基于人員績效的核電廠數字化人機界面評價研究

王炎鑫，李鵬程

(南華大學 人因研究所，湖南 衡陽 421001)

隨著國際能源供應形勢日漸緊張，核電因其清潔、利用率高、持續性強等特點被眾多國家接受。我國正處在經濟高速發展時期，已經成為核電大國，但美國三哩島核事故、蘇聯切爾諾貝利核事故、日本福島核事故等向人們警示了核事故的危害性。所以，核安全對發展核電至關重要。隨著數字化儀控系統(DCS)+狀態導向的規程(SOP)系統在核電廠的應用，提高了系統的自動化水平，但信息顯示更加復雜，人機交互更加頻繁，這引發了新的人因問題[1]，特別是操縱員的情景意識問題。在事故調查報告中顯示，三哩島和蘇聯切爾諾貝利核事故的直接和間接原因都涉及人因失誤[2]。相關數據統計也顯示，在核工業系統中，70%～90%的事件或事故都間接或直接與人有關[3]。引發人因失誤的主要原因之一就是人機界面(MMI)設計缺陷。

美國核管會認為MMI設計評審一般包括以下幾個過程：1) 計劃；2) 預先分析；3) MMI設計檢查和驗證(V&V)；4) 人因工程缺陷的解決[4]。并從信息顯示、用戶-界面交互和管理、控制、報警系統、安全功能和參數監控系統、成組-總體顯示系統、軟控制系統、計算機化的規程系統等方面提出了具體的審查項目[5]。Hwang等[6]在核電廠數字化規程的設計和評價中，采用動態工作因果(DWCE)方法和程序化的邏輯控制器(PLC)方法來設計數字化規程，同時通過實驗證明了計算機化的人機界面會提高操縱員的學習效率和操作績效。Jou等[7]采用人因工程檢查表方式、Carvalho等[8]使用模擬機實驗觀察的方法對數字化的人機界面進行評價。此外，陳德鈞等[9]針對軌道車輛操縱臺人機界面，提出了一種基于人因和幾何位置匹配因素的界面布局優化模型。宋正河等[10]對機械系統人機界面優化設計模型進行了相關研究，提出了機械系統人機界面優化設計的模型。葉坤武等[11]從視覺注意力分配的角度出發，提出了一種飛機駕駛艙人機界面布局優化模型。上述研究為人機界面的優化提供了理論指導，但未從情景意識的角度考慮如何避免人因事故。李洋等[12]建立了一種新的情景意識模型，并以此為基礎提出了考慮情景意識的機車駕駛室人機界面設計思路。楊文靈等[13]通過實驗研究，提出了基于情景意識的汽車人機交互設計策略。李為民[14]基于情景意識理論，提出了適用于民用航空電子主飛行顯示顏色防差錯設計規則。2010年，我國在嶺澳二期核電站中首次應用了自主設計的數字化主控室和人機界面，國內對于核電廠數字化主控室研究主要集中于人機界面的設計、評價和優化等方面，側重于人因工程的考慮，如視角、顏色、對比度、舒適度等[15]，將情景意識理論用于核電廠人機界面設計方面的研究則較少。

本文以提高操縱員的績效為目的，設計基于情景意識和人員績效的量表，并使用該量表對核電廠操縱員等進行問卷調查，期望通過對問卷調查結果進行分析，發現當前核電廠數字化界面存在的不足。

1 人機界面評價指標體系設計

本文的量表設計主要從信息顯示[16]、數字化SOP[17]、軟控制系統[18]、報警系統[19]、操縱員支持系統[20]以及整體情景交互這6個維度出發。其中前5個維度是核電廠數字化人機界面的5個功能模塊，情景交互是從操縱員工作情景出發，對當前數字化界面進行交互整體評價，每個維度都設置對應的指標題項，共計76個指標，具體指標列于表1。指標體系的設計主要分為3個階段：1) 文獻閱讀，對國外相關文獻進行系統分析，參考美國核管會提出的人因審查指南[7]和核電廠數字化界面設計導則[21]，再結合人因工程相關設計理論[22]，確定5個功能模塊的初始指標體系；2) 專家訪談，邀請數位核電人因安全領域的專家學者就初始指標進行評價，篩選出更為合理的指標；3) 開展核電廠操縱員訪談，根據訪談結果設計情景交互維度指標。其中，信息顯示維度指標設計主要從運營管理信息的顯示、設備狀態的顯示、綜合信息的顯示和命令執行結果的顯示等方面考慮，設計了12個指標；數字化SOP維度主要針對規程的可操作性，設計了12個指標；軟控制系統維度設計了9個指標，主要從指令形式、閉鎖條件、控制管理等方面考慮；報警系統維度從報警處理方式、報警顯示方式等方面，設計了9個指標；操縱員支持系統維度主要從自動診斷、提供輔助信息等方面著手，設計了12個指標；情景交互維度根據核電廠訪談內容以及操縱員日常工作情景，設計了22個指標。

表1 各維度指標體系設計Table 1 Design of index system in all dimensions

續表1

2 問卷調查

2.1 問卷設計與回收

問卷內容包括被調查人員的基本信息和數字化人機界面評價量表。調查對象主要是核電廠工作人員，包括核電廠運行人員、SOP設計人員、相關培訓人員、核安全管理人員等，所有被調查對象均接受過核電廠數字化界面操縱培訓，可熟練使用數字化界面執行任務。

本文所設計的問卷采用Likert5點量表，被調查人員根據自身在核電廠主控室工作的體驗對每一問題進行打分，分數設置為1～5分，分別對應非常不同意、較不同意、不確定、比較同意和非常同意，用于評估這些指標對操縱員操作績效的影響。本次研究一共發放64份問卷，最后回收64份，其中58份為有效問卷，有效回收率為90.6%。

2.2 樣本數據

在本次問卷調查對象中，年齡低于20歲的有5位，在20～30歲之間的有16位，30～40歲之間的有25位，40～50歲之間的有12位。被調查對象由9名SOP設計人員、13名培訓人員、18名運行人員、15名核安全管理人員和9名其他工作人員組成。核電廠工作經驗在10 a以上的有7位，5～10 a的有26位，1～5 a的有23位，不足1 a的有8位。SOP操作經驗在5 a以上的有9位，2～5 a的有28位，6個月至2 a的有21位，不足6個月的有6位。

3 問卷分析

3.1 信度與效度檢驗

1) 信度檢驗

克隆巴赫系數α可用來測量量表內部的一致性，在基礎研究中，α至少應大于0.8[23]。使用SPSS對問卷進行信度分析，獲得的α為0.948，由于信度系數大于0.8，認為該問卷的內在信度比較理想，且信度較高。

2) 效度檢驗

效度檢驗主要考慮通過巴特利特球度檢驗和KMO檢驗來進行，以信息顯示維度為例，將問卷結果輸入SPSS進行效度分析，該維度巴特利特球度檢驗的顯著性概率p=0.000<0.05，說明數據具有較高的相關性。該問卷KMO值為0.747，大于0.6，表明該維度變量可進行因子分析。同理對其他維度進行效度檢驗，均取得理想的檢驗結果。

3.2 維度整體分析

因各維度指標較多，為找出每個維度中較為重要的指標作為主要評價對象，本文采用因子分析對各維度進行整體分析。

1) 指標篩選計算相關系數矩陣

如果相關系數矩陣中大部分相關系數小于0.3，那么可認為維度各變量間大部分為弱相關，這些變量不適合進行因子分析。將問卷結果輸入SPSS計算可知，a1和a2兩個變量大部分相關系數小于0.3，所以刪去這兩個變量。

計算反映像相關矩陣。反映像相關矩陣對角線上的數值即為每個變量的取樣適當性量數(MSA)，一般而言，如果MSA小于0.5，那么可認為該變量不適合進行因子分析。通過SPSS計算可知，a7的MSA為0.388，其余變量均在0.6以上，所以刪除a7變量。

2) 提取因子

因子分析模型的一般表達式為：

X=c+AF+E

(1)

也可表達為：

Xi=ci+ai1fi1+ai2fi2+…+aimfim+ei

i=1,…,p

(2)

其中：Xi為p個均值為0、標準差為1的原始變量；f1m，f2m，f3m，…，fim為m個因子變量，它們不相關且方差均為1；ci為常數；ei為特殊因子，是原始變量中不能被因子解釋的殘留部分；矩陣A為因子載荷矩陣，矩陣A中第j列各元素平方和稱為公共因子Fj對原始變量X的方差貢獻，這是衡量公共因子相對重要性的指標，方差貢獻越大，證明Fj對原始變量X的影響越大。

采用主成分分析法分析通過檢驗的指標數據，計算信息顯示指標的方差累積貢獻率。特征值按從大到小的順序排列，根據特征值大于1的選取原則，選取前3個作為本次提取的共同因子，最后方差累積貢獻率為68.943%。在社會科學領域研究中，因子的累計方差貢獻率如果達到60%，那么就可認為提取的因子是可以信任的，而本次提取的3個因子共解釋了原有變量總方差的68.943%，總體上保留了大部分信息，是可以接受的。然后計算3個共同因子的載荷矩陣，SPSS分析結果顯示，信息顯示維度因子分析的9個變量在第1個共同因子上的載荷整體較高，證明這些變量與第1個因子的相關程度較高，第1個因子在本次提取中占重要地位。與第1個因子相比，另外兩個因子與變量的相關性整體較小，說明它們對原有變量的解釋不顯著，處于次要地位。最后，采用Kaiser標準化最大方差法對因子載荷矩陣實施正交旋轉。

3) 因子的命名解釋

由旋轉后的因子載荷矩陣可知，a10、a11、a9、a12指標在第1個因子上載荷較高，說明第1個因子主要解釋了這4個指標，可解釋為信息布局因子；a3、a5、a8指標在第2個因子上有較高的載荷，說明第2個因子主要解釋了這3個指標，可解釋為信息接受度因子；a6、a4指標在第3個因子上有較高的載荷，第3個因子主要解釋了這兩個指標，可解釋為信息功能因子。

通過對信息顯示維度進行因子分析，可知道在本次問卷調查中，信息布局因子占據重要地位，而信息布局因子主要解釋了a10、a11、a9、a12這4個指標，即通過不同的顏色對不同類型的數據加以區分、同一畫面中信息量的設置、不同的畫面是否使用統一的格局、所需要的信息是否能及時被操縱員接收等4個方面。

同理，對其他幾個功能維度進行重復因子分析，將各維度指標重新歸類細分，找出每個維度中占據重要地位的指標。

對數字化SOP維度進行分析，所有變量均適合進行因子分析，提取出兩個共同因子，累計方差貢獻率達到71.997%，分別解釋為規程功能因子和規程可用性因子。因子載荷較高的規程功能因子主要解釋了b1、b6、b10、b11、b12、b7、b8、b9等8個指標，規程可用性因子主要解釋剩余指標。

對軟控制系統維度進行分析，經過指標篩選刪去c9變量，提取出兩個共同因子，累計方差貢獻率為67.428%，分別解釋為系統易用性因子和系統功能因子。因子載荷較高的系統易用性因子主要解釋了c2、c1、c3、c4、c5等5個指標，系統易用性因子主要解釋剩余指標。

對報警系統維度進行分析，所有變量均滿足因子分析條件，提取出兩個共同因子，累計方差貢獻率為64.796%，分別解釋為系統識別因子和系統提示因子。因子載荷較高的系統識別因子主要解釋了d4、d5、d3、d2等4個指標，系統提示因子主要解釋剩余指標。

對操作員支持系統維度進行分析，所有變量均適合進行因子分析，根據特征值大于1的選取原則，提取兩個共同因子，累計方差貢獻率為73.727%，分別解釋為輔助功能因子和基本功能因子。因子載荷較高的輔助功能因子主要解釋了e12、e9、e11、e7、e10、e6、e8等7個指標，基本功能因子主要解釋剩余指標。

3.3 維度指標分析

(3)

式中：n為維度指標個數；N為樣本數；ai為該維度指標。

1) 信息顯示維度指標分析

圖1 信息顯示指標得分Fig.1 Score of information display indicator

由式(3)計算求得信息顯示維度均值為3.51，然后對信息顯示維度的指標進行分析，各指標得分均值條形圖如圖1所示，a4、a8和a10得分低于維度均值。查表1可知，a4指標打分偏低，說明被調查人員認為當前信息顯示的設計不能很好地使操縱員預測參數或系統狀態的發展趨勢，這可能是因為界面設計較為復雜，操縱員不能在短時間內對系統信息充分收集和理解。a8指標打分偏低，說明當信息突顯難以吸引用戶注意時，系統沒有通過補充文本等方式使顯示的信息變得更為清晰。a10指標打分偏低說明同一操作界面操縱員不容易找到和區分特定信息，可能是因為當前操作畫面信息分配不合理，沒有充分考慮到操縱員對信息的接收水平，弱化了操作績效。

2) 數字化SOP維度指標分析

對數字化SOP維度進行具體分析，各指標得分均值如圖2所示，維度均值為3.23，b2、b3、b4、b7、b8和b9得分低于維度均值。查表1可知，b2指標打分偏低說明被調查對象認為數字化SOP還不具備良好的可用性，仍需進行優化。b3、b4指標打分較低說明被調查人員認為當前規程執行復雜，不易找到和區分所需信息。b7指標打分偏低說明被調查人員認為沒有在特定區域同步顯示操縱員執行規程所需參照的信息，如某一指標的參數，需操縱員自行搜索，從而影響人員績效。b8指標打分偏低說明當前的數字化SOP界面沒有提示下一步規程操作所需的指導信息，那么操縱員需要從其他途徑獲取，如規程指導手冊。b9指標打分偏低說明當前的SOP在顯示信息方面還需要改進，屏幕上顯示的信息不夠全面，導致操縱員不能隨時掌握全局執行效果。

圖2 SOP指標得分Fig.2 Score of SOP protocol indicator

3) 軟控制系統維度指標分析

對軟控制系統維度進行具體分析，指標得分如圖3所示，維度均值為3.41，c4、c6和c7得分低于維度均值。查表1可知，c4指標打分偏低說明被調查人員認為同一位置打開多個畫面時，相似的畫面不太容易區分，在緊張的執行過程中，可能造成人因失誤。c6指標打分偏低，說明因為互鎖、內鎖和外鎖等的相關信息沒有合理顯示，可能對操縱員實施控制功能造成一定困難。c7指標打分偏低說明當前的軟控制系統設計不夠人性化，為了匹配新變量的值，操縱員可能需要對設備進行重置，從而增加人員任務負荷。

圖3 軟控制系統指標得分Fig.3 Score of soft control system indicator

4) 報警系統維度指標分析

對報警系統進行具體分析，指標得分如圖4所示，維度均值為3.51，d3、d4、d5和d7得分低于維度均值。查表1可知，d3指標打分偏低說明當前報警系統的設計不易于操縱員理解系統狀態，即報警不夠詳細和具體。d4指標打分偏低說明當前報警系統對次一級的報警沒有特殊提示，這可能會導致操縱員忽視系統某些方面出現的問題，對之后的主控室操作造成安全隱患。d5指標打分較低說明當前的數字化界面沒有把報警信息單上的信息按優先級進行排序，而是將重要程度不同的各種信息依次排序，盡管一些重要報警信息會用特殊顏色標記，但是仍然給操縱員處理報警增加了難度。d7指標打分偏低說明當前系統在處理事故時報警數量過多，不利于操縱員快速確認處理狀態。

圖4 報警系統指標得分Fig.4 Score of alarm system indicator

5) 操縱員支持系統維度指標分析

對操縱員支持系統維度進行具體分析，指標得分如圖5所示，維度均值為3.31，e3、e4、e5、e9、e10和e11得分低于維度均值。查表1可知，e3、e4和e5指標打分偏低，初步說明當前的操縱員支持系統不夠完善，主要作用還是提供信息，未做到對系統狀態的預測和支持操縱員做出決策。e9指標打分偏低說明當前計算機支持系統不能快速查詢先前操縱員與支持系統間的交互情況，這可能是因為當前數字化界面更加復雜。e10指標打分較低說明當前支持系統不具備為解決問題做出計劃策略的能力，應對策略的儲備不足。e11指標打分較低說明當前的支持系統不具備問答與解譯功能，所以操縱員不能得到支持系統分析和建議的依據和結果，從而不能確定支持系統做出的建議是否是系統當前狀態的最優解。

圖5 操縱員支持系統得分Fig.5 Score of operator support system

6) 情景交互維度指標分析

對情景交互維度進行具體分析，本維度共設置22個指標，為使指標盡可能覆蓋全面，同時符合正常用語習慣，方便被調查人員理解，部分指標為正指標，部分為逆指標。在錄入數據時將正指標的數據進行反向處理，統一評估標準定為打分越低，評價越理想；打分越高，代表越不認可。指標得分如圖6所示，維度均值為3.15，指標f6、f7、f9、f12～f22打分均高于維度均值，可見從總體來看，被調查人員對當前的核電廠數字化人機界面感到不滿意。查表1可知，f6、f7指標打分不理想說明當前界面信息布局存在缺陷，操縱員很可能迷失在畫面的大量數據和復雜的規程中。f9指標打分較高說明數字化界面中的按鈕、開關等存在一定的延遲、操作程序復雜，操縱員在進行具體操作時存在一定困難。f12～f22指標都打分偏高，這些題項均為操縱員在使用當前數字化人機界面時可能會出現的失誤情景，涉及數字化人機界面的畫面信息顯示、操作復雜度等方面，分別對應當前數字化界面可能存在的問題和不足，為日后的數字化界面優化提供思路方向。

圖6 情景交互得分Fig.6 Score of situational interaction

4 結論與討論

結合問卷分析結果，通過與被調查對象進行進一步討論，可以得出整體看來，核電廠數字化界面仍存在很多不足，當前主要優化重點應放在改良操作畫面的信息分配、完善規程執行信息提示、減小軟控制操作難度、加強輔助決策功能等方面。具體討論如下。

1) 對于信息顯示，信息布局因子包含的a10、a11、a9、a12這4個指標在當前維度占據重要地位。a9、a11、a12打分均接近或高于維度均值，而a10指標打分遠低于維度均值，可見a10指標存在問題，今后進行界面優化需重點關注操作畫面的信息分配。另外，補充文本之類的信息輔助功能也需要進一步強化。傳統界面顯示的主要是底層的具體參數(組件層)，與傳統界面相比，數字化界面的信息顯示更集中，大屏幕顯示系統總體狀況，更多的是通過綜合集成的抽象信息(系統層)。操縱員經常需要面對巨量信息，所以處理好畫面信息的分配意義重大。

2) 對于數字化SOP，規程功能因子包含的b1、b6、b10、b11、b12、b7、b8、b9等8個指標在該維度占重要地位。b7、b8、b9這幾個指標打分偏低，由此可說明在進行SOP優化時應重點考慮風險提示、操作指示、各項補充信息等方面，這幾個方面都會影響操縱員執行規程的效率，從而降低操縱員的情景意識。與傳統控制界面相比，SOP是一項全新的技術，它代替了傳統界面采用的紙質規程，通過對多年積累的工作方式和運行流程的數字化，大大增加了規程的可讀性和操作性。但由于SOP十分復雜，容易迷失在規程中，降低操縱員情景意識，從而影響人員績效，所以優化重心應放在完善各類輔助提示功能。

3) 對于軟控制系統，系統易用性因子包含的c2、c1、c3、c4、c5這5個指標較為重要，c1、c2、c4、c5指標打分均接近或高于維度均值，而c4指標打分遠低于維度均值。所以對軟控制系統進行優化時需將重點放在減小操縱員區分相似畫面的難度上，從而減少人因失誤。此外與控制行為有關的互鎖、外鎖等信息并不全面，不能有效地幫助操縱員實施控制功能，同時操縱員可能需要對設備進行重置，這也是需要考慮優化的。傳統界面采用的是硬控制(實物)的方式，功能較為單一，控制較為方便，與此相比，當前數字化軟控制系統采用多層次的分布式結構，功能分散全面，提高了系統整體的可靠性。但軟控制操作復雜，增加了工作負荷，同時軟控制系統要求相同功能的控制器在顏色、尺寸、控制動作方式等方面必須保持一致，這就導致相似畫面較多。

4) 對于報警系統，系統識別因子包含的d4、d5、d3、d2等4個指標在報警系統中占據重要地位，而d3、d4、d5指標打分偏低，所以在今后進行優化時應著重考慮這3個方面，即報警系統不能使操縱員輕易理解系統具體發生了什么報警，系統識別的報警顯示不夠全面及沒有對報警進行優先級排序。傳統界面采用報警光字牌，報警直觀且一目了然，但顯示的報警數量有限，對報警的解釋有限，數字化的報警系統在報警信號處理和報警信息管理方面擁有更廣闊的空間，報警顯示和解釋更為全面，但計算機顯示的報警信息在直觀性和全局性上有所不足，如何讓操縱員全面快速地接收并理解報警信息是今后優化的重點。

5) 對于操縱員支持系統，輔助功能因子包含的e12、e9、e11、e7、e10、e6、e8等7個指標較為重要，其中e9、e10和e11打分偏低，所以今后在對操縱員支持系統進行優化時，應重點關注提高支持系統信息查詢和完善問答與解譯功能上，同時應完善強化支持系統，使系統可以支持系統狀態的預測和支持操縱員對復雜問題做出計劃決策。傳統界面是以操縱員監視+操作為主，沒有功能較強的支持系統，而當前數字化界面操縱員支持系統是采用自動診斷與綜合計算相結合的方式開發出的系統，它的作用是幫助操縱員快速判斷電廠水平和形成操作策略，所以優化重心應放在開發更全面的決策支持和完善各類輔助功能上。

盡管本文通過核電廠發放問卷得出了一些結論，但是調查問卷樣本相對較少，可能會影響結論的準確性，需以后進行更多的問卷調查以提高結論的可靠性。同樣，本文未考慮被調查者的經驗對結果的影響。再者，針對發現的問題，需提出具體的設計優化方法，這是接下來需要進一步研究的工作。