核電廠主控室畫面設(shè)計研究

楊穎策　楊慶彧

【摘 要】在現(xiàn)代核電站設(shè)計的各個領(lǐng)域，人機界面是人機交互最集中的地方，因此科學合理的人機界面設(shè)計顯得尤為重要。數(shù)字化技術(shù)被引入主控系統(tǒng)之后，主控室人機界面發(fā)展為以計算機工作站為主，具備更加強大的信息處理能力。本文從數(shù)字化畫面設(shè)計內(nèi)容，畫面顯示的應用，具體設(shè)計過程中的問題等方面進行了描述，為畫面設(shè)計和人因結(jié)合提供一定的借鑒。

【關(guān)鍵詞】數(shù)字化；人機界面；核電廠

1 數(shù)字化人機界面概述

核電廠主控室是核電廠運行的控制中樞，是人機交互行為發(fā)生最多的場所，這里配備了監(jiān)控電廠運行狀態(tài)的控制系統(tǒng)，自動化程度很高，人機界面設(shè)計十分復雜。數(shù)字化技術(shù)被引入主控系統(tǒng)之后，主控室人機界面發(fā)展為以計算機工作站為主，具備更加強大的信息處理能力。數(shù)字化技術(shù)的應用使主控制室的信息顯示內(nèi)容和顯示方式發(fā)生重大變化：首先，操縱員通過計算機顯示器和大屏幕顯示就能方便、快捷地對核電廠信息進行監(jiān)督和控制[1]；其次，模擬的系統(tǒng)運行狀態(tài)被量化為系統(tǒng)運行參數(shù)直觀地顯示在人機界面中，操作人員只需操作計算機，就可以輕易對不同的數(shù)字信息做出相應的動作響應，配備的告警系統(tǒng)能夠提醒工作人員及時處理核電廠運行時發(fā)生的異常情況，保障核電廠處于安全、穩(wěn)定、高效的運行狀態(tài)。因此，對數(shù)字化人機界面進行科學合理設(shè)計是非常有意義的，數(shù)字化畫面又是人機界面中極為重要的內(nèi)容，因此畫面的可靠性、安全性尤為重要。

2 數(shù)字化畫面設(shè)計及布置的基本原則

2.1 畫面設(shè)計基本原則

數(shù)字化畫面主要完成對核電廠工藝系統(tǒng)的流程操作/監(jiān)視、主設(shè)備跟蹤、總體規(guī)程監(jiān)測、多系統(tǒng)特定功能執(zhí)行監(jiān)控、定期試驗監(jiān)控、值長/安工巡檢監(jiān)控、電廠總體狀態(tài)監(jiān)控、事故規(guī)程監(jiān)視和操作、安全參數(shù)監(jiān)視等工作。為了滿足反應堆安全和運行目標，一般采用以下數(shù)字化人機界面的設(shè)計原則：

1）簡潔：顯示畫面應盡可能簡單、清楚、易于理解，畫面涵蓋操縱員所關(guān)注的主要信息；

2）靈活和高效：運行參數(shù)應可以以多種顯示方式，如模擬圖、參數(shù)表、趨勢曲線等，以適應不同的監(jiān)測目的，調(diào)用任一幅畫面的點擊次數(shù)應盡量不多于3次；

3）一致性：整個人機界面設(shè)計要保持設(shè)計風格一致性，包括圖形元素、標志符號、顏色、閃爍的使用應保持一致，符號和標注文字的大小應保持一致；

4）美觀：注意顏色的選用和色彩搭配，保證顯示畫面清晰，避免視覺疲勞。

2.2 畫面布置基本原則

在畫面設(shè)計過程中，采用以下的原則：

1）在所有畫面上，圖形對象的相對位置要保持一致，特別是要與大屏幕顯示畫面上的相對位置一致。例如，在系統(tǒng)畫面中，如果穩(wěn)壓器的噴淋閥位于穩(wěn)壓器的左側(cè)，那么在操作站的顯示畫面中，該噴淋閥也應該處在相同的位置；如果一個回路中的三條管線是按照一定順序垂直排列的，那么在操作站的顯示畫面中，這些管線的排列方式也應該相同。

2）當幾個不同的畫面中包含同樣的設(shè)備時，這些設(shè)備在不同畫面的相對位置盡量要保持一致性（例如，在常規(guī)島畫面中，蒸汽發(fā)生器位于左側(cè)，在核島畫面中，蒸汽發(fā)生器位于右側(cè)）。

3）盡量減少管道拐角和管道交叉。在必須交叉的情況下，沒有連接的管道需要跨越表示；主要管道和設(shè)備優(yōu)于次要管道和設(shè)備，水平方向管道優(yōu)于豎直方向管道。

4）根據(jù)運行經(jīng)驗和習慣，對象位置的選擇盡量應該符合流體從左至右，從上至下的流動方向（特殊情況除外），在可能引起混淆的地方應添加箭頭來標明流向，主工藝管線占據(jù)畫面的中間位置。

5）為了保證顯示畫面的可讀性，對象之間應該有充足的空間。

6）畫面連續(xù)性，當同一個流程的功能被劃分在不同顯示畫面中時，應該保證視覺效果的連續(xù)性。設(shè)計中可以保持畫面之間部分重疊，同時采用合適的動態(tài)導航鏈接。對于較重要系統(tǒng)的重要設(shè)備可以保持部分重疊。

3 畫面顯示的應用

3.1 數(shù)字化畫面設(shè)計的分類

根據(jù)以往的設(shè)計經(jīng)驗，數(shù)字化畫面按核電廠功能進行劃分，建議分為以下幾類：

1）系統(tǒng)畫面

主要包括系統(tǒng)功能、主設(shè)備跟蹤、預定義趨勢顯示等3類系統(tǒng)畫面。系統(tǒng)畫面以工藝系統(tǒng)的流程圖為基礎(chǔ)；主設(shè)備跟蹤用以系統(tǒng)畫面上主設(shè)備的詳細跟蹤；預定義畫面表示各系統(tǒng)預先定義好需要在畫面中進行顯示的信息。

2）規(guī)程用畫面

該類畫面用于某段總體規(guī)程操作時，執(zhí)行所需的監(jiān)測，或是完成總體規(guī)程中某些綜合操作。

3）主功能跟蹤畫面

該類畫面用于在單系統(tǒng)或多系統(tǒng)完成某一特定功能時執(zhí)行所需要的監(jiān)控。

4）定期試驗畫面

該類畫面用于定期試驗時執(zhí)行需要的監(jiān)控。

5）輔助監(jiān)視畫面

該類畫面包括值長/安工巡檢時所使用的畫面。

6）大屏幕畫面

該類畫面主要用于顯示電廠的總體狀態(tài)，分為核島、常規(guī)島、電氣和重要參數(shù)顯示等幾部分。

7）防火分區(qū)畫面

該類畫面用于監(jiān)視和控制火災。

8）事故規(guī)程相關(guān)畫面

該類畫面用于某段事故規(guī)程操作時，執(zhí)行所需的定期監(jiān)視或用于完成事故規(guī)程中某些綜合操作。

9）邏輯分解畫面

該類畫面用于某一綜合邏輯的邏輯分解功能。

3.2 數(shù)字化畫面的元素

畫面上的元素主要包括：

1）設(shè)備（閥門、泵等）；

2）管線；

3）數(shù)字顯示；

4）各種設(shè)備控制器；

5）信息顯示；

6）導航。

畫面上的元素按是否有操作來分，通常又可以分為：

1）可操作的動態(tài)元素：可以進行操作和控制。

2）不可操作的動態(tài)元素：可以顯示狀態(tài)信息，但不能控制的元素。

（1）數(shù)字指示符（畫面中模擬量值的顯示）；

（2）開關(guān)量指示符（顯示區(qū)域中開關(guān)量信號的觸發(fā)顯示，例如，KS和SN等）。

3）無操作的動態(tài)顯示元素：不能進行控制操作的元素。

4）靜態(tài)顯示元素：表示顯示區(qū)域中不可操作也無狀態(tài)顯示的元素。

工藝流程圖中按不同的特點分為以下兩種不同線寬的管線類型：

1）主工藝管線（包括主管道、主要供電管線等）；

2）次工藝管線（旁通、冷卻/加熱工藝管線、次電氣進線和出線）。

畫面中其他元素也應用在不同的場合，分別用以實現(xiàn)所有畫面的相關(guān)功能。

3.3 顏色應用

1）背景顏色

在人機界面的背景設(shè)計選用灰色，主要基于以下兩點考慮：

A）選用灰色的背景有助于操縱員提高注意力，減緩視覺疲勞；

B）灰色的背景和動靜態(tài)形成色差對比，能夠達到加強視覺識別能力、提高分辨力的目的。

2）靜態(tài)物色彩

不同工藝介質(zhì)的管道分別采用不同顏色給予區(qū)分；設(shè)備標注文字等都有各自固定的顏色。

3）動態(tài)物色彩

設(shè)備的過程變化都有不同的顏色予以區(qū)分，并且當設(shè)備處于不同的狀態(tài)，也會有相應的顏色進行區(qū)分。[2]

4 具體畫面設(shè)計及設(shè)計過程中的問題

4.1 畫面設(shè)計所需的參考文件

根據(jù)根據(jù)畫面設(shè)計、布置的原則，需要根據(jù)以下輸入/參考文件為上層輸入，設(shè)計數(shù)字化的人機界面：

1）系統(tǒng)流程圖圖；

2）電氣單線圖；

3）系統(tǒng)的工能，特性，設(shè)備說明，運行參數(shù)；

4）邏輯圖、模擬圖、IO清單、設(shè)定值手冊；

5）畫面顯示設(shè)計技術(shù)要求；

6）系統(tǒng)畫面編制規(guī)定；

7）功能圖（開關(guān)量部分）制圖細則；

8）功能圖（模擬量部分）制圖細則。

4.2 設(shè)計過程中的問題

在系統(tǒng)畫面的具體設(shè)計過程中，遇到并解決了一些問題，主要有：

1）一、二層功能塊是否匹配；

2）畫面布局是否滿足人因?qū)t；

3）圖符元素的設(shè)計是否滿足操縱員的操作習慣等。

5 結(jié)論

電廠主控室畫面設(shè)計是一次有益的探索和實踐。目前我國在對人機界面的設(shè)計及優(yōu)化工作正在逐步展開，同時通過操縱員的經(jīng)驗反饋發(fā)現(xiàn)畫面設(shè)計中存在的問題，充分利用操縱員的經(jīng)驗以及實際的操作習慣，對主控室畫面進行修正及優(yōu)化，為畫面設(shè)計積累了寶貴的經(jīng)驗。

【參考文獻】

[1]楊敏.核電廠主控室數(shù)字化人機界面評價研究[D].南華大學，2013，5.

[2]曲榮紅，張良駒，李鐸，于暉.數(shù)字化反應堆控制室人機界面的設(shè)計[C]//全國第四屆核反應堆用核儀器學會會議論文集.

[責任編輯：楊玉潔]