張云波谷鵬飛王忠秋陳衛(wèi)華

(環(huán)境保護部核與輻射安全中心1,北京 100000;深圳中廣核工程設計有限公司2,深圳 518124)

以人為本的核電站數(shù)字化人機界面設計研究

張云波1谷鵬飛2王忠秋1陳衛(wèi)華2

(環(huán)境保護部核與輻射安全中心1,北京 100000;深圳中廣核工程設計有限公司2,深圳 518124)

針對核電站數(shù)字化人機界面信息量龐大且集中的特點,對人因失誤的風險進行了研究。以嶺澳二期反應堆冷卻劑系統(tǒng)的數(shù)字化人機界面設計為例,通過應用人因工程來減少人因失誤的風險?？偨Y(jié)了核電站數(shù)字化人機界面設計的關鍵要素,提出了“以人為本”的設計思路?！耙匀藶楸尽钡臄?shù)字化人機界面設計提高了操作人員的效能,也為后續(xù)核電站人機界面的設計提供了技術參考。

以人為本 核電站 數(shù)字化技術 人機界面 人因工程

0 引言

控制室是核電站的監(jiān)控中心,它主要為操縱員提供人機界面(也稱人機接口),以監(jiān)測和控制整個核電站有效、安全地運行[1]。

工業(yè)革命以后,在人機界面的設計中,設計者更多的是追求機器的效率,而人只是處于從屬地位,只有機器無法實現(xiàn)的功能,例如輸入和反饋等,才交由人去實現(xiàn),其設計理念可以說是“以機器為本”。

核電站人機界面采用數(shù)字化技術以后,一方面,新的數(shù)字化人機界面為操縱員提供更為便捷的操作方式,另一方面,龐大且集中的信息量也帶來了人因失誤的風險。人因工程由于其對提高人員效能和降低人因失誤的重要性越來越受到重視,這就要求核電站數(shù)字化人機界面設計要“以人為本”。

1 人機界面設計

《核動力廠設計安全規(guī)定》要求人機界面的設計不但要考慮能夠為操縱員提供全面的、綜合的、易獲取的、易處理的信息,而且必須以避免人因失誤為目標[2]。同樣地,參考國際相關標準,不管是用于通用產(chǎn)品設計的標準ISO-13407、通用控制室設計的標準ISO-11064,還是用于核電廠控制室設計的標準NUREG-0711、IEC 60964,都要求采用人因工程的設計原則。

人機界面(也稱人機接口)是人與機器之間交換信息的渠道,核電站的操縱員通過人機界面才能完成其操作任務。人機界面的設置是為了核電站的所有運行工況進行集中、有效的監(jiān)督以及安全的操作,并能采取措施使核電站維持其安全狀態(tài)或者能在遭受事故或設計基準事故后,使核電站回到安全狀態(tài)。同時應采取適當?shù)拇胧┮员Ｕ峡刂剖胰藛T的安全,例如不受事故工況所造成的超標照射,或者有毒氣體的危害,以免危及必需的運行人員的工作[3]。

嶺澳二期核電站是以嶺澳一期核電站為參考并加以改進來設計建造的,其儀控系統(tǒng)的改進是在總體結(jié)構(gòu)上采用數(shù)字化控制系統(tǒng)(digital control system, DCS),并以計算機化的主控制室取代嶺澳核電站一期以常規(guī)模擬監(jiān)控設備為主的主控制室。在電站計算機信息與控制系統(tǒng)可用的情況下,每一個計算機化的操縱員工作站上,都可以監(jiān)督和控制電廠的運行,替代了嶺澳一期核電站控制室中常規(guī)控制盤和所有專用系統(tǒng)所承擔的功能。

人機接口包括硬件接口和軟件接口,嶺澳二期核電站數(shù)字化主控制室內(nèi)硬件接口主要包括操縱員工作站(operator work place,OWP)、大屏幕顯示(picture out picture,POP)、應急控制盤(emergency control panel, ECP)和后備盤(backup panel,BUP)。數(shù)字化人機界面為軟件接口,其主要包括報警、信息顯示、監(jiān)控畫面、控制和運行程序、操作規(guī)程等。

隨著信息技術的不斷進步,數(shù)字化人機界面可以實現(xiàn)以前模擬技術無法實現(xiàn)的功能,如人機界面要素的集成、數(shù)據(jù)的加工處理、操縱員的決策支持等。人機界面設計以操作方便、滿足運行要求、限制人為差錯的影響為目標,通過優(yōu)化運行人員操作,為操縱員提供全面的和易于處理的信息,與作出必要的決定和采取行動的時間相適應。

數(shù)字化人機界面的設計應滿足以下要求[4]。

①人機界面必須對操縱員是友好的,并以避免人因失誤為目標。

②任務導向的設計原則。所設計的人機界面應具備讓操縱員在任何情況下都能迅速評估電站總體狀態(tài)的功能,操縱員可以通過人機界面確認預定的自動安全動作正在執(zhí)行;也知曉其需要采取的正當?shù)陌踩袆?并能得到充分的各相關系統(tǒng)和設備的參數(shù)信息。

③一致性原則。所設計的人機界面應盡可能地減少操作畫面的種類和數(shù)量,盡量保持不同操作方式在界面上的一致性,并盡可能采用模塊化的設計方式。

因此,對數(shù)字化人機界面的驗證和分析工作應該針對其設計是否滿足以上要求來進行驗證和分析。

2 數(shù)字化人機界面實例

嶺澳二期核電站數(shù)字化人機界面的基本元素包括以下幾部分內(nèi)容[5]。

①顏色體系、顯示密度。

②靜態(tài)顯示圖元,包括文本框、數(shù)據(jù)曲線、圖例、表例等。

③動態(tài)顯示圖元,包括模擬量顯示、數(shù)字量顯示、控制窗等。

在這些基本元素的基礎上,畫面、報警信息以及運行程序構(gòu)成了數(shù)字化人機界面的三大基本功能。操縱員通過對三大基本功能組成部分的具體運用,完成對機組狀態(tài)的監(jiān)視和控制。

在嶺澳二期數(shù)字化人機界面設計之初,核電站反應堆冷卻劑系統(tǒng)(RCP)的操作畫面尚未進行優(yōu)化。經(jīng)基本元素分析,并對比設計原則,在操縱員績效測試的基礎上,優(yōu)化后界面的主要變化包括以下內(nèi)容。

①根據(jù)操縱員的操作任務,增加了許多必要的顯示信息;

②根據(jù)實際的操作測試,修改了顏色體系;

③根據(jù)實際的驗證測試,調(diào)整了顯示圖元的顯示密度。

3 以人為本的設計思想

計算機按照機器所設定的程序去執(zhí)行相關的動作,而人作為不同的個體,會按照自己的方式去思考,并根據(jù)自己的理解去執(zhí)行相關的動作。“以人為本”的核電站數(shù)字化人機界面設計就是需要在人機界面設計過程中,更多地把操縱員的思維特性和行動特性納入到人機界面的功能設計里。不單單要考慮操縱員的思維和行為的數(shù)字化實現(xiàn)方式,也要考慮數(shù)字化技術的實現(xiàn)方案更容易被操縱員所接受,或者說更利于操縱員執(zhí)行。在設計過程中,還需要充分引入人的經(jīng)驗,采用人因工程的方法和工具,優(yōu)化設計方案[6]。

現(xiàn)有的核電站數(shù)字化人機界面設計并沒有完全依據(jù)“以人為本”的人機界面設計思想,尤其在設計之初,還沒有從用戶(操縱員)心理學的角度考慮設計方案的可行性和合理性——或許是因為大部分設計者并沒有核電站的運行經(jīng)驗。

對于操縱員的心理學,或者說思維特性和行動特性,主要包括認知心理學和行為心理學。

認知心理學主要與操縱員的腦力勞動有關,如記憶、理解、判斷、交流等。人通常采用畫面和文字來表述信息,文字是線形結(jié)構(gòu)的,人通常按照一定的順序進行閱讀——從左到右,或者從上到下,或者從右往左,等。相對而言,沒有文字時,人也通過畫面或者圖片進行交流,而畫面所呈現(xiàn)的是平面或三維的結(jié)構(gòu)。人往往會很容易記住對一段文字或一幅畫面的理解,要想記住很多文字和畫面的細節(jié),則需要進行不斷的強化訓練,如定期回顧或者階段性的培訓。因此,在進行數(shù)字化人機界面設計時,需要考慮文字和畫面使用的相宜性——合理地界定文字和畫面使用的時機,并進行人因工程的驗證和分析[7]。可以參考的是,畫面的使用相對于文字而言,可以減少操縱員的記憶負荷,而如果需要操縱員更多的理解相關的邏輯內(nèi)容,文字的使用會更為準確,也更會引起操縱員的注意[8]。

行為心理學主要與操縱員的行為有關,如果將操縱員與數(shù)字化人機界面看成一個系統(tǒng),就需要從操縱員的行為特性去考慮計算機操作的設計合理性,例如鎖孔效應等[9],這樣才能使操縱員更好地執(zhí)行計算機操作。利用眼動儀觀察操縱員完成操作任務時,能夠發(fā)現(xiàn)操縱員的視覺軌跡主要隨顯示界面上的主線條運動,或者說在跟蹤主要的信息流。這可以反映出操縱員在其腦?；貞浿辛粝碌闹饕瞧鋵︼@示界面所理解的主要含義而并不關心細節(jié)。由此也可以得知,如果設計者需要在數(shù)字化人機界面設計中讓某個細節(jié)需要引起操縱員的注意,就需要進行特別的設計,并在后續(xù)使用中加強培訓,才能提高操縱員的關注度。因此,在核電站數(shù)字化人機界面設計中,設計者就需要從操縱員的行為特性出發(fā),以避免操縱員的人因失誤為目標,來統(tǒng)籌設計數(shù)字化人機界面。設計者完成設計方案后,還應該依據(jù)設計方案設計調(diào)查問卷,再針對不同群體的操縱員進行調(diào)查,收集操縱員對設計方案的理解情況,還要調(diào)查操縱員的操作方便性等,目的就是使所設計的數(shù)字化人機界面可以讓操縱員更易于獲取全面的、綜合的信息,有利于操縱員快捷地處理操作任務。最后,設計者再根據(jù)操縱員的反饋意見來修改之前的設計方案[10]。

因此,在考慮人機界面設計時,一定要使所設計的數(shù)字化人機界面盡可能地減少操縱員的認知負擔[11],進而避免操縱員的人因失誤,同時盡可能在設計過程的開始就從操縱員的行為特性出發(fā),結(jié)合操縱員的操作習慣來兼顧數(shù)字化技術的應用。數(shù)字化人機界面的計算機功能和畫面設計更新需要采用人因工程的設計原則[12],這樣就能使得設計方案做到“以人為本”。

4 結(jié)束語

隨著數(shù)字化技術的不斷進步,數(shù)字化人機界面也在不斷發(fā)展,實現(xiàn)核電站數(shù)字化人機界面“以人為本”的設計也是需要不斷地完善。因此,核電站數(shù)字化人機界面設計需要充分調(diào)查不同操縱員群體的思維習慣和行為習慣[13],結(jié)合操縱員運行經(jīng)驗,采用人因工程的方法和工具,優(yōu)化數(shù)字化人機界面。

[1] 國家技術監(jiān)督局.GB 13630-1992核電站控制室的設計[S].北京:中國標準出版社,1992.

[2] 國家核安全局.HAF102-2004核動力廠設計安全規(guī)定[S].北京:國家核安全局,2004.

[3] 核工業(yè)標準化研究所.EJ/T 1143-2002核電站控制室設計功能分析與分配[S].北京:中國標準出版社,2002.

[4] Office of Nuclear Regulatory Research.NUEG-0700-2002 Humansystem interface design review guidelines[S].Washington DC:U. S.Nuclear Regulatory Commission,2002.

[5] 趙江洪,譚浩.人機工程學[M].北京:高等教育出版社,2006.

[6] 高小紅,裴忠誠.人機界面的發(fā)展歷程[J].水利電力機械, 2006,28(2):64-69.

[7] 核工業(yè)標準化研究所.EJ/T 1118-2000核電站控制室設計驗證和確認[S].北京:中國標準出版社,2000.

[8] 溫希祝.應用軟件系統(tǒng)人機界面設計的探討[J].貴州大學學報:自然科學版,2005,22(3):260-264.

[9] 王志方,谷鵬飛,張建波.數(shù)字化人機界面設計的人因工程問題分析[J].核科學與工程,2010,30(4):365-371.

[10] 國家能源局.NB/T 20058-2012核電廠控制室屏幕顯示的應用[S].北京:原子能出版社,2012.

[11] O'Hara J M.Human factor consideration in new and advanced NPPs[R].U.S.Nuclear Regulatory Commission.NUREG-79947-2008,2008.

[12] 國家核安全局.HAF J 0055-1995核電站控制室設計的人因工程原則[S].北京:國家核安全局,1995.

[13] 核工業(yè)標準化研究所.EJ/T 798-1993核電站控制室人機特性評價[S].北京:中國標準出版社,1993.

Design and Study on People-oriented Digitized HMI in NPP

In accordance with the features of huge amount and centralized information of digitized human machine interface(HMI)in nuclear power plant(NPP),the risks come from human factors are researched.With the design for digitized HMI of reactor coolant system(RCS)in Ling Ao Phase II NPP as example,the human errors are reduced through applying human factor engineering(HFE).The key elements in designing digitizing HMI are summarized and the design concept of people-oriented is proposed.The design of people-oriented digitized HMI enhances the effectiveness of operators and provides technical reference for subsequent design of HMI in NPP.

People-oriented Nuclear power plant(NPP) Digitized technology Human machine interface(HMI) Human factor engineering(HFE)

TK08

A

修改稿收到日期:2014-09-15。

張云波(1982-),男,2008年畢業(yè)于華北電力大學控制理論與控制工程專業(yè),獲碩士學位,工程師;主要從事核電廠儀控審評工作。