吳 茜，張瑞萍，孟 光，呂愛國(guó)，葉 琳

（華龍國(guó)際核電技術(shù)有限公司，北京 100036）

0 引言

人機(jī)接口（Human-System Interface，下文縮寫為HSI），是人與機(jī)器進(jìn)行交互的操作方式，即用戶與機(jī)器互相傳遞信息的媒介。核電廠主控室人機(jī)接口作為操縱員與核電站進(jìn)行信息交互的主要媒介，其設(shè)計(jì)的人因工程學(xué)對(duì)操縱員執(zhí)行效率乃至核電站的安全有著重要影響。國(guó)內(nèi)《核動(dòng)力廠設(shè)計(jì)安全規(guī)定》要求優(yōu)化人員操作的設(shè)計(jì)，使人機(jī)界面對(duì)操縱員是“友好的”，人機(jī)接口必須設(shè)計(jì)成不但能夠?yàn)椴倏v員提供全面而易處理的信息，并必須以限制人為差錯(cuò)的影響為目標(biāo)[1]。

圖1 人因工程過程總貌Fig.1 The process of human factors engineering

從人因角度而言，設(shè)計(jì)一個(gè)“好”（高質(zhì)量）的HSI 通常不是一項(xiàng)簡(jiǎn)單或一蹴而就的任務(wù)，而是需要考慮很多人因參數(shù)。要滿足每一個(gè)人因設(shè)計(jì)準(zhǔn)則存在很多困難，很多情況下需要對(duì)人因原則的應(yīng)用進(jìn)行折中處理。

為了保障核電廠人機(jī)接口設(shè)計(jì)的高質(zhì)量，本文在對(duì)人機(jī)接口設(shè)計(jì)與其它人因工程元素關(guān)系進(jìn)行研究和分析的基礎(chǔ)上，從審評(píng)方關(guān)注角度和行業(yè)內(nèi)技術(shù)進(jìn)展兩個(gè)方面研究了人機(jī)接口設(shè)計(jì)問題及優(yōu)化情況，梳理了人機(jī)接口設(shè)計(jì)方法。該方法針對(duì)核動(dòng)力廠提出，對(duì)實(shí)驗(yàn)堆、普通電廠人機(jī)接口設(shè)計(jì)也有一定的參考意義。

1 核電廠人機(jī)接口設(shè)計(jì)介紹

核電廠人機(jī)接口的資源包括用于支持運(yùn)行人員執(zhí)行任務(wù)的顯示、報(bào)警、控制、計(jì)算機(jī)化規(guī)程（CBP）以及其他各類HSI 實(shí)體配置，這些HSI 資源分布于主控制室（MCR）、遠(yuǎn)程停堆站（RSS）、技術(shù)支持中心（TSC）、應(yīng)急指揮中心（EOC）以及就地控制站（LCS）上。

1.1 HSI設(shè)計(jì)任務(wù)及設(shè)計(jì)內(nèi)容

HSI 設(shè)計(jì)的主要任務(wù)包括：

- 核電廠人機(jī)接口設(shè)計(jì)導(dǎo)則制定——開發(fā)適用于核電廠的人機(jī)接口設(shè)計(jì)導(dǎo)則，用于指導(dǎo)HSI 設(shè)計(jì)符合HFE 原則要求。

- 核電廠人機(jī)接口功能設(shè)計(jì)——根據(jù)核電廠功能需求，確定HSI 所需實(shí)現(xiàn)的功能。

- 核電廠人機(jī)接口設(shè)備設(shè)計(jì)——根據(jù)HSI 功能需求，確定具體的HSI 設(shè)備類型，建立HSI 設(shè)備清單，并完成各個(gè)HSI 資源的詳細(xì)設(shè)計(jì)和集成。

- 核電廠重要控制點(diǎn)設(shè)計(jì)——確定各控制點(diǎn)（包括MCR、TSC、EOC、RSS、LCS）中HSI 設(shè)備的布置。

- 工作場(chǎng)所環(huán)境設(shè)計(jì)——保證HSI 所在場(chǎng)所的環(huán)境要求。

HSI 設(shè)計(jì)活動(dòng)的內(nèi)容包括：

- 核電廠人機(jī)接口設(shè)計(jì)導(dǎo)則的制定和修訂。

- 所有控制點(diǎn)上的顯示、控制、報(bào)警等HSI 資源的設(shè)計(jì)（包括常規(guī)儀控設(shè)備）。

- 就地控制站（LCS）上與風(fēng)險(xiǎn)重要活動(dòng)（包括監(jiān)視、操作、維修等）相關(guān)的HSI 資源設(shè)計(jì)。

- 基于顯示屏的HSI 資源設(shè)計(jì)，包括實(shí)際的畫面顯示、控制、導(dǎo)航及訪問信息所需的標(biāo)準(zhǔn)對(duì)話。

- 操縱員工作站和工作區(qū)的布置。

- 控制室及電廠設(shè)備上常規(guī)編碼和標(biāo)識(shí)。

- 環(huán)境因素（例如，氣候環(huán)境、視覺環(huán)境、聽覺環(huán)境等）。

- HSI 設(shè)計(jì)的測(cè)試和評(píng)估。

1.2 人機(jī)接口設(shè)計(jì)與人因工程的關(guān)系

核電廠人員對(duì)于核電廠的安全、可靠、有效運(yùn)行起著重要作用，電廠人員和電廠工藝設(shè)備之間的實(shí)時(shí)過程控制接口是集成的人機(jī)接口中驅(qū)動(dòng)圖形顯示設(shè)備的儀控設(shè)備，在這些人機(jī)接口的設(shè)計(jì)中應(yīng)充分應(yīng)用人因工程原則，優(yōu)化人-機(jī)工效，以滿足和提升核電廠的安全性和經(jīng)濟(jì)性指標(biāo)。

人機(jī)接口設(shè)計(jì)的主要輸入和影響人機(jī)接口設(shè)計(jì)過程和人機(jī)接口設(shè)計(jì)的假設(shè)和制約的第一項(xiàng)就是管理要求，即人因工程過程的設(shè)計(jì)需滿足NUREG-0711 標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的人因工程設(shè)計(jì)過程的要求。

圖1 為人因工程總貌，簡(jiǎn)要介紹了人機(jī)接口設(shè)計(jì)與其他人因工程要素之間的關(guān)系。

① 運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)評(píng)審（OER）：用于識(shí)別歷史控制室或HSI 設(shè)備中HFE 相關(guān)問題及經(jīng)驗(yàn)，最新HFE 技術(shù)的調(diào)研，這些都可作為HSI 設(shè)計(jì)的輸入。

表1 人機(jī)接口設(shè)計(jì)的審評(píng)關(guān)注點(diǎn)Table 1 Review of HSI design

② 功能需求分析與功能分配（FRA&FA）：功能需求分析（FRA）用于識(shí)別滿足電廠運(yùn)行和安全目標(biāo)所需的必要功能，其結(jié)果作為功能分配活動(dòng)的輸入；功能分配（FA）將由功能分析確定的功能分配給人、機(jī)器或人與機(jī)器的組合來完成；FRA&FA 活動(dòng)的輸出作為任務(wù)分析（TA）的輸入，進(jìn)而識(shí)別出HSI 的任務(wù)支持要求。

③ 任務(wù)分析（TA）：用于識(shí)別完成這些任務(wù)所需的要求（即確定用于完成任務(wù)所需的顯示、數(shù)據(jù)處理、控制、工作支持輔助等要求）。TA 的輸出作為HSI 設(shè)計(jì)的輸入。根據(jù)TA 分析識(shí)別出的任務(wù)支持接口要求，可以定義出HSI元素的清單及特性。

④ 人員配備與資質(zhì)（S&Q）：S&Q 分析為控制室和工作站的布置提供輸入，控制室的設(shè)計(jì)須考慮人員配備假設(shè)。

⑤ 重要人員動(dòng)作分析：用于評(píng)估對(duì)電廠安全具有重要影響或潛在風(fēng)險(xiǎn)的人員動(dòng)作，其分析結(jié)果可以提供一系列重要人員動(dòng)作及其相關(guān)情景的清單。用于執(zhí)行這些重要人員動(dòng)作的HSI 需要在設(shè)計(jì)中進(jìn)行特別考慮，以最大限度降低人員失誤發(fā)生的可能性。

“部分/整體”途徑中，分?jǐn)?shù)被視作“部分事物”與“事物整體”所代表的兩者間的一種數(shù)量關(guān)系.與之相對(duì)的，通過“測(cè)量”途徑得到的分?jǐn)?shù)，是通過“可公度性”的概念將兩個(gè)整數(shù)的比定義為分?jǐn)?shù).無(wú)論“部分/整體”途徑，還是“測(cè)量”途徑，其所產(chǎn)生的分?jǐn)?shù)始終未脫離整數(shù)概念的束縛.在“測(cè)量”途徑產(chǎn)生分?jǐn)?shù)所對(duì)應(yīng)的古希臘時(shí)期，曾經(jīng)爆發(fā)了著名的第一次數(shù)學(xué)危機(jī).數(shù)學(xué)危機(jī)的產(chǎn)生是特殊歷史背景下，人們對(duì)于數(shù)學(xué)認(rèn)識(shí)的局限所致.而第一次數(shù)學(xué)危機(jī)的實(shí)質(zhì)，是當(dāng)時(shí)數(shù)學(xué)家的思維被錯(cuò)誤的哲學(xué)所支配，他們認(rèn)為“數(shù)”只能是正整數(shù)[18].由此可見，古希臘及更早時(shí)期的人們對(duì)于分?jǐn)?shù)概念的認(rèn)識(shí)，是受其對(duì)于“數(shù)”的認(rèn)識(shí)所局限的.

⑥ HSI 設(shè)計(jì)須滿足電廠各個(gè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求，包括系統(tǒng)所需實(shí)現(xiàn)的功能，以及系統(tǒng)的限制要求。

⑦ 規(guī)程開發(fā)：所有規(guī)程均需進(jìn)行驗(yàn)證和確認(rèn)（V&V），計(jì)算機(jī)化規(guī)程系統(tǒng)（CPS）作為人機(jī)接口系統(tǒng)的一部分，其與紙質(zhì)版規(guī)程備份的V&V，將與HSI 系統(tǒng)的設(shè)計(jì)以及HF V&V 相結(jié)合。

通過介紹可知，以上7 項(xiàng)均為人機(jī)接口設(shè)計(jì)的輸入，培訓(xùn)開發(fā)在其范圍、內(nèi)容與原則上也要與人機(jī)接口設(shè)計(jì)協(xié)調(diào)一致；人因驗(yàn)證和確認(rèn)也包括人機(jī)接口任務(wù)支持驗(yàn)證（TSV）；設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)活動(dòng)作為V&V 的補(bǔ)充和延續(xù)也要考慮人機(jī)接口等。

人因工程貫穿于人機(jī)接口的整個(gè)設(shè)計(jì)過程，通過人因工程管理將人機(jī)接口的設(shè)計(jì)與電廠其它系統(tǒng)的設(shè)計(jì)結(jié)合成一個(gè)整體。

2 審評(píng)方關(guān)注角度分析

人因工程12 要素均對(duì)人機(jī)接口設(shè)計(jì)質(zhì)量存在影響，為了深層剖析影響因素，提出保障人機(jī)接口設(shè)計(jì)質(zhì)量的方法，本章節(jié)從審評(píng)方對(duì)人機(jī)接口設(shè)計(jì)的關(guān)注角度進(jìn)行分析。

表2 人機(jī)接口相關(guān)問題及設(shè)計(jì)缺陷Table 2 HSI related problems and design defects

表1 匯總了審評(píng)方針對(duì)兩個(gè)核電工程的人機(jī)接口設(shè)計(jì)審評(píng)關(guān)注點(diǎn)：

經(jīng)統(tǒng)計(jì)，共性頻發(fā)問題包括：

1）《任務(wù)分析實(shí)施計(jì)劃》中任務(wù)分析的范圍。

2）重要人員動(dòng)作的任務(wù)分析的范圍及分析方法。

4）人機(jī)接口的V&V 活動(dòng)。

5）MTIS（維修試驗(yàn)檢測(cè)監(jiān)督）相關(guān)的任務(wù)分析方法及V&V 活動(dòng)。

經(jīng)分析，以上重點(diǎn)關(guān)注問題多為歷史薄弱點(diǎn)（例如任務(wù)分析、重要人員動(dòng)作分析），新增關(guān)注點(diǎn)包括針對(duì)“就地控制站”“技術(shù)支持中心”“應(yīng)急指揮中心”進(jìn)行的人因V&V 活動(dòng)、MTIS 相關(guān)活動(dòng)，以及采用不同的技術(shù)（采用數(shù)字化技術(shù)實(shí)現(xiàn)的人機(jī)接口）引入的新問題。這些問題需要在后續(xù)人機(jī)接口設(shè)計(jì)中重點(diǎn)關(guān)注。

3 行業(yè)內(nèi)人機(jī)接口相關(guān)問題及優(yōu)化情況

本章節(jié)對(duì)行業(yè)內(nèi)近年來人機(jī)接口相關(guān)問題及優(yōu)化情況進(jìn)行了介紹，將頻發(fā)問題及優(yōu)化方案總結(jié)出來，以便人機(jī)接口設(shè)計(jì)領(lǐng)域進(jìn)行借鑒和參考[2-4]。

表2 選取了具有代表性的幾類人機(jī)接口：

① 其中，第一項(xiàng)為采用模擬技術(shù)的人機(jī)接口，此類設(shè)計(jì)缺陷普遍的人因優(yōu)化原則為設(shè)置“保護(hù)和確認(rèn)”等手段以防誤動(dòng)。

② 第二項(xiàng)為采用數(shù)字技術(shù)的顯示和控制畫面，通過以下手段改善人機(jī)界面不夠友善的問題：

- 增加設(shè)定確認(rèn)、修改執(zhí)行確認(rèn)、參數(shù)微調(diào)步長(zhǎng)設(shè)定。

- 增加任務(wù)導(dǎo)向欄。

- 增加氣泡標(biāo)注功能等。

③ 第三項(xiàng)為采用數(shù)字技術(shù)的報(bào)警系統(tǒng)人機(jī)界面，通過報(bào)警抑制功能和組合報(bào)警顯示功能兩種方式進(jìn)行優(yōu)化。

④ 第四項(xiàng)為數(shù)字化事故規(guī)程配套畫面，優(yōu)化方案為：

- 優(yōu)化界面布局及邊界形式。

- 圖形化顯示重點(diǎn)參數(shù)（減少操縱員對(duì)于重要參數(shù)的認(rèn)知負(fù)荷）。

- 精細(xì)化鏈接設(shè)計(jì)（解決數(shù)控系統(tǒng)界面調(diào)取占用操縱員大量認(rèn)知負(fù)荷的問題）。

- 儀表故障智能輔助診斷。

- 重要狀態(tài)參數(shù)智能輔助診斷（超控制預(yù)期或惡化時(shí)，對(duì)參數(shù)框激活動(dòng)態(tài)提示）。

4 高質(zhì)量的人機(jī)接口設(shè)計(jì)方法

人機(jī)接口設(shè)計(jì)過程中，其它人因工程要素的結(jié)果被用作開發(fā)控制室系統(tǒng)和人機(jī)接口資源的功能設(shè)計(jì)和導(dǎo)則文件的輸入和基準(zhǔn)，如圖1 所示。人員配備的假設(shè)、運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)評(píng)審、功能需求分析與功能分配，任務(wù)分析以及重要人員動(dòng)作分析的結(jié)合，為確定支持人的功能和任務(wù)所需的人機(jī)接口要求提供了依據(jù)。產(chǎn)生的人機(jī)接口要求，將體現(xiàn)在人機(jī)接口資源的功能設(shè)計(jì)文件（如人機(jī)接口資源功能要求文件）和導(dǎo)則文件中。

圖2 HSI設(shè)計(jì)流程圖Fig.2 The flow chart of HSI design

4.1 人機(jī)接口設(shè)計(jì)依據(jù)及要求

HSI 設(shè)計(jì)的輸入來源主要包括：

① HFE 大綱要求：以下元素的分析結(jié)果應(yīng)作為HSI設(shè)計(jì)的要求進(jìn)行考慮。

- 運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)評(píng)審。

- 功能需求分析與功能分配。

- 任務(wù)分析。

- 人員配備及資質(zhì)分析。

- 重要人員動(dòng)作分析。

② 電廠系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求。

③ 法規(guī)標(biāo)準(zhǔn)要求。

④ 電廠特殊要求。

HSI 設(shè)計(jì)活動(dòng)的輸出主要包括：人機(jī)接口設(shè)計(jì)導(dǎo)則、控制室設(shè)備布置圖、盤臺(tái)設(shè)備清單、盤面布置圖、計(jì)算機(jī)畫面設(shè)計(jì)文件、報(bào)警設(shè)計(jì)文件、計(jì)算機(jī)化規(guī)程設(shè)計(jì)文件。

4.2 設(shè)計(jì)過程

HSI 的設(shè)計(jì)過程通常分為以下幾個(gè)步驟：

- 運(yùn)行概念定義。

- HSI 總體設(shè)計(jì)。

- HSI 設(shè)計(jì)導(dǎo)則制定。

- HSI 詳細(xì)設(shè)計(jì)和集成。

- HSI 測(cè)試和評(píng)價(jià)。

① 運(yùn)行概念的定義

定義運(yùn)行概念可以識(shí)別出人員動(dòng)作與電廠自動(dòng)動(dòng)作之間的關(guān)系，從而為人員如何在HSI 資源上進(jìn)行工作以及如何處理人員間協(xié)作活動(dòng)提供詳細(xì)描述。運(yùn)行概念可以從總體上指導(dǎo)電廠儀控（I&C）平臺(tái)、HSI、控制室的設(shè)計(jì)。

② HSI 總體設(shè)計(jì)

HSI 總體設(shè)計(jì)，將考慮以下方面的內(nèi)容，以證明電廠的HSI 設(shè)計(jì)已采用了先進(jìn)技術(shù)，用于支持人員效能：

- 設(shè)備布置，包括工作站、大屏幕顯示以及相關(guān)人員的工作位置。

- 重要HSI 資源及其功能，例如報(bào)警、顯示、控制、計(jì)算機(jī)化規(guī)程以及其它支持和輔助人員工作的設(shè)備。用于支持主控制室內(nèi)或主控制室與遠(yuǎn)程停堆設(shè)施、技術(shù)支持中心（TSC）、應(yīng)急指揮中心（EOC）、就地控制站之間人員協(xié)作與交流的技術(shù)。

③ 人機(jī)接口設(shè)計(jì)導(dǎo)則

制定適用于本項(xiàng)目的HSI 設(shè)計(jì)導(dǎo)則，涵蓋HSI 設(shè)計(jì)范圍內(nèi)的所有HSI 資源，用于處理這些HSI 的形式、功能、運(yùn)行以及與人員效能相關(guān)的操作環(huán)境。HSI 設(shè)計(jì)導(dǎo)則的編制將主要依照NUREG-0700 中的要求進(jìn)行。

④ HSI 詳細(xì)設(shè)計(jì)和集成

HSI 詳細(xì)設(shè)計(jì)活動(dòng)是在HSI 總體設(shè)計(jì)基礎(chǔ)上進(jìn)一步開展的HSI 細(xì)節(jié)設(shè)計(jì)，該過程可能需要反復(fù)進(jìn)行。特別的，HSI 設(shè)計(jì)應(yīng)考慮自動(dòng)功能失效和顯著I&C 降級(jí)的情況，并為I&C 和HSI 的降級(jí)提供探知能力（包括報(bào)警或其它信息）和后備手段（包括后備系統(tǒng)、人員的補(bǔ)償動(dòng)作及支持規(guī)程）。

HSI 詳細(xì)設(shè)計(jì)和集成包括：主控制室設(shè)計(jì)、技術(shù)支持中心設(shè)計(jì)、應(yīng)急指揮中心設(shè)計(jì)、遠(yuǎn)程停堆站、就地控制站。

⑤ 測(cè)試和評(píng)價(jià)

HSI 的測(cè)試和評(píng)價(jià)活動(dòng)應(yīng)適時(shí)地在HSI 的設(shè)計(jì)過程中開展，以支持HSI 的設(shè)計(jì)決策，確保HSI 的總體設(shè)計(jì)和詳細(xì)設(shè)計(jì)能夠有效支持人員效能。這些測(cè)試和評(píng)價(jià)活動(dòng)主要包括折中評(píng)價(jià)和基于效能的測(cè)試等活動(dòng)。

4.3 人機(jī)接口設(shè)計(jì)方法

國(guó)內(nèi)《核動(dòng)力廠設(shè)計(jì)安全規(guī)定》要求優(yōu)化人員操作的設(shè)計(jì)，使人機(jī)界面對(duì)操縱員是“友好的”，人機(jī)接口必須設(shè)計(jì)成不但能夠?yàn)椴倏v員提供全面而易處理的信息，并必須以限制人為差錯(cuò)的影響為目標(biāo)。

從人因角度而言，設(shè)計(jì)一個(gè)“好”（高質(zhì)量）的HSI，除了需要遵守設(shè)計(jì)依據(jù)和要求，嚴(yán)格按照設(shè)計(jì)過程實(shí)施外，還需重點(diǎn)考慮歷史薄弱點(diǎn)，從新技術(shù)帶來的問題出發(fā)。

圖2 給出了HSI 設(shè)計(jì)流程圖，為使核電廠人機(jī)接口設(shè)計(jì)質(zhì)量得到保證，除嚴(yán)格執(zhí)行上述流程外，在設(shè)計(jì)過程中，重點(diǎn)關(guān)注審評(píng)方反復(fù)提出的問題，弱化薄弱環(huán)節(jié)；在HSI詳細(xì)設(shè)計(jì)和集成階段，結(jié)合行業(yè)內(nèi)人機(jī)接口相關(guān)問題及優(yōu)化情況，重點(diǎn)考慮頻發(fā)問題，充分借鑒優(yōu)化方案。

5 結(jié)語(yǔ)

本文介紹了人機(jī)接口設(shè)計(jì)內(nèi)容，在對(duì)人機(jī)接口設(shè)計(jì)與其它人因工程元素關(guān)系進(jìn)行研究和分析的基礎(chǔ)上，從審評(píng)方關(guān)注角度和行業(yè)內(nèi)技術(shù)進(jìn)展兩個(gè)方面，研究了人機(jī)接口設(shè)計(jì)問題及優(yōu)化情況，梳理了人機(jī)接口設(shè)計(jì)方法。該方法針對(duì)核動(dòng)力廠提出，對(duì)實(shí)驗(yàn)堆、普通電廠人機(jī)接口設(shè)計(jì)也有一定的參考意義。