核電站主控室數字化操縱員評價系統

陳 玉，顏聲遠，陳文龍

（1.黑龍江科技大學 機械工程學院，黑龍江 哈爾濱 150022；2.哈爾濱工程大學 核科學與技術學院，黑龍江 哈爾濱 150001）

核電站主控室是對核電站運行狀態進行監視和控制的安全中樞，是人-機交互最為頻繁的場所。主控室的設備與操縱員之間構成了一個復雜的人機系統，二者的協調關系對于人機系統總體性能的正常發揮有著顯著的影響［1］。人機協調關系不佳會降低人-機間信息交流的效率，增加事故發生的可能性。例如給人類社會帶來災難性后果的三哩島［2］和切爾諾貝利［3］等重大核事故，皆揭示了人機關系的不協調增加了運行人員正確診斷事故原因的困難，從而延誤了對事故的處理。國內核電站主控室人-機界面的協調關系評價主要采用在1∶1的木模上貼紙質的核電站主控室人-機界面畫面，再邀請操縱員根據經驗進行主觀評價的方式。為了準確和高效地評價核電站主控室人機系統的復雜協調關系和提高核電站的安全可靠運行，研究出一種數字化操縱員評價系統具有重要的工程應用價值。本文以中國成年人人體標準尺寸為主要依據，研究人體模型的體段結構和運動控制模型，并在UG NX 工程數字化軟件平臺上開發操縱員評價系統，以方便快捷地對核電站主控室人機系統匹配關系進行分析與評價，提高評價效率。

1 數字化操縱員的設計分析

1.1 操縱員的數字化表達形式和參數分析

數字化人體模型的表達方式主要包括線框模型、實體建模以及曲面建模。線框模型雖可產生任意視角視圖，但人體線框模型表達信息有限，真實感較差，當結構過于復雜時交線過多會造成視覺模糊。實體建模主要由體素（球體、椎體、長方體、柱體）及體素之間集合運算構成。曲面模型可在一定程度上描述三維人體模型的表面曲面外形，但不能提供人機評價所需的測量基準點、線和面。同時考慮到GB 10000—88《中國成年人人體尺寸》只提供了少量的人體表面特征數據，還無法建立完整的曲面人體模型。因此，本文采用實體建模方法構建人體模型。該方法不僅能清晰地表達人體模型的構造過程，而且能較準確地描述人體的幾何特征，含有人機評價所需的測量基準點、線和面，便于對人-系界面進行人機工程評價。

本文將人體特征抽象成比較簡單的幾何實體，例如在關節處的外形抽象成球體，上肢下肢抽象為圓臺，軀干及頭部用立方體來表示。將操縱員人體模型劃分成頭、軀干、上肢和下肢4個部分［4］，其中軀干包括上胸、腹和下胸；上肢包括上臂、下臂和手3 個部分；下肢包括大腿、小腿和腳3個部分。操縱員人體模型的參數包括操縱員肢體尺寸、眼睛的可視域、手的觸及域、肢體關節角度、字符視角以及手部尺寸等。操縱員的肢體尺寸依據GB 10000—88《中國成年人人體尺寸》確定；依據Nureg-0700的規定，同時參考DL／T 575.2控制中心人機工程設計導則第2部分（視野與視區劃）、DL／T 575.3控制中心人機工程設計導則第3部分（手可及范圍與操作區劃分）以及文獻［5］確定操縱員的可視域與可達域；GB／T 12984—1991《人類工效學視覺信息作業基本術語》與Nureg-0700均提出“字符可讀性要求：最小字高應為16′（弧分），最大字高為24′（弧分），最佳字高為20-22′（弧分）”；肢體關節角度和手部尺寸參考GB 10000—88《中國成年人人體尺寸》以及文獻［5］確定。

1.2 數字化操縱員具備的功能

以人體百分位數、身高或各部位尺寸參數3種方式創建人體模型。為適應這一需要，本文創建的操縱員人體模型具有按人體百分位數、人體身高或自定義人體尺寸方式生成人體模型。按百分位數和身高方式可方便地創建GB 10000—88《中國成年人人體尺寸》所規定的“標準”操縱員人體模型，自定義方法則可創建GB 10000—88《中國成年人人體尺寸》未規定的“非標準”操縱員人體模型。為滿足核電站主控室人-機界面評價需要，創建的操縱員人體模型應具有以下功能：

1）可創建標準坐姿和站姿操縱員人體模型，用于不同作業姿態的評價；

2）可顯示雙眼視域、單眼視域，用于評價顯示信息是否在操縱員視域范圍內；

3）可按標準要求創建字符視角基準，用于評價字符是否可清晰辨認；

4）創建的標準字符視角基準可隨頭部轉動，以適應對不同位置字符評價的需要；

5）可顯示左右手可達域范圍，以評價操縱設備是否可觸及；

6）可調節各關節的角度，以滿足對工作姿態舒適度評價的要求。

2 數字化操縱員評價系統開發及應用

在UG NX 6.0環境中，根據UG／Open［6］MenuScript獨特的腳本語言定制自定義人體模型菜單，根據UG／Open UIStyler編輯器創建人體模型可視化對話框界面。在Microsoft Visual C＋＋6.0開發平臺，采用UG／Open API搭建開發框架，并建立UG 工程，通過編譯、修改程序源代碼，在Microsoft Visual C＋＋6.0開發平臺編寫的API應用程序可嵌入UG 系統中無縫融合，從而實現數字化操縱員人體模型的開發。圖1為開發的操縱員創建對話框及其評價對話框。

圖1 操縱員人體模型評價菜單及其對話框Fig.1 Evaluation menu and dialog of operator human body model

在UG 環境中，按核電站主控室人機關系的實際尺寸建立三維虛擬模型，在人體模型模塊中創建中國成年人男性第50百分位的人體模型。將人體模型準確裝配到模型中的作業位置，設置人體模型和三維模型的人-機位置關系，結合UG 的角度分析與尺寸測量功能模塊進行視角測量和尺寸測量。

圖2為按標準要求創建的字符視角基準，用于評價字符是否可清晰辨認。該標準字符視角基準可隨頭部轉動，以適應對不同位置字符評價的需要。由圖2可知，該字符的視角范圍處于16′～24′范圍內，滿足字符可讀性的要求。

圖2 立姿操縱員的字符可見性評價Fig.2 Character visibility evaluation of standing posture operator

操縱器的可達性評價是指操縱器應設置在操縱員的手功能可及范圍內。根據工效學標準規定的位置關系，將操縱員人體模型裝配到操縱的位置并進行評價，如圖3所示。由圖3可知，在操縱員的正常操作姿態下，P5操縱員可觸及兩臺面的操縱器，P95操縱員可觸及該控制臺垂直面內操縱器，傾斜面內的操縱器需彎腰才可觸及，若長時間易于引起疲勞，應適當增加臺面的高度。

通過調節操縱員人體模型各關節的角度，以滿足對工作姿態舒適度評價的要求。圖4為操縱按鈕時操縱員的上肢肩關節舒適性評價和觀察光字牌時操縱員的頭部及軀干關節舒適性評價。由圖4可知，操縱員操縱按鈕時左上肢肩關節上擺動角度36.6°，擺動角度過大，該工作姿態評價結果為不舒適姿態；操縱員觀察光字牌時頸關節仰角42.3°，仰角過大，該工作姿態評價結果為不舒適姿態。同理，可完成操縱員操縱其余操縱器或讀取顯示信息時的舒適性評價。

圖3 操縱員的可達性評價Fig.3 Accessibility evaluation of operator

圖4 操縱按鈕和觀察光字牌時操縱員的舒適性評價Fig.4 Comfort evaluation on operating button and observing light plate for operator

3 結論

根據核電站主控室人機系統評價的需要，開發了符合國家標準的數字化操縱員人體模型。可根據具體評價的需要，選擇操縱員的生成方式、性別、操作姿態；并且具備單／雙眼視域、左右手可達域、作業空間和字符可視性評價等關鍵評價功能；實現了與核電站主控室三維建模環境兼容，可方便快捷地進行人機協調關系的分析與評價，提高了評價效率。

［1］ 劉素娟.先進的核電廠主控室人＿機界面審評中需要注意的幾個問題［J］.核安全，2004，2（3）：7-10.LIU Sujuan.Several questions requiring more concern in the review of the man-machine interface for ANPP MCR［J］.Nuclear Safety，2004，2（3）：7-10（in Chinese）.

［2］ 俞爾俊，李吉根.核電廠安全［M］.北京：原子能出版社，2010：4.

［3］ 胡遵素.切爾諾貝利事故及其影響與教訓［J］.輻射防護，1994，14（5）：321-335.HU Zunsu.Chernobyl accident：Its causes，impacts and the lessons learned［J］.Radiation Protection，1994，14（5）：321-335（in Chinese）.

［4］ 顏聲遠.武器裝備人機工程［M］.哈爾濱：哈爾濱工業大學出版社，2009：390-396.

［5］ 阿爾文.R.蒂利.人體工程學圖解［M］.北京：中國建筑工業出版社，1998：24.

［6］ 侯永濤，丁向陽.UG／Open二次開發與實例精解編［M］.北京：化學工業出版社，2007：2-10.