數字化控制系統人機交互的特征及預防人因失誤策略

李振綱　張力　洪俊

摘要 數字化控制系統相對于傳統的模擬控制系統發生了很大的變化。數字化控制系統中，操作員的主要任務由原來的操作任務變成了認知任務，且認知負荷增大，硬控制變成了軟控制，人機界面內容更豐富且靈活，紙規程變成了電子規程等。這篇文章通過人機交互復雜性的關鍵因子，即操作員因素、任務因素、以及人機界面因素，分析了它們對人因失誤的影響，并提出了一系列策略來培養操作員，設計人機界面和完成任務。

關鍵詞 數字化：人機交互；人因失誤

分類號 B849

數字化控制系統目前已經廣泛應用于核電、航空、石油化工等領域（Brito，2002）。人機交互是人與機器之間的雙向通信，以一定的符號和操作來實現（Yoshikawa，2005）。有效的人機交互能提升系統的可靠性和安全性。另一方面，人機交互又是引發人因失誤的直接來源，一旦人機交互出現差錯，則可能導致任務失效或者災難性事故。相關研究發現，在世界核營運者協會（WANO）的人因失誤中僅操作失誤就占了64.4%（張力，趙明，2005）?？上攵?，人機交互理所當然的在人因失誤中起著主導作用。1995年在美國所做的統計中，大約70%～90%事件與人機交互過程中所產生的人因事件有關。我國核電事故中，大約有70%與之相關。數字化控制系統與傳統的模擬控制系統相比，影響人的可靠性的情境環境因素發生了顯著變化，進而改變了操作員的心理認知過程、行為模式及任務特征，主要表現在信息顯示、溝通協調管理、操作規程、控制和輸入設施，以及報警系統、操作員的決策和支持系統等方面。本文依據對數字化主控室的現場調研和對操作員的訪談，以及對數字化控制系統與傳統模擬控制系統的對比分析，總結出數字化控制系統人機交互的特征對人因失誤的影響，并提出一些預防措施。

1.數字化控制系統人機交互的特征

人機交互是操作員獲取信息、對信息進行決策及執行相關動作的過程。在大規模復雜人機系統中，操作員在長期訓練及現場體驗所獲得的知識、技能和操作規程的基礎上，通過主控室把握系統工作狀態，進行復雜的控制操作。其運行過程為：通過儀表、視聽顯示裝置將系統的運行狀態信息發送給操作人員，操作人員通過認知處理后，做出控制操作，其特征是“監視—確認—決策—控制”。由于技術的發展和自動化程度的提高，操作員的工作由過去以“操作”為主變為“監視—決策—控制”，其主要任務通常表現為認知任務（Lee，Kim，Seong，2008）（如圖1所示）。這也是數字化控制系統相對于傳統的模擬控制系統的最大不同點。第二，人機界面發生了巨大的變化。人機界面是人機交互的主要接口，數字化控制系統基于計算機的數字顯示，報警、操作畫面和規程等要素集中在人機界面，具有更多、更詳細、更豐富的信息顯示。第三，操作員的控制操作?？刂频淖詣踊潭群途C合性能大大提高，直接影響到了操作員的現場操作，比如從之前的站姿操作變成了坐姿操作，實體操作變成軟操作，同時還出現了大量的界面管理，如配置、導航、畫面調整、查詢、快捷方式等。第四，規程。電廠的應急操作規程對電廠的安全至關重要。傳統的模擬控制系統基于紙質的規程，而在數字化控制系統用的是電子化規程均一步一步呈現在各顯示屏上，在發生事故時，操作人員能快速、準確、方便地執行規程。

2.數字化系統人機交互對人因失誤的影響

人因失誤有很多種定義。根據行為的后果，Rigby（1970）將人因失誤定義為：作用于系統的人的行為沒有滿足或沒有充分滿足系統的要求。Swain（1992）將人因失誤定義為：能夠或有可能引發不期望事件的所有人的行為或疏忽。而Reason（1990）從心理學角度提出：人因失誤就是計劃中的心理和身體行為序列在執行后沒能達到意向中的結果，且這種失效不能歸因于隨機觸發因素的干擾作用。張力，王以群和劉志良（1996）考慮到復雜人機系統的基本特征，對人因失誤作出如下定義：人因失誤是指在沒有超越人機系統設計功能的條件下，人為了完成其任務而進行的有計劃行動的失敗。它包括個體的、群體的和組織的失誤。由于新技術的出現，情境環境發生了很大的變化，操縱員行為也會受所處情境環境的影響，通過現場調研和對操縱員的訪談，再對大量人因事故的分析，發現誘發數字化系統人因事故的主要原因可歸結為下列三個因素。

2.1操作員因素

第一，人才匱乏。數字化人機交互系統對操作員的知識水平和操作經驗的要求越來越高，真正達到要求的人才并不多。第二，情景意識降低。數字化控制系統中計算機工作站代替了傳統的控制盤臺，各種顯示如報警顯示燈、壓力表等，改成了符號、數值來表示，沒有以前那么直觀，因此減少了情景壓力，特別是緊急情況下有可能導致操縱員沒有充足的情景意識。第三，溝通協調方面。主控室操作員的任務需要團隊協作來完成，特別是在出現事故時。傳統的主控室值長可以很容易根據操作員的位置觀察到他在做些什么操作。而數字化控制系統中，每個操縱員是在計算機工作站上執行任務，環境封閉，操縱員之間并不清楚各自在做什么，因此較難進行監控、檢查和發覺失誤。

2.2人機界面因素

第一，信息顯示豐富而復雜。數字化后，信息的數量劇增，數干幅畫面全部擁擠在有限的幾個顯示屏上，他們的顯示很形象，但也帶來了很多復雜性。如果人機界面設計得符合人機工程學原則，會降低操作員的認知疲勞，反之則會造成認知疲勞增加。第二，巨量信息有限顯示。由于數干幅畫面全部要在有限的幾個顯示屏上顯示，這些畫面不可能同時在屏幕上全部顯示出來，當操作員需要完成某項任務時，又要調用幾十張，次畫面，在這尋找搜索的過程中，必然會降低他的注意資源，乃至讀錯參數，或耗費大量時間，不能在規定的時間內完成任務等。第三，報警過多。操作員的任務之一就是監控電廠的運行狀況和通過相關報警識別電廠的異常狀態。數字化后，產生了大量故障自診斷信息，報警的數量和信息顯著增加。在緊急狀況下出現大量報警，將超出操作員的處理能力。

2.3任務因素

第一，數字化控制系統中操作員主要完成兩類任務：第一類是操作員直接為監控系統運行而需完成的任務。而第二類任務是不直接監控系統運行的那些任務。根據人的信息處理理論（張力，王以群，鄧志良，2010），任何一項任務的完成都需要滿足兩個條件，即：有足夠的認知資源；可以獲得充分的信息。認知資源包括長期記憶、短時記憶和注意力等。當資源需求與資源供給相匹配時，任務才有可能得到較好的執行。認知資源需求超過供給時，人的效能就會下降。但如果缺乏足夠的信息，即使認知資源再多，任務完成的效果都會受影響，人因失誤就可能產生。第二，完成任務的具體操作。傳統的硬控制是基于實物的按鈕、調節旋鈕或操縱桿等對電廠進行控制；而數字化控制是通過鼠標對虛擬的圖標進行軟操作，沒有以前那么直觀，而且操作步驟多而復雜，增加了操作員的認知負荷和時間壓力。在執行軟操作時，軟控制的彈出窗口有時會覆蓋一些重要參數的顯示，對信息的查看帶來影響，有些軟控制的操作區在畫面中被覆蓋，需拖動才能操作，影響操作速度。第三，應急規程。國內目前的操作規程往往直接采用國外版本，并不符合國內操作員的認知習慣。規程在執行過程中通過在計算機界面上“打勾”來確認執行到哪個的步驟，但是在應急情況下容易漏項。還存在執行規程的標準并不確定，評價方法過于主觀等問題。

3.預防對策

在復雜的人機系統中，人因失誤的產生是一個動態的過程，牽涉到許多因素，包括操作員個體因素，設計上的因素，作業上的因素，程序運行的因素，教育的因素等等，可以說是各個因素的綜合體。因此預防人因失誤的發生需依據上述因素綜合考慮。本文從以下方面探討預防和減輕數字化控制系統下人因失誤的影響應該采取的策略。

3.1操作員

在大規模的數字化人機系統中，人并不是以一個孤立的個體或群體出現于該系統中，而是作為組織與環境中的一員而存在。張力（2006）應用數據挖掘技術對來源于世界核營運者協會（WANO）1993～2002年間的1628份事件報告分析得出：組織管理缺陷、與規程有關的缺陷、培訓不足、人員之間交流不足、缺乏監督檢查、組織決策失誤、組織文化不良與人員操作失誤之間存在很高的相關性，是導致操作員失誤的重要原因。所以培養一個合格的操作員不僅僅要從操作員個體考慮，還要放大到組織層面上來考慮。組織因子對個人及技術系統的影響關系圖見圖2。

3.1.1加強組織文化建設和完善組織結構

組織文化是指處于一定社會經濟文化環境中的組織在長期發展過程中形成和發展起來的共有的、獨特的價值觀、制度形式和行為方式的總和。一個組織具有良好文化，管理者和員工都能很好地融入進去，將會產生更強的組織承諾，運行更有效率，也會有更高的安全性和更好的效益。復雜人機系統中的組織文化因素包括：安全質量文化、內聚力和協作意識等。如果能把安全第一、質量至上的要求扎根于每個員工的腦海中，每個員工不僅僅會努力干好本職工作，也樂于和其他員工交流配合，樂于接受監督，人因失誤自然會大大減少。

組織結構是組織內部分工與協調的基本形式。組織結構是否有效決定了組織內部各要素（目標、協同、人員、責任、職位、關系、信息等）之間的配置效率、協調程度以及組織與所處環境的適應程度，從而影響組織目標能否順利實現。良好的組織結構是保證任務有效完成的最基本的前提條件，對提高工作效率和減少人因失誤有十分重要的意義。

3.1.2完善溝通機制

在數字化控制系統中，操作員在相對比較封閉工作環境中能獲得很多信息，交流的次數反而比原來要少，往往不清楚其他操作員在做什么。由此減少了監督和反饋，增加了人因失誤的可能性，在這種新情況下，需要建立一個更好的溝通機制。

3.1.3加大培訓和教育力度

人員培養是一個基本的也是很重要的過程，特別是在復雜的人機系統中。培訓可使員工具有一定技能和知識，從而能夠安全有效地完成工作。員工需要接受系統培訓，培訓的內容有一般系統知識、安全知識和特殊專業技能等。良好的培訓可以使操作員更加熟練，正確率更高，而且更加自信，這無疑會減少人因失誤的發生。

3.1.4加強監察的力度

監察，是組織和個人能順利達到目標的一個關鍵因素。通常管理者和自己都能起到監護的作用，而數字化后，由于操作員的操作方式的改變，反而失去了原來的監護，由此發生操作失誤。因此，應該建立一個有效的監察機制來加強監督。

3.2人機界面

人機界面是操作員操作和控制設備的主要接口，優良的人機界面能大大降低人機交互的難度，減少操作失誤。人機界面設計的目的，就是最大限度地滿足操作員執行任務時所需要的信息同時又能把操作步驟和界面管理的復雜度降到最低。

3.2.1要按照人因工程來規范化設計

設計之初就要以系統化的、統一的人因工程設計規范來指導界面設計，要確保畫面設計的一致性。設計的目的是為了完成任務，我們可以以任務為導向設計畫面，完成任務需要的信息可以重點描述，和任務不相關的信息可以減少或者忽略。設計的目的也是為了讓操作更舒適，可以根據操作員的操作習慣和生理特性來布局畫面。

3.2.2要有合理的審評方法

要使數字化控制系統的人機界面在使用之前達到要求，必須要進行審評。目前國內這方面的研究還比較少，發展一個能解決表面缺陷還能識別并解決潛在缺陷的方法迫在眉睫。

3.3操作規程

數字化系統的人機交互具體體現在完成任務上，在低負荷的環境下，操作員通常能很好地完成各項任務。只是在緊急狀況下，容易出現失誤。這一部分主要討論的是在緊急情況下操作員應該怎樣完成任務。

3.3.1規程設計

操作程序設計得太復雜和難理解是導致失誤的重要原因之一。操作規程應該符合我國操作員的認知習慣。因為規程都是在計算機頁面上操作，所以在設計頁面的時候就要使有些判斷智能化，結構層次化，要素集成化。盡量減少操作員的思維負擔及操作步驟。這在應急情況下尤為重要。

3.3.2規程量化

關于核電廠應急操作規程復雜度評估方法的研究，在國際上是一個比較前沿的方向。Park，Jung和Ha（2001）借鑒了度量軟件復雜度的方法，提出了基于熵值法的步驟復雜度的概念，用來測量核電站應急規程步驟的復雜度。相關研交對電廠應急操作規程的使用和編寫具有實際的指導作用，也能成為操作員的培訓時間安排的依據。

4.總結

關于數字化控制系統人機交互的研究目前還是個比較新穎的領域，操作員在主控室為了完成任務進行的每個步驟都可以說是人機交互。本文分析了數字化控制系統與傳統模擬控制系統的區別，總結了數字化控制系統下人機交互的特征，總結起來三個因素：操作員因素，人機界面因素和任務因素。本文還提出了一些解決策略：第一，從組織層面上加強管理，包括完善組織結構、加強組織文化建設、加強教育、完善溝通機制以及及時監督等。第二，設計良好的人機界面，包括按照人因工程的要求規范化界面設計，以及建立合理的評審機制。第三，盡量把規程設計的簡單易懂易操作。