核电厂主控室画面设计研究

杨颖策　杨庆彧

【摘 要】在现代核电站设计的各个领域，人机界面是人机交互最集中的地方，因此科学合理的人机界面设计显得尤为重要。数字化技术被引入主控系统之后，主控室人机界面发展为以计算机工作站为主，具备更加强大的信息处理能力。本文从数字化画面设计内容，画面显示的应用，具体设计过程中的问题等方面进行了描述，为画面设计和人因结合提供一定的借鉴。

【关键词】数字化；人机界面；核电厂

1 数字化人机界面概述

核电厂主控室是核电厂运行的控制中枢，是人机交互行为发生最多的场所，这里配备了监控电厂运行状态的控制系统，自动化程度很高，人机界面设计十分复杂。数字化技术被引入主控系统之后，主控室人机界面发展为以计算机工作站为主，具备更加强大的信息处理能力。数字化技术的应用使主控制室的信息显示内容和显示方式发生重大变化：首先，操纵员通过计算机显示器和大屏幕显示就能方便、快捷地对核电厂信息进行监督和控制[1]；其次，模拟的系统运行状态被量化为系统运行参数直观地显示在人机界面中，操作人员只需操作计算机，就可以轻易对不同的数字信息做出相应的动作响应，配备的告警系统能够提醒工作人员及时处理核电厂运行时发生的异常情况，保障核电厂处于安全、稳定、高效的运行状态。因此，对数字化人机界面进行科学合理设计是非常有意义的，数字化画面又是人机界面中极为重要的内容，因此画面的可靠性、安全性尤为重要。

2 数字化画面设计及布置的基本原则

2.1 画面设计基本原则

数字化画面主要完成对核电厂工艺系统的流程操作/监视、主设备跟踪、总体规程监测、多系统特定功能执行监控、定期试验监控、值长/安工巡检监控、电厂总体状态监控、事故规程监视和操作、安全参数监视等工作。为了满足反应堆安全和运行目标，一般采用以下数字化人机界面的设计原则：

1）简洁：显示画面应尽可能简单、清楚、易于理解，画面涵盖操纵员所关注的主要信息；

2）灵活和高效：运行参数应可以以多种显示方式，如模拟图、参数表、趋势曲线等，以适应不同的监测目的，调用任一幅画面的点击次数应尽量不多于3次；

3）一致性：整个人机界面设计要保持设计风格一致性，包括图形元素、标志符号、颜色、闪烁的使用应保持一致，符号和标注文字的大小应保持一致；

4）美观：注意颜色的选用和色彩搭配，保证显示画面清晰，避免视觉疲劳。

2.2 画面布置基本原则

在画面设计过程中，采用以下的原则：

1）在所有画面上，图形对象的相对位置要保持一致，特别是要与大屏幕显示画面上的相对位置一致。例如，在系统画面中，如果稳压器的喷淋阀位于稳压器的左侧，那么在操作站的显示画面中，该喷淋阀也应该处在相同的位置；如果一个回路中的三条管线是按照一定顺序垂直排列的，那么在操作站的显示画面中，这些管线的排列方式也应该相同。

2）当几个不同的画面中包含同样的设备时，这些设备在不同画面的相对位置尽量要保持一致性（例如，在常规岛画面中，蒸汽发生器位于左侧，在核岛画面中，蒸汽发生器位于右侧）。

3）尽量减少管道拐角和管道交叉。在必须交叉的情况下，没有连接的管道需要跨越表示；主要管道和设备优于次要管道和设备，水平方向管道优于竖直方向管道。

4）根据运行经验和习惯，对象位置的选择尽量应该符合流体从左至右，从上至下的流动方向（特殊情况除外），在可能引起混淆的地方应添加箭头来标明流向，主工艺管线占据画面的中间位置。

5）为了保证显示画面的可读性，对象之间应该有充足的空间。

6）画面连续性，当同一个流程的功能被划分在不同显示画面中时，应该保证视觉效果的连续性。设计中可以保持画面之间部分重叠，同时采用合适的动态导航链接。对于较重要系统的重要设备可以保持部分重叠。

3 画面显示的应用

3.1 数字化画面设计的分类

根据以往的设计经验，数字化画面按核电厂功能进行划分，建议分为以下几类：

1）系统画面

主要包括系统功能、主设备跟踪、预定义趋势显示等3类系统画面。系统画面以工艺系统的流程图为基础；主设备跟踪用以系统画面上主设备的详细跟踪；预定义画面表示各系统预先定义好需要在画面中进行显示的信息。

2）规程用画面

该类画面用于某段总体规程操作时，执行所需的监测，或是完成总体规程中某些综合操作。

3）主功能跟踪画面

该类画面用于在单系统或多系统完成某一特定功能时执行所需要的监控。

4）定期试验画面

该类画面用于定期试验时执行需要的监控。

5）辅助监视画面

该类画面包括值长/安工巡检时所使用的画面。

6）大屏幕画面

该类画面主要用于显示电厂的总体状态，分为核岛、常规岛、电气和重要参数显示等几部分。

7）防火分区画面

该类画面用于监视和控制火灾。

8）事故规程相关画面

该类画面用于某段事故规程操作时，执行所需的定期监视或用于完成事故规程中某些综合操作。

9）逻辑分解画面

该类画面用于某一综合逻辑的逻辑分解功能。

3.2 数字化画面的元素

画面上的元素主要包括：

1）设备（阀门、泵等）；

2）管线；

3）数字显示；

4）各种设备控制器；

5）信息显示；

6）导航。

画面上的元素按是否有操作来分，通常又可以分为：

1）可操作的动态元素：可以进行操作和控制。

2）不可操作的动态元素：可以显示状态信息，但不能控制的元素。

（1）数字指示符（画面中模拟量值的显示）；

（2）开关量指示符（显示区域中开关量信号的触发显示，例如，KS和SN等）。

3）无操作的动态显示元素：不能进行控制操作的元素。

4）静态显示元素：表示显示区域中不可操作也无状态显示的元素。

工艺流程图中按不同的特点分为以下两种不同线宽的管线类型：

1）主工艺管线（包括主管道、主要供电管线等）；

2）次工艺管线（旁通、冷却/加热工艺管线、次电气进线和出线）。

画面中其他元素也应用在不同的场合，分别用以实现所有画面的相关功能。

3.3 颜色应用

1）背景颜色

在人机界面的背景设计选用灰色，主要基于以下两点考虑：

A）选用灰色的背景有助于操纵员提高注意力，减缓视觉疲劳；

B）灰色的背景和动静态形成色差对比，能够达到加强视觉识别能力、提高分辨力的目的。

2）静态物色彩

不同工艺介质的管道分别采用不同颜色给予区分；设备标注文字等都有各自固定的颜色。

3）动态物色彩

设备的过程变化都有不同的颜色予以区分，并且当设备处于不同的状态，也会有相应的颜色进行区分。[2]

4 具体画面设计及设计过程中的问题

4.1 画面设计所需的参考文件

根据根据画面设计、布置的原则，需要根据以下输入/参考文件为上层输入，设计数字化的人机界面：

1）系统流程图图；

2）电气单线图；

3）系统的工能，特性，设备说明，运行参数；

4）逻辑图、模拟图、IO清单、设定值手册；

5）画面显示设计技术要求；

6）系统画面编制规定；

7）功能图（开关量部分）制图细则；

8）功能图（模拟量部分）制图细则。

4.2 设计过程中的问题

在系统画面的具体设计过程中，遇到并解决了一些问题，主要有：

1）一、二层功能块是否匹配；

2）画面布局是否满足人因导则；

3）图符元素的设计是否满足操纵员的操作习惯等。

5 结论

电厂主控室画面设计是一次有益的探索和实践。目前我国在对人机界面的设计及优化工作正在逐步展开，同时通过操纵员的经验反馈发现画面设计中存在的问题，充分利用操纵员的经验以及实际的操作习惯，对主控室画面进行修正及优化，为画面设计积累了宝贵的经验。

【参考文献】

[1]杨敏.核电厂主控室数字化人机界面评价研究[D].南华大学，2013，5.

[2]曲荣红，张良驹，李铎，于晖.数字化反应堆控制室人机界面的设计[C]//全国第四届核反应堆用核仪器学会会议论文集.

[责任编辑：杨玉洁]