楊穎策　楊慶彧

【摘 要】隨著科技的發(fā)展，人因工程已經(jīng)融入到現(xiàn)代核電站設(shè)計(jì)的各個(gè)領(lǐng)域，尤其在主控室畫面設(shè)計(jì)時(shí)需要考慮人的因素，以減輕操縱員負(fù)擔(dān)，減少操縱員失誤。本文基于人機(jī)接口設(shè)計(jì)審查導(dǎo)則NUREG-0700和NUREG-0711，介紹畫面設(shè)計(jì)中應(yīng)遵循的原則，并依據(jù)此原則進(jìn)行了核電廠數(shù)字化畫面設(shè)計(jì)研究，為畫面設(shè)計(jì)和人因結(jié)合提供一定的借鑒。

【關(guān)鍵詞】人因工程；核電站；人機(jī)界面

0 概述

隨著科技的發(fā)展，人因工程已經(jīng)融入到現(xiàn)代核電站設(shè)計(jì)的各個(gè)領(lǐng)域，數(shù)字化的人機(jī)界面給操縱員提供了友好的交互平臺(tái)，卻在一定程度上也給操作人員增加了負(fù)擔(dān)，引發(fā)了一些新的人因失誤。一旦核電廠發(fā)生安全事故，后果將不堪設(shè)想，不僅會(huì)造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失，而且也會(huì)對國家及社會(huì)產(chǎn)生不良影響。不合理的人機(jī)界面設(shè)計(jì)是導(dǎo)致人因失誤的主要原因，因此，良好的人機(jī)界面設(shè)計(jì)是減少人因失誤，防止核電事故發(fā)生的重要保障。[1]在具有準(zhǔn)確的信息指示和正確的操作功能前提下，可根據(jù)人因工程要求，由功能任務(wù)分析后確定人機(jī)界面的具體類型，并使得設(shè)計(jì)具有更高的靈活性，通過操縱員與控制對象以及儀控系統(tǒng)三者的有機(jī)結(jié)合，實(shí)現(xiàn)核電廠高效、可靠的運(yùn)行控制。

1 人因工程設(shè)計(jì)原則及步驟

根據(jù)NUREG-0711要求，在人機(jī)接口設(shè)計(jì)過程中需要遵循計(jì)劃、分析、設(shè)計(jì)、驗(yàn)證和確認(rèn)、實(shí)現(xiàn)與運(yùn)行5個(gè)階段，由于本文重點(diǎn)介紹基于人因工程的人機(jī)界面設(shè)計(jì)，因此此處重點(diǎn)介紹人機(jī)接口設(shè)計(jì)有關(guān)分析和設(shè)計(jì)兩部分內(nèi)容。

要進(jìn)行人機(jī)界面設(shè)計(jì)，必須完成功能分析和相應(yīng)的任務(wù)分析，而功能分析和任務(wù)分析的基礎(chǔ)來源于系統(tǒng)手冊（系統(tǒng)的工能，特性，設(shè)備說明，運(yùn)行參數(shù)）、邏輯圖、模擬圖等。將工藝要求的操作和顯示拆分解成若干功能，同時(shí)將每個(gè)功能拆分成若干的任務(wù)，每個(gè)任務(wù)會(huì)對單個(gè)或多個(gè)設(shè)備進(jìn)行操作，畫面的布局在參考流程圖的同時(shí)要考慮到功能分析的結(jié)果，設(shè)備的具體操作則應(yīng)充分考慮任務(wù)分析的結(jié)果。[2]

在完成功能分析、任務(wù)分析后，可以開始進(jìn)行畫面設(shè)計(jì)，包括：

1）工藝流程進(jìn)行切割、分配；

2）確定管線的粗細(xì)；

3）確定管線顏色等；

4）依據(jù)邏輯圖、模擬圖、IO清單、設(shè)定值等，確定設(shè)備的在畫面上的具體顯示形式， 選取正確的圖標(biāo)。

依據(jù)以上流程初步完成畫面的分割，畫面信息的正確顯示，完成畫面的初步設(shè)計(jì)，然后通過設(shè)計(jì)的V&V活動(dòng)將設(shè)計(jì)結(jié)果和標(biāo)準(zhǔn)以及設(shè)計(jì)文件進(jìn)行核對，完成設(shè)計(jì)的V&V，并在相應(yīng)的平臺(tái)上對畫面設(shè)計(jì)進(jìn)行驗(yàn)證，將設(shè)計(jì)錯(cuò)誤及工藝中存在不足進(jìn)行修改，優(yōu)化畫面設(shè)計(jì)，畫面文件中應(yīng)包含畫面上所有元素的詳細(xì)顯示、控制等參數(shù)的列表。

2 人因原則的應(yīng)用

國內(nèi)核電廠的人因工程設(shè)計(jì)起步較晚，相關(guān)的法規(guī)標(biāo)準(zhǔn)也不是非常完善。目前采用Nureg0700，Nureg0711標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行設(shè)計(jì)和審評(píng)，Nureg0700作為人機(jī)接口設(shè)計(jì)導(dǎo)則，很好的指導(dǎo)了畫面設(shè)計(jì)。結(jié)合Nureg0700，界面的設(shè)計(jì)從以下幾點(diǎn)著重考慮人因工程原則和運(yùn)動(dòng)的實(shí)施。[3]

2.1 提供最佳數(shù)量的信息

總結(jié)以往核電站運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)，不是控制室給出的信息越多越好。數(shù)字化人機(jī)界面設(shè)計(jì)中，最重要的任務(wù)是組織畫面，既要保證整個(gè)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。信息量過少，勢必導(dǎo)致畫面設(shè)計(jì)過多，信息過于分散；畫面單調(diào)，操縱員關(guān)注程度降低，不利于掌握系統(tǒng)狀態(tài)。信息量過多，則加重了操縱員腦力和心理負(fù)擔(dān)。

依據(jù)Nureg 0700 1.5-8，對于圖形畫面密度在25%-50%之間最合適。

2.2 人機(jī)功能分配最佳化

Nureg0700 1.5中對人機(jī)功能分配進(jìn)行了分組定義，具體要求如下：

1）任務(wù)：對操縱員任務(wù)有用的信息需要組合在一起。

2）順序排列： 畫面信息應(yīng)按順序排列，從左至右或上至下。

3）頻率：使用頻率高的信息，應(yīng)該在頂部或其他一些預(yù)先設(shè)定的位置進(jìn)行顯示。

4）數(shù)據(jù)比較：當(dāng)用戶必須分析一組數(shù)據(jù)來辨別相似性、差異性、趨勢性和關(guān)系時(shí)，應(yīng)將相似的數(shù)據(jù)組合在一起，提高它們的可讀性，并且可以突出顯示不同組間的關(guān)系。分組可以幫助操縱員進(jìn)行信息識(shí)別。

5）重要性：特別重要的信息應(yīng)該放置在頂部或其他一些預(yù)先設(shè)定的位置上。

6）功能：當(dāng)某些信息與極其重要的系統(tǒng)及功能有關(guān)聯(lián)時(shí)，這些信息應(yīng)該顯示在畫面上幫助說明這些關(guān)系，有利于操縱員進(jìn)行分析。

7）字母數(shù)字或時(shí)間順序：當(dāng)信息或數(shù)據(jù)沒有按照一定的原則進(jìn)行分組時(shí)，應(yīng)按照字母順序或按時(shí)間順序分組。

3 人-機(jī)-環(huán)境整體設(shè)計(jì)

把人-機(jī)-環(huán)境作為一個(gè)整體，在人因工程學(xué)研究指導(dǎo)下進(jìn)行系統(tǒng)化設(shè)計(jì)，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(jī)界面中符號(hào)、顏色等信息的顯示應(yīng)具有可理解性、一致性慣例。

3.1 色彩搭配

在Nureg0700中對VDU的顏色對比度進(jìn)行了定義，在顏色選擇中圖標(biāo)和背景色的對比要鮮明，如在淺色背景上要用深色的字體等。

顏色環(huán)境會(huì)對人產(chǎn)生心理與生理的影響。操縱員長時(shí)間在控制室里監(jiān)視反應(yīng)堆運(yùn)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(gè)良好的工作環(huán)境，選用適宜的色彩對減輕操縱員心理負(fù)擔(dān)、減輕視覺疲勞及舒緩工作壓力有一定作用，因此人機(jī)界面的設(shè)計(jì)遵循核反應(yīng)堆中的法規(guī)和設(shè)計(jì)準(zhǔn)則，而且要合理地運(yùn)動(dòng)色彩。

根據(jù)電站中所要用到的顏色，并對相關(guān)顏色的搭配進(jìn)行了HFE分析，確認(rèn)其滿足相關(guān)HFE原則后，進(jìn)行了相關(guān)顏色定義：包括介質(zhì)顏色（冷卻水、疏水、水蒸汽、氣、油、濃縮物、廢物、冷凝液等）、電路母線顏色（交流電、交流電）、報(bào)警信號(hào)（紅色/黃色/綠色/白色/紫色報(bào)警等）以及趨勢曲線顏色的定義等。

3.2 符號(hào)/字體設(shè)計(jì)

1）符號(hào)/字體的形式

采用工程標(biāo)準(zhǔn)標(biāo)識(shí)符號(hào)的計(jì)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(rèn)知要求。

NUREG-0700 1.3.4中詳細(xì)了符號(hào)的選取應(yīng)該能代表目標(biāo)或動(dòng)作的特性，我們在此基礎(chǔ)上建立了畫面設(shè)計(jì)的圖庫。

2）符號(hào)/字體大小

按照人因工程原則，顯示字符的大小應(yīng)考慮在規(guī)定的視距內(nèi)，人眼對字符的觀察張角最小為16，最佳為20-22，最大為24，視覺距離一般為400-700mm之間，如果采用大小為19英寸，分辨率為1280*1024的平板顯示屏，按照NUREG-0700標(biāo)準(zhǔn)1.3.1-4要求。

計(jì)算字高為：

Height=6.283D（MA）/21600

-MA：弧度

-D： 操縱員與屏幕的距離

依據(jù)以上公式，建議字高最少為2.83mm，推薦使用9-12號(hào)字體。

3.3 設(shè)備

按照設(shè)備可操、不可操、無操、靜態(tài)元素分類，建立了符合電站的圖庫體系。

3.4 管線尺寸

工藝流程圖中按不同的特點(diǎn)分為以下三種不同線寬的管線類型：

1）粗線（2.16PT）用于可控動(dòng)態(tài)設(shè)備、主要工藝管線以及主要供電管線等。

2）中線（1.2PT）用于分支管線以及一些構(gòu)造線等。

3）細(xì)線（0.72PT）用于設(shè)備或數(shù)顯的反饋（如發(fā)生故障或操作確認(rèn)）外框等。

管線尺寸的定義滿足Nureg-0700標(biāo)準(zhǔn)1.3.7的定義。

4 結(jié)論

核電廠主控室的主要任務(wù)是監(jiān)控核電廠的運(yùn)行狀態(tài)，保證核電廠處于安全有效的運(yùn)行狀態(tài)。近幾年來儀表和控制采用數(shù)字化技術(shù)使得顯示內(nèi)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(jī)界面獲得有關(guān)反應(yīng)堆輔助系統(tǒng)運(yùn)行工況的監(jiān)測信息，執(zhí)行非安全級(jí)設(shè)備的操作控制。就目前來說，人機(jī)界面評(píng)價(jià)已發(fā)展成為人因工程研究領(lǐng)域的熱點(diǎn)問題，它可以實(shí)現(xiàn)核電廠主控室操作人員、機(jī)器、環(huán)境三者之間的相互協(xié)作，確保工作人員能夠舒適、安全、高效地實(shí)施操作行為。因此，在人機(jī)界面的設(shè)計(jì)中適度運(yùn)用人因工程學(xué)，設(shè)計(jì)友好的人機(jī)界面，減少人為失誤，對實(shí)現(xiàn)反應(yīng)堆安全和可靠運(yùn)行有重大意義，為人機(jī)畫面設(shè)計(jì)積累了寶貴的經(jīng)驗(yàn)。

【參考文獻(xiàn)】

[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(xué)學(xué)報(bào)，2003，13（2）：50-53.

[2]楊慶彧.核電廠數(shù)字化系統(tǒng)人機(jī)界面的設(shè)計(jì)[J].科技世界，2014（9）.

[3]馮燕，張?jiān)撇?，王忠?核電廠人因工程人機(jī)接口設(shè)計(jì)的探討[J].核安全，2012（1）.

[責(zé)任編輯：楊玉潔]