戴立操，范 瑞，張美慧，李鵬程，李冬生，陳建華

核電廠主控室中大多采用先進(jìn)的數(shù)字化控制系統(tǒng)(Digital Control System，DCS)。操縱員通過計算機(jī)屏幕監(jiān)視電廠狀況，利用鼠標(biāo)、鍵盤對電廠進(jìn)行控制，DCS代替了傳統(tǒng)主控室的盤臺、信號燈、開關(guān)、按鈕、儀表盤等。DCS中控制和操縱核電廠的信息輸入輸出方式發(fā)生改變可能導(dǎo)致操縱員對信息的加工機(jī)制發(fā)生改變，從而導(dǎo)致新的人因失誤。研究人員針對DCS系統(tǒng)對操縱員人因失誤影響進(jìn)行了一系列的研究[1-2]，認(rèn)為數(shù)字化人機(jī)界面新特征有可能增加操縱員的認(rèn)知負(fù)荷和操作負(fù)荷，容易產(chǎn)生模式混淆、情境意識喪失等不利影響。Shukri根據(jù)DCS系統(tǒng)對操縱員的影響建立了IDA認(rèn)知模型，模擬數(shù)字化后操縱員的認(rèn)知過程[3]。戴立操等通過研究操縱員的認(rèn)知行為特征，從監(jiān)視檢測、狀態(tài)評估、計劃響應(yīng)、計劃執(zhí)行 4 種主要的認(rèn)知行為進(jìn)行分析，了解了界面管理任務(wù)對認(rèn)知行為產(chǎn)生的不利影響主要表現(xiàn)為操縱員的認(rèn)知負(fù)荷和操作負(fù)荷的增加[4]。盡管上述文獻(xiàn)描述了主控室DCS系統(tǒng)的界面管理任務(wù)對操縱員的人因失誤影響以及操縱員的認(rèn)知過程，但并未從操縱員的認(rèn)知機(jī)理角度深入闡述界面管理任務(wù)對操縱員完成主任務(wù)的影響。

人的認(rèn)知過程是人對信息的加工過程。人通過調(diào)動注意力資源和記憶力資源來獲取外界信息，并將信息通過編碼暫時存儲在工作記憶中，信息的分析、考慮、轉(zhuǎn)換和操縱都是在工作記憶中完成的[5]。工作記憶包含當(dāng)前可供系統(tǒng)處理的信息，也包括當(dāng)前環(huán)境信息、推論、當(dāng)前目標(biāo)信息和長期記憶痕跡的編碼。Baddeley的工作記憶理論認(rèn)為，人腦中存在兩種信息加工機(jī)制，分別是視覺空間模板加工和語音回路加工[6-8]。兩者是獨(dú)立存在的，且兩者之間存在一個中央執(zhí)行區(qū)，三者組成部分相互作用，為認(rèn)知活動提供一個全面的工作空間。語音回路一般被用來存儲數(shù)字，視覺空間模板一般用來存儲空間關(guān)系。中央執(zhí)行區(qū)負(fù)責(zé)對兩者進(jìn)行協(xié)調(diào)，它將信息從閱讀語句(基本上是在語言回路中)轉(zhuǎn)換為視覺空間模板上的心理圖像。Baddeley通過雙任務(wù)范式實(shí)驗(yàn)[9]發(fā)現(xiàn)，如果兩項(xiàng)任務(wù)需要同一認(rèn)知過程或認(rèn)知資源，那么，在雙任務(wù)條件下就不可能比在各自單獨(dú)進(jìn)行的情況下完成得更好。

人在人機(jī)界面中對信息的處理是人對人機(jī)界面信息加工處理的過程。人對信息處理過程中所使用的知識存儲在人員大腦中。在人的大腦中知識以什么形式存在和如何被存儲，即人的知識表征(Knowledge Representation)[10]45。知識通過文字、圖像、符號和空間順序等載體來進(jìn)行表征。CRUM認(rèn)為，計算表征理論是將心靈比作計算機(jī)，以類比推理的方式去了解心靈構(gòu)建知識的方式[11]。命題符號理論[12]認(rèn)為，認(rèn)知的構(gòu)成是命題，由命題形成命題網(wǎng)絡(luò)，對命題不斷操作會不斷更新命題網(wǎng)絡(luò)，并且一種情境可以由一系列明確的命題來構(gòu)成。Anderson研究發(fā)現(xiàn)，用命題表征表示各類知識結(jié)構(gòu)十分復(fù)雜且效率低下，非命題表征能在生產(chǎn)系統(tǒng)框架中發(fā)揮重要作用[10]49。在表示認(rèn)知單元時，Anderson按照知識在認(rèn)知活動中的操作過程將知識表征分為三類：用順序結(jié)構(gòu)來表示陳述的順序；用空間圖像結(jié)構(gòu)來表示元素的空間相對位置；用抽象命題結(jié)構(gòu)來表示假定的邏輯解釋。本文通過模擬機(jī)實(shí)驗(yàn)來分析操縱員在操作過程中的各類知識表征，在此基礎(chǔ)上辨識數(shù)字化人機(jī)界面管理任務(wù)對操縱員完成不同知識表征主任務(wù)的影響。

一 核電廠主控室操縱員的知識表征

(一)模擬實(shí)驗(yàn)

為了解核電廠數(shù)字化主控室操縱員在執(zhí)行事故處理任務(wù)過程中的知識表征，以一回路操縱員緩解一回路小破口事故為例，基于南華大學(xué)人因研究所的壓水堆核電廠模擬機(jī)平臺多次對其操縱過程模擬，分析其知識表征類型及其特點(diǎn)。

在正常情況下，主控室操縱員利用鼠標(biāo)在計算機(jī)屏幕上進(jìn)行操作，執(zhí)行界面管理任務(wù)，完成主任務(wù)，以確保核電廠能夠安全運(yùn)行。當(dāng)核電廠發(fā)生事故和瞬態(tài)變化時，操縱員在主控室人機(jī)界面上進(jìn)行控制操作來應(yīng)對。如果核電廠發(fā)生SLOCA事故，當(dāng)一回路壓力降低至穩(wěn)定壓力的低整定值時觸發(fā)反應(yīng)堆緊急停堆，當(dāng)降低至穩(wěn)壓器壓力的低低整定值時觸發(fā)安注信號。此時，中壓安注不可用，二次側(cè)局部冷卻自動功能無法滿足安注箱和低壓安注泵投運(yùn)的條件。操縱員需要根據(jù)規(guī)程手動執(zhí)行二次側(cè)快速冷卻，對一回路降溫降壓，操作失敗將導(dǎo)致堆芯損傷。此時，可將操縱員的操作分為以下四個階段，見圖1。

第一階段，電廠狀態(tài)監(jiān)測。從出現(xiàn)紅色報警至安注啟動，該階段操縱員主要對電廠狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)測，包括功率量程、Δtsat值、穩(wěn)壓器液位、一回路溫度和壓力等。第二階段，事故診斷。安注啟動后，操縱員根據(jù)安注事故導(dǎo)則對二回路放射性、一回路壓力、SG壓力、安全殼壓力等進(jìn)行監(jiān)測，最終診斷當(dāng)前事故為一回路小破口事故。第三階段，診斷確認(rèn)及自動動作確認(rèn)。操縱員根據(jù)一回路小破口事故導(dǎo)則對安全殼壓力、溫度、放射性情況進(jìn)行確認(rèn)，確保當(dāng)前執(zhí)行規(guī)程無誤，并手動復(fù)歸安注。第四階段，快速降溫降壓，安注停運(yùn)后，操縱員按照規(guī)程不斷調(diào)整一回路狀態(tài)，利用二回路將溫度降至170 ℃以下，利用噴淋系統(tǒng)將一回路壓力降至27bar以下，利用上充穩(wěn)定PZR液位大于-4 m。此時，一回路狀態(tài)穩(wěn)定，可安排維修人員進(jìn)入一回路進(jìn)行檢修。對各階段操縱員的操縱任務(wù)進(jìn)行分析，確認(rèn)各時間點(diǎn)操縱員需要完成的主任務(wù)及界面管理任務(wù)，可得操縱員完成任務(wù)時的知識表征，如表1所示。根據(jù)表1數(shù)據(jù)分析可知，操縱員完成界面管理任務(wù)時的知識表征主要是空間圖像表征和順序表征，而主任務(wù)則是抽象命題表征和空間圖像表征。

表1 核電廠小LOCA事故時操縱員控制操縱任務(wù)分解表

(二)知識表征

基于多次模擬實(shí)驗(yàn)，對操縱過程進(jìn)行分解分析，確定操縱員操作中的知識表征，即研究其對不同信息的處理方式和表現(xiàn)形式。

1.順序表征

順序表征是通過創(chuàng)建順序來記錄事件的順序結(jié)構(gòu)，它記錄的是順序信息而不是間隔信息。因?yàn)楣ぷ饔洃浀娜萘坑邢蓿皂樞虮碚髦挥?個或5個元素。在核電廠主控室中，操縱員獲取或處理的順序信息情況主要分為以下幾種：(1)規(guī)程中的順序信息。電廠的規(guī)程都是按照事故發(fā)展進(jìn)程來進(jìn)行編寫的，操縱員在何種情況下該進(jìn)行何種操作都是按照規(guī)程進(jìn)行的。此時，操縱員從規(guī)程上獲取的信息屬于順序信息。(2)主任務(wù)的操作順序。DCS系統(tǒng)中的操作界面存在一定的邏輯順序，許多頁面都存在閉鎖開關(guān)，只有關(guān)閉閉鎖才能調(diào)節(jié)該頁面的開關(guān)。(3)二類管理任務(wù)的操作順序。操縱員在任何時候通過DCS上的顯示屏都只能查看到部分信息，有限的觀看區(qū)域這一特征被稱為“鎖孔效應(yīng)”[13]，通過“鎖孔”訪問信息。那么，從哪個“鎖孔”才能成功訪問操縱員需要操作或查看的頁面就屬于二類管理任務(wù)的操作順序信息。

順序表征的網(wǎng)絡(luò)符號不僅能表示保存順序結(jié)構(gòu)，還能表示類別信息、屬性信息和子結(jié)構(gòu)信息。操縱員確認(rèn)報警頁面的順序表征，見圖2。

圖2 操縱員確認(rèn)報警頁面的順序表征圖

2.空間圖像表征

空間圖像表征是保存元素空間排列的結(jié)構(gòu)，它編碼的是結(jié)構(gòu)信息、相對位置信息而不是絕對距離或大小的信息。大的空間圖像的分層組織更多的是記錄對象空間的結(jié)構(gòu)信息，關(guān)于對象的外觀信息則較少，這是空間圖像表征區(qū)別于真實(shí)圖像的一個重要方面。主控室操縱員需要處理的空間較多。操縱員獲取或處理的空間圖像信息的情況主要分為以下幾種：(1)DCS系統(tǒng)中的空間圖像。DCS系統(tǒng)中大約有1 000余張圖片，各個界面控件的所處位置、形狀等信息都屬于空間圖像信息。(2)紙質(zhì)規(guī)程與計算機(jī)屏幕的空間切換。核電廠主控室操縱員除了需要查看屏幕上的規(guī)程外，有時還需要使用紙質(zhì)規(guī)程，或在記錄本上記錄電廠的重要數(shù)據(jù)信息等。

空間圖像表征有五種形式，分別為：直觀的實(shí)際刺激(畫面的直接呈現(xiàn))、子圖像排列(畫面的圖標(biāo)及其方位排布)、絕對描述排列(圖標(biāo)名稱及其方位排布)、絕對描述的坐標(biāo)編碼(圖標(biāo)名稱及其位置的坐標(biāo))和非精確的文字描述(簡單文字描述)。操縱員查看RCV002YCD頁面的空間圖像表征，見圖3。

圖3 操縱員查看RCV002YCD頁面的空間圖像表征圖

3.抽象命題表征

抽象命題表征與其他兩種表征不同，它不是對環(huán)境結(jié)構(gòu)的直接反映，而是反映對事件的抽象，它代表的是觀念而不是對電廠界面語義中的詞、短語或句子本身。抽象命題的編碼過程本身是需要學(xué)習(xí)的。每個人從出生開始對母語的學(xué)習(xí)、理解過程就是對編碼過程的學(xué)習(xí)。抽象命題表征也可以編碼結(jié)構(gòu)、類別和屬性信息，并且以全有或全無的方式存儲和檢索。操縱員在DCS系統(tǒng)中獲取或處理抽象命題信息主要有以下幾種情況：(1)規(guī)程中的抽象命題信息。操縱員查看計算機(jī)屏幕上的規(guī)程、紙質(zhì)規(guī)程以及記錄本等都可以獲得抽象命題信息。(2)計算機(jī)屏幕上的抽象命題信息。操縱員通過計算機(jī)屏幕查看電廠狀況，包括P/T圖、總貌圖及其他界面的數(shù)值或趨勢信息，并將這些信息與規(guī)程信息對比，做出下一步操作。(3)二類管理任務(wù)中的抽象命題信息。操縱員在規(guī)程上獲得的某些二類管理任務(wù)，如調(diào)用畫面ECP200YST，也屬于抽象命題信息。

抽象命題由兩部分組成：一個關(guān)系和一個以上的論題。論題可以是行動的主體、行動的客體、行動的目的、行動的工具以及行動的接受者。同一個主題的若干個命題會發(fā)生相互聯(lián)系，形成命題網(wǎng)絡(luò)。一回路操縱員通知二回路操縱員快速冷卻的抽象命題表征，見圖4。

圖4 一回路操縱員通知二回路操縱員快速冷卻的抽象命題表征圖注：R代表關(guān)系，S代表主體，O代表客體。

4.混合表征

操縱員在完成任務(wù)時，這三種表征方式可能不是單獨(dú)存在的，而是多種表征同時存在的復(fù)雜情況，它們編碼不同的信息，具有不同的模式匹配、構(gòu)造原則和處理過程，但這三種類型可以使用相同的基本網(wǎng)絡(luò)表示法，見圖5。圖5為操縱員根據(jù)規(guī)程打開上充泵最小流量隔離閥時的知識表征情況。時間順序編碼了打開控件序列的主要元素，空間圖像編碼了計算機(jī)屏幕上的信息位置，抽象命題編碼了單個操作的語義信息。

圖5 多個表征類型的復(fù)雜結(jié)構(gòu)

二 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

(一)實(shí)驗(yàn)?zāi)康?/h3>

主控室操縱員為保證電廠安全穩(wěn)定運(yùn)行，需要完成兩種任務(wù)，分別是主任務(wù)和界面管理任務(wù)。主任務(wù)是操縱員為了實(shí)現(xiàn)電廠的功能目標(biāo)需要執(zhí)行的，分別為監(jiān)視檢測、狀態(tài)評估、響應(yīng)計劃和響應(yīng)執(zhí)行[14]。界面管理任務(wù)是操縱員為完成主任務(wù)需要執(zhí)行的操作，如屏幕配置、畫面調(diào)整等。操縱員在完成主任務(wù)時必須要完成界面管理任務(wù)，并且兩種任務(wù)的知識表征不完全相同。操縱員運(yùn)用空間模板對空間圖像表征或順序表征信息進(jìn)行處理，運(yùn)用語音回路對抽象命題表征的信息進(jìn)行加工，當(dāng)兩種任務(wù)的知識表征相同即運(yùn)用同一認(rèn)知資源時，操縱員的認(rèn)知負(fù)荷必然增大，需要更長的反應(yīng)時間來完成任務(wù)。為了進(jìn)一步明確界面管理任務(wù)對不同表征主任務(wù)的影響，本文以一回路小破口事故中操縱員的操作過程為例，基于南華大學(xué)人因研究所的壓水堆核電廠模擬機(jī)平臺對界面管理任務(wù)和主任務(wù)進(jìn)行數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析，以此識別界面管理任務(wù)對不同知識表征的主任務(wù)的影響。

(二)實(shí)驗(yàn)描述

由于插入一回路小破口至核電廠恢復(fù)平穩(wěn)這一過程時間長，且中間可變因素多，本文通過對其中截取的一個階段進(jìn)行反復(fù)實(shí)驗(yàn)，以此確認(rèn)界面管理任務(wù)對各種知識表征類型的主任務(wù)的影響。為排除前半部分操作對實(shí)驗(yàn)結(jié)果的影響，在教練員第一次完成前期部分的結(jié)尾處設(shè)置一個時間抽點(diǎn)A，后續(xù)每一次實(shí)驗(yàn)直接從時間抽點(diǎn)A開始。每次實(shí)驗(yàn)分為甲乙兩組，每組各選擇10名南華大學(xué)的碩士研究生，在簡單介紹設(shè)備和本次任務(wù)之后開展實(shí)驗(yàn)。

1.實(shí)驗(yàn)Ⅰ：界面管理任務(wù)對以空間圖像表征為主的主任務(wù)的影響

實(shí)驗(yàn)程序：選取第四階段(降溫降壓至電廠平穩(wěn))中操縱員需要完成以空間圖像表征為主的主任務(wù)部分。該選段中，操縱員需要恢復(fù)上充，隔離硼酸注入箱，其中包括四次界面調(diào)整，九個閥門的尋找與開關(guān)，具體操作，見圖6。

圖6 實(shí)驗(yàn)Ⅰ操縱員操作任務(wù)分析圖

首先由教練員完成實(shí)驗(yàn)前期部分，將實(shí)驗(yàn)進(jìn)度調(diào)整至任務(wù)初始點(diǎn)，未經(jīng)過培訓(xùn)的操縱員在簡單了解任務(wù)后進(jìn)行實(shí)驗(yàn)， 操縱員需佩戴頭戴式眼動儀實(shí)時記錄，實(shí)驗(yàn)時間為任務(wù)初始點(diǎn)至任務(wù)完成。甲組操縱員需自己完成屏幕配置、調(diào)整，乙組操縱員在已配置完成的屏幕上進(jìn)行操作(三塊屏幕固定顯示三個需要進(jìn)行操作的界面，RCV001YCD、RCV002YCD和RIS002YCD)。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果：對眼動儀的記錄畫面進(jìn)行觀察后得到兩組操縱員完成各次實(shí)驗(yàn)任務(wù)的平均時間，見圖7。

圖7 實(shí)驗(yàn)Ⅰ操縱員任務(wù)完成結(jié)果分析圖

2.實(shí)驗(yàn)Ⅱ：界面管理任務(wù)對以抽象命題表征為主的主任務(wù)的影響

實(shí)驗(yàn)程序：選取第四階段(降溫降壓至電廠平穩(wěn))中操縱員需要完成以抽象命題表征為主的主任務(wù)部分。該選段中，操縱員需要冷卻和降壓，通過反復(fù)調(diào)整噴淋閥的大小將一回路壓力降至65bar，同時保證Δtsat>20 ℃，并且用RCV046VP維持穩(wěn)壓器水位>-4 m。

首先由教員完成前期部分，將實(shí)驗(yàn)進(jìn)度調(diào)整至任務(wù)初始點(diǎn)，再選取未經(jīng)過培訓(xùn)的操縱員在簡單了解任務(wù)后進(jìn)行實(shí)驗(yàn)， 該操縱員需佩戴頭戴式眼動儀實(shí)時記錄，實(shí)驗(yàn)完成時間為任務(wù)初始點(diǎn)至任務(wù)完成。其中甲組操縱員需自己完成屏幕配置、調(diào)整，乙組操縱員在已配置完成的屏幕上進(jìn)行操作(三塊屏幕固定顯示三個需要使用的界面，RCP002YCD、ECP200YST和RCV001YCD)。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果：對眼動儀的記錄畫面進(jìn)行分析后得到兩組操縱員完成各次實(shí)驗(yàn)任務(wù)的平均時間，見圖8。

圖8 實(shí)驗(yàn)Ⅱ操縱員任務(wù)完成結(jié)果分析圖

(三)實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

操縱員完成各項(xiàng)主任務(wù)和界面管理任務(wù)時，調(diào)動注意力資源獲取電廠信息，再通過工作記憶調(diào)用長時記憶的知識對信息進(jìn)行加工輸出，觸發(fā)響應(yīng)計劃和響應(yīng)執(zhí)行。其基本過程是信息編碼，信息存儲，從長時記憶中檢索信息，信息匹配和決策。界面管理任務(wù)在一定程度上增大了操縱員的認(rèn)知負(fù)荷，影響人員績效。根據(jù)兩組實(shí)驗(yàn)結(jié)果，可得：多次的操縱技能培訓(xùn)的確能夠在很大程度上提高操縱員的操作速度并降低失誤，但是即便經(jīng)過多次訓(xùn)練，界面管理任務(wù)的完成還是會影響操縱員完成主任務(wù)的進(jìn)程，并且這些影響主要體現(xiàn)在任務(wù)完成時間上。對比兩組實(shí)驗(yàn)可以發(fā)現(xiàn)，實(shí)驗(yàn)一中單次甲乙兩組的完成任務(wù)平均時間差大于實(shí)驗(yàn)二，這說明界面管理任務(wù)對操縱員完成以空間圖像表征為主的主任務(wù)的影響大于以抽象命題表征為主的主任務(wù)。操縱員經(jīng)過多次培訓(xùn)能夠增強(qiáng)知識的記憶，從而加快知識的檢索、匹配和決策過程。但操縱員完成主任務(wù)的同時需要消耗認(rèn)知資源來完成界面管理任務(wù)，若兩種任務(wù)的知識表征不同，操縱員運(yùn)用語音回路加工抽象命題表征的主任務(wù)，同時運(yùn)用空間模板加工空間圖像表征的界面管理任務(wù)，兩者沖突較小，操縱員認(rèn)知負(fù)荷較低。若兩種任務(wù)都為空間圖像表征，都需要運(yùn)用空間模板來進(jìn)行加工，此時操縱員的認(rèn)知負(fù)荷增大，任務(wù)的完成時間也會增加。

三 結(jié) 語

核電廠主控室先進(jìn)的DCS系統(tǒng)在提高儀表控制系統(tǒng)的數(shù)據(jù)處理能力、改善操縱員的界面信息顯示、提高主控室的整體監(jiān)控能力等方面做出了巨大貢獻(xiàn)，但同時這些改變也引起了操縱員認(rèn)知行為的改變，可能導(dǎo)致新的人因失誤，從而威脅核電廠安全。本文雖然分析了操縱員在事故緩解過程中各種操作行為的知識表征，而且實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了界面管理任務(wù)對各種知識表征的主任務(wù)的影響，為后續(xù)的研究提供了理論基礎(chǔ)。但如何消除或降低這些影響還需要進(jìn)行進(jìn)一步的深入研究。