流程工业控制室人因工程设计

2022-08-30李雪，刘琛

仪器仪表用户 2022年9期

李雪，刘琛

（中核第七研究设计院有限公司，太原 030012）

0 引言

流程工业作为国民经济和社会发展的重要支柱产业，生产环境常常伴随有高温高压、易燃易爆以及有毒有害物质，其开车、停产程序复杂且代价巨大，一般不允许轻易停工，对生产的安全性、连续性和稳定性要求较高。控制室作为全厂的控制中心和管理中枢，集合着复杂的监测和控制系统，操作人员在控制室的每一项操作都可能对生产造成影响，要求操作人员必须熟练操作并能迅速准确地完成可能发生的应急处置任务，给操作人员带来较大的心理压力。控制室人因工程的目的是研究如何最大限度地发挥操作人员及仪控设备的效能并减少操作人员的差错。以安全事故危害较大的核电为例，有关资料研究表明，人因造成的核电厂运行事件高达70%，应用人因工程后，可有效避免约25%的故障和事故[1]。因此，有必要在流程工业控制室设计中应用人因工程，构建一个舒适的工作环境，最大限度发挥人员和设备的效能，减少人因失误造成的故障和事故。

1 流程工业控制室特征

过程工业控制室通常位于主厂房群内，具有生产操作、过程控制、安全保护、先进控制与优化、仪表维护、仿真培训、生产管理及信息管理等功能，主要对生产系统的工艺参数及供电系统相关参数进行监控。

1）网络集约化

控制室开始由单/多路系统监控向网络化监控转变，针对流程工业生产系统进行网络级监控、协调、指挥管理和信息共享。在事件发生时，通过采集运行数据和视频等信息，利用通讯手段进行指挥。

2）数字综合化

随着流程工业控制室数字化的发展，人机接口的自动化程度大幅提升。实时分布式数据库广泛应用，数据的综合处理能力增强，为运行人员提供的信息量也日趋庞大。在运行状态出现异常时，运行人员无法快速直观地获取相关信息和工况变化，可能造成关键信息获取不及时甚至遗漏，延误异常事件的处置，增加运行人员的精神负担和工作负荷。

3）专业协同化

流程工业的运行安全保障、运行监测指挥、运行异常工况处置、运行信息显示等方面均对控制室提出了专业协同化的网络管理需求。以工业控制系统为媒介，实现各岗位操作的数字化交互和操作结果数字化、结构化记录，为系统的正常运行和异常事件处置提供了有效联动和全局式的信息共享。

2 控制室人因工程设计原则

引入人因工程的前提是保证控制室功能不受影响且能正常控制过程工业产线按计划运行。对人的因素和人机关系的考虑应贯穿于设计全过程，将人因造成的失误和控制系统故障造成的相关事故发生的可能性降到最低。

2.1 安全性原则

引入人因工程的首要原因即减少人因造成的故障和事故，提升流程工业运行的安全性。在保证人员安全的前提下，事故发生时能迅速报警，提醒操作人员采取处理措施，并能通过人因工程的应用使流程工业快速恢复至安全运行状态，最大程度降低事故影响。

2.2 可用性原则

引入人因工程的前提是保证控制室功能不受影响且能正常控制流程工业产线按计划运行。对人的因素和人机关系的考虑应贯穿于设计全过程，将人因造成的失误和控制系统故障造成的相关事故发生的可能性降到最低。

2.3 监测与控制集中化原则

为保证操作的及时性和生产的安全性，应最大程度将监测功能与操作控制功能集中到控制室，一方面可简化运行操作，便于人员远程控制；另一方面可在报警发出时，通过集中操作提升操作人员预警处理效率，减轻心理负担，在紧急情况下集中精力判断预警原因，思考预警处理的最佳操作，提升运行安全[2]。

2.4 人机功能合理分配原则

根据人因工程基本原则，应充分考虑“人机关系”，使人机功能分配最佳化，人机接口合理化[3]。机器可负担且操作简便的任务应优先分配给机器完成，必须人完成的任务应保证人员操作的便捷性和安全性，以充分发挥人机的综合效能，安全有效预防和处理流程工业的运行事故。

3 控制室人因工程设计流程

控制室人因工程设计以流程工业控制室功能要求为依据，以保证流程工业安全运行，减少人因误操作为目的进行逐层分级设计。其中，功能分配遵循“人机适配性原则”，充分考虑人机的处理能力和限度，分配给机的功能为自动控制所能完成的功能，无法通过自动控制完成的功能分配给人。控制室人因工程设计流程如图1。

图1 控制室人因工程设计流程Fig.1 Control room human factors engineering design process

3.1 控制室布局设计

控制室的布局设计是运用功能联系把多个控制台安置在控制室的有效空间内，通过将功能群组转换为适当尺寸的控制台和布局的调整来保证流通空间和维修通道[4]。

基于人因工程的控制室布局设计原则：①空间和环境布置应以保证人员安全和不影响操作员主要职责的履行为前提；②活动空间充足，保证人员工作活动的舒适性，同时活动区域应尽量避开操作员工作视野范围；③位置布置充分考虑各岗位操作分工、联系和监督要求，保证单独作业与协同作业的有效衔接；④信息共享，保证显示大屏在各相关控制台均可观察到。

3.2 人机界面设计

人机界面设计需要确认的问题：功能需求——人机界面应包含的全部功能，如远程启停机、参数监测、历史记录查询等[5]；人员信息——操作员、值班长的操作习惯、年龄特征、人体形态特征、心理表现特征等；界面显示规则——符合相关技术标准和人因工程要求的字符字体大小、颜色、亮度、图形样式、画面切换方式等；人机交互原理——交互技术、交互设备、交互界面等[6]。

基于人因工程的人机界面设计原则：①界面简洁明了，易于理解；②参数显示形式多样，调取操作简单；③界面设计风格一致，操作逻辑一致；④系统状态和操作反馈可视化；⑤界面模块分区符合操作习惯。

3.3 控制台设计

控制台是控制室的重要装备，操作员以控制台为核心枢纽完成运行工况监测、参数调整、远程指挥等运行任务。控制台的设计与人因可靠性、工作效率、职业健康等紧密相关[7]，进行设计时，应以作业分析为基础，充分考虑人的特征与需求。

基于人因工程的控制台设计原则：①控制台布置应结合岗位沟通、协作关系，为操作员提供足够的活动空间；②控制台布置应充分考虑人的能力、生理限度及心理需求等；③控制台及台面器件的外形与尺寸应根据使用者的人体尺寸确定；④控制台器件布置应确保操作员可轻松看清运行信息；⑤控制台的布置与设备外形选择应使设施易于修理。

3.4 环境设计

控制室的环境直接影响操作员的安全、健康、舒适和工作效率。根据HAF·J0055《核电厂控制室设计的人因工程原则》[8]中控制室环境的设计规定，主要针对热环境、照明环境、声学环境开展设计。

控制室热环境应符合人体和设备要求，以保证人的身心健康和设备的高效运转。结合温度、湿度、气流、热辐射、衣着等影响热环境的主要因素，设计时需考虑暖通空调的布局位置、设备散热、人员数量、光照、地理位置等因素，分别对冬季和夏季环境进行设计，使热环境的各项参数控制在规定范围内。冬季以15℃～20℃为宜，夏季以20℃～28℃为宜，相对湿度保持在40%～65%为最佳[9]。

控制室照明环境直接影响操作员的视觉工效、作业准确性及安全性。针对流程工业24h不间断运行的特点，控制室照明环境应采用人工照明为主，自然采光为辅的方式，要求控制室照度为300LX。考虑人员作业和活动的视觉需求、作业流程、设备布置等因素，对照度、均匀性、阴影、反光等影响照明环境的主要因素进行分情境设计。另外，事故照明系统必须单独供电，设计时还需考虑光通量、照明系统转换时间等因素。

控制室声学环境的人因工程设计目的是为操作员提供良好舒适的听觉环境，便于交流通讯和工况的监听，减轻操作员的听力分散、烦躁和疲惫。通过对语音清晰度、吸音材料、设备噪声、回声等对控制室的声学影响分析，结合优化音质和降低噪声两方面的措施对控制室音质、设备降噪、建筑隔音等方面进行设计，保证环境噪声不大于45dB，回声时间小于1s[10]。控制室环境设计考虑因素如图2。