基于人因工程的船用核動力裝置主控室設(shè)計(jì)

陳鋒　趙新文　晏峰

摘 要：該文基于人因工程介紹了船用核動力裝置主控室的設(shè)計(jì)原則和設(shè)計(jì)思路，提出了以人因工程原則為指導(dǎo)的主控室設(shè)計(jì)流程圖，從功能需求分析、功能分配和功能分配的驗(yàn)證與確認(rèn)三個(gè)方面詳細(xì)分析了主控室功能設(shè)計(jì)過程，最后闡述了主控室主體設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)當(dāng)注意的人因相關(guān)因素，其中重點(diǎn)關(guān)注了工作空間、工作環(huán)境和人機(jī)界面三方面因素。

關(guān)鍵詞：船用核動力裝置 人因工程 主控室

中圖分類號：TL364 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1674-098X（2015）11（b）-0087-03

人因工程學(xué)在核能領(lǐng)域應(yīng)用較晚，但在發(fā)生了美國三哩島和前蘇聯(lián)切爾諾貝利核事故以后，世界各有核國家均深刻體會到人因因素在核事故中所起到的作用，并積極對核電站人因事件開展了一系列研究。國外學(xué)者主要針對核電站團(tuán)隊(duì)協(xié)作過程中人因事件、人因事件評估方法和人機(jī)界面人因問題等方面進(jìn)行了深入研究[1-2]，而我國研究人員則更加重視核電站主控室相關(guān)的人因問題[3-4]。船用核動力裝置主控室是集人、機(jī)器和環(huán)境于一體的大型復(fù)雜系統(tǒng)，屬技術(shù)密集型實(shí)體，擔(dān)負(fù)著保障核動力裝置正常和事故工況下安全運(yùn)行的重要使命，有必要提高動力控制中心的環(huán)境舒適性，增強(qiáng)人機(jī)交互能力，最大限度地發(fā)揮系統(tǒng)的使用效能。

1 主控室設(shè)計(jì)原則及思路

1.1 主控室的設(shè)計(jì)原則

動力控制中心是船用核動力裝置的核心部位，關(guān)系著核動力裝置的安全可靠運(yùn)行與控制。為了使操縱員在動力控制中心能夠有效工作，必須使人操作及觀察各種設(shè)備儀器時(shí)符合人的生理特點(diǎn)，同時(shí)兼顧操作環(huán)境的舒適性和設(shè)備界面的合理性。

1.1.1 與人體有關(guān)的設(shè)計(jì)原則

對于與身體尺寸有關(guān)的設(shè)計(jì)，應(yīng)當(dāng)遵循操縱臺高度應(yīng)適合于操縱員的身體尺寸及所要完成的工作類型， 座位裝置應(yīng)置于臺前合適位置，應(yīng)為身體活動提供足夠的空間，各種操縱開關(guān)應(yīng)布置在人的活動范圍內(nèi)。對于與身體姿勢有關(guān)的設(shè)計(jì)，應(yīng)當(dāng)遵循操縱員應(yīng)能交替采用坐姿和立姿，坐姿優(yōu)于立姿；身體姿勢不應(yīng)由于長時(shí)間的靜態(tài)肌肉緊張而引起疲勞，應(yīng)該可以變換身體姿勢；對于與身體動作有關(guān)的設(shè)計(jì)，應(yīng)當(dāng)遵循操縱員能夠在身體動作間保持良好的平衡，動作的幅度、強(qiáng)度、速度和節(jié)拍應(yīng)互相協(xié)調(diào)。

1.1.2 與界面有關(guān)的設(shè)計(jì)原則

界面設(shè)計(jì)應(yīng)適合人的感受特性，尤其應(yīng)注意下列各點(diǎn)。

（1）界面上信號和控制按鈕的種類和數(shù)量應(yīng)符合任務(wù)需要；（2）當(dāng)信號和控制按鈕數(shù)量很多時(shí)，應(yīng)該對各信號和控制按鈕的放置位置和排列次序進(jìn)行合理安排；（3）信號顯示和控制按鈕類別應(yīng)保證清晰易辨，尤其是對危險(xiǎn)信號和有重要控制功能的按鈕；（4）信號顯示的變化速率和方向應(yīng)與主信息源變化的速率和方向相一致；（5）在以觀察和監(jiān)視為主的長時(shí)間工作中，應(yīng)通過信號和顯示器的設(shè)計(jì)與布置來避免過載及負(fù)載不足的影響。

1.1.3 與環(huán)境有關(guān)的設(shè)計(jì)原則

工作環(huán)境的設(shè)計(jì)應(yīng)保證工作環(huán)境中的物理、化學(xué)和生物學(xué)條件對操縱員不產(chǎn)生有害的影響，同時(shí)應(yīng)關(guān)注操縱員心理健康水平和工作舒適度，對于工作環(huán)境應(yīng)特別注意以下各點(diǎn)：

（1）工作場所的大小應(yīng)適當(dāng)；（2）應(yīng)當(dāng)根據(jù)室內(nèi)工作人數(shù)、耗氧設(shè)備位置、所涉及體力勞動強(qiáng)度、污染物產(chǎn)生情況和熱條件等調(diào)整控制中心空間布局；（3）照明應(yīng)為所需的活動提供最佳的視覺感受，同時(shí)一定要做好照明和報(bào)警信號之間的協(xié)調(diào)；（4）聲學(xué)工作環(huán)境應(yīng)避免有害或擾人的影響；（5）傳遞給人的振動和沖擊不應(yīng)引起肉體損傷，以及生理和病理反應(yīng)或感覺、運(yùn)動神經(jīng)系統(tǒng)失調(diào)；（6）應(yīng)避免工作暴露于危險(xiǎn)物質(zhì)及有害輻射的環(huán)境中。

1.2 主控室設(shè)計(jì)思路

主控室人因設(shè)計(jì)主要包含兩大塊內(nèi)容，分別為功能設(shè)計(jì)和主體設(shè)計(jì)，其中功能設(shè)計(jì)是指以船用核動力裝置安全可靠運(yùn)行為總目標(biāo)，基于主控室功能需求分析合理分配人和機(jī)器分擔(dān)任務(wù)，并對系統(tǒng)整體功能是否能夠滿足設(shè)計(jì)概念進(jìn)行核準(zhǔn)；主體設(shè)計(jì)是指根據(jù)功能設(shè)計(jì)結(jié)果對設(shè)備空間布局、人機(jī)交互界面、主控室工作環(huán)境等進(jìn)行總體設(shè)計(jì)。主控室系統(tǒng)設(shè)計(jì)流程如圖1所示。

2 船用核動力裝置主控室功能設(shè)計(jì)

在早期階段，船用核動力裝置主控室內(nèi)設(shè)備眾多且分屬于不同系統(tǒng)，主控室內(nèi)所布置設(shè)備通常由各分系統(tǒng)設(shè)計(jì)師決定，無集成化概念，增加了不能及時(shí)響應(yīng)或誤操作等情況發(fā)生的概率。為減少人為原因造成的損失，需要根據(jù)人和機(jī)器的特點(diǎn)，對主控室功能進(jìn)行合理分配。

2.1 功能需求分析

功能需求分析是指為了實(shí)現(xiàn)船用核動力裝置運(yùn)行的總目標(biāo)，對正常工況、瞬態(tài)工況及事故工況3種工況下主控室內(nèi)的功能需求進(jìn)行分析，同時(shí)在需求分析時(shí)應(yīng)當(dāng)將確保核動力裝置核安全作為首要需求。為完成運(yùn)行總目標(biāo)，可以先將主控室的功能按系統(tǒng)分解為多個(gè)子功能，并明確各個(gè)子功能間的相互關(guān)系，同時(shí)制定一定的數(shù)據(jù)、信息交互規(guī)則，便于各子功能能夠有序順利實(shí)施。通常情況下，若某一個(gè)功能不需再分解或已滿足運(yùn)行參數(shù)和執(zhí)行裝置的要求時(shí)，就認(rèn)為功能為最小子功能，在此基礎(chǔ)上定下各功能模塊的信息流和處理要求。

2.2 功能分配

功能分配是指在功能需求分析基礎(chǔ)上，依據(jù)各功能特點(diǎn)（重復(fù)性、創(chuàng)新性和突發(fā)性等），在人和機(jī)器之間進(jìn)行任務(wù)分配的過程。功能分配首先要對各子功能進(jìn)行功能劃分，把有關(guān)聯(lián)的子功能分到同一組，并作為同一單元處理。然后確定分配規(guī)則，分配規(guī)則既包括分配給人或機(jī)器的規(guī)則，同時(shí)還包括就近手動控制或遠(yuǎn)距離手動控制的規(guī)則。在將功能進(jìn)行遠(yuǎn)距離手動控制或就近手動控制時(shí)，需要充分相關(guān)功能設(shè)備可達(dá)時(shí)間，遠(yuǎn)距離網(wǎng)絡(luò)通信是否暢通，設(shè)備操控的難易程度等一系列問題[5]。

2.3 功能驗(yàn)證與確認(rèn)

在完成功能需求分析和功能分配步驟后，為保證分配方案的合理性，需要對人、機(jī)分配結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證。關(guān)于主控室內(nèi)功能驗(yàn)證與確認(rèn)的具體實(shí)施內(nèi)容可參見文獻(xiàn)[6]。

3 船用核動力裝置主控室的主體設(shè)計(jì)

3.1 主控室工作空間設(shè)計(jì)

船用核動力裝置主控室相對于陸上核電廠主控室而言最大的特點(diǎn)在于空間有限，但布置于其內(nèi)的系統(tǒng)設(shè)備卻多達(dá)幾十多臺套，此時(shí)為了給操縱人員提供充足的操作空間以及舒適的工作環(huán)境，必須結(jié)合操縱員行為特點(diǎn)（長時(shí)間坐姿操作）、操縱員舒適度（坐姿優(yōu)于站姿）和操縱可達(dá)性等人因工程問題，對各系統(tǒng)設(shè)備空間布置進(jìn)行合理規(guī)劃。

3.2 主控室工作環(huán)境

動力控制中心的環(huán)境布置設(shè)計(jì)主要包括光照環(huán)境、色彩環(huán)境、室內(nèi)微氣候環(huán)境等因素。根據(jù)動力控制中心空間及設(shè)備布置，進(jìn)行照明光源布局優(yōu)化設(shè)計(jì)；對整體動力控制中心進(jìn)行環(huán)境色彩設(shè)計(jì)，使得整體色彩環(huán)境協(xié)調(diào)、美觀、大方；對室內(nèi)微氣候環(huán)境進(jìn)行嚴(yán)格要求，包括空氣的濕度、溫度、清潔度、氣流等，以提高操縱員的舒適性。

3.3 主控室人機(jī)界面的設(shè)計(jì)

人機(jī)界面作為操縱員操縱回路系統(tǒng)的主要媒介，它能夠給操縱員提供核動力裝置運(yùn)行狀態(tài)以及與安全性相關(guān)的重要參數(shù)。人機(jī)界面色彩豐富、顯示儀表眾多、操作控制開關(guān)及按鈕也較多，同時(shí)較多的顯示儀表具有彩色發(fā)光功能，且具有多塊液晶顯示屏用于顯示復(fù)雜的運(yùn)行控制信息，因此需要重點(diǎn)人機(jī)界面進(jìn)行優(yōu)化布置。

3.3.1 視覺搜索及臺面視覺關(guān)注度

綜合顯控臺的操縱員在執(zhí)行任務(wù)過程中，90%以上的信息來源于視覺信息，包括多塊液晶顯示屏畫面及眾多參數(shù)顯示儀表，這些視覺信息需由操縱員的視覺感知器官得到，操縱員完成這一過程的最初階段則是視覺搜索。研究發(fā)現(xiàn)，顏色特征對視覺搜索的影響最大，因此將需要重點(diǎn)觀察的顯示儀表及參數(shù)畫面配上識別度較高的顏色特征。同時(shí)運(yùn)動的刺激也更易被視覺搜索捕捉到，而受到關(guān)注，因此可以對需要重點(diǎn)觀察的參數(shù)畫面配上運(yùn)動信息，或?qū)︼@示儀表配上閃爍發(fā)光的效果。

3.3.2 操縱員信息處理機(jī)制研究

根據(jù)認(rèn)知心理學(xué)，可以將人看作為信息處理系統(tǒng)。人對外界接收的信息進(jìn)行識別、記憶、比較、判斷后，發(fā)出相應(yīng)的操作指令[7]。不同于計(jì)算機(jī)信息處理系統(tǒng)，人為失誤和出錯(cuò)是人的一個(gè)弱點(diǎn)。基于此有效避免人為失誤是重點(diǎn)考慮方面，包括采取防失誤保護(hù)措施，提供優(yōu)良的人機(jī)界面，提供適宜的照明、低噪聲環(huán)境等。

3.3.3 巨量信息與有限顯示研究

綜合顯控臺，包括核動力裝置運(yùn)行的海量參數(shù)信息，同時(shí)需要對眾多系統(tǒng)和設(shè)備完成操縱控制。但限于臺面的有限空間，只能對需要重點(diǎn)觀察及操控的信息布置相關(guān)顯示儀表及操控開關(guān)、按鈕。同時(shí)限于有限的幾個(gè)顯示屏，眾多畫面不能同時(shí)全部顯示，只能有選擇地同時(shí)顯示部分信息，較重要的優(yōu)先顯示，其他信息通過畫面切換來調(diào)閱。

4 結(jié)語

船用核動力裝置主控室人因工程設(shè)計(jì)是主控室設(shè)計(jì)的重點(diǎn)，文章首先介紹了主控室設(shè)計(jì)原則，以流程圖的形式明確了主控室設(shè)計(jì)思路；其次從功能需求分析、功能分配和功能分配的驗(yàn)證與確認(rèn)三個(gè)方面詳細(xì)分析了主控室功能設(shè)計(jì)過程；最后闡述了主控室主體設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)當(dāng)注意的人因設(shè)計(jì)相關(guān)因素，其中重點(diǎn)關(guān)注了工作空間、工作環(huán)境和人機(jī)界面三方面因素。

參考文獻(xiàn)

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