纸质规程下数字化核电厂界面管理任务研究

刘德懿, 赵 明, 易灿南, 罗 洋, 徐 洁

(1.中核核电运行管理有限公司,浙江 嘉兴 314300;2.湖南工学院,湖南 衡阳 421001)

核电厂数字化后,主控室中盘台、信号灯、开关、按钮、仪表盘等集成于计算机显示界面[1],操纵员通过计算机屏幕监视电厂状况,利用鼠标、键盘等进行控制。数字化使信息处理更加便捷与灵活,但是由于巨量的信息显示在有限的计算机屏幕上,操纵员需要在计算机屏幕上从大量的界面中寻找目标界面和目标信息,需要执行大量的界面管理任务(如导航、配置和画面调整等)才能完成主任务(如电厂状态监控、评估和控制)[2]。现有研究显示,核电厂数字化带来巨量的信息和有限的显示之间的矛盾[2],对操纵员作业模式及认知行为产生影响[3],人因失误的可能性变大[4-5]。

在核电厂中,操纵员基于规程执行监视、评估与控制任务。数字化核电厂中,规程一般包括纸质规程和数字化规程2类[6]。纸质规程指规程以纸质方式呈现;数字化规程指规程以电子方式呈现。根据自动化水平,数字化规程可分为3类:电子规程、基于计算机的规程和基于规程的自动化[3]。电子规程是指在计算机屏幕上呈现图像和文字,能提供最基本的支持;基于计算机的规程可自动检索和显示完成当前规程所需的具体信息等;基于规程的自动化是指在操纵员授权的情况下,系统根据规程自动执行相关决策和操作。国内核电厂数字化进程不一,还存在大量基于纸质规程的数字化核电厂,例如方家山数字化核电厂。在这些核电厂中,操纵员基于纸质规程进行日常监视与操纵任务,其界面管理任务可能与基于数字化规程的数字化核电厂存在差异。

基于此,本文探究纸质规程下数字化控制系统中操纵员界面管理任务特征,归纳界面管理任务类型,分析不同运行工况下操纵员界面管理行为,为电厂安全运行提供支持。

美国核管理委员会文件NUREG/CR-6690《The effects of interface management tasks on crew performance and safety in complex computer-based systems》将界面管理任务分为5类:配置、导航、画面调整、查询/质问、自动化[2]。国内刘素娟[7]、顾玲玲等[8]、张力等[9]、戴立操等[10-11]以及蒋建军等[12-13]在其各自研究中对核电厂界面管理任务进行相关解释。其中,仅张力等[9]和戴立操等[10-11]对核电界面管理任务进行具体界定。张力等[9]基于任务分类法将基于数字化状态导向规程的数字化核电厂界面管理行为归为3层10类。10类界面管理任务分别为:导航、选择进入主/子规程、打勾、选择监视目标、打开参数界面、画面调整、选择数字、选择模式、选择屏幕和操作菜单栏。其中,选择进入主/子规程指操纵员根据DOS规程进行事故诊断;打勾指在电子规程中确认任务执行;画面调整指操纵员拖曳画面至合适位置以进行参数调整;操作菜单栏指操纵员在菜单栏上进入相应画面[9]。戴立操等[10]对调整G棒组棒位的任务进行分析,统计任务执行过程中界面管理任务和主任务的数量,但没有对界面管理任务进行细分。戴立操等[11]梳理核电厂一回路失水事故下的界面管理任务和主任务的知识表征,但没有对界面管理任务进行分类。

国外Lee、Kim和Choi等围绕核电厂界面管理任务进行相关研究[4,14-16]。Kim等[14]将界面管理任务分为:屏幕切换、打开/关闭界面、按键确认。Lee等[15]将界面管理任务分为:基于规程的操作、屏幕导航、控件选择和操作执行。在另外一篇文献中,Lee等[4]将界面管理任务分为:打开/关闭控制面板、按下通知按钮和屏幕切换等。Choi等[16]则将界面管理任务分为2大类——导航和认知,导航包括屏幕切换、弹窗打开和窗口关闭3类,认知包括操作完成确认、操作指引完成确认、查询与确认警报以及模式切换4类。

以上文献中,张力等[9]对基于数字化状态导向规程的数字化核电厂界面管理任务进行较为具体的分类,其中,“选择进入主/子规程”和“打勾”仅适应于数字化规程,且10个分类中没有包含NUREG/CR-6690提出的“自动化”分类。在其他文献中,例如戴立操等[10-11]没有给出界面管理任务的具体分类,Lee、Kim和Choi等[4,14-16]的分类不够全面,在实际操作中还存在一些其他界面之间的点击行为,也没有包含“自动化”分类。在数字化核电厂中,一般提供启动捷径以实现快速定位特殊模块或功能,因此,在分类中应包含此类行为以探究操纵员启动捷径的使用情况,为数字化核电厂界面设计提供理论支持。

综上,现有文献中关于界面管理任务的分类均不适用于基于纸质规程的数字化核电厂界面管理任务。为系统、全面地分析基于纸质规程的数字化核电厂操纵员界面操纵行为的特征,基于现有界面管理任务相关文献[2,4,7-16],结合数字化核电厂操纵员计算机界面点击行为特征,归纳并总结主任务和界面管理任务,最终界定5类12条界面管理任务,见表1-2。

表1 数字化核电厂主任务分类及示例

2.1 场景

某班组在CP1000核电厂全范围模拟机上进行复训,参与复训的是执照1年以上操纵员,复训进程,如图1。

图1 复训进程

2.2 视频获取和数据分析方法

在复训观察室录制反应堆操纵员(reactor operator,RO)和汽轮机操纵员(turbine operator,TO)界面操纵行为的视频,将视频导入INTERACT 9软件(Mangold@,德国)进行分析,基于表1和表2对界面管理任务和主任务进行编码和分类统计。

表2 数字化核电厂界面管理任务分类及示例

2.3 数据结果与讨论

RO和TO复训期间,界面管理任务和主任务执行次数,见表3-4。

表3 某复训班组RO界面管理任务分类和主任务数据统计

表4 某复训班组TO界面管理任务分类和主任务数据统计

2.3.1 界面管理任务与主任务关系

从表3-4可以看出,RO和TO界面管理任务次数均多于主任务:RO界面管理任务和主任务的次数分别为486和215,各占69.3%和30.7%;TO界面管理任务和主任务的次数分别为345和74,各占82.3%和17.7%。正常运行工况下,RO和TO界面管理任务占总任务次数均超75%;事故运行工况下,RO和TO界面管理任务均超81%。一些文献对不同运行工况、不同回路操纵员的界面管理任务和主任务次数进行统计[4,10,15-16],见表5,以对比分析不同文献中界面管理任务的差异。

(1)不同规程类型下,界面管理任务和主任务数量未见显著差异。这可能是因为各电厂采用的界面设计不同。

(2)不同界面管理任务分类下,RO和TO界面管理任务占比出现一致性,且均为界面管理任务占比大于主任务。说明核电厂数字化后,无论是采用纸质规程还是数字化规程,界面管理任务均多于主任务。

(3)相同操纵任务下,不同操纵员界面管理任务与主任务次数可能存在差异,例如,Choi等[16]与Lee等[15]的研究中,蒸汽发生器传热管破裂事故下RO和TO的界面管理任务占比差异较小。然而,Lee等[15]的研究中,蒸汽发生器传热管破裂事故下第1和第2次实验中的数据存在较大差异。这可能与传热管破裂程度以及操纵员事故控制进程有关,在复训过程中,建议增加操纵员界面管理任务方面的人因观察与分析,从而优化界面设计,降低由界面管理任务带来的工作负荷,减少人因失误。

2.3.2 RO和TO界面管理任务比较

本次复训中,RO界面管理任务总次数(486次)大于TO(345次)(见表3-4),与戴立操等[10]、Choi等[16]、Lee等[4,15]的研究结果一致。正常运行工况下,本次复训RO界面管理任务占比大于戴立操等[10]研究中的情况(见表5),可能与本次复训正常工况设定有关,0—30min为停堆状态,可能需要进行更多不同界面上不同设备参数的监控。表5中汇总了8个事故运行工况下RO和TO界面管理任务的占比情况,50%的RO界面管理任务占比超过80%,50%的TO界面管理任务占比超过69%。由此可见,RO需要执行更多的界面管理任务才能实现对一回路的监视、评估与控制,工作负荷更大。

本次复训中,正常运行工况、故障处理工况和事故运行工况下,RO界面管理任务各占77.3%,58.2%和81.8%;TO相应数据为75.9%,87.3%和84.6%。事故运行工况下RO和TO界面管理任务占比均高于正常运行工况,占据更多注意力资源。

2.3.3 界面管理任务分类特征

(1)画面调整次数最少,RO和TO画面调整次数分别为5和14次(见表3-4)。此数据小于张力等[9]研究中画面调整数量(RO为85次,TO为112次)。数据的差异可能与画面布局以及功能分配有关,本次复训中大部分弹窗固定显示于屏幕右侧区域,大大减少了画面调整次数。

(2)配置次数较少,RO和TO配置次数分别为9和23次(见表3-4)。在此次复训中,操纵员较多通过历史导航方式进入目标界面,例如,控件“上一个”和“最近的”等,从而减少配置次数。

(3)导航次数最多,RO和TO导航次数分别为247和205次(见表3-4),占各自界面管理任务的50.8%和59.4%。导航次数多于张力等[9]的研究,这与数字化控制系统界面设计有关,张力等[9]的研究中是数字化规程,较多通过规程进入,因此导航次数相对较少。在纸质规程下的数字化核电厂,建议优化导航方式,以减少导航次数。

(4)查询/质问较多,RO和TO查询/质问次数分别为204和77次(见表3-4),占各自界面管理任务的42.0%和22.3%。本次复训中,操纵员较多点击数字、设备(如阀门、信号灯)等子界面以查看其状态信息。可考虑将重点信息呈现于设备/设施旁,以减少查询/质问次数。

此外,本次复训中主控室有较多的启动捷径,RO和TO自动化次数分别占各自界面管理任务的4.3%和3.8%。正常运行工况、故障处理工况和事故运行工况下,RO自动化次数占比差异不大,分别为4.5%、4.6%和3.8%;TO差异较大,分别为3.3%、6.5%和14.7%。事故工况下,TO较多通过启动捷径这种方式,提高了效率。

(1)基于NUREG/CR-6690中关于界面管理任务的定义和划分,对纸质规程下数字化核电厂界面管理任务分类进行梳理,界定5类12条界面管理任务。该分类可为数字化核电厂主控室操纵员监视与操控行为分析提供参考。

(2)数字化规程和纸质规程核电厂中,界面管理任务占比未见显著差异,且RO和TO界面管理任务均多于主任务。某数字化核电厂复训实例中,RO和TO界面管理任务分别占各自任务总数的69.3%和82.3%。界面管理任务较多,应特别注意其给主任务执行带来的影响。正常运行工况和事故运行工况下,RO和TO界面管理任务均分别在76%和82%左右。在事故运行工况下界面管理任务占据较多注意力资源,工作负荷较大。

(3)RO界面管理任务次数多于TO,工作负荷更大。本次复训中RO界面管理任务占总任务的69.3%,其中导航和查询/质问次数最多,占界面管理任务的50.8%和42.0%。

(4)基于纸质规程的数字化核电厂中,建议优化界面布局以减少画面调整和配置这2种界面管理任务行为,在实际中可以借鉴实例中的设计方式,以有效降低界面管理任务次数;合理设计启动捷径,操纵员通过该途径快速进入集成功能界面,提高监视和操纵效率;建议界面设计时优化导航方式以及设备/设施重点信息显示,以降低导航、查询/质问这2种界面管理任务行为的次数。

在本研究进行过程中,胡鸿、吴文、程阳、古清元和复训中心教员参与方家山界面管理任务界定,复训中心教员帮助记录故障插入时刻以及确定各阶段设备器件故障情况,程阳、古清元、罗尚萱和张资静为实例分析做出贡献。

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