人因工程及网络直播技术在核电厂全范围模拟机教控台系统上的应用

陈 喜，纪明月，陈胡萍

(中核国电漳州能源有限公司，福建 漳州 363300)

核电厂全范围模拟机(简称“模拟机”)教控台系统在近几十年的发展过程中，相较于核电堆型演变而言，整体技术更新偏慢。核电机组实际主控室的软硬件由设计院统筹规划，兼顾多种因素进行设计，并经反复验证。而模拟机教控台系统，由于规模小、用户少，软硬件设计仍停留在“有即可”，或是“满足用户需求的功能堆叠”层面，并无总体的设计考虑。

在核电机组主控室普遍追求摆脱强工业气息、为操纵人员营造舒适工作环境的情况下，作为核电厂操纵人员培训与执照考试的关键设施，模拟机自身也须考虑教员、考官的用户体验，缓解长时间封闭性工作带来的压抑感和疲劳感，从而提高操纵人员的培训及考试质量。同时，模拟机作为电厂面向同行、评估组织及安全监管当局的重要窗口，其质量应是全面性的；良好的教控台设计，必然影响到各类“用户”的评价。

人因工程学在不同领域的说法不一，包括人机工程学、人类工程学、人间工程学等[1]。国家标准《人因工程在核电厂系统、设备和设施中的应用》对其定义为“一门与人员使用方式的设计过程有关的综合科学与技术”[2]。近年来，随着人民生活水平、工业设计及制造水平的提高，产品的实用、好用属性逐步提升，人因工程技术已被广泛应用于各行各业。在模拟机教控台系统设计上，可基于人因工程技术，并结合当下流行的网络直播技术，将教控台系统功能从解决有无升华到便利、好用、舒适的层次，全面提高人机功效。

1 核电厂模拟机教控台系统应用现状

1.1 硬件设计缺乏人因工程考量

1)模拟机教控室的空间普遍紧凑，早期的M310机组尤其明显。在日常教学期间，教控室仅有一到两名教员，拥挤的情况不明显；在执照考试期间，将增加3名考官、1名监督站官员及1名安全质量监督人员，教控室的空间则捉襟见肘。即使是近十年建造的核电厂，少数教控室仍然出现考官没有良好的学员观察窗口的情况，对执照考试有一定影响。

2)教控桌与DCS多画面墙(简称“多画面墙”)的布置不佳。常见的教控桌成L型，多画面墙为一字型。阳江核电第一、二套模拟机，多画面墙布置于教控桌右侧，教员在教控桌左侧，导致教员作为关键用户却不便使用多画面墙。福清核电各套模拟机，多画面墙布置于教控桌的左侧，虽靠近教员，但L形教控桌及其桌上设备却遮挡教员视角。同时，部分电厂还存在多画面墙紧挨单向玻璃，而教控桌与单向玻璃有一定距离的情况；该设计未满足“教员、考官应具有良好的学员观察窗口的优先设计理念”，且由于教控桌的阻挡，教员、考官难以观察靠单向玻璃端的DCS画面。

3)教控桌设计不符合人因工程学。多数教控桌仍采用工业气息浓厚、未经特定设计、具有较大下部设备布置空间的大方桌。设备摆放未以教员为核心，一字型布置所有操控设备，无法做到各类设备皆由教员触手可及。过多的计算机被置于教控桌内，导致教控桌下方进深不足，人员腿部无法伸展，不便久坐；同时又因教控桌下方空间拥挤、设备众多，导致维修不便；部分设备为工控机，布置于教控桌内，环境噪声提高，一定程度上影响舒适度。

4)未考虑考官需求。绝大多数情况下教控室仅由教员使用，但执照考试期间的考官体验是极其关键的。目前，多数电厂考官位仅配置少数DCS操纵员站，也有部分电厂未给考官配置任何设备。如此，考官对机组的整体状态、特定设备参数、学员操控的跟踪与评判必然有一定局限性。从操纵员培养的重要性及培训服务角度出发，不应存在模拟机教控功能不足导致执照考试监考质量不佳的情况。

5)多画面墙存在持续放大、密集堆叠的情况。近年来，随着堆型换代及教学需求的拓展，出现了多画面墙持续增加屏幕的情况，但并未考虑教员观察视角、辐射散热及整体外观等。屏幕数量已由早期大亚湾核电厂M310模拟机的14块扩展为华龙模拟机的24块，且单屏由19寸增大为24寸。多画面墙监控范围逐步扩大，但监控效率与屏幕数量并不成正比。屏幕数量及单屏面积的提升，仅通过鼠标或DCS画面原有操控提示，教员很难快速定位学员的实时操控，这导致屏幕虽然大量增加了，但却没有更好的实现多画面墙设立的初衷。

1.2 软件功能形式单一

1)教学视频录制软件静态批注功能落后。目前，各电厂模拟机教控台的视频录制软件支持教员输入文字，以对特定时间点的模拟机状态或学员操作做批注，并在视频播放时以静态文字形式在画面之外显示。此批注方式已明显落后于当下的网络直播技术，其等同于教员手写记录，效果生硬、使用率低。

2)DCS画面监控系统无法跟踪单操纵员连续操控画面。在学员DCS画面监控及录制方面，缺少对单一学员操控画面进行持续跟踪的功能，即在一个监控屏幕中顺畅切换单一学员操控的所有画面；另一方面，因录制线路及存储空间有限，系统无法录下所有画面。总体而言，不利于评判、打分及课后分析教学。

3)教学分析室缺少模拟机工况重要参数查看功能。模拟机分析课中，通过两种方式查看电厂参数，一是教员在模拟机培训时打印了纸质工况信息，二是教员预先录制了DCS目标画面。前者作为纸质材料，无法满足全员实时查看需求；后者由于学员持续操控DCS画面，所录制数据的可控性不佳。

2 人因工程及网络直播技术在教控台系统的应用

2.1 汽车驾驶室设计理念

众所周知，汽车驾驶室的设计全面考虑人因工程学。教员是模拟机的操盘手，教控室即是教员的驾驶室，教员的视野、肢体运动空间、操作便利性等皆需精心设计，以便在生理、心理方面为教员营造便利性、舒适性，打造以教员为核心的教控室。

在教控室的总体设计布局上，应围绕操盘手为核心。参考汽车驾驶室中控台、方向盘及左侧门构建的综合控制体，教控室应为教员构建独立的弧形卡位，同时多画面墙布置于教员一侧。即在总体布置上，将教控桌及多画面墙布置成L形，同时在局部将二者分别做成弧形内倾，达到教员触手可及所有监控设备的效果(见图1)。

图1 教控室总体布置图Fig.1 General layout of the teaching control room

2.2 人因工程学教控桌

类比汽车主驾及副驾，教控桌区分为教员位和考官位，基于教员与考官的不同用户需求做设备布置设计，并从人因工程学角度改进舒适性、便利性。

1)各类设备首先以教员为第一用户做优先设计考虑。总体上，以弧形布置教练员站、非安DCS操纵员站、视频监控计算机、办公电脑、通讯电话等；部分设备也可嵌入桌面，如M310机组小型SVDU。在此基础上，结合临近的多画面墙，教员作为操盘手，可在主驾位全面掌控模拟机。

2)考官位一般设置3个座位，可布置视频监控计算机、非安DCS操纵员站、办公电脑等。视频监控计算机可实时跟踪单一学员连续操控，非安DCS操纵员站供考官查看机组状态，办公电脑用于查看规程或兼职教员临时办公。此外，可将模拟机备用教练员站信号接入考官位显示器，实现副驾作为主驾备用的效果，可以避免教控桌设备过多、所占空间增大的情况。

3)舒适性及便利性方面，可在4个小点上做改进。第一，为解决人员腿部空间伸展、设备噪声及设备运维便利性等问题，多数主机采用远程集中布置，教控桌下方设置600 mm纵深活动空间。第二，弧形教控桌的突出位，可设置储物柜或布置主机，提高空间利用率。第三，教控桌显示器侧下沉一定高度，结合可调节支架，保证显示器不遮挡人员观察视角。第四，教控桌布置嵌入式USB插排、内网通讯口，便于教员、考官使用便携式信息设备。

2.3 多画面墙设计方案

通过多倾角设计，基于人因工程试验，并结合视频显示技术和特制软硬件，实现同时利于人员落座及站立时的观察、大小可控、便于快速定位的多画面墙。

图2 多画面墙设计草图Fig.2 The design schematic of DCS multi-screen wall

1)多画面墙可在3个方面做倾角设计(见图2)，以同时达到提供良好观察视角并减少设备横向空间的好处。第一，将远端两列显示器在垂直方向上做内倾布置，如内倾30度。基于此设计，教员无需移动到远端，小幅度的转身即有良好的观察视角。第二，将最下排显示器水平上倾10度，以此降低最下排屏幕高度，从而降低多画面墙的整体高度，在人员落座及站立时皆提供良好的观察视角。第三，如有4排屏幕，则将最上排屏幕水平下倾10度，从而降低多画面墙整体高度，以保障人员落座及站立时的观察视角。

2)关于多画面墙高度、内倾角度及其与教控桌的距离设计，应尽可能开展人因工程试验。在阳江核电第三套模拟机教控台系统建设过程中，模拟机维护人员搭建试验台架，安装显示器，连接DCS画面，邀请教员进行抽样试验，并做综合分析。关于抽样样本，可参考最新的《中国居民营养与慢性病状况报告》[3]平均身高数据，并结合男女教员比例选取样本。抽样记录文件参考表1。

表1 多画面墙设计抽样调查表Table 1 The sampling questionnaire for DCS multi-screen wall design

3)可通过3个方法进一步控制多画面墙大小。第一，采用单排屏幕整体切换技术，增加视频切换矩阵，根据特定培训课程，更改所监控的整排操纵员站。比如模拟机由正常运行工况培训转入协调员培训，则将单排监控屏幕整体切换到SRO操纵员站。需要指出的是，并不是监控屏幕越多就越好，或越大就越好，需兼顾考虑辐射散热、更大的墙体所带来的压抑感、过多屏幕是否降低定位效率等。华龙一号主控室操纵员由M310的两名扩展为三名，对应模拟机多画面墙增加了一排监控屏幕，但并没有为第3名操纵员开发特有课程，新增屏幕的预期利用率不高。第二，某些情况下可采用画面拼接技术减少监控屏幕数量，比如M310机组两台800×600分辨率的小型SVDU可拼接成一个画面显示。第三，采用同分辨率但尺寸稍小的监控屏幕。早期的M310机组操纵员站一般采用19寸显示器，而漳州核电华龙机组为24寸，但DCS画面呈现信息并无太多变化。一般而言，在保证分辨率一致的情况下，适当降低显示器尺寸并不影响显示效果，但在调整前须做可行性测试。

4)为便于在众多的监控屏幕中快速定位学员操作画面，可增加小型灯做提示。学员在某个DCS画面上进行操作，则多画面墙对应屏幕亮灯。目前，在阳江核电第3套模拟机中已能做到在多画面墙上通过物理亮灯表明“本画面正在处于学员操控状态”[4]。

2.4 网络直播技术在监控软件上的应用

1)现今，电竞直播已可实现第一视角、裁判视角直播等。在模拟机教学监控领域，多数电厂仅做到选取一个固定的操纵员站进行监控及录像，不能对单一学员的所有DCS画面操控做第一视角连续监控。与上述多画面墙快速定位学员操作画面功能类似，基于同一硬件，可以同步实现对单一学员操控画面的连续监控及录像，更有利于教学及考官评判，无疑提高了模拟机课后分析及评分的可追溯性。本项技术已应用于阳江核电第三套、福清核电第三套模拟机中，尚需在画面切换延迟方面做优化。

2)网络直播技术的应用，不仅可提高系统使用率，也可应用于模拟机技能比武。目前，教员可在M310机组模拟机教控台系统录像过程中输入文字批注，以辅助课后分析；但批注多是静态的，需要手动点击才可显示，其使用率极低。可参考网络直播技术在两方面进行更新，提高趣味性、实时性。第一，增加图形组件及适量音频，如对学员的良好操作可参考网络直播“送火箭”；第二，增加动态实时弹幕，提高文字与画面的匹配度。

2.5 模拟机电厂数据监控系统

模拟机可向应急指挥中心发送数据，以在应急演习期间模拟机组实际运行情况。同理，模拟机也能通过该方式向教学分析室发送数据，并基于其自带的单向网闸以保证信息安全。在应用开发层面，其功能类似于实际机组电厂数据监控系统，可查看实时及历史数据。在模拟机本身已外发数据的情况下，该系统仅需做简单的数据处理及展示，以少量参数及趋势图为主。目前，各新建核电厂的模拟机教学分析室已配置2到3台大型显示器，做到同时播放录像、查看规程等，优于早期M310机组的单幕布，具备硬件基础。此外，结合上述网络直播技术，该系统的电厂重要参数及趋势显示可应用于模拟机技能比武。

3 总结

人因工程技术的有效应用，全面营造教学系统的舒适性和便利性，降低人员的疲劳感和压抑感，对操纵人员培训及执照考试起到正向推动作用。网络直播技术在模拟机视频跟踪监控及录像功能中的应用，结合模拟机电厂数据监控系统，为教学、课后分析提供有力数据支撑，并为尚未全面开展的模拟机技能比武提供一种可行的技术呈现方式。考虑到教学场景、DCS设备及用户需求的差异，本文所阐述的模拟机教控台系统设计方案在应用到不同堆型时，需要做适应性拓展和验证。