基于人因工程的船用核动力装置主控室设计

陈锋　赵新文　晏峰

摘 要：该文基于人因工程介绍了船用核动力装置主控室的设计原则和设计思路，提出了以人因工程原则为指导的主控室设计流程图，从功能需求分析、功能分配和功能分配的验证与确认三个方面详细分析了主控室功能设计过程，最后阐述了主控室主体设计时应当注意的人因相关因素，其中重点关注了工作空间、工作环境和人机界面三方面因素。

关键词：船用核动力装置 人因工程 主控室

中图分类号：TL364 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2015）11（b）-0087-03

人因工程学在核能领域应用较晚，但在发生了美国三哩岛和前苏联切尔诺贝利核事故以后，世界各有核国家均深刻体会到人因因素在核事故中所起到的作用，并积极对核电站人因事件开展了一系列研究。国外学者主要针对核电站团队协作过程中人因事件、人因事件评估方法和人机界面人因问题等方面进行了深入研究[1-2]，而我国研究人员则更加重视核电站主控室相关的人因问题[3-4]。船用核动力装置主控室是集人、机器和环境于一体的大型复杂系统，属技术密集型实体，担负着保障核动力装置正常和事故工况下安全运行的重要使命，有必要提高动力控制中心的环境舒适性，增强人机交互能力，最大限度地发挥系统的使用效能。

1 主控室设计原则及思路

1.1 主控室的设计原则

动力控制中心是船用核动力装置的核心部位，关系着核动力装置的安全可靠运行与控制。为了使操纵员在动力控制中心能够有效工作，必须使人操作及观察各种设备仪器时符合人的生理特点，同时兼顾操作环境的舒适性和设备界面的合理性。

1.1.1 与人体有关的设计原则

对于与身体尺寸有关的设计，应当遵循操纵台高度应适合于操纵员的身体尺寸及所要完成的工作类型， 座位装置应置于台前合适位置，应为身体活动提供足够的空间，各种操纵开关应布置在人的活动范围内。对于与身体姿势有关的设计，应当遵循操纵员应能交替采用坐姿和立姿，坐姿优于立姿；身体姿势不应由于长时间的静态肌肉紧张而引起疲劳，应该可以变换身体姿势；对于与身体动作有关的设计，应当遵循操纵员能够在身体动作间保持良好的平衡，动作的幅度、强度、速度和节拍应互相协调。

1.1.2 与界面有关的设计原则

界面设计应适合人的感受特性，尤其应注意下列各点。

（1）界面上信号和控制按钮的种类和数量应符合任务需要；（2）当信号和控制按钮数量很多时，应该对各信号和控制按钮的放置位置和排列次序进行合理安排；（3）信号显示和控制按钮类别应保证清晰易辨，尤其是对危险信号和有重要控制功能的按钮；（4）信号显示的变化速率和方向应与主信息源变化的速率和方向相一致；（5）在以观察和监视为主的长时间工作中，应通过信号和显示器的设计与布置来避免过载及负载不足的影响。

1.1.3 与环境有关的设计原则

工作环境的设计应保证工作环境中的物理、化学和生物学条件对操纵员不产生有害的影响，同时应关注操纵员心理健康水平和工作舒适度，对于工作环境应特别注意以下各点：

（1）工作场所的大小应适当；（2）应当根据室内工作人数、耗氧设备位置、所涉及体力劳动强度、污染物产生情况和热条件等调整控制中心空间布局；（3）照明应为所需的活动提供最佳的视觉感受，同时一定要做好照明和报警信号之间的协调；（4）声学工作环境应避免有害或扰人的影响；（5）传递给人的振动和冲击不应引起肉体损伤，以及生理和病理反应或感觉、运动神经系统失调；（6）应避免工作暴露于危险物质及有害辐射的环境中。

1.2 主控室设计思路

主控室人因设计主要包含两大块内容，分别为功能设计和主体设计，其中功能设计是指以船用核动力装置安全可靠运行为总目标，基于主控室功能需求分析合理分配人和机器分担任务，并对系统整体功能是否能够满足设计概念进行核准；主体设计是指根据功能设计结果对设备空间布局、人机交互界面、主控室工作环境等进行总体设计。主控室系统设计流程如图1所示。

2 船用核动力装置主控室功能设计

在早期阶段，船用核动力装置主控室内设备众多且分属于不同系统，主控室内所布置设备通常由各分系统设计师决定，无集成化概念，增加了不能及时响应或误操作等情况发生的概率。为减少人为原因造成的损失，需要根据人和机器的特点，对主控室功能进行合理分配。

2.1 功能需求分析

功能需求分析是指为了实现船用核动力装置运行的总目标，对正常工况、瞬态工况及事故工况3种工况下主控室内的功能需求进行分析，同时在需求分析时应当将确保核动力装置核安全作为首要需求。为完成运行总目标，可以先将主控室的功能按系统分解为多个子功能，并明确各个子功能间的相互关系，同时制定一定的数据、信息交互规则，便于各子功能能够有序顺利实施。通常情况下，若某一个功能不需再分解或已满足运行参数和执行装置的要求时，就认为功能为最小子功能，在此基础上定下各功能模块的信息流和处理要求。

2.2 功能分配

功能分配是指在功能需求分析基础上，依据各功能特点（重复性、创新性和突发性等），在人和机器之间进行任务分配的过程。功能分配首先要对各子功能进行功能划分，把有关联的子功能分到同一组，并作为同一单元处理。然后确定分配规则，分配规则既包括分配给人或机器的规则，同时还包括就近手动控制或远距离手动控制的规则。在将功能进行远距离手动控制或就近手动控制时，需要充分相关功能设备可达时间，远距离网络通信是否畅通，设备操控的难易程度等一系列问题[5]。

2.3 功能验证与确认

在完成功能需求分析和功能分配步骤后，为保证分配方案的合理性，需要对人、机分配结果进行验证。关于主控室内功能验证与确认的具体实施内容可参见文献[6]。

3 船用核动力装置主控室的主体设计

3.1 主控室工作空间设计

船用核动力装置主控室相对于陆上核电厂主控室而言最大的特点在于空间有限，但布置于其内的系统设备却多达几十多台套，此时为了给操纵人员提供充足的操作空间以及舒适的工作环境，必须结合操纵员行为特点（长时间坐姿操作）、操纵员舒适度（坐姿优于站姿）和操纵可达性等人因工程问题，对各系统设备空间布置进行合理规划。

3.2 主控室工作环境

动力控制中心的环境布置设计主要包括光照环境、色彩环境、室内微气候环境等因素。根据动力控制中心空间及设备布置，进行照明光源布局优化设计；对整体动力控制中心进行环境色彩设计，使得整体色彩环境协调、美观、大方；对室内微气候环境进行严格要求，包括空气的湿度、温度、清洁度、气流等，以提高操纵员的舒适性。

3.3 主控室人机界面的设计

人机界面作为操纵员操纵回路系统的主要媒介，它能够给操纵员提供核动力装置运行状态以及与安全性相关的重要参数。人机界面色彩丰富、显示仪表众多、操作控制开关及按钮也较多，同时较多的显示仪表具有彩色发光功能，且具有多块液晶显示屏用于显示复杂的运行控制信息，因此需要重点人机界面进行优化布置。

3.3.1 视觉搜索及台面视觉关注度

综合显控台的操纵员在执行任务过程中，90%以上的信息来源于视觉信息，包括多块液晶显示屏画面及众多参数显示仪表，这些视觉信息需由操纵员的视觉感知器官得到，操纵员完成这一过程的最初阶段则是视觉搜索。研究发现，颜色特征对视觉搜索的影响最大，因此将需要重点观察的显示仪表及参数画面配上识别度较高的颜色特征。同时运动的刺激也更易被视觉搜索捕捉到，而受到关注，因此可以对需要重点观察的参数画面配上运动信息，或对显示仪表配上闪烁发光的效果。

3.3.2 操纵员信息处理机制研究

根据认知心理学，可以将人看作为信息处理系统。人对外界接收的信息进行识别、记忆、比较、判断后，发出相应的操作指令[7]。不同于计算机信息处理系统，人为失误和出错是人的一个弱点。基于此有效避免人为失误是重点考虑方面，包括采取防失误保护措施，提供优良的人机界面，提供适宜的照明、低噪声环境等。

3.3.3 巨量信息与有限显示研究

综合显控台，包括核动力装置运行的海量参数信息，同时需要对众多系统和设备完成操纵控制。但限于台面的有限空间，只能对需要重点观察及操控的信息布置相关显示仪表及操控开关、按钮。同时限于有限的几个显示屏，众多画面不能同时全部显示，只能有选择地同时显示部分信息，较重要的优先显示，其他信息通过画面切换来调阅。

4 结语

船用核动力装置主控室人因工程设计是主控室设计的重点，文章首先介绍了主控室设计原则，以流程图的形式明确了主控室设计思路；其次从功能需求分析、功能分配和功能分配的验证与确认三个方面详细分析了主控室功能设计过程；最后阐述了主控室主体设计时应当注意的人因设计相关因素，其中重点关注了工作空间、工作环境和人机界面三方面因素。

参考文献

[1] Vaurio J.Human factors，human reliability and risk assessment in license renewal of a nuclear power plant[J].Reliability Engineering & System Safety，2009，94（11）：1818-1826.

[2] Santos I，Grecco C，Mol A，et al.The use of questionnaire and virtual reality in the verification of the human factors issues in the design of nuclear control desk[J].International Journal of Industrial Ergonomics，2009，39（1）：159-166.

[3] 高智彦，张学刚.核电厂主控室数字化运行画面的设计策略[J].核科学与工程，2010，30（S）：62-67.

[4] 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.

[5] EJT1143-2002.核电厂控制室设计功能分析与分配[S].2002.

[6] EJ/T1118-2000.核电厂控制室设计验证和确认[S].2000.

[7] 杨大新.核电厂主控室数字化人机界面中信息显示对人因失误的影响及信息布局的实验优化[D].衡阳：南华大学，2011.