核電廠主控室畫面設計研究

楊穎策　楊慶彧

【摘 要】在現代核電站設計的各個領域，人機界面是人機交互最集中的地方，因此科學合理的人機界面設計顯得尤為重要。數字化技術被引入主控系統之后，主控室人機界面發展為以計算機工作站為主，具備更加強大的信息處理能力。本文從數字化畫面設計內容，畫面顯示的應用，具體設計過程中的問題等方面進行了描述，為畫面設計和人因結合提供一定的借鑒。

【關鍵詞】數字化；人機界面；核電廠

1 數字化人機界面概述

核電廠主控室是核電廠運行的控制中樞，是人機交互行為發生最多的場所，這里配備了監控電廠運行狀態的控制系統，自動化程度很高，人機界面設計十分復雜。數字化技術被引入主控系統之后，主控室人機界面發展為以計算機工作站為主，具備更加強大的信息處理能力。數字化技術的應用使主控制室的信息顯示內容和顯示方式發生重大變化：首先，操縱員通過計算機顯示器和大屏幕顯示就能方便、快捷地對核電廠信息進行監督和控制[1]；其次，模擬的系統運行狀態被量化為系統運行參數直觀地顯示在人機界面中，操作人員只需操作計算機，就可以輕易對不同的數字信息做出相應的動作響應，配備的告警系統能夠提醒工作人員及時處理核電廠運行時發生的異常情況，保障核電廠處于安全、穩定、高效的運行狀態。因此，對數字化人機界面進行科學合理設計是非常有意義的，數字化畫面又是人機界面中極為重要的內容，因此畫面的可靠性、安全性尤為重要。

2 數字化畫面設計及布置的基本原則

2.1 畫面設計基本原則

數字化畫面主要完成對核電廠工藝系統的流程操作/監視、主設備跟蹤、總體規程監測、多系統特定功能執行監控、定期試驗監控、值長/安工巡檢監控、電廠總體狀態監控、事故規程監視和操作、安全參數監視等工作。為了滿足反應堆安全和運行目標，一般采用以下數字化人機界面的設計原則：

1）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；

2）靈活和高效：運行參數應可以以多種顯示方式，如模擬圖、參數表、趨勢曲線等，以適應不同的監測目的，調用任一幅畫面的點擊次數應盡量不多于3次；

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

4）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。

2.2 畫面布置基本原則

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，特別是要與大屏幕顯示畫面上的相對位置一致。例如，在系統畫面中，如果穩壓器的噴淋閥位于穩壓器的左側，那么在操作站的顯示畫面中，該噴淋閥也應該處在相同的位置；如果一個回路中的三條管線是按照一定順序垂直排列的，那么在操作站的顯示畫面中，這些管線的排列方式也應該相同。

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盡量要保持一致性（例如，在常規島畫面中，蒸汽發生器位于左側，在核島畫面中，蒸汽發生器位于右側）。

3）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；主要管道和設備優于次要管道和設備，水平方向管道優于豎直方向管道。

4）根據運行經驗和習慣，對象位置的選擇盡量應該符合流體從左至右，從上至下的流動方向（特殊情況除外），在可能引起混淆的地方應添加箭頭來標明流向，主工藝管線占據畫面的中間位置。

5）為了保證顯示畫面的可讀性，對象之間應該有充足的空間。

6）畫面連續性，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性。設計中可以保持畫面之間部分重疊，同時采用合適的動態導航鏈接。對于較重要系統的重要設備可以保持部分重疊。

3 畫面顯示的應用

3.1 數字化畫面設計的分類

根據以往的設計經驗，數字化畫面按核電廠功能進行劃分，建議分為以下幾類：

1）系統畫面

主要包括系統功能、主設備跟蹤、預定義趨勢顯示等3類系統畫面。系統畫面以工藝系統的流程圖為基礎；主設備跟蹤用以系統畫面上主設備的詳細跟蹤；預定義畫面表示各系統預先定義好需要在畫面中進行顯示的信息。

2）規程用畫面

該類畫面用于某段總體規程操作時，執行所需的監測，或是完成總體規程中某些綜合操作。

3）主功能跟蹤畫面

該類畫面用于在單系統或多系統完成某一特定功能時執行所需要的監控。

4）定期試驗畫面

該類畫面用于定期試驗時執行需要的監控。

5）輔助監視畫面

該類畫面包括值長/安工巡檢時所使用的畫面。

6）大屏幕畫面

該類畫面主要用于顯示電廠的總體狀態，分為核島、常規島、電氣和重要參數顯示等幾部分。

7）防火分區畫面

該類畫面用于監視和控制火災。

8）事故規程相關畫面

該類畫面用于某段事故規程操作時，執行所需的定期監視或用于完成事故規程中某些綜合操作。

9）邏輯分解畫面

該類畫面用于某一綜合邏輯的邏輯分解功能。

3.2 數字化畫面的元素

畫面上的元素主要包括：

1）設備（閥門、泵等）；

2）管線；

3）數字顯示；

4）各種設備控制器；

5）信息顯示；

6）導航。

畫面上的元素按是否有操作來分，通常又可以分為：

1）可操作的動態元素：可以進行操作和控制。

2）不可操作的動態元素：可以顯示狀態信息，但不能控制的元素。

（1）數字指示符（畫面中模擬量值的顯示）；

（2）開關量指示符（顯示區域中開關量信號的觸發顯示，例如，KS和SN等）。

3）無操作的動態顯示元素：不能進行控制操作的元素。

4）靜態顯示元素：表示顯示區域中不可操作也無狀態顯示的元素。

工藝流程圖中按不同的特點分為以下兩種不同線寬的管線類型：

1）主工藝管線（包括主管道、主要供電管線等）；

2）次工藝管線（旁通、冷卻/加熱工藝管線、次電氣進線和出線）。

畫面中其他元素也應用在不同的場合，分別用以實現所有畫面的相關功能。

3.3 顏色應用

1）背景顏色

在人機界面的背景設計選用灰色，主要基于以下兩點考慮：

A）選用灰色的背景有助于操縱員提高注意力，減緩視覺疲勞；

B）灰色的背景和動靜態形成色差對比，能夠達到加強視覺識別能力、提高分辨力的目的。

2）靜態物色彩

不同工藝介質的管道分別采用不同顏色給予區分；設備標注文字等都有各自固定的顏色。

3）動態物色彩

設備的過程變化都有不同的顏色予以區分，并且當設備處于不同的狀態，也會有相應的顏色進行區分。[2]

4 具體畫面設計及設計過程中的問題

4.1 畫面設計所需的參考文件

根據根據畫面設計、布置的原則，需要根據以下輸入/參考文件為上層輸入，設計數字化的人機界面：

1）系統流程圖圖；

2）電氣單線圖；

3）系統的工能，特性，設備說明，運行參數；

4）邏輯圖、模擬圖、IO清單、設定值手冊；

5）畫面顯示設計技術要求；

6）系統畫面編制規定；

7）功能圖（開關量部分）制圖細則；

8）功能圖（模擬量部分）制圖細則。

4.2 設計過程中的問題

在系統畫面的具體設計過程中，遇到并解決了一些問題，主要有：

1）一、二層功能塊是否匹配；

2）畫面布局是否滿足人因導則；

3）圖符元素的設計是否滿足操縱員的操作習慣等。

5 結論

電廠主控室畫面設計是一次有益的探索和實踐。目前我國在對人機界面的設計及優化工作正在逐步展開，同時通過操縱員的經驗反饋發現畫面設計中存在的問題，充分利用操縱員的經驗以及實際的操作習慣，對主控室畫面進行修正及優化，為畫面設計積累了寶貴的經驗。

【參考文獻】

[1]楊敏.核電廠主控室數字化人機界面評價研究[D].南華大學，2013，5.

[2]曲榮紅，張良駒，李鐸，于暉.數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：楊玉潔]