沈?qū)W澤，張 力，青 濤，陳 帥，湯雅沁

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

核電廠主控室操縱員根據(jù)事故規(guī)程的指引執(zhí)行事故處理任務(wù)。事故規(guī)程按照呈現(xiàn)載體的類型分為紙質(zhì)規(guī)程與數(shù)字化規(guī)程。通常基于模擬控制技術(shù)的核電廠主控室一般使用紙質(zhì)規(guī)程，比如嶺澳一期核電廠、大亞灣核電廠等。紙質(zhì)規(guī)程在使用時(shí)不便于檢索定位，且存在“塊頭大”、數(shù)量“巨多”、打鉤以及執(zhí)行記錄無(wú)法保存等可能造成人因失誤的因素。近年來(lái)，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)和自動(dòng)化水平的提高，事故規(guī)程也實(shí)現(xiàn)了數(shù)字化升級(jí)，在國(guó)際上，數(shù)字化規(guī)程的應(yīng)用已成為先進(jìn)主控室的重要標(biāo)志之一[1]。數(shù)字化規(guī)程具有規(guī)程切換簡(jiǎn)便快捷、動(dòng)態(tài)跟蹤和集中顯示電廠參數(shù)等優(yōu)點(diǎn)[2]。

模擬主控室和數(shù)字化主控室的不同之處在于操縱員需要在盤臺(tái)間來(lái)回走動(dòng)，以便查看電廠參數(shù)并進(jìn)行操作控制，因此需要手持事故規(guī)程，所以難以采用基于計(jì)算機(jī)工作站的數(shù)字化規(guī)程。于是核電廠新開發(fā)出事故規(guī)程信息化系統(tǒng)，它由事故規(guī)程服務(wù)器和規(guī)程移動(dòng)終端組成，事故規(guī)程服務(wù)器用來(lái)存儲(chǔ)數(shù)字化的事故規(guī)程，在事故工況下，操縱員手持規(guī)程移動(dòng)終端登錄系統(tǒng)獲取規(guī)程來(lái)執(zhí)行事故處理任務(wù)[3]。

事故規(guī)程信息化系統(tǒng)本質(zhì)上是數(shù)字化規(guī)程，由EPRI定義可知規(guī)程信息化系統(tǒng)屬于EP層次的數(shù)字化水平[4]。Liu等[5]對(duì)規(guī)程數(shù)字化的應(yīng)用研究表明采用數(shù)字化規(guī)程可以有效減輕操縱員的勞動(dòng)強(qiáng)度和心理負(fù)擔(dān)，提高核電廠運(yùn)行的可靠性、安全性和效率。青濤等[6]研究規(guī)程數(shù)字化水平對(duì)操縱員操作績(jī)效的影響后指出，數(shù)字化規(guī)程的應(yīng)用可以顯著提升操縱員績(jī)效，降低操縱員的心理負(fù)荷水平，特別是生理負(fù)荷水平。然而規(guī)程信息化系統(tǒng)需要操縱員手持規(guī)程移動(dòng)終端進(jìn)行事故處理，和一般基于計(jì)算機(jī)工作站的數(shù)字化規(guī)程有較大的差異。有操縱員反映在使用過(guò)程中手臂明顯感覺到疲勞，界面管理任務(wù)占用了大部分注意力等，預(yù)期會(huì)極大地影響操縱員的工作負(fù)荷。工作負(fù)荷是在事故后最直接影響人因可靠性的因素，過(guò)高的工作負(fù)荷會(huì)嚴(yán)重影響操縱員的生理和心理健康，從而降低人因可靠性，導(dǎo)致人因失誤并嚴(yán)重威脅核電廠的安全[7]。對(duì)此必須予以評(píng)估規(guī)程信息化系統(tǒng)對(duì)操縱員工作負(fù)荷產(chǎn)生的影響。因此本文以紙質(zhì)規(guī)程為參考對(duì)象，分析規(guī)程信息化系統(tǒng)對(duì)操縱員工作負(fù)荷產(chǎn)生的影響，并提出有效的改進(jìn)措施，旨在為規(guī)程信息化系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、優(yōu)化以及降低操縱員的工作負(fù)荷提供依據(jù)。

1 操縱員工作負(fù)荷分析

工作負(fù)荷是指單位時(shí)間內(nèi)人體承受的工作量，包括生理負(fù)荷和心理負(fù)荷[8]。生理負(fù)荷主要是操縱員骨骼肌系統(tǒng)的負(fù)荷量以及相應(yīng)的肌肉活動(dòng)狀態(tài)，操縱員隨著體力負(fù)荷的增加，會(huì)出現(xiàn)局部疲勞或者全身疲勞的情況。心理負(fù)荷主要是操縱員在信息處理時(shí)由于腦力資源有限而產(chǎn)生的負(fù)荷，其信息處理效率會(huì)隨著負(fù)荷的增加逐漸下降并產(chǎn)生精神疲勞，無(wú)法集中注意力，可能會(huì)導(dǎo)致各種人因失誤的發(fā)生。

1.1 生理負(fù)荷

生理負(fù)荷可以通過(guò)操縱員任務(wù)執(zhí)行情況間接地對(duì)生理指標(biāo)的變化進(jìn)行分析。表面肌電信號(hào)是通過(guò)電極記錄下來(lái)的神經(jīng)肌肉活動(dòng)時(shí)發(fā)放的生物電信號(hào)，能夠?qū)崟r(shí)準(zhǔn)確地反映肌肉狀態(tài)，且采集技術(shù)成熟，因此通過(guò)表面肌電信號(hào)研究操縱員的生理負(fù)荷是一個(gè)有效的途徑[9]。研究發(fā)現(xiàn)，表面肌電信號(hào)振幅對(duì)肌力和疲勞狀態(tài)具有兩重依賴性，即振幅會(huì)隨著肌力增加和疲勞的產(chǎn)生而增加[10]。在用力不大的情況下，肌電幅值與肌肉所施力之間呈很好的線性關(guān)系，而肌電幅值的均方根值(root mean square，RMS) 在反映疲勞的穩(wěn)定性和敏感性方面也要優(yōu)于其他時(shí)域指標(biāo)[11]，所以本文選取肌電信號(hào)的RMS值作為衡量操縱員生理負(fù)荷的指標(biāo)。

1.2 心理負(fù)荷

心理負(fù)荷的測(cè)量方法主要有3種，即雙任務(wù)測(cè)量法、生理測(cè)量法和主觀測(cè)量法。主觀測(cè)量法因?yàn)闇y(cè)量直觀、操作簡(jiǎn)便、無(wú)干擾，是最常用的方法。其中，美國(guó)NASA-TLX量表是目前使用最為廣泛的心理負(fù)荷評(píng)估工具之一，不僅使用者接受程度最高，且被試間變異最小[12]。該主觀量表從6個(gè)維度評(píng)估總體的心理負(fù)荷：心智需求、體力需求、努力程度、挫折程度、時(shí)間需求、自我績(jī)效。一些研究認(rèn)為該量表對(duì)于實(shí)驗(yàn)操作水平上的心理負(fù)荷評(píng)估具有較好的信效度，且優(yōu)于其他一些主觀評(píng)估工具，因此本文選用NASA-TLX量表探討規(guī)程信息化系統(tǒng)對(duì)操縱員心理負(fù)荷的影響[13-14]。

2 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

本節(jié)通過(guò)模擬核電廠主控室操縱員分別使用紙質(zhì)規(guī)程和規(guī)程信息化系統(tǒng)在事故工況下執(zhí)行事故處理任務(wù)，對(duì)比分析操縱員的表面肌電信號(hào)、主觀測(cè)評(píng)數(shù)據(jù)，旨在評(píng)估規(guī)程信息化系統(tǒng)對(duì)操縱員工作負(fù)荷產(chǎn)生的影響。

2.1 實(shí)驗(yàn)被試

本次實(shí)驗(yàn)被試共30名在職核電廠主控室操縱員，男性，年齡在25～ 40歲之間，均有豐富的操作經(jīng)驗(yàn)，且都完成了規(guī)程信息化系統(tǒng)的培訓(xùn)，能夠使用該系統(tǒng)執(zhí)行事故處理任務(wù)。實(shí)驗(yàn)以3人為一組，基本依據(jù)實(shí)際的工作崗位擔(dān)任一回路操縱員(reactor operator 1，RO1)、二回路操縱員(reactor operator 2，R02) 和機(jī)組協(xié)調(diào)員(coordinator，CR) 。

2.2 實(shí)驗(yàn)設(shè)備

本次實(shí)驗(yàn)場(chǎng)地為國(guó)內(nèi)某核電培訓(xùn)基地，配備有全范圍模擬機(jī)。紙質(zhì)規(guī)程使用該電廠真實(shí)的狀態(tài)導(dǎo)向事故規(guī)程，規(guī)程信息化系統(tǒng)則以聯(lián)想公司生產(chǎn)的一款平板電腦作為規(guī)程移動(dòng)終端。本實(shí)驗(yàn)選取5個(gè)核電廠典型的事故工況(發(fā)生概率較高且危害性較大)，分別是一回路大破口、意外停堆疊加誤安注、安全殼內(nèi)主蒸汽管道破口、失去廠外電、蒸汽發(fā)生器單根傳熱管破裂。肌電信號(hào)儀則采用Mind Media公司研發(fā)的NeXus-10采集表面肌電信號(hào)，采樣頻率設(shè)為2 048 Hz，帶通濾波頻率設(shè)為20～ 500 Hz。

2.3 實(shí)驗(yàn)變量

實(shí)驗(yàn)自變量為紙質(zhì)規(guī)程和規(guī)程信息化系統(tǒng)，因變量為操縱員的生理和心理負(fù)荷。測(cè)量方法如下。

1) 生理負(fù)荷。

操縱員在生理負(fù)荷方面主要由手持紙質(zhì)規(guī)程變?yōu)橐?guī)程移動(dòng)終端，手臂是負(fù)荷產(chǎn)生變化的主要部位，而用力最多的肌肉是肱二頭肌。由于RO1是事故工況下機(jī)組執(zhí)行事故處理任務(wù)的核心，因此本實(shí)驗(yàn)使用NeXus-10生物電信號(hào)儀采集RO1左側(cè)肱二頭肌的表面肌電數(shù)據(jù)，并計(jì)算RMS值作為衡量指標(biāo)。

2) 心理負(fù)荷。

本次實(shí)驗(yàn)使用NASA-TLX主觀量表測(cè)量心理負(fù)荷。被試在完成事故處理后，按照實(shí)際的感受填寫主觀量表，兩兩比較確定指標(biāo)權(quán)重并計(jì)算最終的量表得分。

2.4 實(shí)驗(yàn)流程

實(shí)驗(yàn)開始前對(duì)被試進(jìn)行培訓(xùn)，培訓(xùn)內(nèi)容包括本次實(shí)驗(yàn)的研究目的、生物電信號(hào)儀使用注意事項(xiàng)和NASA-TLX量表的指標(biāo)解釋等。

實(shí)驗(yàn)被試以機(jī)組為單位，分為10組5對(duì)，分別使用兩種規(guī)程執(zhí)行事故處理任務(wù)(每一對(duì)機(jī)組執(zhí)行同一個(gè)事故場(chǎng)景) 。實(shí)驗(yàn)開始前，調(diào)試好肌電信號(hào)儀，當(dāng)RO1戴上肌電信號(hào)儀并且可以正常采集數(shù)據(jù)后機(jī)組執(zhí)行事故處理任務(wù)。當(dāng)事故狀態(tài)得到有效控制后實(shí)驗(yàn)結(jié)束，時(shí)間為1 h左右。操作結(jié)束后被試根據(jù)主觀感受填寫NASA-TLX問卷。實(shí)驗(yàn)流程如圖1所示。

圖1 實(shí)驗(yàn)流程圖Figure 1 Flow chart of the experiment

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論

除去由于一對(duì)機(jī)組肌電信號(hào)儀佩戴不當(dāng)?shù)纫蛩禺a(chǎn)生的無(wú)效數(shù)據(jù)，實(shí)驗(yàn)一共得到4組(以實(shí)驗(yàn)場(chǎng)景分) 有效表面肌電信號(hào)數(shù)據(jù)和30份NASA-TLX問卷。

3.1 表面肌電測(cè)量結(jié)果

初始的表面肌電信號(hào)是一維時(shí)間電壓序列信號(hào)，其特點(diǎn)是信號(hào)弱、頻率低、隨機(jī)性強(qiáng)，通過(guò)時(shí)域分析可觀察信號(hào)幅值隨時(shí)間的變化規(guī)律[15]。本研究選取表面肌電信號(hào)的RMS值衡量操縱員的生理負(fù)荷。

式中，T為單位時(shí)間；t為任意時(shí)刻；EMG(t)為t時(shí)刻的表面肌電(一維時(shí)間電壓序列) 信號(hào)。為防止實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)在前期準(zhǔn)備與后期結(jié)束時(shí)產(chǎn)生波動(dòng)造成數(shù)據(jù)差異較大，在Matlab軟件中去除實(shí)驗(yàn)的前10 s與后10 s數(shù)據(jù)。對(duì)操縱員使用兩種規(guī)程時(shí)的RMS值進(jìn)行單因素方差分析(P＜ 0.01)，存在顯著性差異。圖2所示為操縱員在每個(gè)事故場(chǎng)景使用兩種規(guī)程時(shí)的RMS平均值。

從圖2可以看出，操縱員在使用規(guī)程信息化系統(tǒng)時(shí)的RMS值要高于紙質(zhì)規(guī)程，說(shuō)明規(guī)程信息化系統(tǒng)增加了操縱員的生理負(fù)荷水平。可能的原因是規(guī)程移動(dòng)終端的重量要高于紙質(zhì)規(guī)程，或是改變了操縱員的行為模式。因此，首先比較RO1以及機(jī)組最常用的紙質(zhì)規(guī)程序列和規(guī)程移動(dòng)終端的重量(如表1所示) 。

表1 規(guī)程的重量分析Table 1 Gravimetric analysis of the procedures

圖2 兩種規(guī)程下操縱員的RMS平均值Figure 2 Average of operators' RMS in both procedures

由表1可得，規(guī)程移動(dòng)終端的重量要高于紙質(zhì)規(guī)程的平均重量，說(shuō)明操縱員在手持規(guī)程移動(dòng)終端時(shí)的平均用力較大，從而增加了操縱員的生理負(fù)荷。其次通過(guò)在實(shí)驗(yàn)中觀察和比較操縱員在使用兩種規(guī)程時(shí)RMS值的變化趨勢(shì)(如圖3) 分析操縱員行為模式是否改變。

由圖3可知，操縱員在使用紙質(zhì)規(guī)程處理事故時(shí)，表面肌電信號(hào)的RMS值有比較大的波動(dòng)，且間隔次數(shù)多，說(shuō)明肌肉用力不穩(wěn)定，有放松時(shí)間；而在使用規(guī)程移動(dòng)終端時(shí)，RMS值波動(dòng)比較小，且?guī)缀鯖]有間隔，說(shuō)明肌肉用力穩(wěn)定，處于持續(xù)用力的狀態(tài)。這和實(shí)驗(yàn)中觀察的情況相符，操縱員在使用紙質(zhì)規(guī)程時(shí)，拿取規(guī)程比較隨意和放松，可以選擇較為舒服的姿勢(shì)，比如用手托舉、夾在身體一側(cè)或放于背后，在需要用雙手操作盤臺(tái)或放松時(shí)，也可隨手放在盤臺(tái)上。而操縱員在使用規(guī)程移動(dòng)終端時(shí)，由于擔(dān)心移動(dòng)終端掉落，幾乎一直保持單手托舉的姿勢(shì)，這樣會(huì)使操縱員的肌肉處于持續(xù)用力且緊張的狀態(tài)，容易使操縱員產(chǎn)生疲勞感，增加操縱員的生理負(fù)荷。實(shí)驗(yàn)后有部分操縱員表示與紙質(zhì)規(guī)程相比，規(guī)程信息化系統(tǒng)更容易讓自己感到疲勞。說(shuō)明規(guī)程信息化系統(tǒng)對(duì)操縱員行為模式的改變?cè)黾恿瞬倏v員的生理負(fù)荷，需要進(jìn)一步優(yōu)化規(guī)程移動(dòng)終端的重量和便攜性。

圖3 操縱員使用兩種規(guī)程時(shí)RMS值變化趨勢(shì)Figure 3 The trends of RMS values when operators use both procedures

3.2 NASA-TLX主觀量表測(cè)量結(jié)果

操縱員心理負(fù)荷的得分是量表每個(gè)指標(biāo)的打分與各個(gè)指標(biāo)權(quán)重乘積加權(quán)的值，如下為計(jì)算公式。

式中，Xi是對(duì)每個(gè)指標(biāo)的打分；Wi為每個(gè)指標(biāo)的權(quán)重。

由于操縱員角色和使用規(guī)程的不同可能會(huì)對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果產(chǎn)生交互影響，因此對(duì)操縱員的心理負(fù)荷評(píng)分進(jìn)行角色和規(guī)程的雙因素方差分析(見表2)。由表2可得，兩種事故規(guī)程對(duì)操縱員整體的心理負(fù)荷水平存在顯著性影響(F=4.801，P=0.038＜0.05)，操縱員角色(RO1、RO2、CR) 對(duì)整體的心理負(fù)荷水平?jīng)]有顯著性影響(F=0.240，P=0.788＞0.05)，角色與規(guī)程對(duì)整體的心理負(fù)荷水平?jīng)]有顯著的交互影響(F=0.621，P=0.546＞0.05)，說(shuō)明兩種規(guī)程之間的差異是引起操縱員心理負(fù)荷產(chǎn)生變化的最主要原因。

表2 角色和規(guī)程對(duì)操縱員心理負(fù)荷評(píng)分的雙因素方差分析Table 2 Two-factors ANOVA of operator' roles and procedures on mental-load

圖4為兩種規(guī)程下操縱員的心理負(fù)荷得分，可得操縱員使用規(guī)程信息化系統(tǒng)時(shí)的心理負(fù)荷要高于紙質(zhì)規(guī)程。

圖4 操縱員使用兩種規(guī)程時(shí)的心理負(fù)荷得分Figure 4 Operators' mental-load in both procedures

可能原因如下。1) 操縱員不能夠熟練使用規(guī)程信息化系統(tǒng)。雖然在實(shí)驗(yàn)前已經(jīng)接受了系統(tǒng)的培訓(xùn)，但是操縱員還不能夠完全掌握其豐富的功能，不能熟練應(yīng)對(duì)事故工況下快速變化的情境。2) 數(shù)字化鎖孔效應(yīng)的存在、需要手動(dòng)放大事故規(guī)程顯示等界面管理任務(wù)占用了操縱員較多的注意力資源。3) 規(guī)程移動(dòng)終端存在軟硬件適配問題，比如觸控筆有時(shí)點(diǎn)擊屏幕沒有響應(yīng)，打字時(shí)浮出的鍵盤會(huì)覆蓋住一半的屏幕等，這同樣會(huì)分散操縱員的注意力。4) 規(guī)程信息化系統(tǒng)較高的體力需求引起操縱員心理負(fù)荷的增加。

為了進(jìn)一步探究規(guī)程信息化系統(tǒng)引起操縱員心理負(fù)荷增加的原因，對(duì)兩種規(guī)程下NASA-TLX量表中的6個(gè)指標(biāo)分別作單因素方差分析(見表3) 。發(fā)現(xiàn)只有體力需求存在顯著差異(F=10.498，P=0.003＜0.05)，可知操縱員使用規(guī)程信息化系統(tǒng)時(shí)的體力需求要顯著高于紙質(zhì)規(guī)程，如圖5所示。這和操縱員生理負(fù)荷的測(cè)量結(jié)果相符。說(shuō)明規(guī)程信息化系統(tǒng)過(guò)高的體力需求引起了操縱員分配在操作動(dòng)作上的注意力資源增加，是導(dǎo)致規(guī)程信息化系統(tǒng)心理負(fù)荷得分顯著高于紙質(zhì)規(guī)程的主要因素。

表3 NASA-TLX 6個(gè)指標(biāo)的單因素方差分析Table 3 One factor analysis of variance for six indexes of NASA-TLX

圖5 兩種規(guī)程下操縱員的體力需求得分Figure 5 Operators' physical-load in both procedures

為了探究其他指標(biāo)對(duì)操縱員心理負(fù)荷產(chǎn)生的影響，對(duì)NASA-TLX量表中各指標(biāo)得分的平均值進(jìn)行比較，如圖6所示。從各個(gè)指標(biāo)上來(lái)看，操縱員使用規(guī)程信息化系統(tǒng)時(shí)的心智需求和自我績(jī)效都有所降低，可能原因是其降低了操縱員在切換規(guī)程、尋找界面及參數(shù)方面的難度，從而減少了操縱員的心理負(fù)荷；時(shí)間需求、努力程度、挫折程度相比較紙質(zhì)規(guī)程有所增加，可能是操縱員使用規(guī)程信息化系統(tǒng)還不夠熟練以及界面管理任務(wù)對(duì)注意力資源的消耗給操縱員帶來(lái)較高的心理負(fù)荷；從整體上來(lái)看，心智需求得分最高，可能原因是在事故場(chǎng)景中，系統(tǒng)狀態(tài)迅速變化，需要操縱員進(jìn)行大量的分析和決策；時(shí)間需求得分最低，可能原因是，在模擬機(jī)上的操作不會(huì)有任何后果，因此操縱員難以感受到時(shí)間壓力。

圖6 心理負(fù)荷6項(xiàng)指標(biāo)均值比較Figure 6 Comparison of six indexes for NASA-TLX

4 結(jié)論

1) 本文通過(guò)實(shí)驗(yàn)探究規(guī)程信息化系統(tǒng)與紙質(zhì)規(guī)程相比對(duì)操縱員工作負(fù)荷產(chǎn)生的影響，可知，規(guī)程信息化系統(tǒng)在一定程度上增加了操縱員的工作負(fù)荷水平。

為了降低操縱員使用規(guī)程信息化系統(tǒng)時(shí)產(chǎn)生的工作負(fù)荷，提出以下幾點(diǎn)建議：(1) 與規(guī)程移動(dòng)終端廠商合作，開發(fā)或者定制重量較輕的設(shè)備；(2) 提高規(guī)程移動(dòng)終端的便攜性，從而降低操縱員的生理負(fù)荷，比如開發(fā)隨身裝置，操縱員可以隨手放下終端而不用擔(dān)心掉落；(3) 有針對(duì)性地對(duì)界面管理任務(wù)進(jìn)行優(yōu)化，降低對(duì)操縱員注意力資源的消耗；(4) 對(duì)規(guī)程移動(dòng)終端的軟件進(jìn)行優(yōu)化，提升軟件可靠性；(5) 加強(qiáng)對(duì)操縱員的培訓(xùn)，確保操縱員熟練使用規(guī)程信息化系統(tǒng)。

2) 通過(guò)對(duì)規(guī)程信息化系統(tǒng)進(jìn)行針對(duì)性的設(shè)計(jì)優(yōu)化和加強(qiáng)操縱員培訓(xùn)，預(yù)期會(huì)顯著降低操縱員的工作負(fù)荷。在事故情境下，操縱員的工作負(fù)荷將會(huì)對(duì)人因可靠性產(chǎn)生顯著的影響，本文的研究結(jié)果可為操縱員培訓(xùn)及規(guī)程信息化系統(tǒng)的設(shè)計(jì)優(yōu)化提供依據(jù)。

本文的研究存在的局限是在模擬機(jī)上執(zhí)行事故處理任務(wù)難以對(duì)操縱員形成時(shí)間壓力，且僅考慮規(guī)程信息化系統(tǒng)對(duì)于工作負(fù)荷的影響，而未考慮對(duì)操縱員工作績(jī)效、情景意識(shí)、人因可靠性的影響。