基于人機(jī)界面發(fā)展的核電站控制室設(shè)計

谷鵬飛，倪 瑩，陳衛(wèi)華，于溯源

（1.清華大學(xué) 核能與新能源技術(shù)研究院，先進(jìn)核能技術(shù)協(xié)同創(chuàng)新中心，北京 100084；2.中廣核工程有限公司設(shè)計院，廣東 深圳 518124；3.上海交通大學(xué)，上海 200240）

控制室是核電站的監(jiān)控中心，其主要功能是在各種運(yùn)行工況下對全廠正常和異常狀態(tài)的檢測和控制，保障核電站安全、有效運(yùn)行［1］。廣義的控制室系統(tǒng)包括人機(jī)接口工作站、控制室工作人員、操作規(guī)程、培訓(xùn)大綱和相關(guān)的設(shè)施或設(shè)備的總體，它們共同維持控制室功能的正確執(zhí)行［2-3］。本文所指的控制室系統(tǒng)主要包括核電站主控制室、應(yīng)急中心和技術(shù)支持中心。

核電站控制室發(fā)展歷程主要分為3 個階段：20世紀(jì)50—70年代，基于模擬技術(shù)的第一代控制室；20世紀(jì)80—90年代，模擬技術(shù)與數(shù)字化技術(shù)相結(jié)合的第二代“混合式”控制室［4］；20世紀(jì)末至今，隨著數(shù)字化技術(shù)全面應(yīng)用于核電站控制室中，出現(xiàn)了以法國N4、韓國APR1400、美國GE ABWR 以及中國嶺澳二期核電站為代表的第三代控制室。嶺澳二期1、2號機(jī)組以基于計算機(jī)信息和控制系統(tǒng)（KIC）的全功能操縱員工作站為主要控制手段，輔以基于常規(guī)技術(shù)的后備盤（back-up panel，BUP）作為應(yīng)對KIC失效的多樣化后備。

常規(guī)控制室基于模擬技術(shù)，以常規(guī)控制盤臺為主要監(jiān)控手段，常規(guī)控制盤臺由控制器、狀態(tài)燈、指示儀、記錄儀、報警光字牌等常規(guī)設(shè)備組成，在核電站數(shù)字化技術(shù)發(fā)展成熟前，常規(guī)控制室在核電站廣泛應(yīng)用，中國廣核集團(tuán)大亞灣核電站和嶺澳一期核電站均采用常規(guī)主控室。

嶺澳二期核電站以基于KIC 的全功能操縱員工作站為主要控制手段，輔以基于常規(guī)技術(shù)的BUP 作為應(yīng)對KIC 失效的多樣化后備。數(shù)字化主控室內(nèi)的配置主要包括2個計算機(jī)化的操縱員工作站、緊急操作裝置、大屏幕、后備盤、火災(zāi)探測及消防盤、機(jī)組長站和安全工程師站。其中，2個計算機(jī)化的操縱員工作站、機(jī)組長站、安全工程師站是4個冗余的計算機(jī)工作站，均是電站計算機(jī)信息與控制系統(tǒng)的終端。

根據(jù)美國NUREG-0700導(dǎo)則的定義，核電站的先進(jìn)控制室（ACR）是基于數(shù)字化技術(shù)、以視頻顯示器（VDU）為主要人機(jī)交互手段的控制室［5］。因此，采用數(shù)字化技術(shù)的嶺澳二期核電站控制室稱為先進(jìn)控制室，其設(shè)計融合了人因工程學(xué)的設(shè)計原則，采用了符合人因工程的布置設(shè)計和國際先進(jìn)的環(huán)境設(shè)計理念，在音響與環(huán)境噪音、空調(diào)與通風(fēng)、照明系統(tǒng)、防火、密封、生活保障設(shè)施及救生設(shè)備等方面進(jìn)行了創(chuàng)新。但從美國NUREG-0700導(dǎo)則可看出，先進(jìn)控制室的定義是寬泛的，其發(fā)展是不斷完善的過程，需結(jié)合實(shí)踐中的各種活動，尤其是人因工程的實(shí)際案例，對已有的設(shè)計方案進(jìn)行完善和優(yōu)化。因此，本文在已有方案的基礎(chǔ)上，結(jié)合人機(jī)界面本身的發(fā)展歷程，從多角度審視核電站控制室的人機(jī)界面。

1 人機(jī)界面的發(fā)展

人機(jī)界面這一術(shù)語源于人機(jī)工程學(xué)中，指人機(jī)間相互施加影響的區(qū)域［6-7］。一般而言，凡參與人機(jī)信息交流的一切領(lǐng)域均屬于人機(jī)界面，本文的人機(jī)界面指計算機(jī)系統(tǒng)中的人機(jī)界面，也稱人機(jī)接口［7］。

計算機(jī)人機(jī)界面的發(fā)展經(jīng)歷了命令語言式人機(jī)界面和圖形化用戶式人機(jī)界面，現(xiàn)在正朝多媒體用戶式人機(jī)界面、多通道用戶式人機(jī)界面和虛擬現(xiàn)實(shí)式人機(jī)界面的方向發(fā)展。多媒體用戶式人機(jī)界面、多通道用戶式人機(jī)界面的發(fā)展已取得了一定的成果。虛擬現(xiàn)實(shí)式人機(jī)界面的發(fā)展處于概念階段，相關(guān)的技術(shù)手段遠(yuǎn)不夠成熟，但它的發(fā)展成熟必將預(yù)示著人機(jī)界面所期盼的智能方式得以完全實(shí)現(xiàn)［7］。

命令語言式人機(jī)界面的人機(jī)對話媒介是機(jī)器語言，通過鍵盤操作來進(jìn)行命令和詢問，需要操作者具備專業(yè)能力，并進(jìn)行大量的記憶和訓(xùn)練，因此，人機(jī)交互不太友善，操作方式不易學(xué)習(xí)，操作者容易出錯，人機(jī)界面容錯能力也弱。

圖形化用戶式人機(jī)界面的人機(jī)對話媒介是WIMP（windows，icons，menus and pointing device）界面，人機(jī)交互通過鼠標(biāo)和鍵盤進(jìn)行操作，需操作者具有基本的應(yīng)用軟件知識，并進(jìn)行少量的記憶和訓(xùn)練。下拉式菜單、多窗口等圖形化方式的使用減少了鍵盤的使用，因此，這種人機(jī)交互較友善，提高了交互效率。

多媒體用戶式人機(jī)界面的人機(jī)對話媒介由靜態(tài)媒體向動態(tài)媒體（動畫、音頻、視頻等）轉(zhuǎn)變，人機(jī)交互方式有利于操作者對信息的主動探索（多媒體信息吸引力更大），操作者可通過鍵盤、鼠標(biāo)、觸摸屏進(jìn)行操作，需操作者具有基本的應(yīng)用軟件知識，并進(jìn)行少量的記憶和訓(xùn)練。相比之前的人機(jī)界面，這種人機(jī)界面更強(qiáng)調(diào)人機(jī)交互的動態(tài)特性，尤其是動畫、音頻、視頻等媒介的引入，有效提高了人對信息表現(xiàn)形式的選擇、控制和邏輯處理能力［8］。

多通道用戶式人機(jī)界面的人機(jī)對話媒介以動態(tài)媒體為主，用戶可通過鍵盤、鼠標(biāo)、語音、自然語言、手勢、書寫、眼部運(yùn)動進(jìn)行操作，機(jī)器可通過不同通道的信息反饋綜合判斷后精確實(shí)現(xiàn)操作者的意圖。這種人機(jī)交互需操作者具有更全面的應(yīng)用軟件知識，并進(jìn)行少量的記憶和訓(xùn)練。因此，人機(jī)交互的信息量更大，較以往的方式更趨于智能化，多通道的方式也可加入更多的專家知識庫，以指導(dǎo)新用戶的實(shí)際工作。

虛擬現(xiàn)實(shí)式人機(jī)界面的人機(jī)對話媒介是虛擬現(xiàn)實(shí)，其理念是人與機(jī)器的交互是人探索機(jī)器的世界，用戶甚至可通過大腦的活動與機(jī)器世界進(jìn)行和諧的交互，如同電影“阿凡達(dá)”的呈現(xiàn)。因此，這種人機(jī)交互可認(rèn)為是完美的，人不需要進(jìn)行知識性積累，完全可在新的世界里進(jìn)行探索并積累經(jīng)驗(yàn)。

2 核電站控制室的人機(jī)界面

2.1 數(shù)字化人機(jī)界面的特點(diǎn)

從核電站控制室的人機(jī)界面發(fā)展歷程看，第一代控制室主要以模擬技術(shù)為主，嚴(yán)格意義上講，并不是計算機(jī)系統(tǒng)的人機(jī)界面。隨著數(shù)字化技術(shù)全面應(yīng)用于核電站控制室中，第三代控制室的數(shù)字化人機(jī)界面可實(shí)現(xiàn)第一代和第二代人機(jī)界面無法實(shí)現(xiàn)的功能，其控制更集中、信息處理更復(fù)雜、信息關(guān)聯(lián)性更強(qiáng)、控制與信息顯示以計算機(jī)終端輸入和輸出為主，且隨著技術(shù)的發(fā)展將會增加一些基于模擬技術(shù)的系統(tǒng)所沒有的信息，如操縱員支持系統(tǒng)、運(yùn)行管理信息、綜合信息提示系統(tǒng)等［9］。數(shù)字化人機(jī)界面的特點(diǎn)如下。

1）人機(jī)界面要素的集成。過程控制的信息、重要的參數(shù)和趨勢等人機(jī)界面要素可組合在一起，以便操縱員及時有效地完成相關(guān)操作任務(wù)。

2）數(shù)據(jù)的綜合處理。過程控制所采集的數(shù)據(jù)是低層次數(shù)據(jù)，需進(jìn)一步被加工和整合，才可以供操縱員使用。

3）操縱員的決策支持。規(guī)程系統(tǒng)、人機(jī)界面系統(tǒng)、報警系統(tǒng)等均是操縱員支持系統(tǒng)，操縱員通過這些系統(tǒng)，可對核電站的狀態(tài)進(jìn)行判定，并進(jìn)行決策。

4）人機(jī)界面設(shè)計的和諧性。在人機(jī)界面設(shè)計活動中，讓操縱員參與進(jìn)來，并依據(jù)他們的操作習(xí)慣和特點(diǎn)，優(yōu)化設(shè)計界面，達(dá)到人機(jī)交互相和諧的目的。

5）人機(jī)界面的易配性。通過各接口設(shè)施，人機(jī)界面可在多地實(shí)現(xiàn)統(tǒng)一配置管理。

6）人機(jī)界面的自動化。在決策支持系統(tǒng)的幫助下，人機(jī)界面可將預(yù)先設(shè)定的各種策略用圖形化的方式展現(xiàn)出來，形成自動化的處理方式，比如結(jié)合報警系統(tǒng)調(diào)入規(guī)程系統(tǒng)。

第三代核電站控制室的人機(jī)界面與第一代、第二代人機(jī)界面相比，“人”所面對的“機(jī)”是數(shù)字化計算機(jī)系統(tǒng)而非常規(guī)的操作器件和儀表。以嶺澳二期核電站控制室為例，操縱員在主控室中主要的運(yùn)行任務(wù)是規(guī)程操作和報警處理，操縱員需遵守報警卡或操作規(guī)程的指導(dǎo)，不斷監(jiān)視電廠信息、輔助信息和安全重要信息；根據(jù)程序指導(dǎo)和信息所反饋的電廠狀態(tài)完成控制功能，同時監(jiān)視控制命令作用的反饋，但數(shù)字化人機(jī)界面可通過全新的視聽元素提醒操縱員執(zhí)行相關(guān)的運(yùn)行任務(wù)。數(shù)字化人機(jī)界面與基于模擬技術(shù)的人機(jī)界面的比較列于表1。

2.2 數(shù)字化人機(jī)界面的問題

從人機(jī)界面發(fā)展的歷程看，核電站數(shù)字化人機(jī)界面還處于圖形化用戶式人機(jī)界面的階段，人機(jī)交互主要通過鼠標(biāo)和鍵盤的配合進(jìn)行圖形化操作、窗口操作，人機(jī)對話媒介主要是靜態(tài)媒體，動畫、音頻、視頻等動態(tài)媒體還未能充分引入到數(shù)字化人機(jī)界面設(shè)計方案中。隨著觸摸屏、語音提示等交互方式的引入，核電站數(shù)字化人機(jī)界面正朝著多媒體用戶式人機(jī)界面的方向發(fā)展，多通道用戶式人機(jī)界面、虛擬現(xiàn)實(shí)式人機(jī)界面還處于探索研究階段。

表1 數(shù)字化人機(jī)界面與基于模擬技術(shù)的人機(jī)界面比較Table 1 Comparison between digital HMI and analog HMI

正是由于數(shù)字化人機(jī)界面還處于圖形化用戶式人機(jī)界面的階段，人對信息表現(xiàn)形式的選擇控制能力還需進(jìn)一步提高，以避免視覺局限。由于缺乏有效的動態(tài)媒體，操縱員的手、眼、耳不能更好地進(jìn)行配合，數(shù)字化帶來的大量信息不能與人的邏輯創(chuàng)造能力進(jìn)行有效結(jié)合，甚至可能超出人的信息處理能力，降低人接收信息的效率，從而影響人的效能，主要有以下問題：人機(jī)界面的管理、視覺局限、報警雪崩、溝通協(xié)調(diào)［9］。

2.3 數(shù)字化人機(jī)界面的驗(yàn)證與優(yōu)化

嶺澳二期核電站人機(jī)界面的設(shè)計驗(yàn)證包括任務(wù)支持驗(yàn)證和人因驗(yàn)證兩個方面［10］。任務(wù)支持驗(yàn)證主要是檢查操縱員執(zhí)行任務(wù)所需的顯示和控制是否足夠全面、人機(jī)界面特性是否與任務(wù)相匹配（顯示參數(shù)的量程與精度是否恰當(dāng)）、畫面上是否有多余的信息（造成干擾分散注意力）［11］。人因工程驗(yàn)證是檢查人機(jī)界面是否滿足設(shè)計導(dǎo)則中關(guān)于人的能力和局限性的要求，檢查其是否與操縱員的思維方式、操作習(xí)慣相適應(yīng)［12-13］。

針對人機(jī)界面的管理問題，在嶺澳二期核電站數(shù)字化人機(jī)界面的設(shè)計中，采用了以任務(wù)為導(dǎo)向的界面設(shè)計，顯示信息圍繞操縱員需完成的任務(wù)來組織，最大限度滿足操縱員執(zhí)行任務(wù)的信息需求，尤其是在高負(fù)荷情況下，把對界面管理任務(wù)的需求降到最低。2010年嶺澳二期核電站順利商運(yùn)，以任務(wù)為導(dǎo)向的界面管理方式通過核電站運(yùn)行的有效性證明其設(shè)計的合理性。但通過運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)反饋，后續(xù)需進(jìn)一步優(yōu)化任務(wù)導(dǎo)向的界面設(shè)計，進(jìn)一步簡化界面管理的結(jié)構(gòu)，精簡畫面的顯示信息，突出呈現(xiàn)關(guān)鍵的顯示元素，達(dá)到進(jìn)一步降低操縱員對界面進(jìn)行管理的任務(wù)。

由于使用數(shù)字化的人機(jī)界面，因鎖孔效應(yīng)引起的視覺局限就必然存在，如何降低其造成的影響是人機(jī)界面設(shè)計需考慮的。隨著更大尺寸液晶顯示器的引入，可增加單幅畫面的顯示元素，從而降低顯示層級，避免操縱員在多層顯示結(jié)構(gòu)里的來回查詢；另一方面，需對已有的顯示結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，增加顯示要素的集成度，減少操縱員在同層畫面之間的流轉(zhuǎn)。針對位置感消失的視覺局限，需結(jié)合操縱員的任務(wù)，將一些常用的關(guān)鍵報警光字牌固定布置，便于操縱員更直觀地識別和判斷電廠狀態(tài)。

數(shù)字化儀控系統(tǒng)的采用為報警消減提供了技術(shù)保障，在電站過程控制層可通過合理的邏輯處理，消減不必要的報警，而隨著數(shù)字化報警卡的引入，采用報警抑制技術(shù)可進(jìn)一步減少報警數(shù)量，以減輕操縱員的工作負(fù)擔(dān)，盡快避免人因失誤。這里需說明的是，報警消減和報警抑制是不同的概念，報警消減后，相關(guān)的報警操縱員是不可視的，即在人機(jī)界面層是不能調(diào)閱的，而被抑制的報警操縱員可在報警列表中查閱。

由于操縱員在主控室所執(zhí)行的任務(wù)通常相互協(xié)調(diào)完成，而不是由一個操縱員獨(dú)立完成，尤其是在機(jī)組啟停和事故處理過程中，更需要運(yùn)行團(tuán)隊之間密切配合。如何使操縱員之間共享必要的信息，并能進(jìn)行有效地溝通，正是數(shù)字化人機(jī)界面需進(jìn)一步優(yōu)化的地方。因此，可根據(jù)不同的情形提供多樣的顯示方式，通過大屏幕把關(guān)鍵的操作任務(wù)呈現(xiàn)出來，可便于整個運(yùn)行團(tuán)隊了解目前所需執(zhí)行的重點(diǎn)任務(wù)；對計算機(jī)工作站的顯示畫面結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，互相呈現(xiàn)操縱員之間的操作狀態(tài)，避免過多地使用言語交流，從而降低人因失誤的概率。

3 結(jié)語

第三代控制室的人機(jī)界面還處于人機(jī)協(xié)調(diào)發(fā)展階段，需對設(shè)計方案進(jìn)一步優(yōu)化，國家的法規(guī)標(biāo)準(zhǔn)也明確要求對核電站控制室的人機(jī)特性進(jìn)行評價［14］，而對于數(shù)字化人機(jī)界面的評估工作，國內(nèi)外還處于發(fā)展階段，相應(yīng)的評價指標(biāo)和評價方法還未成型。例如，如何評價以任務(wù)為導(dǎo)向的人機(jī)界面的管理效能，審視數(shù)字化人機(jī)界面中的視覺局限，尋找影響操縱員執(zhí)行任務(wù)的難題，觀測操縱員的團(tuán)隊合作任務(wù)，提煉出關(guān)鍵的評價指標(biāo)，探索出行之有效的評價方法，最終形成評價體系［15］。

計算機(jī)及通訊領(lǐng)域的技術(shù)均在突飛猛進(jìn)地發(fā)展，如虛擬技術(shù)、智能傳感技術(shù)、診斷與預(yù)測技術(shù)、高性能計算技術(shù)等，這些技術(shù)在核電站的應(yīng)用將對人機(jī)界面設(shè)計的不斷改進(jìn)帶來新的機(jī)遇，人機(jī)界面將更層次化、集成化、富集化、智能化。

［1］ 國家核安全局.HAF 102—2004 核動力廠設(shè)計安全規(guī)定［S］.北京：國家核安全局，2004.

［2］ 國家技術(shù)監(jiān)督局.GB 13630—1992 核電站控制室的設(shè)計［S］.北京：中國標(biāo)準(zhǔn)出版社，1992.

［3］ 核工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)化研究所.EJ／T 1143—2002 核電站控制室設(shè)計功能分析與分配［S］.北京：中國標(biāo)準(zhǔn)出版社，2002.

［4］ International Electrotechnical Commission.IEC 61227—1993 Nuclear power plants-control rooms-operator controls［S］.Geneva：International Electrotechnical Commission，1993.

［5］ Office of Nuclear Regulatory Research.NUEG-0700—2002 Human-system interface design review guidelines［S］.Washington D.C.：U.S.Nuclear Regulatory Commission，2002.

［6］ 趙江洪，譚浩.人機(jī)工程學(xué)［M］.北京：高等教育出版社，2006.

［7］ 高小紅，裴忠誠.人機(jī)界面的發(fā)展歷程［J］.水利電力機(jī)械，2006，28（2）：64-69.GAO Xiaohong，PEI Zhongcheng.Development of computer-user interface［J］.Water Conservancy & Electric Power Machinery，2006，28（2）：64-69（in Chinese）.

［8］ 溫希祝.應(yīng)用軟件系統(tǒng)人機(jī)界面設(shè)計的探討［J］.貴州大學(xué)學(xué)報：自然科學(xué)版，2005，22（3）：260-264.WEN Xizhu.Discussion about the design to the man-machine interface of application software system［J］.Journal of Guizhou University：Natural Science，2005，22（3）：260-264（in Chinese）.

［9］ 王志方，谷鵬飛，張建波.數(shù)字化人機(jī)界面設(shè)計的人因工程問題分析［J］.核科學(xué)與工程，2010，30（4）：365-371.WANG Zhifang，GU Pengfei，ZHANG Jianbo.Human factor engineering analysis for computerized human machine interface design issues［J］.Chinese Journal of Nuclear Science and Engineering，2010，30（4）：365-371（in Chinese）.

［10］核工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)化研究所.EJ／T 1118—2000 核電站控制室設(shè)計驗(yàn)證和確認(rèn)［S］.北京：中國標(biāo)準(zhǔn)出版社，2000.

［11］國家能源局.NB／T 20058—2012 核電廠控制室屏幕顯示的應(yīng)用［S］.北京：原子能出版社，2012.

［12］O′HARA J，HIGGINS J，BROWN J.Human factor consideration in new and advanced NPPs，NUREG-79947-2008［R］.Washington D.C.：U.S.Nuclear Regulatory Commission，2008.

［13］國家核安全局.HAF J 0055—1995 核電站控制室設(shè)計的人因工程原則［S］.北京：國家核安全局，1995.

［14］核工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)化研究所.EJ／T 798—1993 核電站控制室人機(jī)特性評價［S］.北京：中國標(biāo)準(zhǔn)出版社，1993.

［15］Office of Nuclear Regulatory Research.NUEG-0711—2002 Human factor engineering program review model［S］.Washington D.C.：U.S.Nuclear Regulatory Commission，2002.