Nuclear Science and Technology 核科学与技术, 2013, 1, 1-8 http://dx.doi.org/10.12677/nst.2013.11001 Published Online October 2013 (http://www.hanspub.org/journal/nst.html) Methods on the Research of Operator Reliability Xiang Fang, Yangping Zhou, Fu Li Institute of Nuclear and New Energy Technology of Tsinghua University, Beijing Email: fxdirection@sina.com Received: Aug. 23rd, 2013; revised: Sep. 20th, 2013; accepted: Sep. 26th, 2013 Copyright © 2013 Xiang Fang et al. This is an open access article distributed under the Creative Commons Attribution License, which permits unre- stricted use, distribution, and reproduction in any medium, provided the original work is properly cited. Abstract: The paper, utilizing nuclear power plant as a research platform, summarizes the multiple relevant research methods on reliability to Chinese nuclear power plant operators over the past 10 years. The paper analyzes the necessity and feasibility of studying the nuclear power plant operators in China from various angles like human cognition reliabil- ity model, fuzzy synthetic evaluation math model, and psychology quality research model etc. The summary of these re- search methods is not only a record of the past years’ research about operators’ reliability but also a discussion about the research methods themselves. These methods of the nuclear power plant operators’ reliability research will be not only useful to the safe operation of nuclear power plant but also will be used as reference for the operators of other industries. Keywords: Nuclear Power Plant Operator; HCR Model; Borda; Possibilistic Fuzzy Regression Model; Psychology Quality; Activity Evaluation; Fuzzy Synthetic Evaluation; Psychology Evaluation 操纵员可靠性研究的相关多种方法 方 向,周杨平,李 富 清华大学核能与新能源技术研究院,北京 Email: fxdirection@sina.com 收稿日期:2013 年8月23 日;修回日期:2013年9月20 日;录用日期:2013年9月26 日 摘 要:本文采用核电厂模拟器作为研究平台,对过去十几年来中国核电厂操纵员的可靠性研究采用的多种相 关方法进行了回顾总结,说明了从人的认知可靠性模型、模糊综合评价数学模型、心理素质研究模型等多种角 度对中国核电厂操纵员研究的必要性和可行性。这些研究方法的总结,既是对核电厂相关人的可靠性研究的真 实记录回顾,也是对其中研究方法的再次探讨。对核电厂操纵员进行可靠性研究的多种方法不仅可以对核电厂 的安全运行起到有益作用,而且可为其他行业操纵员可靠性研究提供参考。 关键词:核电厂操纵员;人的认知可靠性模型;Borda 数;可信性模糊回归模型;心理素质;行为评价; 模糊综合评价;心理评价 1. 引言 在核电厂发生的重大事件和事故中,人因原因引 起的已占到一半以上。现在世界上许多国家都越来越 重视操纵员的可靠性研究。 核电厂操纵员作为保证核电厂安全的最重要因 素已越来越受到重视。对核电厂操纵员可靠性的研究 方法也是多种多样。本文针对中国核电厂操纵员在过 去十几年间的多种可靠性研究方法进行了简要回顾 与总结,这些方法的综合应用不仅对核电厂的安全运 行是十分重要,而且可以为其他行业操纵员可靠性研 究提供参考。 Copyright © 2013 Hanspub 1 操纵员可靠性研究的相关多种方法 2. 核电厂操纵员进行可靠性研究的多种 相关模型及方法 中国核电厂操纵员的可靠性研究主要经历包括 了认知可靠性模型研究、操纵员综合评价、操纵员心 理素质评价系统研究等几个阶段和多个不同方面。如 图1所示。 其中操纵员的基本素质包括学历、工作年限、工 作职务、有无执照等基本内容;操纵员岗位能力包括 岗位相关知识能力、事故响应能力、协作能力和沟通 能力等内容;操纵员心理素质评价考虑了操纵员作为 核电厂最重要安全因素的评价内容。下面简单介绍其 研究的模型方法与主要成果。 2.1. 核电厂操纵员认知可靠性模型研究 对核电厂操纵员的可靠性研究主要是在核电厂 模拟器上对操纵员在有时间约束条件下的事件响应 的定量研究。象美国、匈牙利、日本与台湾等多个国 家地区都是利用人的认知可靠性模型HCR (Human Cognitive Reliability)来进行研究[1]。 人的认知可靠性模型HCR 是定量进行人的可靠 性分析 HRA (Human Reliability Analysis)模型中最有 影响的一种。它是基于把专业操纵员行为详尽分为技 能型、规则型和知识型的模型。人的认知可靠性模型 首先根据人的认知过程对人的行为进行了分类;其次 对三种不同的认知过程类型的不响应概率用不同的 三种时间–可靠性曲线加以区分。如图 2所示[2]。 HCR模型提出了人的行为类型的三种类型假定, 即技能型、规则型、知识型。根据核电厂模拟器实验 的结果可以得到相应的三条时间-人员不响应概率曲 线,其中时间是实际反应时间与完成操作的中值时间 T0.5 之比所得到的归一化时间。这三条曲线可以用威 布尔分布(或对数正态分布)来拟合[3]。 中国核电厂操纵员可靠性研究实验选择了六个 事故序列情景,它们是蒸汽发生器 U形管破裂(SGTR) 操纵员综合能力评价内容 操纵员基本素质评价 操纵员岗位能力评价 操纵员心理素质评价 Figure 1. Evaluation content of capability of operators 图1. 操纵员综合能力评价内容 知识型 规则型 技能型 1 0.1 1.0 10.0 规范化时间 Figure 2. HCR curve of human cognitive reliability 图2. 人的认知可靠性 HCR 曲线 Copyright © 2013 Hanspub 2 操纵员可靠性研究的相关多种方法 事故、一回路失水(LOCA)事故、主蒸汽管道断裂 (MSLB)事故、甩外 负荷(EPNF1, EPNF2)事故和未紧 急停堆的预期瞬变(ATWS)事故。 实验对 HI 进行研究。HI 是指核电厂在异常运行 条件下,操纵员对核电厂症状的一种响应。核电厂的 症状包括报警信号、运行参数变化。自动动作等,而 操纵员的响应是指操纵员的控制操作、通讯交流、选 择规程等。 被试人员是来自中国一核电厂的新、老操纵员, 共计 54人,分成四批,10个班组。 6个实验 HI的操纵员反应中值时间 T0.5,认知模 型尺度参数 i,形状参数 i,分别如表1所示。 根据 950 MW 全尺寸模拟器实验获得的参数,六 个实验事故的威布尔分布拟合曲线可以得到,如图 3 所示。 在图 3中,六个实验事故曲线SGTR(HI1),LOCA (HI2) ,MSLB(HI3) ,EPNF1(HI4) ,ATWS(HI6) 与 EPNF2(HI5)从左至右排列。 300 MW真实核电厂模拟器的实验数据重复了以 上结果。 6个实验事故的结果证明我国核电厂操纵员对的 行为类型基本为规则型,这反映了我国核电厂操纵员 的特点;实验中所求得的响应时中值含有操纵员可靠 性的大量信息,可以用来对操纵员的行为进行分析和 鉴定。它可以被监测、可以被定量化计算、与操纵员 的行为有关而且对于有时间约束的核电厂操纵员可 靠性分析来说,是影响核电厂安全的重要因素,因此, 可以作为中国核电厂操纵员的行为标识物。 2.2. 可信性模糊回归模型对操纵员事故响应时 研究的应用 核电厂操纵员的事故响应时间,受到多种行为形 成因子(Performance Shape Factor)PSF 的影响,例如: 应激压力,EOP 规程,认知程度等等。因此要研究这 些PSF 的综合影响,可以假设核电厂操纵员的事故响 应时间与 PSF 有关,能够用数学方程表示。但是由于 PSF 的影响难以定量描述,所以采用可信性线性模型 即可信性分布(模糊分布)模型来描述核电厂操纵员事 故响应时间这个复杂问题。 因为 PSF如:操纵员经验、年龄、素质等影响核 电厂操纵员的事故响应时间,所以根据可信性线性模 型的方法可以将核电厂操纵员的事故响应时间与 PSF 间的线性模糊关系描述为下面公式(1): 01122 nn YAAXAX AX (1) Table 1. Weibull distribution fitting parameters 表1. 威布尔分布拟合参数表 HI i i T0.5 (秒) SGTR 1.17 2.3 81.89 MSLB 1.23 1.75 28.39 LOCA 1.24 1.7 54.81 EPNF 1.56 0.82 18.55 ATWS 1.4 1.1 57.36 不响应 概率 HI1-SGTR(+) HI2-MSLB(△) HI3-LOCA(□) HI4-EPNF1(▽) HI5-EPNF2(▲) HI6-ATWS(■) 0.8 1.0 0.1 1.0 0.8 0.6 0.60.40.2 0.4 0.2 0.10 0.08 0.06 0.04 0.02 0.01 HI5 HI6 HI4 HI3 2.04.06.08.0 10.0 HI2 HI1 规范化时间 Figure 3. Fitting curve of 2 parameters of Weibull distribution 图3. 基于两参数威布尔分布的事故拟合曲线 Copyright © 2013 Hanspub 3 操纵员可靠性研究的相关多种方法 其中 Y是由模糊数表示的响应时间,而X1, X2…Xn是 实数的 PSF,而 A0是模糊数常数,表示核电厂操纵员 事故响应时间参数, A1…An是用模糊数表示的对事故 响应时间产生影响的PSF 参数,例如:影响操纵员响 应时间的因素有应激压力、EOP规程、认知程度、人 机界面设计中的工效学水平、(报警,安全)参数显示 系统(SPDS)、操纵员的组成、通讯、培训以及经验等。 可以利用可信性线性模糊回归模型进行有关核 电厂操纵员的事故响应时间受到各种因素影响的研 究。目前的研究认为操纵员的事故响应时间与操纵员 的年龄、控制室内外的工龄、学历等因素有关[4]。 公式(1)提供了利用可信性线性模糊回归模型研 究核电厂操纵员事故响应时间的方法,明确了绩效形 成因子 PSF 对操纵员事故响应时的影响,该模型可以 应用到很多复杂系统的研究中。 根据中国核电厂操纵员的现有数据资料以及模 拟机试验结果,可以利用可信性线性模糊回归方法对 核电厂操纵员事故响应时间进行研究。 中国核电厂操纵员具有共性的因素是年龄、控制 室内的工作经验、控制室外的工作经验以及文化水 平。 对于中国核电厂操纵员响应时Yj的线性模糊回 归有下列结果: 011 22 33 j jj YAAX AXAX j (2) 其中 X1j,X2j,X3j是指第 j组操纵员的年龄,控制室 外经验以及受教育的时间,当Yj = (Yj, j)L按照由第 j 组的输入变量 Xj = (X1…X3)jYj和Ai为由模糊数,i = 0,…3, A0表示核电厂操纵员事故响应时间的模糊数参 数, A1、A2和A3分别表示操纵员年龄、控制室外经验 与所受教育程度的模糊数参数。 在HRA 的研究中用模糊回归方法去研究操纵员 的失效概率,可以提供一个在 PSF(年龄,控制室经验, 文化水平)与操纵员响应时之间很好的拟合关系。尽管 由于实验条件之间的差别,在不同的环境状况下可能 有不同的结果。但是,模糊回归模型会给分析人员提 供更接近的失效概率。 具体研究中采用 24 名8组操纵员的事故响应时 间、年龄、控制室内经验、控制室外经验和文化水平 均取各组操纵员的平均值。 通过前面分析的步骤得到操纵员事故响应时的 可信性线性回归方程为: 1 23 1417.2, 10121.8,0 82.27, 095.45, 0 L LL YX L X X (3) 其中 X1,X2,X3分别代表年龄、控制室外工作经验与 文化程度。 从公式(3)可以看到, A0为正值,表明核电厂操纵 员的事故响应时间有一基本的模糊数常数,PSF 因子 的作用是通过A1、A2和A3来实现的。操纵员的年龄 系数 A1是负值,表明年龄越大,凭经验进行迅速判断 的可能性越大,对事故响应时间是负的干扰;操纵员 的控制室外的工作经验即工龄与文化程度的系数 A2 和A3均为正值,表明工作经验的丰富与接受过较好的 教育可以提高操纵员的综合素质与判断能力,可以避 免简单下结论进行判断。 2.3. 核电厂操纵员模糊综合评价研究的 Borda数法 Borda 数法与 Borda 规则作为模糊综合评价中的 重要方法被广泛地应用于选拔性研究、健康领域研究 和社会经济学研究等方面。 该方法可以用于定量分析综合评价核电厂操纵 员。在该方法中,对于因素集U={u1, u2, …, un},评 价结果可以被不同的等级、评价和数据表述。假设有 m种评价等级,相关评价集为 V={v1, v2, …, vm}。由 于 不同的评价因素具有不同程度,评价因素ui被付与权 重因素 ai,并且 1 1 n i i a 。不同的权重分配将导致不 同的综合评价结果。权重因素可被表述为 A = {a1, a2, …, an}。在得到 U,V和A后,评价集可通过模糊 相关转换矩阵A˚(U × V)获得。 将核电厂操纵员在模拟器上完成的 6个实验作为 综合评价因素集B = {SGTR, LOCA, MSLB, EPNF1, EPNF2, ATWS}。通过专家给出相应实验权重集 1 1 n i i x 。模糊评价结果 。根 1 n tii i BxB x 据评价的结果可以预测核电厂操纵员的综合能力并 通过实际进行检验[5]。 2.4. 核电厂操纵员心理素质评价研究 随着现代心理测量学理论研究的深入及心理测 Copyright © 2013 Hanspub 4 操纵员可靠性研究的相关多种方法 量在人员选拔上的应用,心理选拔系统在人员测量和 评价中起着越来越显著的作用,成为对人的行为进行 评价、预测的核心内容之一。 国外对从事危险职业的心理研究相对开始较早。 例如德国利用飞行员心理选拔系统在飞行员预选方 面取得了突出的成绩;前苏联Prognoz 心理研究所对 核电厂操纵员的研究表明,绩效水平的高低和某些特 定的心理特质如责任感、情绪稳定性等密切相关;此 外心理研究也涉及到了潜艇艇员、高速火车司机、空 管人员等方面。 国内针对核电领域,还没有核电厂操纵员心理选 拔所需要的各个维度,研究还不够深入。 针对中国核电厂操纵员,选择了9个与操纵员密 切相关的核电厂事故进行了分析。研究最终得到核电 厂操纵员的心理选拔系统包括认知能力、人格心理特 质和心理健康3个方面。 1) 认知能力 中国核电厂操纵员的认知能力包括观察力、操作 能力、注意力、记忆力、数量分析能力、逻辑综合判 断能力等六个方面; 2) 人格特质 人格是一个人以特定方式进行行动的内在的结 构与过程。人格心理特质包括合群性、决断性、自律 性、情绪稳定性、风险处理能力、成就愿望等六个维 度; 3) 心理健康 心理健康是操纵员正常操作的基本要求。本研究 包括了躯体化、强迫症状、人际关系敏感、抑郁、焦 虑、敌对、恐怖、偏执、精神病性等九个维度。 认知能力的测量可以通过专业心理学仪器进行; 人格心理特质测量主要通过纸笔测验法和专家面试 法;心理健康测量采用SCL-90 量表[6]。 其中: 到分别为合群性、决断性、自律、情 绪稳定性、风险处理、成就愿望;S1到S9分别为躯体 1 z6 z 化、强迫症状、人际关系敏感、抑郁、焦虑、敌对、 恐怖、偏执、精神病性。 表2数据显示了甲乙两个操纵员的相关心理特质 数据,根据相关标准的比对,可以容易地得出操纵员 甲为高绩效操纵员,操纵员乙的绩效较低。 2.5. 核电厂操纵员心理特质与绩效相关性评价 研究 核电厂操纵员心理研究包括两个重要方面:心理 特质与绩效相关性。在平行获取得到操纵员这两个方 面的数据后,可以采用如下研究方案如图4所示进行 研究。 为了得到操纵员心理特质和其绩效的关系,对36 个操纵员的心理特质和其绩效进行相关性分析,结果 如表 3所示。 从表的结果可以看出,维度可以分成上下两个不 同部分。上面的 6个人格特质维度和绩效基本上都是 正相关,维度得分越高,绩效越好。其中合群性、自 律性以及情绪稳定性和工作绩效有明显的正相关(工 作绩效是任务绩效和满意度的平均值)。下面的 9个心 理健康维度则都和绩效负相关,维度得分越高,绩效 越差。其中强迫症状、人际关系敏感、抑郁和工作绩 效有明显负相关。 通过对核电厂 36 个操纵员的心理特质和绩效进 行测量得到的表3中的结果。并对操纵员的心理特质 数据和绩效数据进行分析,可以得到如下结论: 1) 核电厂操纵员在15个心理特质维度上和常模 存在着一定的差异。在自律性维度上比全国常模要 低,情绪稳定性和风险处理维度则明显比全国常模要 高。在躯体化、强迫症状、人际关系敏感、抑郁、焦 虑、敌对、恐怖、偏执、精神病性9个心理健康维度 上均比全国常模要低。这说明操纵员的总体心理素质 水平较高。 2) 合群性、决断性、自律性、情绪稳定性、风险 Table 2. Psychic trait data 表2. 心理特质数据 1 z 2 z 3 z 4 z 5 z 6 z 1 S 2 S 3 S 4 S 5 S 6 S 7 S 8 S 9 S 标准 57 55 61 54 54 55 1.1 1.3 1.3 1.1 1.1 1.2 1.1 1.2 1.2 甲 66 64 62 50 58 56 1.1 1.4 1.3 1.1 1.1 1.2 1.0 1.3 1.4 乙 56 46 58 50 45 52 1.5 2.5 2.2 2.2 1.5 1.7 1.3 2.5 1.3 Copyright © 2013 Hanspub 5 操纵员可靠性研究的相关多种方法 Figure 4. Research solution of relativity 图4. 相关性研究方案 Table 3. The relativity analysis of psychic trait and performance 表3. 心理特质和绩效的相关性分析 任务绩效 满意度 工作绩效 合群性 0.405* 0.413* 0.503* 决断性 0.381* 0.118 0.235 自律性 0.273 0.326 0.369* 情绪稳定 0.194 0.427* 0.388* 风险处理 0.240 −0.076 0.092 成就愿望 0.258 0.245 0.309 躯体化 −0.195 −0.231 −0.263 强迫症状 −0.192 −0.343* −0.332* 人际关系敏感 −0.125 −0.413* −0.338* 抑郁 −0.213 −0.410* −0.388* 焦虑 −0.244 −0.027 −0.161 敌对 −0.086 −0.319 −0.255 恐怖 −0.013 −0.056 −0.044 偏执 −0.179 −0.344* −0.326 精神病性 −0.035 −0.128 −0.102 *P < 0.05。 Copyright © 2013 Hanspub 6 操纵员可靠性研究的相关多种方法 Copyright © 2013 Hanspub 7 Figure 5. Fuzzy evaluation of expert system structure 图5. 模糊评价专家系统逻辑框架 处理、成就愿望这 6个人格特质维度都和工作绩效正 相关,其中合群性、自律性以及情绪稳定性和工作绩 效有明显的正相关。躯体化、强迫症状、人际关系敏 感、抑郁、焦虑、敌对、恐怖、偏执、精神病性 9个 心理健康维度则都和工作绩效负相关,其中强迫症 状、人际关系敏感、抑郁和工作绩效有明显负相关。 这说明合群性、自律性以及情绪稳定性等6个人格特 质维度得分越高,相应人员的工作绩效就越高;强强 迫症状、人际关系敏感和抑郁等9个心理健康维度得 分越高,相应人员的工作绩效就越低。 3) 危险职业人员的心理特质和绩效间都存在着 密切的关系,高绩效人员一般都具有很好的合作性、敢 为性、冷静及心理健康。核电厂操纵员同样符合这一 规律[7]。 2.6. 核电厂操纵员可靠性研究中专家系统的 应用 操纵员的可靠性研究涵盖了基本素质、岗位能力 和心理相关因素等多种多个方面的多维度评价。这个 过程是极其复杂的。而当把人、时间和相关环境等多 种因素叠加在一起时,系统变得更加复杂而多维[8]。 此时,可以利用专家系统来进行高效的判断。如图 5 所示。 可以看到,前面谈到的各种对操纵员可靠性的研 究模型或方法都可以转换为操纵员总体最终评价的 一部分,当评价的因素越完备,评价的规则越详尽时, 得到的最终结果也会越全面和接近实际结果[9]。 3. 结束语 本文对中国核电厂操纵员十几年来的可靠性研 究方法进行了回顾与探讨,从核电厂操纵员认知可靠 性模型、模糊数学响应时计算、模糊综合评价和心理 评价系统研究等方面对核电厂最重要的人的因素—— 核电厂操纵员进行了研究,该研究不仅会对保证核电 厂的安全运行起到重要作用,而且其研究方法可为其 他行业操纵员可靠性研究提供参考依据。 参考文献 (References) [1] 黄祥瑞等. 人的可靠性分析与 面 谈技 巧[J]. 中南工学院学报, 1999, 13(2): 33-44. [2] 黄祥瑞. 可靠性工程[M]. 北京: 清华大学出版社, 1991: 258- 262. [3] 方向, 何旭洪, 赵炳全. 核电厂操纵员认知模型研究[J]. 原 子能科学技术, 2006, 40(5). [4] X. Fang, Y. P. 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