核電廠控制室盤臺的人因設(shè)計導(dǎo)則及設(shè)計驗證

李雨桐，呂 曦，劉官榮，陳 釗，白巖松

（中國核動力研究設(shè)計院 核反應(yīng)堆系統(tǒng)設(shè)計技術(shù)重點實驗室，成都 610213）

0 引言

核電廠控制室盤臺是人機(jī)交互的重要接口，其設(shè)計過程必須參考人因工程（HFE）相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)和導(dǎo)則中的盤臺人因工程設(shè)計準(zhǔn)則，以提高整個控制室的人機(jī)績效。同時，根據(jù)美國核管會NUREG-0711的要求，核電廠的設(shè)計必須經(jīng)過HFE驗證和確認(rèn)（V&V），其中HFE驗證包含HFE設(shè)計驗證和任務(wù)支持驗證兩大主要內(nèi)容。HFE設(shè)計驗證關(guān)注人機(jī)界面在人的能力和限制上的適用性，其目的是確保人機(jī)界面的設(shè)計符合HFE導(dǎo)則，而人因設(shè)計導(dǎo)則是開展HFE設(shè)計驗證的重要基礎(chǔ)。盤臺人因工程設(shè)計準(zhǔn)則既是盤臺設(shè)計的參照，也是人因設(shè)計驗證環(huán)節(jié)驗證的標(biāo)準(zhǔn)，其作用十分重要。

NUREG-0711中提到，當(dāng)沒有設(shè)計導(dǎo)則時，可使用NUREG-0700作為人因設(shè)計導(dǎo)則[1]。NUREG-0700是國內(nèi)核電廠的監(jiān)管當(dāng)局認(rèn)可的標(biāo)準(zhǔn)，行業(yè)內(nèi)通常也將NUREG-0700的中文翻譯作為相關(guān)的設(shè)計導(dǎo)則直接用于指導(dǎo)相關(guān)人機(jī)界面的設(shè)計和驗證。然而，一方面并非所有NUREG-0700中的內(nèi)容都適用于控制室盤臺的相關(guān)設(shè)計，另一方面NUREG-0700為國外標(biāo)準(zhǔn)并不能完全符合國內(nèi)設(shè)計的實際情況，在實際過程中存在很多不適用或未覆蓋到的情況。因此，有必要建立一套適用于國內(nèi)核電廠控制室盤臺的人因設(shè)計導(dǎo)則。

本文調(diào)研了多個國內(nèi)外盤臺人因相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，參考實際的盤臺人因設(shè)計經(jīng)驗，在此基礎(chǔ)上對0700中未覆蓋和不適用的具體情況的條目進(jìn)行了補(bǔ)充和修改，形成了一套適用于國內(nèi)核電廠控制室盤臺的人因設(shè)計導(dǎo)則，并且根據(jù)此準(zhǔn)則在某項目利用Mockup模型進(jìn)行了具體的設(shè)計驗證。實踐證明，這套準(zhǔn)則能夠很好地適用于國內(nèi)核電廠控制室項目，具有一定的通用性和借鑒意義。

1 核電廠人因設(shè)計導(dǎo)則介紹

核電廠人因設(shè)計導(dǎo)則是指在設(shè)計核電廠的人機(jī)界面（HSI）的特征、布局和環(huán)境時所采用的人因工程設(shè)計指導(dǎo)。其在NUREG-0711被稱為“風(fēng)格指南”，可以是一個或多個文檔。其中的相關(guān)導(dǎo)則應(yīng)適時反映設(shè)計決定，以解決HSI設(shè)計的具體目標(biāo)。其編寫依據(jù)為通用HFE導(dǎo)則和人機(jī)界面設(shè)計的相關(guān)分析，包括對最新標(biāo)準(zhǔn)、文獻(xiàn)的調(diào)研，以及對當(dāng)前行業(yè)實踐和操作經(jīng)驗的總結(jié)，將研究實驗與工程設(shè)計評估的結(jié)果相平衡[1]。

一個符合監(jiān)管當(dāng)局審查要求的人因設(shè)計導(dǎo)則應(yīng)：

1）明確HSI所包含的范圍。

2）保證每個導(dǎo)則條目應(yīng)足夠具體和詳細(xì)，具備可驗證性。

3）說明在整個設(shè)計過程中的何處以及如何使用HFE導(dǎo)則。

4）表述清晰，便于設(shè)計者理解，適當(dāng)為文本描述輔以圖表。

5）以容易獲取和使用的形式留存，并且隨著設(shè)計的成熟，能易于修改和更新；應(yīng)明確標(biāo)注依據(jù)來源。

2 控制室盤臺人因設(shè)計導(dǎo)則的建立

2.1 相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)

HAFJ0055-1995針對核電廠控制室設(shè)計給出了總體的人因工程原則，其參照了IEC 964和NUREG 0700編寫[2]，供核電廠設(shè)計人員以及控制室安全審評人員使用。核電廠控制室的盤臺設(shè)計需要綜合考慮人體尺寸、人的動作范圍和視覺特性等方面的因素，同時可以參考針對特定類型的產(chǎn)品，如控制臺、工作座椅等的相關(guān)要求。核電廠盤臺設(shè)計相關(guān)人因標(biāo)準(zhǔn)的整理結(jié)果見表1。

表1 盤臺設(shè)計及驗證相關(guān)人因標(biāo)準(zhǔn)Table 1 Relevant human factors standards for panel design and verification

2.2 差異性分析

NUREG-0700中與盤臺設(shè)計相關(guān)的大部分內(nèi)容都是具有參考價值的，經(jīng)過了大量的試驗和經(jīng)驗論證，也是國內(nèi)核電廠的監(jiān)管當(dāng)局認(rèn)可的標(biāo)準(zhǔn)，所以行業(yè)內(nèi)通常直接將NUREG-0700的中文翻譯作為相關(guān)的設(shè)計導(dǎo)則用于指導(dǎo)相關(guān)人機(jī)界面的設(shè)計和驗證。但NUREG-0700與中國的核電廠盤臺設(shè)計的實際應(yīng)用也存在多種差異，例如：

1）文字差異

NUREG-0700中涉及文字相關(guān)的要求基本是針對英文字母文字考慮的，包括涉及到字體的高度、寬高比、間距等都是基于英文字符的基礎(chǔ)上確定的規(guī)則。但是漢字的結(jié)構(gòu)更復(fù)雜、筆畫數(shù)目更多，對于以漢字作為顯示元素的信息顯示要求有待討論[3]。

2）人體尺寸差異

在計算人體站姿和坐姿的眼高、肩高、功能伸展范圍等相關(guān)限值的時候，NUREG-0700采用的是MIL-STD-1472D 5.7節(jié)中陸軍和空軍的平均人體尺寸，并且部分使用的數(shù)據(jù)對人體尺寸的定義也不同，需要根據(jù)其定義進(jìn)行尺寸上的轉(zhuǎn)換。

3）修正量的考慮

NUREG-0700中除鞋高外并未完全考慮到姿勢、操作和著衣等修正量。

3 人因設(shè)計導(dǎo)則

由于存在以上方面的差異，可以將NUREG-0700中盤臺設(shè)計及盤面顯示相關(guān)的條目進(jìn)行通用化之后，再結(jié)合國內(nèi)的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，進(jìn)一步推出適用于國內(nèi)核電廠控制盤臺的人因?qū)t。差異性主要體現(xiàn)在盤臺外形相關(guān)要求和文字顯示方面的相關(guān)要求中。

3.1 盤臺外形相關(guān)

盤臺外形相關(guān)要求的差異性主要是由于人體尺寸和修正量的考慮而造成的，NUREG-0700中的部分條目已明確給出了通用化的原則性要求，如以第5百分位女性和第95百分位男性的人體尺寸作為上下限值進(jìn)行的“雙限值設(shè)計”或以第5百分位女性作為最小限值，以第95百分位男性的人體尺寸作為最大限值的“單限值設(shè)計”[4]。對于NUREG-0700沒有明確給出通用化要求的，可根據(jù)參考其他標(biāo)準(zhǔn)及人因工程相關(guān)理論推出相應(yīng)的通用化要求。以站姿盤臺為例，其外形相關(guān)人因?qū)t要求見表2。

表2 盤臺外形相關(guān)人因?qū)t要求Table 2 Guidance requirements for human factors related to the shape of the panel

3.2 盤面顯示文字相關(guān)

盤面文字顯示要求的差異性主要是由于文字差異造成的，NUREG-0700中所針對的文字都是字母數(shù)字類，在盤面文字中雖然也包括此類文字但更多的是中文字，因而這部分的要求更多的要參考相應(yīng)的國標(biāo)或亞洲字符的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)。

表3 盤面文字顯示相關(guān)人因?qū)t要求Table 3 The text on the panel shows the relevant human factors guideline requirements

4 盤臺人因設(shè)計驗證

上文根據(jù)充分的標(biāo)準(zhǔn)文獻(xiàn)調(diào)研和行業(yè)實踐經(jīng)驗形成了適用于國內(nèi)核電廠控制室盤臺設(shè)計的人因?qū)t，作者據(jù)此編寫了相應(yīng)的檢查表和調(diào)查問卷，開展了盤臺的人因設(shè)計驗證工作。盤臺人因設(shè)計驗證流程包括計劃準(zhǔn)備、實施、總結(jié)和關(guān)閉4個階段，具體的活動和輸入輸出見表4，盤臺設(shè)計人因?qū)t是整個活動開展的基礎(chǔ)。依據(jù)盤臺設(shè)計人因?qū)t編寫的檢查表的部分內(nèi)容見表5。

表4 盤臺人因設(shè)計驗證流程Table 4 Pantai human factors design verification process

表5 盤臺驗證檢查表（部分）Table 5 Verification checklist for the board (partial)

本次盤臺人因驗證的驗證人員共17人，其中包含操縱員、人因工程專家、工程師等，身高覆蓋了第5百分位女性～第95百分位男性的身高范圍。經(jīng)驗證，設(shè)計的控制室站姿和坐姿盤臺滿足盤臺設(shè)計人因?qū)t的要求，同時也滿足操縱員操作習(xí)慣及可達(dá)可視范圍。

本次設(shè)計驗證說明，根據(jù)盤臺人因設(shè)計導(dǎo)則設(shè)計出來的盤臺和盤面可以滿足人因工程的要求，利用本盤臺人因設(shè)計導(dǎo)則設(shè)計規(guī)范作為驗證依據(jù)也與實際的模型驗證的操作感受和操作員習(xí)慣相符合，說明這一導(dǎo)則能夠很好地適用于國內(nèi)的核電廠控制室項目。

5 結(jié)論

本文通過研究多個國內(nèi)外盤臺人因相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)導(dǎo)則和參考以往盤臺人因設(shè)計經(jīng)驗，對NUREG-0700中在具體應(yīng)用情況下的未覆蓋和不適用的條目進(jìn)行了補(bǔ)充和修改，形成了一套適用于國內(nèi)核電廠控制室盤臺的人因設(shè)計導(dǎo)則。根據(jù)此導(dǎo)則，在某項目進(jìn)行了具體的控制室盤臺人因驗證，驗證結(jié)果中客觀的檢查表和主觀的調(diào)查問卷的相互印證，并且最終通過1:1mockup盤臺，結(jié)合VR工具驗證在各方面都滿足人因工程導(dǎo)則的要求，說明這一導(dǎo)則能夠很好地適用于國內(nèi)的核電廠控制室項目，具有一定的通用性和借鑒意義。當(dāng)然，正如NUREG-0711中所指出的，人因?qū)t需要不斷的完善和更新：在2020年7月發(fā)布的NUREG 0700第三版中，對于第11章控制室盤臺的內(nèi)容將模擬化盤臺和數(shù)字化盤臺做了區(qū)分[11]；GB 10000《中國人人體尺寸的標(biāo)準(zhǔn)》[12]的發(fā)布時間為1988年，與現(xiàn)今中國相應(yīng)人群的真實尺寸存在時代差異；另外，關(guān)于盤面中文字體的相關(guān)要求依然需要進(jìn)一步討論等。這些都是以后可以對盤臺設(shè)計導(dǎo)則進(jìn)行補(bǔ)充和完善的地方。