基于人因工程的核电站人机界面设计

杨颖策　杨庆彧

【摘 要】随着科技的发展，人因工程已经融入到现代核电站设计的各个领域，尤其在主控室画面设计时需要考虑人的因素，以减轻操纵员负担，减少操纵员失误。本文基于人机接口设计审查导则NUREG-0700和NUREG-0711，介绍画面设计中应遵循的原则，并依据此原则进行了核电厂数字化画面设计研究，为画面设计和人因结合提供一定的借鉴。

【关键词】人因工程；核电站；人机界面

0 概述

随着科技的发展，人因工程已经融入到现代核电站设计的各个领域，数字化的人机界面给操纵员提供了友好的交互平台，却在一定程度上也给操作人员增加了负担，引发了一些新的人因失误。一旦核电厂发生安全事故，后果将不堪设想，不仅会造成巨大的经济损失，而且也会对国家及社会产生不良影响。不合理的人机界面设计是导致人因失误的主要原因，因此，良好的人机界面设计是减少人因失误，防止核电事故发生的重要保障。[1]在具有准确的信息指示和正确的操作功能前提下，可根据人因工程要求，由功能任务分析后确定人机界面的具体类型，并使得设计具有更高的灵活性，通过操纵员与控制对象以及仪控系统三者的有机结合，实现核电厂高效、可靠的运行控制。

1 人因工程设计原则及步骤

根据NUREG-0711要求，在人机接口设计过程中需要遵循计划、分析、设计、验证和确认、实现与运行5个阶段，由于本文重点介绍基于人因工程的人机界面设计，因此此处重点介绍人机接口设计有关分析和设计两部分内容。

要进行人机界面设计，必须完成功能分析和相应的任务分析，而功能分析和任务分析的基础来源于系统手册（系统的工能，特性，设备说明，运行参数）、逻辑图、模拟图等。将工艺要求的操作和显示拆分解成若干功能，同时将每个功能拆分成若干的任务，每个任务会对单个或多个设备进行操作，画面的布局在参考流程图的同时要考虑到功能分析的结果，设备的具体操作则应充分考虑任务分析的结果。[2]

在完成功能分析、任务分析后，可以开始进行画面设计，包括：

1）工艺流程进行切割、分配；

2）确定管线的粗细；

3）确定管线颜色等；

4）依据逻辑图、模拟图、IO清单、设定值等，确定设备的在画面上的具体显示形式， 选取正确的图标。

依据以上流程初步完成画面的分割，画面信息的正确显示，完成画面的初步设计，然后通过设计的V&V活动将设计结果和标准以及设计文件进行核对，完成设计的V&V，并在相应的平台上对画面设计进行验证，将设计错误及工艺中存在不足进行修改，优化画面设计，画面文件中应包含画面上所有元素的详细显示、控制等参数的列表。

2 人因原则的应用

国内核电厂的人因工程设计起步较晚，相关的法规标准也不是非常完善。目前采用Nureg0700，Nureg0711标准进行设计和审评，Nureg0700作为人机接口设计导则，很好的指导了画面设计。结合Nureg0700，界面的设计从以下几点着重考虑人因工程原则和运动的实施。[3]

2.1 提供最佳数量的信息

总结以往核电站运行经验，不是控制室给出的信息越多越好。数字化人机界面设计中，最重要的任务是组织画面，既要保证整个工艺系统显示的完整性，又要注意在每一幅画面中信息的多少。信息量过少，势必导致画面设计过多，信息过于分散；画面单调，操纵员关注程度降低，不利于掌握系统状态。信息量过多，则加重了操纵员脑力和心理负担。

依据Nureg 0700 1.5-8，对于图形画面密度在25%-50%之间最合适。

2.2 人机功能分配最佳化

Nureg0700 1.5中对人机功能分配进行了分组定义，具体要求如下：

1）任务：对操纵员任务有用的信息需要组合在一起。

2）顺序排列： 画面信息应按顺序排列，从左至右或上至下。

3）频率：使用频率高的信息，应该在顶部或其他一些预先设定的位置进行显示。

4）数据比较：当用户必须分析一组数据来辨别相似性、差异性、趋势性和关系时，应将相似的数据组合在一起，提高它们的可读性，并且可以突出显示不同组间的关系。分组可以帮助操纵员进行信息识别。

5）重要性：特别重要的信息应该放置在顶部或其他一些预先设定的位置上。

6）功能：当某些信息与极其重要的系统及功能有关联时，这些信息应该显示在画面上帮助说明这些关系，有利于操纵员进行分析。

7）字母数字或时间顺序：当信息或数据没有按照一定的原则进行分组时，应按照字母顺序或按时间顺序分组。

3 人-机-环境整体设计

把人-机-环境作为一个整体，在人因工程学研究指导下进行系统化设计，在数字化控制室中，操纵员通过视觉器官接收信息，因此人机界面中符号、颜色等信息的显示应具有可理解性、一致性惯例。

3.1 色彩搭配

在Nureg0700中对VDU的颜色对比度进行了定义，在颜色选择中图标和背景色的对比要鲜明，如在浅色背景上要用深色的字体等。

颜色环境会对人产生心理与生理的影响。操纵员长时间在控制室里监视反应堆运行，完成工艺系统的操作，需要在紧急情况下迅速做出决策，因此为操纵员创造一个良好的工作环境，选用适宜的色彩对减轻操纵员心理负担、减轻视觉疲劳及舒缓工作压力有一定作用，因此人机界面的设计遵循核反应堆中的法规和设计准则，而且要合理地运动色彩。

根据电站中所要用到的颜色，并对相关颜色的搭配进行了HFE分析，确认其满足相关HFE原则后，进行了相关颜色定义：包括介质颜色（冷却水、疏水、水蒸汽、气、油、浓缩物、废物、冷凝液等）、电路母线颜色（交流电、交流电）、报警信号（红色/黄色/绿色/白色/紫色报警等）以及趋势曲线颜色的定义等。

3.2 符号/字体设计

1）符号/字体的形式

采用工程标准标识符号的计量单位，基本与系统流程图保持一致，减少操纵员对显示信息意义解释的认知要求。

NUREG-0700 1.3.4中详细了符号的选取应该能代表目标或动作的特性，我们在此基础上建立了画面设计的图库。

2）符号/字体大小

按照人因工程原则，显示字符的大小应考虑在规定的视距内，人眼对字符的观察张角最小为16，最佳为20-22，最大为24，视觉距离一般为400-700mm之间，如果采用大小为19英寸，分辨率为1280*1024的平板显示屏，按照NUREG-0700标准1.3.1-4要求。

计算字高为：

Height=6.283D（MA）/21600

-MA：弧度

-D： 操纵员与屏幕的距离

依据以上公式，建议字高最少为2.83mm，推荐使用9-12号字体。

3.3 设备

按照设备可操、不可操、无操、静态元素分类，建立了符合电站的图库体系。

3.4 管线尺寸

工艺流程图中按不同的特点分为以下三种不同线宽的管线类型：

1）粗线（2.16PT）用于可控动态设备、主要工艺管线以及主要供电管线等。

2）中线（1.2PT）用于分支管线以及一些构造线等。

3）细线（0.72PT）用于设备或数显的反馈（如发生故障或操作确认）外框等。

管线尺寸的定义满足Nureg-0700标准1.3.7的定义。

4 结论

核电厂主控室的主要任务是监控核电厂的运行状态，保证核电厂处于安全有效的运行状态。近几年来仪表和控制采用数字化技术使得显示内容和显示方法与以往采用的模拟式仪器仪表相比发生极大变大，操纵员通过人机界面获得有关反应堆辅助系统运行工况的监测信息，执行非安全级设备的操作控制。就目前来说，人机界面评价已发展成为人因工程研究领域的热点问题，它可以实现核电厂主控室操作人员、机器、环境三者之间的相互协作，确保工作人员能够舒适、安全、高效地实施操作行为。因此，在人机界面的设计中适度运用人因工程学，设计友好的人机界面，减少人为失误，对实现反应堆安全和可靠运行有重大意义，为人机画面设计积累了宝贵的经验。

【参考文献】

[1]黄曙东，戴立操，张力.核电站事故前人因事故可靠性分析[J].中国安全科学学报，2003，13（2）：50-53.

[2]杨庆彧.核电厂数字化系统人机界面的设计[J].科技世界，2014（9）.

[3]冯燕，张云波，王忠秋.核电厂人因工程人机接口设计的探讨[J].核安全，2012（1）.

[责任编辑：杨玉洁]