基于VACP的數(shù)字化核電廠主控室操縱員工作負荷評價

沈 超高級工程師 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.湖南工學院 安全與管理工程學院,湖南 衡陽 421002)

0 引言

GB/T 41145—2021《核電廠人因驗證和確認》[1]指出工作負荷是影響人員效能的因素;美國核管會Nureg-0711《核電廠人機交互審查模型》任務分析要素中的一項重要內(nèi)容是審查操縱員工作負荷[2]。因此,操縱員工作負荷是核電廠人因可靠性研究重點關注的問題。核電廠數(shù)字化后,系統(tǒng)中人機界面、信息顯示方式等都發(fā)生了改變,監(jiān)控盤臺變成以計算機工作站為主,設備設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”[5-6],可能導致操縱員任務執(zhí)行過程中的工作負荷發(fā)生改變。因此,數(shù)字化核電廠中操縱員工作負荷呈現(xiàn)何種特征與規(guī)律,對操縱員任務執(zhí)行過程產(chǎn)生何種影響,成為核電、安全科學及工效學等領域的研究重點。

三哩島事故的發(fā)生促進了事故導向規(guī)程(Event-oriented Procedure, EOP)向狀態(tài)導向規(guī)程(State-oriented Procedure, SOP)轉(zhuǎn)變。EOP中操縱員根據(jù)事故序列判斷機組事故類型,選用事故處理規(guī)程進行診斷與處置,直到反應堆處于安全狀態(tài);SOP中操縱員通過觀察幾個代表性參數(shù)來監(jiān)測反應堆狀態(tài),采取回路(Loop)結(jié)構(gòu)對反應堆狀態(tài)進行判斷[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下操縱員工作負荷,確定任務執(zhí)行過程中操縱員工作負荷較大的操控任務,可為操縱員人因失誤識別提供理論基礎。

操縱員工作負荷是指操縱員任務執(zhí)行過程中承受的工作量,可分為腦力負荷與體力負荷。在國外,工作負荷研究始于20世紀60年代醫(yī)療人員的負荷評估[9];在國內(nèi),通過知網(wǎng)查詢到最早文獻為研究人員基于不同負荷下的心率來評定人體的工作能力[10]。度量工作負荷的方法一般包括主觀測量法、績效度量法、生理測量法,以及包含視覺、聽覺、認知及運動(Visual Auditory Cognitive Psychomotor,VACP)4個維度的多資源理論評估方法[11-12]。VACP方法通過將任務層層分解,根據(jù)子任務所占用資源的情況,依次評價子任務、任務的工作負荷。由于該方法在復雜任務執(zhí)行中工作負荷評估的優(yōu)越性,在航空[13]、航天[14]、軌道交通[15-16]、核電[12,17]、機械操作[18]等領域與行業(yè)得到廣泛應用。在核電領域,一些學者采用該方法來評估操縱員工作負荷,例如,盧洋等[17]對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荷進行分析;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)時的工作負荷;王莊[20]研究數(shù)字化核電廠操縱員基于EOP規(guī)程執(zhí)行任務的工作負荷;韋關祥[12]基于VACP分析冷卻劑損失事故中操縱員的工作負荷。以上研究,探究了紙質(zhì)化、電子化的EOP和SOP下操縱員的工作負荷。鄭騰蛟等[19]探究數(shù)字化核電廠SOP下操縱員的工作負荷,但其研究中子任務僅包括點擊鼠標、判斷、交流、讀數(shù)和記錄,可能造成一些子任務執(zhí)行過程沒有被合理評估。因此,數(shù)字化核電廠SOP下操縱員工作負荷還需進一步探究。

基于此,本研究將基于多資源理論,在對數(shù)字化核電廠SOP下的核電任務及現(xiàn)有文獻中核電相關領域VACP評價進行充分調(diào)研的基礎上,總結(jié)數(shù)字化核電廠SOP下核電任務VACP量表,確定操縱員工作負荷評估方法。將該方法運用于某核電廠SGTR事故,分析任務執(zhí)行過程總工作負荷水平,確定工作負荷較大規(guī)程及行為,為數(shù)字化核電廠操縱員人員失誤預防提供理論基礎。

1 研究方法

1.1 操縱員工作負荷分解

多資源理論認為作業(yè)人員任務執(zhí)行過程中需要調(diào)用視覺V、聽覺A、認知C和運動P4種資源。視覺和聽覺指接受外部的刺激,認知為信息處理水平,運動指身體動作[21]。Hankins和Wilson[22]將V、A、C和P分別劃分為8個級別(0,1,2,…,7),分析過程中可根據(jù)各資源占用情況分別進行賦分。本研究基于現(xiàn)有核電任務相關V、A、C和P的行為錨定描述[12,19-20]、其他行業(yè)領域中關于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VACP量表,見表1。

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

1.2 操縱員工作負荷計算

基于表1可對核電廠主控室操縱員工作任務進行分級,并根據(jù)每個子任務對應的V、A、C和P的資源占用率進行賦分,可得到每個子任務的VACP評分:

VACPi=Vi+Ai+Ci+Pi

(1)

式中:

i—子任務序號,i=0,1,…,n。

對于某一項任務而言,操縱員工作負荷VACP可根據(jù)下式進行計算:

VACP=∑(VACPi)

(2)

2 應用實例

某數(shù)字化核電廠SGTR事故中,操縱員進入SOP規(guī)程的DOS診斷程序,根據(jù)6個機組狀態(tài)參數(shù)確定功能降級水平[19],從而轉(zhuǎn)到對應的事故規(guī)程ECPi,根據(jù)“初始導向”確定“操作序列”,直至6個狀態(tài)參數(shù)達到規(guī)定范圍后,導向SOP事故規(guī)程出口,結(jié)束事故處理。此實例中,任務開始于操縱員基于DOS診斷,結(jié)束于判斷當前狀態(tài)是否適應于正在使用的ECPi,整個操縱過程包括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上考慮操控內(nèi)容劃分子任務(149個)。由于篇幅所限,在此僅給出前5步的子任務分解情況,見表2。對每個子任務中V、A、C和P資源的占用程度依據(jù)表1賦分,基于式(1)獲得每個子任務的VACP評分。將操縱員規(guī)程執(zhí)行過程中不同子任務下的工作負荷評分繪制于圖1,粗實線為子任務VACP總分,虛線為某規(guī)程執(zhí)行階段VACP均值,I-XIV為任務執(zhí)行過程中依次調(diào)用規(guī)程編號,1,2,…,149為子任務編號,見表2。將各規(guī)程執(zhí)行過程中的VACP均值、總分(VACP總分為子任務計數(shù)乘VACP均值)及子任務數(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任務基于VACP的工作負荷分析Fig.1 Workload of operators in SGTR based on VACP

表2 規(guī)程操作及子任務(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)本任務中,VACP總分為1283.6,子任務總數(shù)為149。表1中V、A、C和P單項最高分為7分,4項之和最高為28分。若以28分為基數(shù)進行計算某任務工作負荷(工作負荷為VACP評分除以28),則該實例所示SGTR任務工作負荷約為31%,工作負荷不高。韋關祥[12]基于VACP分析冷卻劑損失事故下操縱員的工作負荷,不考慮時間壓力的情況,一回路操縱員工作負荷約為5,工作負荷約為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荷分別為26%和23%;鄭騰蛟等[19]數(shù)字化核電廠SOP任務執(zhí)行過程,VACP均值為11.82,工作負荷約為42%;王莊[20]研究數(shù)字化核電廠EOP規(guī)程任務復雜度分析實驗中,VACP均值為11.8,工作負荷約為42%。以上文獻均是基于VACP進行的核電任務工作負荷分析,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,可能導致操縱員工作負荷不一致;其次,紙質(zhì)規(guī)程和電子規(guī)程也可能導致操縱員工作負荷不一致,如青濤等[23]發(fā)現(xiàn)自動化程度越高,心智負荷越低;再次,監(jiān)控界面功能布局不一致也可能導致工作負荷的差異,如吳曉莉和吳新兵[24]對某核電廠監(jiān)控系統(tǒng)界面功能布局進行優(yōu)化后,發(fā)現(xiàn)視覺傳達指數(shù)提高26.98%;最后,事故類型不一致,也可能導致工作負荷不一致。整體上來看,核電任務工作負荷在45%以下,低于紅線理論80%[25-26],核電任務工作負荷與事故類型有關,本研究中SGTR下工作負荷約為31%,但在處理其他事故或者在疊加事故情況下,工作負荷可能會升高。

(2)本任務中,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]進行的主蒸汽管道破裂事故診斷和執(zhí)行任務過程中,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項研究均是基于SOP的數(shù)字化核電廠,雖然任務執(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中,視覺和認知負荷比較大,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,在自動化程度較高的情況下,核電任務執(zhí)行過程中主要占用資源是視覺和認知,需要注意這些資源占用過大而導致工作負荷增加的問題。

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

(4)若以“工作負荷>40%”作為判斷任務執(zhí)行過程中“工作負荷高”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 的高工作負荷執(zhí)行子任務執(zhí)行數(shù)量在3個以上,見表3。查閱相關子任務分類發(fā)現(xiàn)高工作負荷子任務主要由以下3個原因?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,如記錄安注時間;操縱員與班組人員之間的溝通。在操縱員培訓和復訓工作中,可增加這些方面的訓練,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荷分析VACP量表,實際工作中可依據(jù)此表進行不同任務執(zhí)行過程中的工作負荷分析,為合理評估操縱員工作負荷提供方法支持。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,探究操縱員任務執(zhí)行中的工作負荷。

(2)數(shù)字化核電廠SOP任務中,視覺和認知資源占比最高,在實際工作中,應合理安排時間與休息方式,減少視覺及信息加工所導致的疲勞累積,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規(guī)程執(zhí)行時工作負荷較大,在規(guī)程DOS1-2、SI-CHK-1、DOS1-4、EAS-SUR、RCPp-SUR和RANGE 執(zhí)行時存在多個子任務負荷大于40%的情況,在操縱員培訓與復訓時可增加這些方面的訓練。

(3)本研究未考慮時間壓力因素,所構(gòu)建模型僅適用于無時間壓力下的SOP數(shù)字化核電廠操縱員工作負荷分析,后續(xù)將進行進一步研究。