講師

(1.中廣核研究院有限公司,深圳 廣東 518000;2.湖南工學(xué)院 安全與管理工程學(xué)院,湖南 衡陽(yáng) 421002)

0 引言

GB/T 41145—2021《核電廠人因驗(yàn)證和確認(rèn)》[1]指出工作負(fù)荷是影響人員效能的因素;美國(guó)核管會(huì)Nureg-0711《核電廠人機(jī)交互審查模型》任務(wù)分析要素中的一項(xiàng)重要內(nèi)容是審查操縱員工作負(fù)荷[2]。因此,操縱員工作負(fù)荷是核電廠人因可靠性研究重點(diǎn)關(guān)注的問題。核電廠數(shù)字化后,系統(tǒng)中人機(jī)界面、信息顯示方式等都發(fā)生了改變,監(jiān)控盤臺(tái)變成以計(jì)算機(jī)工作站為主,設(shè)備設(shè)施以虛擬控件顯示于操控界面[3-4]。核電廠數(shù)字化帶來“巨量的信息、有限的顯示”的矛盾,產(chǎn)生“小孔效應(yīng)”[5-6],可能導(dǎo)致操縱員任務(wù)執(zhí)行過程中的工作負(fù)荷發(fā)生改變。因此,數(shù)字化核電廠中操縱員工作負(fù)荷呈現(xiàn)何種特征與規(guī)律,對(duì)操縱員任務(wù)執(zhí)行過程產(chǎn)生何種影響,成為核電、安全科學(xué)及工效學(xué)等領(lǐng)域的研究重點(diǎn)。

三哩島事故的發(fā)生促進(jìn)了事故導(dǎo)向規(guī)程(Event-oriented Procedure, EOP)向狀態(tài)導(dǎo)向規(guī)程(State-oriented Procedure, SOP)轉(zhuǎn)變。EOP中操縱員根據(jù)事故序列判斷機(jī)組事故類型,選用事故處理規(guī)程進(jìn)行診斷與處置,直到反應(yīng)堆處于安全狀態(tài);SOP中操縱員通過觀察幾個(gè)代表性參數(shù)來監(jiān)測(cè)反應(yīng)堆狀態(tài),采取回路(Loop)結(jié)構(gòu)對(duì)反應(yīng)堆狀態(tài)進(jìn)行判斷[7]。研究表明,數(shù)字化核電廠SOP可能在操縱控制、信息顯示及班組合作等方面存在人因失誤[8]。探究數(shù)字化核電廠SOP下操縱員工作負(fù)荷,確定任務(wù)執(zhí)行過程中操縱員工作負(fù)荷較大的操控任務(wù),可為操縱員人因失誤識(shí)別提供理論基礎(chǔ)。

操縱員工作負(fù)荷是指操縱員任務(wù)執(zhí)行過程中承受的工作量,可分為腦力負(fù)荷與體力負(fù)荷。在國(guó)外,工作負(fù)荷研究始于20世紀(jì)60年代醫(yī)療人員的負(fù)荷評(píng)估[9];在國(guó)內(nèi),通過知網(wǎng)查詢到最早文獻(xiàn)為研究人員基于不同負(fù)荷下的心率來評(píng)定人體的工作能力[10]。度量工作負(fù)荷的方法一般包括主觀測(cè)量法、績(jī)效度量法、生理測(cè)量法,以及包含視覺、聽覺、認(rèn)知及運(yùn)動(dòng)(Visual Auditory Cognitive Psychomotor,VACP)4個(gè)維度的多資源理論評(píng)估方法[11-12]。VACP方法通過將任務(wù)層層分解,根據(jù)子任務(wù)所占用資源的情況,依次評(píng)價(jià)子任務(wù)、任務(wù)的工作負(fù)荷。由于該方法在復(fù)雜任務(wù)執(zhí)行中工作負(fù)荷評(píng)估的優(yōu)越性,在航空[13]、航天[14]、軌道交通[15-16]、核電[12,17]、機(jī)械操作[18]等領(lǐng)域與行業(yè)得到廣泛應(yīng)用。在核電領(lǐng)域,一些學(xué)者采用該方法來評(píng)估操縱員工作負(fù)荷,例如,盧洋等[17]對(duì)操縱員處置主蒸汽管道破裂事故中涉及規(guī)程DOS、ECP2-IO、ECP2-S2的操控行為的工作負(fù)荷進(jìn)行分析;鄭騰蛟等[19]基于VACP分析SOP數(shù)字化核電廠中操縱員處置蒸汽發(fā)生器傳熱管破裂事故(Steam Generator Tube Rupture, SGTR)時(shí)的工作負(fù)荷;王莊[20]研究數(shù)字化核電廠操縱員基于EOP規(guī)程執(zhí)行任務(wù)的工作負(fù)荷;韋關(guān)祥[12]基于VACP分析冷卻劑損失事故中操縱員的工作負(fù)荷。以上研究,探究了紙質(zhì)化、電子化的EOP和SOP下操縱員的工作負(fù)荷。鄭騰蛟等[19]探究數(shù)字化核電廠SOP下操縱員的工作負(fù)荷,但其研究中子任務(wù)僅包括點(diǎn)擊鼠標(biāo)、判斷、交流、讀數(shù)和記錄,可能造成一些子任務(wù)執(zhí)行過程沒有被合理評(píng)估。因此,數(shù)字化核電廠SOP下操縱員工作負(fù)荷還需進(jìn)一步探究。

基于此,本研究將基于多資源理論,在對(duì)數(shù)字化核電廠SOP下的核電任務(wù)及現(xiàn)有文獻(xiàn)中核電相關(guān)領(lǐng)域VACP評(píng)價(jià)進(jìn)行充分調(diào)研的基礎(chǔ)上,總結(jié)數(shù)字化核電廠SOP下核電任務(wù)VACP量表,確定操縱員工作負(fù)荷評(píng)估方法。將該方法運(yùn)用于某核電廠SGTR事故,分析任務(wù)執(zhí)行過程總工作負(fù)荷水平,確定工作負(fù)荷較大規(guī)程及行為,為數(shù)字化核電廠操縱員人員失誤預(yù)防提供理論基礎(chǔ)。

1 研究方法

1.1 操縱員工作負(fù)荷分解

多資源理論認(rèn)為作業(yè)人員任務(wù)執(zhí)行過程中需要調(diào)用視覺V、聽覺A、認(rèn)知C和運(yùn)動(dòng)P4種資源。視覺和聽覺指接受外部的刺激,認(rèn)知為信息處理水平,運(yùn)動(dòng)指身體動(dòng)作[21]。Hankins和Wilson[22]將V、A、C和P分別劃分為8個(gè)級(jí)別(0,1,2,…,7),分析過程中可根據(jù)各資源占用情況分別進(jìn)行賦分。本研究基于現(xiàn)有核電任務(wù)相關(guān)V、A、C和P的行為錨定描述[12,19-20]、其他行業(yè)領(lǐng)域中關(guān)于VACP的解釋[14,18]及數(shù)字化核電廠SOP操控特征,確定核電任務(wù)VACP量表,見表1。

表1 數(shù)字化核電廠SOP核電任務(wù)VACP量表Tab.1 VACP scaling for Digital Nuclear Power Plant based on SOP

1.2 操縱員工作負(fù)荷計(jì)算

基于表1可對(duì)核電廠主控室操縱員工作任務(wù)進(jìn)行分級(jí),并根據(jù)每個(gè)子任務(wù)對(duì)應(yīng)的V、A、C和P的資源占用率進(jìn)行賦分,可得到每個(gè)子任務(wù)的VACP評(píng)分:

VACPi=Vi+Ai+Ci+Pi

(1)

式中:

i—子任務(wù)序號(hào),i=0,1,…,n。

對(duì)于某一項(xiàng)任務(wù)而言,操縱員工作負(fù)荷VACP可根據(jù)下式進(jìn)行計(jì)算:

VACP=∑(VACPi)

(2)

2 應(yīng)用實(shí)例

某數(shù)字化核電廠SGTR事故中,操縱員進(jìn)入SOP規(guī)程的DOS診斷程序,根據(jù)6個(gè)機(jī)組狀態(tài)參數(shù)確定功能降級(jí)水平[19],從而轉(zhuǎn)到對(duì)應(yīng)的事故規(guī)程ECPi,根據(jù)“初始導(dǎo)向”確定“操作序列”,直至6個(gè)狀態(tài)參數(shù)達(dá)到規(guī)定范圍后,導(dǎo)向SOP事故規(guī)程出口,結(jié)束事故處理。此實(shí)例中,任務(wù)開始于操縱員基于DOS診斷,結(jié)束于判斷當(dāng)前狀態(tài)是否適應(yīng)于正在使用的ECPi,整個(gè)操縱過程包括74步?；谝?guī)程執(zhí)行界面出現(xiàn)順序,在規(guī)程界面、操控界面變化的基礎(chǔ)上考慮操控內(nèi)容劃分子任務(wù)(149個(gè))。由于篇幅所限,在此僅給出前5步的子任務(wù)分解情況,見表2。對(duì)每個(gè)子任務(wù)中V、A、C和P資源的占用程度依據(jù)表1賦分,基于式(1)獲得每個(gè)子任務(wù)的VACP評(píng)分。將操縱員規(guī)程執(zhí)行過程中不同子任務(wù)下的工作負(fù)荷評(píng)分繪制于圖1,粗實(shí)線為子任務(wù)VACP總分,虛線為某規(guī)程執(zhí)行階段VACP均值,I-XIV為任務(wù)執(zhí)行過程中依次調(diào)用規(guī)程編號(hào),1,2,…,149為子任務(wù)編號(hào),見表2。將各規(guī)程執(zhí)行過程中的VACP均值、總分(VACP總分為子任務(wù)計(jì)數(shù)乘VACP均值)及子任務(wù)數(shù)量匯總,見表3。

注:I-XIV為規(guī)程。I:DOS1-1;II:PRE-ACT;III:DOS1-2;IV:SI-CHK-1;V:SI-CHK-2;VI:DOS1-3;VII:RCPs-CFG;VIII:DOS1-4;IX:EAS-SUR;X:PTR-SUR;XI:RCPp-SUR;XII:AUX.S-FL;XIII:ECP3-SEQ1-2;XIV:RANGE圖1 SGTR任務(wù)基于VACP的工作負(fù)荷分析Fig.1 Workload of operators in SGTR based on VACP

表2 規(guī)程操作及子任務(wù)(部分)Tab.2 Procedure operations and sub-missions (part)

表3 規(guī)程執(zhí)行過程VACP值Tab.3 VACP values in different procedures

由圖1和表3可知:

(1)本任務(wù)中,VACP總分為1283.6,子任務(wù)總數(shù)為149。表1中V、A、C和P單項(xiàng)最高分為7分,4項(xiàng)之和最高為28分。若以28分為基數(shù)進(jìn)行計(jì)算某任務(wù)工作負(fù)荷(工作負(fù)荷為VACP評(píng)分除以28),則該實(shí)例所示SGTR任務(wù)工作負(fù)荷約為31%,工作負(fù)荷不高。韋關(guān)祥[12]基于VACP分析冷卻劑損失事故下操縱員的工作負(fù)荷,不考慮時(shí)間壓力的情況,一回路操縱員工作負(fù)荷約為5,工作負(fù)荷約為18%;盧洋等[17]研究中紙質(zhì)規(guī)程和電子規(guī)程執(zhí)行主蒸汽管理破裂事故下操縱員工作負(fù)荷分別為26%和23%;鄭騰蛟等[19]數(shù)字化核電廠SOP任務(wù)執(zhí)行過程,VACP均值為11.82,工作負(fù)荷約為42%;王莊[20]研究數(shù)字化核電廠EOP規(guī)程任務(wù)復(fù)雜度分析實(shí)驗(yàn)中,VACP均值為11.8,工作負(fù)荷約為42%。以上文獻(xiàn)均是基于VACP進(jìn)行的核電任務(wù)工作負(fù)荷分析,研究結(jié)果差異可能由以下原因?qū)е?首先,EOP和SOP下的規(guī)程邏輯和結(jié)構(gòu)不一致,可能導(dǎo)致操縱員工作負(fù)荷不一致;其次,紙質(zhì)規(guī)程和電子規(guī)程也可能導(dǎo)致操縱員工作負(fù)荷不一致,如青濤等[23]發(fā)現(xiàn)自動(dòng)化程度越高,心智負(fù)荷越低;再次,監(jiān)控界面功能布局不一致也可能導(dǎo)致工作負(fù)荷的差異,如吳曉莉和吳新兵[24]對(duì)某核電廠監(jiān)控系統(tǒng)界面功能布局進(jìn)行優(yōu)化后,發(fā)現(xiàn)視覺傳達(dá)指數(shù)提高26.98%;最后,事故類型不一致,也可能導(dǎo)致工作負(fù)荷不一致。整體上來看,核電任務(wù)工作負(fù)荷在45%以下,低于紅線理論80%[25-26],核電任務(wù)工作負(fù)荷與事故類型有關(guān),本研究中SGTR下工作負(fù)荷約為31%,但在處理其他事故或者在疊加事故情況下,工作負(fù)荷可能會(huì)升高。

(2)本任務(wù)中,V、C和P總分分別為522.2、516.8和204.2,占比分別為40.7%、40.4%和15.9%。在盧洋等[17]進(jìn)行的主蒸汽管道破裂事故診斷和執(zhí)行任務(wù)過程中,V、C和P總分分別為1256.1、920.7和430.6,占比分別為48.2%、35.3%和16.5%。2項(xiàng)研究均是基于SOP的數(shù)字化核電廠,雖然任務(wù)執(zhí)行不一致,但是V、C和P所占用資源比值具有相似性。因此,在基于SOP數(shù)字化核電廠操控任務(wù)中,視覺和認(rèn)知負(fù)荷比較大,需要具有較大的心智需求。青濤等[23]研究中發(fā)現(xiàn),操縱員SGTR任務(wù)執(zhí)行過程中心智需求較高,這與本研究的結(jié)果一致。因此,在自動(dòng)化程度較高的情況下,核電任務(wù)執(zhí)行過程中主要占用資源是視覺和認(rèn)知,需要注意這些資源占用過大而導(dǎo)致工作負(fù)荷增加的問題。

(3)本任務(wù)中,工作負(fù)荷最高發(fā)生在規(guī)程DOS1-2執(zhí)行,總工作負(fù)荷為210.1;其次為規(guī)程SI-CHK-1和PRE-ACT,工作負(fù)荷分別為203.30和168.00;再次為規(guī)程EAS-SUR,工作負(fù)荷為142.60;最低為規(guī)程AUX.S-FL和RCPs-CFG,工作負(fù)荷分別為19.00和18.80。因此,對(duì)于本任務(wù)而言,診斷任務(wù)具有較大的工作負(fù)荷,其次是安全殼噴淋系統(tǒng)監(jiān)控任務(wù)。

(4)若以“工作負(fù)荷>40%”作為判斷任務(wù)執(zhí)行過程中“工作負(fù)荷高”的依據(jù)(VACPi>(40%×28=11.2)),規(guī)程DOS1-2、SI-CHK-1、DOS1-4、EAS-SUR、RCPp-SUR和RANGE 的高工作負(fù)荷執(zhí)行子任務(wù)執(zhí)行數(shù)量在3個(gè)以上,見表3。查閱相關(guān)子任務(wù)分類發(fā)現(xiàn)高工作負(fù)荷子任務(wù)主要由以下3個(gè)原因?qū)е?操縱員基于規(guī)程判斷各系統(tǒng)狀態(tài),如判斷壓力容器△Tsat在圖中區(qū)域、判斷主泵軸封流量是否大于1.1m3/h、判斷安全殼內(nèi)放射性是否高于20mGy/h;信息記錄,如記錄安注時(shí)間;操縱員與班組人員之間的溝通。在操縱員培訓(xùn)和復(fù)訓(xùn)工作中,可增加這些方面的訓(xùn)練,降低人因失誤。

3 結(jié)論

(1)提出SOP數(shù)字化核電廠操縱員工作負(fù)荷分析VACP量表,實(shí)際工作中可依據(jù)此表進(jìn)行不同任務(wù)執(zhí)行過程中的工作負(fù)荷分析,為合理評(píng)估操縱員工作負(fù)荷提供方法支持。另外,可根據(jù)該量表結(jié)合其他核電廠(如紙質(zhì)或數(shù)字化EOP核電廠)系統(tǒng)操縱特征,探究操縱員任務(wù)執(zhí)行中的工作負(fù)荷。

(2)數(shù)字化核電廠SOP任務(wù)中,視覺和認(rèn)知資源占比最高,在實(shí)際工作中,應(yīng)合理安排時(shí)間與休息方式,減少視覺及信息加工所導(dǎo)致的疲勞累積,減少人因失誤,提高人員可靠性。某基于SOP的數(shù)字化核電廠SGTR事故處理工作負(fù)荷約為31%,處于較低水平。但是在事故診斷和安全殼噴淋相關(guān)規(guī)程執(zhí)行時(shí)工作負(fù)荷較大,在規(guī)程DOS1-2、SI-CHK-1、DOS1-4、EAS-SUR、RCPp-SUR和RANGE 執(zhí)行時(shí)存在多個(gè)子任務(wù)負(fù)荷大于40%的情況,在操縱員培訓(xùn)與復(fù)訓(xùn)時(shí)可增加這些方面的訓(xùn)練。

(3)本研究未考慮時(shí)間壓力因素,所構(gòu)建模型僅適用于無時(shí)間壓力下的SOP數(shù)字化核電廠操縱員工作負(fù)荷分析,后續(xù)將進(jìn)行進(jìn)一步研究。