基于VACP的数字化核电厂主控室操纵员工作负荷评价

沈 超高级工程师 易灿南教授 李照鑫 胡 鸿教授 吴 文讲师

(1.中广核研究院有限公司,深圳 广东 518000;2.湖南工学院 安全与管理工程学院,湖南 衡阳 421002)

0 引言

GB/T 41145—2021《核电厂人因验证和确认》[1]指出工作负荷是影响人员效能的因素;美国核管会Nureg-0711《核电厂人机交互审查模型》任务分析要素中的一项重要内容是审查操纵员工作负荷[2]。因此,操纵员工作负荷是核电厂人因可靠性研究重点关注的问题。核电厂数字化后,系统中人机界面、信息显示方式等都发生了改变,监控盘台变成以计算机工作站为主,设备设施以虚拟控件显示于操控界面[3-4]。核电厂数字化带来“巨量的信息、有限的显示”的矛盾,产生“小孔效应”[5-6],可能导致操纵员任务执行过程中的工作负荷发生改变。因此,数字化核电厂中操纵员工作负荷呈现何种特征与规律,对操纵员任务执行过程产生何种影响,成为核电、安全科学及工效学等领域的研究重点。

三哩岛事故的发生促进了事故导向规程(Event-oriented Procedure, EOP)向状态导向规程(State-oriented Procedure, SOP)转变。EOP中操纵员根据事故序列判断机组事故类型,选用事故处理规程进行诊断与处置,直到反应堆处于安全状态;SOP中操纵员通过观察几个代表性参数来监测反应堆状态,采取回路(Loop)结构对反应堆状态进行判断[7]。研究表明,数字化核电厂SOP可能在操纵控制、信息显示及班组合作等方面存在人因失误[8]。探究数字化核电厂SOP下操纵员工作负荷,确定任务执行过程中操纵员工作负荷较大的操控任务,可为操纵员人因失误识别提供理论基础。

操纵员工作负荷是指操纵员任务执行过程中承受的工作量,可分为脑力负荷与体力负荷。在国外,工作负荷研究始于20世纪60年代医疗人员的负荷评估[9];在国内,通过知网查询到最早文献为研究人员基于不同负荷下的心率来评定人体的工作能力[10]。度量工作负荷的方法一般包括主观测量法、绩效度量法、生理测量法,以及包含视觉、听觉、认知及运动(Visual Auditory Cognitive Psychomotor,VACP)4个维度的多资源理论评估方法[11-12]。VACP方法通过将任务层层分解,根据子任务所占用资源的情况,依次评价子任务、任务的工作负荷。由于该方法在复杂任务执行中工作负荷评估的优越性,在航空[13]、航天[14]、轨道交通[15-16]、核电[12,17]、机械操作[18]等领域与行业得到广泛应用。在核电领域,一些学者采用该方法来评估操纵员工作负荷,例如,卢洋等[17]对操纵员处置主蒸汽管道破裂事故中涉及规程DOS、ECP2-IO、ECP2-S2的操控行为的工作负荷进行分析;郑腾蛟等[19]基于VACP分析SOP数字化核电厂中操纵员处置蒸汽发生器传热管破裂事故(Steam Generator Tube Rupture, SGTR)时的工作负荷;王庄[20]研究数字化核电厂操纵员基于EOP规程执行任务的工作负荷;韦关祥[12]基于VACP分析冷却剂损失事故中操纵员的工作负荷。以上研究,探究了纸质化、电子化的EOP和SOP下操纵员的工作负荷。郑腾蛟等[19]探究数字化核电厂SOP下操纵员的工作负荷,但其研究中子任务仅包括点击鼠标、判断、交流、读数和记录,可能造成一些子任务执行过程没有被合理评估。因此,数字化核电厂SOP下操纵员工作负荷还需进一步探究。

基于此,本研究将基于多资源理论,在对数字化核电厂SOP下的核电任务及现有文献中核电相关领域VACP评价进行充分调研的基础上,总结数字化核电厂SOP下核电任务VACP量表,确定操纵员工作负荷评估方法。将该方法运用于某核电厂SGTR事故,分析任务执行过程总工作负荷水平,确定工作负荷较大规程及行为,为数字化核电厂操纵员人员失误预防提供理论基础。

1 研究方法

1.1 操纵员工作负荷分解

多资源理论认为作业人员任务执行过程中需要调用视觉V、听觉A、认知C和运动P4种资源。视觉和听觉指接受外部的刺激,认知为信息处理水平,运动指身体动作[21]。Hankins和Wilson[22]将V、A、C和P分别划分为8个级别(0,1,2,…,7),分析过程中可根据各资源占用情况分别进行赋分。本研究基于现有核电任务相关V、A、C和P的行为锚定描述[12,19-20]、其他行业领域中关于VACP的解释[14,18]及数字化核电厂SOP操控特征,确定核电任务VACP量表,见表1。

表1 数字化核电厂SOP核电任务VACP量表Tab.1 VACP scaling for Digital Nuclear Power Plant based on SOP

1.2 操纵员工作负荷计算

基于表1可对核电厂主控室操纵员工作任务进行分级,并根据每个子任务对应的V、A、C和P的资源占用率进行赋分,可得到每个子任务的VACP评分:

VACPi=Vi+Ai+Ci+Pi

(1)

式中:

i—子任务序号,i=0,1,…,n。

对于某一项任务而言,操纵员工作负荷VACP可根据下式进行计算:

VACP=∑(VACPi)

(2)

2 应用实例

某数字化核电厂SGTR事故中,操纵员进入SOP规程的DOS诊断程序,根据6个机组状态参数确定功能降级水平[19],从而转到对应的事故规程ECPi,根据“初始导向”确定“操作序列”,直至6个状态参数达到规定范围后,导向SOP事故规程出口,结束事故处理。此实例中,任务开始于操纵员基于DOS诊断,结束于判断当前状态是否适应于正在使用的ECPi,整个操纵过程包括74步。基于规程执行界面出现顺序,在规程界面、操控界面变化的基础上考虑操控内容划分子任务(149个)。由于篇幅所限,在此仅给出前5步的子任务分解情况,见表2。对每个子任务中V、A、C和P资源的占用程度依据表1赋分,基于式(1)获得每个子任务的VACP评分。将操纵员规程执行过程中不同子任务下的工作负荷评分绘制于图1,粗实线为子任务VACP总分,虚线为某规程执行阶段VACP均值,I-XIV为任务执行过程中依次调用规程编号,1,2,…,149为子任务编号,见表2。将各规程执行过程中的VACP均值、总分(VACP总分为子任务计数乘VACP均值)及子任务数量汇总,见表3。

注:I-XIV为规程。I:DOS1-1;II:PRE-ACT;III:DOS1-2;IV:SI-CHK-1;V:SI-CHK-2;VI:DOS1-3;VII:RCPs-CFG;VIII:DOS1-4;IX:EAS-SUR;X:PTR-SUR;XI:RCPp-SUR;XII:AUX.S-FL;XIII:ECP3-SEQ1-2;XIV:RANGE图1 SGTR任务基于VACP的工作负荷分析Fig.1 Workload of operators in SGTR based on VACP

表2 规程操作及子任务(部分)Tab.2 Procedure operations and sub-missions (part)

表3 规程执行过程VACP值Tab.3 VACP values in different procedures

由图1和表3可知:

(1)本任务中,VACP总分为1283.6,子任务总数为149。表1中V、A、C和P单项最高分为7分,4项之和最高为28分。若以28分为基数进行计算某任务工作负荷(工作负荷为VACP评分除以28),则该实例所示SGTR任务工作负荷约为31%,工作负荷不高。韦关祥[12]基于VACP分析冷却剂损失事故下操纵员的工作负荷,不考虑时间压力的情况,一回路操纵员工作负荷约为5,工作负荷约为18%;卢洋等[17]研究中纸质规程和电子规程执行主蒸汽管理破裂事故下操纵员工作负荷分别为26%和23%;郑腾蛟等[19]数字化核电厂SOP任务执行过程,VACP均值为11.82,工作负荷约为42%;王庄[20]研究数字化核电厂EOP规程任务复杂度分析实验中,VACP均值为11.8,工作负荷约为42%。以上文献均是基于VACP进行的核电任务工作负荷分析,研究结果差异可能由以下原因导致:首先,EOP和SOP下的规程逻辑和结构不一致,可能导致操纵员工作负荷不一致;其次,纸质规程和电子规程也可能导致操纵员工作负荷不一致,如青涛等[23]发现自动化程度越高,心智负荷越低;再次,监控界面功能布局不一致也可能导致工作负荷的差异,如吴晓莉和吴新兵[24]对某核电厂监控系统界面功能布局进行优化后,发现视觉传达指数提高26.98%;最后,事故类型不一致,也可能导致工作负荷不一致。整体上来看,核电任务工作负荷在45%以下,低于红线理论80%[25-26],核电任务工作负荷与事故类型有关,本研究中SGTR下工作负荷约为31%,但在处理其他事故或者在叠加事故情况下,工作负荷可能会升高。

(2)本任务中,V、C和P总分分别为522.2、516.8和204.2,占比分别为40.7%、40.4%和15.9%。在卢洋等[17]进行的主蒸汽管道破裂事故诊断和执行任务过程中,V、C和P总分分别为1256.1、920.7和430.6,占比分别为48.2%、35.3%和16.5%。2项研究均是基于SOP的数字化核电厂,虽然任务执行不一致,但是V、C和P所占用资源比值具有相似性。因此,在基于SOP数字化核电厂操控任务中,视觉和认知负荷比较大,需要具有较大的心智需求。青涛等[23]研究中发现,操纵员SGTR任务执行过程中心智需求较高,这与本研究的结果一致。因此,在自动化程度较高的情况下,核电任务执行过程中主要占用资源是视觉和认知,需要注意这些资源占用过大而导致工作负荷增加的问题。

(3)本任务中,工作负荷最高发生在规程DOS1-2执行,总工作负荷为210.1;其次为规程SI-CHK-1和PRE-ACT,工作负荷分别为203.30和168.00;再次为规程EAS-SUR,工作负荷为142.60;最低为规程AUX.S-FL和RCPs-CFG,工作负荷分别为19.00和18.80。因此,对于本任务而言,诊断任务具有较大的工作负荷,其次是安全壳喷淋系统监控任务。

(4)若以“工作负荷>40%”作为判断任务执行过程中“工作负荷高”的依据(VACPi>(40%×28=11.2)),规程DOS1-2、SI-CHK-1、DOS1-4、EAS-SUR、RCPp-SUR和RANGE 的高工作负荷执行子任务执行数量在3个以上,见表3。查阅相关子任务分类发现高工作负荷子任务主要由以下3个原因导致:操纵员基于规程判断各系统状态,如判断压力容器△Tsat在图中区域、判断主泵轴封流量是否大于1.1m3/h、判断安全壳内放射性是否高于20mGy/h;信息记录,如记录安注时间;操纵员与班组人员之间的沟通。在操纵员培训和复训工作中,可增加这些方面的训练,降低人因失误。

3 结论

(1)提出SOP数字化核电厂操纵员工作负荷分析VACP量表,实际工作中可依据此表进行不同任务执行过程中的工作负荷分析,为合理评估操纵员工作负荷提供方法支持。另外,可根据该量表结合其他核电厂(如纸质或数字化EOP核电厂)系统操纵特征,探究操纵员任务执行中的工作负荷。

(2)数字化核电厂SOP任务中,视觉和认知资源占比最高,在实际工作中,应合理安排时间与休息方式,减少视觉及信息加工所导致的疲劳累积,减少人因失误,提高人员可靠性。某基于SOP的数字化核电厂SGTR事故处理工作负荷约为31%,处于较低水平。但是在事故诊断和安全壳喷淋相关规程执行时工作负荷较大,在规程DOS1-2、SI-CHK-1、DOS1-4、EAS-SUR、RCPp-SUR和RANGE 执行时存在多个子任务负荷大于40%的情况,在操纵员培训与复训时可增加这些方面的训练。

(3)本研究未考虑时间压力因素,所构建模型仅适用于无时间压力下的SOP数字化核电厂操纵员工作负荷分析,后续将进行进一步研究。