核電廠事故規程自動化水平對人員心智負荷和作業績效的影響研究

青 濤，張 力, 2，周 杰，羅克川

(1.南華大學核科學技術學院，湖南衡陽421001；2.湖南工學院，湖南衡陽421002； 3.中廣核核電運營有限公司，廣東深圳518116)

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核電廠事故規程自動化水平對人員心智負荷和作業績效的影響研究

青 濤1，張 力1, 2，周 杰3，羅克川3

(1.南華大學核科學技術學院，湖南衡陽421001；2.湖南工學院，湖南衡陽421002； 3.中廣核核電運營有限公司，廣東深圳518116)

核電廠控制系統的數字化改變了操縱員在事故處理中的角色，帶來了新的人因問題。本文以核電廠事故規程為研究對象，探討規程的數字化對操縱員心智負荷和作業績效的影響，實驗以三種自動化水平的規程為自變量：紙質規程、電子規程、基于計算機的規程。實驗結果顯示：當自動化水平較高時，人員作業績效較好且心智負荷有降低的趨勢。實驗結果可為核電廠操縱員培訓及事故規程的自動化設計提供參考。

核電廠；事故規程；自動化；心智員荷；作業績效

核電廠采用事故規程來指導操縱員執行事故處理操作[1]。經驗豐富的操縱員在沒有規程指引時也能執行一般的任務[2]，但面對稍復雜的任務，例如機組的正常啟停堆，大多數操縱員都表示具有較大的認知負荷[3]。因此，在緊急情況下操縱員必須根據事故規程的指引進行操作。根據呈現媒介的不同對規程進行分類，可分為紙質規程(Paper-Based Procedure, PBP)和數字化規程(Computerized Procedure, CP)兩大類[4]。

在傳統的模擬控制系統中，事故規程一般是紙質的，研究發現紙質規程系統存在諸多可能導致人因失誤的因素，如：

(1) 操縱員需要手動在不同的規程中來回切換，增加了工作負荷[5]，尤其是當出現疊加事故時，很多操縱員都會感覺思維混亂[6]。

(2) 操縱員執行規程中需要在不同載體中監視相關參數變化情況[7]。

(3) 信息顯示是靜態的，有時不能反映出電廠當前的真實狀態[5]。

(4) 規程難以更新、升級[7]。

隨著計算機技術的快速發展和自動化水平的提高，事故規程也實現了數字化，在國際上，數字化規程的應用已成為先進主控室的重要標志之一[8]。數字化規程代表了紙質規程和先進人-系統界面的結合，借助相應的數字化控制系統，數字化規程還能為操縱員提供以下支持[9, 10]：

(1) 點擊導航鏈接即可完成程序切換，大大降低了緊急情況下的工作負荷。

(2) 可實現對參數的跟蹤監視和動態跟蹤電廠狀態信息。

(3) 對規程中要求操縱員監視的相關參數集中顯示，降低信息搜索的難度。

(4) 易于更新和升級。

由于數字化規程的先進性，通常認為在規程執行過程中能顯著提高操縱績效[1]。但是，數字化規程改變了操縱員的角色和所處的工作環境，數字化規程在帶來自動化的同時也可能產生新的降低人員績效的因素，如數字化顯示界面的覆蓋易使操縱員喪失對電廠狀態的情境意識，降低操縱班組對電廠狀態的理解[11]。

核電廠主控室人機界面的自動化設計，應當以提升人員績效為主要目標，針對操縱員需要執行的任務進行詳盡的人因工程分析、設計、驗證。本文通過實驗研究不同自動化程度事故規程對人員心智負荷、作業績效的影響，以期為核電廠事故規程的自動化設計提供參考。

1 自動化水平

自動化可應用在人員信息處理的四個階段[12]：(1) 監視；(2) 狀態評估；(3) 響應計劃；(4) 響應執行。根據在四個認知階段不同程度的應用，自動化水平有不同程度的區分。最低水平的自動化，通常只整合信息以便于人員進行狀態監視，而不提供其他任何形式的支持，而高水平的自動化則幾乎不需人的任何干預。

數字化規程由于提供的功能不同，可劃分為不同的自動化水平，EPRI定義了數字化規程的三種自動化水平[4]：

(1) 電子規程(Electronic Procedure, EP)：以電腦顯示屏呈現圖像和文字，基本上是把紙質規程復制到電腦屏幕上，能提供最基本的支持，如能提供鏈接在相關規程中切換。

(2) 基于計算機的規程(Computer-Based procedure, CBP)：

能夠提供以下方面的支持：自動檢索和顯示完成當前規程步驟所需的具體信息；在規程界面或其他界面直接顯示相關信息；關注電廠狀態并追蹤重要參數變化趨勢；對緊急操作提供優先處理建議，但需操縱員最終決策。

(3) 基于規程的自動化(CBP with Procedure-Based Automation, CBP with PBA)：操縱員可以對一系列規程步驟進行授權，由系統根據規程自動執行相關決策、操作。

表1 規程的自動化水平劃分[4]

2 實驗設計

2.1 實驗被試

本實驗被試全部為核工程相關專業在校高年級本科生和研究生，年齡在20～27歲間，含14名男性及6名女性，均熟悉基本的電腦操作，但均無核電廠控制系統操作經驗。

2.2 實驗設備

實驗采用湖南工學院自主研發的核電廠控制系統仿真平臺(見圖1)，該平臺完全參照某核電廠數字化主控室操縱員控制平臺和人機界面，實驗用規程也采用該核電廠真實的狀態導向法事故規程(State-Oriented Procedure, SOP)。仿真平臺硬件由四臺19寸彩色液晶屏組成，從左至右分別編號為1～4號屏，實驗中只有規程作不同自動化水平上的區分，具體操作均在該數字化平臺上執行。

圖1 實驗平臺Fig.1 Experimental platform

實驗選用蒸汽發生器傳熱管斷裂事故(SGTR)為實驗場景。SGTR事故在核電歷史上已發生過多次，且該事故中操縱員的及時正確干預非常重要，相關操作規程步驟較多，具有代表性。SGTR事故中，如果操縱員及時按照規程作出正確響應，及時識別破管的蒸汽發生器并將其隔離，對反應堆降溫降壓，終止高壓安注并實現破口兩側壓力平衡從而終止泄漏，就可能不會有太嚴重后果，但如果操縱員不能及時作出正確響應，一回路冷卻劑則可能通過二次側卸壓閥、安全閥直接排放到環境中，并且破損的蒸汽發生器可能滿溢，大大加劇事故的放射性后果。

2.3 實驗變量

實驗自變量為事故規程最常用的三種自動化水平：紙質規程(PBP)、電子規程(EP)、基于計算機的規程(CBP)。每名被試都需完成三種自動化水平規程的實驗，三種自動化水平說明如下：

(1) PBP：將實驗所需的操作流程以紙質形式呈現，規程本身完全獨立于電腦。

(2) EP：將紙質規程以圖片形式呈現于電腦屏幕，在相關聯的規程間、規程與操作界面間提供鏈接。

(3) CBP：在EP的基礎上，還能自動顯示正在執行的規程步驟需監視及操作的參數、系統。

實驗的因變量為：人員心智負荷、作業績效。測量方法如下。

(1) 心智負荷

實驗采用NASA Task-Load-Index(NASA-TLX)量表[13]測量被試的心智負荷水平。NASA-TLX是一種一致性較高且被廣泛使用的主觀測量方法，有六項代表性指標：心智需求、體力需求、時間需求、自我績效、努力程度、挫折程度。被試在每次實驗結束后根據其在實驗中的主觀體驗對各項指標進行評分，并通過兩兩對比的方法定義各項指標權重。

(2) 作業績效

實驗以被試在規定時間內執行規程的步驟數量作為其作業績效指標。

2.4 實驗流程

實驗開始前給每位被試一份實驗手冊，并進行了3小時的培訓，其內容包括：本研究的目的；核電廠主要系統知識；仿真平臺操作方法和規程使用方法。培訓完后每名被試執行不低于三次的操作練習。

20位實驗被試采取隨機抽取順序分別完成前述三種自動化水平規程的執行，在SGTR事故處理過程中，被試還需關注狀態顯示界面上的各項電廠狀態信息，如設備狀態、參數趨勢等。在每次實驗操作完成后，被試根據該自動化水平規程操作過程中的主觀感受填寫NASA-TLX問卷，填寫完后休息10分鐘，繼續進行下一個自動化水平的規程作業實驗。

3 實驗結果與討論

本節采用SPSS 19作為統計工具對實驗中獲取的數據進行分析，探討不同自動化水平規程對人員績效的影響。

3.1 心智負荷

首先對NASA-TLX中的六個維度進行維度間相關性比較(見表2)，數據顯示，六維度間均為無相關或弱相關，說明采用NASA-TLX量表作為實驗的心智負荷測量工具是合適的。

表2 NASA-TLX六維度相關性比較

三種自動化水平規程下人員心智負荷得分如圖2所示，可見隨著規程自動化水平的提高，人員的心智負荷水平呈不斷降低的趨勢。

圖2 三種自動化水平上人員心智負荷得分Fig.2 The comparison of mental workload score in each automation level

對三個自動化水平上人員心智負荷分數作單因素方差分析，可知自變量在三個水平上對人員心智負荷水平有顯著影響(F=24.083，P=0.000<0.05)。對不同自動化水平上人員心智負荷分數做LSD多重比較，由數據(見表3)可知，不同自動化水平規程間的心智負荷均有顯著差異，使用PBP時心智負荷顯著高于使用EP和CBP時，使用EP的心智負荷顯著高于CBP?？赡茉蚴?，使用PBP時，人員需要手動在不同規程間切換，且在搜尋界面以及尋找參數、設備上消耗較高的注意力資源，從而導致人員較高的心智負荷；使用EP時，降低了人員切換規程和尋找界面的難度，但界面管理任務對注意力資源的消耗也給人員帶來較高的心智負荷。

表3 心智負荷得分LSD多重比較

*:均值差的顯著性水平為 0.05。

對三個自動化水平上NASA-TLX量表中六項指標分別作單因素方差分析，發現只有體力需求在不同自動化水平上存在顯著差異(F=20.079，P=0.000<0.05)，且隨著規程自動化水平的升高有不斷降低的趨勢(見圖3)。

對不同自動化水平上人員體力需求分數做LSD多重比較，由數據(見表4)可知，被試執行不同自動化水平規程時的體力需求均有顯著差異，使用PBP時體力需求顯著高于使用EP和CBP時，使用EP的體力需求顯著高于CBP。說明自動化的提高將由人執行的動作更多交由計算機完成，有效降低了人員體能上的負荷，人員可將分配到操作動作上的注意力資源更多地分配到對系統和參數的分析上來。

圖3 三種自動化水平上人員體力需求得分Fig.3 The comparison of physical demand score in each automation level

(I)自動化水平(J)自動化水平均值差(I-J)標準誤顯著性95%置信區間下限上限PBPEP0.36300*0.131980.0080.09870.6273CBP0.83400*0.131980.0000.56971.0983EPPBP-0.36300*0.131980.008-0.6273-0.0987CBP0.47100*0.131980.0010.20670.7353CBPPBP-0.83400*0.131980.000-1.0983-0.5697EP-0.47100*0.131980.001-0.7353-0.2067

*:均值差的顯著性水平為 0.05。

對NASA-TLX量表中六項指標得分均值做比較(見圖4)，發現在六項指標中，心智需求得分最高，可能原因是在SGTR事故過程中，系統狀態快速變化，需要被試進行大量的分析與決策；時間需求得分最低，可能原因是，在仿真平臺上的操作均不會造成后果，因此對被試難以形成時間壓力。

圖4 主觀負荷六項指標均值比較Fig.4 Mean value comparison of six dimension of NASA-TLX

3.2 作業績效

三種自動化水平規程下人員作業績效如圖5 所示，由圖可知，隨著規程自動化水平的提高，人員作業績效也呈不斷提升的趨勢。

圖5 三種自動化水平上人員作業績效Fig.5 The comparison of operation performance in each automation level

對三個自動化水平上人員作業績效作單因素方差分析，可知自變量在三個水平上對人員作業績效有顯著影響(F=47.501，P=0.000<0.05)。對不同自動化水平上人員作業績效做LSD多重比較，由數據(見表5)可知，不同自動化水平規程間的人員作業績效均有顯著差異，使用CBP時作業績效顯著高于使用EP和PBP時，使用EP的作業績效顯著高于PBP。原因主要在于，自動化程度的變化帶來了任務的重新分配，使用CBP時，將PBP和EP下由人執行的切換規程以及界面管理任務等工作分配給電腦執行，因此提升了人執行主任務的績效水平。

以上討論表明，事故規程自動化水平的提升，對人員心智負荷、作業績效等方面均有良性影響。但值得注意的是，當自動化水平較高時，有可能導致人員過度依賴自動化控制系統而產生松懈，降低其情景意識，在電廠狀態演變與預期不符時，則可能大大增加操縱員的心智負荷，而作業績效也可能顯著降低，這一點尤其值得重視。

表5 作業績效LSD多重比較Table 5 LSD multiple comparison of operation performance

*:均值差的顯著性水平為 0.05。

3.3 心智負荷與作業績效的相關性

對實驗獲得的心智負荷和作業績效數據作相關性分析，數據(r=-0.652,P=0.000<0.05)顯示，心智負荷與作業績效呈現中度負相關，即在實驗中被試承受的心智負荷范圍內，隨著心智負荷的升高，人員作業績效有降低的趨勢(見圖6)。因此在事故規程的自動化設計中，應當充分考慮對系統對人員心智負荷的影響，盡量避免讓人員產生過高的心智負荷，以提高人員作業績效。

圖6 心智負荷與作業績效的關系散點圖Fig.6 Scatter diagram of mental workload and operation performance

4 結論

本文通過實驗來研究不同自動化程度事故規程對人員績效的影響，由實驗結果與討論可知，規程的自動化給人員的操作帶來了諸多益處，如隨著自動化水平的提高，提升了人員作業績效，降低了人員的心智負荷水平，特別是降低了人員的體力需求水平，表明計算機的輔助能將人從繁瑣的操作動作中解放出來，操作者可將更多的注意力資源分配至執行主任務。

在核電廠事故工況下，事故規程的可靠性將顯著影響操縱員對系統狀態的評估和決策，本文的研究結果可為核電廠操縱員培訓及事故規程的自動化設計提供參考。本研究的限制在于，真實核電廠中是由操作班組執行事故處理，本研究只以單一人員績效作為研究對象，且本文的研究僅考慮自動化水平對心智負荷與作業績效的影響，而規程自動化對于情景意識、人因可靠性的影響也是極為重要的課題，這都是后續研究中需要考慮的問題；此外，操縱員在執行事故處理的不同階段心智負荷與作業績效的變化也是非常值得研究的議題。

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Effects of the Automatic Level of the Operating Procedures on Mental Workload and Operation Performance in Main Control Rooms of Nuclear Power Plants

QING Tao1, ZHANG Li1, 2, ZHOU Jie3, LUO Ke-chuan3

(1.College of Nuclear Science and Technology, University of South China, Hengyang 421001, China; 2.Hunan Institute of Technology, Hengyang 421002, China; 3.China Nuclear Power Operations Co., Ltd, Shenzhen 518116, China)

Some automation allocation problems are carried by digitizing the human-system interface in main control rooms (MCRs).To improve human performance, the purpose of this study is to determine the effect of automation on mental workload and operation performance in the advanced MCRs.The study provides design implementation guidelines for three types of computerized procedures; they are (a) paper-based procedure; (b) electronic procedure; (c) computer-based procedure.Experimental results reveals that the automation allocation type with higher ratio automatic mode result in the superior primary task performance, and the lower mental workload.The paper provides an experiment result which could be a reference for operator training and nuclear power plant main control room design.

Automation; computerized Procedure; human performance; advanced MCR

2016-12-29

國家自然科學基金資助項目(71071051, 71371070)；嶺東核電有限公司科研項目(KR70543)

青 濤(1987—)，男，博士研究生，現從事人因工程，系統安全分析與評價研究

張 力：13807340602@139.com.

TL4

A

0258-0918(2017)03-0450-08