核電廠操縱員態勢感知方法研究1)

周 濤，陳 寧，劉文斌，任愛群，毛 賞，魏 東，張一童

(1.東南大學能源與環境學院，江蘇 南京 210096；2.華北電力大學核科學與工程學院，北京 102206；3.核熱工安全與標準化團隊，中國)

我國能源界出現過一些的較為嚴重的事故，其中人誤事件/事故所占的比重相當高。當今世界核電三起嚴重事故[1]，都與人因感知相關。以核電廠這一特殊企業為對象,以其“安全性”為評價目標,探究人因可靠性[2]與人機交互研究對其安全目標的影響,分析各因素對安全影響的作用力,構建影響因素評價與識別系統,捕捉影響核電廠安全的主導因素,為有效的概率安全評價提供支持,以增強核電廠運營的安全性,繼而提升核電廠的競爭力和發展空間。操縱員的人為差錯(或稱人因失誤)是操縱員或決策者的不安全行為的總稱,是由于缺少適當的信息顯示和控制能力所造成的疏忽或對已規定行為準則的任務完成不適當、不完全或超出允許的偏差。人因失誤是假設始發事件的重要組成部分，統計表明約80%核電廠運行事件或事故與人因失誤有關。從某種程度上講,核電廠安全取決于如何減少人因失誤的機會并增加對人因失誤進行恢復的機會。

1 研究現狀及存在問題

1.1 研究現狀

自日本福島核事故以來，國內外對核電廠的事故研究非常重視。通過對事故原因進行分析，85%左右的事故都與人因管理因素有關。換句話說，如果采取了合適的組織管理措施，大部分事故將會得到很好的控制。2005年，何旭洪[3]等描述了第二代人因可靠性分析方法(A technique for human error analysis，ATHEANA)在三哩島核事故人誤事件分析中的應用。分析結果顯示了ATHEANA方法在認知失誤分析方面的可用性和有效性。討論了該方法的未來應用以及不足。2011年，謝志國[4]等介紹了紅沿河核電廠數字化主控室操縱員工作站的結構,分析了其可能失效的原因。對不同數量的操縱員工作站失效事故進行了分析，并在此基礎上制定了操縱員工作站失效事故的處理策略。 2018年，張初明[5]比較了癥狀導向和事件導向兩類規程的各自特點,分析了AOP規程的獨特屬性，總結出使用癥狀導向法的AOP規程所具有的優勢,并提出了開發和應用癥狀導向AOP規程的注意事項。2019年，陶錫亮[6]通過對核電廠事故工況下人員的職責和分工,及協調員應承擔的職責進行了詳細的闡述,總結了培訓過程中常見的協調員在事故管理方面存在的問題，并針對這些問題進行梳理并總結出協調員事故管理的正確方法。2019年，Yuandan Li和Ali Mosleh[7]在事故情況下基于操作員知識的行為進行建模，從而增強了真實性IDAC模型的建立，以及人類可靠性分析(HRA)的仿真方法。2020年，陳帥[8]等基于人因失誤模式和影響分析，定義人因失誤發生概率、人因失誤影響程度、人因失誤可恢復概率為風險因子，結合專家評價與模糊語言理論提出一種臨時設備投運人員可靠性評估模型。以全廠斷電事故下移動電源的接入任務為例，應用所建模型獲得了該任務中的人誤模式重要度排序及合理的風險見解，驗證了模型的可行性。 總體來看，目前核電界已經開展了一些研究，但還是存在針對性不是太強，普適規律還不足，理論性有待提高，且數字化人機界面給操縱員帶來方便的同時,也帶來挑戰,其中人因事件為常見的系統失效形式。為減少核電廠運行過程中的人因失誤,對核電廠操縱員態勢感知方法展開研究與應用。

1.2 存在問題

為減少核電廠運行過程中的人因失誤，基于當前現狀的研究，可以提出存在以下一些問題。

1)操縱人員的感知錯誤，決策人員的不安全行為；

2)信息呈現方式復雜，難以判斷；

3)報警裝置失效，信息傳遞失效；

4)事故原因不清晰，影響事故判斷；

5)操縱人員獲取信息的方式遲鈍緩慢，影響決策；

6)設備功能不完善；

7)電廠數字人機功能欠完備。

2 研究對象及技術路線

2.1 研究對象

研究對象如圖1所示。

圖1 研究對象Fig.1 The study object

從圖1看到，操縱員的人為差錯(或稱人因失誤)是操縱員或決策者的不安全行為的總稱,是由于缺少適當的信息顯示和控制能力所造成的疏忽或對已規定行為準則的任務完成不適當、不完全或超出允許的偏差。人因失誤是假設始發事件的重要組成部分，統計表明約80%核電站運行事件或事故與人因失誤有關。

2.2 技術路線

建立不同的信息呈現方式[9]來對操縱員進行相關的心理學實驗，在獲取實驗數據后，通過對數據進行分析得到增強操縱員態勢感知能力的方法。通過對核電廠系統與設備以及以往運行經驗進行分析，建立不同信息之間的對應關系，將信息對應關系與心理學實驗中所獲得的增強態勢感知能力的方法相結合，得到操縱員作業所需的功能要素以及功能要素與核電廠人機交互界面功能完備性表達之間的關系。整體的技術路線如圖2所示。

圖2 技術路線Fig.2 The technical route

3 解決途徑及發展趨勢

3.1 解決途徑

(1)增強操縱員態勢感知能力的信息表達

通過對操縱員進行相關的心理學實驗，建立不同的信息呈現方式，并將信息輸送給操縱員，分析操縱員對信息呈現方式不同的主觀接受度變化與心理因素變化。同時，在實驗中，對操縱員進行態勢感知能力信息的收集與分析處理，從而獲取不同信息呈現方式對操縱員態勢感知能力的影響，并提出增強操縱員態勢感知能力的信息表達方法。

(2)報警原因和傳播過程可視化，明確核電廠當前狀態的報警原因

通過對主控室報警窗通訊傳播進行升級改造，采用分布式報警窗，報警數據采集模塊采集現場報警信號并通過冗余TTCAN通訊傳輸到報警窗顯示部分，既保證系統高穩定性和高可靠性，又對現場布線進行了簡化。并在報警窗中添加了SOE功能，方便的存儲報警信息和對故障信息進行追憶。通過添加事故分析功能，使故障原因簡單準確的被判斷。

(3)操縱員作業所需功能要素與核電廠人機界面功能完備性表達

通過制定應對策略，使操縱員能快速獲取必要信息，提升態勢感知能力。每個顯示屏上呈現的信息不同，操作人員需要轉移視線或適當移動距離來獲取參數或執行任務,為減少視線轉移或機械地移動距離，應用未確知數學理論，可通過算法把參數信息或任務布局到最佳顯示屏，從而可以減少切換、調用、獲取信息的時間,提高人因可靠性,同時可減少操作人員頻繁的視線轉移、屏之間的來回移動,從而減少操作員人員的疲勞度。

3.2 發展趨勢

(1)人因可靠性發展趨勢

隨著我國經濟的不斷發展,能源需求的不斷增長，核能發電越來越受到國家的重視,核電企業也在不斷發展壯大。主控室操縱員崗位對于核電機組正常運行的重要性不言而喻。作為人才儲備的核心工作，各大核電集團相繼投入了巨大的人力物力用于核電主控室操縱員的培養與歷練。核電公司主控室操縱員的工作優化現在主要從強化行為規范和專項技術培訓、提升工作流程和工作計劃的嚴肅性、加強技術支持和經驗共享、推進企業安全文化建設等方面進行實踐。湖南工學院張力教授團隊開展相關研究工作，以提升該類核電廠的安全可靠運行水平。調峰任務和常規工況下操作任務相比，操縱員心理負荷和體力負荷將發生較大改變，這將導致操縱員的認知模式和人因失誤模式相較于常規工況存在差異。現有的人因可靠性分析(HRA)方法和模型難以滿足操縱員人因可靠性分析的需求，因此需要建立一種新的HRA方法解決操控任務持續快速變化背景下核電廠操縱員人因可靠性問題。

(2)數字化技術發展趨勢

數字化控制系統(DCS)技術[9]給核電廠運行和控制帶來革命性變化,發生人因失誤的模式也發生了變化。研究和分析DCS對操縱員人因失誤的影響，對于減少操縱員人因失誤,有幫助作用。當前針對核電站的智能故障診斷研究大多仍處在理論研究階段，少數開發的系統仍停留于原型階段,存在諸多缺陷。因此,在盡可能建立完備、準確的核電廠系統層級模型的前提下，將先進的人工智能理論應用于核電廠系統，增強互動和適配性，可有效輔助和指導操縱員在故障或事故工況下準確高效地應用操作。與常規模擬技術相比，數字化儀控技術發展迅速，具有功能靈活、強大的特點，數字化儀控技術在核電廠的應用是大勢趨。目前新建核電廠大多采用數字化儀控系統，同時，國外很多在役核電廠也正在進行數字化儀控系統的改造。需要不斷增加操作員與儀控系統互動智能感知，利用大數據和云計算，不斷提高核電安全。

(3)通聯基于5G技術趨勢

通過回顧核能發展歷史并分析未來發展趨勢，吳宜燦院士[10]提出并闡述了第五代核能系統(簡稱“核5G”)的初步概念，認為“核5G”將基于“從源頭確保核安全”的基本理念，未來會在多元化應用方面發揮更大作用，而“靈活性、親近性、智能性”可能成為“核5G”的重要技術特征。正是在上述三個方面的重要提升，使得“核5G”將成為未來核能的主要發展方向。“靈活性”是指能夠擺脫大電網的束縛，滿足多場景的需求。靈活性包括運行靈活性、布置靈活性和產品靈活性等。能夠達到調功率、燃料多元化應用、成本約束下快速建造、廠址特征無關、發電/供熱/同位素生產等多元應用的目的。“親近性”，包括物理臨近性和心理親近性等，物理臨近性指通過技術手段代替早期的物理距離隔離，心理親近性是指從心理距離上社會和公眾能夠更加接受核能。“智能性”，包括設計智能性、制造智能性和運行智能性等。能夠達到協同設計、多物理耦合、3D打印快速制造、維修優化和多堆互聯等目的。隨著先進核能的研究發展，“核5G”的概念會不斷地豐富和演化，乃至今后的“核6G”概念，這都需要核領域同仁共同探討，也需要相關領域的廣泛參與，共尋核能發展未來之路。

(4)智慧化運行發展趨勢

我國互聯網技術水平越來越高，發電企業也在借助互聯網的優勢，推進“互聯網+電能生產”模式[11]的 應用，以實現智慧化發電。實現智慧發電中，以“互聯網+”的智慧發電模式為基礎，可以對發電過程進行智慧化管理，并全面整合各種數據，從而實現安全的智慧化發電。在“十四五”時期及可預見的未來，能源產業仍將以安全可靠、經濟高效和綠色環保為發展目標，能源智慧化轉型[12]是當前階段實現三大目標齊頭并進的重要途徑。新時代能源變革動力將更多地來自多能源品種跨界融合和多元化應用需求。5G、大數據、人工智能、物聯網、區塊鏈等先進信息技術快速進步，正加速對傳統產業進行改造、融合與滲透。能源革命與科技革命的歷史性交匯，推動全球能源行業步入嶄新的發展階段，能源智慧化轉型[13]將是這一時期的重要方向。

4 結論

通過搭建對人員進行心理培訓和在操縱室中搭建數字化信息模型，可以減少由于操縱員的人為差錯，從而有效的防止事故的發生。

1)基于不同信息呈現方式獲取操縱員的態勢感知變化，提出了增強操縱員態勢感知能力的信息表達方法。

2)利用核電知識與以往運行經驗來分析報警信息與關聯信息，建立了可視化的事故報警系統，快速呈現事故原因。

3)獲取操縱員作業所需功能要素與核電廠人機界面功能完備性表達關系，構建數字信息化平臺，實現人機快速智能互動。

4)基于5G技術的通聯，強化系統的“靈活性、親近性、智能性”，實現核電系統的智慧化運行。