基于人因分析的核電廠綜合畫面設(shè)計(jì)研究

褚雪芹　陳潔　金亞東

【摘 要】核電廠控制室的人機(jī)接口是運(yùn)行人員與系統(tǒng)交互的主要媒介，近年來人機(jī)接口設(shè)計(jì)中越來越多地引入了人因分析。畫面是人機(jī)接口設(shè)計(jì)的重要內(nèi)容之一，其設(shè)計(jì)的合理性直接影響了操縱員的效率及核電廠系統(tǒng)功能的實(shí)現(xiàn)。本文基于人機(jī)接口設(shè)計(jì)審查導(dǎo)則NUREG-0700，結(jié)合福建福清核電廠畫面設(shè)計(jì)，研究了核電廠綜合畫面的設(shè)計(jì)方法，優(yōu)化了畫面的設(shè)計(jì)，提高了人機(jī)交互的效率。

【關(guān)鍵詞】核電廠；人因分析；人機(jī)接口；綜合畫面

Study of High Level Display Design In Nuclear Power Plant Based On Human Factor Analysis

CHU Xue-qin1 CHEN Jie2 JIN Ya-dong3

（1，3.China Nuclear Control System Engineering Co.，Ltd，Beijing 100176，China；

2.China Nuclear Power Engineering Co.，Ltd.，Ltd，Beijing 100840，China）

【Abstract】Human-System Interface of nuclear power plant is the main media for human and system interaction.Human Factor analysis has been used in Human-System Interface design greatly.Display as an important part of Human-System Interface design，the rationality of its design directly affects the efficiency of the operator and the realization of system function.A methodology for high level display design is studied here based on NUGUG-0700 and Fujian Fuqing nuclear power plant.It optimizes the display and improves the efficiency of the human interaction with the system.

【Key words】Nuclear Power Plant；Human Factor Analysis；Human-System Interface；High Level Display

0 引言

隨著計(jì)算機(jī)控制技術(shù)的飛速發(fā)展，核電廠的先進(jìn)控制室設(shè)計(jì)中越來越多地引入了數(shù)字化技術(shù)。數(shù)字化操縱員站上的人機(jī)接口設(shè)計(jì)作為控制室的主要設(shè)計(jì)內(nèi)容之一，其設(shè)計(jì)的合理性對(duì)操縱員執(zhí)行效率有重要影響[1]。流程畫面是人機(jī)接口設(shè)計(jì)的重要方面，是操縱員與儀表和控制系統(tǒng)進(jìn)行信息交換的主要媒介。在流程畫面上，操縱員完成對(duì)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的控制和監(jiān)視。因此，畫面設(shè)計(jì)的合理性尤為關(guān)鍵。本文基于美國(guó)核管會(huì)針對(duì)核電廠專門制定的人機(jī)接口設(shè)計(jì)審查導(dǎo)則NUREG-0700[2]，研究了核電廠綜合畫面的設(shè)計(jì)方法，以實(shí)現(xiàn)優(yōu)化控制室的設(shè)計(jì)的目標(biāo)。

1 綜合畫面概述

綜合畫面不同于系統(tǒng)畫面，它關(guān)注的是電廠某類特殊功能或某個(gè)運(yùn)行工況相關(guān)的設(shè)備、參數(shù)和報(bào)警信息，而系統(tǒng)畫面則關(guān)注電廠子系統(tǒng)的功能。綜合畫面允許操縱員監(jiān)視電廠的整體情況，一幅畫面也往往涵蓋到多個(gè)電廠子系統(tǒng)的設(shè)備和參數(shù)。

1.1 綜合畫面功能分類

參考福建福清核電廠的人機(jī)接口設(shè)計(jì)，可將計(jì)算機(jī)化工作站上的操作畫面按照不同的功能分為以下幾類：

（1）總體運(yùn)行規(guī)程專用畫面：用于總體規(guī)程操作時(shí)，執(zhí)行所需的監(jiān)視，監(jiān)視總體規(guī)程的跟蹤和電站操作模式變換過程。

（2）主功能跟蹤畫面：用于在單系統(tǒng)或多系統(tǒng)完成某一特定功能時(shí)執(zhí)行所需要的監(jiān)控，包含在執(zhí)行總體規(guī)程時(shí)用于快速操作的功能系統(tǒng)。

（3）定期試驗(yàn)畫面：用于對(duì)特定設(shè)備進(jìn)行定期試驗(yàn)時(shí)執(zhí)行的監(jiān)控。

（4）輔助監(jiān)視畫面：用于監(jiān)視電站啟動(dòng)和停堆，及交接班時(shí)的特定專用功能。

（5）大屏幕專用畫面：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)等幾部分。

（6）防火分區(qū)畫面：用于顯示防火隔離閥連接電廠房間的布局，防火隔離閥用于預(yù)防火災(zāi)，通過其控制能力將火災(zāi)隔離。

（7）邏輯分解畫面：提供在事故操作期間重要安全功能和重要電廠系統(tǒng)/設(shè)備的邏輯信息，幫助操縱員分析和理解安全功能和電廠設(shè)備狀態(tài)惡化的原因。

（8）事故規(guī)程相關(guān)畫面：用于事故規(guī)程操作時(shí)，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。

本文所述的綜合畫面，亦稱作高級(jí)畫面，主要指事故規(guī)程專用畫面以外的幾類畫面。事故規(guī)程的綜合畫面與規(guī)程步驟結(jié)合緊密，且該類畫面與操縱員的角色相關(guān)，具有獨(dú)立的一套設(shè)計(jì)方法。

1.2 畫面設(shè)計(jì)內(nèi)容

綜合畫面上的主要元素多數(shù)來源于各個(gè)系統(tǒng)畫面，內(nèi)容主要包含以下：

（1）管線和儀表線路：管線在畫面中用有顏色的實(shí)線來表示。

（2）設(shè)備：分為可控設(shè)備，僅有狀態(tài)反饋的設(shè)備，以及靜態(tài)設(shè)備三類。

（3）參數(shù)：主要指模擬量的顯示，通常有數(shù)字讀數(shù)顯示，柱狀圖和圖表顯示三種形式。

（4）信息窗：用來表示開關(guān)量信號(hào)的顯示。

（5）選擇器：用來標(biāo)識(shí)邏輯圖中定義的硬件選擇器的部件，可實(shí)現(xiàn)多個(gè)模式選一的操作。

（6）控制信息窗：允許操縱員對(duì)一個(gè)設(shè)備或一組設(shè)備甚至是整個(gè)系統(tǒng)通過單一的動(dòng)作進(jìn)行操作。

（7）導(dǎo)航鏈接：實(shí)現(xiàn)在同一系統(tǒng)內(nèi)部或不同系統(tǒng)之間的不同畫面之間的切換。

（8）文本：提供描述信息，設(shè)備位號(hào)等。

除以上內(nèi)容外，綜合畫面還包含一些系統(tǒng)畫面所不具備的專用元素，主要包括以下：

（1）綜合畫面專用圖符：如允許和閉鎖信號(hào)、一維和2D圖、全亮-半亮燈等。

（2）綜合計(jì)算參數(shù)：亦稱作內(nèi)部參數(shù)，通常沒有一層的傳感器與之對(duì)應(yīng)，而是幾個(gè)模擬量或開關(guān)量硬點(diǎn)的計(jì)算結(jié)果。計(jì)算類型包括求平均值、最大值、最小值、三取二邏輯等。例如一回路的平均壓力即是幾個(gè)壓力模擬量求平均的結(jié)果。

另外，考慮到綜合畫面上通常包含幾個(gè)系統(tǒng)的設(shè)備或參數(shù)，因此，在畫面上采用比底圖背景顏色略深的顏色來區(qū)分不同系統(tǒng)，方便操縱員快速掌握相關(guān)信息。

確定畫面設(shè)計(jì)部件后，使用計(jì)算機(jī)化平臺(tái)軟件所調(diào)用的圖符、底圖等，在系統(tǒng)畫面、運(yùn)行規(guī)程的基礎(chǔ)上，以統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)在綜合畫面底圖中嵌入系統(tǒng)操作所必須的控制、信息和報(bào)警，即設(shè)備、參數(shù)和信息窗等。

2 基于人因分析的綜合畫面設(shè)計(jì)

2.1 總體設(shè)計(jì)原則

綜合畫面在設(shè)計(jì)過程中滿足1.1節(jié)的功能。由于畫面的尺寸受到限制，因此需要確定一些通用標(biāo)準(zhǔn)來選擇顯示的信息。

（1）一致性，即綜合畫面中用到的圖符遵從數(shù)字化平臺(tái)的顯示設(shè)計(jì)規(guī)格書中定義的準(zhǔn)則，并同系統(tǒng)畫面保持一致，包括元素的外觀和可控性。

（2）感知性，綜合畫面呈現(xiàn)給用戶的信息應(yīng)當(dāng)是正確的，可快速識(shí)別的，及容易理解的。

2.2 畫面布局原則

綜合畫面布局應(yīng)當(dāng)遵循以下原則：

（1）所有元素布局在畫面底圖內(nèi)，即畫面顯示時(shí)不能出現(xiàn)橫向和縱向的滾動(dòng)條，使得操縱員快速掌握全局信息。

（2）畫面上顯示的信息條目分組為功能塊，用分界線和方框加以區(qū)分。通常方框內(nèi)填充略深與底圖背景的顏色，但不能過分吸引操縱員的注意力。

（3）同類設(shè)備需采用相同的圖符；文本的標(biāo)注應(yīng)當(dāng)采用相同的字體和字號(hào)；同一參數(shù)在不同畫面上的顯示格式保持一致，如參數(shù)以數(shù)字讀數(shù)顯示時(shí)，在所有畫面上都應(yīng)當(dāng)顯示相同的整數(shù)位數(shù)和小數(shù)位數(shù)；對(duì)于事故后監(jiān)測(cè)參數(shù)，在所有畫面上應(yīng)當(dāng)有相應(yīng)的標(biāo)識(shí)等。

（4）畫面上每個(gè)元素都應(yīng)當(dāng)有唯一的位號(hào)，位號(hào)應(yīng)當(dāng)包含機(jī)組號(hào)、系統(tǒng)名稱等，如2RCV001PO。如果機(jī)組號(hào)與當(dāng)前畫面編碼的機(jī)組號(hào)一致，可省略機(jī)組號(hào)。

（5）管線走向盡量符合流體從左至右，從上至下的流動(dòng)方向，在可能引起混淆的地方添加箭頭來標(biāo)明流向。

2.3 基于人因分析的畫面設(shè)計(jì)

本節(jié)基于人機(jī)接口設(shè)計(jì)審查導(dǎo)則NUREG-0700[2]，在人因分析的基礎(chǔ)上，確定畫面設(shè)計(jì)的規(guī)范，重點(diǎn)介紹畫面上的主要元素的設(shè)計(jì)，包括字體、顏色、線性和設(shè)備。

2.3.1 字體

人機(jī)接口設(shè)計(jì)中所有的字體類型都應(yīng)滿足NURGE-0700[2]第1.3.1節(jié)的相關(guān)規(guī)定：應(yīng)使用清晰易讀的字體；字體應(yīng)該具有準(zhǔn)確的大小寫、一致的筆畫寬度和一致的高寬比；對(duì)于已經(jīng)給定的字體，應(yīng)該可以清楚的分辨以下字母：X和K，T和Y，I和L，O和Q，S和5，U和V等。

因此，設(shè)計(jì)過程中英文和數(shù)字采用“Arial”字體，中文采用“宋體”。對(duì)于要求用特定字體的功能時(shí)，使用“特定”字體。最優(yōu)的字體大小在9pt到12pt之間。首選字體大小是11pt。對(duì)于特定的應(yīng)用，可以采用稍大些的字號(hào)，如吸引用戶的注意或標(biāo)題等。字體的大小要在所有畫面顯示中保持一致，例如：在同一列表中的所有元素，所有設(shè)備標(biāo)簽的字體大小等。

對(duì)于大屏幕專用畫面，則應(yīng)該根據(jù)操縱員站與大屏幕之間的距離，計(jì)算出適合的大屏幕字號(hào)，從而保證在后排的操縱員站上可以看清楚大屏幕上的字體。

2.3.2 顏色

畫面設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)當(dāng)注意顏色的選用，保證顯示畫面清晰易懂，避免視覺疲勞。NURGE-0700[2]第1.3.8節(jié)中列出了人機(jī)接口設(shè)計(jì)中建議使用的顏色，根據(jù)此建議，定義白色（RGB：255，255，255）和綠色（RGB：0，200，0）表示正常狀態(tài)。黃色（RGB：255，255，0）表示注意、警告。紅色（RGB：255，0，0）表示報(bào)警或故障以吸引用戶的注意。洋紅色（RGB：255，0，255）表示計(jì)算錯(cuò)誤，例如壞值、通信故障等。

畫面底圖背景顏色定義為淺灰色（RGB：222，222，222）；功能分區(qū)的背景顏色定義為中灰色（RGB：200，200，200），以便不過多吸引操縱員的注意力。

2.3.3 線性

根據(jù)NUREG-0700[2]第1.2.1節(jié)，定義以下三種線寬，分別是：細(xì)線：0.24pt；中線：1.2pt；粗線2.16pt。細(xì)線用于系統(tǒng)邊界、基準(zhǔn)線、（連接）儀表管線；中線用于次要工藝/電氣管線、輔助過程線（通風(fēng)和排水管線）等；粗線用于主要工藝管線以及主要供電管線等。

為了區(qū)分不同的應(yīng)用，定義以下線型：實(shí)線，點(diǎn)線和點(diǎn)劃線。實(shí)線用于畫面工藝管線及電氣系統(tǒng)線路；點(diǎn)線用于與儀表管線的鏈接；點(diǎn)劃線用于區(qū)分不同安全列，例如1E和NC設(shè)備，A列和B列等。

畫面上的管線代表通過設(shè)備的流體、電壓和通道等信息。定義淺藍(lán)色（RGB：110，150，180）表示水/疏水/蒸餾物；6.0kV；保護(hù)通道I。定義亮橙色（RGB：255，160，145）表示水蒸汽；550kV/220kV/24kV/220V AC；保護(hù)通道II。定義土黃色（RGB：220，170，0）表示氣體/油/濃縮物；380 V；保護(hù)通道III。定義深綠色（RGB：135，150，120）表示廢棄物/冷凝物；230 V DC；保護(hù)通道IV。定義紫色（RGB：120，100，170）表示冷卻水；48-110 V DC。

2.3.4 設(shè)備

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備在控制室是否可以被操縱員操作或監(jiān)視，將設(shè)備分為三類：動(dòng)態(tài)可控設(shè)備、動(dòng)態(tài)不可控設(shè)備和靜態(tài)設(shè)備。三種類型應(yīng)當(dāng)具有明顯的區(qū)別，并且對(duì)于同一類設(shè)備（如泵）應(yīng)當(dāng)具有相似的特征。以下為設(shè)備的一種設(shè)計(jì)方案。

1）動(dòng)態(tài)可控設(shè)備：操縱員在計(jì)算機(jī)化工作站上可以對(duì)此類設(shè)備進(jìn)行操作，操作指令可下發(fā)到底層控制器。該類設(shè)備在設(shè)計(jì)中采用矩形虛線框來標(biāo)識(shí)，且設(shè)備的邊緣線為白色。

2）動(dòng)態(tài)不可控設(shè)備：此類設(shè)備只有反饋信息，操縱員不能對(duì)其進(jìn)行操作。該類設(shè)備在設(shè)計(jì)中沒有矩形虛線框，僅設(shè)備的邊緣線保持白色。

3）靜態(tài)設(shè)備：此類設(shè)備既不能被操縱員操作，也沒有信息反饋，在畫面上僅為設(shè)備的示意。該類設(shè)備亦沒有矩形虛線框，設(shè)備的邊緣線為黑色。

下圖基于以上分析設(shè)計(jì)的福建福清核電廠的綜合畫面示例，圖中匯總了多個(gè)不同子系統(tǒng)的設(shè)計(jì)信息，從而完成一類電廠運(yùn)行任務(wù)的監(jiān)視。

3 結(jié)束語(yǔ)

本文在NUREG-0700[2]的對(duì)綜合畫面的設(shè)計(jì)進(jìn)行了研究。結(jié)合人機(jī)接口審查導(dǎo)則，能夠?qū)⒉倏v員關(guān)注的控制、信息等合理的布局在畫面中，保證信息完整的同時(shí)，減輕操縱員的負(fù)荷?？茖W(xué)的畫面設(shè)計(jì)方法能夠滿足運(yùn)行人員所需的功能要求，保證電廠的安全運(yùn)行，為核電廠的人員配備提供依據(jù)[3]。人因工程分析已經(jīng)廣泛應(yīng)用于國(guó)內(nèi)新建核電站的人機(jī)界面設(shè)計(jì)，并取得了一定成果。

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[責(zé)任編輯：田吉捷]