基于人因工程的船用核動力裝置主控室設計

陳鋒　趙新文　晏峰

摘 要：該文基于人因工程介紹了船用核動力裝置主控室的設計原則和設計思路，提出了以人因工程原則為指導的主控室設計流程圖，從功能需求分析、功能分配和功能分配的驗證與確認三個方面詳細分析了主控室功能設計過程，最后闡述了主控室主體設計時應當注意的人因相關因素，其中重點關注了工作空間、工作環境和人機界面三方面因素。

關鍵詞：船用核動力裝置 人因工程 主控室

中圖分類號：TL364 文獻標識碼：A 文章編號：1674-098X（2015）11（b）-0087-03

人因工程學在核能領域應用較晚，但在發生了美國三哩島和前蘇聯切爾諾貝利核事故以后，世界各有核國家均深刻體會到人因因素在核事故中所起到的作用，并積極對核電站人因事件開展了一系列研究。國外學者主要針對核電站團隊協作過程中人因事件、人因事件評估方法和人機界面人因問題等方面進行了深入研究[1-2]，而我國研究人員則更加重視核電站主控室相關的人因問題[3-4]。船用核動力裝置主控室是集人、機器和環境于一體的大型復雜系統，屬技術密集型實體，擔負著保障核動力裝置正常和事故工況下安全運行的重要使命，有必要提高動力控制中心的環境舒適性，增強人機交互能力，最大限度地發揮系統的使用效能。

1 主控室設計原則及思路

1.1 主控室的設計原則

動力控制中心是船用核動力裝置的核心部位，關系著核動力裝置的安全可靠運行與控制。為了使操縱員在動力控制中心能夠有效工作，必須使人操作及觀察各種設備儀器時符合人的生理特點，同時兼顧操作環境的舒適性和設備界面的合理性。

1.1.1 與人體有關的設計原則

對于與身體尺寸有關的設計，應當遵循操縱臺高度應適合于操縱員的身體尺寸及所要完成的工作類型， 座位裝置應置于臺前合適位置，應為身體活動提供足夠的空間，各種操縱開關應布置在人的活動范圍內。對于與身體姿勢有關的設計，應當遵循操縱員應能交替采用坐姿和立姿，坐姿優于立姿；身體姿勢不應由于長時間的靜態肌肉緊張而引起疲勞，應該可以變換身體姿勢；對于與身體動作有關的設計，應當遵循操縱員能夠在身體動作間保持良好的平衡，動作的幅度、強度、速度和節拍應互相協調。

1.1.2 與界面有關的設計原則

界面設計應適合人的感受特性，尤其應注意下列各點。

（1）界面上信號和控制按鈕的種類和數量應符合任務需要；（2）當信號和控制按鈕數量很多時，應該對各信號和控制按鈕的放置位置和排列次序進行合理安排；（3）信號顯示和控制按鈕類別應保證清晰易辨，尤其是對危險信號和有重要控制功能的按鈕；（4）信號顯示的變化速率和方向應與主信息源變化的速率和方向相一致；（5）在以觀察和監視為主的長時間工作中，應通過信號和顯示器的設計與布置來避免過載及負載不足的影響。

1.1.3 與環境有關的設計原則

工作環境的設計應保證工作環境中的物理、化學和生物學條件對操縱員不產生有害的影響，同時應關注操縱員心理健康水平和工作舒適度，對于工作環境應特別注意以下各點：

（1）工作場所的大小應適當；（2）應當根據室內工作人數、耗氧設備位置、所涉及體力勞動強度、污染物產生情況和熱條件等調整控制中心空間布局；（3）照明應為所需的活動提供最佳的視覺感受，同時一定要做好照明和報警信號之間的協調；（4）聲學工作環境應避免有害或擾人的影響；（5）傳遞給人的振動和沖擊不應引起肉體損傷，以及生理和病理反應或感覺、運動神經系統失調；（6）應避免工作暴露于危險物質及有害輻射的環境中。

1.2 主控室設計思路

主控室人因設計主要包含兩大塊內容，分別為功能設計和主體設計，其中功能設計是指以船用核動力裝置安全可靠運行為總目標，基于主控室功能需求分析合理分配人和機器分擔任務，并對系統整體功能是否能夠滿足設計概念進行核準；主體設計是指根據功能設計結果對設備空間布局、人機交互界面、主控室工作環境等進行總體設計。主控室系統設計流程如圖1所示。

2 船用核動力裝置主控室功能設計

在早期階段，船用核動力裝置主控室內設備眾多且分屬于不同系統，主控室內所布置設備通常由各分系統設計師決定，無集成化概念，增加了不能及時響應或誤操作等情況發生的概率。為減少人為原因造成的損失，需要根據人和機器的特點，對主控室功能進行合理分配。

2.1 功能需求分析

功能需求分析是指為了實現船用核動力裝置運行的總目標，對正常工況、瞬態工況及事故工況3種工況下主控室內的功能需求進行分析，同時在需求分析時應當將確保核動力裝置核安全作為首要需求。為完成運行總目標，可以先將主控室的功能按系統分解為多個子功能，并明確各個子功能間的相互關系，同時制定一定的數據、信息交互規則，便于各子功能能夠有序順利實施。通常情況下，若某一個功能不需再分解或已滿足運行參數和執行裝置的要求時，就認為功能為最小子功能，在此基礎上定下各功能模塊的信息流和處理要求。

2.2 功能分配

功能分配是指在功能需求分析基礎上，依據各功能特點（重復性、創新性和突發性等），在人和機器之間進行任務分配的過程。功能分配首先要對各子功能進行功能劃分，把有關聯的子功能分到同一組，并作為同一單元處理。然后確定分配規則，分配規則既包括分配給人或機器的規則，同時還包括就近手動控制或遠距離手動控制的規則。在將功能進行遠距離手動控制或就近手動控制時，需要充分相關功能設備可達時間，遠距離網絡通信是否暢通，設備操控的難易程度等一系列問題[5]。

2.3 功能驗證與確認

在完成功能需求分析和功能分配步驟后，為保證分配方案的合理性，需要對人、機分配結果進行驗證。關于主控室內功能驗證與確認的具體實施內容可參見文獻[6]。

3 船用核動力裝置主控室的主體設計

3.1 主控室工作空間設計

船用核動力裝置主控室相對于陸上核電廠主控室而言最大的特點在于空間有限，但布置于其內的系統設備卻多達幾十多臺套，此時為了給操縱人員提供充足的操作空間以及舒適的工作環境，必須結合操縱員行為特點（長時間坐姿操作）、操縱員舒適度（坐姿優于站姿）和操縱可達性等人因工程問題，對各系統設備空間布置進行合理規劃。

3.2 主控室工作環境

動力控制中心的環境布置設計主要包括光照環境、色彩環境、室內微氣候環境等因素。根據動力控制中心空間及設備布置，進行照明光源布局優化設計；對整體動力控制中心進行環境色彩設計，使得整體色彩環境協調、美觀、大方；對室內微氣候環境進行嚴格要求，包括空氣的濕度、溫度、清潔度、氣流等，以提高操縱員的舒適性。

3.3 主控室人機界面的設計

人機界面作為操縱員操縱回路系統的主要媒介，它能夠給操縱員提供核動力裝置運行狀態以及與安全性相關的重要參數。人機界面色彩豐富、顯示儀表眾多、操作控制開關及按鈕也較多，同時較多的顯示儀表具有彩色發光功能，且具有多塊液晶顯示屏用于顯示復雜的運行控制信息，因此需要重點人機界面進行優化布置。

3.3.1 視覺搜索及臺面視覺關注度

綜合顯控臺的操縱員在執行任務過程中，90%以上的信息來源于視覺信息，包括多塊液晶顯示屏畫面及眾多參數顯示儀表，這些視覺信息需由操縱員的視覺感知器官得到，操縱員完成這一過程的最初階段則是視覺搜索。研究發現，顏色特征對視覺搜索的影響最大，因此將需要重點觀察的顯示儀表及參數畫面配上識別度較高的顏色特征。同時運動的刺激也更易被視覺搜索捕捉到，而受到關注，因此可以對需要重點觀察的參數畫面配上運動信息，或對顯示儀表配上閃爍發光的效果。

3.3.2 操縱員信息處理機制研究

根據認知心理學，可以將人看作為信息處理系統。人對外界接收的信息進行識別、記憶、比較、判斷后，發出相應的操作指令[7]。不同于計算機信息處理系統，人為失誤和出錯是人的一個弱點?；诖擞行П苊馊藶槭д`是重點考慮方面，包括采取防失誤保護措施，提供優良的人機界面，提供適宜的照明、低噪聲環境等。

3.3.3 巨量信息與有限顯示研究

綜合顯控臺，包括核動力裝置運行的海量參數信息，同時需要對眾多系統和設備完成操縱控制。但限于臺面的有限空間，只能對需要重點觀察及操控的信息布置相關顯示儀表及操控開關、按鈕。同時限于有限的幾個顯示屏，眾多畫面不能同時全部顯示，只能有選擇地同時顯示部分信息，較重要的優先顯示，其他信息通過畫面切換來調閱。

4 結語

船用核動力裝置主控室人因工程設計是主控室設計的重點，文章首先介紹了主控室設計原則，以流程圖的形式明確了主控室設計思路；其次從功能需求分析、功能分配和功能分配的驗證與確認三個方面詳細分析了主控室功能設計過程；最后闡述了主控室主體設計時應當注意的人因設計相關因素，其中重點關注了工作空間、工作環境和人機界面三方面因素。

參考文獻

[1] Vaurio J.Human factors，human reliability and risk assessment in license renewal of a nuclear power plant[J].Reliability Engineering & System Safety，2009，94（11）：1818-1826.

[2] Santos I，Grecco C，Mol A，et al.The use of questionnaire and virtual reality in the verification of the human factors issues in the design of nuclear control desk[J].International Journal of Industrial Ergonomics，2009，39（1）：159-166.

[3] 高智彥，張學剛.核電廠主控室數字化運行畫面的設計策略[J].核科學與工程，2010，30（S）：62-67.

[4] 王志方，谷鵬飛，張建波.數字化人機界面設計的人因工程問題分析[J].核科學與工程，2010，30（4）：365-371.

[5] EJT1143-2002.核電廠控制室設計功能分析與分配[S].2002.

[6] EJ/T1118-2000.核電廠控制室設計驗證和確認[S].2000.

[7] 楊大新.核電廠主控室數字化人機界面中信息顯示對人因失誤的影響及信息布局的實驗優化[D].衡陽：南華大學，2011.