数字化核电厂总体运行人机接口研究

陆斌 李骜

摘要：为满足数字化核电厂总体运行任务集成度高、操作复杂的运行要求，同时为了充分发挥数字化核电厂灵活、多样、可靠的优势，有必要开展数字化核电厂总体运行人机接口设计方法分析和研究工作。本文通过研究分析总体运行功能分析要求及其相关人机接口的特性需求，整理出总体运行人机接口设计的总体思路，并以此为基础开展人机接口设计方法研究，对核电厂总体运行所需信息进行模块化处理，制定总体运行人机接口设计方法，为数字化核电厂人机接口的设计开发提供借鉴和参考。

关键词：数字化核电厂;总体运行;人机接口

中图分类号：TP311     文献标识码：A

文章编号：1009-3044（2021）16-0237-03

开放科学（资源服务）标识码（OSID）：

1 前言

核电厂的两大总目标为受控发电（可用性目标）和防止向环境释放放射性（安全目标）。围绕两大目标，核电厂的运行概括来说可分为正常运行和事故运行，其中正常运行中的电厂启动/停运与事故运行时的事故处理是核电厂中最重要，同时也是最复杂的总体运行任务。在数字化核电厂中，从数字化运行角度来说，所有的运行任务（包括：单系统运行任务和总体运行任务）最终都将通过人机接口来实现。数字化核电厂应开展总体运行相关人机接口设计以满足总体运行任务需求。一方面为了满足核电厂总体运行任务对操纵员总体把握和快速响应的运行要求，另一方面充分发挥数字化核电厂灵活、多样、可靠的优势，需开展数字化核电厂总体运行人机接口设计方法分析和研究工作，從而为数字化核电厂提供友好有效的人机接口，保证核电厂安全、可靠、经济的运行。本文首先对数字化核电厂总体运行人机接口设计的总体思路进行研究分析，然后开展数字化核电厂总体运行任务分析和功能分析，在此基础上进行相关人机接口设计方法研究，建立一套适用于数字化核电厂总体运行任务的功能分析和人机接口设计方法。

2 总体思路

基于总体运行需求及其相关人机接口的特性要求，梳理出数字化核电厂总体运行人机接口设计的总体思路，可以分为三个阶段：

1）功能分析设计阶段

2）人机接口要求设计阶段

3）实施与验证策略目标分析

2.1 总体运行功能分析要求

人机接口需求的设计，取决于电厂运行的功能要求。因此，在人机接口功能要求设计前，需首先结合电厂的工艺设计、运行管理等特点和运行策略分析、事故分析等上游分析结果，进行核电厂总体运行的功能需求分析，以得到完善的、分解性的、数字化相关的总体运行文件的阐述资料（即功能分析报告和分析表）。在功能分析报告中包括核电厂总体运行的策略、所需的人机接口、操纵员的功能分配和策略中每个条款的种类、所需的信息或设备等。

2.2 总体运行人机接口要求

完成功能分析后，则需按照设计导则与规范开展人机接口要求的设计，以作为后续人机接口开发的依据。

2.2.1 人机接口设计要求

人机接口要求设计的目的是依据功能分析文件开发出具备可执行性的、满足有关法规标准要求、满足主控室显示性能要求的数字化总体运行人机接口要求，具体设计要求如下：

1）总体运行人机接口需满足NUREG-700、NUREG-711等有关法规标准。

2）总体运行人机接口要求是在单系统画面基础上开发出来的。在没有特殊需求的情况下，所有的显示图素均来自单系统画面。

3）所有的人机及接口要求开发需遵循统一的原则，使得风格统一。

2.2.2 人机接口人因要求

在人机接口开发的过程中，还需要注意人机接口的人因要求，保证人机接口的有效性和友好性，主要的人因要求如下：

1）设计标准信息布置模版，使得人机接口的界面更加友好，更便于运行人员寻找和使用相关信息。

2）设计中兼顾人机接口的信息完整性和功能的综合性。

3）设计中注意精简人机接口的规模和数量。

4）对初步设计结果进行优化，使得所设计的人机接口更加符合人因和设备特性。

2.3 总体运行人机接口实施与验证

在完成人机接口要求设计后，则需开展有关的验证和确认工作，工作分为两部分，具体包括：

1）工程验证机（FES）上的验证与确认;

工程验证的目的是在设计过程中提供及时的反馈，工程试验的结果用来对设计进行完善。

2）全范围模拟机（FSS）上的验证与确认。

全范围模拟机上验证的目的是检查操纵员要求的信息和电厂/设备控制功能在人机接口设计中是可用的，布置的位置恰当，并以需要的格式显示（例如，图符，小数点位数，报警指示等）。

3 总体运行人机接口设计方法研究

在确立总体运行人机接口设计方法的总体思路后，进行详细的总体运行人机接口设计方法的编制。根据总体思路划分的设计阶段，设计方法主要包括总体运行功能分析策略、人机接口要求设计流程以及实施与验证。

3.1 总体运行功能分析策略

数字化总体运行功能分析的策略主要包括功能要求分析、功能分配、操作策略分析以及任务分析验证四个方面，具体流程示意图如图1所示。

具体过程和分析如下：

1）功能要求分析用来确定为满足电厂安全目标和经济目标而必须执行的功能。

2）功能分配定义用来对电厂控制要求和控制功能分配的分析。

3）操作策略分析包括控制室任务分析和就地控制站的任务分析。

4）任务分析验证的关键是：

（1）可用信息的完整性

（2）执行任务的时间

（3）操纵员工作负荷分析

（4）运行人员配备

3.2 总体运行人机接口设计流程

根据总体运行功能分析策略的输出结果，开展图1中“人机接口”的设计。

3.2.1 总体运行的人机接口功能分析

为了设计总体运行人机接口，首先根据总体运行任务，分析总体运行策略所需要用到的监视和控制功能，根据核电厂工艺和仪控系统设计，对监视和控制功能进一步细化，确定电厂启停和事故处理所需要的监视和控制信息，为后续人机接口的设计提供基础。

3.2.2 总体运行人机接口设计技术方案

总体运行人机接口设计的流程如图2所示，具体技术方案如下：

1）对总体运行任务中的功能进行筛选，获得需要进行模块化设计的功能清单。确立主要功能模块的原则如下：

（1）功能模块应包括核蒸汽供应系统所需控制功能（如稳压器压力水位控制，蒸汽发生器水位控制等）、核电厂运行模式转换瞬态过程中所需的监视信息（如棒位图、一回路压力/温度运行限制图等）;

（2）功能模块用于总体运行过程中的需快速执行的大瞬态操作或涉及多个系统的复杂操作;

（3）功能模块应具有一定的通用性，可用于不同总体运行任务的反复调用。

2）对功能模块的信息进行整合，得到总体运行人机接口包含的模块信息清单。

3）为便于运行，减少屏幕的切换操作次数，每个总体运行人机接口需能显示在一个屏幕上;因此，鉴于信息数量的局限性，需要对信息清单进行整合和筛选。筛选和分类原则如下：

（1）功能模块中主要操作步骤中的控制操作手段和监视手段应直接包含在总体运行人机接口中;

（2）为保证操作和信息反馈的一致性、有效性，对功能模块中的控制操作手段和所对应的信息反馈和主要操作步骤中需直接要求的监视信息应直接包含在总体运行人机接口中;

（3）对于主要操作步骤中没有直接要求的监视信息，但可便于操纵员了解功能模块上下游的情况，可在总体运行人机接口中仅保留概况信息或增加去往单系统画面的导航链接。

4）完成信息的筛选和分类整理后，在综合考虑操纵员的操作习惯后，需确定固定的布置原则，合理的布置各种信息，完成总体运行人机接口的设计。布置原则是：

（1）总体运行人机接口的布置应以相关单系统显示功能为参考，以保证信息显示的规律性，方便操纵员学习和使用;

（2）总体运行人机接口一般是以与单系统显示功能相似的流程形式布置信息或以某個重要设备（如：稳压器、压力容器、汽轮机等）为中心布置信息;

（3）布置信息时应清楚的显示各个系统和设备的上下游关系，用深色背景对不同系统加以区分以增强可读性;

（4）导航链接应就近布置。

5）分析评价总体运行人机接口中操作和监视信息，判断总体运行操作和监视的信息完整性，补充所需信息，以满足总体运行要求。

3.2.3 设计结果评价和验证

在完成人机接口要求设计后，则需开展有关的验证和确认工作。人机接口确认与验证的范围包括：

1）人机接口信息的完整性;

2）人机接口信息的正确性;

3）人机接口信息布置的合理性;

4）人机接口上其他辅助控件的功能满足运行要求。

通过验证和确认，验证数字化核电厂总体运行人机接口的设计满足数字化核电厂对于电厂启停工况和事故工况下的功能要求。

4 总结

从数字化运行角度来说，所有的运行任务都由操纵员通过数字化人机接口来实现。高质量的功能分析和人机接口，是保证核电厂运行的安全性与经济性的重要条件。本文通过研究分析总体运行功能分析要求及其相关人机接口的特性需求，整理出总体运行人机接口设计的总体思路，并以此为基础开展人机接口设计方法研究，首先进行总体运行功能分析策略，然后根据功能分析策略的结果开展人机接口设计技术方案研究，得到人机接口设计方法。

本文所述的数字化核电厂总体运行人机接口设计方法采用模块化设计理念和全流程设计方法皆来源于核电厂的通用的功能分析和人机接口要求，而不限于不同堆型电厂的具体设计，因此可为各种堆型的数字化核电厂的人机接口的设计开发提供借鉴和参考。

【通联编辑：梁书】