董曉璐，孔 靜，劉景賓

（生態(tài)環(huán)境部核與輻射安全中心，北京 100082）

在核電站控制室中，操縱員通過人機(jī)接口與系統(tǒng)進(jìn)行交互以監(jiān)控機(jī)組。由于控制室對電廠運(yùn)行安全至關(guān)重要，所以，在設(shè)計時應(yīng)考慮操縱員與室內(nèi)設(shè)施交互的工作特點(diǎn)，使設(shè)計滿足人因工程（工效學(xué)）的要求，以減少人的失誤，保證系統(tǒng)安全有效的運(yùn)行?！逗藙恿S設(shè)計安全規(guī)定》（HAF 102—2016）和《核電廠控制室設(shè)計》（GB∕T 13630—2015）明確了人因方面的要求：在控制室設(shè)計中必須考慮工效學(xué)的因素［1,2］。

為了達(dá)到法規(guī)標(biāo)準(zhǔn)的要求，控制室布置和盤臺的設(shè)計需根據(jù)任務(wù)本身的要求，綜合考慮人體尺寸、人的動作范圍和視覺特征等人的客觀情況，并遵循一定的設(shè)計和評估方法。《在產(chǎn)品設(shè)計中應(yīng)用人體尺寸百分位數(shù)的通則》（GB∕T 12985—1991）規(guī)定了設(shè)計時應(yīng)用人體尺寸百分位的通則［3］。目前，我國主要的人體測量數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)有《中國成年人人體尺寸》（GB∕T 10000—1988）和工作空間人體尺寸（GB∕T 1357—1992），還有其他針對特定人群和特定產(chǎn)品（如工作座椅）的標(biāo)準(zhǔn)［4-6］。對于核電站控制室，IEC60964—2009（GB∕T 13630—2015）、IEEE10 23—2004（NB∕T 20061—2012）和NUREG 0700等標(biāo)準(zhǔn)導(dǎo)則都涉及與室內(nèi)布置和盤臺設(shè)計相關(guān)的內(nèi)容［2,7-10］。其中，GB∕T 13630—2015 中有關(guān)控制室設(shè)計的具體要求參考ISO 11064系列標(biāo)準(zhǔn)（GB∕T 22188系列轉(zhuǎn)化了一部分）［11,12］。其他領(lǐng)域也有相關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)導(dǎo)則，比如，電力行業(yè)《控制中心人機(jī)工程設(shè)計導(dǎo)則》（DL∕T 575）系列標(biāo)準(zhǔn)［13］，還有軍標(biāo)《軍事裝備設(shè)施的人機(jī)工程準(zhǔn)則》（GJB 2873—1997）［14］，《軍事裝備設(shè)施的人機(jī)工程設(shè)計手冊》（GJB∕Z 131—2002）是補(bǔ)充標(biāo)準(zhǔn)［15］。

目前，核電站的先進(jìn)控制室多采用數(shù)字化技術(shù)，操縱員主要使用屏幕、鼠標(biāo)和鍵盤與系統(tǒng)進(jìn)行交互。同時控制室內(nèi)也設(shè)置傳統(tǒng)的監(jiān)控設(shè)備，如緊急控制盤和后備盤等?？刂剖也贾煤捅P臺的設(shè)計工作有所減少，但重要性不減。實(shí)際的核電站控制室布置和盤臺設(shè)計仍存在一些問題，如缺少維修空間、工作站間距過近、臺面上空間不足、顯示偏小或距人過遠(yuǎn)、對應(yīng)的顯示與控制器相距過遠(yuǎn)，以及控制器選型太小、間距太近、距人過遠(yuǎn)或離盤臺的邊緣過近等。上述問題對核電站運(yùn)行效率和安全都存在不利影響。

本文針對核電站控制室的布置與盤臺設(shè)計，依據(jù)傳統(tǒng)工效學(xué)準(zhǔn)則，從人體尺寸、人的動作范圍和視覺特征等人的客觀情況出發(fā)，對相關(guān)的人因工程要求進(jìn)行綜述和探討。

1 核電站控制室布置與盤臺設(shè)計的參數(shù)

本節(jié)從控制室布置、工作站的設(shè)計到具體的信息顯示和手動控制器的設(shè)計幾個方面，對與控制室布置及盤臺設(shè)計相關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)、設(shè)計參數(shù)和工效學(xué)要求進(jìn)行闡述，如圖1所示。

圖1 控制室布置與盤臺設(shè)計的內(nèi)容結(jié)構(gòu)Fig.1 The structure of contents for the layout of control rooms and workstation design

1.1 控制室布置

控制室布置對操縱員的影響主要體現(xiàn)在設(shè)備設(shè)施的布局對觀察、交流、行動和可達(dá)性的影響，控制室布置應(yīng)能支持上述活動?？刂婆_（或桌子）與人員背面的物體之間的距離應(yīng)足夠，以保證操作人員可以自由起坐和轉(zhuǎn)動椅子。若考慮維修和測試的需求，這個間距應(yīng)更大一些。單人工作的單側(cè)的操作盤需留有約1.2 m寬的空間。多人同時工作和相對布置的操作盤則需留有約2.4 m 的間距［10,16］?？刂剖以O(shè)計應(yīng)保證一定的走道寬度，以方便人員通過和座椅移動。其他設(shè)備，如電話、規(guī)程柜等的布置，也應(yīng)考慮其相對于工作站的位置。

1.2 工作站

在控制室內(nèi)，操縱員通過工作站執(zhí)行任務(wù)。工作站的類型包括站姿控制臺、坐姿控制臺、坐站工作站和垂直面板。重要的設(shè)計內(nèi)容包括高度、斜面的角度和深度、控制器的位置、顯示器的位置、工作站或控制臺上控制器和顯示器的橫向擴(kuò)展，以及容納腿與腳的空間［10］。

由于操縱員需要越過控制臺頂端看后面的信息，設(shè)計需限制臺高。對于站姿控制臺，最高臺高以女性第5 百分位的站姿眼高進(jìn)行計算。對于坐姿控制臺，最高臺高應(yīng)以女性第5百分位的坐姿眼高來計算，如圖2所示。若只需要監(jiān)視狀態(tài)而非讀取信息，且需要監(jiān)視的內(nèi)容處于合適位置，臺高也可增加。

站姿控制臺上控制器分布的高度范圍由站姿肩高和手臂的功能性伸展范圍計算得到。上限由女性第5百分位的數(shù)據(jù)計算得到，下限由男性第95 百分位的數(shù)據(jù)計算得到。在豎直面上，控制器可布置的最高高度也與控制臺斜面的深淺有關(guān)。如果控制臺斜面比較淺，肩膀的參考點(diǎn)能更靠近豎直盤，控制器可布置得高一些，反之，則低一些，如圖2和圖3所示。坐姿控制臺控制器分布的高度范圍使用坐姿肩高和手臂功能性伸展范圍的數(shù)據(jù)計算。控制臺斜面的傾斜角與深度的設(shè)計需要保證所有的控制都處在第5百分位女性手臂可及的半徑范圍之內(nèi)，如圖2 和圖4 所示。為了防止手在臺邊時誤碰控制器，控制器距控制臺邊緣的最小距離的確定可考慮第95 百分位食指長度，《核電站控制室設(shè)計的人因工程原則》（HAF·J 0055）建議此值為8 cm［16］。而控制器距控制臺邊緣最大距離的確定需考慮第5百分位女性手臂的最大可及距離。

對于一個單人工作的站姿控制臺，控制器和顯示器的最大橫向展開寬度不宜過大，以盡量減少完成任務(wù)所需的移動（移動的情況也與控制和顯示的布局有關(guān)）。最大橫向展開寬度可根據(jù)步長和前臂的功能伸長來估計。對于坐姿控制臺，在一定任務(wù)序列的要求下，控制器和顯示器的布置還與盤臺的方位、顯示與控制器的分組、座椅位置及可調(diào)整的范圍有關(guān)。對于需要進(jìn)行持續(xù)或精細(xì)控制的活動，操縱員應(yīng)不用屈身∕伸展就能觸及相關(guān)的控制器。另外，根據(jù)需要，控制臺上還需留出書寫和置物的空間。

圖2 工作站設(shè)計涉及的主要的人體尺寸［4,5］Fig.2 Major human body dimensions related to workstation design［4,5］

當(dāng)操縱員既需要機(jī)動性來監(jiān)視大盤面，又需要進(jìn)行較長時間的穩(wěn)定而精細(xì)任務(wù)時，可以采用坐站工作臺。其上的控制和顯示器的布置要求與站姿控制臺相同。座椅需要設(shè)置得比較高，以保證操縱員坐在椅子上時，眼高與站姿眼高相近。設(shè)計還需為膝蓋留下空間，并給腳提供支撐。

對于垂直面板，控制器分布的范圍可由手臂的可及范圍確定，上限和下限分別由女性第5 百分位與男性第95 百分位的數(shù)據(jù)確定。需要進(jìn)行頻繁與精細(xì)操作的控制器以及緊急控制的位置由手臂的功能性伸展范圍和視野決定。

1.3 信息顯示

圖3 站姿控制臺控制器分布的高度范圍［10］Fig.3 The control height for stand-up consoles［10］

圖4 坐姿控制臺控制器分布的高度范圍［10］Fig.4 The control height for sit-down consoles［10］

針對信息顯示的設(shè)計、驗證與確認(rèn)，需要考慮視角、視距、入射角、視野和視區(qū)的相關(guān)要求。視角是識別對象對觀察點(diǎn)形成的張角，視距是識別對象與操作者眼睛之間的距離。能否正確識別觀察對象的決定條件是視角，觀察距離增大時，應(yīng)增大相應(yīng)字符的尺寸，如圖5所示［13］。在盤面、顯示器及大屏幕上顯示字符時，設(shè)計需要根據(jù)使用時的視距采用滿足要求的大小。

圖5 字符的視覺識別［13］Fig.5 The identification of characters［13］

入射角是視線與顯示屏幕表面法線之間的夾角，觀察者應(yīng)盡可能垂直地觀察顯示器。設(shè)計應(yīng)參考人的工作位置以及顯示面的位置和方向，如圖6所示。在視覺信號的布置上，作業(yè)視區(qū)（良好視區(qū)、有效視區(qū)和條件視區(qū)）的特點(diǎn)以及使用者的姿態(tài)可對重要和需要頻繁或連續(xù)監(jiān)視信息的布置產(chǎn)生影響。具體準(zhǔn)則見表1。

除此以外，在盤臺的具體設(shè)計中，信息顯示還涉及標(biāo)簽設(shè)置、儀表盤設(shè)計、顏色配置、指示燈設(shè)計（亮度和閃爍）、聽覺編碼和信息分組等方面的內(nèi)容。其設(shè)計也需滿足相應(yīng)的準(zhǔn)則［10］。

圖6 入射角示意圖［13］Fig.6 Illustration of viewing angle［13］

表1 標(biāo)準(zhǔn)中與信息顯示相關(guān)的準(zhǔn)則Table 1 Guidelines in standards related to information display

1.4 手動控制器的設(shè)計

在數(shù)字化控制室中，操縱員主要使用鍵盤、鼠標(biāo)對核電站進(jìn)行控制。但核電站控制室內(nèi)也保留了傳統(tǒng)的控制器，如后備盤和緊急控制盤上的按鈕?？刂破靼ㄨ€匙開關(guān)、拇指輪、旋鈕、曲柄、手輪、按鈕和鍵盤等，相關(guān)參數(shù)包括尺寸、位移、間距和阻力等。GJB 2873—1997、NUREG 0700 和GJB∕Z 131—2002等標(biāo)準(zhǔn)都提供了詳細(xì)的設(shè)計指南［10,14,15］。這些設(shè)計指南保證了控制器的尺寸、間距、阻力和位移能夠適應(yīng)人手的尺寸和力量，符合人的預(yù)期，便于操作，減少失誤。

2 討論

根據(jù)GB∕T 12985—1991、GB∕T 10000—1988和GB∕T 1357—1992的內(nèi)容，核電站控制室的設(shè)計一般采用男女通用的產(chǎn)品設(shè)計原則，選擇男性第95 百分位與女性第5 百分位人體尺寸作為上下限的依據(jù)。由于標(biāo)準(zhǔn)中的人體尺寸為裸體測量值，并且在測量時軀干為挺直姿勢，而在正常工作時，人穿著衣物且姿態(tài)不同，因此，設(shè)計時除了需要考慮人體尺寸百分位數(shù)，也需要考慮功能修正量，包括衣、穿鞋、姿態(tài)和心理修正量［3-5］。

在目前采用的標(biāo)準(zhǔn)中，與顯示相關(guān)的準(zhǔn)則大都來自對字母文字的研究。為了能夠清晰辨認(rèn)和正確理解筆畫數(shù)目更多、結(jié)構(gòu)更復(fù)雜的漢字，人們需更大的視角。根據(jù)《飛機(jī)電∕光顯示器漢字和用語》（GJB 302—1987），漢字大小應(yīng)與顯示器的分辨率要求成比例，一般不應(yīng)小于24′［17］。《使用基于平板視覺顯示器工作的人類工效學(xué)要求第2 部分：平板顯示器的人類工效學(xué)要求》（GB∕T 20528.2—2009）（等同采用ISO 13406-2—2001）規(guī)定亞洲字符最小為25′［18,19］。目前，自主設(shè)計將會更多地采用中文母語進(jìn)行信息呈現(xiàn)，所以，設(shè)計應(yīng)注意漢字和漢語的特點(diǎn)，以保證信息的易辨識和易讀性。

核電站控制室布置與盤臺的實(shí)際設(shè)計存在一些限制因素，如空間、設(shè)備和工藝等。因此，設(shè)計人員還要考慮維修、改造或新增設(shè)施。同時設(shè)計特征之間也存在關(guān)聯(lián)，這些都會影響最終的結(jié)果。設(shè)計人員可采用二維或三維模型確定各設(shè)計特征之間的關(guān)系，以便在早期確定合適的方案。在工作站布置單個或多個顯示器時，設(shè)計人員則需要考慮使用者的姿態(tài)、顯示內(nèi)容的展開寬度和顯示屏的尺寸［2］。對于擁有顯示和控制功能的觸摸屏，設(shè)計人員不僅要考慮視覺信號的顯示和手臂的可及范圍，還需要考慮使用者的手部尺寸和使用習(xí)慣，并結(jié)合觸屏本身的特性進(jìn)行設(shè)計。

3 結(jié)語

本文從控制室布置、工作站的設(shè)計到具體的信息顯示和手動控制器的設(shè)計幾個方面綜述了與控制室布置與盤臺設(shè)計相關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)，總結(jié)了主要的設(shè)計參數(shù)和人因工程準(zhǔn)則，并討論了在相關(guān)人機(jī)接口設(shè)計中需注意的問題。在以人為中心的設(shè)計理念下，人因工程的分析、驗證和確認(rèn)等活動貫穿了人機(jī)接口設(shè)計的整個過程。設(shè)計人員在不同階段對設(shè)計原型進(jìn)行檢查，可以確認(rèn)設(shè)計是否能滿足人因工程準(zhǔn)則和使用需求。若有不符合的情況，則設(shè)計人員需要進(jìn)行分析和調(diào)整?？刂剖也贾门c盤臺設(shè)計是核電站控制室人因工程設(shè)計和評估的一部分，相關(guān)的思想和理念與其他人機(jī)接口和工作環(huán)境的設(shè)計相通［20］。希望本文的相關(guān)探討能為核電站控制室人機(jī)接口的設(shè)計和評估活動提供參考和幫助。