楊慶彧+楊穎策+白江斌

【摘 要】隨著數(shù)字化技術(shù)的發(fā)展，DCS系統(tǒng)在核電領(lǐng)域的應(yīng)用正處于上升的趨勢(shì)，控制室的信息顯示內(nèi)容和顯示方式發(fā)生了重大變化，有效地改善了人機(jī)接口。本文從數(shù)字化控制室人機(jī)界面設(shè)計(jì)原則、人機(jī)界面的詳細(xì)設(shè)計(jì)、顯示畫(huà)面設(shè)計(jì)以及畫(huà)面設(shè)計(jì)中的人因工程原則幾個(gè)方面進(jìn)行了描述。

【關(guān)鍵詞】數(shù)字化系統(tǒng)；人機(jī)界面；畫(huà)面；人因

1 數(shù)字化人機(jī)界面介紹

1.1 數(shù)字化人機(jī)界面概述

安全是核電存在和發(fā)展的基礎(chǔ)，一旦發(fā)生事故，不但造成重大的人員和經(jīng)濟(jì)損失，也會(huì)產(chǎn)生超出自身范圍的巨大社會(huì)負(fù)面影響。而主控制室是核電廠信息顯示、信息處理和控制中心，對(duì)保證核電廠可靠與安全運(yùn)行有著至關(guān)重要的作用。至今為止，所發(fā)生的重大核電事故，例如：三哩島、切爾諾貝爾核電站事故，經(jīng)論證都是人因失誤造成的[1]。兩次重大事故之后，世界各國(guó)在主控室設(shè)計(jì)方面都開(kāi)始考慮人機(jī)工程學(xué)因素。大量的核電工程實(shí)踐表明有效的控制室人因工程設(shè)計(jì)與友好的人機(jī)界面對(duì)減少人因失誤、提高核電廠的可利用率有積極的作用。因而，核電廠主控制室設(shè)計(jì)者在充分考慮電站功能的同時(shí)，更注重主控室人機(jī)界面的設(shè)計(jì)。

1.2 數(shù)字化人機(jī)界面設(shè)計(jì)的基本原則

為了滿足反應(yīng)堆的安全目標(biāo)和運(yùn)行目標(biāo)，一般采用以下的數(shù)字化人機(jī)界面的設(shè)計(jì)原則：

簡(jiǎn)潔：顯示畫(huà)面應(yīng)盡可能簡(jiǎn)單、清楚、易于理解，畫(huà)面涵蓋操縱員所關(guān)注的主要信息；

靈活和高效：運(yùn)行參數(shù)應(yīng)可以多種顯示方式，如模擬圖、參數(shù)表、趨勢(shì)曲線等，以適應(yīng)不同的監(jiān)測(cè)目的；

一致性：整個(gè)人機(jī)界面設(shè)計(jì)要保持畫(huà)面設(shè)計(jì)風(fēng)格一致性，包括圖形元素、標(biāo)志符號(hào)、顏色、閃光的使用應(yīng)保持一致，符號(hào)和標(biāo)注文字的大小應(yīng)保持一致；

美觀：注意顏色的選用和色彩搭配，保證顯示畫(huà)面清晰，避免視覺(jué)疲勞。

2 數(shù)字化人機(jī)界面的設(shè)計(jì)

2.1 總體描述

在主控室內(nèi)，每個(gè)操縱員站由以下設(shè)備組成：

帶操作系統(tǒng)的服務(wù)器；

多個(gè)多功能屏幕；

鼠標(biāo)、跟蹤球；

標(biāo)準(zhǔn)鍵盤(pán)；

當(dāng)操縱員登陸后，人機(jī)界面顯示默認(rèn)的畫(huà)面，屏幕的功能并未從技術(shù)上進(jìn)行限制，操縱員可根據(jù)需要對(duì)于各屏幕的功能進(jìn)行設(shè)置和選擇。

大屏幕位于主控室前方，顯示核電站狀態(tài)的重要參數(shù)。

2.2 操作功能描述

操縱員站的主要功能如下：

畫(huà)面功能

日志功能

報(bào)表

歷史趨勢(shì)顯示

在線記事本

計(jì)算

掛牌功能

計(jì)算機(jī)化規(guī)程顯示和操作

報(bào)警處理和顯示

I&C故障列表

維護(hù)功能

打印功能

權(quán)限管理等

2.3 人機(jī)接口

2.3.1 屏幕布置

操縱員站屏幕分成幾個(gè)子區(qū)域：

1）主面板區(qū)

對(duì)操縱員可用的系統(tǒng)信息

連接到相關(guān)人機(jī)界面功能的按鈕

連接到和操縱員相關(guān)的服務(wù)功能的按鈕

2）功能標(biāo)題區(qū)

功能標(biāo)題區(qū)可以顯示功能描述等信息。

3）功能對(duì)話區(qū)

每個(gè)功能都有各自的功能對(duì)話區(qū)。

4）畫(huà)面顯示區(qū)

顯示區(qū)用來(lái)顯示過(guò)程數(shù)據(jù)。

2.4 字體

中/英文字體符合標(biāo)準(zhǔn)要求，字體的大小基于人因以及操縱員和顯示器的距離等基于人因分析的結(jié)果得出。

2.5 數(shù)據(jù)時(shí)間格式

時(shí)間顯示格式：HH：MM：SS.mmm

日期顯示格式：YYYY-MM-DD

日期時(shí)間顯示格式：YYYY-MM-DD HH：MM：SS.mmm

2.6 顏色定義

1）報(bào)警級(jí)顏色定義

報(bào)警指示用顏色和閃爍來(lái)代表報(bào)警的不同級(jí)別和狀態(tài)，用不同顏色標(biāo)識(shí)不同報(bào)警級(jí)別。

2）趨勢(shì)曲線顏色

在同一副趨勢(shì)圖中最多可定義多條趨勢(shì)曲線，曲線色差滿足標(biāo)準(zhǔn)對(duì)于色差的要求。

3）介質(zhì)顏色

不同介質(zhì)采用不同的顏色定義，介質(zhì)主要有：

氣、油、濃縮物；水、蒸餾液；廢液，冷凝液；蒸汽；冷卻水等。

4）電路母線顏色

不同電路母線采用不同的顏色定義，母線電壓主要有：

500kV/220kV/24kV/220V（AC）；6.6kV（AC）；380V（AC）；230V（DC）；48-125V（DC）

3 顯示畫(huà)面設(shè)計(jì)

3.1 畫(huà)面布置設(shè)計(jì)原則

3.1.1 畫(huà)面布置原則

在畫(huà)面設(shè)計(jì)過(guò)程中，采用以下的原則：

1）在所有畫(huà)面上，圖形對(duì)象的相對(duì)位置要保持一致；

2）當(dāng)幾個(gè)不同的畫(huà)面中包含同樣的設(shè)備時(shí)，這些設(shè)備在不同畫(huà)面的相對(duì)位置要保持一致；

3）將畫(huà)面中的趨勢(shì)曲線對(duì)象優(yōu)先放在屏幕中于相關(guān)參數(shù)接近的位置；

4）盡量減少管道拐角和管道交叉。在必須交叉的情況下，沒(méi)有連接的管道需要跨越表示；主要管道和設(shè)備優(yōu)于次要管道和設(shè)備，水平方向管道優(yōu)于豎直方向管道；

5）根據(jù)運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)和習(xí)慣，對(duì)象位置的選擇應(yīng)該符合流體從左至右，從上至下的流動(dòng)方向，在可能引起混淆的地方應(yīng)添加箭頭來(lái)標(biāo)明流向；

6）為了保證顯示畫(huà)面的可讀性，對(duì)象之間應(yīng)該有充足的空間。

3.1.2 畫(huà)面連續(xù)性

當(dāng)同一個(gè)流程的功能被劃分在不同顯示畫(huà)面中時(shí)，應(yīng)該保證視覺(jué)效果的連續(xù)性。設(shè)計(jì)中可以通過(guò)兩種方法來(lái)實(shí)現(xiàn)：一是畫(huà)面之間保持部分重疊；同時(shí)采用合適的動(dòng)態(tài)導(dǎo)航鏈接。在畫(huà)面設(shè)計(jì)過(guò)程中應(yīng)保證采用合適的動(dòng)態(tài)導(dǎo)航連接，對(duì)于較重要系統(tǒng)的重要設(shè)備可以保持部分重疊。

3.2 數(shù)字化系統(tǒng)畫(huà)面的分類

數(shù)字化系統(tǒng)畫(huà)面分成：工藝過(guò)程系統(tǒng)畫(huà)面和綜合畫(huà)面等類型。

3.3 數(shù)字化系統(tǒng)畫(huà)面元素

顯示區(qū)域顯示的元素主要有可操作的動(dòng)態(tài)數(shù)字化元素、不可操作的動(dòng)態(tài)元素、無(wú)操作的動(dòng)態(tài)顯示元素以及靜態(tài)顯示元素幾類。

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：

主工藝管線

次工藝管線

輔助工藝管線

4 人機(jī)界面設(shè)計(jì)中貫徹的人因工程原則[2]

近幾年來(lái)儀表和控制采用系統(tǒng)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(guò)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(cè)信息，執(zhí)行非安全級(jí)設(shè)備的操作控制，人機(jī)界面變成了控制室人機(jī)接口最集中的地方。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)原則，設(shè)計(jì)友好的人機(jī)界面，減少人為失誤對(duì)實(shí)現(xiàn)反應(yīng)堆的安全和可靠運(yùn)行有重大意義。

人機(jī)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。

4.1 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)是恰當(dāng)組織畫(huà)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(huà)面中信息的多少。每一幅畫(huà)面中信息量過(guò)少，勢(shì)必導(dǎo)致畫(huà)面設(shè)計(jì)過(guò)多，信息過(guò)于分散；每一幅畫(huà)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)。每一幅畫(huà)面信息量過(guò)多，則加重了操縱員腦力和心理負(fù)擔(dān)。

4.2 人機(jī)功能分配最佳化

對(duì)相應(yīng)電站的全部運(yùn)行工況和事故工況進(jìn)行分析后，進(jìn)行任務(wù)分配，根據(jù)人、機(jī)的不同特點(diǎn)，確定最優(yōu)的人與機(jī)器的功能分配。人機(jī)功能的合理分配，提供了自動(dòng)化控制水平，減輕了操縱員負(fù)擔(dān)和體力消耗。

4.3 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(guò)視覺(jué)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。

4.3.1 色彩搭配

顏色環(huán)境會(huì)對(duì)人產(chǎn)生心理與生理的影響。操縱員長(zhǎng)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(duì)減輕操縱員心理負(fù)擔(dān)、減輕視覺(jué)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。

4.3.2 管線設(shè)計(jì)

詳細(xì)見(jiàn)本文3.4節(jié)。

4.3.3 符號(hào)設(shè)計(jì)

1）符號(hào)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(duì)顯示信息意義解釋的認(rèn)知要求。

2）符號(hào)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(duì)字符的觀察張角，制定了適合操縱員的最佳大小的圖符。

5 結(jié)論

數(shù)字化控制室的設(shè)計(jì)涉及一系列新的問(wèn)題和技術(shù)，數(shù)字化儀表控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和實(shí)施是一次有益的探索和實(shí)踐。對(duì)人機(jī)界面設(shè)計(jì)的驗(yàn)證和確認(rèn)工作正逐步展開(kāi)，通過(guò)驗(yàn)證和確認(rèn)及其后的實(shí)際使用和評(píng)價(jià)可以檢驗(yàn)人機(jī)界面對(duì)人因工程的復(fù)合程度，人-機(jī)功能分配的合理程度，以及各個(gè)顯示畫(huà)面的設(shè)計(jì)是否具有充分性、綜合性和易理解行，這些將為數(shù)字化人機(jī)接口設(shè)計(jì)積累寶貴經(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(guó)安全科學(xué)學(xué)報(bào)，2003，13（2）：50-53.

[2]曲榮紅，張良駒，李鐸，于暉.數(shù)字化反應(yīng)堆控制室人機(jī)界面的設(shè)計(jì)[C]//全國(guó)第四屆核反應(yīng)堆用核儀器學(xué)會(huì)會(huì)議論文集.

[責(zé)任編輯：丁艷]