基于HFE的核電站計算機監(jiān)控顯示系統(tǒng)設(shè)計

陳澤侃　顧吉青　錢立虎　秦超

摘 要：在核電站發(fā)生的重大事件和事故中，人因失誤引起的已占一半以上。人因失誤主要發(fā)生在人機接口的部位，包括基于計算機的監(jiān)控顯示系統(tǒng)，因此在計算機監(jiān)控顯示系統(tǒng)的設(shè)計過程中貫徹人因工程原則是非常必要的。從畫面開發(fā)方法和系統(tǒng)設(shè)計考慮因素兩個方面，討論如何將人因工程原則應(yīng)用于核電站計算機監(jiān)控顯示系統(tǒng)的設(shè)計中，對核電站的安全生產(chǎn)具有重要意義。

關(guān)鍵詞：人因工程 HFE 計算機監(jiān)控顯示 畫面開發(fā)方法 系統(tǒng)設(shè)計考慮因素

中圖分類號：TM623.8 文獻標識碼：A 文章編號：1007-3973（2013）006-119-03

1 引言

核電廠是一個龐大而復(fù)雜的系統(tǒng)工程，會發(fā)生各種各樣的異常事件和事故。其原因大致有三種：（1）工程系統(tǒng)本身的缺陷或故障；（2）人為疏忽或錯誤操作所引起的；（3）上述兩種原因的綜合。根據(jù)世界上四百多座核電廠的統(tǒng)計，在發(fā)生的重大事件和事故中，人為失誤引起的已占一半以上。人因失誤主要發(fā)生在人機接口的部位，包括基于計算機的監(jiān)控顯示系統(tǒng)，因此在計算機監(jiān)控顯示系統(tǒng)的設(shè)計過程中貫徹人因工程（HFE）適用原則是非常必要的。特別是三哩島事故和切爾諾貝利事故后，人們更加充分認識到人因工程的重要性。

2 人因工程與計算機監(jiān)控顯示系統(tǒng)

人因工程主要運用于核電站主控室的設(shè)計中。主控室中包含各種工作站，這些工作站包括控制臺和控制盤，是人機接口集成的地方，它提供了電廠人員執(zhí)行他們?nèi)蝿?wù)的區(qū)域。其中，計算機監(jiān)控顯示系統(tǒng)為操縱員提供了電廠系統(tǒng)工況和設(shè)備狀態(tài)信息，并提供了軟手操控制功能。這種監(jiān)控顯示系統(tǒng)是操縱員運行電廠最常用的手段之一。它包含3個人機接口基本元素：顯示、人機交互與管理以及控制。工程師基于這些元素來開發(fā)監(jiān)控顯示系統(tǒng)以完成特定功能。

核電站計算機監(jiān)控顯示系統(tǒng)提供以下顯示功能：狀態(tài)總覽、查看詳細狀態(tài)、報警、故障診斷、軟手操控制、計算機化規(guī)程、事件記錄等。

將人因工程運用于監(jiān)控顯示系統(tǒng)設(shè)計中，就是要研究人和機器、環(huán)境的相互作用及其合理結(jié)合，使設(shè)計的機器和環(huán)境系統(tǒng)適合人的生理、心理等特點，達到在生產(chǎn)中提高效率、安全、健康和舒適的目的。在畫面開發(fā)和系統(tǒng)設(shè)計考慮因素中應(yīng)用人因工程原則，可以保證計算機監(jiān)控顯示系統(tǒng)的安全性和可靠性，并實現(xiàn)良好的顯示界面。

3 畫面開發(fā)方法

畫面顯示的目的是為用戶提供完成任務(wù)所必需的信息，所以畫面開發(fā)應(yīng)從確定顯示系統(tǒng)的用戶信息和控制需求開始。確定需求時先不考慮哪些信號或硬件在當前是可用的。任務(wù)分析是明確用戶信息或其它用戶認知需要的過程。任務(wù)分析有許多方法，所使用的方法應(yīng)根據(jù)特定系統(tǒng)所需而定制。任務(wù)分析中需要考慮以下與顯示畫面相關(guān)的因素：

（1）用戶類型（如操縱員、維護人員、工程師等）。

（2）用戶需要的信息。

（3）用戶決策和評估過程。

（4）用戶采取的行動（每個決策之后）。

（5）用戶所采取行動的反饋。

（6）工作輔助或參考。

任務(wù)分析確定的顯示需求應(yīng)用于畫面的選擇和布局。任務(wù)分析也用于分析用戶工作負荷并明確哪些情況下會發(fā)生信息或工作超負荷。如果分析結(jié)果顯示存在潛在的超負荷，就要重新評估系統(tǒng)和任務(wù)設(shè)計，并確定其他可選方案來重新分配功能和任務(wù)。

一旦明確了顯示畫面的信息需求，就可以根據(jù)反映用戶感知和認知能力的準則來進行畫面設(shè)計。感知因素包括視覺、聽覺和其它感應(yīng)能力，認知因素包括判斷決策能力。感知因素和認知因素一起影響培訓(xùn)需求、時間因素以及人員的數(shù)量和技能。在設(shè)計如何將確定的信息需求顯示給用戶時，要考慮這兩種因素。鏈接分析有助于整合信息和任務(wù)順序數(shù)據(jù)，從而實現(xiàn)可接受的畫面布局。最后，具體的畫面和布局應(yīng)接受充分的人機接口驗證和確認。

4 計算機監(jiān)控顯示系統(tǒng)設(shè)計考慮因素

4.1 總體人機交互導(dǎo)則

在顯示畫面的設(shè)計中，要考慮用戶的培訓(xùn)和專業(yè)技術(shù)等級。為了使需要的培訓(xùn)量最小化，系統(tǒng)硬件、畫面間的導(dǎo)航和畫面組態(tài)應(yīng)易于理解。在最苛刻的運行工況下，畫面上的數(shù)據(jù)和畫面間的導(dǎo)航不能使用戶超負荷。在預(yù)期的環(huán)境條件下，受過培訓(xùn)的用戶應(yīng)易于解讀畫面。在應(yīng)急照明條件下，不能喪失關(guān)鍵的信息。

總體人機交互導(dǎo)則還包括以下方面：

（1）一致性。所有畫面和系統(tǒng)文檔內(nèi)的命名、標簽、編碼、縮寫、縮略語和圖形符號應(yīng)保持一致。信息和指令輸入的措辭和格式應(yīng)保持一致。

（2）用戶期望。系統(tǒng)設(shè)計規(guī)范應(yīng)與用戶期望、培訓(xùn)、規(guī)程、經(jīng)驗和約定一致。應(yīng)使用戶便于認出當前所在畫面結(jié)構(gòu)中的位置并能快速訪問其它畫面的數(shù)據(jù)。信息輸入順序應(yīng)反映用戶期望，并提供需要的控制選項。在控制輸入完成后，應(yīng)指示輸入的確認反饋信息。

（3）用戶記憶需求。系統(tǒng)應(yīng)最小化用戶的記憶負荷。用戶應(yīng)始終可用關(guān)于所有縮寫、符號、圖標、代碼、畫面設(shè)計約定和指令等的詞典。應(yīng)向用戶提供控制選項的清單，并且只提供當前實際可用的控制選項。所有縮寫和術(shù)語應(yīng)與電廠中使用的保持一致。

（4）顯示元素明確的組織和結(jié)構(gòu)。顯示系統(tǒng)各個方面的組織應(yīng)基于用戶需求，并反映出組織的總體原則，即重要性、使用頻率和使用順序。關(guān)鍵安全功能信息應(yīng)能使整個運行班組在特定位置上可見。用戶輸入功能要有獨特的位置和樣式。來自指令或數(shù)據(jù)輸入的反饋要區(qū)別于顯示文本。用戶對顯示文本添加的注釋要與文本本身不同。

（5）降低工作負荷。只有完成特定操作所必需的信息（如標簽、注釋、提示或選項）才提供給用戶。用戶輸入動作應(yīng)是簡單的，尤其對于需要快速用戶響應(yīng)的實時任務(wù)。用戶接口應(yīng)允許使用最小量的動作來完成一項任務(wù)。但出于安全和潛在破壞性的考慮，這條規(guī)則不能用于冗余動作。輸入動作和相關(guān)畫面應(yīng)最小化輸入模式或硬件之間的切換，如從鼠標切換到鍵盤?？刂戚斎氩粦?yīng)區(qū)分大小寫。

（6）用戶反饋。系統(tǒng)應(yīng)提供系統(tǒng)狀態(tài)、允許的操作、錯誤和錯誤修復(fù)選項、潛在的破壞性操作和數(shù)據(jù)有效性等信息。計算機應(yīng)立即對每個輸入做出響應(yīng)。計算機響應(yīng)的缺失不能指示輸入已被處理。

（7）靈活性。系統(tǒng)應(yīng)提供多種方式來執(zhí)行操作。對話結(jié)構(gòu)應(yīng)有所不同，且與用戶技能相兼容。它既允許初學(xué)者簡單地一步一步動作，也允許經(jīng)驗豐富的用戶進行復(fù)雜的輸入。在瀏覽多個頁面時，用戶應(yīng)能通過前進后退來切換。單個用戶動作不能修改或移除已儲存或已輸入的數(shù)據(jù)。

（8）用戶指導(dǎo)。系統(tǒng)應(yīng)提供有效的在線和離線幫助功能。用戶指導(dǎo)應(yīng)提供下一步動作或可選項。

4.2 易讀性和可讀性

易讀性是指無上下文語境時對單個字符的快速識別。可讀性是指易于識別字符組文本。易讀性和可讀性可通過對比度、明亮度、視距和字符尺寸來優(yōu)化。

（1）對比度。畫面上對象亮度和背景亮度之間應(yīng)具有高對比度。推薦對比度為10：1到8：1。

（2）明亮度。明亮度應(yīng)控制在17-172 cd/㎡（5-50 ftL）。

（3）視距。畫面設(shè)計應(yīng)基于用戶的正常視覺距離。需要引起注意的數(shù)據(jù)通常要大到足以使其在一定距離處可讀。

（4）字符尺寸。字符尺寸與視角和視覺弧度有關(guān)。字符尺寸的測量方法是，在給定的距離下，從用戶的眼睛處出發(fā)，測量視線到達字符頂部和底部之間的角度。明亮度大于34 cd/㎡（10 ftL）時，字符尺寸應(yīng)符合準則如表1。

表1 字符尺寸準則

4.3 視覺環(huán)境

畫面易讀性高度依賴于周圍環(huán)境照明情況。畫面應(yīng)在所有可能的照度環(huán)境（正常和應(yīng)急）下進行測試。測試中應(yīng)考慮強光、反向散射、背景光譜等的影響。

4.4 視覺編碼

視覺編碼包括顏色編碼、尺寸編碼、亮度編碼、閃爍、形狀編碼、圖標、定位編碼等，可用于指示狀態(tài)信息或便于定位特定物項。通常編碼應(yīng)冗余使用。因為編碼的種類很多，所以僅有較少的意義分配給各個編碼。另外，編碼應(yīng)與其表示的意義一致而不是與其相反，如旁通管線不應(yīng)粗于主管線。

（1）顏色編碼。顏色編碼通常作為其它編碼的冗余，因為顏色非常容易受到硬件和感知問題的影響，從而降低其有效性；并且在照明情況不佳時，顏色有效性也會降低。在有些基本的應(yīng)用中可使用相同的顏色，如設(shè)備狀態(tài)、報警等級等，用戶可以輕易地分辨其含義。為了能夠辨別顏色的含義，分配給一種顏色的不同含義應(yīng)不大于六種，這取決于顯示系統(tǒng)和視覺環(huán)境。顯示系統(tǒng)中顏色的含義應(yīng)保持一致。

（2）尺寸編碼。尺寸編碼可用于區(qū)分重要性或數(shù)量級。通常將尺寸編碼用于管道粗細來指示電氣或流體管道的不同傳輸能力，或用于區(qū)分正常和備用流道。為了便于識別尺寸編碼的不同等級，不應(yīng)使用超過3個等級，每個等級與下一級應(yīng)相差至少50%。

（3）亮度編碼。亮度編碼可用于突出信息從而吸引注意力。應(yīng)僅使用2個等級的亮度：大約33%和100%的顯示亮度。兩級亮度應(yīng)同時使用以確?？煽康谋孀R度。

（4）閃爍。閃爍可以立即吸引用戶的注意力。閃爍速率不應(yīng)超過2級。兩級閃爍速率間的差值至少為2 Hz。較慢的閃爍速率不應(yīng)小于0.8 Hz，較快的閃爍速率不應(yīng)大于5 Hz。圖像的顯示時間應(yīng)長于或等于隱藏時間。

（5）形狀編碼。應(yīng)盡量使用少量的形狀來表示特定意義。所使用的形狀要經(jīng)過測試，確保其易于分辨，并且其意義易于了解和記憶。形狀要足夠大以便于辨別。推薦的最小尺寸是在預(yù)期的視距處有20分的視角弧度。選擇的形狀要盡量簡單，要避免不必要的枝節(jié)。計算機系統(tǒng)應(yīng)有一個包含所有形狀的辭典，顯示在畫面和鍵盤上。

（6）圖標。圖標是一種特殊的圖符，用作功能或數(shù)據(jù)的速記象形標簽。圖標要有與眾不同的外形或邊界。圖標的外觀應(yīng)與其意義一致。應(yīng)為圖標提供補充標簽來識別其功能。

（7）定位編碼。在所有畫面的相同位置上應(yīng)布置相同的信息區(qū)，如標題、消息區(qū)、翻頁功能鍵等。

（8）多重編碼。在需要指示多重意義時可以結(jié)合多重編碼一起使用。例如，紅色與閃爍結(jié)合可表示“超出設(shè)定值”并且“需要立即關(guān)注”。

4.5 信息密度

信息密度是指在單幅畫面上顯示的信息量。信息密度低有利于快速查找和檢索數(shù)據(jù)，但同時會需要更多的畫面，因此必須在密度與導(dǎo)航所需時間之間取得平衡。

對于字母數(shù)字畫面，字符顯示量與字符間距量之比應(yīng)小于25%。表格與清單往往具有較高的信息密度。如果表格或清單以便于查找的方式組織，比如每隔三、四行插入空行，那么其密度可超出25%。

圖形畫面中的圖形量不應(yīng)影響用戶辨識單個顯示元素和對畫面的理解。

4.6 對話結(jié)構(gòu)

對話結(jié)構(gòu)包括菜單、地圖、專用功能鍵等。對話結(jié)構(gòu)基于任務(wù)需求，應(yīng)符合邏輯并保持一致。系統(tǒng)應(yīng)允許用戶中止或撤銷輸入，且應(yīng)保留用戶輸入的順序文件，在用戶調(diào)用時可以顯示。系統(tǒng)應(yīng)檢查每個輸入并提供反饋，在指令無效或超出范圍時提供錯誤消息。在使用指令語言處，應(yīng)在線提供適用的指令清單。

4.7 聽覺信號

聽覺信號用于警告用戶系統(tǒng)中發(fā)生了重大變化。多種聽覺信號之間應(yīng)易于相互區(qū)分。

4.8 頻閃

在用戶實際使用的情況下，顯示畫面應(yīng)在至少90%的時間里無頻閃。

4.9 畫面刷新速率與采樣速率

畫面刷新速率是指屏幕上信息增加或移除的速率。刷新速率要足以及時獲取系統(tǒng)參數(shù)的重大變化。

采樣速率是從現(xiàn)場傳感器獲取數(shù)據(jù)的速率。采樣速率也要足以采集系統(tǒng)參數(shù)的重大變化。采樣速率應(yīng)超過刷新速率。

4.10 數(shù)據(jù)完整性

數(shù)據(jù)完整性算法可用于識別超出正常范圍的數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)的異常狀態(tài)和基于該數(shù)據(jù)的計算結(jié)果要在所有受影響的畫面上識別出來，比如用某種顏色標識可疑數(shù)據(jù)。

4.11 量程

量程應(yīng)足夠?qū)挘瑥亩▍?shù)所有可能的值。量程也應(yīng)足夠窄，從而可以提高數(shù)據(jù)的精度?？潭葮擞洷仨毺峁┤蝿?wù)所需的精度。

4.12 重要人機接口的集成系統(tǒng)響應(yīng)時間

運用時間線分析得到從事件觸發(fā)到用戶動作并且系統(tǒng)響應(yīng)完成所需的最小時間。畫面和交互控制的樣式影響到用戶響應(yīng)所需的時間，這是集成系統(tǒng)響應(yīng)時間的主要組成部分。要在最極限的預(yù)期負載條件下，仔細評估畫面樣式對集成系統(tǒng)響應(yīng)時間的影響。

4.13 可靠性

顯示系統(tǒng)應(yīng)在需要時可用，并應(yīng)顯示正確的值。即使用戶輸入是錯誤的，系統(tǒng)也不能閉鎖對用戶輸入的響應(yīng)，而是應(yīng)該提供識別錯誤數(shù)據(jù)或警告用戶的方法。

4.14 數(shù)據(jù)精確度

數(shù)據(jù)精確度是指可以直接從畫面讀到一個值的詳細程度，比如精確到小數(shù)點后三位。顯示精確度要符合任務(wù)需求，但不應(yīng)超過任務(wù)需求。

5 結(jié)束語

核電廠作為一個復(fù)雜、高度自動化的人機系統(tǒng)，其運行控制特征使得人因失誤發(fā)生的可能性較大，如何將人為失誤事件降低到最低限度已成為核電生產(chǎn)中亟需解決的重要問題。本文從人因工程與計算機監(jiān)控顯示系統(tǒng)的關(guān)系、顯示畫面開發(fā)方法和系統(tǒng)設(shè)計考慮因素等方面出發(fā)，論述并總結(jié)了人因工程原則在核電站計算機監(jiān)控顯示系統(tǒng)設(shè)計中的應(yīng)用，從而實現(xiàn)良好的人機接口顯示畫面，提高核電運行的安全性和可靠性，具有重要實踐意義。

參考文獻：

[1] 李儉秋.人因工程與控制室[J].核工程研究與設(shè)計，2006（4）：40-44.

[2] 楊孟琢.核電人因工程領(lǐng)域的發(fā)展[J].中國工程科學(xué)，2002，4（8）：12-19.

[3] U.S. Nuclear Regulatory Commission.NUREG-0700， Rev.2，Human-System Interface Design Review Guidelines[S].2002.

[4] [美]C.D.威肯斯，J.D.李，劉乙力，S.G.貝克.人因工程學(xué)導(dǎo)論[M].張侃，等.譯.上海：華東師范大學(xué)出版社，2007：2.

[5] International Ergonomics Association.Definition of Ergonomics[EB/OL].2000.

[6] 張言濱.核電站人因失誤的產(chǎn)生機理及其預(yù)防措施[J].電網(wǎng)與清潔能源，2011，27（1）：76-78.