基于人机界面发展的核电站控制室设计

谷鹏飞，倪 莹，陈卫华，于溯源

（1.清华大学 核能与新能源技术研究院，先进核能技术协同创新中心，北京 100084；2.中广核工程有限公司设计院，广东 深圳 518124；3.上海交通大学，上海 200240）

控制室是核电站的监控中心，其主要功能是在各种运行工况下对全厂正常和异常状态的检测和控制，保障核电站安全、有效运行［1］。广义的控制室系统包括人机接口工作站、控制室工作人员、操作规程、培训大纲和相关的设施或设备的总体，它们共同维持控制室功能的正确执行［2-3］。本文所指的控制室系统主要包括核电站主控制室、应急中心和技术支持中心。

核电站控制室发展历程主要分为3 个阶段：20世纪50—70年代，基于模拟技术的第一代控制室；20世纪80—90年代，模拟技术与数字化技术相结合的第二代“混合式”控制室［4］；20世纪末至今，随着数字化技术全面应用于核电站控制室中，出现了以法国N4、韩国APR1400、美国GE ABWR 以及中国岭澳二期核电站为代表的第三代控制室。岭澳二期1、2号机组以基于计算机信息和控制系统（KIC）的全功能操纵员工作站为主要控制手段，辅以基于常规技术的后备盘（back-up panel，BUP）作为应对KIC失效的多样化后备。

常规控制室基于模拟技术，以常规控制盘台为主要监控手段，常规控制盘台由控制器、状态灯、指示仪、记录仪、报警光字牌等常规设备组成，在核电站数字化技术发展成熟前，常规控制室在核电站广泛应用，中国广核集团大亚湾核电站和岭澳一期核电站均采用常规主控室。

岭澳二期核电站以基于KIC 的全功能操纵员工作站为主要控制手段，辅以基于常规技术的BUP 作为应对KIC 失效的多样化后备。数字化主控室内的配置主要包括2个计算机化的操纵员工作站、紧急操作装置、大屏幕、后备盘、火灾探测及消防盘、机组长站和安全工程师站。其中，2个计算机化的操纵员工作站、机组长站、安全工程师站是4个冗余的计算机工作站，均是电站计算机信息与控制系统的终端。

根据美国NUREG-0700导则的定义，核电站的先进控制室（ACR）是基于数字化技术、以视频显示器（VDU）为主要人机交互手段的控制室［5］。因此，采用数字化技术的岭澳二期核电站控制室称为先进控制室，其设计融合了人因工程学的设计原则，采用了符合人因工程的布置设计和国际先进的环境设计理念，在音响与环境噪音、空调与通风、照明系统、防火、密封、生活保障设施及救生设备等方面进行了创新。但从美国NUREG-0700导则可看出，先进控制室的定义是宽泛的，其发展是不断完善的过程，需结合实践中的各种活动，尤其是人因工程的实际案例，对已有的设计方案进行完善和优化。因此，本文在已有方案的基础上，结合人机界面本身的发展历程，从多角度审视核电站控制室的人机界面。

1 人机界面的发展

人机界面这一术语源于人机工程学中，指人机间相互施加影响的区域［6-7］。一般而言，凡参与人机信息交流的一切领域均属于人机界面，本文的人机界面指计算机系统中的人机界面，也称人机接口［7］。

计算机人机界面的发展经历了命令语言式人机界面和图形化用户式人机界面，现在正朝多媒体用户式人机界面、多通道用户式人机界面和虚拟现实式人机界面的方向发展。多媒体用户式人机界面、多通道用户式人机界面的发展已取得了一定的成果。虚拟现实式人机界面的发展处于概念阶段，相关的技术手段远不够成熟，但它的发展成熟必将预示着人机界面所期盼的智能方式得以完全实现［7］。

命令语言式人机界面的人机对话媒介是机器语言，通过键盘操作来进行命令和询问，需要操作者具备专业能力，并进行大量的记忆和训练，因此，人机交互不太友善，操作方式不易学习，操作者容易出错，人机界面容错能力也弱。

图形化用户式人机界面的人机对话媒介是WIMP（windows，icons，menus and pointing device）界面，人机交互通过鼠标和键盘进行操作，需操作者具有基本的应用软件知识，并进行少量的记忆和训练。下拉式菜单、多窗口等图形化方式的使用减少了键盘的使用，因此，这种人机交互较友善，提高了交互效率。

多媒体用户式人机界面的人机对话媒介由静态媒体向动态媒体（动画、音频、视频等）转变，人机交互方式有利于操作者对信息的主动探索（多媒体信息吸引力更大），操作者可通过键盘、鼠标、触摸屏进行操作，需操作者具有基本的应用软件知识，并进行少量的记忆和训练。相比之前的人机界面，这种人机界面更强调人机交互的动态特性，尤其是动画、音频、视频等媒介的引入，有效提高了人对信息表现形式的选择、控制和逻辑处理能力［8］。

多通道用户式人机界面的人机对话媒介以动态媒体为主，用户可通过键盘、鼠标、语音、自然语言、手势、书写、眼部运动进行操作，机器可通过不同通道的信息反馈综合判断后精确实现操作者的意图。这种人机交互需操作者具有更全面的应用软件知识，并进行少量的记忆和训练。因此，人机交互的信息量更大，较以往的方式更趋于智能化，多通道的方式也可加入更多的专家知识库，以指导新用户的实际工作。

虚拟现实式人机界面的人机对话媒介是虚拟现实，其理念是人与机器的交互是人探索机器的世界，用户甚至可通过大脑的活动与机器世界进行和谐的交互，如同电影“阿凡达”的呈现。因此，这种人机交互可认为是完美的，人不需要进行知识性积累，完全可在新的世界里进行探索并积累经验。

2 核电站控制室的人机界面

2.1 数字化人机界面的特点

从核电站控制室的人机界面发展历程看，第一代控制室主要以模拟技术为主，严格意义上讲，并不是计算机系统的人机界面。随着数字化技术全面应用于核电站控制室中，第三代控制室的数字化人机界面可实现第一代和第二代人机界面无法实现的功能，其控制更集中、信息处理更复杂、信息关联性更强、控制与信息显示以计算机终端输入和输出为主，且随着技术的发展将会增加一些基于模拟技术的系统所没有的信息，如操纵员支持系统、运行管理信息、综合信息提示系统等［9］。数字化人机界面的特点如下。

1）人机界面要素的集成。过程控制的信息、重要的参数和趋势等人机界面要素可组合在一起，以便操纵员及时有效地完成相关操作任务。

2）数据的综合处理。过程控制所采集的数据是低层次数据，需进一步被加工和整合，才可以供操纵员使用。

3）操纵员的决策支持。规程系统、人机界面系统、报警系统等均是操纵员支持系统，操纵员通过这些系统，可对核电站的状态进行判定，并进行决策。

4）人机界面设计的和谐性。在人机界面设计活动中，让操纵员参与进来，并依据他们的操作习惯和特点，优化设计界面，达到人机交互相和谐的目的。

5）人机界面的易配性。通过各接口设施，人机界面可在多地实现统一配置管理。

6）人机界面的自动化。在决策支持系统的帮助下，人机界面可将预先设定的各种策略用图形化的方式展现出来，形成自动化的处理方式，比如结合报警系统调入规程系统。

第三代核电站控制室的人机界面与第一代、第二代人机界面相比，“人”所面对的“机”是数字化计算机系统而非常规的操作器件和仪表。以岭澳二期核电站控制室为例，操纵员在主控室中主要的运行任务是规程操作和报警处理，操纵员需遵守报警卡或操作规程的指导，不断监视电厂信息、辅助信息和安全重要信息；根据程序指导和信息所反馈的电厂状态完成控制功能，同时监视控制命令作用的反馈，但数字化人机界面可通过全新的视听元素提醒操纵员执行相关的运行任务。数字化人机界面与基于模拟技术的人机界面的比较列于表1。

2.2 数字化人机界面的问题

从人机界面发展的历程看，核电站数字化人机界面还处于图形化用户式人机界面的阶段，人机交互主要通过鼠标和键盘的配合进行图形化操作、窗口操作，人机对话媒介主要是静态媒体，动画、音频、视频等动态媒体还未能充分引入到数字化人机界面设计方案中。随着触摸屏、语音提示等交互方式的引入，核电站数字化人机界面正朝着多媒体用户式人机界面的方向发展，多通道用户式人机界面、虚拟现实式人机界面还处于探索研究阶段。

表1 数字化人机界面与基于模拟技术的人机界面比较Table 1 Comparison between digital HMI and analog HMI

正是由于数字化人机界面还处于图形化用户式人机界面的阶段，人对信息表现形式的选择控制能力还需进一步提高，以避免视觉局限。由于缺乏有效的动态媒体，操纵员的手、眼、耳不能更好地进行配合，数字化带来的大量信息不能与人的逻辑创造能力进行有效结合，甚至可能超出人的信息处理能力，降低人接收信息的效率，从而影响人的效能，主要有以下问题：人机界面的管理、视觉局限、报警雪崩、沟通协调［9］。

2.3 数字化人机界面的验证与优化

岭澳二期核电站人机界面的设计验证包括任务支持验证和人因验证两个方面［10］。任务支持验证主要是检查操纵员执行任务所需的显示和控制是否足够全面、人机界面特性是否与任务相匹配（显示参数的量程与精度是否恰当）、画面上是否有多余的信息（造成干扰分散注意力）［11］。人因工程验证是检查人机界面是否满足设计导则中关于人的能力和局限性的要求，检查其是否与操纵员的思维方式、操作习惯相适应［12-13］。

针对人机界面的管理问题，在岭澳二期核电站数字化人机界面的设计中，采用了以任务为导向的界面设计，显示信息围绕操纵员需完成的任务来组织，最大限度满足操纵员执行任务的信息需求，尤其是在高负荷情况下，把对界面管理任务的需求降到最低。2010年岭澳二期核电站顺利商运，以任务为导向的界面管理方式通过核电站运行的有效性证明其设计的合理性。但通过运行经验反馈，后续需进一步优化任务导向的界面设计，进一步简化界面管理的结构，精简画面的显示信息，突出呈现关键的显示元素，达到进一步降低操纵员对界面进行管理的任务。

由于使用数字化的人机界面，因锁孔效应引起的视觉局限就必然存在，如何降低其造成的影响是人机界面设计需考虑的。随着更大尺寸液晶显示器的引入，可增加单幅画面的显示元素，从而降低显示层级，避免操纵员在多层显示结构里的来回查询；另一方面，需对已有的显示结构进行优化，增加显示要素的集成度，减少操纵员在同层画面之间的流转。针对位置感消失的视觉局限，需结合操纵员的任务，将一些常用的关键报警光字牌固定布置，便于操纵员更直观地识别和判断电厂状态。

数字化仪控系统的采用为报警消减提供了技术保障，在电站过程控制层可通过合理的逻辑处理，消减不必要的报警，而随着数字化报警卡的引入，采用报警抑制技术可进一步减少报警数量，以减轻操纵员的工作负担，尽快避免人因失误。这里需说明的是，报警消减和报警抑制是不同的概念，报警消减后，相关的报警操纵员是不可视的，即在人机界面层是不能调阅的，而被抑制的报警操纵员可在报警列表中查阅。

由于操纵员在主控室所执行的任务通常相互协调完成，而不是由一个操纵员独立完成，尤其是在机组启停和事故处理过程中，更需要运行团队之间密切配合。如何使操纵员之间共享必要的信息，并能进行有效地沟通，正是数字化人机界面需进一步优化的地方。因此，可根据不同的情形提供多样的显示方式，通过大屏幕把关键的操作任务呈现出来，可便于整个运行团队了解目前所需执行的重点任务；对计算机工作站的显示画面结构进行优化，互相呈现操纵员之间的操作状态，避免过多地使用言语交流，从而降低人因失误的概率。

3 结语

第三代控制室的人机界面还处于人机协调发展阶段，需对设计方案进一步优化，国家的法规标准也明确要求对核电站控制室的人机特性进行评价［14］，而对于数字化人机界面的评估工作，国内外还处于发展阶段，相应的评价指标和评价方法还未成型。例如，如何评价以任务为导向的人机界面的管理效能，审视数字化人机界面中的视觉局限，寻找影响操纵员执行任务的难题，观测操纵员的团队合作任务，提炼出关键的评价指标，探索出行之有效的评价方法，最终形成评价体系［15］。

计算机及通讯领域的技术均在突飞猛进地发展，如虚拟技术、智能传感技术、诊断与预测技术、高性能计算技术等，这些技术在核电站的应用将对人机界面设计的不断改进带来新的机遇，人机界面将更层次化、集成化、富集化、智能化。

［1］ 国家核安全局.HAF 102—2004 核动力厂设计安全规定［S］.北京：国家核安全局，2004.

［2］ 国家技术监督局.GB 13630—1992 核电站控制室的设计［S］.北京：中国标准出版社，1992.

［3］ 核工业标准化研究所.EJ／T 1143—2002 核电站控制室设计功能分析与分配［S］.北京：中国标准出版社，2002.

［4］ International Electrotechnical Commission.IEC 61227—1993 Nuclear power plants-control rooms-operator controls［S］.Geneva：International Electrotechnical Commission，1993.

［5］ Office of Nuclear Regulatory Research.NUEG-0700—2002 Human-system interface design review guidelines［S］.Washington D.C.：U.S.Nuclear Regulatory Commission，2002.

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［8］ 温希祝.应用软件系统人机界面设计的探讨［J］.贵州大学学报：自然科学版，2005，22（3）：260-264.WEN Xizhu.Discussion about the design to the man-machine interface of application software system［J］.Journal of Guizhou University：Natural Science，2005，22（3）：260-264（in Chinese）.

［9］ 王志方，谷鹏飞，张建波.数字化人机界面设计的人因工程问题分析［J］.核科学与工程，2010，30（4）：365-371.WANG Zhifang，GU Pengfei，ZHANG Jianbo.Human factor engineering analysis for computerized human machine interface design issues［J］.Chinese Journal of Nuclear Science and Engineering，2010，30（4）：365-371（in Chinese）.

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［13］国家核安全局.HAF J 0055—1995 核电站控制室设计的人因工程原则［S］.北京：国家核安全局，1995.

［14］核工业标准化研究所.EJ／T 798—1993 核电站控制室人机特性评价［S］.北京：中国标准出版社，1993.

［15］Office of Nuclear Regulatory Research.NUEG-0711—2002 Human factor engineering program review model［S］.Washington D.C.：U.S.Nuclear Regulatory Commission，2002.