基于人因工程的核電站人機界面設計

楊穎策　楊慶彧

【摘 要】隨著科技的發展，人因工程已經融入到現代核電站設計的各個領域，尤其在主控室畫面設計時需要考慮人的因素，以減輕操縱員負擔，減少操縱員失誤。本文基于人機接口設計審查導則NUREG-0700和NUREG-0711，介紹畫面設計中應遵循的原則，并依據此原則進行了核電廠數字化畫面設計研究，為畫面設計和人因結合提供一定的借鑒。

【關鍵詞】人因工程；核電站；人機界面

0 概述

隨著科技的發展，人因工程已經融入到現代核電站設計的各個領域，數字化的人機界面給操縱員提供了友好的交互平臺，卻在一定程度上也給操作人員增加了負擔，引發了一些新的人因失誤。一旦核電廠發生安全事故，后果將不堪設想，不僅會造成巨大的經濟損失，而且也會對國家及社會產生不良影響。不合理的人機界面設計是導致人因失誤的主要原因，因此，良好的人機界面設計是減少人因失誤，防止核電事故發生的重要保障。[1]在具有準確的信息指示和正確的操作功能前提下，可根據人因工程要求，由功能任務分析后確定人機界面的具體類型，并使得設計具有更高的靈活性，通過操縱員與控制對象以及儀控系統三者的有機結合，實現核電廠高效、可靠的運行控制。

1 人因工程設計原則及步驟

根據NUREG-0711要求，在人機接口設計過程中需要遵循計劃、分析、設計、驗證和確認、實現與運行5個階段，由于本文重點介紹基于人因工程的人機界面設計，因此此處重點介紹人機接口設計有關分析和設計兩部分內容。

要進行人機界面設計，必須完成功能分析和相應的任務分析，而功能分析和任務分析的基礎來源于系統手冊（系統的工能，特性，設備說明，運行參數）、邏輯圖、模擬圖等。將工藝要求的操作和顯示拆分解成若干功能，同時將每個功能拆分成若干的任務，每個任務會對單個或多個設備進行操作，畫面的布局在參考流程圖的同時要考慮到功能分析的結果，設備的具體操作則應充分考慮任務分析的結果。[2]

在完成功能分析、任務分析后，可以開始進行畫面設計，包括：

1）工藝流程進行切割、分配；

2）確定管線的粗細；

3）確定管線顏色等；

4）依據邏輯圖、模擬圖、IO清單、設定值等，確定設備的在畫面上的具體顯示形式， 選取正確的圖標。

依據以上流程初步完成畫面的分割，畫面信息的正確顯示，完成畫面的初步設計，然后通過設計的V&V活動將設計結果和標準以及設計文件進行核對，完成設計的V&V，并在相應的平臺上對畫面設計進行驗證，將設計錯誤及工藝中存在不足進行修改，優化畫面設計，畫面文件中應包含畫面上所有元素的詳細顯示、控制等參數的列表。

2 人因原則的應用

國內核電廠的人因工程設計起步較晚，相關的法規標準也不是非常完善。目前采用Nureg0700，Nureg0711標準進行設計和審評，Nureg0700作為人機接口設計導則，很好的指導了畫面設計。結合Nureg0700，界面的設計從以下幾點著重考慮人因工程原則和運動的實施。[3]

2.1 提供最佳數量的信息

總結以往核電站運行經驗，不是控制室給出的信息越多越好。數字化人機界面設計中，最重要的任務是組織畫面，既要保證整個工藝系統顯示的完整性，又要注意在每一幅畫面中信息的多少。信息量過少，勢必導致畫面設計過多，信息過于分散；畫面單調，操縱員關注程度降低，不利于掌握系統狀態。信息量過多，則加重了操縱員腦力和心理負擔。

依據Nureg 0700 1.5-8，對于圖形畫面密度在25%-50%之間最合適。

2.2 人機功能分配最佳化

Nureg0700 1.5中對人機功能分配進行了分組定義，具體要求如下：

1）任務：對操縱員任務有用的信息需要組合在一起。

2）順序排列： 畫面信息應按順序排列，從左至右或上至下。

3）頻率：使用頻率高的信息，應該在頂部或其他一些預先設定的位置進行顯示。

4）數據比較：當用戶必須分析一組數據來辨別相似性、差異性、趨勢性和關系時，應將相似的數據組合在一起，提高它們的可讀性，并且可以突出顯示不同組間的關系。分組可以幫助操縱員進行信息識別。

5）重要性：特別重要的信息應該放置在頂部或其他一些預先設定的位置上。

6）功能：當某些信息與極其重要的系統及功能有關聯時，這些信息應該顯示在畫面上幫助說明這些關系，有利于操縱員進行分析。

7）字母數字或時間順序：當信息或數據沒有按照一定的原則進行分組時，應按照字母順序或按時間順序分組。

3 人-機-環境整體設計

把人-機-環境作為一個整體，在人因工程學研究指導下進行系統化設計，在數字化控制室中，操縱員通過視覺器官接收信息，因此人機界面中符號、顏色等信息的顯示應具有可理解性、一致性慣例。

3.1 色彩搭配

在Nureg0700中對VDU的顏色對比度進行了定義，在顏色選擇中圖標和背景色的對比要鮮明，如在淺色背景上要用深色的字體等。

顏色環境會對人產生心理與生理的影響。操縱員長時間在控制室里監視反應堆運行，完成工藝系統的操作，需要在緊急情況下迅速做出決策，因此為操縱員創造一個良好的工作環境，選用適宜的色彩對減輕操縱員心理負擔、減輕視覺疲勞及舒緩工作壓力有一定作用，因此人機界面的設計遵循核反應堆中的法規和設計準則，而且要合理地運動色彩。

根據電站中所要用到的顏色，并對相關顏色的搭配進行了HFE分析，確認其滿足相關HFE原則后，進行了相關顏色定義：包括介質顏色（冷卻水、疏水、水蒸汽、氣、油、濃縮物、廢物、冷凝液等）、電路母線顏色（交流電、交流電）、報警信號（紅色/黃色/綠色/白色/紫色報警等）以及趨勢曲線顏色的定義等。

3.2 符號/字體設計

1）符號/字體的形式

采用工程標準標識符號的計量單位，基本與系統流程圖保持一致，減少操縱員對顯示信息意義解釋的認知要求。

NUREG-0700 1.3.4中詳細了符號的選取應該能代表目標或動作的特性，我們在此基礎上建立了畫面設計的圖庫。

2）符號/字體大小

按照人因工程原則，顯示字符的大小應考慮在規定的視距內，人眼對字符的觀察張角最小為16，最佳為20-22，最大為24，視覺距離一般為400-700mm之間，如果采用大小為19英寸，分辨率為1280*1024的平板顯示屏，按照NUREG-0700標準1.3.1-4要求。

計算字高為：

Height=6.283D（MA）/21600

-MA：弧度

-D： 操縱員與屏幕的距離

依據以上公式，建議字高最少為2.83mm，推薦使用9-12號字體。

3.3 設備

按照設備可操、不可操、無操、靜態元素分類，建立了符合電站的圖庫體系。

3.4 管線尺寸

工藝流程圖中按不同的特點分為以下三種不同線寬的管線類型：

1）粗線（2.16PT）用于可控動態設備、主要工藝管線以及主要供電管線等。

2）中線（1.2PT）用于分支管線以及一些構造線等。

3）細線（0.72PT）用于設備或數顯的反饋（如發生故障或操作確認）外框等。

管線尺寸的定義滿足Nureg-0700標準1.3.7的定義。

4 結論

核電廠主控室的主要任務是監控核電廠的運行狀態，保證核電廠處于安全有效的運行狀態。近幾年來儀表和控制采用數字化技術使得顯示內容和顯示方法與以往采用的模擬式儀器儀表相比發生極大變大，操縱員通過人機界面獲得有關反應堆輔助系統運行工況的監測信息，執行非安全級設備的操作控制。就目前來說，人機界面評價已發展成為人因工程研究領域的熱點問題，它可以實現核電廠主控室操作人員、機器、環境三者之間的相互協作，確保工作人員能夠舒適、安全、高效地實施操作行為。因此，在人機界面的設計中適度運用人因工程學，設計友好的人機界面，減少人為失誤，對實現反應堆安全和可靠運行有重大意義，為人機畫面設計積累了寶貴的經驗。

【參考文獻】

[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].中國安全科學學報，2003，13（2）：50-53.

[2]楊慶彧.核電廠數字化系統人機界面的設計[J].科技世界，2014（9）.

[3]馮燕，張云波，王忠秋.核電廠人因工程人機接口設計的探討[J].核安全，2012（1）.

[責任編輯：楊玉潔]