应用模拟机开展核电厂HMI维护与改造方法的研究

班泉聚，喻修成，张轶婷

（中核武汉核电运行技术股份有限公司，武汉 430023）

伴随着数字化仪控技术在核电的应用，三代核电仪控系统的人机界面不仅仅包括设备控制、现场反馈数据与报警信息等要素，还包括对数据加工处理后，为操纵员提供的操作支持系统、自动化管理系统等，为操纵员提供了丰富、灵活的人机接口。但新的技术的引进过程中必然伴随着根据实际调试与运行情况的维护与修改，面对如此复杂的人机界面设计，如何及时、准确同时又贴合实际的完成相关工作成为了核电厂最关心的问题之一。

1 核电厂开展人机界面维护与改造的必要性分析

核电厂仪控系统调试与运行期间，为使人机界面更加贴近操纵员的实际需求，经常根据操纵员实际操作感受提出一些需要优化的人因项目。维护技术人员在日常工作中也会发现一些由于系统设计导致的人因问题，同时信息化技术的提高，更多的先进的人机界面人因工程技术正在逐渐被设计与运行单位引入核电人机界面操作中[1]。

1）人机界面元素设计优化项

该类问题主要指在调试与运行期间，操纵员与维护技术人员发现的一些需要调整与优化的人机界面元素。该类问题的主要特点是均为元素设计本身不满足操纵员操作习惯，且该类问题不涉及全局变量，即不需增加与控制系统或应用程序的通信变量。这类问题主要包括图形布局、背景与元素颜色、线条与图形修改、机组的人机界面字体为英文等问题。

目前，核电厂对于不影响系统运行的小问题，一般采用发现时记录，机组大小修时修改的方式。由于经过机组的长时间的运行反馈，积累了相当多的该类问题（特别是新机组刚投入使用阶段），但由于大小修窗口期较短，同时在该阶段其它任务也较多，所以针对该类问题的设计与实现均比较仓促。对于中文替代英文这类对人机界面整体影响很大的问题，不仅需对修改项进行充分的验证与确认，还涉及对全体操纵员进行上岗再培训。因此，对于该类问题的修改，核电厂在未找到合适的方法前，一般不会轻易修改。

2）人机界面设计需改进项

该类问题一般由于系统设计变更，导致人机界面需要进行改造。例如，报警卡或报警列表需增加功能和变量，工艺系统根据实际需求增加设备等。此类问题由于与工艺控制等系统关联紧密，不仅需要修改人机界面，更重要的是还需要在控制逻辑和应用程序增加程序和算法，因而对于该类的设计修改，如事前未进行充分的设计、验证与确认工作，事后未进行充分的培训，很可能带来潜在的人因风险。

3）先进人因工程技术应用

目前，人因工程（HFE）已成为核电设计和安全审查必不可少的内容。因此，核电设计与运行单位都在探索通过计算机进行数据处理，并在人机界面中提供操纵员执行决策的参考依据。例如，目前三代核电均采用的电子化规程。对于该类问题，首先，国内尚无成熟的开发技术与稳定的运行经验；其次，该类的改造涉及的系统比较多，产生的影响也比较复杂。因此，需要不断地进行验证、确认与修改。

基于以上情况，核电厂作为人机界面的最终用户，应该积极参与到人机界面的维护与改造工作中，同时核电厂维护人员、操纵员应该参与到核电厂人机界面的维护与改造的需求收集、设计、实现、验证、确认以及培训过程中，也是非常有必要的。

2 应用模拟机开展人机界面维护与改造的可行性分析

核电厂模拟机人机界面仿真方式，包括实物模拟与模拟两种。实物模拟指的是使用参考系统的人机界面硬件和软件来复现参考系统的人机界面系统[2]，模拟机与参考系统工程文件经过简单地处理后是可直接互换使用的。模拟指的是使用模拟机系统的开发环境来复现参考系统的人机界面[2]，模拟机与软件之间是不能直接使用的，但模拟机开发方一般均开发了导入工具，使得参考系统的组态工程文件可方便地导入到模拟机使用。

目前，国内正在运行数字化核电机组的全范围模拟机。如果技术和经济条件允许，即使采用国外的DCS 系统，在对人机界面的仿真过程中，仍然首选实物仿真方式。如福清、方家山1/2 号机组模拟机、三门与海阳1 号模拟机、福清5/6 号模拟机（华龙1 号首堆）。同时，伴随着今后机组国产化DCS 的大规模应用，实物仿真将成为人机界面仿真的主流模式。

采用实物模拟的模拟机仪控系统人机界面，由于其采用与参考系统人机界面相同的开发环境与运行环境，所以使用模拟机开发人机界面，其工程组态方式与界面运行效果均与参考系统完全相同。因此，模拟机完全可作为核电厂人机界面的维护与升级改造过程的工具，且模拟机本身具有的功能也可用于人机界面的设计、验证、确认以及培训工作中，相比于其它方式，使用模拟机开展人机界面维护与改造具有以下优点：

1）投资少，无需增加太多人力与物力

核电厂使用实物模拟仿真方式的模拟机可直接作为人机界面维护与改造工具，不需增加任何投资。目前，核电厂仪控维护人员、模拟机维护人员的技术能力完全可以完成维护与改造的需求收集、设计以及实现的大部分工作，核电操纵员可以完成相关的验证与确认工作。

2）维护与改造效果好

收集的核电调试与运行过程中发现的设计优化项问题可直接在模拟机中修改；设计需改进项与先进人因技术的应用均可在模拟机中直接更改或增加功能，并在维护与改造后，由技术负责人和操纵员进行验证与确认。由于模拟机具有仿真的仪控系统模型和工艺系统模型，可全面响应操作动作导致的后果，且模拟机的教控系统功能、配置管理功能，支持工况插入、重演，数据记录与保存，修改记录保存等功能。因此，对同一工况可反复测试，并可根据验证与确认效果反复迭代修改和验证与确认，直到达到预期维护与改造效果，保存的组态文件后可在核电厂大修期间直接导入到参考机组系统中。

3）维护与改造风险小

对于设计需改进项与先进人因工程技术的应用，由于修改较大，直接在参考系统中修改可能带来巨大的风险，但在模拟机中开展此类工作却没有任何风险。

4）模拟机升级提前，培训效果好

核电厂每隔1 ～2 年就需开展模拟机的升级工作，方法是将参考系统已修改项提供给模拟机开发方，由其进行差异项对比与模拟机修改升级工作，一般升级时间为1 个月甚至更长，升级完成后，操纵员还需开展升级后的相关培训。如使用模拟机开展人机界面的升级与维护工作，则模拟机可在第一时间完成修改更新，且操纵员参与了升级更新的大部分过程，可减少升级后的培训时间。

3 核电厂应用模拟机开展人机界面维护与改造的实现方法

3.1 模拟机功能要求

模拟机的一般结构如图1 所示。

应用于人机界面的维护与改造的模拟机功能与配置上，与全范围模拟机相比无特殊的要求，但对于模拟机的人机界面软件要求应为实物模拟，且配置有与参考功能与系统配置完全一致的工程师站，用于对人机界面进行编辑或修改。由于在维护与改造过程中，为适应人因工程技术的实际需要，有可能需修改通信变量，所以操作员站与应用程序服务器和控制逻辑主机之间的通信列表或文件应可配置，可增加、减少通信变量。

3.2 维护与升级方法

因在实际工作过程中，模拟机每天还有培训任务，可新建工程，复制与为维护与改造前的工程组态文件，维护与改造工作直接新建工程中开展。

对于不同的人机界面问题采用的维护与升级方法也不尽相同，需根据具体问题具体分析。

1）人机界面元素设计优化项的改造

由于该类问题均不涉及系统全局变量，所以在修改过程中由经验丰富的仪控维护人员在模拟机人机界面工程师站中按照需求修改，修改后由模拟机维护人员按照模拟机操作规程下装到模拟机，模拟机运行后，由培训教员或操纵员按照运行规程操作，验证与确认修改是否满足运行人员的要求。

2）人机界面设计需改进项的改造

由于该类问题，人机界面的画面修改与第一类问题相同，但需要技术支持团队根据系统改造的要求修改控制逻辑模型、工艺系统模型或应用程序，并增加人机界面软件与修改软件的通信变量。因为该类问题对系统的影响较大，可能影响的操作界面较多，修改后应由培训教员与操纵员按照模拟机培训规程进行反复的测试，及时发现问题并由维护人员进行修改[3]。

3）先进人因工程技术应用的改造

前两种问题一般均由运行与维护人员在实际工作中发现并提出，因此需求与对结果的预期非常明确，而该类问题一般为预研课题，所以该类的改造需根据需求与设计的要求具体进行。如是否需要添加硬件设备，增加计算软件等，但无论如何改造，其改造的基本前提均是尽可能地利用现有设备，且最终的数据与操作均需在现有的人机界面体现。因此，改造对现有系统与人机界面的影响更是判断改造是否可行与合理的最终依据。该类改造更需要使用模拟机作为工具开展设计与实现，在实现的过程中发现问题、解决问题，并由最终用户进行验证与确认。

4 结束语

核电运行单位是人机界面的最终用户，其最关心人机界面如何能更贴近操纵员的操作习惯，如何尽可能减少人因操作失误，并且核电运行单位掌握着第一手的、最全面的运行经验反馈数据。核电厂应用现有的模拟机开展核电厂人机界面的维护与改造，可及时解决运行过程中发现的人因问题，同时由于大量具有运行经验的操纵员参加到人机界面的维护与改造的工作中，人机界面的维护与改造的结果将更贴近实际需求。