核电站控制室布置与盘台设计中的人因工程准则

董晓璐，孔 静，刘景宾

（生态环境部核与辐射安全中心，北京 100082）

在核电站控制室中，操纵员通过人机接口与系统进行交互以监控机组。由于控制室对电厂运行安全至关重要，所以，在设计时应考虑操纵员与室内设施交互的工作特点，使设计满足人因工程（工效学）的要求，以减少人的失误，保证系统安全有效的运行。《核动力厂设计安全规定》（HAF 102—2016）和《核电厂控制室设计》（GB∕T 13630—2015）明确了人因方面的要求：在控制室设计中必须考虑工效学的因素［1,2］。

为了达到法规标准的要求，控制室布置和盘台的设计需根据任务本身的要求，综合考虑人体尺寸、人的动作范围和视觉特征等人的客观情况，并遵循一定的设计和评估方法。《在产品设计中应用人体尺寸百分位数的通则》（GB∕T 12985—1991）规定了设计时应用人体尺寸百分位的通则［3］。目前，我国主要的人体测量数据标准有《中国成年人人体尺寸》（GB∕T 10000—1988）和工作空间人体尺寸（GB∕T 1357—1992），还有其他针对特定人群和特定产品（如工作座椅）的标准［4-6］。对于核电站控制室，IEC60964—2009（GB∕T 13630—2015）、IEEE10 23—2004（NB∕T 20061—2012）和NUREG 0700等标准导则都涉及与室内布置和盘台设计相关的内容［2,7-10］。其中，GB∕T 13630—2015 中有关控制室设计的具体要求参考ISO 11064系列标准（GB∕T 22188系列转化了一部分）［11,12］。其他领域也有相关的标准导则，比如，电力行业《控制中心人机工程设计导则》（DL∕T 575）系列标准［13］，还有军标《军事装备设施的人机工程准则》（GJB 2873—1997）［14］，《军事装备设施的人机工程设计手册》（GJB∕Z 131—2002）是补充标准［15］。

目前，核电站的先进控制室多采用数字化技术，操纵员主要使用屏幕、鼠标和键盘与系统进行交互。同时控制室内也设置传统的监控设备，如紧急控制盘和后备盘等。控制室布置和盘台的设计工作有所减少，但重要性不减。实际的核电站控制室布置和盘台设计仍存在一些问题，如缺少维修空间、工作站间距过近、台面上空间不足、显示偏小或距人过远、对应的显示与控制器相距过远，以及控制器选型太小、间距太近、距人过远或离盘台的边缘过近等。上述问题对核电站运行效率和安全都存在不利影响。

本文针对核电站控制室的布置与盘台设计，依据传统工效学准则，从人体尺寸、人的动作范围和视觉特征等人的客观情况出发，对相关的人因工程要求进行综述和探讨。

1 核电站控制室布置与盘台设计的参数

本节从控制室布置、工作站的设计到具体的信息显示和手动控制器的设计几个方面，对与控制室布置及盘台设计相关的标准、设计参数和工效学要求进行阐述，如图1所示。

图1 控制室布置与盘台设计的内容结构Fig.1 The structure of contents for the layout of control rooms and workstation design

1.1 控制室布置

控制室布置对操纵员的影响主要体现在设备设施的布局对观察、交流、行动和可达性的影响，控制室布置应能支持上述活动。控制台（或桌子）与人员背面的物体之间的距离应足够，以保证操作人员可以自由起坐和转动椅子。若考虑维修和测试的需求，这个间距应更大一些。单人工作的单侧的操作盘需留有约1.2 m宽的空间。多人同时工作和相对布置的操作盘则需留有约2.4 m 的间距［10,16］。控制室设计应保证一定的走道宽度，以方便人员通过和座椅移动。其他设备，如电话、规程柜等的布置，也应考虑其相对于工作站的位置。

1.2 工作站

在控制室内，操纵员通过工作站执行任务。工作站的类型包括站姿控制台、坐姿控制台、坐站工作站和垂直面板。重要的设计内容包括高度、斜面的角度和深度、控制器的位置、显示器的位置、工作站或控制台上控制器和显示器的横向扩展，以及容纳腿与脚的空间［10］。

由于操纵员需要越过控制台顶端看后面的信息，设计需限制台高。对于站姿控制台，最高台高以女性第5 百分位的站姿眼高进行计算。对于坐姿控制台，最高台高应以女性第5百分位的坐姿眼高来计算，如图2所示。若只需要监视状态而非读取信息，且需要监视的内容处于合适位置，台高也可增加。

站姿控制台上控制器分布的高度范围由站姿肩高和手臂的功能性伸展范围计算得到。上限由女性第5百分位的数据计算得到，下限由男性第95 百分位的数据计算得到。在竖直面上，控制器可布置的最高高度也与控制台斜面的深浅有关。如果控制台斜面比较浅，肩膀的参考点能更靠近竖直盘，控制器可布置得高一些，反之，则低一些，如图2和图3所示。坐姿控制台控制器分布的高度范围使用坐姿肩高和手臂功能性伸展范围的数据计算。控制台斜面的倾斜角与深度的设计需要保证所有的控制都处在第5百分位女性手臂可及的半径范围之内，如图2 和图4 所示。为了防止手在台边时误碰控制器，控制器距控制台边缘的最小距离的确定可考虑第95 百分位食指长度，《核电站控制室设计的人因工程原则》（HAF·J 0055）建议此值为8 cm［16］。而控制器距控制台边缘最大距离的确定需考虑第5百分位女性手臂的最大可及距离。

对于一个单人工作的站姿控制台，控制器和显示器的最大横向展开宽度不宜过大，以尽量减少完成任务所需的移动（移动的情况也与控制和显示的布局有关）。最大横向展开宽度可根据步长和前臂的功能伸长来估计。对于坐姿控制台，在一定任务序列的要求下，控制器和显示器的布置还与盘台的方位、显示与控制器的分组、座椅位置及可调整的范围有关。对于需要进行持续或精细控制的活动，操纵员应不用屈身∕伸展就能触及相关的控制器。另外，根据需要，控制台上还需留出书写和置物的空间。

图2 工作站设计涉及的主要的人体尺寸［4,5］Fig.2 Major human body dimensions related to workstation design［4,5］

当操纵员既需要机动性来监视大盘面，又需要进行较长时间的稳定而精细任务时，可以采用坐站工作台。其上的控制和显示器的布置要求与站姿控制台相同。座椅需要设置得比较高，以保证操纵员坐在椅子上时，眼高与站姿眼高相近。设计还需为膝盖留下空间，并给脚提供支撑。

对于垂直面板，控制器分布的范围可由手臂的可及范围确定，上限和下限分别由女性第5 百分位与男性第95 百分位的数据确定。需要进行频繁与精细操作的控制器以及紧急控制的位置由手臂的功能性伸展范围和视野决定。

1.3 信息显示

图3 站姿控制台控制器分布的高度范围［10］Fig.3 The control height for stand-up consoles［10］

图4 坐姿控制台控制器分布的高度范围［10］Fig.4 The control height for sit-down consoles［10］

针对信息显示的设计、验证与确认，需要考虑视角、视距、入射角、视野和视区的相关要求。视角是识别对象对观察点形成的张角，视距是识别对象与操作者眼睛之间的距离。能否正确识别观察对象的决定条件是视角，观察距离增大时，应增大相应字符的尺寸，如图5所示［13］。在盘面、显示器及大屏幕上显示字符时，设计需要根据使用时的视距采用满足要求的大小。

图5 字符的视觉识别［13］Fig.5 The identification of characters［13］

入射角是视线与显示屏幕表面法线之间的夹角，观察者应尽可能垂直地观察显示器。设计应参考人的工作位置以及显示面的位置和方向，如图6所示。在视觉信号的布置上，作业视区（良好视区、有效视区和条件视区）的特点以及使用者的姿态可对重要和需要频繁或连续监视信息的布置产生影响。具体准则见表1。

除此以外，在盘台的具体设计中，信息显示还涉及标签设置、仪表盘设计、颜色配置、指示灯设计（亮度和闪烁）、听觉编码和信息分组等方面的内容。其设计也需满足相应的准则［10］。

图6 入射角示意图［13］Fig.6 Illustration of viewing angle［13］

表1 标准中与信息显示相关的准则Table 1 Guidelines in standards related to information display

1.4 手动控制器的设计

在数字化控制室中，操纵员主要使用键盘、鼠标对核电站进行控制。但核电站控制室内也保留了传统的控制器，如后备盘和紧急控制盘上的按钮。控制器包括钥匙开关、拇指轮、旋钮、曲柄、手轮、按钮和键盘等，相关参数包括尺寸、位移、间距和阻力等。GJB 2873—1997、NUREG 0700 和GJB∕Z 131—2002等标准都提供了详细的设计指南［10,14,15］。这些设计指南保证了控制器的尺寸、间距、阻力和位移能够适应人手的尺寸和力量，符合人的预期，便于操作，减少失误。

2 讨论

根据GB∕T 12985—1991、GB∕T 10000—1988和GB∕T 1357—1992的内容，核电站控制室的设计一般采用男女通用的产品设计原则，选择男性第95 百分位与女性第5 百分位人体尺寸作为上下限的依据。由于标准中的人体尺寸为裸体测量值，并且在测量时躯干为挺直姿势，而在正常工作时，人穿着衣物且姿态不同，因此，设计时除了需要考虑人体尺寸百分位数，也需要考虑功能修正量，包括衣、穿鞋、姿态和心理修正量［3-5］。

在目前采用的标准中，与显示相关的准则大都来自对字母文字的研究。为了能够清晰辨认和正确理解笔画数目更多、结构更复杂的汉字，人们需更大的视角。根据《飞机电∕光显示器汉字和用语》（GJB 302—1987），汉字大小应与显示器的分辨率要求成比例，一般不应小于24′［17］。《使用基于平板视觉显示器工作的人类工效学要求第2 部分：平板显示器的人类工效学要求》（GB∕T 20528.2—2009）（等同采用ISO 13406-2—2001）规定亚洲字符最小为25′［18,19］。目前，自主设计将会更多地采用中文母语进行信息呈现，所以，设计应注意汉字和汉语的特点，以保证信息的易辨识和易读性。

核电站控制室布置与盘台的实际设计存在一些限制因素，如空间、设备和工艺等。因此，设计人员还要考虑维修、改造或新增设施。同时设计特征之间也存在关联，这些都会影响最终的结果。设计人员可采用二维或三维模型确定各设计特征之间的关系，以便在早期确定合适的方案。在工作站布置单个或多个显示器时，设计人员则需要考虑使用者的姿态、显示内容的展开宽度和显示屏的尺寸［2］。对于拥有显示和控制功能的触摸屏，设计人员不仅要考虑视觉信号的显示和手臂的可及范围，还需要考虑使用者的手部尺寸和使用习惯，并结合触屏本身的特性进行设计。

3 结语

本文从控制室布置、工作站的设计到具体的信息显示和手动控制器的设计几个方面综述了与控制室布置与盘台设计相关的标准，总结了主要的设计参数和人因工程准则，并讨论了在相关人机接口设计中需注意的问题。在以人为中心的设计理念下，人因工程的分析、验证和确认等活动贯穿了人机接口设计的整个过程。设计人员在不同阶段对设计原型进行检查，可以确认设计是否能满足人因工程准则和使用需求。若有不符合的情况，则设计人员需要进行分析和调整。控制室布置与盘台设计是核电站控制室人因工程设计和评估的一部分，相关的思想和理念与其他人机接口和工作环境的设计相通［20］。希望本文的相关探讨能为核电站控制室人机接口的设计和评估活动提供参考和帮助。