船用核动力装置应急处置决策支持系统设计

阮 航，陆古兵，晏玉坤，孙旭升

(海军工程大学核能科学与工程系，武汉 430033)

船用核动力装置是一个相当复杂的动态时变系统，具有突发事故的潜在风险性，对操纵人员的素质和能力具有较高要求，装置一旦出现事故将对航行的安全性造成巨大影响［1］。研究表明，由于操作过程中操纵员需要关注的数据信息较多，工作负担较大，一旦出现突发事故，可能会引发误操等情况。通过三哩岛等几次核电站事故应急处置的经验已经表明，应急决策是否正确，对减轻事故损失具有十分重要的意义［2］。目前，陆基核电站已有相应的应急处置决策支持系统，能够较好地处理突发情况，在国外应用比较广泛的是由欧洲多国共同开发的RODOS系统，我国也自行研制了CRODOS系统［3，4］。但其主要针对核电站出现突发事故时的应急决策，不适用于船用核动力装置。为最快程度帮助运行人员响应突发事故，在船用核动力装置上引入应急处置决策支持技术，保证突发事故能够在最快时间内得到决策支持。本研究结合船用核动力装置的实际运行需求，充分考虑人因工程理论因素，对应急处置决策支持系统的功能和方法进行讨论，再由IDEF0进行系统功能建模，形成完整的体系结构，完成应急支持功能。

1 支持系统基于人因工程的设计

目前，最具代表性的认知模型为Wickens的信息处理模型［5］，如图1所示。模型中，人的大脑被当作一个处理器，首先从感官获取外界信息，再经信息处理分析做出决定、计划，从而采取相应的行动。

图1 Wickens信息处理模型

根据信息处理模型，运行人员在核动力装置发生应急事故过程中主要认知活动有:① 事故状态与评估，当发生事故时，对报警标志观察，时刻监测不在正常范围内的参数变化，不断预判可能发生的事故类型和具体影响。②对发生事故的判断，通过上一步的监测评估情况对发生的事故进行判断。诊断得出事故发生的类型。③应急处置规划，针对事故发生的类型和装置所处于的状态决策出正确有效的处置措施。④迅速进行处理，按照规划好的处置规程对事故进行快速应急。

根据上述事故发生时操纵人员的认知过程，设计采用间接和直接互补的支持方式，如图2所示。一方面既不干扰运行操纵人员对突发事故的决策判断，另一方面通过计算机分析出的处置决策来帮助操纵人员验证判断。系统采用符合人类观察特点的显示结构将各种参数信息实时提供给操纵人员，增强其对装置的感知;与此同时，通过计算机对发生的事故进行分析，给出发生原因、后果及处置决策措施，直接向运行人员提供支持。

图2 直接间接互补支持

2 船用核动力装置的需求分析

目前，现有的核动力装置仅能够提供信息参数的实时数据，不能综合一段时间的历史数据进行状态分析。一旦出现事故，只能触发报警显示，需要运行人员自行判断报警准确性和真实性，不能在第一时间提供处置规程和处置决策支持。根据上述认知方式及过程，运行人员需要相应的支持内容。首先，当事故突然发生时，运行人员需要立即了解故障的类型和解决方法。其次，还需对事故严重程度进行评估，了解堆芯的安全状态，安全壳是否破损甚至放射性是否外泄等情况［6］。

为最大程度对运行人员进行决策支持，系统需要具备一个完整的数据信息显示及相应的图形动画演示，帮助其更加直观地了解装置所处的状态。在这个过程中，人员往往更加关注事故近期时间内造成的影响，例如当核电站发生比较严重的堆芯失水事故，反应堆内的冷却剂的温度变化速率和安注系统能够维持的时间等要素，这就要求系统具有一定程度的预测和分析计算能力。此外，系统还要结合地理等背景信息给出决策和评价。

处置决策支持系统应能够为发生的事故按照严重程度评定等级，根据等级进行分析决策。例如通常装置的操作规程能够满足的一般情况的小故障，系统只需要报警提示操纵人员并提供相应的处置规程去验证即可;当发生比较严重的事故时，则在此基础上综合各方面因素分析出恰当的处置决策，并对造成的后果进行全方位评价。

3 应急处置决策系统体系结构设计

系统主体可分为3个部分，分别为数据采集与执行、信息显示及应急处置决策主体，如图3所示。

数据采集与执行模块的主要作用是通过装置上的各种传感器对装置的各种参数进行测量，将采集到的原始数据通过图形等方式直接显示出来并提供给监测模块。控制与保护系统能够执行系统与运行人员及系统的控制动作，发挥操纵与保护装置的作用。

信息显示模块是将系统监测和分析处理的数据科学地展示给运行人员，向运行人员提供报警信息及决策支持等内容。系统的显示部分主要分为以下几个模块:报警信息显示、系统总体安全状态显示、决策支持显示、控制系统状态显示、故障信息显示、操作指导步骤显示。

应急处置决策主体由数据库、监测报警、故障诊断、处置决策、分析验证5部分组成。数据库拥有系统中所有用到的文本、模型、决策、方法和知识等内容，可供其他模块随时调用。监测与报警模块的作用是实时监测装置的安全状态和相应参数，从传感器的信号收集到报警信号的发出，再从报警信号的过滤分类压缩显示到限值和趋势报警，完成装置总体安全状态和参数趋势监测。故障诊断模块由诊断方法库模块、方法调度模块和结果评价模块组成，主要作用是将发生的故障信息送至处置决策支持模块进行决策分析。目前，运行人员针对事故发生的处置方法还停留在依靠事故规程的指导，不仅效果局限于初始事件的种类而且相对被动。

图3 系统体系结构

处置决策支持模块参考了RODOS系统的优势，包括地理背景库模块、事故分析模块、决策库模块、决策评价模块［7］。地理背景库模块能够获取放射性和气象的实时数据，提供地理和人口背景信息的支持;事故分析模块能够分析预测在没有干预情况下的辐射后果;决策库模块能够对分析出的结果进行决策支持，将不同的决策组合进行量化;决策评价模块能够对产生的不同决策进行评价，考虑决策的可行性、费用、社会和政治影响等因素，提供优选决策［8］。这样处置决策支持模块可以通过气象和放射性监测数据，在事故的不同阶段提供支持［9］。

操作指导与验证模块包含正常运行处置模块、应急操纵处置模块、操作验证模块。功能包括正常运行时的处置规程提示与验证，对运行人员的操作提供反馈。应急事故情况下，根据处置决策支持模块分析出的决策对运行人员提供操纵处置提示，利用监测模块验证效果。

4 系统结构功能建模

IDEF0方法为IDEF建模方法族中的一种，是20世纪80年代由美国空军在结构化分析和设计方法的基础上建立起来的［10］。具有同时表达系统和数据流的活动以及它们之间的关系的优点，能够完整描述系统功能需求。其结构的基本组成分为 I-输入(Inputs)、C-控制(Controls)、O-输出(Outputs)、M-机制(Mechanisms)4个部分，关系如图 4所示。

图4 IDEF0组件构成框图

遵循IDEF0的建模步骤，首先建立应急决策支持系统的内外关系图(A-0图)，再将其分解成3～6个主要部分以形成顶层图(A0图)。顶层图一般都是模型真正的最上层模型图，也是最关键的一个，从结构上阐述系统各模块的输入输出之间的信息关系［11］。根据处置决策支持系统的结构功能，将其分成5个功能模块:监测与报警模块、故障诊断模块、处置决策支持模块、操作指导与验证模块、信息显示模块。

图5由分析处置决策支持系统的顶层图得到系统的整体结构，为了进一步分析系统信息流动，选择对处置决策支持模块进行IDEF0建模分解。处置决策支持模块A3按功能划分可分为如图6所示的4个子模块。模块根据信息传递获取到的状态、参数、规程、故障信息和操纵信息，这些信息经过系统软硬件环境的作用分别得到各模块产出的信息。处置决策支持模块的分解图A3中，子模块地理背景库模块A31、事故分析模块A32、决策库模块A33、决策评价模块A34作为基本单元一般不进行再分解。如果其他分解图中的子模块能够继续分解，则还应做进一步分解。经过IDEF0的功能建模，被分解模块的体系结构和功能之间的信息流动已经清晰，为下一步模块的信息需求做好准备，其他模块的分解参照A3进行。

图5 顶层模型图A0

图6 处置决策支持模块分解图A3

5 结论

现阶段对于核动力舰船的应急处置决策支持技术研究较少，由于其技术复杂难度大，多数研究仅表述了应达到的预期功能和简单的系统结构，没有更深一步的对其建模分析。本研究通过体系结构分析，利用IDEF0建模方法，做出系统的数据流及功能模型，描述了系统内各功能模块的信息流动，为进一步开发研究提供了指导。应急处置决策支持系统是一个相对复杂的时变系统，对其IDEF0建模需要在后续研究中不断修改与完善，系统还有很多问题需要继续研究，为日后系统开发打下坚实的基础。

［1］袁志星，张宇声，余刃.集成化核动力装置运行支持系统设计分析［J］.船海工程，2011，40(2):139-142.

［2］冯嘉礼.核电站严重事故应急决策支持系统及其计算机实现研究［D］.北京:中国原子能科学研究院，2001.

［3］王莉.核电站事故应急协同决策系统可靠性建模与仿真［D］.哈尔滨:哈尔滨工程大学，2012.

［4］曲静原，曹建主，刘磊，等.我国核应急决策支持系统研究开发的现状与展望［J］.原子能科学技术，2001，35(3):283-288.

［5］CHRISTOPH ER C D，Wickens，Hollands J G.Engineering Psychology and Human Performance［M］.New York:Harper-Collins，1992.

［6］朱继洲.核反应堆安全分析［M］.北京:原子能出版社，2001.

［7］曲静原，曹建主.RODOS4.0与RODOS的未来发展［J］.辐射防护，2002，22(4):193-199，26.

［8］王川，周昌，郑谦.核事故后果评价与应急决策支持系统研究［J］.核电子学与探测技术，2013，33(5):647-651.

［9］陆能枝.核应急决策支持系统的框架结构及模糊决策方法在评估子系统的应用［D］.北京:中国原子能科学研究院，2001.

［10］陈禹六.IDEF建模分析方法［M］.北京:清华大学出版社，1999:3-5.

［11］潘堤，费海涛，张成，等.体系结构方法的本质及研究现状分析［J］.信息通信，2014，141(9):74-75.