應(yīng)用模擬機(jī)開展核電廠HMI維護(hù)與改造方法的研究

班泉聚，喻修成，張軼婷

（中核武漢核電運(yùn)行技術(shù)股份有限公司，武漢 430023）

伴隨著數(shù)字化儀控技術(shù)在核電的應(yīng)用，三代核電儀控系統(tǒng)的人機(jī)界面不僅僅包括設(shè)備控制、現(xiàn)場(chǎng)反饋數(shù)據(jù)與報(bào)警信息等要素，還包括對(duì)數(shù)據(jù)加工處理后，為操縱員提供的操作支持系統(tǒng)、自動(dòng)化管理系統(tǒng)等，為操縱員提供了豐富、靈活的人機(jī)接口。但新的技術(shù)的引進(jìn)過程中必然伴隨著根據(jù)實(shí)際調(diào)試與運(yùn)行情況的維護(hù)與修改，面對(duì)如此復(fù)雜的人機(jī)界面設(shè)計(jì)，如何及時(shí)、準(zhǔn)確同時(shí)又貼合實(shí)際的完成相關(guān)工作成為了核電廠最關(guān)心的問題之一。

1 核電廠開展人機(jī)界面維護(hù)與改造的必要性分析

核電廠儀控系統(tǒng)調(diào)試與運(yùn)行期間，為使人機(jī)界面更加貼近操縱員的實(shí)際需求，經(jīng)常根據(jù)操縱員實(shí)際操作感受提出一些需要優(yōu)化的人因項(xiàng)目。維護(hù)技術(shù)人員在日常工作中也會(huì)發(fā)現(xiàn)一些由于系統(tǒng)設(shè)計(jì)導(dǎo)致的人因問題，同時(shí)信息化技術(shù)的提高，更多的先進(jìn)的人機(jī)界面人因工程技術(shù)正在逐漸被設(shè)計(jì)與運(yùn)行單位引入核電人機(jī)界面操作中[1]。

1）人機(jī)界面元素設(shè)計(jì)優(yōu)化項(xiàng)

該類問題主要指在調(diào)試與運(yùn)行期間，操縱員與維護(hù)技術(shù)人員發(fā)現(xiàn)的一些需要調(diào)整與優(yōu)化的人機(jī)界面元素。該類問題的主要特點(diǎn)是均為元素設(shè)計(jì)本身不滿足操縱員操作習(xí)慣，且該類問題不涉及全局變量，即不需增加與控制系統(tǒng)或應(yīng)用程序的通信變量。這類問題主要包括圖形布局、背景與元素顏色、線條與圖形修改、機(jī)組的人機(jī)界面字體為英文等問題。

目前，核電廠對(duì)于不影響系統(tǒng)運(yùn)行的小問題，一般采用發(fā)現(xiàn)時(shí)記錄，機(jī)組大小修時(shí)修改的方式。由于經(jīng)過機(jī)組的長時(shí)間的運(yùn)行反饋，積累了相當(dāng)多的該類問題（特別是新機(jī)組剛投入使用階段），但由于大小修窗口期較短，同時(shí)在該階段其它任務(wù)也較多，所以針對(duì)該類問題的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)均比較倉促。對(duì)于中文替代英文這類對(duì)人機(jī)界面整體影響很大的問題，不僅需對(duì)修改項(xiàng)進(jìn)行充分的驗(yàn)證與確認(rèn)，還涉及對(duì)全體操縱員進(jìn)行上崗再培訓(xùn)。因此，對(duì)于該類問題的修改，核電廠在未找到合適的方法前，一般不會(huì)輕易修改。

2）人機(jī)界面設(shè)計(jì)需改進(jìn)項(xiàng)

該類問題一般由于系統(tǒng)設(shè)計(jì)變更，導(dǎo)致人機(jī)界面需要進(jìn)行改造。例如，報(bào)警卡或報(bào)警列表需增加功能和變量，工藝系統(tǒng)根據(jù)實(shí)際需求增加設(shè)備等。此類問題由于與工藝控制等系統(tǒng)關(guān)聯(lián)緊密，不僅需要修改人機(jī)界面，更重要的是還需要在控制邏輯和應(yīng)用程序增加程序和算法，因而對(duì)于該類的設(shè)計(jì)修改，如事前未進(jìn)行充分的設(shè)計(jì)、驗(yàn)證與確認(rèn)工作，事后未進(jìn)行充分的培訓(xùn)，很可能帶來潛在的人因風(fēng)險(xiǎn)。

3）先進(jìn)人因工程技術(shù)應(yīng)用

目前，人因工程（HFE）已成為核電設(shè)計(jì)和安全審查必不可少的內(nèi)容。因此，核電設(shè)計(jì)與運(yùn)行單位都在探索通過計(jì)算機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，并在人機(jī)界面中提供操縱員執(zhí)行決策的參考依據(jù)。例如，目前三代核電均采用的電子化規(guī)程。對(duì)于該類問題，首先，國內(nèi)尚無成熟的開發(fā)技術(shù)與穩(wěn)定的運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)；其次，該類的改造涉及的系統(tǒng)比較多，產(chǎn)生的影響也比較復(fù)雜。因此，需要不斷地進(jìn)行驗(yàn)證、確認(rèn)與修改。

基于以上情況，核電廠作為人機(jī)界面的最終用戶，應(yīng)該積極參與到人機(jī)界面的維護(hù)與改造工作中，同時(shí)核電廠維護(hù)人員、操縱員應(yīng)該參與到核電廠人機(jī)界面的維護(hù)與改造的需求收集、設(shè)計(jì)、實(shí)現(xiàn)、驗(yàn)證、確認(rèn)以及培訓(xùn)過程中，也是非常有必要的。

2 應(yīng)用模擬機(jī)開展人機(jī)界面維護(hù)與改造的可行性分析

核電廠模擬機(jī)人機(jī)界面仿真方式，包括實(shí)物模擬與模擬兩種。實(shí)物模擬指的是使用參考系統(tǒng)的人機(jī)界面硬件和軟件來復(fù)現(xiàn)參考系統(tǒng)的人機(jī)界面系統(tǒng)[2]，模擬機(jī)與參考系統(tǒng)工程文件經(jīng)過簡(jiǎn)單地處理后是可直接互換使用的。模擬指的是使用模擬機(jī)系統(tǒng)的開發(fā)環(huán)境來復(fù)現(xiàn)參考系統(tǒng)的人機(jī)界面[2]，模擬機(jī)與軟件之間是不能直接使用的，但模擬機(jī)開發(fā)方一般均開發(fā)了導(dǎo)入工具，使得參考系統(tǒng)的組態(tài)工程文件可方便地導(dǎo)入到模擬機(jī)使用。

目前，國內(nèi)正在運(yùn)行數(shù)字化核電機(jī)組的全范圍模擬機(jī)。如果技術(shù)和經(jīng)濟(jì)條件允許，即使采用國外的DCS 系統(tǒng)，在對(duì)人機(jī)界面的仿真過程中，仍然首選實(shí)物仿真方式。如福清、方家山1/2 號(hào)機(jī)組模擬機(jī)、三門與海陽1 號(hào)模擬機(jī)、福清5/6 號(hào)模擬機(jī)（華龍1 號(hào)首堆）。同時(shí)，伴隨著今后機(jī)組國產(chǎn)化DCS 的大規(guī)模應(yīng)用，實(shí)物仿真將成為人機(jī)界面仿真的主流模式。

采用實(shí)物模擬的模擬機(jī)儀控系統(tǒng)人機(jī)界面，由于其采用與參考系統(tǒng)人機(jī)界面相同的開發(fā)環(huán)境與運(yùn)行環(huán)境，所以使用模擬機(jī)開發(fā)人機(jī)界面，其工程組態(tài)方式與界面運(yùn)行效果均與參考系統(tǒng)完全相同。因此，模擬機(jī)完全可作為核電廠人機(jī)界面的維護(hù)與升級(jí)改造過程的工具，且模擬機(jī)本身具有的功能也可用于人機(jī)界面的設(shè)計(jì)、驗(yàn)證、確認(rèn)以及培訓(xùn)工作中，相比于其它方式，使用模擬機(jī)開展人機(jī)界面維護(hù)與改造具有以下優(yōu)點(diǎn)：

1）投資少，無需增加太多人力與物力

核電廠使用實(shí)物模擬仿真方式的模擬機(jī)可直接作為人機(jī)界面維護(hù)與改造工具，不需增加任何投資。目前，核電廠儀控維護(hù)人員、模擬機(jī)維護(hù)人員的技術(shù)能力完全可以完成維護(hù)與改造的需求收集、設(shè)計(jì)以及實(shí)現(xiàn)的大部分工作，核電操縱員可以完成相關(guān)的驗(yàn)證與確認(rèn)工作。

2）維護(hù)與改造效果好

收集的核電調(diào)試與運(yùn)行過程中發(fā)現(xiàn)的設(shè)計(jì)優(yōu)化項(xiàng)問題可直接在模擬機(jī)中修改；設(shè)計(jì)需改進(jìn)項(xiàng)與先進(jìn)人因技術(shù)的應(yīng)用均可在模擬機(jī)中直接更改或增加功能，并在維護(hù)與改造后，由技術(shù)負(fù)責(zé)人和操縱員進(jìn)行驗(yàn)證與確認(rèn)。由于模擬機(jī)具有仿真的儀控系統(tǒng)模型和工藝系統(tǒng)模型，可全面響應(yīng)操作動(dòng)作導(dǎo)致的后果，且模擬機(jī)的教控系統(tǒng)功能、配置管理功能，支持工況插入、重演，數(shù)據(jù)記錄與保存，修改記錄保存等功能。因此，對(duì)同一工況可反復(fù)測(cè)試，并可根據(jù)驗(yàn)證與確認(rèn)效果反復(fù)迭代修改和驗(yàn)證與確認(rèn)，直到達(dá)到預(yù)期維護(hù)與改造效果，保存的組態(tài)文件后可在核電廠大修期間直接導(dǎo)入到參考機(jī)組系統(tǒng)中。

3）維護(hù)與改造風(fēng)險(xiǎn)小

對(duì)于設(shè)計(jì)需改進(jìn)項(xiàng)與先進(jìn)人因工程技術(shù)的應(yīng)用，由于修改較大，直接在參考系統(tǒng)中修改可能帶來巨大的風(fēng)險(xiǎn)，但在模擬機(jī)中開展此類工作卻沒有任何風(fēng)險(xiǎn)。

4）模擬機(jī)升級(jí)提前，培訓(xùn)效果好

核電廠每隔1 ～2 年就需開展模擬機(jī)的升級(jí)工作，方法是將參考系統(tǒng)已修改項(xiàng)提供給模擬機(jī)開發(fā)方，由其進(jìn)行差異項(xiàng)對(duì)比與模擬機(jī)修改升級(jí)工作，一般升級(jí)時(shí)間為1 個(gè)月甚至更長，升級(jí)完成后，操縱員還需開展升級(jí)后的相關(guān)培訓(xùn)。如使用模擬機(jī)開展人機(jī)界面的升級(jí)與維護(hù)工作，則模擬機(jī)可在第一時(shí)間完成修改更新，且操縱員參與了升級(jí)更新的大部分過程，可減少升級(jí)后的培訓(xùn)時(shí)間。

3 核電廠應(yīng)用模擬機(jī)開展人機(jī)界面維護(hù)與改造的實(shí)現(xiàn)方法

3.1 模擬機(jī)功能要求

模擬機(jī)的一般結(jié)構(gòu)如圖1 所示。

應(yīng)用于人機(jī)界面的維護(hù)與改造的模擬機(jī)功能與配置上，與全范圍模擬機(jī)相比無特殊的要求，但對(duì)于模擬機(jī)的人機(jī)界面軟件要求應(yīng)為實(shí)物模擬，且配置有與參考功能與系統(tǒng)配置完全一致的工程師站，用于對(duì)人機(jī)界面進(jìn)行編輯或修改。由于在維護(hù)與改造過程中，為適應(yīng)人因工程技術(shù)的實(shí)際需要，有可能需修改通信變量，所以操作員站與應(yīng)用程序服務(wù)器和控制邏輯主機(jī)之間的通信列表或文件應(yīng)可配置，可增加、減少通信變量。

3.2 維護(hù)與升級(jí)方法

因在實(shí)際工作過程中，模擬機(jī)每天還有培訓(xùn)任務(wù)，可新建工程，復(fù)制與為維護(hù)與改造前的工程組態(tài)文件，維護(hù)與改造工作直接新建工程中開展。

對(duì)于不同的人機(jī)界面問題采用的維護(hù)與升級(jí)方法也不盡相同，需根據(jù)具體問題具體分析。

1）人機(jī)界面元素設(shè)計(jì)優(yōu)化項(xiàng)的改造

由于該類問題均不涉及系統(tǒng)全局變量，所以在修改過程中由經(jīng)驗(yàn)豐富的儀控維護(hù)人員在模擬機(jī)人機(jī)界面工程師站中按照需求修改，修改后由模擬機(jī)維護(hù)人員按照模擬機(jī)操作規(guī)程下裝到模擬機(jī)，模擬機(jī)運(yùn)行后，由培訓(xùn)教員或操縱員按照運(yùn)行規(guī)程操作，驗(yàn)證與確認(rèn)修改是否滿足運(yùn)行人員的要求。

2）人機(jī)界面設(shè)計(jì)需改進(jìn)項(xiàng)的改造

由于該類問題，人機(jī)界面的畫面修改與第一類問題相同，但需要技術(shù)支持團(tuán)隊(duì)根據(jù)系統(tǒng)改造的要求修改控制邏輯模型、工藝系統(tǒng)模型或應(yīng)用程序，并增加人機(jī)界面軟件與修改軟件的通信變量。因?yàn)樵擃悊栴}對(duì)系統(tǒng)的影響較大，可能影響的操作界面較多，修改后應(yīng)由培訓(xùn)教員與操縱員按照模擬機(jī)培訓(xùn)規(guī)程進(jìn)行反復(fù)的測(cè)試，及時(shí)發(fā)現(xiàn)問題并由維護(hù)人員進(jìn)行修改[3]。

3）先進(jìn)人因工程技術(shù)應(yīng)用的改造

前兩種問題一般均由運(yùn)行與維護(hù)人員在實(shí)際工作中發(fā)現(xiàn)并提出，因此需求與對(duì)結(jié)果的預(yù)期非常明確，而該類問題一般為預(yù)研課題，所以該類的改造需根據(jù)需求與設(shè)計(jì)的要求具體進(jìn)行。如是否需要添加硬件設(shè)備，增加計(jì)算軟件等，但無論如何改造，其改造的基本前提均是盡可能地利用現(xiàn)有設(shè)備，且最終的數(shù)據(jù)與操作均需在現(xiàn)有的人機(jī)界面體現(xiàn)。因此，改造對(duì)現(xiàn)有系統(tǒng)與人機(jī)界面的影響更是判斷改造是否可行與合理的最終依據(jù)。該類改造更需要使用模擬機(jī)作為工具開展設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)，在實(shí)現(xiàn)的過程中發(fā)現(xiàn)問題、解決問題，并由最終用戶進(jìn)行驗(yàn)證與確認(rèn)。

4 結(jié)束語

核電運(yùn)行單位是人機(jī)界面的最終用戶，其最關(guān)心人機(jī)界面如何能更貼近操縱員的操作習(xí)慣，如何盡可能減少人因操作失誤，并且核電運(yùn)行單位掌握著第一手的、最全面的運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)反饋數(shù)據(jù)。核電廠應(yīng)用現(xiàn)有的模擬機(jī)開展核電廠人機(jī)界面的維護(hù)與改造，可及時(shí)解決運(yùn)行過程中發(fā)現(xiàn)的人因問題，同時(shí)由于大量具有運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)的操縱員參加到人機(jī)界面的維護(hù)與改造的工作中，人機(jī)界面的維護(hù)與改造的結(jié)果將更貼近實(shí)際需求。