軟控制啟動核電站化容系統人因失誤分析

張宇欣，楊坤澤，宋夢楚，楊 明

（1．哈爾濱工程大學核科學與技術學院，黑龍江哈爾濱150001；2．華師附中國際部，廣東廣州510630；3．岡山大學自然科學與技術學院，日本岡山1080023）

軟控制啟動核電站化容系統人因失誤分析

張宇欣1，楊坤澤2，宋夢楚3，楊 明1

（1．哈爾濱工程大學核科學與技術學院，黑龍江哈爾濱150001；2．華師附中國際部，廣東廣州510630；3．岡山大學自然科學與技術學院，日本岡山1080023）

先進主控制室采用基于計算機的軟控制方式完成核電站的運行監視和控制，與傳統模擬主控制室相比人機界面和人機交互發生顯著變化。針對先進主控制室中新的人因失誤模式可能造成的運行風險，本文以壓水堆核電站正常冷停堆工況下啟動統為例，對運行規程中所涉及的19個子任務、70個操作步驟進行了任務分析，識別了主控制室操縱員以軟控制方式執行規程時可能發生的8種人因失誤模式以及子任務之間的相關性，對子任務和總體任務的人因失誤概率進行了定量分析，探討了實施操作監督和人機界面改進對減少軟控制人因失誤的作用。研究結果表明：通過訓練提高操縱員水平、針對復雜任務進行操作監督、引入替代運行規程并不斷改進人機界面設計可有效降低軟控制人因失誤概率。

軟控制；人因失誤分析；先進主控制室；核電站；應急操作規程

采用先進主控制室已經成為核電發展的必然趨勢。在先進主控制室中操縱員利用計算機以軟控制方式完成運行監視和操作。軟控制是指通過對計算機屏幕上虛擬圖標進行操作完成運行控制，控制裝置與控制系統及顯示系統是通過軟件間接的、而不是直接的物理連接［1］。在軟控制環境下，先進主控制室人機界面和人機交互方式發生了顯著變化:一方面操作更加便捷，可以獲得更多的系統和設備運行信息，為系統分析［2］、警報分析［3］、故障診斷［4-6］和風險監測［7-8］等智能化運行支持技術的應用提供了可能；同時引入了新的故障模式，人機界面的復雜性也可能導致操作失誤。

目前THERP等［9］主控制室人因失誤分析技術大多面向傳統主控制室中的硬盤臺操作，針對先進主控制室軟控制的人因可靠性分析方法研究是領域內研究的熱點問題。

對軟控制進行人因失誤分析可以評估操縱員在規定的環境下和規定的時間內完成規定任務的能力（概率），從而為進行數字化儀控系統可靠性分析以及概率安全分析（PSA）［10-11］提供數據輸入。通過統計分析可以識別影響軟操作的關鍵性因素并追溯其根本原因，從而為開展有針對性的操縱員培訓以及運行規程和人機界面改進等工作奠定基礎。

本文以操縱員在核電站正常冷停堆工況下以軟控制方式啟動化容系統（CVCS）為例，結合先進主控制室人機交互特征進行人因可靠性預計。

1 化容系統啟動規程任務序列分析

進行任務序列分析的目的是識別運行人員實施操作規程時可能發生的人因失誤模式，任務序列分析使用如下術語［12］:1）任務:指操作規程中的條目，由若干子任務組成；2）子任務:指任務中的條目；3）步驟:可具體實施的任務或子任務，進一步劃分為操作選擇、屏幕選擇、控制設備選擇和操作執行等4個類型，其中操作執行提供實際的控制信號，被稱為主任務，其他被稱為次要任務。

表1 化容系統啟動規程任務序列Table 1 Task sequence of CVCS starting procedures

正常冷停堆工況下啟動化容系統的任務是利用上沖泵對反應堆主冷卻劑進行凈化，相關規程涉及19個子任務、70個步驟和4個軟控制界面，表1給出了化容系統回路準備規程的任務序列，其中子任務1、5和6需要轉入其他規程執行，子任務9、10和16需要就地操作、不在主控制室實施，本文所進行的人因失誤分析中不包含上述6個子任務。在軟控制環境下，人因失誤模式劃分為操作選擇疏漏（E0）、操作執行疏漏（E1）、屏幕選擇錯誤（E2SS）、設備選擇錯誤（E2DS）、操作錯誤（E3）、模式混淆（E4）、操作不當（E5）以及操作延誤（E6）等8種類型。化容系統軟控制界面如圖1所示，子任務2和3的軟控制步驟見表2，相應的人因失誤模式分析見表3。

表2 子任務2和3的軟控制步驟Table 2 Procedure steps of sub-tasks 2 and 3

表3 子任務2和3的人因失誤模式Table 3 Human error modes of sub-tasks 2 and 3

2 無監督條件下人因失誤概率預計

軟控制人因失誤概率（HEP）的預計公式［13］為

式中:Ei表示人因失誤模式的發生概率，Ri表示人因失誤模式i的糾正失誤概率（i=1，2SS，2DS，3，4，5，6），K表示相關性等級（K=19，6，1，0）。

以子任務2為例，人因失誤概率計算公式為

表4給出了在無監督且不對人因失誤進行糾正的條件下軟控制人因失誤概率的試驗統計數據，其中q50表示人因失誤概率的中位數，q5和q95表示中位數5％和95％置信區間的分位數，該組數據是通過對42名核專業人員進行統計實驗獲得［14］。

進一步假設軟控制界面設計為中等水平，任務許可時間為60～120 min。由圖2可以獲得在無監督情況下，操縱員糾正主任務人因失誤的失效概率為0．2，同時假設糾正次要任務失誤的失效概率為0．01。據此可計算獲得子任務2的人因失誤概率為2．93×10-3。由表3可知，子任務3的人因失誤模式與子任務2相同，若子任務2和子任務3為相互獨立事件，則子任務3應具有與子任務2相同的人因失誤預計公式和人因失誤概率。

圖1 化容系統軟控制界面Fig．1 Soft control interface of CVCS

表4 無糾正條件下人因失誤概率統計數據Table 4 Statistical data of HEP without corrections

但考慮子任務2和子任務3均完成閥門關閉功能，所不同的是控制設備分屬不同的操作界面，在子任務2成功的條件下，子任務3發生人因失誤的概率應有所降低。圖3給出了子任務間相關性判別準則，據此可以判斷子任務3和子任務2具有低度相關性。表5給出了兩個子任務間相關性等級及條件概率關系。綜上，子任務3的人因失誤預計為

據此計算子任務3的人因失誤概率為2．78×10-3。

同理分析可知子任務7和子任務8．1，以及子任務11和子任務12之間具有低度相關性。表6給出了在無監督條件下以軟控制方式啟動化容系統時子任務和總體任務的人因失誤概率預計結果。

圖2 軟控制主任務人因失誤的糾正失效概率判別準則Fig．2 Rules for judging the recovery failure probabilities of primary task errors

圖3 子任務相關性的判別準則Fig．3 Rules for judging dependency between sub-tasks

人因失誤預計結果表明，選用統計數據置信區間的下側和上側分位數數據所預計的人因失誤概率與選用中位數數據相比人因失誤分別下降和上升了31．6％和51．6％，表明軟控制人因失誤預計模型對模型參數比較敏感，這一方面說明了通過大量實驗或運行經驗進行更加準確以及合理的人因失誤概率統計的重要性，另一方面也說明了技能水平不同的運行人員在規定時間和環境下完成規定任務時的人因失誤概率具有很大的差異性，同時也說明了通過培訓提高核電站運行人員的技能水平對于減少軟控制人因失誤發生的重要性。

表5 A和B兩個子任務見相關性等級及條件概率關系Table 5 Dependency degree and conditional probability relations between sub-task A and B

表6 無監督條件下啟動化容系統時人因失誤概率Table 6 HEPs of starting CVCS without supervision

3 操作監督對減少人因失誤的影響

在核電站實際運行中，運行人員可以通過團隊或技術監督等方式發現人因失誤并進行糾正，在考慮有監督條件下完成化容系統的啟動，根據圖1可知，此時糾正人因失誤的失效概率為0．1。重新進行子任務及總體任務人因失誤概率預計，結果見表7。通過與上例的預計結果進行對比可知，在考慮技術監督的情況下，子任務人因失誤概率有明顯降低，總體任務的人因失誤概率在模型參數置信區間的上側分位數、中位數和下側分位數上分別下降了47．47％、47．39％和47．17％，這說明了實施操作監督對減少人因失誤可以發揮重要的作用。

表7 有監督條件下啟動化容系統時人因失誤概率Table 7 HEPs of starting CVCS under supervision

4 改進人機界面對人因失誤的影響

若進一步考慮通過改進軟控制界面設計，使之從中等水平提升至高級水平，同時對軟控制實施監督，此時糾正主要任務人因失誤的失效概率下降為0．05，重新進行子任務和總體任務的人因失誤概率預計，結果見表8。

表8 實施操作監督和人機界面改進對人因失誤的綜合影響Table 8 Comprehensive effects of supervisory and advanced HMI design on HEPs

通過對比分析可知，在考慮人機界面改進和操作監督的綜合影響下，子任務人因失誤概率下降更為顯著，總體任務的人因失誤概率在模型參數置信區間的下側分位數、中位數和上側分位數上相對下降了71．73％，71．75％和71．73％。

5 結論

核電站采用先進主控制室技術已經成為必然趨勢，采用基于計算機技術的軟控制使核電站運行操作更加便捷的同時，主控制室人機界面和人機交互方式的變化也帶給核電站新的運行風險，本文以壓水堆核電站正常冷停堆工況下以軟控制方式啟動化容系統為例給出了軟控制人因失誤分析及人因失誤概率預計方法。

通過算例分析結果可知:

1）由于規程中各子任務需順次執行，因此總體任務的人因失誤概率較大，在實際電站運行時應考慮為子任務4、子任務13．2以及子任務14等復雜任務提供替代方案，避免子任務發生錯誤且無法糾正時造成總體任務失敗；

2）模型參數取值對人因失誤預計結果影響較大，因此建議加強人因失誤試驗統計分析工作，使預計結果能夠更加真實反映電站實際運行狀況，同時應根據人因失誤分析和預測結果有針對性地加強運行人員培訓，可有效減少人因失誤的發生；

3）人機界面改進和實施操作監督對可有效減少人因失誤的發生，特別是對不熟練運行人員而言人因失誤降低的效果更加顯著，因此建議在電站實際運行中加強班組協助，同時考慮引進運行支持系統，實現對運行操作的智能化監督。

此外，本文所述方法也為核電站主控制室軟控制界面的改進和評價提供了一種理論依據。

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Human error analysis of starting CVCS in soft controls in nuclear power plants

ZHANG Yuxin1，YANG Kunze2，SONG Mengchu3，YANG Ming1
（1．College of Nuclear Science and Technology，Harbin Engineering University，Harbin 150001，China；2．International Department，the Affiliated High School of South China Normal University，Guangzhou 510630，China；3．Graduate School of Natural Science and Technology，Okayama 1080023，Japan）

Computer-based soft control has been applied in advanced main control rooms（MCRs）for supervision and control of nuclear power plants．Compared with traditional MCRs based on analog technologies，man-machine interfaces and interactions in advanced MCRs have been significantly changed．In this study，taking the chemical and volume control system（CVCS）in a pressurized water reactor as an example，the tasks of operating procedures involving 19 subtasks and 70 steps for starting the CVCS under a normal shutdown operation condition are firstly analyzed．Furthermore，eight potential failure modes are identified when the operators executed each step of the operating procedures．The correlations between subtasks are also analyzed．Case studies are conducted for quantitatively estimating the human error probability of each subtask and the task as a whole．Finally，the effects of supervising soft control and improving man-machine interface on the reduction of human errors are discussed．The research results show that the human error probability could be reduced significantly by the means of improving the operator′s skill，introducing the substitution operating procedures，conducting supervision on each complex task and continuously improving the human machine interface．

soft control；human error analysis；advanced main control room；nuclear power plant；emergency operating procedures

10．11990／jheu．201605066

http：／／www．cnki．net／kcms／detail／23．1390．U．20161125．1549．002．html

TL364

A

1006-7043（2016）12-1653-06

張宇欣，楊坤澤，宋夢楚，等．軟控制啟動核電站化容系統人因失誤分析［J］．哈爾濱工程大學學報，2016，37（12）:1653-1657，1747．

2016-05-19．

2016-11-25．

中歐核能合作項目（J154213001）．

張宇欣（1989-），男，博士研究生；

楊明（1971-），男，教授，博士生導師．

楊明，E-mail:yangming＠hrbeu．edu．cn．

ZHANG Yuxin，YANG Kunze，SONG Mengchu，et al．Human error analysis of starting CVCS in soft controls in nuclear power plants［J］．Journal of Harbin Engineering University，2016，37（12）:1653-1657，1747．