核电厂控制室系统环境设计研究

余周俊，张瑞萍，叶 琳，吴 茜，刘一鸣

（华龙国际核电技术有限公司，北京 100036）

0 引言

随着科学技术的进步，核电厂的设施和设备已经越来越可靠，人为失误逐渐成为导致系统失效的主要原因[1]，提高人员可靠性的需求日益增加。为降低导致人为失误的风险，核电厂广泛采取的方法包括：①改进人机接口设计；②改进操作员培训计划，以满足严格的操作员取证和再认证要求；③改进选拔方法，选择有能力和责任感强的操作员；④改进运行操作规程，以更有效地支持人员操作；⑤引进操作员决策辅助，以给操作员提供更智能的信息。

核电厂主控制室采用轮班制全天24h 需要人员值守，操作员正常的睡眠周期被打乱，会导致其睡眠不足、警觉性受损和工作能力下降，人为操作失误的风险可能会大大增加，尤其在夜间。因此，除上述方法外，提高当值操作员的警觉性对降低人为失误也尤为重要。

本文分析影响主控制室操作员警觉性的各种因素。其中，控制室系统环境这一影响因素与人因工程设计密切相关。基于环境设计相关法规标准和行业内相关情况，提出控制室系统环境设计建议，旨在为提高操作员警觉性提供一定参考。

1 影响操作员警觉性的因素分析

1.1 倒班导致的睡眠剥夺与睡眠障碍

由于核电厂主控制室的运行需要，操作员必须长期执行倒班工作。

倒班工作会对操作员造成一定程度的睡眠剥夺。睡眠剥夺对操作员的影响主要体现在两个方面：

1）睡眠剥夺会显著损害操作员的学习和记忆能力。研究表明，睡眠剥夺的时间越长，对学习和记忆能力的损害就越严重[2]。

2）睡眠剥夺会损害操作员的大脑执行控制功能。睡眠剥夺带来的长时间觉醒状态将造成机体的警觉性降低，可用脑力资源下降[3,4]。当脑力资源不足以满足工作需要时，会导致操作员的人员效能降低，进而带来操作失误的风险。

倒班工作时间与人的昼夜节律相悖，会导致操作员出现睡眠障碍。最常见的睡眠障碍包括睡眠呼吸暂停综合症、肠胃返流、嗜睡症、失眠。睡眠障碍将给操作员的工作带来不可接受的困倦，极大影响操作员的警觉性和人员效能[5]。

1.2 操作员工作行为

通过对某核电厂操作员直接访谈和讨论，发现操作员在工作时的行为也对其自身的警觉性有一定影响，主要体现在以下几个方面：

1）身体活动

操作员如果久坐不动，缺乏身体活动，容易自然而然产生困倦，导致警觉性受损。多数情况下，操作员在主控制室仅仅是站一站或者走动走动，而不是一直坐着，就可以是一个有效的干预，就能显著提高警觉性。

2）精神活动

同身体疲劳一样，无聊也是降低警觉性的一个重要因素。所以进行操作员之间互动（例如，口头讨论工作任务和培训材料），合理地安排需要体力和脑力活动的工作任务，都是提高警觉性的有效方法。

3）饮用咖啡和含咖啡因的饮料

适量饮用含咖啡因的饮料是帮助主控制室操作员在夜间工作时保持警觉性和效能的方法之一。咖啡因可以显著提高操作员在警觉性受损期间的有效工作能力，但大剂量的咖啡因会引起紧张、焦虑和不安等负面影响。

4）夜班饮食

和许多生理系统一样，人体消化系统也受昼夜节律的调节。人体不习惯在半夜进食和消化食物，操作员的消化系统在夜班时处理脂肪类或淀粉类食物的能力尤为不佳。在身体消化不良的时候吃这类食物，不但会对警觉性产生负面影响，也不能持续提供能量或利于身体正常运行。

1.3 工作任务

工作任务对核电厂操作员的警觉性和人员效能有复杂影响。影响包括操作员的身体活动、监视和试验所花费的时间，以及操作员的精神和身体压力等。工作任务影响操作员警觉性的因素介绍如下[5]：

1）任务类型

实验研究发现，对需要高度警觉和注意力的监测任务，人在大约持续0.5h 的警觉后，人为错误率急剧增加。对于其他类型的任务，比如逻辑推理和决策，人员效能下降的速度似乎要慢一些。

简言之，重复的、枯燥的任务比不同的、有趣的任务对操作员的警觉性更有挑战性。但值得注意的是，在生理警觉性最低的时候，任务不应该太多样化或太有挑战性，特别是在夜班的凌晨2 点到5 点。

2）任务时间

在单一任务上持续花费的时间对操作员的警觉性和人员效能也有重要影响，长时间执行同一任务会降低警觉性和效能。例如，对军用飞机上的声纳和雷达操作员进行的研究表明，4h 大约是一个人在这类任务中表现最佳的最长时间。

3）昼夜节律

人在一天中不同时间内的表现是不一样的。研究表明，人们最容易出错的时间是大约凌晨2 点至5 点之间（见图1）。其次，在中午前后，警觉性和效能也会出现下降，这可能只是部分与进食有关（也就是说，即使不进食，某些表现指标也会下降）。

图1 一天中各时段的人误概率Fig.1 Human error index over the 24-hours

这一发现意味着，在这段时间内安排的任务在可行的情况下，应该是需要员工积极参与的、更简单的任务（在认知上不那么复杂）。在这些时间内，应该避免错误后果严重的关键任务。

1.4 控制室系统环境

控制室系统环境设计通常属于人因工程领域。一般而言，人因工程关注的是如何将工作场所应用于所有已知的人的行为，以减少人为错误的可能性。

人为错误可能是由系统、设计或人引起的。前两个错误涉及系统设计的缺陷、系统与人的能力和局限之间的不匹配（例如，人机界面的问题）。相比之下，人引起的错误关注的是影响人员效能的个人内部状态的变化。显然，一个人的生理警觉性水平在这方面是一个主要的考虑因素，并直接受工作环境因素的影响。

控制室系统环境对操作员警觉性的影响体现在4 个因素：

①光环境；②声环境；③热环境；④内饰。

以上因素都有可能对操作员的警觉性产生消极或积极的影响。虽然，通常环境因素对操作员警觉性的影响非常微妙，但当这些因素与操作员夜班期间自然发生的警觉性下降相结合时，会导致操作员的警觉性出现更为严重的问题。

将针对控制室系统环境，分析国内外相关的法规标准并结合行业设计经验，对提高操作员警觉性的控制室系统环境设计提出建议。

2 控制室系统环境设计

2.1 光环境

在主控制室的所有环境因素中，光环境是最明显且最可能对操作员警觉性造成危害的因素，主控制室的照明可能也是最复杂的环境管理因素。

主控制室照明依据相关法规标准对照明照度、均匀性、阴影、眩光和反光等方面的要求进行设计。主控制室照明应满足主控制室内各功能区不同的照度水平要求，同时应避免室内存在阴影，防止出现反光、眩光，以减轻操作员的疲劳和眼睛困倦，维持操作员的警觉性，降低其因照明缺陷出现失误的概率。

通过对光环境设计国内外相关的法规标准的研究分析[6-10]（详见表1），为满足主控制室的运行需求及操作员警觉性需要，正常照明的设计应注意照度、均匀性、阴影、反光、眩光等因素，主要指标要求为：

表1 光环境相关法规标准要求Table 1 Requirements of illumination related regulations and standards

1）照明照度最大750lx、最小200lx，可调。

2）均匀度≥0.7。

3）眩光值（UGR）≤19。

2.2 声环境

环境噪声会造成操作员听力分散、烦躁和疲劳，进而反应迟钝，警觉性下降。另一方面，持续或重复的、相对较低的噪音会有效地降低人的警觉性水平，甚至达到诱导睡眠的程度。在主控制室中，通风系统以及各种设备发出的持续的嗡嗡声产生了低噪声。白班时，这些噪音可能不被注意到，因为它们经常被主控制室的高强度活动和人员来往所掩盖。然而，在夜班时，当操作员活动水平较低时，这些无关紧要的、有规律的低噪音可能会影响他们的警觉性。

国内、国际和美系标准对主控制室声环境设计的要求，如背景噪声水平、混响时间、声音信号强度等，都是为了保证主控制室内的人员交流不受影响，声音信号易于识别，尽量降低噪声引起的听力分散、烦躁或疲劳。各标准对声环境的主要要求见表2。

表2 声环境相关法规标准要求Table 2 Requirements of auditory environment related regulations and standards

声环境国内标准要求环境噪声不超过45dB，工程实践过程中由于为满足主控制室辐射防护的要求保持主控制室内正压，送风量相对较大，导致目前在运电厂均未实现这一要求。参考国内火电及化工行业的主控制室环境噪声不大于55dB（A），欧美核电标准中最严格的要求不大于50dB（A），同时结合工程实际，建议主控制室环境噪声不大于50dB（A）。主控制室混响时间应在1s 以内。

2.3 热环境

实验室研究表明，温暖、闷热的环境不仅会导致人长期工作表现不佳，还会让休息良好的人犯困。对不同纬度的核电厂主控制室操作员进行问卷调查，结果显示：约60%以上的操作员认为主控制室温度偏低。为减少热引起的困倦的风险，保持操作员的警觉性，一定程度的“凉爽”是有益的。由于人体在夜间的自然散热倾向，如果在夜班期间提高控制室内温度会对操作员的警觉性产生不利影响。

国内外法规标准对主控制室温湿度、风速的要求各有不同。综合各个标准（详见表3）和调查三代核电项目的设计要求，核电厂主控制室冬季温度保持在20℃～24℃，夏季保持在22℃～26℃之间，相对湿度控制在30%～60%以内，气流速度不超过14 m/min 的指标要求是较为合理的，可以满足核电厂主控制室的运行需求。

表3 热环境相关法规标准要求Table 3 Requirements of ambient temperature related regulations and standards

2.4 内饰

对于操作员的警觉性问题，主控制室内饰最重要的方面是舒适度。操作员的舒适度往往与最佳人员效能相关。然而，舒适也是入睡的重要前提。因此，必须在“生产性舒适”（即提高人员效能）和消极影响警觉性的舒适水平之间折中。例如，为减少“椅子疲劳”，为操作员配备能够提供足够背部支撑，避免座椅倾斜或向后倾斜的椅子。

综合HAF J0055-1995《核电厂控制室设计的人因工程原则》和ISO 11064-6-2005《控制中心的人类工效学设计 第6 部分：控制中心的环境要求》的要求，在维持操作员警觉性方面，控制室内饰应考虑：

1）颜色的协调性。

2）用灯光和颜色形成一种良好的视觉环境，不存在使眼睛疲劳和过度紧张的眩光。

3）地面材料应降低站立和行走的疲劳。

4）装饰材料要尽可能吸声、降噪。

3 结语

维持操作员警觉性的研究，涉及多个学科和领域。本文对影响主控制室操作员警觉性的各种因素做了初步分析，在控制室系统环境设计方面提出建议，对提高操作员警觉性具有一定参考意义。