Содержание к диссертации
Введение
Глава 1 Место процедур в процессе функционирования операторов БПУ АЭС 10
1.1 Общая классификация состояний энергоблока АЭС 10
1.2 Характер деятельности операторов БПУ АЭС 12
1.3 Классификация эксплуатационных процедур 15
1.4 Применение процедур операторами БПУ АЭС 20
1.4.1 Последовательность работы операторов БПУ АЭС с процедурами 20
1.4.2 Идентификация ситуации и вход в процедуру 22
1.4.3 Исполнение алгоритма процедуры 23
1.4.4 Речевая коммуникация операторов БПУ АЭС при работе с процедурами 24
1.5 Влияние качества процедур на деятельность операторов БПУ АЭС 27
1.6 Методы исследования и анализа характеристик процедур 33
1.7 Компьютеризация процедур 36
1.8 Постановка задачи диссертационного исследования 39
Выводы по главе 1 40
Глава 2 Эргономический и системный анализ процедур 42
2.1 Структурная модель деятельности операторов БПУ АЭС 42
2.2 Структура характеристик процедур 44
2.3 Обоснование перечня характеристик процедур 50
2.4 Этапы и методы анализа характеристик процедур 58
Выводы по главе 2 62
Глава 3 Анализ влияния характеристик процедур на деятельность операторов БПУ АЭС 64
3.1 Анализ речевой коммуникации операторов БПУ АЭС 64
3.1.1 Структура актов коммуникации и методика анализа 64
3.1.2 Количественная оценка объемов различных типов коммуникации 67
3.1.3 Факторы, влияющие на коммуникацию операторов БПУ АЭС 68
3.1.4 Оценка влияния шума на коммуникацию операторов БПУ АЭС 75
3.1.5 Рекомендации по улучшению коммуникации операторов БПУ АЭС 81
3.2 Влияние подхода к управлению на деятельность операторов БПУ АЭС 83
3.2.1 Методика анализа 83
3.2.2 Объект исследования и условия проведения анализа 84
3.2.3 Результаты анализа влияния подхода к управлению 86
3.3 Ошибки, обусловленные недостатками процедур 92
3.3.1 Классификация ошибок 92
3.3.2 Причины ошибок применения процедур операторами БПУ АЭС 103
3.4 Компьютеризация процедур для поддержки операторов БПУ АЭС в нештатных ситуациях 106
Выводы по главе 3 108
Глава 4 Разработка системы компьютеризованных процедур для операторов БПУ АЭС 110
4.1 Системы поддержки операторов БПУ АЭС 110
4.2 Метод представления знаний процедур 112
4.3 Представление знаний о технологическом оборудовании 113
4.3.1 Иерархия оборудования 113
4.3.2 Состояния оборудования 116
4.3.3 Интенсиональное описание знаний о технологическом оборудовании 118
4.3.4 Экстенсиональное описание знаний о технологическом оборудовании 123
4.4 Представление знаний о технологических средах 125
4.4.1 Интенсиональное описание знаний о технологических средах 125
4.4.2 Экстенсиональное описание знаний о технологических
средах 127
Выводы по главе 4 128
Заключение 129
Список сокращений 131
Библиографический указатель
- Характер деятельности операторов БПУ АЭС
- Обоснование перечня характеристик процедур
- Рекомендации по улучшению коммуникации операторов БПУ АЭС
- Представление знаний о технологическом оборудовании
Характер деятельности операторов БПУ АЭС
Атомная электростанция (АЭС) представляет собой систему «человек-машина» - совокупность совместно действующих энергоблоков (ЭБ), персонала (оперативного, ремонтного и пр.) и системы управления. АЭС обладает всеми особенностями, присущими сложным системам, а именно: высокой структурной сложностью, наличием цели, взаимосвязью и взаимодействием элементов, иерархической структурой управления, наличием человека-оператора в контуре управления. Целью функционирования АЭС является безопасное производство электрической и тепловой энергии.
АЭС может находиться в одном из множества состояний. Наиболее обобщенной классификацией состояний АЭС является их разделение на два класса [28, 55]: эксплуатационные и аварийные состояния. Границей между этими двумя типами состояний служат пределы безопасной эксплуатации (safe operation limits) [28], которые заранее определены проектом АЭС. При выходе технологических параметров АЭС за эти пределы считается, что станция находится в одном из аварийных состояний. Понятие состояния часто ассоциируют с понятием режима.
К эксплуатационным состояниям относят режимы двух типов: - режимы нормальной эксплуатации; - режимы эксплуатации с отклонениями - предусмотренные проектом нарушения нормальной эксплуатации.
Нормальная эксплуатация (normal operation) - это эксплуатация АЭС в рамках эксплуатационных пределов и условий. Эксплуатационные пределы (operational limits) - это предусмотренные проектом АЭС ограничения на значения технологических параметров (например, на давление и температуру рабочей среды) или на рабочие характеристики и состояние оборудования и систем. К режимам нормальной эксплуатации относят пуск, испытание, работу на мощности, перегрузку ядерного топлива, техническое обслуживание, остановку, ремонт и другую деятельность, если в ходе ее протекания не допущен выход за эксплуатационные пределы.
Эксплуатация с отклонениями (malfunction) – это эксплуатация АЭС с нарушением эксплуатационных пределов или условий, но без нарушения пределов или условий безопасной эксплуатации. Эксплуатация с отклонениями предполагает наличие ожидаемых эксплуатационных событий (anticipated operational occurrence), которые могут произойти, по крайней мере, однажды за время эксплуатации АЭС, но которые, благодаря предусмотренным в проекте мерам, не нанесут значительного повреждения важным для безопасности узлам и не приведут к аварийным условиям.
Другой термин, использующийся для обозначения подобных режимов, – нарушения нормальной эксплуатации или просто нарушения (abnormal operation). Примерами таких режимов являются снижение нормальной электрической выработки, остановка турбины, потеря питания ГЦН и пр.
При рассмотрении аварийных состояний и их классификации необходимо определить, что понимается под термином «авария». В соответствии с ОПБ [20], авария – это нарушение эксплуатации АЭС, при котором произошел выход радиоактивных веществ и/или ионизирующего излучения в количествах, превышающих установленные пределы безопасной эксплуатации. В другом аналогичном определении отмечается, что критерием аварии служит значительное облучение персонала, населения и окружающей среды [31]. В третьем определении [14] введено понятие аварийного режима – процесса, протекающего с недопустимыми отклонениями основных параметров, нарушающими условия безопасности АЭС и приводящими к срабатыванию аварийной защиты, т. е. к выключению реактора или существенному ограничению мощности.
Аварийные состояния классифицируются в соответствии с различными критериями, например, по цели и стратегии управления (инцидент, проектная авария, запроектная авария, тяжелая аварии), по масштабу повреждений и радиационным последствиям (шкала INES) и др. Эффективность и безопасность функционирования АЭС во многом определяется эффективностью и безошибочностью деятельности человека-оператора.
Оперативный персонал (ОП) предназначен для несения круглосуточного дежурства на всех ключевых постах управления технологическими процессами АЭС. Доля ОП составляет 15-20% от общего числа работников АЭС. ОП разделен на шесть-семь смен. К ОП относится: - персонал, обслуживающий производственные участки; - оперативно-наладочный персонал, выполняющий наладочные работы на оборудовании и в системах; - оперативно-ремонтный персонал, выполняющий обслуживание и оперативные переключения на производственных участках; - руководящий оперативный персонал (начальник смены АЭС, дежурные диспетчеры); - оперативный персонал, осуществляющий управление технологическими процессами с БПУ и ЦПУ (ВИУР, ВИУТ и др.).
Деятельность ОП последней из описанных категорий направлена на оперативный централизованный контроль за функционированием ядерного реактора и другого основного оборудования, управление технологическими режимами и состояниями АЭС. Компоновка БПУ и способы управления зависят от проекта АЭС. До 2000 г. в БПУ состоял из множеств панелей и пультов со средствами контроля и органами регулирования и дистанционного управления, а также рабочих мест операторов. На панелях отображалась информация общего пользования: мнемосхема блока, технологические параметры, аварийная и предупредительная сигнализация. В современных проектах АЭС получил распространение дисплейный способ контроля и управления с использованием рабочих станций системы верхнего блочного уровня (РС СВБУ) в составе цифровой АСУ ТП, зачастую совмещенных с резервными индивидуальными средствами контроля и управления на основе мозаичных панелей. В основной зоне БПУ предусматривается экран коллективного пользования (ЭКП) - информационное средство для организации взаимодействия персонала БПУ при реализации общеблочных технологических задач. Рабочее место начальника смены блока (НСБ) оснащается дополнительно средствами дистанционного визуального контроля основного оборудования энергоблока и обстановки в основных технологических помещениях энергоблока - средствами промышленного телевидения.
На БПУ работают три-четыре оператора в зависимости от типа реактора. Например, для АЭС с реакторами типа ВВЭР характерен следующий состав смены: ведущий инженер управления турбиной (ВИУТ), ведущий инженер управления реактором (ВИУР), начальник смены реакторного цеха (НСРЦ) и начальник смены блока (НСБ).
НСБ руководит операциями по пуску, останову и изменению режимов блока, а также перегрузкой топлива в реакторе. Он координирует действия остальных операторов смены. НСБ непосредственно подчиняется начальнику смены АЭС (НС АЭС). Задача ВИУР и НСРЦ - оперативное управление с БПУ технологическими параметрами первого контура, а также пуск, останов, подъем и снижение мощности ядерного реактора в соответствии с заданным графиком и режимными картами. ВИУТ осуществляет оперативное управление турбогенератором и его технологическими системами, производит переключения и операции по пуску и останову оборудования, регулирует работу генератора.
Обоснование перечня характеристик процедур
Работа с процедурами сопровождается активным обменом информацией между операторами БПУ друг с другом и с внешними участниками процесса управления - местными операторами, начальниками смен различных цехов, начальником смены станции, руководителями АЭС, диспетчерами и др. Можно выделить две основные задачи коммуникации, а именно: - координация деятельности различных субъектов управления; - формирование и поддержание общей ментальной модели технологического процесса. От эффективности коммуникации операторов при использовании процедур напрямую зависит качество управления энергоблоком в целом. Подробный анализ результатов мировых исследований данного вопроса был выполнен в [139]. Обеспечение эффективной коммуникации между операторами БПУ является оптимизационной задачей, так как, с одной стороны, численность каждой смены должна быть достаточна для выполнения всех необходимых действий, а, с другой стороны, большая численность смены может усложнить выполнение задачи за счет увеличения доли коммуникации и необходимости дополнительной координации персонала [38]. Для улучшения и повышения эффективности коммуникации проводятся тренировки персонала АЭС [146], вырабатываются специальные рекомендации [139] и планы корректирующих действий [62].
Влиянию коммуникации на эффективность работы операторов посвящены многочисленные исследования. Так, в работе [87] подчеркивается, что коммуникация помогает совместной выработке плана действий и необходима для уточнения имеющихся или разработки новых стратегий преодоления ситуации. В [138] показано, что коммуникация не слишком значима в штатных ситуациях, когда операторы смены точно знают, что происходит. В необычных же ситуациях коммуникация необходима операторам для разъяснения друг другу, почему существующие стратегии не сработают в данной ситуации, а также для поиска совместными усилиями новых стратегий и прогнозирования будущего состояния станции. В [48] авторы показали, что стабильность и устойчивость функционирования смены зависят от повторяющихся цикличных итераций коммуникации среди операторов БПУ и с операторами «по месту», которые позволяют адаптировать поведение для предотвращения, восстановления и разрешения ошибок функционирования.
В [79,80] выявлено, что более эффективные в своей работе смены использовали более стандартную коммуникацию и больше озвучивали информацию о ситуации, об изменении важных технологических параметров и о появлении сигнализации. Кроме того, более эффективные смены быстрее адаптируют коммуникацию с увеличением рабочей загрузки, направляют команды «адресно» конкретному оператору и сообщают необходимую информацию раньше, чем об этом спрашивают, предвосхищая запросы этой информации другими операторами [153].
Практически вся коммуникация на БПУ осуществляется вербально непосредственно «лицом к лицу», либо через средства связи, такие как телефон, громкоговорящая связь. В ходе общения «лицом к лицу» операторы иногда сопровождают сообщения жестами. Наивысшая значимость речевой коммуникации по сравнению с другими формами взаимодействия в ходе управления констатируется в работах [65,91,99].
Во время нештатных ситуаций интенсивность коммуникации резко возрастает. Это объясняется большим потоком событий, о которых необходимо информировать друг друга, а также значительным объемом действий и команд. В условиях стремительно развивающейся ситуации, дефицита времени и стрессогенных условий речевая коммуникация может стать предметом и причиной совершаемых операторами ошибок. Ошибки, допускаемые в ходе самой коммуникации, были исследованы и подробно описаны в работах [38,70,96,106,127]. В [38] и [62] показано, что наиболее эффективной мерой по снижению вероятности таких ошибок является контрольная обратная связь, например, «репетование» получателем сообщения, которая позволяет проверить идентичность текста и смысла, заложенного в сообщение отправителем, и смысла, понятого получателем.
Современная тенденция к повышению уровня автоматизации БПУ существенно может изменить условия и характер работы операторов. В [80] отмечается, что автоматизация способна улучшить коммуникацию. В [153] показано, что автоматизация получения и анализа информации позволила операторам уделять больше времени разработке стратегии дальнейших действий и коллективному планированию. В то же время, новые проекты БПУ и компьютеризация эксплуатационных процедур могут также нести определенные проблемы для групповой работы. Так, в [98] отмечается, что переход к управлению через компьютер может сузить горизонт наблюдения и препятствовать обмену информацией. А в [92] авторы обнаружили проблему чрезмерного сокращения объема коммуникации при использовании КП, что может привести к возникновению ошибок управления и сложности их своевременного обнаружения и устранения.
Теоретические исследования групповой коммуникации в основном посвящены созданию семантических моделей процесса передачи информации, измерению объема коммуникации и классификации типов коммуникации. Например, в работе [138] авторы изучили и оценили объем различных типов коммуникации, таких как обмен информацией, определение стратегий и наблюдение за исполнением. Коммуникация напрямую связана с исполнением процедур. Согласно регламентам, каждый шаг процедуры должен быть озвучен операторами. Таким образом, процедура заведомо включает некоторый объем коммуникации, который определяет некоторое количество актов коммуникации, необходимое для реализации процедуры, и время, которое должны затратить операторы на прочтение, озвучивание шагов и действий процедуры, выдачу команд, обратную связь и пр.
Проблема разработки оптимальных, технически точных и удобных процедур встала особенно остро после трагедии Three Miles Island в 1979 г. В 1980 г. были созданы первые чек-листы для валидации и верификации процедур [43,44], модифицированные в 1981 г. [45]. В 1992 г. было опубликовано подробное руководство по написанию эксплуатационных процедур с требованиями к оформлению, содержанию, глоссарию, написанию шагов и действий [59]. В настоящее время разрабатывается множество моделей и методов валидации и проверки правильности алгоритмов процедур, например, [128,155].
Вопросы разработки процедур также обсуждаются в ряде публикаций МАГАТЭ. В 1982 г. было выпущено руководство NUREG-0899 по разработке процедур с описанием необходимых элементов процедур, их взаимосвязей, этапов разработки документации, стиля написания и пр. [68]. Позже в 1985 г. в МАГАТЭ был выпущен стандарт IAEAECDOC-3413 [56], посвященный вопросам организации и формата процедур, проверки адекватности и применимости процедур, форматам представления. На их основе в 1998 г. МАГАТЭ опубликовало IAEAECDOC-1058 [67]. Этот документ описывал лучший мировой опыт разработки и использования всех видов процедур АЭС. Роль процедур при реагировании на запроектные аварийные ситуации была описана в техническом отчете Technical Reports Series No. 368 [29] и его продолжении [77]. Основные концепции процедур, их связи с состояниями АЭС, роль персонала и особенности использования процедур обсуждаются в отчете [55].
Рекомендации по улучшению коммуникации операторов БПУ АЭС
Данные, полученные в ходе анализа двух упомянутых выше факторов, приведены в таблице 3.2, часть из них показана на рисунке 3.5. Из таблицы видно, что, несмотря на разную длительность прогонов, абсолютное время, затраченное на коммуникацию в разных прогонах, отличается не столь сильно. То же можно сказать и о времени звучания сигнализации. Интересной представляется также зависимость между полнотой озвучивания формулировок процедуры и длительностью ситуации - чем детальнее зачитывается процедура, тем быстрее преодолевается ситуация (коэффициент корреляции Пирсона равен г = 0,94, что является значимым при числе степеней свободы N = 2 и уровне значимости а = 0,1). Однако без дополнительных статистических данных нельзя уверенно утверждать о наличии такой причинно-следственной связи. Рисунок 3.5 - Характеристики коммуникации, зафиксированные в четырех прогонах сценария Таблица 3.2 - Характеристики коммуникации
В ходе наблюдения за операторами был отмечен ряд приемов, которыми пользуются операторы для обеспечения безошибочной и эффективной коммуникации. Необходимо отметить, что на Балаковской АЭС, как и на многих других станциях, существует определенный порядок ведения оперативных переговоров, проводятся соответствующие тренинги. В число очень важных приемов входит обратная связь, когда получатель подтверждает, что он получил и верно понял информацию. Чаще всего получатель просто повторяет полученную информацию, и это является мощным фактором повышения эффективности и надежности коммуникации.
Другим важным приемом является привлечение внимания друг друга, когда в начале акта передачи информации отправители называют получателя информации по имени или имени-отчеству. Это непосредственно стимулирует получателей и концентрирует их внимание, что позволяет избежать наложения сообщений и уменьшает необходимость уточняющих вопросов.
Как уже упоминалось, одним из способов сделать сообщения более лаконичными является использование профессионального жаргона (сленга). Это действительно эффективный способ быстрого общения, однако он может привести к неоднозначной интерпретации информационного содержания получателем. Использование сленга для обозначения технологического оборудования вынуждает операторов выполнять мысленное перекодирование информации, так как в документации и на панелях БПУ используются только «официальные» технологические обозначения и идентификаторы. Очевидно, это увеличивает когнитивную нагрузку на операторов и создает предпосылки для ошибок. Однако следует отметить, что в ходе экспериментов такие ошибки не возникали.
В литературе практически отсутствуют данные о влиянии шума на оперативные переговоры операторов, а также о допустимых нормах такого шума. В то же время, совершенно очевидно, что наложение шума на речевую коммуникацию повышает вероятность ошибок передачи или неверного восприятия речевых сообщений, и как следствие, ошибок управления. Для оценки значимости и степени «критичности» проблемы шума для операторов БПУ АЭС в данном диссертационном исследовании выполнена оценка относительного объема коммуникации, происходящей на фоне шума.
Методика расчета. Для более детальной количественной оценки относительного объема коммуникации, происходившей на фоне шума (работающей сигнализации и других переговоров), был использован аппарат теории случайных процессов [13,9]. Рассмотрим методику расчета на примере оценки доли коммуникации, происходившей на фоне сигнализации.
Последовательности актов коммуникации и звуковой сигнализации рассматривались как два различных дискретных потока C и A , соответственно. Каждый поток состоит из пауз длительностью ,i и периодов активности коммуникации или сигнализации длительностью лi (рисунок 3.6):
Представление знаний о технологическом оборудовании
Системы поддержки операторов (СПО) позволяют частично или полностью компенсировать такие факторы, как большой объем эксплуатационной документации, высокая сложность оборудования и решаемых задач, интенсивность поступления информации, дефицит времени и др. СПО можно классифицировать следующим образом: - по поддерживаемым фазам решения задачи оператором - на системы, поддерживающие процесс обнаружения, диагностики, планирования, исполнения и отслеживания; - по режиму работы АЭС - на системы, поддерживающие оператора в нормальных режимах эксплуатации, при нарушениях (инцидентах) и аварийных режимах; - по объекту управления - на системы, поддерживающие управление реактором, оборудованием первого контура, оборудованием второго контура, системами безопасности и энергоблока в целом; - по методу представления знаний - системы, основанные на фреймовых, сетевых и логических моделях знаний; - интегрированные СПО.
Исследователи расходятся во мнениях по вопросу о полезности СПО. С одной стороны, СПО повышают степень автоматизации управления и снижают нагрузку на оператора. С другой стороны, СПО могут порождать пассивность оператора, чему способствует наделение ЭВМ «сверхвозможностями» со стороны человека-оператора и, как следствие, «делегирование» ответственности от оператора к СПО в условиях стрессовой ситуации, когда время принятия решения ограничено, а цена неверного решения слишком высока [19] Кроме того, с передачей основных функций контроля за состоянием оборудования и технологических процессов на АЭС системам поддержки отрицательное влияние монотонии на деятельность оператора может не только не уменьшиться, но и возрасти.
При создании СПО интегрируются в единое целое традиционные алгоритмические методы управления сложными объектами и парадигма интеллектуальных технологий. Алгоритмические методы используются в том случае, когда знания имеют четкую, формализованную форму, а методы теории искусственного интеллекта - при решении целого ряда неформализованных задач, возникающих в процессе управления сложными динамическими системами. Такие задачи характеризуются неполнотой, неоднозначностью, неопределенностью исходной информации и используемых правил ее преобразования. К таким задачам СПО можно отнести: - оценку ситуации; - прогноз поведения объекта в штатном режиме; - прогноз развития нештатных ситуаций; - синтез и оценку возможных действий и выбор наилучших; - адаптацию процедур управления под реальную ситуацию и т.д. Отличительной особенностью интеллектуальных СПО является способность к планированию поведения, адаптации и обучению. Для реализации этих возможностей интеллектуальные СПО наделяются развитой иерархической структурой управления.
Система компьютеризованных процедур является разновидностью интеллектуальных СПО, т.к. наряду с простым представлением оператору текста процедур, она должна обладать способностью идентифицировать ситуацию, выбирать релевантную процедуру и отслеживать правильность действий оператора. Как известно, одной из наиболее существенных методических и научных проблем построения интеллектуальных систем является выбор или разработка метода представления знаний. В случае с СКП основным источником знаний являются сами процедуры.
В теории искусственного интеллекта известны различные подходы к представлению знаний, такие как логические деревья, продукционные правила, фреймы, семантические сети, нечеткие множества, нейронные сети, сети Петри и др. Выбор подхода зависит от решаемой задачи. Так, например, логические деревья и продукционные правила удобны для описания причинно-следственных отношений; фреймы применимы для представления иерархии объектов, обладающих наследуемыми свойствами; семантические сети используются для формализации самых разных ролевых отношений между объектами предметной области.
Очевидно, что не существует единственно возможного и наилучшего подхода для представления одновременно всех разнородных знаний об АЭС -знаний о физических, функциональных и структурных связях оборудования и систем, знаний о методах диагностирования и управления энергоблоком, моделей технологических процессов и др. Выбор метода представления знаний будет зависеть не только от природы самих знаний, но и от того, в какой форме эти знания уже существуют и используются операторами в их работе. представляют собой структурированный текст на естественном языке. Традиционно в искусственном интеллекте для представления знаний, выраженных в вербальной форме, используется аппарат семантических сетей. Понятие «семантическая сеть» подразумевает целый класс общих подходов. Например, самым простым видом семантических сетей являются реляционные графы, где каждый узел обозначает понятие, а дуги -отношения между этими понятиями. Более сложными считаются пропозиционные сети, узлы которых представляют собой целые предложения и являются точками соприкосновения для отношений между отдельными высказываниями. Также существуют выполняющиеся сети (например, сети Петри), содержащие механизмы для отправки сообщений от узла к узлу, модификаций графа сети и выполнения встроенных процедур; и обучающиеся сети (например, нейронные), способные изменять внутреннее представление на основе поступающей информации [141].
Общим для всех подходов является декларативное графическое представление предметной области с выделением набора смысловых понятий, объектов предметной области и их состояний (вершин сети), связанных между собой отношениями различного типа (конструкционными, функциональными, структурными), изображаемыми в виде дуг. С формальной точки зрения, семантическая сеть - это ненаправленный граф с поименованными вершинами и дугами (ребрами). Семантические сети могут иметь собственную внутреннюю структуру. Так, семантическую сеть можно разделить на подсети (пространства) и устанавливать отношения не только между вершинами, но и между пространствами. Кроме того, каждая вершина сети может сама представлять собой семантическую сеть. В этом случае мы имеем дело со сложной иерархической сетью.
В диссертационной работе предлагается двухуровневая семантическая сеть. На верхнем, интенсиональном уровне с помощью семантической сети представляются обобщенные объекты, классы, категории и отношения между ними. В работе предложены две интенсиональные сети: для описания технологического оборудования и для описания технологических сред. На нижнем, экстенсиональном уровне строятся семантические сети для каждого конкретного технологического параметра, элемента или группы оборудования. Шаблоны, накладываемые на экстенсиональные сети, позволяют диагностировать ситуацию и принимать решения.
