核電廠數(shù)字化系統(tǒng)人機界面的設計

楊慶彧+楊穎策+白江斌

【摘 要】隨著數(shù)字化技術的發(fā)展，DCS系統(tǒng)在核電領域的應用正處于上升的趨勢，控制室的信息顯示內容和顯示方式發(fā)生了重大變化，有效地改善了人機接口。本文從數(shù)字化控制室人機界面設計原則、人機界面的詳細設計、顯示畫面設計以及畫面設計中的人因工程原則幾個方面進行了描述。

【關鍵詞】數(shù)字化系統(tǒng)；人機界面；畫面；人因

1 數(shù)字化人機界面介紹

1.1 數(shù)字化人機界面概述

安全是核電存在和發(fā)展的基礎，一旦發(fā)生事故，不但造成重大的人員和經(jīng)濟損失，也會產生超出自身范圍的巨大社會負面影響。而主控制室是核電廠信息顯示、信息處理和控制中心，對保證核電廠可靠與安全運行有著至關重要的作用。至今為止，所發(fā)生的重大核電事故，例如：三哩島、切爾諾貝爾核電站事故，經(jīng)論證都是人因失誤造成的[1]。兩次重大事故之后，世界各國在主控室設計方面都開始考慮人機工程學因素。大量的核電工程實踐表明有效的控制室人因工程設計與友好的人機界面對減少人因失誤、提高核電廠的可利用率有積極的作用。因而，核電廠主控制室設計者在充分考慮電站功能的同時，更注重主控室人機界面的設計。

1.2 數(shù)字化人機界面設計的基本原則

為了滿足反應堆的安全目標和運行目標，一般采用以下的數(shù)字化人機界面的設計原則：

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注的主要信息；

靈活和高效：運行參數(shù)應可以多種顯示方式，如模擬圖、參數(shù)表、趨勢曲線等，以適應不同的監(jiān)測目的；

一致性：整個人機界面設計要保持畫面設計風格一致性，包括圖形元素、標志符號、顏色、閃光的使用應保持一致，符號和標注文字的大小應保持一致；

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 數(shù)字化人機界面的設計

2.1 總體描述

在主控室內，每個操縱員站由以下設備組成：

帶操作系統(tǒng)的服務器；

多個多功能屏幕；

鼠標、跟蹤球；

標準鍵盤；

當操縱員登陸后，人機界面顯示默認的畫面，屏幕的功能并未從技術上進行限制，操縱員可根據(jù)需要對于各屏幕的功能進行設置和選擇。

大屏幕位于主控室前方，顯示核電站狀態(tài)的重要參數(shù)。

2.2 操作功能描述

操縱員站的主要功能如下：

畫面功能

日志功能

報表

歷史趨勢顯示

在線記事本

計算

掛牌功能

計算機化規(guī)程顯示和操作

報警處理和顯示

I&C故障列表

維護功能

打印功能

權限管理等

2.3 人機接口

2.3.1 屏幕布置

操縱員站屏幕分成幾個子區(qū)域：

1）主面板區(qū)

對操縱員可用的系統(tǒng)信息

連接到相關人機界面功能的按鈕

連接到和操縱員相關的服務功能的按鈕

2）功能標題區(qū)

功能標題區(qū)可以顯示功能描述等信息。

3）功能對話區(qū)

每個功能都有各自的功能對話區(qū)。

4）畫面顯示區(qū)

顯示區(qū)用來顯示過程數(shù)據(jù)。

2.4 字體

中/英文字體符合標準要求，字體的大小基于人因以及操縱員和顯示器的距離等基于人因分析的結果得出。

2.5 數(shù)據(jù)時間格式

時間顯示格式：HH：MM：SS.mmm

日期顯示格式：YYYY-MM-DD

日期時間顯示格式：YYYY-MM-DD HH：MM：SS.mmm

2.6 顏色定義

1）報警級顏色定義

報警指示用顏色和閃爍來代表報警的不同級別和狀態(tài)，用不同顏色標識不同報警級別。

2）趨勢曲線顏色

在同一副趨勢圖中最多可定義多條趨勢曲線，曲線色差滿足標準對于色差的要求。

3）介質顏色

不同介質采用不同的顏色定義，介質主要有：

氣、油、濃縮物；水、蒸餾液；廢液，冷凝液；蒸汽；冷卻水等。

4）電路母線顏色

不同電路母線采用不同的顏色定義，母線電壓主要有：

500kV/220kV/24kV/220V（AC）；6.6kV（AC）；380V（AC）；230V（DC）；48-125V（DC）

3 顯示畫面設計

3.1 畫面布置設計原則

3.1.1 畫面布置原則

在畫面設計過程中，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；

2）當幾個不同的畫面中包含同樣的設備時，這些設備在不同畫面的相對位置要保持一致；

3）將畫面中的趨勢曲線對象優(yōu)先放在屏幕中于相關參數(shù)接近的位置；

4）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；主要管道和設備優(yōu)于次要管道和設備，水平方向管道優(yōu)于豎直方向管道；

5）根據(jù)運行經(jīng)驗和習慣，對象位置的選擇應該符合流體從左至右，從上至下的流動方向，在可能引起混淆的地方應添加箭頭來標明流向；

6）為了保證顯示畫面的可讀性，對象之間應該有充足的空間。

3.1.2 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。設計中可以通過兩種方法來實現(xiàn)：一是畫面之間保持部分重疊；同時采用合適的動態(tài)導航鏈接。在畫面設計過程中應保證采用合適的動態(tài)導航連接，對于較重要系統(tǒng)的重要設備可以保持部分重疊。

3.2 數(shù)字化系統(tǒng)畫面的分類

數(shù)字化系統(tǒng)畫面分成：工藝過程系統(tǒng)畫面和綜合畫面等類型。

3.3 數(shù)字化系統(tǒng)畫面元素

顯示區(qū)域顯示的元素主要有可操作的動態(tài)數(shù)字化元素、不可操作的動態(tài)元素、無操作的動態(tài)顯示元素以及靜態(tài)顯示元素幾類。

3.4 管線尺寸

工藝流程圖中按不同的特點分為以下三種不同線寬的管線類型：

主工藝管線

次工藝管線

輔助工藝管線

4 人機界面設計中貫徹的人因工程原則[2]

近幾年來儀表和控制采用系統(tǒng)數(shù)字化技術使得顯示內容和顯示方法與以往采用的模擬式儀器儀表相比發(fā)生極大變大，操縱員通過人機界面獲得有關反應堆輔助系統(tǒng)運行工況的監(jiān)測信息，執(zhí)行非安全級設備的操作控制，人機界面變成了控制室人機接口最集中的地方。因此在人機界面的設計中適度運用人因工程學原則，設計友好的人機界面，減少人為失誤對實現(xiàn)反應堆的安全和可靠運行有重大意義。

人機界面的設計從以下幾點著重考慮人因工程原則和運動的實施。

4.1 提供最佳數(shù)量的信息

總結以往核電站運行經(jīng)驗，不是控制室給出的信息越多越好。數(shù)字化人機界面設計中，最重要的任務是恰當組織畫面，既要保證整個工藝系統(tǒng)顯示的完整性，又要注意在每一幅畫面中信息的多少。每一幅畫面中信息量過少，勢必導致畫面設計過多，信息過于分散；每一幅畫面單調，操縱員關注程度降低，不利于掌握系統(tǒng)狀態(tài)。每一幅畫面信息量過多，則加重了操縱員腦力和心理負擔。

4.2 人機功能分配最佳化

對相應電站的全部運行工況和事故工況進行分析后，進行任務分配，根據(jù)人、機的不同特點，確定最優(yōu)的人與機器的功能分配。人機功能的合理分配，提供了自動化控制水平，減輕了操縱員負擔和體力消耗。

4.3 人-機-環(huán)境整體設計

把人-機-環(huán)境作為一個整體，在人因工程學研究指導下進行系統(tǒng)化設計，在數(shù)字化控制室中，操縱員通過視覺器官接收信息，因此人機界面中符號、顏色等信息的顯示應具有可理解性、一致性慣例。

4.3.1 色彩搭配

顏色環(huán)境會對人產生心理與生理的影響。操縱員長時間在控制室里監(jiān)視反應堆運行，完成工藝系統(tǒng)的操作，需要在緊急情況下迅速做出決策，因此為操縱員創(chuàng)造一個良好的工作環(huán)境，選用適宜的色彩對減輕操縱員心理負擔、減輕視覺疲勞及舒緩工作壓力有一定作用，因此人機界面的設計遵循核反應堆中的法規(guī)和設計準則，而且要合理地運動色彩。

4.3.2 管線設計

詳細見本文3.4節(jié)。

4.3.3 符號設計

1）符號的形式

采用工程標準標識符號的計量單位，基本與系統(tǒng)流程圖保持一致，減少操縱員對顯示信息意義解釋的認知要求。

2）符號大小

按照人因工程原則，顯示字符的大小應考慮在規(guī)定的視距內，人眼對字符的觀察張角，制定了適合操縱員的最佳大小的圖符。

5 結論

數(shù)字化控制室的設計涉及一系列新的問題和技術，數(shù)字化儀表控制系統(tǒng)的設計和實施是一次有益的探索和實踐。對人機界面設計的驗證和確認工作正逐步展開，通過驗證和確認及其后的實際使用和評價可以檢驗人機界面對人因工程的復合程度，人-機功能分配的合理程度，以及各個顯示畫面的設計是否具有充分性、綜合性和易理解行，這些將為數(shù)字化人機接口設計積累寶貴經(jīng)驗。

【參考文獻】

[1]黃曙東，戴立操，張力.核電站事故前人因事故可靠性分析[J].中國安全科學學報，2003，13（2）：50-53.

[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：丁艷]