核电厂操纵员态势感知方法研究1)

周 涛，陈 宁，刘文斌，任爱群，毛 赏，魏 东，张一童

(1.东南大学能源与环境学院，江苏 南京 210096；2.华北电力大学核科学与工程学院，北京 102206；3.核热工安全与标准化团队，中国)

我国能源界出现过一些的较为严重的事故，其中人误事件/事故所占的比重相当高。当今世界核电三起严重事故[1]，都与人因感知相关。以核电厂这一特殊企业为对象,以其“安全性”为评价目标,探究人因可靠性[2]与人机交互研究对其安全目标的影响,分析各因素对安全影响的作用力,构建影响因素评价与识别系统,捕捉影响核电厂安全的主导因素,为有效的概率安全评价提供支持,以增强核电厂运营的安全性,继而提升核电厂的竞争力和发展空间。操纵员的人为差错(或称人因失误)是操纵员或决策者的不安全行为的总称,是由于缺少适当的信息显示和控制能力所造成的疏忽或对已规定行为准则的任务完成不适当、不完全或超出允许的偏差。人因失误是假设始发事件的重要组成部分，统计表明约80%核电厂运行事件或事故与人因失误有关。从某种程度上讲,核电厂安全取决于如何减少人因失误的机会并增加对人因失误进行恢复的机会。

1 研究现状及存在问题

1.1 研究现状

自日本福岛核事故以来，国内外对核电厂的事故研究非常重视。通过对事故原因进行分析，85%左右的事故都与人因管理因素有关。换句话说，如果采取了合适的组织管理措施，大部分事故将会得到很好的控制。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)在三哩岛核事故人误事件分析中的应用。分析结果显示了ATHEANA方法在认知失误分析方面的可用性和有效性。讨论了该方法的未来应用以及不足。2011年，谢志国[4]等介绍了红沿河核电厂数字化主控室操纵员工作站的结构,分析了其可能失效的原因。对不同数量的操纵员工作站失效事故进行了分析，并在此基础上制定了操纵员工作站失效事故的处理策略。 2018年，张初明[5]比较了症状导向和事件导向两类规程的各自特点,分析了AOP规程的独特属性，总结出使用症状导向法的AOP规程所具有的优势,并提出了开发和应用症状导向AOP规程的注意事项。2019年，陶锡亮[6]通过对核电厂事故工况下人员的职责和分工,及协调员应承担的职责进行了详细的阐述,总结了培训过程中常见的协调员在事故管理方面存在的问题，并针对这些问题进行梳理并总结出协调员事故管理的正确方法。2019年，Yuandan Li和Ali Mosleh[7]在事故情况下基于操作员知识的行为进行建模，从而增强了真实性IDAC模型的建立，以及人类可靠性分析(HRA)的仿真方法。2020年，陈帅[8]等基于人因失误模式和影响分析，定义人因失误发生概率、人因失误影响程度、人因失误可恢复概率为风险因子，结合专家评价与模糊语言理论提出一种临时设备投运人员可靠性评估模型。以全厂断电事故下移动电源的接入任务为例，应用所建模型获得了该任务中的人误模式重要度排序及合理的风险见解，验证了模型的可行性。 总体来看，目前核电界已经开展了一些研究，但还是存在针对性不是太强，普适规律还不足，理论性有待提高，且数字化人机界面给操纵员带来方便的同时,也带来挑战,其中人因事件为常见的系统失效形式。为减少核电厂运行过程中的人因失误,对核电厂操纵员态势感知方法展开研究与应用。

1.2 存在问题

为减少核电厂运行过程中的人因失误，基于当前现状的研究，可以提出存在以下一些问题。

1)操纵人员的感知错误，决策人员的不安全行为；

2)信息呈现方式复杂，难以判断；

3)报警装置失效，信息传递失效；

4)事故原因不清晰，影响事故判断；

5)操纵人员获取信息的方式迟钝缓慢，影响决策；

6)设备功能不完善；

7)电厂数字人机功能欠完备。

2 研究对象及技术路线

2.1 研究对象

研究对象如图1所示。

图1 研究对象Fig.1 The study object

从图1看到，操纵员的人为差错(或称人因失误)是操纵员或决策者的不安全行为的总称,是由于缺少适当的信息显示和控制能力所造成的疏忽或对已规定行为准则的任务完成不适当、不完全或超出允许的偏差。人因失误是假设始发事件的重要组成部分，统计表明约80%核电站运行事件或事故与人因失误有关。

2.2 技术路线

建立不同的信息呈现方式[9]来对操纵员进行相关的心理学实验，在获取实验数据后，通过对数据进行分析得到增强操纵员态势感知能力的方法。通过对核电厂系统与设备以及以往运行经验进行分析，建立不同信息之间的对应关系，将信息对应关系与心理学实验中所获得的增强态势感知能力的方法相结合，得到操纵员作业所需的功能要素以及功能要素与核电厂人机交互界面功能完备性表达之间的关系。整体的技术路线如图2所示。

图2 技术路线Fig.2 The technical route

3 解决途径及发展趋势

3.1 解决途径

(1)增强操纵员态势感知能力的信息表达

通过对操纵员进行相关的心理学实验，建立不同的信息呈现方式，并将信息输送给操纵员，分析操纵员对信息呈现方式不同的主观接受度变化与心理因素变化。同时，在实验中，对操纵员进行态势感知能力信息的收集与分析处理，从而获取不同信息呈现方式对操纵员态势感知能力的影响，并提出增强操纵员态势感知能力的信息表达方法。

(2)报警原因和传播过程可视化，明确核电厂当前状态的报警原因

通过对主控室报警窗通讯传播进行升级改造，采用分布式报警窗，报警数据采集模块采集现场报警信号并通过冗余TTCAN通讯传输到报警窗显示部分，既保证系统高稳定性和高可靠性，又对现场布线进行了简化。并在报警窗中添加了SOE功能，方便的存储报警信息和对故障信息进行追忆。通过添加事故分析功能，使故障原因简单准确的被判断。

(3)操纵员作业所需功能要素与核电厂人机界面功能完备性表达

通过制定应对策略，使操纵员能快速获取必要信息，提升态势感知能力。每个显示屏上呈现的信息不同，操作人员需要转移视线或适当移动距离来获取参数或执行任务,为减少视线转移或机械地移动距离，应用未确知数学理论，可通过算法把参数信息或任务布局到最佳显示屏，从而可以减少切换、调用、获取信息的时间,提高人因可靠性,同时可减少操作人员频繁的视线转移、屏之间的来回移动,从而减少操作员人员的疲劳度。

3.2 发展趋势

(1)人因可靠性发展趋势

随着我国经济的不断发展,能源需求的不断增长，核能发电越来越受到国家的重视,核电企业也在不断发展壮大。主控室操纵员岗位对于核电机组正常运行的重要性不言而喻。作为人才储备的核心工作，各大核电集团相继投入了巨大的人力物力用于核电主控室操纵员的培养与历练。核电公司主控室操纵员的工作优化现在主要从强化行为规范和专项技术培训、提升工作流程和工作计划的严肃性、加强技术支持和经验共享、推进企业安全文化建设等方面进行实践。湖南工学院张力教授团队开展相关研究工作，以提升该类核电厂的安全可靠运行水平。调峰任务和常规工况下操作任务相比，操纵员心理负荷和体力负荷将发生较大改变，这将导致操纵员的认知模式和人因失误模式相较于常规工况存在差异。现有的人因可靠性分析(HRA)方法和模型难以满足操纵员人因可靠性分析的需求，因此需要建立一种新的HRA方法解决操控任务持续快速变化背景下核电厂操纵员人因可靠性问题。

(2)数字化技术发展趋势

数字化控制系统(DCS)技术[9]给核电厂运行和控制带来革命性变化,发生人因失误的模式也发生了变化。研究和分析DCS对操纵员人因失误的影响，对于减少操纵员人因失误,有帮助作用。当前针对核电站的智能故障诊断研究大多仍处在理论研究阶段，少数开发的系统仍停留于原型阶段,存在诸多缺陷。因此,在尽可能建立完备、准确的核电厂系统层级模型的前提下，将先进的人工智能理论应用于核电厂系统，增强互动和适配性，可有效辅助和指导操纵员在故障或事故工况下准确高效地应用操作。与常规模拟技术相比，数字化仪控技术发展迅速，具有功能灵活、强大的特点，数字化仪控技术在核电厂的应用是大势趋。目前新建核电厂大多采用数字化仪控系统，同时，国外很多在役核电厂也正在进行数字化仪控系统的改造。需要不断增加操作员与仪控系统互动智能感知，利用大数据和云计算，不断提高核电安全。

(3)通联基于5G技术趋势

通过回顾核能发展历史并分析未来发展趋势，吴宜灿院士[10]提出并阐述了第五代核能系统(简称“核5G”)的初步概念，认为“核5G”将基于“从源头确保核安全”的基本理念，未来会在多元化应用方面发挥更大作用，而“灵活性、亲近性、智能性”可能成为“核5G”的重要技术特征。正是在上述三个方面的重要提升，使得“核5G”将成为未来核能的主要发展方向。“灵活性”是指能够摆脱大电网的束缚，满足多场景的需求。灵活性包括运行灵活性、布置灵活性和产品灵活性等。能够达到调功率、燃料多元化应用、成本约束下快速建造、厂址特征无关、发电/供热/同位素生产等多元应用的目的。“亲近性”，包括物理临近性和心理亲近性等，物理临近性指通过技术手段代替早期的物理距离隔离，心理亲近性是指从心理距离上社会和公众能够更加接受核能。“智能性”，包括设计智能性、制造智能性和运行智能性等。能够达到协同设计、多物理耦合、3D打印快速制造、维修优化和多堆互联等目的。随着先进核能的研究发展，“核5G”的概念会不断地丰富和演化，乃至今后的“核6G”概念，这都需要核领域同仁共同探讨，也需要相关领域的广泛参与，共寻核能发展未来之路。

(4)智慧化运行发展趋势

我国互联网技术水平越来越高，发电企业也在借助互联网的优势，推进“互联网+电能生产”模式[11]的 应用，以实现智慧化发电。实现智慧发电中，以“互联网+”的智慧发电模式为基础，可以对发电过程进行智慧化管理，并全面整合各种数据，从而实现安全的智慧化发电。在“十四五”时期及可预见的未来，能源产业仍将以安全可靠、经济高效和绿色环保为发展目标，能源智慧化转型[12]是当前阶段实现三大目标齐头并进的重要途径。新时代能源变革动力将更多地来自多能源品种跨界融合和多元化应用需求。5G、大数据、人工智能、物联网、区块链等先进信息技术快速进步，正加速对传统产业进行改造、融合与渗透。能源革命与科技革命的历史性交汇，推动全球能源行业步入崭新的发展阶段，能源智慧化转型[13]将是这一时期的重要方向。

4 结论

通过搭建对人员进行心理培训和在操纵室中搭建数字化信息模型，可以减少由于操纵员的人为差错，从而有效的防止事故的发生。

1)基于不同信息呈现方式获取操纵员的态势感知变化，提出了增强操纵员态势感知能力的信息表达方法。

2)利用核电知识与以往运行经验来分析报警信息与关联信息，建立了可视化的事故报警系统，快速呈现事故原因。

3)获取操纵员作业所需功能要素与核电厂人机界面功能完备性表达关系，构建数字信息化平台，实现人机快速智能互动。

4)基于5G技术的通联，强化系统的“灵活性、亲近性、智能性”，实现核电系统的智慧化运行。