核電站主控室數(shù)字化操縱員評價系統(tǒng)

陳 玉，顏聲遠，陳文龍

（1.黑龍江科技大學 機械工程學院，黑龍江 哈爾濱 150022；2.哈爾濱工程大學 核科學與技術(shù)學院，黑龍江 哈爾濱 150001）

核電站主控室是對核電站運行狀態(tài)進行監(jiān)視和控制的安全中樞，是人-機交互最為頻繁的場所。主控室的設(shè)備與操縱員之間構(gòu)成了一個復(fù)雜的人機系統(tǒng)，二者的協(xié)調(diào)關(guān)系對于人機系統(tǒng)總體性能的正常發(fā)揮有著顯著的影響［1］。人機協(xié)調(diào)關(guān)系不佳會降低人-機間信息交流的效率，增加事故發(fā)生的可能性。例如給人類社會帶來災(zāi)難性后果的三哩島［2］和切爾諾貝利［3］等重大核事故，皆揭示了人機關(guān)系的不協(xié)調(diào)增加了運行人員正確診斷事故原因的困難，從而延誤了對事故的處理。國內(nèi)核電站主控室人-機界面的協(xié)調(diào)關(guān)系評價主要采用在1∶1的木模上貼紙質(zhì)的核電站主控室人-機界面畫面，再邀請操縱員根據(jù)經(jīng)驗進行主觀評價的方式。為了準確和高效地評價核電站主控室人機系統(tǒng)的復(fù)雜協(xié)調(diào)關(guān)系和提高核電站的安全可靠運行，研究出一種數(shù)字化操縱員評價系統(tǒng)具有重要的工程應(yīng)用價值。本文以中國成年人人體標準尺寸為主要依據(jù)，研究人體模型的體段結(jié)構(gòu)和運動控制模型，并在UG NX 工程數(shù)字化軟件平臺上開發(fā)操縱員評價系統(tǒng)，以方便快捷地對核電站主控室人機系統(tǒng)匹配關(guān)系進行分析與評價，提高評價效率。

1 數(shù)字化操縱員的設(shè)計分析

1.1 操縱員的數(shù)字化表達形式和參數(shù)分析

數(shù)字化人體模型的表達方式主要包括線框模型、實體建模以及曲面建模。線框模型雖可產(chǎn)生任意視角視圖，但人體線框模型表達信息有限，真實感較差，當結(jié)構(gòu)過于復(fù)雜時交線過多會造成視覺模糊。實體建模主要由體素（球體、椎體、長方體、柱體）及體素之間集合運算構(gòu)成。曲面模型可在一定程度上描述三維人體模型的表面曲面外形，但不能提供人機評價所需的測量基準點、線和面。同時考慮到GB 10000—88《中國成年人人體尺寸》只提供了少量的人體表面特征數(shù)據(jù)，還無法建立完整的曲面人體模型。因此，本文采用實體建模方法構(gòu)建人體模型。該方法不僅能清晰地表達人體模型的構(gòu)造過程，而且能較準確地描述人體的幾何特征，含有人機評價所需的測量基準點、線和面，便于對人-系界面進行人機工程評價。

本文將人體特征抽象成比較簡單的幾何實體，例如在關(guān)節(jié)處的外形抽象成球體，上肢下肢抽象為圓臺，軀干及頭部用立方體來表示。將操縱員人體模型劃分成頭、軀干、上肢和下肢4個部分［4］，其中軀干包括上胸、腹和下胸；上肢包括上臂、下臂和手3 個部分；下肢包括大腿、小腿和腳3個部分。操縱員人體模型的參數(shù)包括操縱員肢體尺寸、眼睛的可視域、手的觸及域、肢體關(guān)節(jié)角度、字符視角以及手部尺寸等。操縱員的肢體尺寸依據(jù)GB 10000—88《中國成年人人體尺寸》確定；依據(jù)Nureg-0700的規(guī)定，同時參考DL／T 575.2控制中心人機工程設(shè)計導(dǎo)則第2部分（視野與視區(qū)劃）、DL／T 575.3控制中心人機工程設(shè)計導(dǎo)則第3部分（手可及范圍與操作區(qū)劃分）以及文獻［5］確定操縱員的可視域與可達域；GB／T 12984—1991《人類工效學視覺信息作業(yè)基本術(shù)語》與Nureg-0700均提出“字符可讀性要求：最小字高應(yīng)為16′（弧分），最大字高為24′（弧分），最佳字高為20-22′（弧分）”；肢體關(guān)節(jié)角度和手部尺寸參考GB 10000—88《中國成年人人體尺寸》以及文獻［5］確定。

1.2 數(shù)字化操縱員具備的功能

以人體百分位數(shù)、身高或各部位尺寸參數(shù)3種方式創(chuàng)建人體模型。為適應(yīng)這一需要，本文創(chuàng)建的操縱員人體模型具有按人體百分位數(shù)、人體身高或自定義人體尺寸方式生成人體模型。按百分位數(shù)和身高方式可方便地創(chuàng)建GB 10000—88《中國成年人人體尺寸》所規(guī)定的“標準”操縱員人體模型，自定義方法則可創(chuàng)建GB 10000—88《中國成年人人體尺寸》未規(guī)定的“非標準”操縱員人體模型。為滿足核電站主控室人-機界面評價需要，創(chuàng)建的操縱員人體模型應(yīng)具有以下功能：

1）可創(chuàng)建標準坐姿和站姿操縱員人體模型，用于不同作業(yè)姿態(tài)的評價；

2）可顯示雙眼視域、單眼視域，用于評價顯示信息是否在操縱員視域范圍內(nèi)；

3）可按標準要求創(chuàng)建字符視角基準，用于評價字符是否可清晰辨認；

4）創(chuàng)建的標準字符視角基準可隨頭部轉(zhuǎn)動，以適應(yīng)對不同位置字符評價的需要；

5）可顯示左右手可達域范圍，以評價操縱設(shè)備是否可觸及；

6）可調(diào)節(jié)各關(guān)節(jié)的角度，以滿足對工作姿態(tài)舒適度評價的要求。

2 數(shù)字化操縱員評價系統(tǒng)開發(fā)及應(yīng)用

在UG NX 6.0環(huán)境中，根據(jù)UG／Open［6］MenuScript獨特的腳本語言定制自定義人體模型菜單，根據(jù)UG／Open UIStyler編輯器創(chuàng)建人體模型可視化對話框界面。在Microsoft Visual C＋＋6.0開發(fā)平臺，采用UG／Open API搭建開發(fā)框架，并建立UG 工程，通過編譯、修改程序源代碼，在Microsoft Visual C＋＋6.0開發(fā)平臺編寫的API應(yīng)用程序可嵌入UG 系統(tǒng)中無縫融合，從而實現(xiàn)數(shù)字化操縱員人體模型的開發(fā)。圖1為開發(fā)的操縱員創(chuàng)建對話框及其評價對話框。

圖1 操縱員人體模型評價菜單及其對話框Fig.1 Evaluation menu and dialog of operator human body model

在UG 環(huán)境中，按核電站主控室人機關(guān)系的實際尺寸建立三維虛擬模型，在人體模型模塊中創(chuàng)建中國成年人男性第50百分位的人體模型。將人體模型準確裝配到模型中的作業(yè)位置，設(shè)置人體模型和三維模型的人-機位置關(guān)系，結(jié)合UG 的角度分析與尺寸測量功能模塊進行視角測量和尺寸測量。

圖2為按標準要求創(chuàng)建的字符視角基準，用于評價字符是否可清晰辨認。該標準字符視角基準可隨頭部轉(zhuǎn)動，以適應(yīng)對不同位置字符評價的需要。由圖2可知，該字符的視角范圍處于16′～24′范圍內(nèi)，滿足字符可讀性的要求。

圖2 立姿操縱員的字符可見性評價Fig.2 Character visibility evaluation of standing posture operator

操縱器的可達性評價是指操縱器應(yīng)設(shè)置在操縱員的手功能可及范圍內(nèi)。根據(jù)工效學標準規(guī)定的位置關(guān)系，將操縱員人體模型裝配到操縱的位置并進行評價，如圖3所示。由圖3可知，在操縱員的正常操作姿態(tài)下，P5操縱員可觸及兩臺面的操縱器，P95操縱員可觸及該控制臺垂直面內(nèi)操縱器，傾斜面內(nèi)的操縱器需彎腰才可觸及，若長時間易于引起疲勞，應(yīng)適當增加臺面的高度。

通過調(diào)節(jié)操縱員人體模型各關(guān)節(jié)的角度，以滿足對工作姿態(tài)舒適度評價的要求。圖4為操縱按鈕時操縱員的上肢肩關(guān)節(jié)舒適性評價和觀察光字牌時操縱員的頭部及軀干關(guān)節(jié)舒適性評價。由圖4可知，操縱員操縱按鈕時左上肢肩關(guān)節(jié)上擺動角度36.6°，擺動角度過大，該工作姿態(tài)評價結(jié)果為不舒適姿態(tài)；操縱員觀察光字牌時頸關(guān)節(jié)仰角42.3°，仰角過大，該工作姿態(tài)評價結(jié)果為不舒適姿態(tài)。同理，可完成操縱員操縱其余操縱器或讀取顯示信息時的舒適性評價。

圖3 操縱員的可達性評價Fig.3 Accessibility evaluation of operator

圖4 操縱按鈕和觀察光字牌時操縱員的舒適性評價Fig.4 Comfort evaluation on operating button and observing light plate for operator

3 結(jié)論

根據(jù)核電站主控室人機系統(tǒng)評價的需要，開發(fā)了符合國家標準的數(shù)字化操縱員人體模型?？筛鶕?jù)具體評價的需要，選擇操縱員的生成方式、性別、操作姿態(tài)；并且具備單／雙眼視域、左右手可達域、作業(yè)空間和字符可視性評價等關(guān)鍵評價功能；實現(xiàn)了與核電站主控室三維建模環(huán)境兼容，可方便快捷地進行人機協(xié)調(diào)關(guān)系的分析與評價，提高了評價效率。

［1］ 劉素娟.先進的核電廠主控室人＿機界面審評中需要注意的幾個問題［J］.核安全，2004，2（3）：7-10.LIU Sujuan.Several questions requiring more concern in the review of the man-machine interface for ANPP MCR［J］.Nuclear Safety，2004，2（3）：7-10（in Chinese）.

［2］ 俞爾俊，李吉根.核電廠安全［M］.北京：原子能出版社，2010：4.

［3］ 胡遵素.切爾諾貝利事故及其影響與教訓(xùn)［J］.輻射防護，1994，14（5）：321-335.HU Zunsu.Chernobyl accident：Its causes，impacts and the lessons learned［J］.Radiation Protection，1994，14（5）：321-335（in Chinese）.

［4］ 顏聲遠.武器裝備人機工程［M］.哈爾濱：哈爾濱工業(yè)大學出版社，2009：390-396.

［5］ 阿爾文.R.蒂利.人體工程學圖解［M］.北京：中國建筑工業(yè)出版社，1998：24.

［6］ 侯永濤，丁向陽.UG／Open二次開發(fā)與實例精解編［M］.北京：化學工業(yè)出版社，2007：2-10.