核電廠主控室數(shù)字化人機(jī)界面失誤模式及原因分析

蔣建軍，張 力，胡 鴻，楊 丹，席釕姿，唐 范，江發(fā)明，張 杰

(湖南工學(xué)院 人因與安全工程研究院，湖南 衡陽(yáng) 421002)

隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)、信息技術(shù)及自動(dòng)化技術(shù)的發(fā)展，許多核電廠主控室采用了數(shù)字化操控系統(tǒng)。數(shù)字化人機(jī)界面是操作員與系統(tǒng)交互的“窗口”，操縱員獲取人機(jī)界面提供的信息后，根據(jù)人機(jī)界面提供的狀態(tài)信息進(jìn)行感知、判斷和執(zhí)行相關(guān)的規(guī)程[1]。數(shù)字化控制室顯示屏提供了多個(gè)人機(jī)交互界面，這些人機(jī)界面在計(jì)算機(jī)屏幕上沒(méi)有空間固定連續(xù)可見(jiàn)的畫(huà)面，或者說(shuō)不能在屏幕上隨時(shí)連續(xù)可見(jiàn)，這改變了操作員的認(rèn)知過(guò)程，給操縱員帶來(lái)挑戰(zhàn)。

目前，由硬件系統(tǒng)、軟件系統(tǒng)所引起的事故越來(lái)越小，但由人自身因素產(chǎn)生的事故比例卻愈來(lái)愈高。系統(tǒng)失效中，70%～90%的事故或故障都是由人的失誤引發(fā)的[2]，如，1979年的三哩島事故以及1986年的切爾諾貝利事故[3]。進(jìn)一步來(lái)看，數(shù)字化人機(jī)界面復(fù)雜多變，且有成千上萬(wàn)的參數(shù)與畫(huà)面，參數(shù)與畫(huà)面位置多變或被隱藏，都有可能引發(fā)新的人因問(wèn)題。本研究從操縱員失誤模式、失誤原因等方面開(kāi)展研究，為減少操縱員失誤、提升失誤因子水平提供方法指導(dǎo)和理論基礎(chǔ)。

一 文獻(xiàn)回顧

當(dāng)前，核電廠人機(jī)界面的設(shè)計(jì)與優(yōu)化方面有許多研究成果。有研究對(duì)人機(jī)界面設(shè)計(jì)考慮了功能設(shè)計(jì)需求，并對(duì)每個(gè)功能需求設(shè)計(jì)了狀態(tài)變化[4-5],對(duì)減少核電廠操縱員的工作負(fù)荷做出了貢獻(xiàn)。有學(xué)者提出人機(jī)界面多源信息輸入的交互方式，該方式考慮了輸入的失誤模型、約束模型及用戶(hù)交互計(jì)劃，能有效提高性能，減少失誤[6]。為便于核電廠操作人員在嚴(yán)重事故狀況下，準(zhǔn)確和方便地對(duì)人機(jī)界面進(jìn)行操作，有學(xué)者基于人因工程對(duì)核電站人機(jī)界面進(jìn)行了設(shè)計(jì)，主要包括：字體設(shè)計(jì)、顏色設(shè)計(jì)、圖符大小設(shè)計(jì)、菜單操作方式設(shè)計(jì)、操作響應(yīng)方式設(shè)計(jì)、輸入操作方式設(shè)計(jì)[7-8]。有研究以人因可靠性分析(Human Reliability Analysis，HRA)為基礎(chǔ)對(duì)核電廠數(shù)字化人機(jī)界面的單元數(shù)量、布局優(yōu)化進(jìn)行了研究，為改進(jìn)人機(jī)交互的可靠性提供參考[9-10]。有研究利用實(shí)驗(yàn)方法，以移動(dòng)界面視頻游戲及智能手機(jī)為背景，以有效性和人的舒適性為目的，以界面加速裝置、觸屏及手勢(shì)為依據(jù)，通過(guò)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)人機(jī)界面設(shè)計(jì)性能進(jìn)行分析[11-12]。有研究在工業(yè)系統(tǒng)、控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)考慮了人因工程學(xué)理論，強(qiáng)調(diào)了人因如何影響工廠運(yùn)行，在結(jié)構(gòu)系統(tǒng)中的人因知識(shí)能很好地減少人的誤操作，討論了人的認(rèn)知過(guò)程與負(fù)荷[13-14]。針對(duì)設(shè)備交互過(guò)程的多樣性，有學(xué)者基于界面描述語(yǔ)言，提出多目標(biāo)、多模式的交互界面建模方法，該方法可提高人機(jī)界面終端用戶(hù)交互的可用性[15]。工業(yè)操作過(guò)程中，人機(jī)界面可幫助操縱員熟悉工廠狀態(tài)并對(duì)意外事件的處理提供幫助，為此，有學(xué)者提出了生態(tài)界面設(shè)計(jì)思路，提出了一個(gè)動(dòng)態(tài)界面設(shè)計(jì)優(yōu)化模型，并得到應(yīng)用[16]。這些理論為如何進(jìn)行人機(jī)界面設(shè)計(jì)，如何從多個(gè)方面對(duì)促進(jìn)人機(jī)界面以人因工程學(xué)為基礎(chǔ)的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供了理論方法和實(shí)踐指導(dǎo)，對(duì)核電廠人機(jī)接口(Human-system interface，HSI)的設(shè)計(jì)及HRA研究作出了貢獻(xiàn)。本文從另一視角，探討數(shù)字化人機(jī)界面下的失誤模式及原因，為減少操作人員失誤提供理論基礎(chǔ)和實(shí)踐指導(dǎo)。

二 核電廠主控室數(shù)字化人機(jī)界面失誤模式及原因分析

(一)數(shù)字化人機(jī)界面特征

相對(duì)傳統(tǒng)的操控系統(tǒng)，數(shù)字化人機(jī)界面有其自身的特點(diǎn)，主要體現(xiàn)在操縱員通過(guò)計(jì)算機(jī)顯示器就可方便、及時(shí)地監(jiān)視電廠運(yùn)行狀態(tài)，并可以通過(guò)數(shù)字化事故規(guī)程進(jìn)行事故恢復(fù)和處理，操縱員只要調(diào)用數(shù)字化畫(huà)面、參數(shù)信息，處理規(guī)程就可實(shí)現(xiàn)事故的處理。數(shù)字化人機(jī)界面及傳統(tǒng)人機(jī)界面的特點(diǎn)[1,17]如表1所示。

表1 傳統(tǒng)人機(jī)界面與數(shù)字化人機(jī)界面中的特征

(二)失誤模式

從可靠性工程的角度看，人因失誤可定義為：在規(guī)定的精確性、指令序列或時(shí)間內(nèi),人執(zhí)行規(guī)定任務(wù)時(shí)產(chǎn)生的錯(cuò)誤,這種錯(cuò)誤能夠?qū)е骂A(yù)定工作的破壞或引起設(shè)備的損壞而使系統(tǒng)的性能降低、退化，從而產(chǎn)生事故或事故隱患[18]。失誤模式劃分主要有以下幾種分類(lèi)：(1)Reason把人因失誤分為偏離和疏忽(意圖正確但行為失誤)以及錯(cuò)誤(在行為意圖形成階段的失誤)兩大類(lèi)，這個(gè)分類(lèi)如圖1所示[19]；(2)Rasmussen將人的失誤分為：知識(shí)性失誤、技能型失誤及規(guī)則型失誤三種[20]；(3)CREAM方法將人誤事件可觀察到的外在表示形式稱(chēng)為失誤模式，分為8類(lèi)：時(shí)間(太早，太晚，遺漏)、歷程(太長(zhǎng)，太短)、力量(太大，太少)、速度(太快，太慢)、方向(錯(cuò)誤方向)、距離(太遠(yuǎn)，太近)、序列(顛倒，重復(fù)，錯(cuò)誤動(dòng)作，插入)和目標(biāo)(錯(cuò)誤目標(biāo))[21]。

通過(guò)模擬機(jī)觀察，操縱員視頻分析發(fā)現(xiàn)，操縱員執(zhí)行任務(wù)的大致流程為：觀察參數(shù)，分析當(dāng)前運(yùn)行狀態(tài)，執(zhí)行規(guī)程，調(diào)用/配置畫(huà)面。這一過(guò)程與行為心理學(xué)的觀點(diǎn)類(lèi)似，人的行為模式可表示為:S-O-R(刺激-機(jī)體-反應(yīng)),這是一個(gè)不斷循環(huán)的過(guò)程，即感知、識(shí)別、判斷和行為操作過(guò)程。在事故處理過(guò)程中，人機(jī)界面參數(shù)或信息等通過(guò)感知傳入大腦即為監(jiān)視過(guò)程；操縱員依據(jù)自己的經(jīng)驗(yàn)、知識(shí)等對(duì)所接收信息進(jìn)行識(shí)別即為理解過(guò)程；之后操縱員根據(jù)自己的理解，進(jìn)行分析，尋找解決辦法，即是決策過(guò)程；然后將決策信息由大腦傳給手腳，以產(chǎn)生動(dòng)作進(jìn)行控制操作即是行為操作過(guò)程。針對(duì)數(shù)字化人機(jī)界面，以認(rèn)知過(guò)程為主線，根據(jù)數(shù)字化系統(tǒng)人機(jī)界面模擬機(jī)觀察，視頻分析，總結(jié)歸納獲得核電廠數(shù)字化人機(jī)界面失誤模式，如表2所示。

表2 核電廠數(shù)字化人機(jī)界面失誤模式

(三)原因分析

從失誤表征出的特征看，人因失誤方式不同，各失誤方式有其內(nèi)在、外在的影響因素，失誤影響因子是導(dǎo)致失誤的原動(dòng)力和根本原因。有相關(guān)研究把影響因子體系按因子類(lèi)型進(jìn)行分類(lèi)分析，如：個(gè)體因素，組織因素，環(huán)境因素，硬件設(shè)備因素等。本文影響因素歸類(lèi)以失誤模式為劃分依據(jù)，歸納每種失誤模式下對(duì)應(yīng)的失誤影響因子。數(shù)字化人機(jī)界面失誤模式下的影響因子體系構(gòu)建主要以文獻(xiàn)調(diào)研[18,22-28]及作者經(jīng)驗(yàn)為基礎(chǔ)，經(jīng)整理獲得人機(jī)界面失誤模式下的影響因子體系，如表3所示。

(四)減少人因失誤的策略

從表3看出，主要失誤原因?yàn)椋航?jīng)驗(yàn)與培訓(xùn)水平、組織管理、人機(jī)界面、任務(wù)相似性。

人因失誤對(duì)電廠運(yùn)行及安全帶來(lái)一定的影響，減少人因失誤不僅是電廠追求的目標(biāo)，還是研究人員研究的目的。本文減少人因失誤的策略圍繞經(jīng)驗(yàn)與培訓(xùn)水平、組織管理、人機(jī)界面、任務(wù)相似性方面展開(kāi)論述，從系統(tǒng)化、整體化的視角討論核電廠有效預(yù)防、減少人因失誤的措施。

表3 數(shù)字化人機(jī)界面失誤模式下的影響因子

1.經(jīng)驗(yàn)與培訓(xùn)水平。可以加強(qiáng)操縱員模擬機(jī)訓(xùn)練，特別是加強(qiáng)任務(wù)復(fù)雜性，任務(wù)多次疊加情景下的訓(xùn)練。加強(qiáng)應(yīng)變能力、抗壓能力的訓(xùn)練，并加強(qiáng)訓(xùn)練過(guò)程的分析和總結(jié)，尋找原因，不斷提升處理事故的能力。

2.組織管理。核電廠的各個(gè)環(huán)節(jié)都是通過(guò)各種流程的分工和協(xié)助完成的，核電廠的工作流程包括[29]：偏差管理、運(yùn)行操作管理、維修活動(dòng)管理、技術(shù)實(shí)施、文件管理、應(yīng)急準(zhǔn)備、工程支持、運(yùn)行隔離、計(jì)量管理、燃料管理、工作過(guò)程管理、大修管理等。這些流程的設(shè)計(jì)必須簡(jiǎn)單、有效、條理清晰，以確保流程中的工作人員能從容應(yīng)對(duì)。進(jìn)行合理的工作安排則主要考慮：(1)不同人員的搭配。例如，涉及多種專(zhuān)業(yè)背景的工作應(yīng)安排多專(zhuān)業(yè)或多學(xué)科人員參與。(2)時(shí)間和進(jìn)度安排。不僅要考慮操作人員的工作負(fù)荷，還要思考各項(xiàng)工作的搭配關(guān)系、可用的時(shí)間窗口、應(yīng)盡量防止計(jì)劃變更。(3)加強(qiáng)班組之間的溝通。溝通包括工作前的溝通、工作期間的溝通與監(jiān)督和工作后的總結(jié)討論。建立溝通機(jī)制、程序規(guī)范，優(yōu)化溝通方式，提高溝通硬件設(shè)施的性能、布局。

3.人機(jī)界面。進(jìn)一步優(yōu)化人機(jī)界面設(shè)計(jì)，包括：功能布局合理性、字符表示的清晰性、重要信息跳變時(shí)間合理性、規(guī)程分支合理性與簡(jiǎn)便性、字符與顏色區(qū)分度、報(bào)警的準(zhǔn)確性等方面，設(shè)計(jì)后的界面應(yīng)根據(jù)用戶(hù)體驗(yàn)和意見(jiàn)反饋來(lái)不斷完善?；诖髷?shù)據(jù)，建立人機(jī)界面優(yōu)化模型，不斷學(xué)習(xí)、訓(xùn)練、結(jié)合意見(jiàn)反饋、真實(shí)電廠操作數(shù)據(jù)，用智能手段不斷改善模型參數(shù)和人機(jī)界面設(shè)計(jì)。建立優(yōu)化預(yù)警機(jī)制，利用人工智能，深度學(xué)習(xí)，通過(guò)訓(xùn)練樣本，優(yōu)化預(yù)警，建立明確、清晰的事故預(yù)警系統(tǒng)。

4.任務(wù)相似性。因任務(wù)較為相似，在參數(shù)判斷、決策、執(zhí)行過(guò)程中可能存在思維路徑依賴(lài)性，即操縱員會(huì)根據(jù)之前的判斷和執(zhí)行流程進(jìn)行操作，導(dǎo)致任務(wù)執(zhí)行偏差。為防止這種偏差，一方面應(yīng)對(duì)任務(wù)相似性參數(shù)、執(zhí)行流程相似性做相應(yīng)的標(biāo)識(shí)和提示，另一方面，在模擬機(jī)培訓(xùn)時(shí)，重復(fù)設(shè)計(jì)和加強(qiáng)任務(wù)相似性的訓(xùn)練，提高操縱員的敏感度、對(duì)任務(wù)的區(qū)分能力。

三 結(jié) 語(yǔ)

人因失誤作為事故的主要來(lái)源已引起各行業(yè)的關(guān)注。本文以核電廠數(shù)字化人機(jī)界面為背景，以減少操縱員與人機(jī)界面交互過(guò)程中人因失誤為目的，分析了傳統(tǒng)人機(jī)界面與數(shù)字化人機(jī)界面的特征，構(gòu)建了失誤模式及對(duì)應(yīng)的影響因子，并基于影響因子提出了相應(yīng)的措施。下一步，將繼續(xù)對(duì)如何減少人因失誤的措施進(jìn)行具體的方案研究和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，以期更能提高人因的可靠性、準(zhǔn)確性。