核電廠操縱員在操作任務持續快速變化下的認知行為特征

張 力，劉雪陽，鄒衍華，洪 俊，吳斯揚

(1.南華大學 核科學與技術學院，湖南 衡陽 421001；2.湖南工學院 人因與安全工程研究院，湖南 衡陽 421002)

“十三五”電力發展規劃明確提出核電廠要增強調峰能力建設，提升負荷側響應水平。傳統上核電機組是不參與電網調峰的，因為調峰要頻繁升降反應堆功率，這將導致反應堆系統熱工水力狀況波動，甚至失穩，進而可能影響核電機組性能和安全性[1]。核電參與電網調峰運行的一個顯著特征是功率持續快速變化，在該過程中為了維持電廠系統穩定運行，主控室操縱員需執行一系列持續快速變化的操作任務，即操縱員需在一段時間內持續執行操作時間窗口小、操作強度大、操作情況復雜和變化快、操作失誤后果嚴重的操作任務，該類任務具有時間緊迫、失誤率高和后果嚴重等特點。如：當核電廠參與電網調峰，電網負荷峰谷差導致電網目標頻率變化時，操縱員需在規定時間內頻繁地調節核反應堆輸出功率來響應電網目標頻率變化，而此種情況下規定的時間窗口遠小于正常啟停堆操作的時間窗口，相應的反應堆功率的升降速率也更快，反應性控制難度更大。為維持此時反應堆的穩定性，操縱員就需在短時間內執行大量的操作來實現對多目標、多參數的監控，并頻繁執行界面管理任務來及時獲取有效信息和電廠狀態參數[2]。頻繁升降功率使核電廠操縱員對機組控制變得非常困難，相較于基本負荷運行這將大幅增加負荷變化過程中跳機、跳堆的風險[3]。如核電廠啟停堆階段的人因失誤比基荷運行階段比例高得多，切爾諾貝利核電廠事故也正是在一項定期實驗升降功率過程中引發的[4]。因此有必要研究操作任務持續快速變化背景下操縱員的認知行為過程，建立認知模型，以在一般性意義上深入認知過程內部，加深理解人因失誤機制，從而在更深層次上分析人因失誤產生機理，避免和減少操作任務持續快速變化背景下操縱員人因事件的發生。

本文基于核電廠參與電網調峰背景下主控室操縱員操作任務的任務特性，結合認知心理學、行為科學、人因工程等理論方法，通過文獻調研、操縱員訪談及現場觀察來研究操作任務持續快速變化背景下操縱員的認知行為過程，為識別操作任務持續快速變化背景下操縱員的認知行為特征打下基礎，進而為建立或改進操作任務持續快速變化背景下人因可靠性分析(HRA, human reliability analysis)方法服務。

1 調峰背景下主控室操縱員操作任務特性

為研究操作任務持續快速變化背景下操縱員的認知行為過程，本文首先分析調峰背景下主控室操縱員操作任務特性和相關的行為形成因子(PSF, performance shaping factor)，對比與常規工況下操作任務的差異。

核電廠參與電網調峰后會頻繁進行升降功率操作，相對于常規工況下的操作任務，其在操作任務類型、操作方式、PSF、工作負荷和工作模式等方面都發生變化。

1) 操作任務更復雜，操作時間窗口小

功率持續快速變化是核電廠參與電網調峰運行的一個顯著特征，此種情況下的升降功率操作對操縱員要求更高，要在短時間內，以30～50 MW/min的速率升降功率[5]。在此過程中，需要操縱員同時監視多種不同操作界面的參數，獲取實時系統參數，操縱員還需執行打開設備操作窗口、點擊操作指令、確認操作指令、執行操作指令、關閉操作窗口等一系列操作任務，以維持系統在規定范圍內運行。

常規工況下，操縱員進行啟停堆操作時，主要通過硼酸來調節反應堆升降功率速率；而在調峰操作過程中，操縱員主要通過控制棒來調節反應堆升降功率速率[6]。調節硼酸濃度和控制棒相比反應更緩慢，但穩定性更好。進行控制棒調節時，升降功率速率快，反應性波動大，操縱員所需監視的參數增多，導致調峰操作任務更復雜，操作的時間窗口也大為減小。

2) 操縱員操作方式的變化

在常規工況下，操縱員進行操作時只需按照操作計劃，找到對應的操作規程進行操作。當核電廠參與電網調峰后，遇到突發性調峰任務時，主控室操縱班組中值長需根據實際情況臨時制定調峰的操作策略，而不再按原有計劃進行操作，這導致操縱員操作方式發生變化。

3) PSF增多

執行調峰任務的操縱員行為一般分為監測和察覺、理解和感知、決策、執行及團隊協作5個部分[7]，除HRA中常規的人機界面、運行規程、操作經驗、心理壓力等PSF外，還識別出了團隊有效性、可用時間、執行難度及資源4個PSF對操縱員執行調峰任務的制約和影響。

4) 工作負荷變化

在工作負荷方面，核電廠參與電網調峰初期，相比于常規工況，操縱員進行反應堆啟動或停堆，由于時間壓力的增大，導致操縱員心理負荷大幅度增加，且體力負荷也由于頻繁升降功率而增加[8]；核電廠參與電網調峰中后期，由于操縱員對調峰任務熟悉程度增加，時間壓力對操縱員影響降低，操縱員的心理負荷將會大幅減少，但體力負荷和初期相比變化不大。

5) 工作模式的變化

根據核電廠現場調研及操縱員訪談可知，核電廠參與電網調峰后，遇到突發性的調峰任務，不再是由單一操縱員決策，而是由整個主控室操縱班組集體討論，最終由當班值長給出決策，確定選擇哪種方案來進行調峰操作以應對電網調峰要求，操縱員再按照選定的方案進行對應的操作。

2 HRA方法中的認知模型

HRA方法起源于20世紀60年代，大部分HRA技術都是在20世紀80年代中期以后才得以開發和應用，傳統上HRA方法被劃分為第1代、第2代[9]，以及基于仿真技術開發的動態HRA方法或被稱為新一代(第3代)HRA方法[10]。隨著認知心理學和行為科學等相關學科的發展，HRA研究的重點已從人因失誤率計算轉到人因失誤全過程的探索，包括人因失誤辨識、人因失誤機理、人因失誤概率計算、人因失誤風險分析及如何降低人因失誤。人因失誤機理的解釋是HRA方法的重點和難點，目前的研究是圍繞認知模型展開的。

2.1 技能、規則和知識框架模型

第1代HRA方法中唯一考慮了認知行為的是人認知可靠性模型(HCR, human cognitive reliability)[11]，其采用基于技能、規則和知識(SRK, skill-based, rule-based, knowledge-based)框架[12]作為認知模型框架，用來處理事故后操縱員診斷方面的人因可靠性問題。該框架將認知過程分為3種基本模式：技能型、規則型及知識型。但SRK框架僅局限于對技能型、規則型及知識型3種模式的區分，沒有對認知水平不同的情況進行探討，且針對操作任務持續快速變化的情景不能很好地解釋該過程，也沒有包含團隊協作這一過程。

2.2 信息處理模型

信息處理模型用4個階段(監控/探測、環境感知、計劃及實現)來表示人的認知過程，每一階段的功能與前面一部分的信息處理模型基本相同[13]。該模型和SRK框架模型相同，強調的是單個操縱員的認知模型，而操作任務持續快速變化下，還需考慮團隊的認知過程，最終的操作方案是由團隊協作商議出的。

2.3 情境控制模型

情境控制模型(COCOM，contextual control model)是由Hollnagel[14]于1998年提出的。COCOM指出，認知不能單一是對輸入的信號做出被動的響應，而是一個連續且能對原目標和意圖進行不斷主動修正的過程，如圖1所示。COCOM主要針對個體，而對團隊協作因素考慮不足。

圖1 情境控制模型Fig.1 Contextual control model

2.4 IDA模型

IDA(information, decision and action)模型是由Smidts等[15]提出的，用來描述操縱員在執行操作任務情況下的認知過程，模型的結構如圖2所示。該模型包含4個模塊：信息感知、決策、執行及心理狀態。IDA模型解釋了心理狀態對認知過程的影響程度，考慮了在動態的任務場景下，心理狀態與其他認知功能的交互作用，能在一定程度上解釋動態任務場景下人因失誤的機理。

圖2 IDA模型Fig.2 IDA model

3 操作任務持續快速變化背景下的認知行為模型

核電廠參與電網調峰后會頻繁進行升降功率操作，尤其是接到緊急指令需進行升降負荷，就需當班值長進行團隊決策，選擇合適方案進行升降功率操作，然后操縱員按照所選定的方案進行操作。這一過程和常規操作有很大區別，操作任務更復雜、操作時間窗口小、操縱員操作方式的變化、工作負荷變化及工作模式變化將導致操縱員執行調峰操作時發生人因失誤的概率會高于常規操作，這些人因失誤不僅可能發生在操縱員操作的過程，還有可能發生在值長進行團隊決策的過程。這將導致以前的認知行為過程不再適用于操作任務持續快速變化背景，所以要考慮開發新的認知行為過程。

基于核電廠參與電網調峰后的任務特性，結合現場調研和操縱員、值長訪談，對IDA模型進行改進，并參考NUREG-2114[7]提出了如圖3所示的操作任務持續快速變化背景下的認知行為模型。

在核電廠進行計劃性調峰時，主控室操縱員按照操作規程進行操作，該種情況下，團隊協作決策的重要性不明顯，更多的是需要操縱員獨立按照運行規程進行操作。此時，操縱員的認知過程可分為4個過程，從監視、狀態評估、響應計劃到響應執行。操縱員通過監視對應的顯示設備獲取相關參數信息，對所獲得的信息進行狀態評估，分析判斷核電廠系統狀態是否滿足進行調峰操作的條件，符合進入調峰操作的條件后，按照操作規程控制設備進行操作。執行完操作后，操縱員會繼續監視核電廠系統狀態，觀察系統參數狀態變化，來決定下一步的操作，這又是一完整的認知過程，又從監視、狀態評估、響應計劃到響應執行。直到操縱員執行完整個調峰任務，操縱員的認知過程才會停止，不再進行循環。操縱員在執行調峰任務過程中，每個認知過程都會受到心理狀態的影響，而進行每個認知過程時反過來也會影響操縱員的心理狀態，這是一個兩者相互影響的動態過程，直到操作結束。

在核電廠遇到突發性調峰任務時，操縱員操作清單上并沒有對應的操作規程，此時就需考慮團隊決策，當班值長會召集整個主控室內當班人員進行決策，選取進行升降功率的最優方案，如確定控制棒棒位、棒速及控制棒插入方式等，來完成突發性調峰任務[16]。這一決策過程相當重要，如果選擇了不恰當的方式進行升降功率，可能對反應堆系統產生較大沖擊，加劇反應堆壓力容器的輻照脆化和系統某些關鍵部件的金屬疲勞，影響核電廠安全運行且降低機組設備的壽命[17]。所以此過程不應只考慮操縱員1個人的認知過程，還應將團隊決策的認知過程納入考慮。

圖3 操作任務持續快速變化背景下的認知行為模型Fig.3 Cognitive behavior model under background of continuous and rapid change of operation task

當操縱員對從顯示設備監視到的信息進行狀態評估后，需選擇制定如何進行升降功率的計劃來滿足突發性調峰任務，此時團隊決策就要介入，團隊決策的認知過程同樣有4個過程，從檢測和識別、理解和感知、決策到制定計劃，此時需再次對核電廠系統參數進行檢測和識別，對獲取的信息進行相應的理解和感知，決策出選取哪種方案進行升降功率比較合適，然后根據選擇的方案制定出計劃，告訴操縱員操作計劃，一、二回路操縱員按照計劃響應計劃和響應執行。一直到完成突發性調峰任務，認知過程才會停止，不再循環。突發性調峰任務發生時，操縱員的每個認知過程和心理狀態相互影響，且在團隊決策過程中二者也會相互影響，這種動態影響過程直到任務結束才停止。

4 結果與討論

核電廠參與電網調峰后，由于系統運行任務的轉變，導致操縱員的行為模式、工作特征和工作要求等發生了變化，操作任務更復雜，對應的操作時間窗口變小，為了維持電廠系統的穩定運行，操縱員需在短時間內執行一系列持續快速變化的操作任務來對多目標和多參數進行監視，在操作過程中，也更強調團隊協作，需要值長根據任務需求的變化及時選取正確的操作方式。在此過程中，操縱員認知過程受到的影響更多。而這些與常規操作不同之處，會導致現行HRA方法中的認知模型不能完全在此背景下適用，需開發針對操作任務持續快速變化背景下的認知行為模型。

針對操作任務持續快速變化背景下的認知行為模型，現行HRA方法中的認知模型主要存在以下缺陷：1) 對操縱員的認知行為研究大多采用靜態分析技術，如HRA事件樹和決策樹，這樣的分析技術無法真實、全面地反映在連續高強度工作負荷下操縱員對系統動態響應過程中的認知行為變化；2) 分析中無法體現操縱員認知行為在頻繁、快速地人-系統交互過程中的動態演化過程；3) 對團隊決策的認知過程考慮和處理無法滿足操作任務持續快速變化背景下的任務分析要求(深度不夠，考慮不足)；4) 缺乏相應的分析數據。

因此，本文提出新的認知行為模型，加入團隊決策的認知過程，考慮操作任務持續快速變化背景下的動態特性，將整個認知過程連起來形成一個環路，不停循環，直到任務結束，而不再是單一地進行，且心理狀態不僅對操縱員的認知過程相互影響，還對團隊決策過程也相互影響。該模型有以下優點。

1) 本文建立的模型符合調峰任務這一類持續快速變化任務與常規任務的不同點：時間窗口小，操作壓力大，持續變化。該模型能反映高強度工作負荷下操縱員對系統動態響應過程中的認知行為變化。

2) 針對執行調峰任務這類持續快速變化任務時團隊決策的重要性，將團隊決策這一過程加入到操縱員的認知過程中，操縱員執行調峰任務時不僅受自身和環境影響還受到團隊決策的影響，團隊決策影響是否選取正確合理的計劃應對升降功率。

3) 該模型可用于操作任務持續變化背景下相關HRA研究，有助于分析和應對調峰任務中發生的人因失誤，對操縱員的選拔和培訓也能給出相應的指導性意見。

通過該認知模型，能清楚地知道操縱員在執行調峰任務時的認知過程；當操縱員發生失誤時，能找到是在哪一環節出現的失誤；能為構建HRA中PSF的層次結構模型和建立結構化的PSF分類體系服務；能為人因辨識技術服務，識別操縱員的失誤類型；能為定量操縱員認知行為演化機制服務。

5 結論和展望

本文建立了操作任務持續快速變化背景下的認知行為模型，加入團隊決策的認知過程，該模型可為研究操作任務持續快速變化背景下的HRA方法打下基礎。然而該模型還有一些缺點：該模型是建立在文獻調研、操縱員訪談及現場觀察的基礎上，缺乏對應實驗數據或實際案例來驗證模型的合理性，未來將在獲取相關數據的基礎上展開驗證；該模型只是對操縱員的認知過程進行定性研究，沒有建立對應的定量方法，未來將研究相應的定量方法，對模型進行進一步優化。