核電廠先進控制室人因工程集成系統確認的探討

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控，以保證電廠安全可靠運行。基于此，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確認的評價準則和效能測量，概述了電廠進行集成系統確認中出現的問題，為核電廠先進控制室人因工程集成系統確認活動提供了參考和依據。

關鍵詞：驗證和確認人因工程集成系統確認效能測量

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于其他電力資源。這些已經投入運行或者即將建設的核電站能否長期安全、穩定、可靠運行成了國際社會、政府和公眾日益關注的問題。特別是美國三哩島事故和前蘇聯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施增設人因工程審查，對于設計中或在建的核電站，NRC要求在初步安全分析、最終安全分析和現場監查三個階段進行審查。

我國核安全局也提出了類似要求，HAF102規定：“必須在設計過程初期就系統地考慮人為因素和人機接口，并貫徹于設計全過程”，“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和其他國內外相關標準法規，以及具體的電廠審評經驗，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、集成系統確認(integrated system validation，ISV)的評價要素及準則，分析了國內電廠進行集成系統確認(ISV)試驗時出現的一些問題，為試驗活動提供了參考和依據。

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計是否符合人因工程設計原則，以及核電廠人員執行其任務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：制定適當的取樣策略來選擇有代表性的運行工況和人員任務進行驗證和確認。

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

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

(4) 集成系統確認：確認運行人員能夠在所有性能/效能要求內利用集成系統設計(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：對任務支持驗證、設計驗證和集成系統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

通過制定適當的取樣策略，選擇有代表性的運行工況和人員任務。運行工況取樣過程是開展人因V&V活動的基礎和前提。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集成系統確認

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

2.1　評價要素與準則

基于對ISV相關標準的分析[2-3]和審評經驗，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，驗證團隊的成員應當獨立于設計團隊的成員，沒有設計職責，不隸屬于設計團隊。

(2) 試驗對象：集成系統是試驗的對象，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：集成系統確認將使用特定的、高度逼真的、接近全范圍的模擬機設施。模擬機應具有接口完整、實體接口逼真、功能接口逼真、環境真實、數據完整、數據內容真實、數據動態性逼真的特點。

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

(5) 效能測量：應包括電廠效能測量、人員任務測量、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、所用的假設條件數量、參與人員的主觀意識、觀察人員的觀察結果等。

(6) 試驗設計：涉及試驗程序、場景排序、驗證人員培訓、被測試人員培訓和引導測試。

(7) 數據分析與HED識別：針對試驗數據，采用定量和定性的分析方法，體現試驗數據與效能準則間的關系。先獨立分析采用不同方法測試所獲得的數據，然后再進行集中評估。設計的缺陷可通過分析數據來發現，若僅僅依靠數據無法做出判斷時，則需要運用經驗，通過專家判斷的方法來確定結果。若觀察到不能滿足效能準則時，應確定HED，并分析解決HED。

(8) 確認結論：確認報告中應記錄基于統計分析、邏輯分析得出的結論，報告還應記錄確認試驗的局限性，以及對確認的影響和對實現設計的影響。

2.2　效能測量

由于集成系統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構。效能測量需重點關注以下內容：①影響效能測量質量的測量特性；②確定和選擇代表效能測量的變量；③開發效能標準。

2.2.1測量特性

當選擇或開發效能測量時需考慮以下11個測量特性[2]：①構建的有效性；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：應包括對功能、系統、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的正確數據，因此可以對電廠效能進行客觀評價[5]。

(2) 人員任務測量：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，或者非最優的決策過程。對人員任務測量可以從多個方面來構建，如任務類型和識別方法。

(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

(4) 認知負荷測量：認知負荷對人員效能與失誤的發生有重要影響。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，失誤也很可能會發生。認知負荷的評審技術可以分為預測性技術與經驗性技術兩大類。預測性技術是基于數學模型、任務分析、仿真模型以及專家觀點的；而經驗性技術是基于試驗的，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　認知負荷評審的經驗性技術

(5) 團隊協作測量：對于團隊協作過程的測量，可以采用觀測量表、專家評級、內容分析以及原始記錄分析等方法；而對于團隊協作的結果(輸出)的評價，可采用觀測量表、專家評級、關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、設備設計與布置的合理性等。由于許多相關問題在前期的設計過程中已經被評價和處理過，因此這里需要重視那些僅在集成系統測試中才能體現出來的方面，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論，相關系統是有效的，可有效支持操縱員交互并維護電廠安全。

3集成系統確認的審評

從集成系統確認試驗的試驗計劃和結果報告以及現場觀察試驗中，發現目前國內核電廠的集成系統確認試驗主要存在以下問題：①確認團隊獨立性無法保證，專業人員數量過少；②部分場景設置不盡合理，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結束語

在核電廠正式運行之前，主控制室的人因工程設計必須經過驗證和確認，以保證達到設計的要求，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，采用集成系統確認的方法，從規程、控制室人機接口、人員職責等方面來評價集成系統設計是否滿足相應的功能要求。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，同時分析總結了目前ISV存在的主要問題，為后續核電廠的ISV活動提供了有價值的參考。

參考文獻

[1] Hara J M,Higgins J C,Fleger S A,et al. NUREG 0711-2012 Human factors engineering program review model [S].Nuclear Regulatory Commission,2012.

[2] Hara J O,Stubler W,Higgins J,et al.NUREG/CR-6393 Integrated system validation: methodology and review criteria [R].Nuclear Regulatory Commission,1995.

[3] 范正平.EJ/T 1118-2000核電廠控制室設計驗證和確認[S].北京: 中國國防科學技術工業委員會,2001.

[4] 張建波,孫永濱,劉燕子.核電廠先進控制室人因工程V&V方法體系探討[J].儀器儀表用戶,2013(10): 23-27.

[5] Ha J S,Seong P H,Lee M S,et al.Development of human performance measures for human factors validation in the advanced MCR of APR-1400 [J].IEEE Transactions on Nuclear Science,2007(54): 2687-2700.

[6] Gawron V J.Human performance,workload,and situational awareness measures handbook second ed[M].Boca Raton:CRC Press,2008.

[7] Tran T Q,Boring R L,Dudenhoeffer D D,et al.Paper presented at the 2007 IEEE 8th,advantages and disadvantages of physiological assessment for next generation control room design[C]∥2007 IEEE 8thHuman Factors and Power Plants and HPRCT 13thAnnual Meeting，2007:259-263.

[8] Brannick M T,Salas E,Prince C.Team performance assessment and measurement:theory,methods,and application[M].London:Psychology Press,2009.

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年畢業于清華大學核科學與技術專業，獲碩士學位，高級工程師；主要從事核電廠人因工程、儀控系統等的研究。