加固“最后一道屏障”——人因工程
在核相关行业，有一句几乎人人耳熟能详的话——“每个人都是核安全的最后一道屏障”。核电行业围绕着安全问题进行的探究和改进，离不开怎样降低事故概率。检修人员的误操作，操纵员违规操作……这些核事故的原因背后似乎总有某个挥之不去的影子。某种意义上讲，“人”——这个为核电站“接生”的角色似乎正在成为它安全成长的阻碍。
我们再次踏上“驯化之路”之前，核电必须回答这个问题。
面对形形色色的工具器具，人们总会考虑如何让使用者舒适并发挥出更好潜能。这种不自觉地思考伴随着人类文明发展，发生在磨制石器的智人大脑里，也发生在火星四溅的铁匠铺里，这就是人因工程（Human Factor Engineering，HFE）的雏形。
人因工程是一个研究人与系统其他元素之间交互作用的科学领域，是一个将理论、原则、数据、方法进行设计以提升人类福利并优化整体系统表现的学科。
随着大规模工业生产的出现及第二次世界大战军事工业的飞速发展，人类对于自身的认识也在不断提高，各类工器具的设计者们越来越感受到人类存在这样那样的优势和不足，设计工作也越来越善于平衡人和系统的特性，以发挥集成系统的最佳效能。1949年，英国成立的第一个人体工效学研究组，标志着人因工程这一独立学科的诞生。随着科学技术的飞速发展，人因工程也在不断重新自我定义，广泛渗透到军事和民用的不同领域。近年来，随着信息和交互技术的发展，人机交互、以用户为中心的设计、用户体验成为热门的话题，甚至成为民用产品成败的关键因素。
我们有时候会有这样的体会，桌子太低看书时间长了不舒服，手机菜单找一个功能翻半天找不到，两个按钮离得很近容易按错……我们会说设计得“不科学”，这个科学就是“人因工程的科学”。主控制室是核电厂的运行人员监控电厂各系统参数状态、控制电厂运行的地方。早期主控室乍一看各种按钮仪表井井有条，但其实细看起来就会发现，它的设计其实也不够“科学”，受限于数字化技术的原因，早期核电站的主控室盘台极度扁平化，所有控制按钮和仪表参数密密麻直接呈现给运行人员，给其带来了物理和心理层面双重人因问题。
比如，有些按钮需要伸长胳膊才能够到，有些参数需要踩着椅子才能看清……这不仅仅不方便，甚至会成为核安全的阻碍。另外，当发生核事故时，由于牵一发而动全身的连锁反应，往往会造成“雪崩式”的报警信息铺天盖地砸向操作人员。还记得三哩岛核事故中的主控室吗？事故中，主控室控制台上方的报警指示超过1300个，这些报警无优先级规定，颜色编码无逻辑性。事故发生后的前14分钟内，超过800个的报警声音、灯光让主控室俨然成为一棵巨大的“圣诞树”。如此信息量之下，不要说做出正确的操作缓解事故，就连读完这些信息得出正确判断都很难。所以说，那些琳琅满目的仪表按钮并没有表面上那么美好，种种“不科学”之下已暗藏危机。三哩岛也为人们敲响了警钟，以前一味强调设备的可靠性是远远不够的，人的因素与核安全之间的关系被逐渐重视起来。
而人因工程，就是要尽量减少这种“不科学”，减少人员失误，帮助操纵员做出正确判断和操作，从而最终实现提高核电安全性的目标。人因工程并不直接参与产品设计，而是对产品或系统构架配置运行方式等进行改进，以提高舒适性、可靠性和安全性。
为了更好地解决这些问题，学术界则一般将人因工程的研究内容分为三个分支：
●生理人因工程：主要指工作姿态、物料搬运、重复动作、工作引起的肌肉骨骼不适、工作地布置、环境条件、安全和健康等。
早期核电厂主控制室
早期核电厂忽视人因
●认知人因工程：主要指脑力负荷、决策、熟练操作、人机交互、人员可靠性、工作压力和训练、情境意识、自动化水平等。
●组织人因工程：主要指沟通、团队资源管理、工作设计、工作时间设计、团队任务、参与式设计、社区人因工程、新工作范式、虚拟组织等。
在核电技术发展的最初20多年中，人因工程的一些理念已部分地用于指导核电厂的设计，特别是人机交互集中的主控制室。但直到1979年三哩岛核事故后，人因工程才开始系统性地应用于核设施的设计和运行中。国际原子能机构（IAEA）、国际电工委员会（IEC）、美国核管理委员会（NRC）、美国电气与电子工程师协会（IEEE）等组织相继发布了一系列法律、法规、导则、标准和技术文件。在国内，人因工程在20世纪90年代正式纳入核电设计和评审范围，它逐渐成为核电设计中的独立专业并开始系统应用。
人因工程设计要素
上图是核电各环节需要考虑的人因工程设计十二要素，目前已体现在国内外的部分法规标准中。某些行业的人因工程应用可能仅涵盖其中一个要素，即设计环节中的人机接口设计；而对核电设计环节来说，则需要覆盖人因工程设计要素图中的所有要素。(https://www.daowen.com)
在人因工程设计的保驾护航下，新建核电厂已经站在三哩岛的“肩膀”上进行了大量改进。比如：采用数字化报警显示系统，对报警信息进行分级，使运行人员可重点关注优先级高的报警，极大减轻了脑力负荷；对重要参数进行突出设计，易于识别；对稳压器安全阀等重要阀门增加流量或压差监测，侧面提示阀门的开关；增加运行人员对反应堆运行与安全的理论知识和干预准则掌握、加强各种处理预案的科学验证和演练；提升模拟机的仿真水平，使其能够满足各种复杂情况下的训练和试验要求……
报警分级也好、突出显示也好、增加参数监测也好，种种改进离不开更强大的“大脑”。于是，数字化主控室应运而生。在数字化主控室中，各报警被根据重要性分成不同优先级，并可在大屏幕上用红橙黄蓝等不同颜色进行区分；可调取的参数更多，当因仪表故障等原因出现虚假信号时，可有更多信息辅助判断；采用数字化大屏幕，可以根据不同工况切换屏幕内容，根据需要显示相关性最高的参数和设备，减少信息干扰……
当然，核电站数字化在解决了以上问题的同时，也导致了操纵员和系统角色定位及协作关系的改变，涌现了新的知识需求、认知负荷和失误模式，带来诸如锁孔效应、信息爆炸、次负荷增加等一些隐蔽的安全问题。针对于此，我们的设计师也在设计中进行了平衡和应对：
锁孔效应
受到显示器数量和窗口大小及数字化电厂的柔性带来了显示和控制数量增加的限制，数字化主控室无法像传统模拟控制室一样，将所有显示、报警和控制平铺在主控室盘台上，不得不将电厂切割到离散的一幅幅显示画面中。这往往使得操纵员难以掌控电厂的整体状况，形成了锁孔效应。
为此，数字化和先进主控室在传统主控室的基础上大幅增加大屏幕数量，从2～4块增加到近20块或满墙。在多块大屏幕上，既可以如前文调出所需要的画面，又可以对重要参数设备固定位置持续显示。
同时，在运行人员面前设置控制站显示屏幕，将电厂各系统的监控控制信息进行组合和分类，拓展信息显示深度，通过导航链接进行跳转。
信息爆炸
现在我们回看前文三哩岛核事故时几百个报警迎面砸来的问题。在现代核电厂中，由于信息量的增加，这个问题比传统核电厂更为突出，如三哩岛核电厂的主控室中报警数量不到1400个，而国内某在建三代核电厂的报警数量则将近20000个。为解决大量报警带来的雪崩信息，数字化和先进主控室在设计数字化报警系统时，综合了传统灯光报警和数字化列表的优势。大屏幕上可固定显示数字化的“光字牌”，即把电厂的每个系统名称显示在绿色的小格中，如发生报警则相应系统的小格可根据不同报警优先级变为红橙黄等不同颜色并闪烁。光字牌并不简单采用平铺的方式，而是划分为系统级、功能级等区域，便于运行人员迅速定位。光字牌下方显示报警列表，可根据需要进行分级、筛选、冻结、抑制、搜索等操作，帮助操纵员快速掌握电厂整体情况。
次任务负荷的增加
在传统主控室中，运行人员需要在大量按键旋钮中找到自己需要操作的设备，而在数字化主控室中运行人员只要坐在电脑前点鼠标就可以实现对设备的操作。这种特点一方面避免了运行人员寻找和移动的负荷，却也不可避免的增加了界面管理的负荷，如打开/关闭页面、数据搜索、参数配置和管理等。这些次任务和运行没有直接关系，但会分散操纵员的注意力，增加工作负荷，自然不会被设计人员放过。为此，数字化主控室以扁平化的思路进行画面系统导航架构设计，任意两幅画面之间最多3步即可访问，并提供了多种导航方式，以增加使用的流畅性；优化弹出窗口的位置，避免弹窗遮挡主窗口重要内容；用计算机化规程取代纸质规程，系统针对每一步，提供了相关显示画面的链接，可以直接点击调用；报警系统不但提供了主界面上具体报警到对应报警响应规程的链接，还在显示画面上提供了快速调用对应报警清单的按钮。
种种改进措施使数字化主控室体现出比传统主控室更好的人机交互特性，减小运行人员负荷、突出重要信息、提高操作准确性和响应速度……将人因工程对核电厂安全性的提高表现得淋漓尽致。目前，国内新建核电厂已经全部使用数字化主控室，并在研发和配备越来越强大的操纵员支持系统。
新核电厂使用数字化主控室了，“老”核电厂又该怎么办？
前文提到的我国大陆第一座核电站——秦山核电站一期工程，1994年投入商业运行距今已经30来年，是我国核电界当之无愧的元老。作为业界“老兵”，秦山核电站面临延长“服役”的需求，更需要通过改造来减少因设备老化、技术过时、备件缺乏造成的运行和管理风险，同时更好地满足新标准、新法规的要求，保证改造后新的20年安全运行。
于是，秦山核电站主控室的改造被提上议事日程。和“新建”相比，“改造”更如螺蛳壳里做道场，需要考虑的问题更多，更精细。不能大笔一挥推倒重来，而是要在新技术与运行人员已有运行习惯间取得平衡；同时在老主控室设备拆除前，要搭建好“临时主控制室”进行过渡，保证在“换脑手术”过程中也能对核电厂时刻进行监视和控制。
2018年，经过几年的设计、准备和几个月的施工安装，秦山核电厂主控室改造完成，人机交互更加合理，可靠性大幅提高。人因工程在降低事故概率、保障核电安全的方面再次迸发出巨大作用。
上海核工院人因工程实验室
虽然作为一个才有几十年历史的新学科，还有很多问题尚未得到完美解答，其他领域的技术发展也不断为人因工程提出新的课题。但在核电领域，人因工程一直在默默地让核电厂设计“更科学”，既于大局之处，又于毫末之间，不断加固核安全的“最后一道屏障”。
