船用核動力裝置應急處置決策支持系統設計

阮 航，陸古兵，晏玉坤，孫旭升

(海軍工程大學核能科學與工程系，武漢 430033)

船用核動力裝置是一個相當復雜的動態時變系統，具有突發事故的潛在風險性，對操縱人員的素質和能力具有較高要求，裝置一旦出現事故將對航行的安全性造成巨大影響［1］。研究表明，由于操作過程中操縱員需要關注的數據信息較多，工作負擔較大，一旦出現突發事故，可能會引發誤操等情況。通過三哩島等幾次核電站事故應急處置的經驗已經表明，應急決策是否正確，對減輕事故損失具有十分重要的意義［2］。目前，陸基核電站已有相應的應急處置決策支持系統，能夠較好地處理突發情況，在國外應用比較廣泛的是由歐洲多國共同開發的RODOS系統，我國也自行研制了CRODOS系統［3，4］。但其主要針對核電站出現突發事故時的應急決策，不適用于船用核動力裝置。為最快程度幫助運行人員響應突發事故，在船用核動力裝置上引入應急處置決策支持技術，保證突發事故能夠在最快時間內得到決策支持。本研究結合船用核動力裝置的實際運行需求，充分考慮人因工程理論因素，對應急處置決策支持系統的功能和方法進行討論，再由IDEF0進行系統功能建模，形成完整的體系結構，完成應急支持功能。

1 支持系統基于人因工程的設計

目前，最具代表性的認知模型為Wickens的信息處理模型［5］，如圖1所示。模型中，人的大腦被當作一個處理器，首先從感官獲取外界信息，再經信息處理分析做出決定、計劃，從而采取相應的行動。

圖1 Wickens信息處理模型

根據信息處理模型，運行人員在核動力裝置發生應急事故過程中主要認知活動有:① 事故狀態與評估，當發生事故時，對報警標志觀察，時刻監測不在正常范圍內的參數變化，不斷預判可能發生的事故類型和具體影響。②對發生事故的判斷，通過上一步的監測評估情況對發生的事故進行判斷。診斷得出事故發生的類型。③應急處置規劃，針對事故發生的類型和裝置所處于的狀態決策出正確有效的處置措施。④迅速進行處理，按照規劃好的處置規程對事故進行快速應急。

根據上述事故發生時操縱人員的認知過程，設計采用間接和直接互補的支持方式，如圖2所示。一方面既不干擾運行操縱人員對突發事故的決策判斷，另一方面通過計算機分析出的處置決策來幫助操縱人員驗證判斷。系統采用符合人類觀察特點的顯示結構將各種參數信息實時提供給操縱人員，增強其對裝置的感知;與此同時，通過計算機對發生的事故進行分析，給出發生原因、后果及處置決策措施，直接向運行人員提供支持。

圖2 直接間接互補支持

2 船用核動力裝置的需求分析

目前，現有的核動力裝置僅能夠提供信息參數的實時數據，不能綜合一段時間的歷史數據進行狀態分析。一旦出現事故，只能觸發報警顯示，需要運行人員自行判斷報警準確性和真實性，不能在第一時間提供處置規程和處置決策支持。根據上述認知方式及過程，運行人員需要相應的支持內容。首先，當事故突然發生時，運行人員需要立即了解故障的類型和解決方法。其次，還需對事故嚴重程度進行評估，了解堆芯的安全狀態，安全殼是否破損甚至放射性是否外泄等情況［6］。

為最大程度對運行人員進行決策支持，系統需要具備一個完整的數據信息顯示及相應的圖形動畫演示，幫助其更加直觀地了解裝置所處的狀態。在這個過程中，人員往往更加關注事故近期時間內造成的影響，例如當核電站發生比較嚴重的堆芯失水事故，反應堆內的冷卻劑的溫度變化速率和安注系統能夠維持的時間等要素，這就要求系統具有一定程度的預測和分析計算能力。此外，系統還要結合地理等背景信息給出決策和評價。

處置決策支持系統應能夠為發生的事故按照嚴重程度評定等級，根據等級進行分析決策。例如通常裝置的操作規程能夠滿足的一般情況的小故障，系統只需要報警提示操縱人員并提供相應的處置規程去驗證即可;當發生比較嚴重的事故時，則在此基礎上綜合各方面因素分析出恰當的處置決策，并對造成的后果進行全方位評價。

3 應急處置決策系統體系結構設計

系統主體可分為3個部分，分別為數據采集與執行、信息顯示及應急處置決策主體，如圖3所示。

數據采集與執行模塊的主要作用是通過裝置上的各種傳感器對裝置的各種參數進行測量，將采集到的原始數據通過圖形等方式直接顯示出來并提供給監測模塊。控制與保護系統能夠執行系統與運行人員及系統的控制動作，發揮操縱與保護裝置的作用。

信息顯示模塊是將系統監測和分析處理的數據科學地展示給運行人員，向運行人員提供報警信息及決策支持等內容。系統的顯示部分主要分為以下幾個模塊:報警信息顯示、系統總體安全狀態顯示、決策支持顯示、控制系統狀態顯示、故障信息顯示、操作指導步驟顯示。

應急處置決策主體由數據庫、監測報警、故障診斷、處置決策、分析驗證5部分組成。數據庫擁有系統中所有用到的文本、模型、決策、方法和知識等內容，可供其他模塊隨時調用。監測與報警模塊的作用是實時監測裝置的安全狀態和相應參數，從傳感器的信號收集到報警信號的發出，再從報警信號的過濾分類壓縮顯示到限值和趨勢報警，完成裝置總體安全狀態和參數趨勢監測。故障診斷模塊由診斷方法庫模塊、方法調度模塊和結果評價模塊組成，主要作用是將發生的故障信息送至處置決策支持模塊進行決策分析。目前，運行人員針對事故發生的處置方法還停留在依靠事故規程的指導，不僅效果局限于初始事件的種類而且相對被動。

圖3 系統體系結構

處置決策支持模塊參考了RODOS系統的優勢，包括地理背景庫模塊、事故分析模塊、決策庫模塊、決策評價模塊［7］。地理背景庫模塊能夠獲取放射性和氣象的實時數據，提供地理和人口背景信息的支持;事故分析模塊能夠分析預測在沒有干預情況下的輻射后果;決策庫模塊能夠對分析出的結果進行決策支持，將不同的決策組合進行量化;決策評價模塊能夠對產生的不同決策進行評價，考慮決策的可行性、費用、社會和政治影響等因素，提供優選決策［8］。這樣處置決策支持模塊可以通過氣象和放射性監測數據，在事故的不同階段提供支持［9］。

操作指導與驗證模塊包含正常運行處置模塊、應急操縱處置模塊、操作驗證模塊。功能包括正常運行時的處置規程提示與驗證，對運行人員的操作提供反饋。應急事故情況下，根據處置決策支持模塊分析出的決策對運行人員提供操縱處置提示，利用監測模塊驗證效果。

4 系統結構功能建模

IDEF0方法為IDEF建模方法族中的一種，是20世紀80年代由美國空軍在結構化分析和設計方法的基礎上建立起來的［10］。具有同時表達系統和數據流的活動以及它們之間的關系的優點，能夠完整描述系統功能需求。其結構的基本組成分為 I-輸入(Inputs)、C-控制(Controls)、O-輸出(Outputs)、M-機制(Mechanisms)4個部分，關系如圖 4所示。

圖4 IDEF0組件構成框圖

遵循IDEF0的建模步驟，首先建立應急決策支持系統的內外關系圖(A-0圖)，再將其分解成3～6個主要部分以形成頂層圖(A0圖)。頂層圖一般都是模型真正的最上層模型圖，也是最關鍵的一個，從結構上闡述系統各模塊的輸入輸出之間的信息關系［11］。根據處置決策支持系統的結構功能，將其分成5個功能模塊:監測與報警模塊、故障診斷模塊、處置決策支持模塊、操作指導與驗證模塊、信息顯示模塊。

圖5由分析處置決策支持系統的頂層圖得到系統的整體結構，為了進一步分析系統信息流動，選擇對處置決策支持模塊進行IDEF0建模分解。處置決策支持模塊A3按功能劃分可分為如圖6所示的4個子模塊。模塊根據信息傳遞獲取到的狀態、參數、規程、故障信息和操縱信息，這些信息經過系統軟硬件環境的作用分別得到各模塊產出的信息。處置決策支持模塊的分解圖A3中，子模塊地理背景庫模塊A31、事故分析模塊A32、決策庫模塊A33、決策評價模塊A34作為基本單元一般不進行再分解。如果其他分解圖中的子模塊能夠繼續分解，則還應做進一步分解。經過IDEF0的功能建模，被分解模塊的體系結構和功能之間的信息流動已經清晰，為下一步模塊的信息需求做好準備，其他模塊的分解參照A3進行。

圖5 頂層模型圖A0

圖6 處置決策支持模塊分解圖A3

5 結論

現階段對于核動力艦船的應急處置決策支持技術研究較少，由于其技術復雜難度大，多數研究僅表述了應達到的預期功能和簡單的系統結構，沒有更深一步的對其建模分析。本研究通過體系結構分析，利用IDEF0建模方法，做出系統的數據流及功能模型，描述了系統內各功能模塊的信息流動，為進一步開發研究提供了指導。應急處置決策支持系統是一個相對復雜的時變系統，對其IDEF0建模需要在后續研究中不斷修改與完善，系統還有很多問題需要繼續研究，為日后系統開發打下堅實的基礎。

［1］袁志星，張宇聲，余刃.集成化核動力裝置運行支持系統設計分析［J］.船海工程，2011，40(2):139-142.

［2］馮嘉禮.核電站嚴重事故應急決策支持系統及其計算機實現研究［D］.北京:中國原子能科學研究院，2001.

［3］王莉.核電站事故應急協同決策系統可靠性建模與仿真［D］.哈爾濱:哈爾濱工程大學，2012.

［4］曲靜原，曹建主，劉磊，等.我國核應急決策支持系統研究開發的現狀與展望［J］.原子能科學技術，2001，35(3):283-288.

［5］CHRISTOPH ER C D，Wickens，Hollands J G.Engineering Psychology and Human Performance［M］.New York:Harper-Collins，1992.

［6］朱繼洲.核反應堆安全分析［M］.北京:原子能出版社，2001.

［7］曲靜原，曹建主.RODOS4.0與RODOS的未來發展［J］.輻射防護，2002，22(4):193-199，26.

［8］王川，周昌，鄭謙.核事故后果評價與應急決策支持系統研究［J］.核電子學與探測技術，2013，33(5):647-651.

［9］陸能枝.核應急決策支持系統的框架結構及模糊決策方法在評估子系統的應用［D］.北京:中國原子能科學研究院，2001.

［10］陳禹六.IDEF建模分析方法［M］.北京:清華大學出版社，1999:3-5.

［11］潘堤，費海濤，張成，等.體系結構方法的本質及研究現狀分析［J］.信息通信，2014，141(9):74-75.