沈学泽，张 力，青 涛，陈 帅，汤雅沁

(1.南华大学 核科学技术学院，湖南 衡阳 421001；2.湖南工学院 人因与安全工程研究院，湖南 衡阳 421002)

核电厂主控室操纵员根据事故规程的指引执行事故处理任务。事故规程按照呈现载体的类型分为纸质规程与数字化规程。通常基于模拟控制技术的核电厂主控室一般使用纸质规程，比如岭澳一期核电厂、大亚湾核电厂等。纸质规程在使用时不便于检索定位，且存在“块头大”、数量“巨多”、打钩以及执行记录无法保存等可能造成人因失误的因素。近年来，随着计算机技术和自动化水平的提高，事故规程也实现了数字化升级，在国际上，数字化规程的应用已成为先进主控室的重要标志之一[1]。数字化规程具有规程切换简便快捷、动态跟踪和集中显示电厂参数等优点[2]。

模拟主控室和数字化主控室的不同之处在于操纵员需要在盘台间来回走动，以便查看电厂参数并进行操作控制，因此需要手持事故规程，所以难以采用基于计算机工作站的数字化规程。于是核电厂新开发出事故规程信息化系统，它由事故规程服务器和规程移动终端组成，事故规程服务器用来存储数字化的事故规程，在事故工况下，操纵员手持规程移动终端登录系统获取规程来执行事故处理任务[3]。

事故规程信息化系统本质上是数字化规程，由EPRI定义可知规程信息化系统属于EP层次的数字化水平[4]。Liu等[5]对规程数字化的应用研究表明采用数字化规程可以有效减轻操纵员的劳动强度和心理负担，提高核电厂运行的可靠性、安全性和效率。青涛等[6]研究规程数字化水平对操纵员操作绩效的影响后指出，数字化规程的应用可以显著提升操纵员绩效，降低操纵员的心理负荷水平，特别是生理负荷水平。然而规程信息化系统需要操纵员手持规程移动终端进行事故处理，和一般基于计算机工作站的数字化规程有较大的差异。有操纵员反映在使用过程中手臂明显感觉到疲劳，界面管理任务占用了大部分注意力等，预期会极大地影响操纵员的工作负荷。工作负荷是在事故后最直接影响人因可靠性的因素，过高的工作负荷会严重影响操纵员的生理和心理健康，从而降低人因可靠性，导致人因失误并严重威胁核电厂的安全[7]。对此必须予以评估规程信息化系统对操纵员工作负荷产生的影响。因此本文以纸质规程为参考对象，分析规程信息化系统对操纵员工作负荷产生的影响，并提出有效的改进措施，旨在为规程信息化系统的设计、优化以及降低操纵员的工作负荷提供依据。

1 操纵员工作负荷分析

工作负荷是指单位时间内人体承受的工作量，包括生理负荷和心理负荷[8]。生理负荷主要是操纵员骨骼肌系统的负荷量以及相应的肌肉活动状态，操纵员随着体力负荷的增加，会出现局部疲劳或者全身疲劳的情况。心理负荷主要是操纵员在信息处理时由于脑力资源有限而产生的负荷，其信息处理效率会随着负荷的增加逐渐下降并产生精神疲劳，无法集中注意力，可能会导致各种人因失误的发生。

1.1 生理负荷

生理负荷可以通过操纵员任务执行情况间接地对生理指标的变化进行分析。表面肌电信号是通过电极记录下来的神经肌肉活动时发放的生物电信号，能够实时准确地反映肌肉状态，且采集技术成熟，因此通过表面肌电信号研究操纵员的生理负荷是一个有效的途径[9]。研究发现，表面肌电信号振幅对肌力和疲劳状态具有两重依赖性，即振幅会随着肌力增加和疲劳的产生而增加[10]。在用力不大的情况下，肌电幅值与肌肉所施力之间呈很好的线性关系，而肌电幅值的均方根值(root mean square，RMS) 在反映疲劳的稳定性和敏感性方面也要优于其他时域指标[11]，所以本文选取肌电信号的RMS值作为衡量操纵员生理负荷的指标。

1.2 心理负荷

心理负荷的测量方法主要有3种，即双任务测量法、生理测量法和主观测量法。主观测量法因为测量直观、操作简便、无干扰，是最常用的方法。其中，美国NASA-TLX量表是目前使用最为广泛的心理负荷评估工具之一，不仅使用者接受程度最高，且被试间变异最小[12]。该主观量表从6个维度评估总体的心理负荷：心智需求、体力需求、努力程度、挫折程度、时间需求、自我绩效。一些研究认为该量表对于实验操作水平上的心理负荷评估具有较好的信效度，且优于其他一些主观评估工具，因此本文选用NASA-TLX量表探讨规程信息化系统对操纵员心理负荷的影响[13-14]。

2 实验设计

本节通过模拟核电厂主控室操纵员分别使用纸质规程和规程信息化系统在事故工况下执行事故处理任务，对比分析操纵员的表面肌电信号、主观测评数据，旨在评估规程信息化系统对操纵员工作负荷产生的影响。

2.1 实验被试

本次实验被试共30名在职核电厂主控室操纵员，男性，年龄在25～ 40岁之间，均有丰富的操作经验，且都完成了规程信息化系统的培训，能够使用该系统执行事故处理任务。实验以3人为一组，基本依据实际的工作岗位担任一回路操纵员(reactor operator 1，RO1)、二回路操纵员(reactor operator 2，R02) 和机组协调员(coordinator，CR) 。

2.2 实验设备

本次实验场地为国内某核电培训基地，配备有全范围模拟机。纸质规程使用该电厂真实的状态导向事故规程，规程信息化系统则以联想公司生产的一款平板电脑作为规程移动终端。本实验选取5个核电厂典型的事故工况(发生概率较高且危害性较大)，分别是一回路大破口、意外停堆叠加误安注、安全壳内主蒸汽管道破口、失去厂外电、蒸汽发生器单根传热管破裂。肌电信号仪则采用Mind Media公司研发的NeXus-10采集表面肌电信号，采样频率设为2 048 Hz，带通滤波频率设为20～ 500 Hz。

2.3 实验变量

实验自变量为纸质规程和规程信息化系统，因变量为操纵员的生理和心理负荷。测量方法如下。

1) 生理负荷。

操纵员在生理负荷方面主要由手持纸质规程变为规程移动终端，手臂是负荷产生变化的主要部位，而用力最多的肌肉是肱二头肌。由于RO1是事故工况下机组执行事故处理任务的核心，因此本实验使用NeXus-10生物电信号仪采集RO1左侧肱二头肌的表面肌电数据，并计算RMS值作为衡量指标。

2) 心理负荷。

本次实验使用NASA-TLX主观量表测量心理负荷。被试在完成事故处理后，按照实际的感受填写主观量表，两两比较确定指标权重并计算最终的量表得分。

2.4 实验流程

实验开始前对被试进行培训，培训内容包括本次实验的研究目的、生物电信号仪使用注意事项和NASA-TLX量表的指标解释等。

实验被试以机组为单位，分为10组5对，分别使用两种规程执行事故处理任务(每一对机组执行同一个事故场景) 。实验开始前，调试好肌电信号仪，当RO1戴上肌电信号仪并且可以正常采集数据后机组执行事故处理任务。当事故状态得到有效控制后实验结束，时间为1 h左右。操作结束后被试根据主观感受填写NASA-TLX问卷。实验流程如图1所示。

图1 实验流程图Figure 1 Flow chart of the experiment

3 实验结果与讨论

除去由于一对机组肌电信号仪佩戴不当等因素产生的无效数据，实验一共得到4组(以实验场景分) 有效表面肌电信号数据和30份NASA-TLX问卷。

3.1 表面肌电测量结果

初始的表面肌电信号是一维时间电压序列信号，其特点是信号弱、频率低、随机性强，通过时域分析可观察信号幅值随时间的变化规律[15]。本研究选取表面肌电信号的RMS值衡量操纵员的生理负荷。

式中，T为单位时间；t为任意时刻；EMG(t)为t时刻的表面肌电(一维时间电压序列) 信号。为防止实验数据在前期准备与后期结束时产生波动造成数据差异较大，在Matlab软件中去除实验的前10 s与后10 s数据。对操纵员使用两种规程时的RMS值进行单因素方差分析(P＜ 0.01)，存在显著性差异。图2所示为操纵员在每个事故场景使用两种规程时的RMS平均值。

从图2可以看出，操纵员在使用规程信息化系统时的RMS值要高于纸质规程，说明规程信息化系统增加了操纵员的生理负荷水平。可能的原因是规程移动终端的重量要高于纸质规程，或是改变了操纵员的行为模式。因此，首先比较RO1以及机组最常用的纸质规程序列和规程移动终端的重量(如表1所示) 。

表1 规程的重量分析Table 1 Gravimetric analysis of the procedures

图2 两种规程下操纵员的RMS平均值Figure 2 Average of operators' RMS in both procedures

由表1可得，规程移动终端的重量要高于纸质规程的平均重量，说明操纵员在手持规程移动终端时的平均用力较大，从而增加了操纵员的生理负荷。其次通过在实验中观察和比较操纵员在使用两种规程时RMS值的变化趋势(如图3) 分析操纵员行为模式是否改变。

由图3可知，操纵员在使用纸质规程处理事故时，表面肌电信号的RMS值有比较大的波动，且间隔次数多，说明肌肉用力不稳定，有放松时间；而在使用规程移动终端时，RMS值波动比较小，且几乎没有间隔，说明肌肉用力稳定，处于持续用力的状态。这和实验中观察的情况相符，操纵员在使用纸质规程时，拿取规程比较随意和放松，可以选择较为舒服的姿势，比如用手托举、夹在身体一侧或放于背后，在需要用双手操作盘台或放松时，也可随手放在盘台上。而操纵员在使用规程移动终端时，由于担心移动终端掉落，几乎一直保持单手托举的姿势，这样会使操纵员的肌肉处于持续用力且紧张的状态，容易使操纵员产生疲劳感，增加操纵员的生理负荷。实验后有部分操纵员表示与纸质规程相比，规程信息化系统更容易让自己感到疲劳。说明规程信息化系统对操纵员行为模式的改变增加了操纵员的生理负荷，需要进一步优化规程移动终端的重量和便携性。

图3 操纵员使用两种规程时RMS值变化趋势Figure 3 The trends of RMS values when operators use both procedures

3.2 NASA-TLX主观量表测量结果

操纵员心理负荷的得分是量表每个指标的打分与各个指标权重乘积加权的值，如下为计算公式。

式中，Xi是对每个指标的打分；Wi为每个指标的权重。

由于操纵员角色和使用规程的不同可能会对实验结果产生交互影响，因此对操纵员的心理负荷评分进行角色和规程的双因素方差分析(见表2)。由表2可得，两种事故规程对操纵员整体的心理负荷水平存在显著性影响(F=4.801，P=0.038＜0.05)，操纵员角色(RO1、RO2、CR) 对整体的心理负荷水平没有显著性影响(F=0.240，P=0.788＞0.05)，角色与规程对整体的心理负荷水平没有显著的交互影响(F=0.621，P=0.546＞0.05)，说明两种规程之间的差异是引起操纵员心理负荷产生变化的最主要原因。

表2 角色和规程对操纵员心理负荷评分的双因素方差分析Table 2 Two-factors ANOVA of operator' roles and procedures on mental-load

图4为两种规程下操纵员的心理负荷得分，可得操纵员使用规程信息化系统时的心理负荷要高于纸质规程。

图4 操纵员使用两种规程时的心理负荷得分Figure 4 Operators' mental-load in both procedures

可能原因如下。1) 操纵员不能够熟练使用规程信息化系统。虽然在实验前已经接受了系统的培训，但是操纵员还不能够完全掌握其丰富的功能，不能熟练应对事故工况下快速变化的情境。2) 数字化锁孔效应的存在、需要手动放大事故规程显示等界面管理任务占用了操纵员较多的注意力资源。3) 规程移动终端存在软硬件适配问题，比如触控笔有时点击屏幕没有响应，打字时浮出的键盘会覆盖住一半的屏幕等，这同样会分散操纵员的注意力。4) 规程信息化系统较高的体力需求引起操纵员心理负荷的增加。

为了进一步探究规程信息化系统引起操纵员心理负荷增加的原因，对两种规程下NASA-TLX量表中的6个指标分别作单因素方差分析(见表3) 。发现只有体力需求存在显著差异(F=10.498，P=0.003＜0.05)，可知操纵员使用规程信息化系统时的体力需求要显著高于纸质规程，如图5所示。这和操纵员生理负荷的测量结果相符。说明规程信息化系统过高的体力需求引起了操纵员分配在操作动作上的注意力资源增加，是导致规程信息化系统心理负荷得分显著高于纸质规程的主要因素。

表3 NASA-TLX 6个指标的单因素方差分析Table 3 One factor analysis of variance for six indexes of NASA-TLX

图5 两种规程下操纵员的体力需求得分Figure 5 Operators' physical-load in both procedures

为了探究其他指标对操纵员心理负荷产生的影响，对NASA-TLX量表中各指标得分的平均值进行比较，如图6所示。从各个指标上来看，操纵员使用规程信息化系统时的心智需求和自我绩效都有所降低，可能原因是其降低了操纵员在切换规程、寻找界面及参数方面的难度，从而减少了操纵员的心理负荷；时间需求、努力程度、挫折程度相比较纸质规程有所增加，可能是操纵员使用规程信息化系统还不够熟练以及界面管理任务对注意力资源的消耗给操纵员带来较高的心理负荷；从整体上来看，心智需求得分最高，可能原因是在事故场景中，系统状态迅速变化，需要操纵员进行大量的分析和决策；时间需求得分最低，可能原因是，在模拟机上的操作不会有任何后果，因此操纵员难以感受到时间压力。

图6 心理负荷6项指标均值比较Figure 6 Comparison of six indexes for NASA-TLX

4 结论

1) 本文通过实验探究规程信息化系统与纸质规程相比对操纵员工作负荷产生的影响，可知，规程信息化系统在一定程度上增加了操纵员的工作负荷水平。

为了降低操纵员使用规程信息化系统时产生的工作负荷，提出以下几点建议：(1) 与规程移动终端厂商合作，开发或者定制重量较轻的设备；(2) 提高规程移动终端的便携性，从而降低操纵员的生理负荷，比如开发随身装置，操纵员可以随手放下终端而不用担心掉落；(3) 有针对性地对界面管理任务进行优化，降低对操纵员注意力资源的消耗；(4) 对规程移动终端的软件进行优化，提升软件可靠性；(5) 加强对操纵员的培训，确保操纵员熟练使用规程信息化系统。

2) 通过对规程信息化系统进行针对性的设计优化和加强操纵员培训，预期会显著降低操纵员的工作负荷。在事故情境下，操纵员的工作负荷将会对人因可靠性产生显著的影响，本文的研究结果可为操纵员培训及规程信息化系统的设计优化提供依据。

本文的研究存在的局限是在模拟机上执行事故处理任务难以对操纵员形成时间压力，且仅考虑规程信息化系统对于工作负荷的影响，而未考虑对操纵员工作绩效、情景意识、人因可靠性的影响。