人因工程及網絡直播技術在核電廠全范圍模擬機教控臺系統上的應用

陳 喜，紀明月，陳胡萍

(中核國電漳州能源有限公司，福建 漳州 363300)

核電廠全范圍模擬機(簡稱“模擬機”)教控臺系統在近幾十年的發展過程中，相較于核電堆型演變而言，整體技術更新偏慢。核電機組實際主控室的軟硬件由設計院統籌規劃，兼顧多種因素進行設計，并經反復驗證。而模擬機教控臺系統，由于規模小、用戶少，軟硬件設計仍停留在“有即可”，或是“滿足用戶需求的功能堆疊”層面，并無總體的設計考慮。

在核電機組主控室普遍追求擺脫強工業氣息、為操縱人員營造舒適工作環境的情況下，作為核電廠操縱人員培訓與執照考試的關鍵設施，模擬機自身也須考慮教員、考官的用戶體驗，緩解長時間封閉性工作帶來的壓抑感和疲勞感，從而提高操縱人員的培訓及考試質量。同時，模擬機作為電廠面向同行、評估組織及安全監管當局的重要窗口，其質量應是全面性的；良好的教控臺設計，必然影響到各類“用戶”的評價。

人因工程學在不同領域的說法不一，包括人機工程學、人類工程學、人間工程學等[1]。國家標準《人因工程在核電廠系統、設備和設施中的應用》對其定義為“一門與人員使用方式的設計過程有關的綜合科學與技術”[2]。近年來，隨著人民生活水平、工業設計及制造水平的提高，產品的實用、好用屬性逐步提升，人因工程技術已被廣泛應用于各行各業。在模擬機教控臺系統設計上，可基于人因工程技術，并結合當下流行的網絡直播技術，將教控臺系統功能從解決有無升華到便利、好用、舒適的層次，全面提高人機功效。

1 核電廠模擬機教控臺系統應用現狀

1.1 硬件設計缺乏人因工程考量

1)模擬機教控室的空間普遍緊湊，早期的M310機組尤其明顯。在日常教學期間，教控室僅有一到兩名教員，擁擠的情況不明顯；在執照考試期間，將增加3名考官、1名監督站官員及1名安全質量監督人員，教控室的空間則捉襟見肘。即使是近十年建造的核電廠，少數教控室仍然出現考官沒有良好的學員觀察窗口的情況，對執照考試有一定影響。

2)教控桌與DCS多畫面墻(簡稱“多畫面墻”)的布置不佳。常見的教控桌成L型，多畫面墻為一字型。陽江核電第一、二套模擬機，多畫面墻布置于教控桌右側，教員在教控桌左側，導致教員作為關鍵用戶卻不便使用多畫面墻。福清核電各套模擬機，多畫面墻布置于教控桌的左側，雖靠近教員，但L形教控桌及其桌上設備卻遮擋教員視角。同時，部分電廠還存在多畫面墻緊挨單向玻璃，而教控桌與單向玻璃有一定距離的情況；該設計未滿足“教員、考官應具有良好的學員觀察窗口的優先設計理念”，且由于教控桌的阻擋，教員、考官難以觀察靠單向玻璃端的DCS畫面。

3)教控桌設計不符合人因工程學。多數教控桌仍采用工業氣息濃厚、未經特定設計、具有較大下部設備布置空間的大方桌。設備擺放未以教員為核心，一字型布置所有操控設備，無法做到各類設備皆由教員觸手可及。過多的計算機被置于教控桌內，導致教控桌下方進深不足，人員腿部無法伸展，不便久坐；同時又因教控桌下方空間擁擠、設備眾多，導致維修不便；部分設備為工控機，布置于教控桌內，環境噪聲提高，一定程度上影響舒適度。

4)未考慮考官需求。絕大多數情況下教控室僅由教員使用，但執照考試期間的考官體驗是極其關鍵的。目前，多數電廠考官位僅配置少數DCS操縱員站，也有部分電廠未給考官配置任何設備。如此，考官對機組的整體狀態、特定設備參數、學員操控的跟蹤與評判必然有一定局限性。從操縱員培養的重要性及培訓服務角度出發，不應存在模擬機教控功能不足導致執照考試監考質量不佳的情況。

5)多畫面墻存在持續放大、密集堆疊的情況。近年來，隨著堆型換代及教學需求的拓展，出現了多畫面墻持續增加屏幕的情況，但并未考慮教員觀察視角、輻射散熱及整體外觀等。屏幕數量已由早期大亞灣核電廠M310模擬機的14塊擴展為華龍模擬機的24塊，且單屏由19寸增大為24寸。多畫面墻監控范圍逐步擴大，但監控效率與屏幕數量并不成正比。屏幕數量及單屏面積的提升，僅通過鼠標或DCS畫面原有操控提示，教員很難快速定位學員的實時操控，這導致屏幕雖然大量增加了，但卻沒有更好的實現多畫面墻設立的初衷。

1.2 軟件功能形式單一

1)教學視頻錄制軟件靜態批注功能落后。目前，各電廠模擬機教控臺的視頻錄制軟件支持教員輸入文字，以對特定時間點的模擬機狀態或學員操作做批注，并在視頻播放時以靜態文字形式在畫面之外顯示。此批注方式已明顯落后于當下的網絡直播技術，其等同于教員手寫記錄，效果生硬、使用率低。

2)DCS畫面監控系統無法跟蹤單操縱員連續操控畫面。在學員DCS畫面監控及錄制方面，缺少對單一學員操控畫面進行持續跟蹤的功能，即在一個監控屏幕中順暢切換單一學員操控的所有畫面；另一方面，因錄制線路及存儲空間有限，系統無法錄下所有畫面。總體而言，不利于評判、打分及課后分析教學。

3)教學分析室缺少模擬機工況重要參數查看功能。模擬機分析課中，通過兩種方式查看電廠參數，一是教員在模擬機培訓時打印了紙質工況信息，二是教員預先錄制了DCS目標畫面。前者作為紙質材料，無法滿足全員實時查看需求；后者由于學員持續操控DCS畫面，所錄制數據的可控性不佳。

2 人因工程及網絡直播技術在教控臺系統的應用

2.1 汽車駕駛室設計理念

眾所周知，汽車駕駛室的設計全面考慮人因工程學。教員是模擬機的操盤手，教控室即是教員的駕駛室，教員的視野、肢體運動空間、操作便利性等皆需精心設計，以便在生理、心理方面為教員營造便利性、舒適性，打造以教員為核心的教控室。

在教控室的總體設計布局上，應圍繞操盤手為核心。參考汽車駕駛室中控臺、方向盤及左側門構建的綜合控制體，教控室應為教員構建獨立的弧形卡位，同時多畫面墻布置于教員一側。即在總體布置上，將教控桌及多畫面墻布置成L形，同時在局部將二者分別做成弧形內傾，達到教員觸手可及所有監控設備的效果(見圖1)。

圖1 教控室總體布置圖Fig.1 General layout of the teaching control room

2.2 人因工程學教控桌

類比汽車主駕及副駕，教控桌區分為教員位和考官位，基于教員與考官的不同用戶需求做設備布置設計，并從人因工程學角度改進舒適性、便利性。

1)各類設備首先以教員為第一用戶做優先設計考慮。總體上，以弧形布置教練員站、非安DCS操縱員站、視頻監控計算機、辦公電腦、通訊電話等；部分設備也可嵌入桌面，如M310機組小型SVDU。在此基礎上，結合臨近的多畫面墻，教員作為操盤手，可在主駕位全面掌控模擬機。

2)考官位一般設置3個座位，可布置視頻監控計算機、非安DCS操縱員站、辦公電腦等。視頻監控計算機可實時跟蹤單一學員連續操控，非安DCS操縱員站供考官查看機組狀態，辦公電腦用于查看規程或兼職教員臨時辦公。此外，可將模擬機備用教練員站信號接入考官位顯示器，實現副駕作為主駕備用的效果，可以避免教控桌設備過多、所占空間增大的情況。

3)舒適性及便利性方面，可在4個小點上做改進。第一，為解決人員腿部空間伸展、設備噪聲及設備運維便利性等問題，多數主機采用遠程集中布置，教控桌下方設置600 mm縱深活動空間。第二，弧形教控桌的突出位，可設置儲物柜或布置主機，提高空間利用率。第三，教控桌顯示器側下沉一定高度，結合可調節支架，保證顯示器不遮擋人員觀察視角。第四，教控桌布置嵌入式USB插排、內網通訊口，便于教員、考官使用便攜式信息設備。

2.3 多畫面墻設計方案

通過多傾角設計，基于人因工程試驗，并結合視頻顯示技術和特制軟硬件，實現同時利于人員落座及站立時的觀察、大小可控、便于快速定位的多畫面墻。

圖2 多畫面墻設計草圖Fig.2 The design schematic of DCS multi-screen wall

1)多畫面墻可在3個方面做傾角設計(見圖2)，以同時達到提供良好觀察視角并減少設備橫向空間的好處。第一，將遠端兩列顯示器在垂直方向上做內傾布置，如內傾30度。基于此設計，教員無需移動到遠端，小幅度的轉身即有良好的觀察視角。第二，將最下排顯示器水平上傾10度，以此降低最下排屏幕高度，從而降低多畫面墻的整體高度，在人員落座及站立時皆提供良好的觀察視角。第三，如有4排屏幕，則將最上排屏幕水平下傾10度，從而降低多畫面墻整體高度，以保障人員落座及站立時的觀察視角。

2)關于多畫面墻高度、內傾角度及其與教控桌的距離設計，應盡可能開展人因工程試驗。在陽江核電第三套模擬機教控臺系統建設過程中，模擬機維護人員搭建試驗臺架，安裝顯示器，連接DCS畫面，邀請教員進行抽樣試驗，并做綜合分析。關于抽樣樣本，可參考最新的《中國居民營養與慢性病狀況報告》[3]平均身高數據，并結合男女教員比例選取樣本。抽樣記錄文件參考表1。

表1 多畫面墻設計抽樣調查表Table 1 The sampling questionnaire for DCS multi-screen wall design

3)可通過3個方法進一步控制多畫面墻大小。第一，采用單排屏幕整體切換技術，增加視頻切換矩陣，根據特定培訓課程，更改所監控的整排操縱員站。比如模擬機由正常運行工況培訓轉入協調員培訓，則將單排監控屏幕整體切換到SRO操縱員站。需要指出的是，并不是監控屏幕越多就越好，或越大就越好，需兼顧考慮輻射散熱、更大的墻體所帶來的壓抑感、過多屏幕是否降低定位效率等。華龍一號主控室操縱員由M310的兩名擴展為三名，對應模擬機多畫面墻增加了一排監控屏幕，但并沒有為第3名操縱員開發特有課程，新增屏幕的預期利用率不高。第二，某些情況下可采用畫面拼接技術減少監控屏幕數量，比如M310機組兩臺800×600分辨率的小型SVDU可拼接成一個畫面顯示。第三，采用同分辨率但尺寸稍小的監控屏幕。早期的M310機組操縱員站一般采用19寸顯示器，而漳州核電華龍機組為24寸，但DCS畫面呈現信息并無太多變化。一般而言，在保證分辨率一致的情況下，適當降低顯示器尺寸并不影響顯示效果，但在調整前須做可行性測試。

4)為便于在眾多的監控屏幕中快速定位學員操作畫面，可增加小型燈做提示。學員在某個DCS畫面上進行操作，則多畫面墻對應屏幕亮燈。目前，在陽江核電第3套模擬機中已能做到在多畫面墻上通過物理亮燈表明“本畫面正在處于學員操控狀態”[4]。

2.4 網絡直播技術在監控軟件上的應用

1)現今，電競直播已可實現第一視角、裁判視角直播等。在模擬機教學監控領域，多數電廠僅做到選取一個固定的操縱員站進行監控及錄像，不能對單一學員的所有DCS畫面操控做第一視角連續監控。與上述多畫面墻快速定位學員操作畫面功能類似，基于同一硬件，可以同步實現對單一學員操控畫面的連續監控及錄像，更有利于教學及考官評判，無疑提高了模擬機課后分析及評分的可追溯性。本項技術已應用于陽江核電第三套、福清核電第三套模擬機中，尚需在畫面切換延遲方面做優化。

2)網絡直播技術的應用，不僅可提高系統使用率，也可應用于模擬機技能比武。目前，教員可在M310機組模擬機教控臺系統錄像過程中輸入文字批注，以輔助課后分析；但批注多是靜態的，需要手動點擊才可顯示，其使用率極低。可參考網絡直播技術在兩方面進行更新，提高趣味性、實時性。第一，增加圖形組件及適量音頻，如對學員的良好操作可參考網絡直播“送火箭”；第二，增加動態實時彈幕，提高文字與畫面的匹配度。

2.5 模擬機電廠數據監控系統

模擬機可向應急指揮中心發送數據，以在應急演習期間模擬機組實際運行情況。同理，模擬機也能通過該方式向教學分析室發送數據，并基于其自帶的單向網閘以保證信息安全。在應用開發層面，其功能類似于實際機組電廠數據監控系統，可查看實時及歷史數據。在模擬機本身已外發數據的情況下，該系統僅需做簡單的數據處理及展示，以少量參數及趨勢圖為主。目前，各新建核電廠的模擬機教學分析室已配置2到3臺大型顯示器，做到同時播放錄像、查看規程等，優于早期M310機組的單幕布，具備硬件基礎。此外，結合上述網絡直播技術，該系統的電廠重要參數及趨勢顯示可應用于模擬機技能比武。

3 總結

人因工程技術的有效應用，全面營造教學系統的舒適性和便利性，降低人員的疲勞感和壓抑感，對操縱人員培訓及執照考試起到正向推動作用。網絡直播技術在模擬機視頻跟蹤監控及錄像功能中的應用，結合模擬機電廠數據監控系統，為教學、課后分析提供有力數據支撐，并為尚未全面開展的模擬機技能比武提供一種可行的技術呈現方式。考慮到教學場景、DCS設備及用戶需求的差異，本文所闡述的模擬機教控臺系統設計方案在應用到不同堆型時，需要做適應性拓展和驗證。