紙質規程下數字化核電廠界面管理任務研究

劉德懿, 趙 明, 易燦南, 羅 洋, 徐 潔

(1.中核核電運行管理有限公司,浙江 嘉興 314300;2.湖南工學院,湖南 衡陽 421001)

0 引言

核電廠數字化后,主控室中盤臺、信號燈、開關、按鈕、儀表盤等集成于計算機顯示界面[1],操縱員通過計算機屏幕監視電廠狀況,利用鼠標、鍵盤等進行控制。數字化使信息處理更加便捷與靈活,但是由于巨量的信息顯示在有限的計算機屏幕上,操縱員需要在計算機屏幕上從大量的界面中尋找目標界面和目標信息,需要執行大量的界面管理任務(如導航、配置和畫面調整等)才能完成主任務(如電廠狀態監控、評估和控制)[2]?，F有研究顯示,核電廠數字化帶來巨量的信息和有限的顯示之間的矛盾[2],對操縱員作業模式及認知行為產生影響[3],人因失誤的可能性變大[4-5]。

在核電廠中,操縱員基于規程執行監視、評估與控制任務。數字化核電廠中,規程一般包括紙質規程和數字化規程2類[6]。紙質規程指規程以紙質方式呈現;數字化規程指規程以電子方式呈現。根據自動化水平,數字化規程可分為3類:電子規程、基于計算機的規程和基于規程的自動化[3]。電子規程是指在計算機屏幕上呈現圖像和文字,能提供最基本的支持;基于計算機的規程可自動檢索和顯示完成當前規程所需的具體信息等;基于規程的自動化是指在操縱員授權的情況下,系統根據規程自動執行相關決策和操作。國內核電廠數字化進程不一,還存在大量基于紙質規程的數字化核電廠,例如方家山數字化核電廠。在這些核電廠中,操縱員基于紙質規程進行日常監視與操縱任務,其界面管理任務可能與基于數字化規程的數字化核電廠存在差異。

基于此,本文探究紙質規程下數字化控制系統中操縱員界面管理任務特征,歸納界面管理任務類型,分析不同運行工況下操縱員界面管理行為,為電廠安全運行提供支持。

1 紙質規程下數字化核電廠界面管理任務

美國核管理委員會文件NUREG/CR-6690《The effects of interface management tasks on crew performance and safety in complex computer-based systems》將界面管理任務分為5類:配置、導航、畫面調整、查詢/質問、自動化[2]。國內劉素娟[7]、顧玲玲等[8]、張力等[9]、戴立操等[10-11]以及蔣建軍等[12-13]在其各自研究中對核電廠界面管理任務進行相關解釋。其中,僅張力等[9]和戴立操等[10-11]對核電界面管理任務進行具體界定。張力等[9]基于任務分類法將基于數字化狀態導向規程的數字化核電廠界面管理行為歸為3層10類。10類界面管理任務分別為:導航、選擇進入主/子規程、打勾、選擇監視目標、打開參數界面、畫面調整、選擇數字、選擇模式、選擇屏幕和操作菜單欄。其中,選擇進入主/子規程指操縱員根據DOS規程進行事故診斷;打勾指在電子規程中確認任務執行;畫面調整指操縱員拖曳畫面至合適位置以進行參數調整;操作菜單欄指操縱員在菜單欄上進入相應畫面[9]。戴立操等[10]對調整G棒組棒位的任務進行分析,統計任務執行過程中界面管理任務和主任務的數量,但沒有對界面管理任務進行細分。戴立操等[11]梳理核電廠一回路失水事故下的界面管理任務和主任務的知識表征,但沒有對界面管理任務進行分類。

國外Lee、Kim和Choi等圍繞核電廠界面管理任務進行相關研究[4,14-16]。Kim等[14]將界面管理任務分為:屏幕切換、打開/關閉界面、按鍵確認。Lee等[15]將界面管理任務分為:基于規程的操作、屏幕導航、控件選擇和操作執行。在另外一篇文獻中,Lee等[4]將界面管理任務分為:打開/關閉控制面板、按下通知按鈕和屏幕切換等。Choi等[16]則將界面管理任務分為2大類——導航和認知,導航包括屏幕切換、彈窗打開和窗口關閉3類,認知包括操作完成確認、操作指引完成確認、查詢與確認警報以及模式切換4類。

以上文獻中,張力等[9]對基于數字化狀態導向規程的數字化核電廠界面管理任務進行較為具體的分類,其中,“選擇進入主/子規程”和“打勾”僅適應于數字化規程,且10個分類中沒有包含NUREG/CR-6690提出的“自動化”分類。在其他文獻中,例如戴立操等[10-11]沒有給出界面管理任務的具體分類,Lee、Kim和Choi等[4,14-16]的分類不夠全面,在實際操作中還存在一些其他界面之間的點擊行為,也沒有包含“自動化”分類。在數字化核電廠中,一般提供啟動捷徑以實現快速定位特殊模塊或功能,因此,在分類中應包含此類行為以探究操縱員啟動捷徑的使用情況,為數字化核電廠界面設計提供理論支持。

綜上,現有文獻中關于界面管理任務的分類均不適用于基于紙質規程的數字化核電廠界面管理任務。為系統、全面地分析基于紙質規程的數字化核電廠操縱員界面操縱行為的特征,基于現有界面管理任務相關文獻[2,4,7-16],結合數字化核電廠操縱員計算機界面點擊行為特征,歸納并總結主任務和界面管理任務,最終界定5類12條界面管理任務,見表1-2。

表1 數字化核電廠主任務分類及示例

2 實例分析

2.1 場景

某班組在CP1000核電廠全范圍模擬機上進行復訓,參與復訓的是執照1年以上操縱員,復訓進程,如圖1。

圖1 復訓進程

2.2 視頻獲取和數據分析方法

在復訓觀察室錄制反應堆操縱員(reactor operator,RO)和汽輪機操縱員(turbine operator,TO)界面操縱行為的視頻,將視頻導入INTERACT 9軟件(Mangold@,德國)進行分析,基于表1和表2對界面管理任務和主任務進行編碼和分類統計。

表2 數字化核電廠界面管理任務分類及示例

2.3 數據結果與討論

RO和TO復訓期間,界面管理任務和主任務執行次數,見表3-4。

表3 某復訓班組RO界面管理任務分類和主任務數據統計

表4 某復訓班組TO界面管理任務分類和主任務數據統計

2.3.1 界面管理任務與主任務關系

從表3-4可以看出,RO和TO界面管理任務次數均多于主任務:RO界面管理任務和主任務的次數分別為486和215,各占69.3%和30.7%;TO界面管理任務和主任務的次數分別為345和74,各占82.3%和17.7%。正常運行工況下,RO和TO界面管理任務占總任務次數均超75%;事故運行工況下,RO和TO界面管理任務均超81%。一些文獻對不同運行工況、不同回路操縱員的界面管理任務和主任務次數進行統計[4,10,15-16],見表5,以對比分析不同文獻中界面管理任務的差異。

(1)不同規程類型下,界面管理任務和主任務數量未見顯著差異。這可能是因為各電廠采用的界面設計不同。

(2)不同界面管理任務分類下,RO和TO界面管理任務占比出現一致性,且均為界面管理任務占比大于主任務。說明核電廠數字化后,無論是采用紙質規程還是數字化規程,界面管理任務均多于主任務。

(3)相同操縱任務下,不同操縱員界面管理任務與主任務次數可能存在差異,例如,Choi等[16]與Lee等[15]的研究中,蒸汽發生器傳熱管破裂事故下RO和TO的界面管理任務占比差異較小。然而,Lee等[15]的研究中,蒸汽發生器傳熱管破裂事故下第1和第2次實驗中的數據存在較大差異。這可能與傳熱管破裂程度以及操縱員事故控制進程有關,在復訓過程中,建議增加操縱員界面管理任務方面的人因觀察與分析,從而優化界面設計,降低由界面管理任務帶來的工作負荷,減少人因失誤。

2.3.2 RO和TO界面管理任務比較

本次復訓中,RO界面管理任務總次數(486次)大于TO(345次)(見表3-4),與戴立操等[10]、Choi等[16]、Lee等[4,15]的研究結果一致。正常運行工況下,本次復訓RO界面管理任務占比大于戴立操等[10]研究中的情況(見表5),可能與本次復訓正常工況設定有關,0—30min為停堆狀態,可能需要進行更多不同界面上不同設備參數的監控。表5中匯總了8個事故運行工況下RO和TO界面管理任務的占比情況,50%的RO界面管理任務占比超過80%,50%的TO界面管理任務占比超過69%。由此可見,RO需要執行更多的界面管理任務才能實現對一回路的監視、評估與控制,工作負荷更大。

本次復訓中,正常運行工況、故障處理工況和事故運行工況下,RO界面管理任務各占77.3%,58.2%和81.8%;TO相應數據為75.9%,87.3%和84.6%。事故運行工況下RO和TO界面管理任務占比均高于正常運行工況,占據更多注意力資源。

2.3.3 界面管理任務分類特征

(1)畫面調整次數最少,RO和TO畫面調整次數分別為5和14次(見表3-4)。此數據小于張力等[9]研究中畫面調整數量(RO為85次,TO為112次)。數據的差異可能與畫面布局以及功能分配有關,本次復訓中大部分彈窗固定顯示于屏幕右側區域,大大減少了畫面調整次數。

(2)配置次數較少,RO和TO配置次數分別為9和23次(見表3-4)。在此次復訓中,操縱員較多通過歷史導航方式進入目標界面,例如,控件“上一個”和“最近的”等,從而減少配置次數。

(3)導航次數最多,RO和TO導航次數分別為247和205次(見表3-4),占各自界面管理任務的50.8%和59.4%。導航次數多于張力等[9]的研究,這與數字化控制系統界面設計有關,張力等[9]的研究中是數字化規程,較多通過規程進入,因此導航次數相對較少。在紙質規程下的數字化核電廠,建議優化導航方式,以減少導航次數。

(4)查詢/質問較多,RO和TO查詢/質問次數分別為204和77次(見表3-4),占各自界面管理任務的42.0%和22.3%。本次復訓中,操縱員較多點擊數字、設備(如閥門、信號燈)等子界面以查看其狀態信息?？煽紤]將重點信息呈現于設備/設施旁,以減少查詢/質問次數。

此外,本次復訓中主控室有較多的啟動捷徑,RO和TO自動化次數分別占各自界面管理任務的4.3%和3.8%。正常運行工況、故障處理工況和事故運行工況下,RO自動化次數占比差異不大,分別為4.5%、4.6%和3.8%;TO差異較大,分別為3.3%、6.5%和14.7%。事故工況下,TO較多通過啟動捷徑這種方式,提高了效率。

3 結論

(1)基于NUREG/CR-6690中關于界面管理任務的定義和劃分,對紙質規程下數字化核電廠界面管理任務分類進行梳理,界定5類12條界面管理任務。該分類可為數字化核電廠主控室操縱員監視與操控行為分析提供參考。

(2)數字化規程和紙質規程核電廠中,界面管理任務占比未見顯著差異,且RO和TO界面管理任務均多于主任務。某數字化核電廠復訓實例中,RO和TO界面管理任務分別占各自任務總數的69.3%和82.3%。界面管理任務較多,應特別注意其給主任務執行帶來的影響。正常運行工況和事故運行工況下,RO和TO界面管理任務均分別在76%和82%左右。在事故運行工況下界面管理任務占據較多注意力資源,工作負荷較大。

(3)RO界面管理任務次數多于TO,工作負荷更大。本次復訓中RO界面管理任務占總任務的69.3%,其中導航和查詢/質問次數最多,占界面管理任務的50.8%和42.0%。

(4)基于紙質規程的數字化核電廠中,建議優化界面布局以減少畫面調整和配置這2種界面管理任務行為,在實際中可以借鑒實例中的設計方式,以有效降低界面管理任務次數;合理設計啟動捷徑,操縱員通過該途徑快速進入集成功能界面,提高監視和操縱效率;建議界面設計時優化導航方式以及設備/設施重點信息顯示,以降低導航、查詢/質問這2種界面管理任務行為的次數。

致謝

在本研究進行過程中,胡鴻、吳文、程陽、古清元和復訓中心教員參與方家山界面管理任務界定,復訓中心教員幫助記錄故障插入時刻以及確定各階段設備器件故障情況,程陽、古清元、羅尚萱和張資靜為實例分析做出貢獻。