Investigation of V&V for Human Factors Engineering Integrated System in Advanced Control Room of Nuclear Power Plant

馮　燕1　李　亮1　范　瑾2　張云波1　董曉璐1

(環(huán)境保護部核與輻射安全中心1，北京　100082；中國核電工程有限公司2，北京　100840)

核電廠先進控制室人因工程集成系統(tǒng)確認的探討

Investigation of V&V for Human Factors Engineering Integrated System in Advanced Control Room of Nuclear Power Plant

馮燕1李亮1范瑾2張云波1董曉璐1

(環(huán)境保護部核與輻射安全中心1，北京100082；中國核電工程有限公司2，北京100840)

摘要：核電廠先進控制室是人機接口最為集中的地方，運行人員在控制室通過人機接口對整個電廠進行監(jiān)控，以保證電廠安全可靠運行?；诖?，需對控制室進行驗證和確認以滿足性能要求。主要給出了控制室驗證和確認的五項活動，重點介紹了人因工程集成系統(tǒng)確認的評價準則和效能測量，概述了電廠進行集成系統(tǒng)確認中出現(xiàn)的問題，為核電廠先進控制室人因工程集成系統(tǒng)確認活動提供了參考和依據(jù)。

關(guān)鍵詞：驗證和確認人因工程集成系統(tǒng)確認效能測量

Abstract：Advanced control room in nuclear power plant is the most concentrated place of man system interfaces (HIS). Operators monitor entire power plant through man machine interfaces in control room to guarantee safety and reliable operation of the plant. Thus, verification and validation (V&V) is necessary to be conducted for control room to satisfy performance requirements. Five major activities of V&V for control room are provided, and the evaluation criteria and effectiveness measurement for human factors engineering integrated system are emphasized. The problems in carrying out validation of integrated system of power plant are described. This provides reference and basis for validation activities of human factors engineering integrated system in advanced control room.

Keywords：Verification and validation (V&V)Human factor engineeringIntegrated system validationEffectiveness measurement

0引言

核電以其使用原料少、清潔無污染的特點優(yōu)于其他電力資源。這些已經(jīng)投入運行或者即將建設(shè)的核電站能否長期安全、穩(wěn)定、可靠運行成了國際社會、政府和公眾日益關(guān)注的問題。特別是美國三哩島事故和前蘇聯(lián)切爾諾貝利事故以后，公眾對核電站的安全性提出了疑慮。美國核管會(NRC)在三哩島事故后要求各核設(shè)施增設(shè)人因工程審查，對于設(shè)計中或在建的核電站，NRC要求在初步安全分析、最終安全分析和現(xiàn)場監(jiān)查三個階段進行審查。

我國核安全局也提出了類似要求，HAF102規(guī)定：“必須在設(shè)計過程初期就系統(tǒng)地考慮人為因素和人機接口，并貫徹于設(shè)計全過程”，“在適當階段必須對人為因素進行驗證和確認，以證實設(shè)計完全適合操縱員所有必要的操作”。本文吸取了NUREG 0711、EJ/T 1118和其他國內(nèi)外相關(guān)標準法規(guī)，以及具體的電廠審評經(jīng)驗，詳細闡述了控制室人因工程驗證和確認(verification and validation，V&V)的活動范圍、集成系統(tǒng)確認(integrated system validation，ISV)的評價要素及準則，分析了國內(nèi)電廠進行集成系統(tǒng)確認(ISV)試驗時出現(xiàn)的一些問題，為試驗活動提供了參考和依據(jù)。

1核電廠人因工程驗證和確認

人因工程驗證和確認用于全面評估設(shè)計是否符合人因工程設(shè)計原則，以及核電廠人員執(zhí)行其任務(wù)是否能達到電廠安全和其他運行目標。人因驗證和確認活動包括以下五項[1]。

(1) 運行工況取樣：制定適當?shù)娜硬呗詠磉x擇有代表性的運行工況和人員任務(wù)進行驗證和確認。

(2) 人機接口任務(wù)支持驗證：驗證人機接口提供了所有支持核電廠人員任務(wù)必要的報警、顯示和控制。

(3) 人因工程設(shè)計驗證：驗證人機接口設(shè)計符合人因工程導(dǎo)則，即驗證人機接口的所有方面(如控制、顯示、規(guī)程等)與認可的人因工程導(dǎo)則、標準和原則的一致性。

(4) 集成系統(tǒng)確認：確認運行人員能夠在所有性能/效能要求內(nèi)利用集成系統(tǒng)設(shè)計(包括硬件、軟件和人員要素)保證核電廠安全運行。

(5) 人因工程偏差(human factor engineering deviation，HED)解決：對任務(wù)支持驗證、設(shè)計驗證和集成系統(tǒng)確認過程中確定的偏差進行有效的管理、跟蹤和解決。

圖1為核電廠先進控制室人因工程V&V活動的總貌。

圖1　核電廠先進控制室人因工程V&V活動總貌

通過制定適當?shù)娜硬呗?，選擇有代表性的運行工況和人員任務(wù)。運行工況取樣過程是開展人因V&V活動的基礎(chǔ)和前提。其目標是保證確定的樣本具有以下特性：①包括了電廠運行期間可能遇到的有代表性的事件范圍；②反映了對系統(tǒng)性能變化有影響的特性；③考慮了人機接口的安全重要性。

2集成系統(tǒng)確認

集成系統(tǒng)確認試驗根據(jù)運行工況取樣的結(jié)果，采用一組有代表性的試驗場景，對人機接口、規(guī)程、培訓(xùn)和控制室人員配備的充分性進行驗證。集成系統(tǒng)確認試驗須在高度逼真、接近全范圍的培訓(xùn)模擬機上由操縱員進行。

2.1　評價要素與準則

基于對ISV相關(guān)標準的分析[2-3]和審評經(jīng)驗，形成了以下幾方面的ISV評價要素與準則。

(1) 驗證團隊：驗證團隊獨立完成ISV試驗，驗證團隊的成員應(yīng)當獨立于設(shè)計團隊的成員，沒有設(shè)計職責(zé)，不隸屬于設(shè)計團隊。

(2) 試驗對象：集成系統(tǒng)是試驗的對象，需要驗證和確認操縱員為了能夠安全地控制和操作核電廠所提供的支持程度。

(3) 試驗平臺：集成系統(tǒng)確認將使用特定的、高度逼真的、接近全范圍的模擬機設(shè)施。模擬機應(yīng)具有接口完整、實體接口逼真、功能接口逼真、環(huán)境真實、數(shù)據(jù)完整、數(shù)據(jù)內(nèi)容真實、數(shù)據(jù)動態(tài)性逼真的特點。

(4) 被測試人員[4]：被測試人員應(yīng)能代表人機接口的實際用戶(比如操縱員，而不是培訓(xùn)教員或其他工程師)和充分考慮人員多樣性。選用人員時，應(yīng)考慮最小人員配備、正常人員配備和最大人員配備，應(yīng)避免選擇帶有偏好的測試人員。

(5) 效能測量：應(yīng)包括電廠效能測量、人員任務(wù)測量、情境意識、認知負荷、人體測量與生理因素。合適的考察變量的確定也很重要，如時間、準確性、頻率、失誤、所用的假設(shè)條件數(shù)量、參與人員的主觀意識、觀察人員的觀察結(jié)果等。

(6) 試驗設(shè)計：涉及試驗程序、場景排序、驗證人員培訓(xùn)、被測試人員培訓(xùn)和引導(dǎo)測試。

(7) 數(shù)據(jù)分析與HED識別：針對試驗數(shù)據(jù)，采用定量和定性的分析方法，體現(xiàn)試驗數(shù)據(jù)與效能準則間的關(guān)系。先獨立分析采用不同方法測試所獲得的數(shù)據(jù)，然后再進行集中評估。設(shè)計的缺陷可通過分析數(shù)據(jù)來發(fā)現(xiàn)，若僅僅依靠數(shù)據(jù)無法做出判斷時，則需要運用經(jīng)驗，通過專家判斷的方法來確定結(jié)果。若觀察到不能滿足效能準則時，應(yīng)確定HED，并分析解決HED。

(8) 確認結(jié)論：確認報告中應(yīng)記錄基于統(tǒng)計分析、邏輯分析得出的結(jié)論，報告還應(yīng)記錄確認試驗的局限性，以及對確認的影響和對實現(xiàn)設(shè)計的影響。

2.2　效能測量

由于集成系統(tǒng)效能的安全概念是多維度的，因此效能測量盡量是綜合層次結(jié)構(gòu)。效能測量需重點關(guān)注以下內(nèi)容：①影響效能測量質(zhì)量的測量特性；②確定和選擇代表效能測量的變量；③開發(fā)效能標準。

2.2.1測量特性

當選擇或開發(fā)效能測量時需考慮以下11個測量特性[2]：①構(gòu)建的有效性；②可靠性；③詳盡程度；④靈敏性；⑤易診斷性；⑥簡單化；⑦客觀性；⑧公正性；⑨非侵入性；⑩可接受性；易實施。

2.2.2變量選擇

(1) 電廠效能測量：應(yīng)包括對功能、系統(tǒng)、部件和人機接口等部分的審查。試驗可以直接獲得過程參數(shù)的正確數(shù)據(jù)，因此可以對電廠效能進行客觀評價[5]。

(2) 人員任務(wù)測量：可作為電廠效能測量的補充。在電廠的效能仍處于可接受的范圍時，許多隱性問題仍可以從一些情況中反映出來，比如對操縱員不必要的要求，或者非最優(yōu)的決策過程。對人員任務(wù)測量可以從多個方面來構(gòu)建，如任務(wù)類型和識別方法。

(3) 情境意識測量：可分為基于效能的測量、主觀打分測量、生理測量和仿真。其方法舉例如表1所示。

表1　情景意識的測量技術(shù)

(4) 認知負荷測量：認知負荷對人員效能與失誤的發(fā)生有重要影響。如果認知負荷超出了操縱員的能力極限，人員效能將會下降，失誤也很可能會發(fā)生。認知負荷的評審技術(shù)可以分為預(yù)測性技術(shù)與經(jīng)驗性技術(shù)兩大類。預(yù)測性技術(shù)是基于數(shù)學(xué)模型、任務(wù)分析、仿真模型以及專家觀點的；而經(jīng)驗性技術(shù)是基于試驗的，可分為三大類：基于效能的方法、主觀打分的方法以及生理測量方法，具體舉例如表2所示。

表2　認知負荷評審的經(jīng)驗性技術(shù)

(5) 團隊協(xié)作測量：對于團隊協(xié)作過程的測量，可以采用觀測量表、專家評級、內(nèi)容分析以及原始記錄分析等方法；而對于團隊協(xié)作的結(jié)果(輸出)的評價，可采用觀測量表、專家評級、關(guān)鍵事件處理法以及自動化性能記錄等方法[8]。

(6) 人體測量及生理因素：人體測量及生理因素包括指示(視覺及聽覺的)的可見性和可聽性、控制裝置的可達性及易操作性、設(shè)備設(shè)計與布置的合理性等。由于許多相關(guān)問題在前期的設(shè)計過程中已經(jīng)被評價和處理過，因此這里需要重視那些僅在集成系統(tǒng)測試中才能體現(xiàn)出來的方面，例如人員有效使用各種控制裝置、顯示器、工作站或控制臺的綜合能力。

2.2.3效能標準

效能測量只能描述效能，而不能評價效能。測量目的是為了得出結(jié)論，相關(guān)系統(tǒng)是有效的，可有效支持操縱員交互并維護電廠安全。

3集成系統(tǒng)確認的審評

從集成系統(tǒng)確認試驗的試驗計劃和結(jié)果報告以及現(xiàn)場觀察試驗中，發(fā)現(xiàn)目前國內(nèi)核電廠的集成系統(tǒng)確認試驗主要存在以下問題：①確認團隊獨立性無法保證，專業(yè)人員數(shù)量過少；②部分場景設(shè)置不盡合理，場景排序不滿足標準要求；③對測量、計算分析方法和評價指標不能充分說明；④某些HED分析和處理不準確。

4結(jié)束語

在核電廠正式運行之前，主控制室的人因工程設(shè)計必須經(jīng)過驗證和確認，以保證達到設(shè)計的要求，且能夠在實際工作中支持核電廠的安全運行。為了保證核電廠的可靠性，采用集成系統(tǒng)確認的方法，從規(guī)程、控制室人機接口、人員職責(zé)等方面來評價集成系統(tǒng)設(shè)計是否滿足相應(yīng)的功能要求。本項目介紹了核電廠控制室人因工程V&V活動，以及ISV的評價要素和效能測量，同時分析總結(jié)了目前ISV存在的主要問題，為后續(xù)核電廠的ISV活動提供了有價值的參考。

參考文獻

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中圖分類號：TH7；TL362+.7

文獻標志碼：A

DOI:10.16086/j.cnki.issn1000-0380.201507011

國家科技重大專項基金資助項目(編號：2011ZX06002-010)。

修改稿收到日期：2015-01-25。

第一作者馮燕(1978-)，女，2005年畢業(yè)于清華大學(xué)核科學(xué)與技術(shù)專業(yè)，獲碩士學(xué)位，高級工程師；主要從事核電廠人因工程、儀控系統(tǒng)等的研究。