李振綱　張力　洪俊

摘要 數(shù)字化控制系統(tǒng)相對(duì)于傳統(tǒng)的模擬控制系統(tǒng)發(fā)生了很大的變化。數(shù)字化控制系統(tǒng)中，操作員的主要任務(wù)由原來的操作任務(wù)變成了認(rèn)知任務(wù)，且認(rèn)知負(fù)荷增大，硬控制變成了軟控制，人機(jī)界面內(nèi)容更豐富且靈活，紙規(guī)程變成了電子規(guī)程等。這篇文章通過人機(jī)交互復(fù)雜性的關(guān)鍵因子，即操作員因素、任務(wù)因素、以及人機(jī)界面因素，分析了它們對(duì)人因失誤的影響，并提出了一系列策略來培養(yǎng)操作員，設(shè)計(jì)人機(jī)界面和完成任務(wù)。

關(guān)鍵詞 數(shù)字化：人機(jī)交互；人因失誤

分類號(hào) B849

數(shù)字化控制系統(tǒng)目前已經(jīng)廣泛應(yīng)用于核電、航空、石油化工等領(lǐng)域（Brito，2002）。人機(jī)交互是人與機(jī)器之間的雙向通信，以一定的符號(hào)和操作來實(shí)現(xiàn)（Yoshikawa，2005）。有效的人機(jī)交互能提升系統(tǒng)的可靠性和安全性。另一方面，人機(jī)交互又是引發(fā)人因失誤的直接來源，一旦人機(jī)交互出現(xiàn)差錯(cuò)，則可能導(dǎo)致任務(wù)失效或者災(zāi)難性事故。相關(guān)研究發(fā)現(xiàn)，在世界核營(yíng)運(yùn)者協(xié)會(huì)（WANO）的人因失誤中僅操作失誤就占了64.4%（張力，趙明，2005）?？上攵?，人機(jī)交互理所當(dāng)然的在人因失誤中起著主導(dǎo)作用。1995年在美國(guó)所做的統(tǒng)計(jì)中，大約70%～90%事件與人機(jī)交互過程中所產(chǎn)生的人因事件有關(guān)。我國(guó)核電事故中，大約有70%與之相關(guān)。數(shù)字化控制系統(tǒng)與傳統(tǒng)的模擬控制系統(tǒng)相比，影響人的可靠性的情境環(huán)境因素發(fā)生了顯著變化，進(jìn)而改變了操作員的心理認(rèn)知過程、行為模式及任務(wù)特征，主要表現(xiàn)在信息顯示、溝通協(xié)調(diào)管理、操作規(guī)程、控制和輸入設(shè)施，以及報(bào)警系統(tǒng)、操作員的決策和支持系統(tǒng)等方面。本文依據(jù)對(duì)數(shù)字化主控室的現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研和對(duì)操作員的訪談，以及對(duì)數(shù)字化控制系統(tǒng)與傳統(tǒng)模擬控制系統(tǒng)的對(duì)比分析，總結(jié)出數(shù)字化控制系統(tǒng)人機(jī)交互的特征對(duì)人因失誤的影響，并提出一些預(yù)防措施。

1.數(shù)字化控制系統(tǒng)人機(jī)交互的特征

人機(jī)交互是操作員獲取信息、對(duì)信息進(jìn)行決策及執(zhí)行相關(guān)動(dòng)作的過程。在大規(guī)模復(fù)雜人機(jī)系統(tǒng)中，操作員在長(zhǎng)期訓(xùn)練及現(xiàn)場(chǎng)體驗(yàn)所獲得的知識(shí)、技能和操作規(guī)程的基礎(chǔ)上，通過主控室把握系統(tǒng)工作狀態(tài)，進(jìn)行復(fù)雜的控制操作。其運(yùn)行過程為：通過儀表、視聽顯示裝置將系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)信息發(fā)送給操作人員，操作人員通過認(rèn)知處理后，做出控制操作，其特征是“監(jiān)視—確認(rèn)—決策—控制”。由于技術(shù)的發(fā)展和自動(dòng)化程度的提高，操作員的工作由過去以“操作”為主變?yōu)椤氨O(jiān)視—決策—控制”，其主要任務(wù)通常表現(xiàn)為認(rèn)知任務(wù)（Lee，Kim，Seong，2008）（如圖1所示）。這也是數(shù)字化控制系統(tǒng)相對(duì)于傳統(tǒng)的模擬控制系統(tǒng)的最大不同點(diǎn)。第二，人機(jī)界面發(fā)生了巨大的變化。人機(jī)界面是人機(jī)交互的主要接口，數(shù)字化控制系統(tǒng)基于計(jì)算機(jī)的數(shù)字顯示，報(bào)警、操作畫面和規(guī)程等要素集中在人機(jī)界面，具有更多、更詳細(xì)、更豐富的信息顯示。第三，操作員的控制操作?？刂频淖詣?dòng)化程度和綜合性能大大提高，直接影響到了操作員的現(xiàn)場(chǎng)操作，比如從之前的站姿操作變成了坐姿操作，實(shí)體操作變成軟操作，同時(shí)還出現(xiàn)了大量的界面管理，如配置、導(dǎo)航、畫面調(diào)整、查詢、快捷方式等。第四，規(guī)程。電廠的應(yīng)急操作規(guī)程對(duì)電廠的安全至關(guān)重要。傳統(tǒng)的模擬控制系統(tǒng)基于紙質(zhì)的規(guī)程，而在數(shù)字化控制系統(tǒng)用的是電子化規(guī)程均一步一步呈現(xiàn)在各顯示屏上，在發(fā)生事故時(shí)，操作人員能快速、準(zhǔn)確、方便地執(zhí)行規(guī)程。

2.數(shù)字化系統(tǒng)人機(jī)交互對(duì)人因失誤的影響

人因失誤有很多種定義。根據(jù)行為的后果，Rigby（1970）將人因失誤定義為：作用于系統(tǒng)的人的行為沒有滿足或沒有充分滿足系統(tǒng)的要求。Swain（1992）將人因失誤定義為：能夠或有可能引發(fā)不期望事件的所有人的行為或疏忽。而Reason（1990）從心理學(xué)角度提出：人因失誤就是計(jì)劃中的心理和身體行為序列在執(zhí)行后沒能達(dá)到意向中的結(jié)果，且這種失效不能歸因于隨機(jī)觸發(fā)因素的干擾作用。張力，王以群和劉志良（1996）考慮到復(fù)雜人機(jī)系統(tǒng)的基本特征，對(duì)人因失誤作出如下定義：人因失誤是指在沒有超越人機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)功能的條件下，人為了完成其任務(wù)而進(jìn)行的有計(jì)劃行動(dòng)的失敗。它包括個(gè)體的、群體的和組織的失誤。由于新技術(shù)的出現(xiàn)，情境環(huán)境發(fā)生了很大的變化，操縱員行為也會(huì)受所處情境環(huán)境的影響，通過現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研和對(duì)操縱員的訪談，再對(duì)大量人因事故的分析，發(fā)現(xiàn)誘發(fā)數(shù)字化系統(tǒng)人因事故的主要原因可歸結(jié)為下列三個(gè)因素。

2.1操作員因素

第一，人才匱乏。數(shù)字化人機(jī)交互系統(tǒng)對(duì)操作員的知識(shí)水平和操作經(jīng)驗(yàn)的要求越來越高，真正達(dá)到要求的人才并不多。第二，情景意識(shí)降低。數(shù)字化控制系統(tǒng)中計(jì)算機(jī)工作站代替了傳統(tǒng)的控制盤臺(tái)，各種顯示如報(bào)警顯示燈、壓力表等，改成了符號(hào)、數(shù)值來表示，沒有以前那么直觀，因此減少了情景壓力，特別是緊急情況下有可能導(dǎo)致操縱員沒有充足的情景意識(shí)。第三，溝通協(xié)調(diào)方面。主控室操作員的任務(wù)需要團(tuán)隊(duì)協(xié)作來完成，特別是在出現(xiàn)事故時(shí)。傳統(tǒng)的主控室值長(zhǎng)可以很容易根據(jù)操作員的位置觀察到他在做些什么操作。而數(shù)字化控制系統(tǒng)中，每個(gè)操縱員是在計(jì)算機(jī)工作站上執(zhí)行任務(wù)，環(huán)境封閉，操縱員之間并不清楚各自在做什么，因此較難進(jìn)行監(jiān)控、檢查和發(fā)覺失誤。

2.2人機(jī)界面因素

第一，信息顯示豐富而復(fù)雜。數(shù)字化后，信息的數(shù)量劇增，數(shù)干幅畫面全部擁擠在有限的幾個(gè)顯示屏上，他們的顯示很形象，但也帶來了很多復(fù)雜性。如果人機(jī)界面設(shè)計(jì)得符合人機(jī)工程學(xué)原則，會(huì)降低操作員的認(rèn)知疲勞，反之則會(huì)造成認(rèn)知疲勞增加。第二，巨量信息有限顯示。由于數(shù)干幅畫面全部要在有限的幾個(gè)顯示屏上顯示，這些畫面不可能同時(shí)在屏幕上全部顯示出來，當(dāng)操作員需要完成某項(xiàng)任務(wù)時(shí)，又要調(diào)用幾十張，次畫面，在這尋找搜索的過程中，必然會(huì)降低他的注意資源，乃至讀錯(cuò)參數(shù)，或耗費(fèi)大量時(shí)間，不能在規(guī)定的時(shí)間內(nèi)完成任務(wù)等。第三，報(bào)警過多。操作員的任務(wù)之一就是監(jiān)控電廠的運(yùn)行狀況和通過相關(guān)報(bào)警識(shí)別電廠的異常狀態(tài)。數(shù)字化后，產(chǎn)生了大量故障自診斷信息，報(bào)警的數(shù)量和信息顯著增加。在緊急狀況下出現(xiàn)大量報(bào)警，將超出操作員的處理能力。

2.3任務(wù)因素

第一，數(shù)字化控制系統(tǒng)中操作員主要完成兩類任務(wù)：第一類是操作員直接為監(jiān)控系統(tǒng)運(yùn)行而需完成的任務(wù)。而第二類任務(wù)是不直接監(jiān)控系統(tǒng)運(yùn)行的那些任務(wù)。根據(jù)人的信息處理理論（張力，王以群，鄧志良，2010），任何一項(xiàng)任務(wù)的完成都需要滿足兩個(gè)條件，即：有足夠的認(rèn)知資源；可以獲得充分的信息。認(rèn)知資源包括長(zhǎng)期記憶、短時(shí)記憶和注意力等。當(dāng)資源需求與資源供給相匹配時(shí)，任務(wù)才有可能得到較好的執(zhí)行。認(rèn)知資源需求超過供給時(shí)，人的效能就會(huì)下降。但如果缺乏足夠的信息，即使認(rèn)知資源再多，任務(wù)完成的效果都會(huì)受影響，人因失誤就可能產(chǎn)生。第二，完成任務(wù)的具體操作。傳統(tǒng)的硬控制是基于實(shí)物的按鈕、調(diào)節(jié)旋鈕或操縱桿等對(duì)電廠進(jìn)行控制；而數(shù)字化控制是通過鼠標(biāo)對(duì)虛擬的圖標(biāo)進(jìn)行軟操作，沒有以前那么直觀，而且操作步驟多而復(fù)雜，增加了操作員的認(rèn)知負(fù)荷和時(shí)間壓力。在執(zhí)行軟操作時(shí)，軟控制的彈出窗口有時(shí)會(huì)覆蓋一些重要參數(shù)的顯示，對(duì)信息的查看帶來影響，有些軟控制的操作區(qū)在畫面中被覆蓋，需拖動(dòng)才能操作，影響操作速度。第三，應(yīng)急規(guī)程。國(guó)內(nèi)目前的操作規(guī)程往往直接采用國(guó)外版本，并不符合國(guó)內(nèi)操作員的認(rèn)知習(xí)慣。規(guī)程在執(zhí)行過程中通過在計(jì)算機(jī)界面上“打勾”來確認(rèn)執(zhí)行到哪個(gè)的步驟，但是在應(yīng)急情況下容易漏項(xiàng)。還存在執(zhí)行規(guī)程的標(biāo)準(zhǔn)并不確定，評(píng)價(jià)方法過于主觀等問題。

3.預(yù)防對(duì)策

在復(fù)雜的人機(jī)系統(tǒng)中，人因失誤的產(chǎn)生是一個(gè)動(dòng)態(tài)的過程，牽涉到許多因素，包括操作員個(gè)體因素，設(shè)計(jì)上的因素，作業(yè)上的因素，程序運(yùn)行的因素，教育的因素等等，可以說是各個(gè)因素的綜合體。因此預(yù)防人因失誤的發(fā)生需依據(jù)上述因素綜合考慮。本文從以下方面探討預(yù)防和減輕數(shù)字化控制系統(tǒng)下人因失誤的影響應(yīng)該采取的策略。

3.1操作員

在大規(guī)模的數(shù)字化人機(jī)系統(tǒng)中，人并不是以一個(gè)孤立的個(gè)體或群體出現(xiàn)于該系統(tǒng)中，而是作為組織與環(huán)境中的一員而存在。張力（2006）應(yīng)用數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)對(duì)來源于世界核營(yíng)運(yùn)者協(xié)會(huì)（WANO）1993～2002年間的1628份事件報(bào)告分析得出：組織管理缺陷、與規(guī)程有關(guān)的缺陷、培訓(xùn)不足、人員之間交流不足、缺乏監(jiān)督檢查、組織決策失誤、組織文化不良與人員操作失誤之間存在很高的相關(guān)性，是導(dǎo)致操作員失誤的重要原因。所以培養(yǎng)一個(gè)合格的操作員不僅僅要從操作員個(gè)體考慮，還要放大到組織層面上來考慮。組織因子對(duì)個(gè)人及技術(shù)系統(tǒng)的影響關(guān)系圖見圖2。

3.1.1加強(qiáng)組織文化建設(shè)和完善組織結(jié)構(gòu)

組織文化是指處于一定社會(huì)經(jīng)濟(jì)文化環(huán)境中的組織在長(zhǎng)期發(fā)展過程中形成和發(fā)展起來的共有的、獨(dú)特的價(jià)值觀、制度形式和行為方式的總和。一個(gè)組織具有良好文化，管理者和員工都能很好地融入進(jìn)去，將會(huì)產(chǎn)生更強(qiáng)的組織承諾，運(yùn)行更有效率，也會(huì)有更高的安全性和更好的效益。復(fù)雜人機(jī)系統(tǒng)中的組織文化因素包括：安全質(zhì)量文化、內(nèi)聚力和協(xié)作意識(shí)等。如果能把安全第一、質(zhì)量至上的要求扎根于每個(gè)員工的腦海中，每個(gè)員工不僅僅會(huì)努力干好本職工作，也樂于和其他員工交流配合，樂于接受監(jiān)督，人因失誤自然會(huì)大大減少。

組織結(jié)構(gòu)是組織內(nèi)部分工與協(xié)調(diào)的基本形式。組織結(jié)構(gòu)是否有效決定了組織內(nèi)部各要素（目標(biāo)、協(xié)同、人員、責(zé)任、職位、關(guān)系、信息等）之間的配置效率、協(xié)調(diào)程度以及組織與所處環(huán)境的適應(yīng)程度，從而影響組織目標(biāo)能否順利實(shí)現(xiàn)。良好的組織結(jié)構(gòu)是保證任務(wù)有效完成的最基本的前提條件，對(duì)提高工作效率和減少人因失誤有十分重要的意義。

3.1.2完善溝通機(jī)制

在數(shù)字化控制系統(tǒng)中，操作員在相對(duì)比較封閉工作環(huán)境中能獲得很多信息，交流的次數(shù)反而比原來要少，往往不清楚其他操作員在做什么。由此減少了監(jiān)督和反饋，增加了人因失誤的可能性，在這種新情況下，需要建立一個(gè)更好的溝通機(jī)制。

3.1.3加大培訓(xùn)和教育力度

人員培養(yǎng)是一個(gè)基本的也是很重要的過程，特別是在復(fù)雜的人機(jī)系統(tǒng)中。培訓(xùn)可使員工具有一定技能和知識(shí)，從而能夠安全有效地完成工作。員工需要接受系統(tǒng)培訓(xùn)，培訓(xùn)的內(nèi)容有一般系統(tǒng)知識(shí)、安全知識(shí)和特殊專業(yè)技能等。良好的培訓(xùn)可以使操作員更加熟練，正確率更高，而且更加自信，這無(wú)疑會(huì)減少人因失誤的發(fā)生。

3.1.4加強(qiáng)監(jiān)察的力度

監(jiān)察，是組織和個(gè)人能順利達(dá)到目標(biāo)的一個(gè)關(guān)鍵因素。通常管理者和自己都能起到監(jiān)護(hù)的作用，而數(shù)字化后，由于操作員的操作方式的改變，反而失去了原來的監(jiān)護(hù)，由此發(fā)生操作失誤。因此，應(yīng)該建立一個(gè)有效的監(jiān)察機(jī)制來加強(qiáng)監(jiān)督。

3.2人機(jī)界面

人機(jī)界面是操作員操作和控制設(shè)備的主要接口，優(yōu)良的人機(jī)界面能大大降低人機(jī)交互的難度，減少操作失誤。人機(jī)界面設(shè)計(jì)的目的，就是最大限度地滿足操作員執(zhí)行任務(wù)時(shí)所需要的信息同時(shí)又能把操作步驟和界面管理的復(fù)雜度降到最低。

3.2.1要按照人因工程來規(guī)范化設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)之初就要以系統(tǒng)化的、統(tǒng)一的人因工程設(shè)計(jì)規(guī)范來指導(dǎo)界面設(shè)計(jì)，要確保畫面設(shè)計(jì)的一致性。設(shè)計(jì)的目的是為了完成任務(wù)，我們可以以任務(wù)為導(dǎo)向設(shè)計(jì)畫面，完成任務(wù)需要的信息可以重點(diǎn)描述，和任務(wù)不相關(guān)的信息可以減少或者忽略。設(shè)計(jì)的目的也是為了讓操作更舒適，可以根據(jù)操作員的操作習(xí)慣和生理特性來布局畫面。

3.2.2要有合理的審評(píng)方法

要使數(shù)字化控制系統(tǒng)的人機(jī)界面在使用之前達(dá)到要求，必須要進(jìn)行審評(píng)。目前國(guó)內(nèi)這方面的研究還比較少，發(fā)展一個(gè)能解決表面缺陷還能識(shí)別并解決潛在缺陷的方法迫在眉睫。

3.3操作規(guī)程

數(shù)字化系統(tǒng)的人機(jī)交互具體體現(xiàn)在完成任務(wù)上，在低負(fù)荷的環(huán)境下，操作員通常能很好地完成各項(xiàng)任務(wù)。只是在緊急狀況下，容易出現(xiàn)失誤。這一部分主要討論的是在緊急情況下操作員應(yīng)該怎樣完成任務(wù)。

3.3.1規(guī)程設(shè)計(jì)

操作程序設(shè)計(jì)得太復(fù)雜和難理解是導(dǎo)致失誤的重要原因之一。操作規(guī)程應(yīng)該符合我國(guó)操作員的認(rèn)知習(xí)慣。因?yàn)橐?guī)程都是在計(jì)算機(jī)頁(yè)面上操作，所以在設(shè)計(jì)頁(yè)面的時(shí)候就要使有些判斷智能化，結(jié)構(gòu)層次化，要素集成化。盡量減少操作員的思維負(fù)擔(dān)及操作步驟。這在應(yīng)急情況下尤為重要。

3.3.2規(guī)程量化

關(guān)于核電廠應(yīng)急操作規(guī)程復(fù)雜度評(píng)估方法的研究，在國(guó)際上是一個(gè)比較前沿的方向。Park，Jung和Ha（2001）借鑒了度量軟件復(fù)雜度的方法，提出了基于熵值法的步驟復(fù)雜度的概念，用來測(cè)量核電站應(yīng)急規(guī)程步驟的復(fù)雜度。相關(guān)研交對(duì)電廠應(yīng)急操作規(guī)程的使用和編寫具有實(shí)際的指導(dǎo)作用，也能成為操作員的培訓(xùn)時(shí)間安排的依據(jù)。

4.總結(jié)

關(guān)于數(shù)字化控制系統(tǒng)人機(jī)交互的研究目前還是個(gè)比較新穎的領(lǐng)域，操作員在主控室為了完成任務(wù)進(jìn)行的每個(gè)步驟都可以說是人機(jī)交互。本文分析了數(shù)字化控制系統(tǒng)與傳統(tǒng)模擬控制系統(tǒng)的區(qū)別，總結(jié)了數(shù)字化控制系統(tǒng)下人機(jī)交互的特征，總結(jié)起來三個(gè)因素：操作員因素，人機(jī)界面因素和任務(wù)因素。本文還提出了一些解決策略：第一，從組織層面上加強(qiáng)管理，包括完善組織結(jié)構(gòu)、加強(qiáng)組織文化建設(shè)、加強(qiáng)教育、完善溝通機(jī)制以及及時(shí)監(jiān)督等。第二，設(shè)計(jì)良好的人機(jī)界面，包括按照人因工程的要求規(guī)范化界面設(shè)計(jì)，以及建立合理的評(píng)審機(jī)制。第三，盡量把規(guī)程設(shè)計(jì)的簡(jiǎn)單易懂易操作。