張 力，劉雪陽，鄒衍華，洪 俊，吳斯揚

(1.南華大學(xué) 核科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，湖南 衡陽 421001；2.湖南工學(xué)院 人因與安全工程研究院，湖南 衡陽 421002)

“十三五”電力發(fā)展規(guī)劃明確提出核電廠要增強(qiáng)調(diào)峰能力建設(shè)，提升負(fù)荷側(cè)響應(yīng)水平。傳統(tǒng)上核電機(jī)組是不參與電網(wǎng)調(diào)峰的，因為調(diào)峰要頻繁升降反應(yīng)堆功率，這將導(dǎo)致反應(yīng)堆系統(tǒng)熱工水力狀況波動，甚至失穩(wěn)，進(jìn)而可能影響核電機(jī)組性能和安全性[1]。核電參與電網(wǎng)調(diào)峰運行的一個顯著特征是功率持續(xù)快速變化，在該過程中為了維持電廠系統(tǒng)穩(wěn)定運行，主控室操縱員需執(zhí)行一系列持續(xù)快速變化的操作任務(wù)，即操縱員需在一段時間內(nèi)持續(xù)執(zhí)行操作時間窗口小、操作強(qiáng)度大、操作情況復(fù)雜和變化快、操作失誤后果嚴(yán)重的操作任務(wù)，該類任務(wù)具有時間緊迫、失誤率高和后果嚴(yán)重等特點。如：當(dāng)核電廠參與電網(wǎng)調(diào)峰，電網(wǎng)負(fù)荷峰谷差導(dǎo)致電網(wǎng)目標(biāo)頻率變化時，操縱員需在規(guī)定時間內(nèi)頻繁地調(diào)節(jié)核反應(yīng)堆輸出功率來響應(yīng)電網(wǎng)目標(biāo)頻率變化，而此種情況下規(guī)定的時間窗口遠(yuǎn)小于正常啟停堆操作的時間窗口，相應(yīng)的反應(yīng)堆功率的升降速率也更快，反應(yīng)性控制難度更大。為維持此時反應(yīng)堆的穩(wěn)定性，操縱員就需在短時間內(nèi)執(zhí)行大量的操作來實現(xiàn)對多目標(biāo)、多參數(shù)的監(jiān)控，并頻繁執(zhí)行界面管理任務(wù)來及時獲取有效信息和電廠狀態(tài)參數(shù)[2]。頻繁升降功率使核電廠操縱員對機(jī)組控制變得非常困難，相較于基本負(fù)荷運行這將大幅增加負(fù)荷變化過程中跳機(jī)、跳堆的風(fēng)險[3]。如核電廠啟停堆階段的人因失誤比基荷運行階段比例高得多，切爾諾貝利核電廠事故也正是在一項定期實驗升降功率過程中引發(fā)的[4]。因此有必要研究操作任務(wù)持續(xù)快速變化背景下操縱員的認(rèn)知行為過程，建立認(rèn)知模型，以在一般性意義上深入認(rèn)知過程內(nèi)部，加深理解人因失誤機(jī)制，從而在更深層次上分析人因失誤產(chǎn)生機(jī)理，避免和減少操作任務(wù)持續(xù)快速變化背景下操縱員人因事件的發(fā)生。

本文基于核電廠參與電網(wǎng)調(diào)峰背景下主控室操縱員操作任務(wù)的任務(wù)特性，結(jié)合認(rèn)知心理學(xué)、行為科學(xué)、人因工程等理論方法，通過文獻(xiàn)調(diào)研、操縱員訪談及現(xiàn)場觀察來研究操作任務(wù)持續(xù)快速變化背景下操縱員的認(rèn)知行為過程，為識別操作任務(wù)持續(xù)快速變化背景下操縱員的認(rèn)知行為特征打下基礎(chǔ)，進(jìn)而為建立或改進(jìn)操作任務(wù)持續(xù)快速變化背景下人因可靠性分析(HRA, human reliability analysis)方法服務(wù)。

1 調(diào)峰背景下主控室操縱員操作任務(wù)特性

為研究操作任務(wù)持續(xù)快速變化背景下操縱員的認(rèn)知行為過程，本文首先分析調(diào)峰背景下主控室操縱員操作任務(wù)特性和相關(guān)的行為形成因子(PSF, performance shaping factor)，對比與常規(guī)工況下操作任務(wù)的差異。

核電廠參與電網(wǎng)調(diào)峰后會頻繁進(jìn)行升降功率操作，相對于常規(guī)工況下的操作任務(wù)，其在操作任務(wù)類型、操作方式、PSF、工作負(fù)荷和工作模式等方面都發(fā)生變化。

1) 操作任務(wù)更復(fù)雜，操作時間窗口小

功率持續(xù)快速變化是核電廠參與電網(wǎng)調(diào)峰運行的一個顯著特征，此種情況下的升降功率操作對操縱員要求更高，要在短時間內(nèi)，以30～50 MW/min的速率升降功率[5]。在此過程中，需要操縱員同時監(jiān)視多種不同操作界面的參數(shù)，獲取實時系統(tǒng)參數(shù)，操縱員還需執(zhí)行打開設(shè)備操作窗口、點擊操作指令、確認(rèn)操作指令、執(zhí)行操作指令、關(guān)閉操作窗口等一系列操作任務(wù)，以維持系統(tǒng)在規(guī)定范圍內(nèi)運行。

常規(guī)工況下，操縱員進(jìn)行啟停堆操作時，主要通過硼酸來調(diào)節(jié)反應(yīng)堆升降功率速率；而在調(diào)峰操作過程中，操縱員主要通過控制棒來調(diào)節(jié)反應(yīng)堆升降功率速率[6]。調(diào)節(jié)硼酸濃度和控制棒相比反應(yīng)更緩慢，但穩(wěn)定性更好。進(jìn)行控制棒調(diào)節(jié)時，升降功率速率快，反應(yīng)性波動大，操縱員所需監(jiān)視的參數(shù)增多，導(dǎo)致調(diào)峰操作任務(wù)更復(fù)雜，操作的時間窗口也大為減小。

2) 操縱員操作方式的變化

在常規(guī)工況下，操縱員進(jìn)行操作時只需按照操作計劃，找到對應(yīng)的操作規(guī)程進(jìn)行操作。當(dāng)核電廠參與電網(wǎng)調(diào)峰后，遇到突發(fā)性調(diào)峰任務(wù)時，主控室操縱班組中值長需根據(jù)實際情況臨時制定調(diào)峰的操作策略，而不再按原有計劃進(jìn)行操作，這導(dǎo)致操縱員操作方式發(fā)生變化。

3) PSF增多

執(zhí)行調(diào)峰任務(wù)的操縱員行為一般分為監(jiān)測和察覺、理解和感知、決策、執(zhí)行及團(tuán)隊協(xié)作5個部分[7]，除HRA中常規(guī)的人機(jī)界面、運行規(guī)程、操作經(jīng)驗、心理壓力等PSF外，還識別出了團(tuán)隊有效性、可用時間、執(zhí)行難度及資源4個PSF對操縱員執(zhí)行調(diào)峰任務(wù)的制約和影響。

4) 工作負(fù)荷變化

在工作負(fù)荷方面，核電廠參與電網(wǎng)調(diào)峰初期，相比于常規(guī)工況，操縱員進(jìn)行反應(yīng)堆啟動或停堆，由于時間壓力的增大，導(dǎo)致操縱員心理負(fù)荷大幅度增加，且體力負(fù)荷也由于頻繁升降功率而增加[8]；核電廠參與電網(wǎng)調(diào)峰中后期，由于操縱員對調(diào)峰任務(wù)熟悉程度增加，時間壓力對操縱員影響降低，操縱員的心理負(fù)荷將會大幅減少，但體力負(fù)荷和初期相比變化不大。

5) 工作模式的變化

根據(jù)核電廠現(xiàn)場調(diào)研及操縱員訪談可知，核電廠參與電網(wǎng)調(diào)峰后，遇到突發(fā)性的調(diào)峰任務(wù)，不再是由單一操縱員決策，而是由整個主控室操縱班組集體討論，最終由當(dāng)班值長給出決策，確定選擇哪種方案來進(jìn)行調(diào)峰操作以應(yīng)對電網(wǎng)調(diào)峰要求，操縱員再按照選定的方案進(jìn)行對應(yīng)的操作。

2 HRA方法中的認(rèn)知模型

HRA方法起源于20世紀(jì)60年代，大部分HRA技術(shù)都是在20世紀(jì)80年代中期以后才得以開發(fā)和應(yīng)用，傳統(tǒng)上HRA方法被劃分為第1代、第2代[9]，以及基于仿真技術(shù)開發(fā)的動態(tài)HRA方法或被稱為新一代(第3代)HRA方法[10]。隨著認(rèn)知心理學(xué)和行為科學(xué)等相關(guān)學(xué)科的發(fā)展，HRA研究的重點已從人因失誤率計算轉(zhuǎn)到人因失誤全過程的探索，包括人因失誤辨識、人因失誤機(jī)理、人因失誤概率計算、人因失誤風(fēng)險分析及如何降低人因失誤。人因失誤機(jī)理的解釋是HRA方法的重點和難點，目前的研究是圍繞認(rèn)知模型展開的。

2.1 技能、規(guī)則和知識框架模型

第1代HRA方法中唯一考慮了認(rèn)知行為的是人認(rèn)知可靠性模型(HCR, human cognitive reliability)[11]，其采用基于技能、規(guī)則和知識(SRK, skill-based, rule-based, knowledge-based)框架[12]作為認(rèn)知模型框架，用來處理事故后操縱員診斷方面的人因可靠性問題。該框架將認(rèn)知過程分為3種基本模式：技能型、規(guī)則型及知識型。但SRK框架僅局限于對技能型、規(guī)則型及知識型3種模式的區(qū)分，沒有對認(rèn)知水平不同的情況進(jìn)行探討，且針對操作任務(wù)持續(xù)快速變化的情景不能很好地解釋該過程，也沒有包含團(tuán)隊協(xié)作這一過程。

2.2 信息處理模型

信息處理模型用4個階段(監(jiān)控/探測、環(huán)境感知、計劃及實現(xiàn))來表示人的認(rèn)知過程，每一階段的功能與前面一部分的信息處理模型基本相同[13]。該模型和SRK框架模型相同，強(qiáng)調(diào)的是單個操縱員的認(rèn)知模型，而操作任務(wù)持續(xù)快速變化下，還需考慮團(tuán)隊的認(rèn)知過程，最終的操作方案是由團(tuán)隊協(xié)作商議出的。

2.3 情境控制模型

情境控制模型(COCOM，contextual control model)是由Hollnagel[14]于1998年提出的。COCOM指出，認(rèn)知不能單一是對輸入的信號做出被動的響應(yīng)，而是一個連續(xù)且能對原目標(biāo)和意圖進(jìn)行不斷主動修正的過程，如圖1所示。COCOM主要針對個體，而對團(tuán)隊協(xié)作因素考慮不足。

圖1 情境控制模型Fig.1 Contextual control model

2.4 IDA模型

IDA(information, decision and action)模型是由Smidts等[15]提出的，用來描述操縱員在執(zhí)行操作任務(wù)情況下的認(rèn)知過程，模型的結(jié)構(gòu)如圖2所示。該模型包含4個模塊：信息感知、決策、執(zhí)行及心理狀態(tài)。IDA模型解釋了心理狀態(tài)對認(rèn)知過程的影響程度，考慮了在動態(tài)的任務(wù)場景下，心理狀態(tài)與其他認(rèn)知功能的交互作用，能在一定程度上解釋動態(tài)任務(wù)場景下人因失誤的機(jī)理。

圖2 IDA模型Fig.2 IDA model

3 操作任務(wù)持續(xù)快速變化背景下的認(rèn)知行為模型

核電廠參與電網(wǎng)調(diào)峰后會頻繁進(jìn)行升降功率操作，尤其是接到緊急指令需進(jìn)行升降負(fù)荷，就需當(dāng)班值長進(jìn)行團(tuán)隊決策，選擇合適方案進(jìn)行升降功率操作，然后操縱員按照所選定的方案進(jìn)行操作。這一過程和常規(guī)操作有很大區(qū)別，操作任務(wù)更復(fù)雜、操作時間窗口小、操縱員操作方式的變化、工作負(fù)荷變化及工作模式變化將導(dǎo)致操縱員執(zhí)行調(diào)峰操作時發(fā)生人因失誤的概率會高于常規(guī)操作，這些人因失誤不僅可能發(fā)生在操縱員操作的過程，還有可能發(fā)生在值長進(jìn)行團(tuán)隊決策的過程。這將導(dǎo)致以前的認(rèn)知行為過程不再適用于操作任務(wù)持續(xù)快速變化背景，所以要考慮開發(fā)新的認(rèn)知行為過程。

基于核電廠參與電網(wǎng)調(diào)峰后的任務(wù)特性，結(jié)合現(xiàn)場調(diào)研和操縱員、值長訪談，對IDA模型進(jìn)行改進(jìn)，并參考NUREG-2114[7]提出了如圖3所示的操作任務(wù)持續(xù)快速變化背景下的認(rèn)知行為模型。

在核電廠進(jìn)行計劃性調(diào)峰時，主控室操縱員按照操作規(guī)程進(jìn)行操作，該種情況下，團(tuán)隊協(xié)作決策的重要性不明顯，更多的是需要操縱員獨立按照運行規(guī)程進(jìn)行操作。此時，操縱員的認(rèn)知過程可分為4個過程，從監(jiān)視、狀態(tài)評估、響應(yīng)計劃到響應(yīng)執(zhí)行。操縱員通過監(jiān)視對應(yīng)的顯示設(shè)備獲取相關(guān)參數(shù)信息，對所獲得的信息進(jìn)行狀態(tài)評估，分析判斷核電廠系統(tǒng)狀態(tài)是否滿足進(jìn)行調(diào)峰操作的條件，符合進(jìn)入調(diào)峰操作的條件后，按照操作規(guī)程控制設(shè)備進(jìn)行操作。執(zhí)行完操作后，操縱員會繼續(xù)監(jiān)視核電廠系統(tǒng)狀態(tài)，觀察系統(tǒng)參數(shù)狀態(tài)變化，來決定下一步的操作，這又是一完整的認(rèn)知過程，又從監(jiān)視、狀態(tài)評估、響應(yīng)計劃到響應(yīng)執(zhí)行。直到操縱員執(zhí)行完整個調(diào)峰任務(wù)，操縱員的認(rèn)知過程才會停止，不再進(jìn)行循環(huán)。操縱員在執(zhí)行調(diào)峰任務(wù)過程中，每個認(rèn)知過程都會受到心理狀態(tài)的影響，而進(jìn)行每個認(rèn)知過程時反過來也會影響操縱員的心理狀態(tài)，這是一個兩者相互影響的動態(tài)過程，直到操作結(jié)束。

在核電廠遇到突發(fā)性調(diào)峰任務(wù)時，操縱員操作清單上并沒有對應(yīng)的操作規(guī)程，此時就需考慮團(tuán)隊決策，當(dāng)班值長會召集整個主控室內(nèi)當(dāng)班人員進(jìn)行決策，選取進(jìn)行升降功率的最優(yōu)方案，如確定控制棒棒位、棒速及控制棒插入方式等，來完成突發(fā)性調(diào)峰任務(wù)[16]。這一決策過程相當(dāng)重要，如果選擇了不恰當(dāng)?shù)姆绞竭M(jìn)行升降功率，可能對反應(yīng)堆系統(tǒng)產(chǎn)生較大沖擊，加劇反應(yīng)堆壓力容器的輻照脆化和系統(tǒng)某些關(guān)鍵部件的金屬疲勞，影響核電廠安全運行且降低機(jī)組設(shè)備的壽命[17]。所以此過程不應(yīng)只考慮操縱員1個人的認(rèn)知過程，還應(yīng)將團(tuán)隊決策的認(rèn)知過程納入考慮。

圖3 操作任務(wù)持續(xù)快速變化背景下的認(rèn)知行為模型Fig.3 Cognitive behavior model under background of continuous and rapid change of operation task

當(dāng)操縱員對從顯示設(shè)備監(jiān)視到的信息進(jìn)行狀態(tài)評估后，需選擇制定如何進(jìn)行升降功率的計劃來滿足突發(fā)性調(diào)峰任務(wù)，此時團(tuán)隊決策就要介入，團(tuán)隊決策的認(rèn)知過程同樣有4個過程，從檢測和識別、理解和感知、決策到制定計劃，此時需再次對核電廠系統(tǒng)參數(shù)進(jìn)行檢測和識別，對獲取的信息進(jìn)行相應(yīng)的理解和感知，決策出選取哪種方案進(jìn)行升降功率比較合適，然后根據(jù)選擇的方案制定出計劃，告訴操縱員操作計劃，一、二回路操縱員按照計劃響應(yīng)計劃和響應(yīng)執(zhí)行。一直到完成突發(fā)性調(diào)峰任務(wù)，認(rèn)知過程才會停止，不再循環(huán)。突發(fā)性調(diào)峰任務(wù)發(fā)生時，操縱員的每個認(rèn)知過程和心理狀態(tài)相互影響，且在團(tuán)隊決策過程中二者也會相互影響，這種動態(tài)影響過程直到任務(wù)結(jié)束才停止。

4 結(jié)果與討論

核電廠參與電網(wǎng)調(diào)峰后，由于系統(tǒng)運行任務(wù)的轉(zhuǎn)變，導(dǎo)致操縱員的行為模式、工作特征和工作要求等發(fā)生了變化，操作任務(wù)更復(fù)雜，對應(yīng)的操作時間窗口變小，為了維持電廠系統(tǒng)的穩(wěn)定運行，操縱員需在短時間內(nèi)執(zhí)行一系列持續(xù)快速變化的操作任務(wù)來對多目標(biāo)和多參數(shù)進(jìn)行監(jiān)視，在操作過程中，也更強(qiáng)調(diào)團(tuán)隊協(xié)作，需要值長根據(jù)任務(wù)需求的變化及時選取正確的操作方式。在此過程中，操縱員認(rèn)知過程受到的影響更多。而這些與常規(guī)操作不同之處，會導(dǎo)致現(xiàn)行HRA方法中的認(rèn)知模型不能完全在此背景下適用，需開發(fā)針對操作任務(wù)持續(xù)快速變化背景下的認(rèn)知行為模型。

針對操作任務(wù)持續(xù)快速變化背景下的認(rèn)知行為模型，現(xiàn)行HRA方法中的認(rèn)知模型主要存在以下缺陷：1) 對操縱員的認(rèn)知行為研究大多采用靜態(tài)分析技術(shù)，如HRA事件樹和決策樹，這樣的分析技術(shù)無法真實、全面地反映在連續(xù)高強(qiáng)度工作負(fù)荷下操縱員對系統(tǒng)動態(tài)響應(yīng)過程中的認(rèn)知行為變化；2) 分析中無法體現(xiàn)操縱員認(rèn)知行為在頻繁、快速地人-系統(tǒng)交互過程中的動態(tài)演化過程；3) 對團(tuán)隊決策的認(rèn)知過程考慮和處理無法滿足操作任務(wù)持續(xù)快速變化背景下的任務(wù)分析要求(深度不夠，考慮不足)；4) 缺乏相應(yīng)的分析數(shù)據(jù)。

因此，本文提出新的認(rèn)知行為模型，加入團(tuán)隊決策的認(rèn)知過程，考慮操作任務(wù)持續(xù)快速變化背景下的動態(tài)特性，將整個認(rèn)知過程連起來形成一個環(huán)路，不停循環(huán)，直到任務(wù)結(jié)束，而不再是單一地進(jìn)行，且心理狀態(tài)不僅對操縱員的認(rèn)知過程相互影響，還對團(tuán)隊決策過程也相互影響。該模型有以下優(yōu)點。

1) 本文建立的模型符合調(diào)峰任務(wù)這一類持續(xù)快速變化任務(wù)與常規(guī)任務(wù)的不同點：時間窗口小，操作壓力大，持續(xù)變化。該模型能反映高強(qiáng)度工作負(fù)荷下操縱員對系統(tǒng)動態(tài)響應(yīng)過程中的認(rèn)知行為變化。

2) 針對執(zhí)行調(diào)峰任務(wù)這類持續(xù)快速變化任務(wù)時團(tuán)隊決策的重要性，將團(tuán)隊決策這一過程加入到操縱員的認(rèn)知過程中，操縱員執(zhí)行調(diào)峰任務(wù)時不僅受自身和環(huán)境影響還受到團(tuán)隊決策的影響，團(tuán)隊決策影響是否選取正確合理的計劃應(yīng)對升降功率。

3) 該模型可用于操作任務(wù)持續(xù)變化背景下相關(guān)HRA研究，有助于分析和應(yīng)對調(diào)峰任務(wù)中發(fā)生的人因失誤，對操縱員的選拔和培訓(xùn)也能給出相應(yīng)的指導(dǎo)性意見。

通過該認(rèn)知模型，能清楚地知道操縱員在執(zhí)行調(diào)峰任務(wù)時的認(rèn)知過程；當(dāng)操縱員發(fā)生失誤時，能找到是在哪一環(huán)節(jié)出現(xiàn)的失誤；能為構(gòu)建HRA中PSF的層次結(jié)構(gòu)模型和建立結(jié)構(gòu)化的PSF分類體系服務(wù)；能為人因辨識技術(shù)服務(wù)，識別操縱員的失誤類型；能為定量操縱員認(rèn)知行為演化機(jī)制服務(wù)。

5 結(jié)論和展望

本文建立了操作任務(wù)持續(xù)快速變化背景下的認(rèn)知行為模型，加入團(tuán)隊決策的認(rèn)知過程，該模型可為研究操作任務(wù)持續(xù)快速變化背景下的HRA方法打下基礎(chǔ)。然而該模型還有一些缺點：該模型是建立在文獻(xiàn)調(diào)研、操縱員訪談及現(xiàn)場觀察的基礎(chǔ)上，缺乏對應(yīng)實驗數(shù)據(jù)或?qū)嶋H案例來驗證模型的合理性，未來將在獲取相關(guān)數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上展開驗證；該模型只是對操縱員的認(rèn)知過程進(jìn)行定性研究，沒有建立對應(yīng)的定量方法，未來將研究相應(yīng)的定量方法，對模型進(jìn)行進(jìn)一步優(yōu)化。