陳 喜，紀(jì)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(tǒng)在近幾十年的發(fā)展過程中，相較于核電堆型演變而言，整體技術(shù)更新偏慢。核電機組實際主控室的軟硬件由設(shè)計院統(tǒng)籌規(guī)劃，兼顧多種因素進行設(shè)計，并經(jīng)反復(fù)驗證。而模擬機教控臺系統(tǒng)，由于規(guī)模小、用戶少，軟硬件設(shè)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(shè)計考慮。

在核電機組主控室普遍追求擺脫強工業(yè)氣息、為操縱人員營造舒適工作環(huán)境的情況下，作為核電廠操縱人員培訓(xùn)與執(zhí)照考試的關(guān)鍵設(shè)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(xùn)及考試質(zhì)量。同時，模擬機作為電廠面向同行、評估組織及安全監(jiān)管當(dāng)局的重要窗口，其質(zhì)量應(yīng)是全面性的；良好的教控臺設(shè)計，必然影響到各類“用戶”的評價。

人因工程學(xué)在不同領(lǐng)域的說法不一，包括人機工程學(xué)、人類工程學(xué)、人間工程學(xué)等[1]。國家標(biāo)準(zhǔn)《人因工程在核電廠系統(tǒng)、設(shè)備和設(shè)施中的應(yīng)用》對其定義為“一門與人員使用方式的設(shè)計過程有關(guān)的綜合科學(xué)與技術(shù)”[2]。近年來，隨著人民生活水平、工業(yè)設(shè)計及制造水平的提高，產(chǎn)品的實用、好用屬性逐步提升，人因工程技術(shù)已被廣泛應(yīng)用于各行各業(yè)。在模擬機教控臺系統(tǒng)設(shè)計上，可基于人因工程技術(shù)，并結(jié)合當(dāng)下流行的網(wǎng)絡(luò)直播技術(shù)，將教控臺系統(tǒng)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(tǒng)應(yīng)用現(xiàn)狀

1.1 硬件設(shè)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(xué)期間，教控室僅有一到兩名教員，擁擠的情況不明顯；在執(zhí)照考試期間，將增加3名考官、1名監(jiān)督站官員及1名安全質(zhì)量監(jiān)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(shù)教控室仍然出現(xiàn)考官沒有良好的學(xué)員觀察窗口的情況，對執(zhí)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(cè)，教員在教控桌左側(cè)，導(dǎo)致教員作為關(guān)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(cè)，雖靠近教員，但L形教控桌及其桌上設(shè)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(shè)計未滿足“教員、考官應(yīng)具有良好的學(xué)員觀察窗口的優(yōu)先設(shè)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(shè)計不符合人因工程學(xué)。多數(shù)教控桌仍采用工業(yè)氣息濃厚、未經(jīng)特定設(shè)計、具有較大下部設(shè)備布置空間的大方桌。設(shè)備擺放未以教員為核心，一字型布置所有操控設(shè)備，無法做到各類設(shè)備皆由教員觸手可及。過多的計算機被置于教控桌內(nèi)，導(dǎo)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(shè)備眾多，導(dǎo)致維修不便；部分設(shè)備為工控機，布置于教控桌內(nèi)，環(huán)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(shù)情況下教控室僅由教員使用，但執(zhí)照考試期間的考官體驗是極其關(guān)鍵的。目前，多數(shù)電廠考官位僅配置少數(shù)DCS操縱員站，也有部分電廠未給考官配置任何設(shè)備。如此，考官對機組的整體狀態(tài)、特定設(shè)備參數(shù)、學(xué)員操控的跟蹤與評判必然有一定局限性。從操縱員培養(yǎng)的重要性及培訓(xùn)服務(wù)角度出發(fā)，不應(yīng)存在模擬機教控功能不足導(dǎo)致執(zhí)照考試監(jiān)考質(zhì)量不佳的情況。

5)多畫面墻存在持續(xù)放大、密集堆疊的情況。近年來，隨著堆型換代及教學(xué)需求的拓展，出現(xiàn)了多畫面墻持續(xù)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(shù)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(jiān)控范圍逐步擴大，但監(jiān)控效率與屏幕數(shù)量并不成正比。屏幕數(shù)量及單屏面積的提升，僅通過鼠標(biāo)或DCS畫面原有操控提示，教員很難快速定位學(xué)員的實時操控，這導(dǎo)致屏幕雖然大量增加了，但卻沒有更好的實現(xiàn)多畫面墻設(shè)立的初衷。

1.2 軟件功能形式單一

1)教學(xué)視頻錄制軟件靜態(tài)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(tài)或?qū)W員操作做批注，并在視頻播放時以靜態(tài)文字形式在畫面之外顯示。此批注方式已明顯落后于當(dāng)下的網(wǎng)絡(luò)直播技術(shù)，其等同于教員手寫記錄，效果生硬、使用率低。

2)DCS畫面監(jiān)控系統(tǒng)無法跟蹤單操縱員連續(xù)操控畫面。在學(xué)員DCS畫面監(jiān)控及錄制方面，缺少對單一學(xué)員操控畫面進行持續(xù)跟蹤的功能，即在一個監(jiān)控屏幕中順暢切換單一學(xué)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(tǒng)無法錄下所有畫面?？傮w而言，不利于評判、打分及課后分析教學(xué)。

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

2 人因工程及網(wǎng)絡(luò)直播技術(shù)在教控臺系統(tǒng)的應(yīng)用

2.1 汽車駕駛室設(shè)計理念

眾所周知，汽車駕駛室的設(shè)計全面考慮人因工程學(xué)。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(shè)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(shè)計布局上，應(yīng)圍繞操盤手為核心。參考汽車駕駛室中控臺、方向盤及左側(cè)門構(gòu)建的綜合控制體，教控室應(yīng)為教員構(gòu)建獨立的弧形卡位，同時多畫面墻布置于教員一側(cè)。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(nèi)傾，達到教員觸手可及所有監(jiān)控設(shè)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(xué)教控桌

類比汽車主駕及副駕，教控桌區(qū)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(shè)備布置設(shè)計，并從人因工程學(xué)角度改進舒適性、便利性。

1)各類設(shè)備首先以教員為第一用戶做優(yōu)先設(shè)計考慮?？傮w上，以弧形布置教練員站、非安DCS操縱員站、視頻監(jiān)控計算機、辦公電腦、通訊電話等；部分設(shè)備也可嵌入桌面，如M310機組小型SVDU。在此基礎(chǔ)上，結(jié)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(shè)置3個座位，可布置視頻監(jiān)控計算機、非安DCS操縱員站、辦公電腦等。視頻監(jiān)控計算機可實時跟蹤單一學(xué)員連續(xù)操控，非安DCS操縱員站供考官查看機組狀態(tài)，辦公電腦用于查看規(guī)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(xiàn)副駕作為主駕備用的效果，可以避免教控桌設(shè)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(shè)備噪聲及設(shè)備運維便利性等問題，多數(shù)主機采用遠程集中布置，教控桌下方設(shè)置600 mm縱深活動空間。第二，弧形教控桌的突出位，可設(shè)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(cè)下沉一定高度，結(jié)合可調(diào)節(jié)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(nèi)網(wǎng)通訊口，便于教員、考官使用便攜式信息設(shè)備。

2.3 多畫面墻設(shè)計方案

通過多傾角設(shè)計，基于人因工程試驗，并結(jié)合視頻顯示技術(shù)和特制軟硬件，實現(xiàn)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(shè)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(shè)計(見圖2)，以同時達到提供良好觀察視角并減少設(shè)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(nèi)傾布置，如內(nèi)傾30度?；诖嗽O(shè)計，教員無需移動到遠端，小幅度的轉(zhuǎn)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(guān)于多畫面墻高度、內(nèi)傾角度及其與教控桌的距離設(shè)計，應(yīng)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(tǒng)建設(shè)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(guān)于抽樣樣本，可參考最新的《中國居民營養(yǎng)與慢性病狀況報告》[3]平均身高數(shù)據(jù)，并結(jié)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(shè)計抽樣調(diào)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(shù)，增加視頻切換矩陣，根據(jù)特定培訓(xùn)課程，更改所監(jiān)控的整排操縱員站。比如模擬機由正常運行工況培訓(xùn)轉(zhuǎn)入?yún)f(xié)調(diào)員培訓(xùn)，則將單排監(jiān)控屏幕整體切換到SRO操縱員站。需要指出的是，并不是監(jiān)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(yīng)模擬機多畫面墻增加了一排監(jiān)控屏幕，但并沒有為第3名操縱員開發(fā)特有課程，新增屏幕的預(yù)期利用率不高。第二，某些情況下可采用畫面拼接技術(shù)減少監(jiān)控屏幕數(shù)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(jiān)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(xiàn)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(dāng)降低顯示器尺寸并不影響顯示效果，但在調(diào)整前須做可行性測試。

4)為便于在眾多的監(jiān)控屏幕中快速定位學(xué)員操作畫面，可增加小型燈做提示。學(xué)員在某個DCS畫面上進行操作，則多畫面墻對應(yīng)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(xué)員操控狀態(tài)”[4]。

2.4 網(wǎng)絡(luò)直播技術(shù)在監(jiān)控軟件上的應(yīng)用

1)現(xiàn)今，電競直播已可實現(xiàn)第一視角、裁判視角直播等。在模擬機教學(xué)監(jiān)控領(lǐng)域，多數(shù)電廠僅做到選取一個固定的操縱員站進行監(jiān)控及錄像，不能對單一學(xué)員的所有DCS畫面操控做第一視角連續(xù)監(jiān)控。與上述多畫面墻快速定位學(xué)員操作畫面功能類似，基于同一硬件，可以同步實現(xiàn)對單一學(xué)員操控畫面的連續(xù)監(jiān)控及錄像，更有利于教學(xué)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(shù)已應(yīng)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(yōu)化。

2)網(wǎng)絡(luò)直播技術(shù)的應(yīng)用，不僅可提高系統(tǒng)使用率，也可應(yīng)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(tǒng)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(tài)的，需要手動點擊才可顯示，其使用率極低?？蓞⒖季W(wǎng)絡(luò)直播技術(shù)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(xué)員的良好操作可參考網(wǎng)絡(luò)直播“送火箭”；第二，增加動態(tài)實時彈幕，提高文字與畫面的匹配度。

2.5 模擬機電廠數(shù)據(jù)監(jiān)控系統(tǒng)

模擬機可向應(yīng)急指揮中心發(fā)送數(shù)據(jù)，以在應(yīng)急演習(xí)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(xué)分析室發(fā)送數(shù)據(jù)，并基于其自帶的單向網(wǎng)閘以保證信息安全。在應(yīng)用開發(fā)層面，其功能類似于實際機組電廠數(shù)據(jù)監(jiān)控系統(tǒng)，可查看實時及歷史數(shù)據(jù)。在模擬機本身已外發(fā)數(shù)據(jù)的情況下，該系統(tǒng)僅需做簡單的數(shù)據(jù)處理及展示，以少量參數(shù)及趨勢圖為主。目前，各新建核電廠的模擬機教學(xué)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(guī)程等，優(yōu)于早期M310機組的單幕布，具備硬件基礎(chǔ)。此外，結(jié)合上述網(wǎng)絡(luò)直播技術(shù)，該系統(tǒng)的電廠重要參數(shù)及趨勢顯示可應(yīng)用于模擬機技能比武。

3 總結(jié)

人因工程技術(shù)的有效應(yīng)用，全面營造教學(xué)系統(tǒng)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(xùn)及執(zhí)照考試起到正向推動作用。網(wǎng)絡(luò)直播技術(shù)在模擬機視頻跟蹤監(jiān)控及錄像功能中的應(yīng)用，結(jié)合模擬機電廠數(shù)據(jù)監(jiān)控系統(tǒng)，為教學(xué)、課后分析提供有力數(shù)據(jù)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(shù)呈現(xiàn)方式。考慮到教學(xué)場景、DCS設(shè)備及用戶需求的差異，本文所闡述的模擬機教控臺系統(tǒng)設(shè)計方案在應(yīng)用到不同堆型時，需要做適應(yīng)性拓展和驗證。