主控制室操縱員任務(wù)負(fù)荷分析與預(yù)計(jì)

韋關(guān)祥，楊明

（華南理工大學(xué)電力學(xué)院，廣東廣州 510641）

核電廠自身規(guī)模大、風(fēng)險(xiǎn)高、復(fù)雜度高，且一旦出現(xiàn)事故對(duì)社會(huì)危害極大，因此，核電廠安全是其設(shè)計(jì)的中心問(wèn)題[1]。數(shù)字化主控制室操縱員任務(wù)負(fù)荷作為事關(guān)人員安全審查的重要環(huán)節(jié)[2]，處于評(píng)估數(shù)字化主控制室安全性的重要地位。核電廠主控制室（Main Control Room，MCR）操縱員的任務(wù)負(fù)荷（Taskload）是美國(guó)核管會(huì)（Nuclear Regulatory Commission，NRC）關(guān)于核電廠主控制室人機(jī)交互（Human-Machine Interaction，HMI）審查的一項(xiàng)重要指標(biāo)，關(guān)乎核電廠主控制室設(shè)計(jì)的安全性[3]。主控制室操縱員的工作負(fù)荷與任務(wù)績(jī)效存在較大的相關(guān)性，即在合適的工作負(fù)荷內(nèi)，操縱員存在最佳的工作績(jī)效[4]。核電廠主要工作負(fù)荷評(píng)估方法例如NASA-TLX(National Aeronautics and Space Administration-Task Load Index)、SWAT(Subjective Workload Assessment Technology)等需要在主控制室設(shè)計(jì)完成任務(wù)負(fù)荷評(píng)估[5]，但大多數(shù)情況下，需要在主控制設(shè)計(jì)階段得到當(dāng)前設(shè)計(jì)下操縱員的工作負(fù)荷，以便實(shí)時(shí)改進(jìn)。而不是等主控制室設(shè)計(jì)完成后，再評(píng)估改進(jìn)[6]。

1 VACP評(píng)估方法與原理

1.1 VACP評(píng)估方法

VACP 是一種基于多資源理論的任務(wù)負(fù)荷評(píng)估方法。該方法認(rèn)為任務(wù)負(fù)荷由4 部分需求組成，分別為視覺(jué)、聽(tīng)覺(jué)、認(rèn)知和心理運(yùn)動(dòng)，并可以通過(guò)調(diào)用操縱員相應(yīng)的資源處理需求[7-8]。在使用VACP 方法測(cè)量一個(gè)特定任務(wù)的工作負(fù)荷時(shí)，首先進(jìn)行任務(wù)拆解，直至拆解到任務(wù)的具體操作只包含一個(gè)操作動(dòng)作；然后建立任務(wù)序列，對(duì)照VACP 量表任務(wù)負(fù)荷相加得到該任務(wù)的負(fù)荷[9]。

1.2 多資源理論

該理論認(rèn)為任務(wù)執(zhí)行過(guò)程中調(diào)用的資源并非一個(gè)中心資源，而是多個(gè)資源：視覺(jué)、認(rèn)知、聽(tīng)覺(jué)和心理運(yùn)動(dòng)。多資源理論模型，如圖1 所示[10]。認(rèn)知資源是有限的，當(dāng)個(gè)體執(zhí)行兩個(gè)或兩個(gè)以上的任務(wù)需要同一種資源時(shí)，則會(huì)出現(xiàn)供需問(wèn)題。當(dāng)使用同一資源的任務(wù)過(guò)多時(shí)會(huì)引起操縱員超負(fù)荷工作，導(dǎo)致任務(wù)執(zhí)行錯(cuò)誤或任務(wù)執(zhí)行速度變慢[11]。

圖1 多資源理論模型

2 主控制室任務(wù)執(zhí)行模型分析

多資源理論認(rèn)為刺激、認(rèn)知部分需要調(diào)動(dòng)人的信息處理資源，而心理運(yùn)動(dòng)部分需要調(diào)動(dòng)人的運(yùn)動(dòng)相關(guān)資源。因此，可以認(rèn)為操縱員信息處理能力下降的主要原因是信息處理資源的短缺。

2.1 建立主控制室的任務(wù)評(píng)級(jí)量表

針對(duì)數(shù)字化核電廠的任務(wù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，核電廠動(dòng)作主要分為：1）檢查判斷；2）定位屏幕或者控件；3）閱讀規(guī)程；4）參數(shù)比較；5）液位估計(jì)；6）講話(huà)；7）收到指令的回復(fù)；8）鼠標(biāo)點(diǎn)擊；9）移動(dòng)；10）手寫(xiě)記錄或在電子屏幕上記錄等。主要任務(wù)類(lèi)型就是統(tǒng)計(jì)并建立針對(duì)核電廠主控制室任務(wù)的工作負(fù)荷量表，如表1所示[12]。

表1 核電廠動(dòng)作的VACP評(píng)級(jí)量表

2.2 主控制室任務(wù)執(zhí)行模型建立

在NUREG-CR/6635 號(hào)文件中，軟控制裝置定義的是具有以下特點(diǎn)的裝置：與控制和顯示系統(tǒng)的連接，是通過(guò)相關(guān)軟件而不是物理連接的。這個(gè)定義直接反映了主控制室數(shù)字化先進(jìn)的特點(diǎn)，操縱員可以通過(guò)訪問(wèn)某項(xiàng)軟件在一個(gè)顯示器內(nèi)的多個(gè)地方進(jìn)行控制。軟控制的一般特征如下：其具有多處接入、串行輸入和顯示接口的物理解耦、接口管理方式，能夠控制多種模式、軟件定義功能和接口，且在交互過(guò)程中更加靈活[13]。因此，文中為建立適合評(píng)估數(shù)字化主控制室最小任務(wù)VACP 的負(fù)荷評(píng)估方法，針對(duì)數(shù)字化核電廠主控制室軟控制操作，建立以下任務(wù)基本執(zhí)行模型[14]：通過(guò)任務(wù)拆解建立任務(wù)執(zhí)行動(dòng)作序列，然后進(jìn)行VACP 任務(wù)負(fù)荷評(píng)級(jí)。

實(shí)際上對(duì)于主控制室任務(wù)存在任務(wù)執(zhí)行錯(cuò)誤后的糾錯(cuò)過(guò)程，因此通過(guò)分析建立有任務(wù)糾錯(cuò)的任務(wù)執(zhí)行模型。經(jīng)分析可知，動(dòng)作執(zhí)行服從幾何分布，式（3）～（6）分別給出了操縱類(lèi)與診斷類(lèi)動(dòng)作執(zhí)行次數(shù)TD、TA的期望和方差。

式（1）中，Pa為動(dòng)作基本失誤概率。其中任務(wù)失誤概率由SPR-H(The Standardized Plant Analysis Risk-Human Reliability Analysis)模型得到，如式（2）所示[15]。

式中，Pi為第i個(gè)動(dòng)作失誤的概率；BHEPi為第i個(gè)動(dòng)作的基本失誤概率。

其中，k=1,2,…,m。

先選擇屏幕，再選擇控件，最后執(zhí)行操作，因此，針對(duì)數(shù)字化主控制室的任務(wù)執(zhí)行特點(diǎn)，建立如圖2所示的任務(wù)基本執(zhí)行流程[16]。

3 任務(wù)負(fù)荷仿真分析

3.1 案例中任務(wù)的任務(wù)負(fù)荷分析

當(dāng)未發(fā)生人為原因失誤時(shí)，其操縱員任務(wù)負(fù)荷的變化情況如圖3 所示。

圖3 不存在糾錯(cuò)時(shí)的任務(wù)負(fù)荷變化

圖4 案例中的任務(wù)執(zhí)行流程根據(jù)任務(wù)執(zhí)行時(shí)動(dòng)作執(zhí)行次數(shù)服從幾何分布，仿真得到案例中任務(wù)負(fù)荷期望隨時(shí)間的變化。表2 給出了任務(wù)負(fù)荷相關(guān)統(tǒng)計(jì)量隨人因失誤概率變化的情況。

圖4 案例中任務(wù)執(zhí)行流程

表2 任務(wù)負(fù)荷期望的相關(guān)統(tǒng)計(jì)量變化

3.2 案例任務(wù)的動(dòng)作重要度排序

案例任務(wù)執(zhí)行流程如圖4 所示，對(duì)應(yīng)不同失誤概率時(shí)的操縱員任務(wù)負(fù)荷期望，如圖5 所示。定義某一類(lèi)動(dòng)作的重要度為其對(duì)任務(wù)總體負(fù)荷的貢獻(xiàn)，因此，對(duì)于b類(lèi)型動(dòng)作，其重要度如下：

圖5 對(duì)應(yīng)不同失誤概率時(shí)操縱員任務(wù)負(fù)荷期望

圖6 給出了不同人為失誤概率下，操縱員執(zhí)行案例任務(wù)時(shí)動(dòng)作的重要度排序。

圖6 任務(wù)中動(dòng)作重要度排序

3.3 仿真結(jié)果分析

通過(guò)圖3 與圖5 對(duì)比可以發(fā)現(xiàn)，由于人因失誤，當(dāng)動(dòng)作被重新執(zhí)行時(shí)其任務(wù)負(fù)荷期望明顯增大，尤其類(lèi)似圖5 負(fù)荷最高部分記錄參數(shù)的動(dòng)作。當(dāng)人為原因失誤概率變化時(shí)，其引起的變化最為顯著。因此隨著β的增大其工作負(fù)荷的增加最為突出，應(yīng)該注意的是若正常操縱員的工作負(fù)荷高于10，則為高負(fù)荷。在β增加到50 時(shí)其任務(wù)負(fù)荷期望已達(dá)到了13，這是較為危險(xiǎn)的。通過(guò)表2 中的數(shù)據(jù)可以發(fā)現(xiàn)，盡管任務(wù)負(fù)荷期望在增大的同時(shí)，其相關(guān)統(tǒng)計(jì)量變化的幅度不同。其中極大值和極差變化最為顯著，變異系數(shù)變化最不顯著。可以得知盡管人為原因失誤導(dǎo)致其任務(wù)負(fù)荷的期望增大，增大了操縱員的任務(wù)需求，但其負(fù)荷的離散性幾乎未有變化。同時(shí)在圖6中可以看到，其重要度最大的VACP 工作負(fù)荷類(lèi)型為視覺(jué)定位類(lèi)。但隨著β的增大，視覺(jué)定位類(lèi)的重要度在下降，而視覺(jué)檢查類(lèi)動(dòng)作的重要度在增大。可以得到如下結(jié)論：人因失誤盡管會(huì)導(dǎo)致操縱員實(shí)際任務(wù)負(fù)荷期望增大，但是任務(wù)負(fù)荷期望的變異系數(shù)幾乎未發(fā)生變化，即由于操作失誤導(dǎo)致動(dòng)作被重復(fù)執(zhí)行的模型中，工作負(fù)荷的波動(dòng)性幾乎不變，同時(shí)在不同的人因失誤概率情況下核電廠主控制室動(dòng)作的重要度會(huì)發(fā)生變化。

4 結(jié)束語(yǔ)

核電廠設(shè)計(jì)的早期階段應(yīng)當(dāng)減少需要檢查記錄的步驟，或者設(shè)置人員協(xié)助。同時(shí)，在人因失誤較高的場(chǎng)合，應(yīng)重點(diǎn)監(jiān)控診斷，例如視覺(jué)檢查類(lèi)任務(wù)的執(zhí)行和相應(yīng)場(chǎng)景的協(xié)助預(yù)案，對(duì)于考察任務(wù)負(fù)荷波動(dòng)性水平較高的區(qū)域不應(yīng)把人因失誤置于重要的影響因素。對(duì)核電廠主控制設(shè)計(jì)早期階段的任務(wù)負(fù)荷進(jìn)行評(píng)估，必須隨著任務(wù)流程的細(xì)節(jié)化進(jìn)行模型修正，從而得到實(shí)際的任務(wù)執(zhí)行流程與相應(yīng)的負(fù)荷水平。