基于人機界面發展的核電站控制室設計

谷鵬飛，倪 瑩，陳衛華，于溯源

（1.清華大學 核能與新能源技術研究院，先進核能技術協同創新中心，北京 100084；2.中廣核工程有限公司設計院，廣東 深圳 518124；3.上海交通大學，上海 200240）

控制室是核電站的監控中心，其主要功能是在各種運行工況下對全廠正常和異常狀態的檢測和控制，保障核電站安全、有效運行［1］。廣義的控制室系統包括人機接口工作站、控制室工作人員、操作規程、培訓大綱和相關的設施或設備的總體，它們共同維持控制室功能的正確執行［2-3］。本文所指的控制室系統主要包括核電站主控制室、應急中心和技術支持中心。

核電站控制室發展歷程主要分為3 個階段：20世紀50—70年代，基于模擬技術的第一代控制室；20世紀80—90年代，模擬技術與數字化技術相結合的第二代“混合式”控制室［4］；20世紀末至今，隨著數字化技術全面應用于核電站控制室中，出現了以法國N4、韓國APR1400、美國GE ABWR 以及中國嶺澳二期核電站為代表的第三代控制室。嶺澳二期1、2號機組以基于計算機信息和控制系統（KIC）的全功能操縱員工作站為主要控制手段，輔以基于常規技術的后備盤（back-up panel，BUP）作為應對KIC失效的多樣化后備。

常規控制室基于模擬技術，以常規控制盤臺為主要監控手段，常規控制盤臺由控制器、狀態燈、指示儀、記錄儀、報警光字牌等常規設備組成，在核電站數字化技術發展成熟前，常規控制室在核電站廣泛應用，中國廣核集團大亞灣核電站和嶺澳一期核電站均采用常規主控室。

嶺澳二期核電站以基于KIC 的全功能操縱員工作站為主要控制手段，輔以基于常規技術的BUP 作為應對KIC 失效的多樣化后備。數字化主控室內的配置主要包括2個計算機化的操縱員工作站、緊急操作裝置、大屏幕、后備盤、火災探測及消防盤、機組長站和安全工程師站。其中，2個計算機化的操縱員工作站、機組長站、安全工程師站是4個冗余的計算機工作站，均是電站計算機信息與控制系統的終端。

根據美國NUREG-0700導則的定義，核電站的先進控制室（ACR）是基于數字化技術、以視頻顯示器（VDU）為主要人機交互手段的控制室［5］。因此，采用數字化技術的嶺澳二期核電站控制室稱為先進控制室，其設計融合了人因工程學的設計原則，采用了符合人因工程的布置設計和國際先進的環境設計理念，在音響與環境噪音、空調與通風、照明系統、防火、密封、生活保障設施及救生設備等方面進行了創新。但從美國NUREG-0700導則可看出，先進控制室的定義是寬泛的，其發展是不斷完善的過程，需結合實踐中的各種活動，尤其是人因工程的實際案例，對已有的設計方案進行完善和優化。因此，本文在已有方案的基礎上，結合人機界面本身的發展歷程，從多角度審視核電站控制室的人機界面。

1 人機界面的發展

人機界面這一術語源于人機工程學中，指人機間相互施加影響的區域［6-7］。一般而言，凡參與人機信息交流的一切領域均屬于人機界面，本文的人機界面指計算機系統中的人機界面，也稱人機接口［7］。

計算機人機界面的發展經歷了命令語言式人機界面和圖形化用戶式人機界面，現在正朝多媒體用戶式人機界面、多通道用戶式人機界面和虛擬現實式人機界面的方向發展。多媒體用戶式人機界面、多通道用戶式人機界面的發展已取得了一定的成果。虛擬現實式人機界面的發展處于概念階段，相關的技術手段遠不夠成熟，但它的發展成熟必將預示著人機界面所期盼的智能方式得以完全實現［7］。

命令語言式人機界面的人機對話媒介是機器語言，通過鍵盤操作來進行命令和詢問，需要操作者具備專業能力，并進行大量的記憶和訓練，因此，人機交互不太友善，操作方式不易學習，操作者容易出錯，人機界面容錯能力也弱。

圖形化用戶式人機界面的人機對話媒介是WIMP（windows，icons，menus and pointing device）界面，人機交互通過鼠標和鍵盤進行操作，需操作者具有基本的應用軟件知識，并進行少量的記憶和訓練。下拉式菜單、多窗口等圖形化方式的使用減少了鍵盤的使用，因此，這種人機交互較友善，提高了交互效率。

多媒體用戶式人機界面的人機對話媒介由靜態媒體向動態媒體（動畫、音頻、視頻等）轉變，人機交互方式有利于操作者對信息的主動探索（多媒體信息吸引力更大），操作者可通過鍵盤、鼠標、觸摸屏進行操作，需操作者具有基本的應用軟件知識，并進行少量的記憶和訓練。相比之前的人機界面，這種人機界面更強調人機交互的動態特性，尤其是動畫、音頻、視頻等媒介的引入，有效提高了人對信息表現形式的選擇、控制和邏輯處理能力［8］。

多通道用戶式人機界面的人機對話媒介以動態媒體為主，用戶可通過鍵盤、鼠標、語音、自然語言、手勢、書寫、眼部運動進行操作，機器可通過不同通道的信息反饋綜合判斷后精確實現操作者的意圖。這種人機交互需操作者具有更全面的應用軟件知識，并進行少量的記憶和訓練。因此，人機交互的信息量更大，較以往的方式更趨于智能化，多通道的方式也可加入更多的專家知識庫，以指導新用戶的實際工作。

虛擬現實式人機界面的人機對話媒介是虛擬現實，其理念是人與機器的交互是人探索機器的世界，用戶甚至可通過大腦的活動與機器世界進行和諧的交互，如同電影“阿凡達”的呈現。因此，這種人機交互可認為是完美的，人不需要進行知識性積累，完全可在新的世界里進行探索并積累經驗。

2 核電站控制室的人機界面

2.1 數字化人機界面的特點

從核電站控制室的人機界面發展歷程看，第一代控制室主要以模擬技術為主，嚴格意義上講，并不是計算機系統的人機界面。隨著數字化技術全面應用于核電站控制室中，第三代控制室的數字化人機界面可實現第一代和第二代人機界面無法實現的功能，其控制更集中、信息處理更復雜、信息關聯性更強、控制與信息顯示以計算機終端輸入和輸出為主，且隨著技術的發展將會增加一些基于模擬技術的系統所沒有的信息，如操縱員支持系統、運行管理信息、綜合信息提示系統等［9］。數字化人機界面的特點如下。

1）人機界面要素的集成。過程控制的信息、重要的參數和趨勢等人機界面要素可組合在一起，以便操縱員及時有效地完成相關操作任務。

2）數據的綜合處理。過程控制所采集的數據是低層次數據，需進一步被加工和整合，才可以供操縱員使用。

3）操縱員的決策支持。規程系統、人機界面系統、報警系統等均是操縱員支持系統，操縱員通過這些系統，可對核電站的狀態進行判定，并進行決策。

4）人機界面設計的和諧性。在人機界面設計活動中，讓操縱員參與進來，并依據他們的操作習慣和特點，優化設計界面，達到人機交互相和諧的目的。

5）人機界面的易配性。通過各接口設施，人機界面可在多地實現統一配置管理。

6）人機界面的自動化。在決策支持系統的幫助下，人機界面可將預先設定的各種策略用圖形化的方式展現出來，形成自動化的處理方式，比如結合報警系統調入規程系統。

第三代核電站控制室的人機界面與第一代、第二代人機界面相比，“人”所面對的“機”是數字化計算機系統而非常規的操作器件和儀表。以嶺澳二期核電站控制室為例，操縱員在主控室中主要的運行任務是規程操作和報警處理，操縱員需遵守報警卡或操作規程的指導，不斷監視電廠信息、輔助信息和安全重要信息；根據程序指導和信息所反饋的電廠狀態完成控制功能，同時監視控制命令作用的反饋，但數字化人機界面可通過全新的視聽元素提醒操縱員執行相關的運行任務。數字化人機界面與基于模擬技術的人機界面的比較列于表1。

2.2 數字化人機界面的問題

從人機界面發展的歷程看，核電站數字化人機界面還處于圖形化用戶式人機界面的階段，人機交互主要通過鼠標和鍵盤的配合進行圖形化操作、窗口操作，人機對話媒介主要是靜態媒體，動畫、音頻、視頻等動態媒體還未能充分引入到數字化人機界面設計方案中。隨著觸摸屏、語音提示等交互方式的引入，核電站數字化人機界面正朝著多媒體用戶式人機界面的方向發展，多通道用戶式人機界面、虛擬現實式人機界面還處于探索研究階段。

表1 數字化人機界面與基于模擬技術的人機界面比較Table 1 Comparison between digital HMI and analog HMI

正是由于數字化人機界面還處于圖形化用戶式人機界面的階段，人對信息表現形式的選擇控制能力還需進一步提高，以避免視覺局限。由于缺乏有效的動態媒體，操縱員的手、眼、耳不能更好地進行配合，數字化帶來的大量信息不能與人的邏輯創造能力進行有效結合，甚至可能超出人的信息處理能力，降低人接收信息的效率，從而影響人的效能，主要有以下問題：人機界面的管理、視覺局限、報警雪崩、溝通協調［9］。

2.3 數字化人機界面的驗證與優化

嶺澳二期核電站人機界面的設計驗證包括任務支持驗證和人因驗證兩個方面［10］。任務支持驗證主要是檢查操縱員執行任務所需的顯示和控制是否足夠全面、人機界面特性是否與任務相匹配（顯示參數的量程與精度是否恰當）、畫面上是否有多余的信息（造成干擾分散注意力）［11］。人因工程驗證是檢查人機界面是否滿足設計導則中關于人的能力和局限性的要求，檢查其是否與操縱員的思維方式、操作習慣相適應［12-13］。

針對人機界面的管理問題，在嶺澳二期核電站數字化人機界面的設計中，采用了以任務為導向的界面設計，顯示信息圍繞操縱員需完成的任務來組織，最大限度滿足操縱員執行任務的信息需求，尤其是在高負荷情況下，把對界面管理任務的需求降到最低。2010年嶺澳二期核電站順利商運，以任務為導向的界面管理方式通過核電站運行的有效性證明其設計的合理性。但通過運行經驗反饋，后續需進一步優化任務導向的界面設計，進一步簡化界面管理的結構，精簡畫面的顯示信息，突出呈現關鍵的顯示元素，達到進一步降低操縱員對界面進行管理的任務。

由于使用數字化的人機界面，因鎖孔效應引起的視覺局限就必然存在，如何降低其造成的影響是人機界面設計需考慮的。隨著更大尺寸液晶顯示器的引入，可增加單幅畫面的顯示元素，從而降低顯示層級，避免操縱員在多層顯示結構里的來回查詢；另一方面，需對已有的顯示結構進行優化，增加顯示要素的集成度，減少操縱員在同層畫面之間的流轉。針對位置感消失的視覺局限，需結合操縱員的任務，將一些常用的關鍵報警光字牌固定布置，便于操縱員更直觀地識別和判斷電廠狀態。

數字化儀控系統的采用為報警消減提供了技術保障，在電站過程控制層可通過合理的邏輯處理，消減不必要的報警，而隨著數字化報警卡的引入，采用報警抑制技術可進一步減少報警數量，以減輕操縱員的工作負擔，盡快避免人因失誤。這里需說明的是，報警消減和報警抑制是不同的概念，報警消減后，相關的報警操縱員是不可視的，即在人機界面層是不能調閱的，而被抑制的報警操縱員可在報警列表中查閱。

由于操縱員在主控室所執行的任務通常相互協調完成，而不是由一個操縱員獨立完成，尤其是在機組啟停和事故處理過程中，更需要運行團隊之間密切配合。如何使操縱員之間共享必要的信息，并能進行有效地溝通，正是數字化人機界面需進一步優化的地方。因此，可根據不同的情形提供多樣的顯示方式，通過大屏幕把關鍵的操作任務呈現出來，可便于整個運行團隊了解目前所需執行的重點任務；對計算機工作站的顯示畫面結構進行優化，互相呈現操縱員之間的操作狀態，避免過多地使用言語交流，從而降低人因失誤的概率。

3 結語

第三代控制室的人機界面還處于人機協調發展階段，需對設計方案進一步優化，國家的法規標準也明確要求對核電站控制室的人機特性進行評價［14］，而對于數字化人機界面的評估工作，國內外還處于發展階段，相應的評價指標和評價方法還未成型。例如，如何評價以任務為導向的人機界面的管理效能，審視數字化人機界面中的視覺局限，尋找影響操縱員執行任務的難題，觀測操縱員的團隊合作任務，提煉出關鍵的評價指標，探索出行之有效的評價方法，最終形成評價體系［15］。

計算機及通訊領域的技術均在突飛猛進地發展，如虛擬技術、智能傳感技術、診斷與預測技術、高性能計算技術等，這些技術在核電站的應用將對人機界面設計的不斷改進帶來新的機遇，人機界面將更層次化、集成化、富集化、智能化。

［1］ 國家核安全局.HAF 102—2004 核動力廠設計安全規定［S］.北京：國家核安全局，2004.

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［3］ 核工業標準化研究所.EJ／T 1143—2002 核電站控制室設計功能分析與分配［S］.北京：中國標準出版社，2002.

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［11］國家能源局.NB／T 20058—2012 核電廠控制室屏幕顯示的應用［S］.北京：原子能出版社，2012.

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［14］核工業標準化研究所.EJ／T 798—1993 核電站控制室人機特性評價［S］.北京：中國標準出版社，1993.

［15］Office of Nuclear Regulatory Research.NUEG-0711—2002 Human factor engineering program review model［S］.Washington D.C.：U.S.Nuclear Regulatory Commission，2002.