核電廠改造的人因工程任務(wù)支持驗(yàn)證方法研究

王秋雨，宋 霏，蒲曉彬，羅敬平

(1.上海核工程研究設(shè)計(jì)院有限公司，上海 200233；2.中核核電運(yùn)行管理有限公司，浙江 海鹽 314300)

0 引言

美國核管會(huì)(United States nuclear regulatory commission,U.S.NRC)出版物NUREG-0711提出了核電廠人因工程(human factors engineering,HFE)的系統(tǒng)性方法，并將其劃分為12個(gè)HFE要素。HFE驗(yàn)證和確認(rèn)(verification and validation,V&V)是NUREG-0711中定義的核電廠HFE要素之一。任務(wù)支持驗(yàn)證(task support verification,TSV)則是HFE V&V要素的一個(gè)重要組成部分。TSV關(guān)注支持任務(wù)需求所需物項(xiàng)的可用性，即確保人機(jī)接口(human system interface,HSI)設(shè)計(jì)能夠提供人員執(zhí)行任務(wù)所必需的報(bào)警、信息、控制和任務(wù)支持[1]。NUREG-0711中的系統(tǒng)性人因工程方法以及TSV方法已被廣泛應(yīng)用于新建核電廠項(xiàng)目中，并逐漸成為行業(yè)內(nèi)的通用要求。

然而，對(duì)于涉及人因工程或人機(jī)接口的電廠改造項(xiàng)目，由于沒有特別要求實(shí)施與新建項(xiàng)目一樣的系統(tǒng)性人因工程方法，各個(gè)改造項(xiàng)目在實(shí)施過程中對(duì)人因工程方法應(yīng)用的差異較大，沒有形成公認(rèn)的要求或行業(yè)慣例。對(duì)于TSV，一方面較缺乏將其應(yīng)用于電廠改造項(xiàng)目的經(jīng)驗(yàn)；另一方面，目前公開的標(biāo)準(zhǔn)和文獻(xiàn)對(duì)于電廠改造項(xiàng)目TSV方法的論述也較少。雖然NUREG-0711提供了針對(duì)改造項(xiàng)目TSV的額外考慮，但其指導(dǎo)也較為粗略。盡管改造項(xiàng)目TSV與新建項(xiàng)目TSV在本質(zhì)目標(biāo)和總體方法上大體一致，但由于兩者的關(guān)注點(diǎn)不同，在TSV的驗(yàn)證范圍、實(shí)施過程和評(píng)價(jià)準(zhǔn)則等方面仍存在一定差異，即原有的方法無法完全適用于改造項(xiàng)目[2]。因此，在實(shí)施過程中存在不少需要解決的問題和難點(diǎn)。

綜上所述，有必要建立一套適用于核電廠改造項(xiàng)目的TSV方法。

秦山核電廠320 MW壓水堆核電機(jī)組(秦山一期)控制室整體改造項(xiàng)目，是我國第一個(gè)核電廠控制室整體改造項(xiàng)目。在控制室改造的整個(gè)周期內(nèi)，采用了系統(tǒng)性的人因工程方法。其中包括實(shí)施了適用于電廠改造項(xiàng)目的TSV方法。本文所論述的是一種在秦山一期控制室整體改造項(xiàng)目中應(yīng)用的TSV方法。它是以改造變更項(xiàng)為核心，圍繞變更項(xiàng)對(duì)人機(jī)交互的影響進(jìn)行分析和驗(yàn)證的方法。實(shí)踐證明，這一方法能夠很好地適用于電廠改造項(xiàng)目，且具有通用性，可推廣至其他電廠改造項(xiàng)目中。

1 HFE V&V和TSV簡介

1.1 HFE V&V

HFE V&V用于評(píng)價(jià)核電廠設(shè)計(jì)是否符合HFE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。V&V要素由四個(gè)主要活動(dòng)組成：運(yùn)行條件取樣、設(shè)計(jì)驗(yàn)證、集成系統(tǒng)確認(rèn)(incegrated system validation,ISV)、人因工程偏差(human factor engincering deviation,HED)解決。

V&V活動(dòng)概貌如圖1所示。

圖1 V&V活動(dòng)概貌

作為HFE V&V的先決條件，運(yùn)行條件取樣的開展十分重要。電廠評(píng)審涉及成百上千個(gè)獨(dú)立的HSI部件，沒有必要也不可能對(duì)每個(gè)HSI部件都進(jìn)行評(píng)估。運(yùn)行條件取樣利用一種取樣策略來指導(dǎo)要評(píng)審的HSI選擇。

V&V評(píng)審涉及兩種類型的設(shè)計(jì)驗(yàn)證：HSI任務(wù)支持驗(yàn)證和HFE設(shè)計(jì)驗(yàn)證。前者是核實(shí)HSI是否支持任務(wù)分析所確定的任務(wù)需求。后者是核實(shí)HSI的設(shè)計(jì)是否能夠適應(yīng)HFE導(dǎo)則所反映的人的能力和局限性。

集成系統(tǒng)確認(rèn)采用基于效能的試驗(yàn)來評(píng)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。

HED合理地保證了在V&V活動(dòng)中確認(rèn)的HED已經(jīng)得到了令人滿意的評(píng)估和解決。HED解決應(yīng)與V&V一起反復(fù)進(jìn)行。也就是說，可以在實(shí)施其他V&V活動(dòng)之前，處理和解決在前一個(gè)V&V活動(dòng)中發(fā)現(xiàn)的問題。

1.2 TSV

如1.1節(jié)所述，TSV關(guān)注支持任務(wù)需求所需的物項(xiàng)可用性。其驗(yàn)證目標(biāo)是確保HSI設(shè)計(jì)能夠提供人員執(zhí)行任務(wù)必需的報(bào)警、信息、控制和任務(wù)支持。

TSV的驗(yàn)證范圍由運(yùn)行條件取樣決定，取樣準(zhǔn)則考慮了對(duì)電廠工況、重要和典型的人員任務(wù)以及影響人員效能的情境因素的覆蓋性。取樣的結(jié)果確定了TSV需要驗(yàn)證的任務(wù)情境。

TSV的驗(yàn)證過程是將HSI及其特性(基于設(shè)計(jì)文件、實(shí)體模型、工程樣機(jī)、模擬機(jī)或安裝的目標(biāo)系統(tǒng)確定)與任務(wù)需求(基于任務(wù)分析或運(yùn)行規(guī)程確定)進(jìn)行比較。當(dāng)出現(xiàn)如下情況時(shí)，申請(qǐng)者應(yīng)對(duì)HED進(jìn)行識(shí)別和記錄。

①執(zhí)行任務(wù)所需的某個(gè)HSI(某個(gè)必需的控制或顯示)不可用。

②HSI特性與人員任務(wù)需求不匹配(例如，顯示畫面給出了需要的電廠參數(shù)，但不滿足任務(wù)所需的參數(shù)范圍或精度)。

TSV驗(yàn)證過程如圖2所示。

圖2 TSV驗(yàn)證過程示意圖

2 適用于核電廠改造項(xiàng)目的TSV方法研究

2.1 電廠改造與新建電廠TSV的差異

如前文所述，電廠改造項(xiàng)目與新建電廠項(xiàng)目TSV在本質(zhì)目標(biāo)和總體方法上大體一致，但由于兩者的關(guān)注點(diǎn)不同而存在一定差異。具體而言，兩者的主要差異點(diǎn)如下[3-6]。

①驗(yàn)證范圍。

對(duì)于新建電廠，TSV關(guān)注的是控制室內(nèi)所有的人機(jī)接口和典型運(yùn)行任務(wù)；對(duì)于電廠改造，TSV關(guān)注的是控制室內(nèi)發(fā)生變更的人機(jī)接口或因?yàn)楦脑煸斐傻娜蝿?wù)需求變化。因此，兩者在驗(yàn)證范圍上存在較大的差異。

②實(shí)施過程。

為確定電廠改造項(xiàng)目中TSV的驗(yàn)證范圍，需要進(jìn)行改造差異分析，確定改造變更項(xiàng)是否可能對(duì)人機(jī)交互產(chǎn)生影響、影響程度、影響范圍，從而便于開展后續(xù)的分析工作。因此，在流程上，相對(duì)于原有的TSV，增加了變更分析的步驟，且整個(gè)TSV活動(dòng)都需圍繞變更分析的結(jié)果開展。

③評(píng)價(jià)準(zhǔn)則。

對(duì)于新建電廠，TSV關(guān)注的是人機(jī)接口及其特性是否能夠滿足操縱員的任務(wù)需求，以及是否需建立絕對(duì)準(zhǔn)則。對(duì)于電廠改造，除建立絕對(duì)準(zhǔn)則外，還需要對(duì)改造前后人機(jī)接口對(duì)任務(wù)的支持程度進(jìn)行比較，從而評(píng)價(jià)改造的效果，即建立相對(duì)準(zhǔn)則。

由于存在上述這些方面的差異，有必要對(duì)原有的TSV方法進(jìn)行調(diào)整，使其適用于電廠改造項(xiàng)目。

2.2 總體框架

電廠改造項(xiàng)目的TSV過程大致可歸納為如下三個(gè)步驟。

①改造差異分析。

與新建電廠相比，改造項(xiàng)目TSV在過程前期增加了改造差異分析的過程，用于確定受改造變更項(xiàng)影響的人機(jī)交互任務(wù)，進(jìn)而為確定TSV的驗(yàn)證范圍提供輸入。這里所說的受改造變更項(xiàng)影響的任務(wù)不僅包括直接與人機(jī)接口變更相關(guān)的任務(wù)，還包括因電廠其他系統(tǒng)改造而導(dǎo)致任務(wù)需求發(fā)生變化的任務(wù)(例如因泵的改造導(dǎo)致其操作方式發(fā)生變化)[3-4]。

②情境確定。

情境確定與新建電廠TSV中的運(yùn)行條件取樣的作用類似。對(duì)于改造項(xiàng)目，TSV的情境基于改造差異分析的結(jié)果確定。情境的選擇需要覆蓋受改造影響的典型任務(wù)。如果多個(gè)改造變更項(xiàng)所影響的任務(wù)相同或相關(guān)，則可以用同一個(gè)情境覆蓋。

針對(duì)電廠改造項(xiàng)目的TSV過程如圖3所示。

圖3 電廠改造項(xiàng)目TSV過程示意圖

③驗(yàn)證和評(píng)價(jià)過程。

為比較改造前后執(zhí)行任務(wù)的差異，改造項(xiàng)目TSV除了將任務(wù)需求與HSI清單和特性進(jìn)行比較外，還增加了與原有任務(wù)的比較環(huán)節(jié)，從而對(duì)改造結(jié)果進(jìn)行定性評(píng)價(jià)。當(dāng)評(píng)價(jià)結(jié)果為改造后變優(yōu)或相當(dāng)時(shí)，被認(rèn)為直接可接受；當(dāng)評(píng)價(jià)結(jié)果為改造后變差時(shí)，還需要根據(jù)改造綜合效應(yīng)的分析結(jié)果確定其是否可接受。由于一些改造變更項(xiàng)可能使得部分任務(wù)的執(zhí)行變優(yōu)、部分任務(wù)的執(zhí)行變差，為了評(píng)價(jià)總體上改造的優(yōu)劣，改造綜合效應(yīng)分析以單個(gè)改造變更項(xiàng)為單位，對(duì)受該變更項(xiàng)影響的所有任務(wù)進(jìn)行綜合分析，從而得到綜合的評(píng)價(jià)結(jié)果。當(dāng)綜合評(píng)價(jià)結(jié)果為改造后變差時(shí)，該改造變更項(xiàng)才被認(rèn)為不可接受，進(jìn)入偏差解決過程。

2.3 實(shí)施方法和過程

2.3.1 改造差異分析

改造差異分析是改造項(xiàng)目TSV的重要輸入之一，同時(shí)也是開展諸如改造相關(guān)規(guī)程修訂、專項(xiàng)培訓(xùn)和ISV的重要輸入之一。項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)需要在項(xiàng)目早期就建立改造變更項(xiàng)清單，并在項(xiàng)目的整個(gè)執(zhí)行過程中對(duì)該清單進(jìn)行維護(hù)。改造差異分析基于改造變更項(xiàng)清單，確定每個(gè)變更項(xiàng)對(duì)人機(jī)交互的影響程度和受影響的具體任務(wù)。

改造變更項(xiàng)對(duì)人機(jī)交互影響程度的分析過程如圖4所示。這一過程將所有改造變更項(xiàng)分為三類，即無影響、有較小影響和有較大影響。

圖4 改造變更項(xiàng)對(duì)人機(jī)交互影響程度的分析過程

其中，對(duì)人機(jī)交互無影響較易直接判斷，因此沒有設(shè)置更詳細(xì)的判斷準(zhǔn)則；而對(duì)人機(jī)交互有較小和較大影響，則通過如下三條準(zhǔn)則進(jìn)行判斷。

①是否涉及重要人員動(dòng)作。

重要人員動(dòng)作是指通過確定論或概率論分析方法識(shí)別的、對(duì)于電廠安全或總體風(fēng)險(xiǎn)較重要的人員任務(wù)。從對(duì)電廠安全的影響程度來看，涉及重要人員動(dòng)作的改造變更項(xiàng)顯然具有較高的重要程度。因此，無論這些改造變更項(xiàng)的變更程度如何，都將其歸類為有較大影響。

②信息組織、呈現(xiàn)形式或操作方式是否有較大變化。

此處的“較大變化”是指子系統(tǒng)級(jí)以上的HSI變更，例如某個(gè)HSI子系統(tǒng)的數(shù)字化改造、某個(gè)盤面的整體遷移或重新布局等；“較小變化”是指設(shè)備級(jí)的HSI變更，例如某個(gè)設(shè)備的換型等。

③任務(wù)需求是否有較大變化。

此處的“較大變化”是指子系統(tǒng)級(jí)的任務(wù)需求變更，例如某個(gè)工藝系統(tǒng)改造導(dǎo)致的任務(wù)需求變化等?！拜^小變化”是指設(shè)備級(jí)的任務(wù)需求變更，例如某個(gè)泵的控制方式的改變等。

上述關(guān)于改造變更項(xiàng)對(duì)人機(jī)交互影響程度的評(píng)價(jià)結(jié)果決定了每個(gè)改造變更項(xiàng)所需執(zhí)行的分析、驗(yàn)證和確認(rèn)過程，如圖5所示。對(duì)于TSV，其驗(yàn)證范圍是所有對(duì)人機(jī)交互有影響的改造變更項(xiàng)。

完成變更項(xiàng)對(duì)人機(jī)交互的影響分析后，分析人員還應(yīng)識(shí)別出受每個(gè)變更項(xiàng)影響的具體任務(wù)。這里的任務(wù)指的是直接受變更項(xiàng)影響的監(jiān)視或控制操作的最小集合，而不應(yīng)代入任何背景或情境信息，或考慮其他關(guān)聯(lián)任務(wù)。例如，對(duì)于柴油機(jī)輔助給水泵去蒸發(fā)器流量調(diào)節(jié)閥1E級(jí)手操器由撥盤定值方式換型為按鍵定值方式的變更項(xiàng)，識(shí)別到的受影響任務(wù)是柴油機(jī)輔助給水泵去蒸發(fā)器的流量調(diào)節(jié)任務(wù)。雖然這一任務(wù)可能在各種不同的工況下執(zhí)行，但在改造差異分析階段，并不需要明確任務(wù)的執(zhí)行背景和情境信息。

圖5 不同變更項(xiàng)適用的分析、驗(yàn)證和確認(rèn)過程

2.3.2 情境確定

由變更項(xiàng)至TSV情境的演化過程示例如圖6所示。

圖6 由變更項(xiàng)至TSV情境的演化過程示例

根據(jù)2.3.1節(jié)所述，改造差異分析識(shí)別了受每個(gè)變更項(xiàng)影響的具體任務(wù)。但這些任務(wù)是孤立的，是直接受變更項(xiàng)影響的監(jiān)視或控制操作的最小集合。然而，TSV必須考慮任務(wù)的執(zhí)行背景和前后關(guān)聯(lián)性，因此，應(yīng)為每個(gè)任務(wù)賦予一個(gè)或多個(gè)典型情境。情境的選取不必覆蓋所有需要執(zhí)行某個(gè)特定任務(wù)的工況，但應(yīng)至少覆蓋有較大可能性執(zhí)行該任務(wù)的一個(gè)代表性工況。

當(dāng)某個(gè)任務(wù)在多種工況下的執(zhí)行方式有較大差異時(shí)，還應(yīng)考慮是否為其賦予多個(gè)典型情境。此外，對(duì)于具有一定相關(guān)性的多個(gè)任務(wù)，允許用同一個(gè)典型情境覆蓋。

在總體上，情境的選取還應(yīng)考慮到對(duì)于電廠各類工況覆蓋性的適當(dāng)平衡。例如，需適當(dāng)覆蓋電廠正常運(yùn)行、故障或異常以及事故等情境類型。

2.3.3 驗(yàn)證和評(píng)價(jià)過程

驗(yàn)證和評(píng)價(jià)過程的目的是評(píng)價(jià)改造變更項(xiàng)是否可接受，并形成偏差列表和驗(yàn)證報(bào)告。TSV的驗(yàn)證和評(píng)價(jià)過程分為以下步驟。

(1)任務(wù)需求與HSI清單和特性的比較。

這一步驟用于確定改造后的任務(wù)是否可以順利完成，HSI和規(guī)程是否對(duì)任務(wù)提供了足夠的支持，屬于絕對(duì)準(zhǔn)則。在這一步驟中，可能被識(shí)別到的偏差項(xiàng)如下。

①人機(jī)接口問題：執(zhí)行任務(wù)所需的某個(gè)HSI(某個(gè)必需的報(bào)警、信息、控制)不可用；HSI特性與人員任務(wù)需求不匹配(例如，不滿足任務(wù)所需的參數(shù)范圍或精度[7])。

②運(yùn)行規(guī)程問題：規(guī)程描述與設(shè)備標(biāo)識(shí)不一致；規(guī)程描述不清晰或不準(zhǔn)確；規(guī)程未按照改造后的人機(jī)接口進(jìn)行適應(yīng)性修改。

此外，為提高問題檢出率和分析標(biāo)準(zhǔn)化程度，本項(xiàng)目采用了詳細(xì)的輔助檢查表，幫助分析人員識(shí)別問題。

(2)現(xiàn)有任務(wù)與原有任務(wù)的比較。

為了比較改造前后執(zhí)行任務(wù)的差異，在完成步驟(1)的驗(yàn)證工作之后，還需要對(duì)改造前后相同任務(wù)的執(zhí)行過程進(jìn)行比較，從而對(duì)改造的效果進(jìn)行定性評(píng)價(jià)，即改造后變優(yōu)、與改造前相當(dāng)或變差。

對(duì)于TSV情境中每個(gè)受改造影響的任務(wù)，在完成上述評(píng)價(jià)過程后，由驗(yàn)證人員填寫TSV驗(yàn)證表。驗(yàn)證表包含如下信息：情境步驟編號(hào)，操縱員動(dòng)作，人機(jī)接口資源編號(hào)，人機(jī)接口資源描述，是否改造相關(guān)，任務(wù)評(píng)分(改造前后對(duì)比打分)，評(píng)分說明，識(shí)別的問題。

最后，HED的識(shí)別準(zhǔn)則與具體任務(wù)的評(píng)分相關(guān)。例如，對(duì)于改造后無法完成的任務(wù)，直接判定為不通過并識(shí)別為HED；對(duì)于改造后可以完成但體驗(yàn)變差的任務(wù)，將結(jié)合步驟(3)“改造綜合效應(yīng)分析”確定其是否可接受；對(duì)于其他任務(wù)，可判定為通過。

(3)改造綜合效應(yīng)分析。

部分改造變更項(xiàng)對(duì)于執(zhí)行某些任務(wù)而言是有利的，而對(duì)于執(zhí)行另一些任務(wù)而言是不利的。因此，為了評(píng)價(jià)總體上改造的優(yōu)劣，需要以變更項(xiàng)為單位，對(duì)受該變更項(xiàng)影響的所有任務(wù)進(jìn)行綜合分析，從而得到綜合的評(píng)價(jià)結(jié)果。

改造綜合效應(yīng)分析采用與步驟(2)相同的評(píng)分標(biāo)準(zhǔn)，但其結(jié)果并不是對(duì)于受改造變更項(xiàng)影響的每個(gè)任務(wù)的獨(dú)立評(píng)分，而是對(duì)受某個(gè)改造變更項(xiàng)影響的所有任務(wù)的綜合評(píng)分。經(jīng)過步驟(3)，對(duì)于綜合評(píng)價(jià)改造后更差的變更項(xiàng)，判定其為不通過，對(duì)于綜合評(píng)價(jià)改造前后相當(dāng)或改造后更好的變更項(xiàng)，則判定其為通過。

2.4 驗(yàn)證結(jié)果

基于以上過程，TSV最終輸出如下結(jié)果：針對(duì)每個(gè)受改造影響的任務(wù)的單獨(dú)評(píng)分；針對(duì)每個(gè)改造變更項(xiàng)的綜合評(píng)分；經(jīng)TSV得到的HED清單。

這些結(jié)果一方面為HED解決提供輸入，從而優(yōu)化和完善HSI和規(guī)程；另一方面，為分析人員提供了改造對(duì)人機(jī)交互影響的定性評(píng)價(jià)結(jié)果，以確定改造的整體效果是否可接受。

此外，根據(jù)圖3，經(jīng)HED解決后的TSV偏差項(xiàng)還需要進(jìn)行再驗(yàn)證，并對(duì)TSV結(jié)果進(jìn)行更新，從而形成一個(gè)迭代的過程。

在秦山核電廠控制室整體改造項(xiàng)目中，TSV識(shí)別的各類HED及其占比如圖7所示。

圖7 TSV識(shí)別的各類HED及其占比

3 結(jié)束語

本文提出了一種適用于核電廠改造項(xiàng)目的人因工程任務(wù)支持驗(yàn)證方法。該方法在通用TSV方法的基礎(chǔ)上，結(jié)合了電廠改造項(xiàng)目的特點(diǎn)進(jìn)行開發(fā)，并考慮了改造項(xiàng)目與新建電廠項(xiàng)目在驗(yàn)證范圍、實(shí)施過程和評(píng)價(jià)準(zhǔn)則等方面的差異。本文建立的TSV方法已在秦山一期核電廠控制室整體改造項(xiàng)目中應(yīng)用，并經(jīng)實(shí)踐證明是可行和有效的。該方法對(duì)于核電廠改造項(xiàng)目具有普適性，可推廣至其他核電廠改造項(xiàng)目中。