核电厂操纵员在操作任务持续快速变化下的认知行为特征

张 力，刘雪阳，邹衍华，洪 俊，吴斯扬

(1.南华大学 核科学与技术学院，湖南 衡阳 421001；2.湖南工学院 人因与安全工程研究院，湖南 衡阳 421002)

“十三五”电力发展规划明确提出核电厂要增强调峰能力建设，提升负荷侧响应水平。传统上核电机组是不参与电网调峰的，因为调峰要频繁升降反应堆功率，这将导致反应堆系统热工水力状况波动，甚至失稳，进而可能影响核电机组性能和安全性[1]。核电参与电网调峰运行的一个显著特征是功率持续快速变化，在该过程中为了维持电厂系统稳定运行，主控室操纵员需执行一系列持续快速变化的操作任务，即操纵员需在一段时间内持续执行操作时间窗口小、操作强度大、操作情况复杂和变化快、操作失误后果严重的操作任务，该类任务具有时间紧迫、失误率高和后果严重等特点。如：当核电厂参与电网调峰，电网负荷峰谷差导致电网目标频率变化时，操纵员需在规定时间内频繁地调节核反应堆输出功率来响应电网目标频率变化，而此种情况下规定的时间窗口远小于正常启停堆操作的时间窗口，相应的反应堆功率的升降速率也更快，反应性控制难度更大。为维持此时反应堆的稳定性，操纵员就需在短时间内执行大量的操作来实现对多目标、多参数的监控，并频繁执行界面管理任务来及时获取有效信息和电厂状态参数[2]。频繁升降功率使核电厂操纵员对机组控制变得非常困难，相较于基本负荷运行这将大幅增加负荷变化过程中跳机、跳堆的风险[3]。如核电厂启停堆阶段的人因失误比基荷运行阶段比例高得多，切尔诺贝利核电厂事故也正是在一项定期实验升降功率过程中引发的[4]。因此有必要研究操作任务持续快速变化背景下操纵员的认知行为过程，建立认知模型，以在一般性意义上深入认知过程内部，加深理解人因失误机制，从而在更深层次上分析人因失误产生机理，避免和减少操作任务持续快速变化背景下操纵员人因事件的发生。

本文基于核电厂参与电网调峰背景下主控室操纵员操作任务的任务特性，结合认知心理学、行为科学、人因工程等理论方法，通过文献调研、操纵员访谈及现场观察来研究操作任务持续快速变化背景下操纵员的认知行为过程，为识别操作任务持续快速变化背景下操纵员的认知行为特征打下基础，进而为建立或改进操作任务持续快速变化背景下人因可靠性分析(HRA, human reliability analysis)方法服务。

1 调峰背景下主控室操纵员操作任务特性

为研究操作任务持续快速变化背景下操纵员的认知行为过程，本文首先分析调峰背景下主控室操纵员操作任务特性和相关的行为形成因子(PSF, performance shaping factor)，对比与常规工况下操作任务的差异。

核电厂参与电网调峰后会频繁进行升降功率操作，相对于常规工况下的操作任务，其在操作任务类型、操作方式、PSF、工作负荷和工作模式等方面都发生变化。

1) 操作任务更复杂，操作时间窗口小

功率持续快速变化是核电厂参与电网调峰运行的一个显著特征，此种情况下的升降功率操作对操纵员要求更高，要在短时间内，以30～50 MW/min的速率升降功率[5]。在此过程中，需要操纵员同时监视多种不同操作界面的参数，获取实时系统参数，操纵员还需执行打开设备操作窗口、点击操作指令、确认操作指令、执行操作指令、关闭操作窗口等一系列操作任务，以维持系统在规定范围内运行。

常规工况下，操纵员进行启停堆操作时，主要通过硼酸来调节反应堆升降功率速率；而在调峰操作过程中，操纵员主要通过控制棒来调节反应堆升降功率速率[6]。调节硼酸浓度和控制棒相比反应更缓慢，但稳定性更好。进行控制棒调节时，升降功率速率快，反应性波动大，操纵员所需监视的参数增多，导致调峰操作任务更复杂，操作的时间窗口也大为减小。

2) 操纵员操作方式的变化

在常规工况下，操纵员进行操作时只需按照操作计划，找到对应的操作规程进行操作。当核电厂参与电网调峰后，遇到突发性调峰任务时，主控室操纵班组中值长需根据实际情况临时制定调峰的操作策略，而不再按原有计划进行操作，这导致操纵员操作方式发生变化。

3) PSF增多

执行调峰任务的操纵员行为一般分为监测和察觉、理解和感知、决策、执行及团队协作5个部分[7]，除HRA中常规的人机界面、运行规程、操作经验、心理压力等PSF外，还识别出了团队有效性、可用时间、执行难度及资源4个PSF对操纵员执行调峰任务的制约和影响。

4) 工作负荷变化

在工作负荷方面，核电厂参与电网调峰初期，相比于常规工况，操纵员进行反应堆启动或停堆，由于时间压力的增大，导致操纵员心理负荷大幅度增加，且体力负荷也由于频繁升降功率而增加[8]；核电厂参与电网调峰中后期，由于操纵员对调峰任务熟悉程度增加，时间压力对操纵员影响降低，操纵员的心理负荷将会大幅减少，但体力负荷和初期相比变化不大。

5) 工作模式的变化

根据核电厂现场调研及操纵员访谈可知，核电厂参与电网调峰后，遇到突发性的调峰任务，不再是由单一操纵员决策，而是由整个主控室操纵班组集体讨论，最终由当班值长给出决策，确定选择哪种方案来进行调峰操作以应对电网调峰要求，操纵员再按照选定的方案进行对应的操作。

2 HRA方法中的认知模型

HRA方法起源于20世纪60年代，大部分HRA技术都是在20世纪80年代中期以后才得以开发和应用，传统上HRA方法被划分为第1代、第2代[9]，以及基于仿真技术开发的动态HRA方法或被称为新一代(第3代)HRA方法[10]。随着认知心理学和行为科学等相关学科的发展，HRA研究的重点已从人因失误率计算转到人因失误全过程的探索，包括人因失误辨识、人因失误机理、人因失误概率计算、人因失误风险分析及如何降低人因失误。人因失误机理的解释是HRA方法的重点和难点，目前的研究是围绕认知模型展开的。

2.1 技能、规则和知识框架模型

第1代HRA方法中唯一考虑了认知行为的是人认知可靠性模型(HCR, human cognitive reliability)[11]，其采用基于技能、规则和知识(SRK, skill-based, rule-based, knowledge-based)框架[12]作为认知模型框架，用来处理事故后操纵员诊断方面的人因可靠性问题。该框架将认知过程分为3种基本模式：技能型、规则型及知识型。但SRK框架仅局限于对技能型、规则型及知识型3种模式的区分，没有对认知水平不同的情况进行探讨，且针对操作任务持续快速变化的情景不能很好地解释该过程，也没有包含团队协作这一过程。

2.2 信息处理模型

信息处理模型用4个阶段(监控/探测、环境感知、计划及实现)来表示人的认知过程，每一阶段的功能与前面一部分的信息处理模型基本相同[13]。该模型和SRK框架模型相同，强调的是单个操纵员的认知模型，而操作任务持续快速变化下，还需考虑团队的认知过程，最终的操作方案是由团队协作商议出的。

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，认知不能单一是对输入的信号做出被动的响应，而是一个连续且能对原目标和意图进行不断主动修正的过程，如图1所示。COCOM主要针对个体，而对团队协作因素考虑不足。

图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，用来描述操纵员在执行操作任务情况下的认知过程，模型的结构如图2所示。该模型包含4个模块：信息感知、决策、执行及心理状态。IDA模型解释了心理状态对认知过程的影响程度，考虑了在动态的任务场景下，心理状态与其他认知功能的交互作用，能在一定程度上解释动态任务场景下人因失误的机理。

图2 IDA模型Fig.2 IDA model

3 操作任务持续快速变化背景下的认知行为模型

核电厂参与电网调峰后会频繁进行升降功率操作，尤其是接到紧急指令需进行升降负荷，就需当班值长进行团队决策，选择合适方案进行升降功率操作，然后操纵员按照所选定的方案进行操作。这一过程和常规操作有很大区别，操作任务更复杂、操作时间窗口小、操纵员操作方式的变化、工作负荷变化及工作模式变化将导致操纵员执行调峰操作时发生人因失误的概率会高于常规操作，这些人因失误不仅可能发生在操纵员操作的过程，还有可能发生在值长进行团队决策的过程。这将导致以前的认知行为过程不再适用于操作任务持续快速变化背景，所以要考虑开发新的认知行为过程。

基于核电厂参与电网调峰后的任务特性，结合现场调研和操纵员、值长访谈，对IDA模型进行改进，并参考NUREG-2114[7]提出了如图3所示的操作任务持续快速变化背景下的认知行为模型。

在核电厂进行计划性调峰时，主控室操纵员按照操作规程进行操作，该种情况下，团队协作决策的重要性不明显，更多的是需要操纵员独立按照运行规程进行操作。此时，操纵员的认知过程可分为4个过程，从监视、状态评估、响应计划到响应执行。操纵员通过监视对应的显示设备获取相关参数信息，对所获得的信息进行状态评估，分析判断核电厂系统状态是否满足进行调峰操作的条件，符合进入调峰操作的条件后，按照操作规程控制设备进行操作。执行完操作后，操纵员会继续监视核电厂系统状态，观察系统参数状态变化，来决定下一步的操作，这又是一完整的认知过程，又从监视、状态评估、响应计划到响应执行。直到操纵员执行完整个调峰任务，操纵员的认知过程才会停止，不再进行循环。操纵员在执行调峰任务过程中，每个认知过程都会受到心理状态的影响，而进行每个认知过程时反过来也会影响操纵员的心理状态，这是一个两者相互影响的动态过程，直到操作结束。

在核电厂遇到突发性调峰任务时，操纵员操作清单上并没有对应的操作规程，此时就需考虑团队决策，当班值长会召集整个主控室内当班人员进行决策，选取进行升降功率的最优方案，如确定控制棒棒位、棒速及控制棒插入方式等，来完成突发性调峰任务[16]。这一决策过程相当重要，如果选择了不恰当的方式进行升降功率，可能对反应堆系统产生较大冲击，加剧反应堆压力容器的辐照脆化和系统某些关键部件的金属疲劳，影响核电厂安全运行且降低机组设备的寿命[17]。所以此过程不应只考虑操纵员1个人的认知过程，还应将团队决策的认知过程纳入考虑。

图3 操作任务持续快速变化背景下的认知行为模型Fig.3 Cognitive behavior model under background of continuous and rapid change of operation task

当操纵员对从显示设备监视到的信息进行状态评估后，需选择制定如何进行升降功率的计划来满足突发性调峰任务，此时团队决策就要介入，团队决策的认知过程同样有4个过程，从检测和识别、理解和感知、决策到制定计划，此时需再次对核电厂系统参数进行检测和识别，对获取的信息进行相应的理解和感知，决策出选取哪种方案进行升降功率比较合适，然后根据选择的方案制定出计划，告诉操纵员操作计划，一、二回路操纵员按照计划响应计划和响应执行。一直到完成突发性调峰任务，认知过程才会停止，不再循环。突发性调峰任务发生时，操纵员的每个认知过程和心理状态相互影响，且在团队决策过程中二者也会相互影响，这种动态影响过程直到任务结束才停止。

4 结果与讨论

核电厂参与电网调峰后，由于系统运行任务的转变，导致操纵员的行为模式、工作特征和工作要求等发生了变化，操作任务更复杂，对应的操作时间窗口变小，为了维持电厂系统的稳定运行，操纵员需在短时间内执行一系列持续快速变化的操作任务来对多目标和多参数进行监视，在操作过程中，也更强调团队协作，需要值长根据任务需求的变化及时选取正确的操作方式。在此过程中，操纵员认知过程受到的影响更多。而这些与常规操作不同之处，会导致现行HRA方法中的认知模型不能完全在此背景下适用，需开发针对操作任务持续快速变化背景下的认知行为模型。

针对操作任务持续快速变化背景下的认知行为模型，现行HRA方法中的认知模型主要存在以下缺陷：1) 对操纵员的认知行为研究大多采用静态分析技术，如HRA事件树和决策树，这样的分析技术无法真实、全面地反映在连续高强度工作负荷下操纵员对系统动态响应过程中的认知行为变化；2) 分析中无法体现操纵员认知行为在频繁、快速地人-系统交互过程中的动态演化过程；3) 对团队决策的认知过程考虑和处理无法满足操作任务持续快速变化背景下的任务分析要求(深度不够，考虑不足)；4) 缺乏相应的分析数据。

因此，本文提出新的认知行为模型，加入团队决策的认知过程，考虑操作任务持续快速变化背景下的动态特性，将整个认知过程连起来形成一个环路，不停循环，直到任务结束，而不再是单一地进行，且心理状态不仅对操纵员的认知过程相互影响，还对团队决策过程也相互影响。该模型有以下优点。

1) 本文建立的模型符合调峰任务这一类持续快速变化任务与常规任务的不同点：时间窗口小，操作压力大，持续变化。该模型能反映高强度工作负荷下操纵员对系统动态响应过程中的认知行为变化。

2) 针对执行调峰任务这类持续快速变化任务时团队决策的重要性，将团队决策这一过程加入到操纵员的认知过程中，操纵员执行调峰任务时不仅受自身和环境影响还受到团队决策的影响，团队决策影响是否选取正确合理的计划应对升降功率。

3) 该模型可用于操作任务持续变化背景下相关HRA研究，有助于分析和应对调峰任务中发生的人因失误，对操纵员的选拔和培训也能给出相应的指导性意见。

通过该认知模型，能清楚地知道操纵员在执行调峰任务时的认知过程；当操纵员发生失误时，能找到是在哪一环节出现的失误；能为构建HRA中PSF的层次结构模型和建立结构化的PSF分类体系服务；能为人因辨识技术服务，识别操纵员的失误类型；能为定量操纵员认知行为演化机制服务。

5 结论和展望

本文建立了操作任务持续快速变化背景下的认知行为模型，加入团队决策的认知过程，该模型可为研究操作任务持续快速变化背景下的HRA方法打下基础。然而该模型还有一些缺点：该模型是建立在文献调研、操纵员访谈及现场观察的基础上，缺乏对应实验数据或实际案例来验证模型的合理性，未来将在获取相关数据的基础上展开验证；该模型只是对操纵员的认知过程进行定性研究，没有建立对应的定量方法，未来将研究相应的定量方法，对模型进行进一步优化。