核电厂数字化系统人机界面的设计

【摘 要】随着数字化技术的发展，DCS系统在核电领域的应用正处于上升的趋势，控制室的信息显示内容和显示方式发生了重大变化，有效地改善了人机接口。本文从数字化控制室人机界面设计原则、人机界面的详细设计、显示画面设计以及画面设计中的人因工程原则几个方面进行了描述。

【关键词】数字化系统；人机界面；画面；人因

1 数字化人机界面介绍

1.1 数字化人机界面概述

安全是核电存在和发展的基础，一旦发生事故，不但造成重大的人员和经济损失，也会产生超出自身范围的巨大社会负面影响。而主控制室是核电厂信息显示、信息处理和控制中心，对保证核电厂可靠与安全运行有着至关重要的作用。至今为止，所发生的重大核电事故，例如：三哩岛、切尔诺贝尔核电站事故，经论证都是人因失误造成的[1]。两次重大事故之后，世界各国在主控室设计方面都开始考虑人机工程学因素。大量的核电工程实践表明有效的控制室人因工程设计与友好的人机界面对减少人因失误、提高核电厂的可利用率有积极的作用。因而，核电厂主控制室设计者在充分考虑电站功能的同时，更注重主控室人机界面的设计。

1.2 数字化人机界面设计的基本原则

为了满足反应堆的安全目标和运行目标，一般采用以下的数字化人机界面的设计原则：

简洁：显示画面应尽可能简单、清楚、易于理解，画面涵盖操纵员所关注的主要信息；

灵活和高效：运行参数应可以多种显示方式，如模拟图、参数表、趋势曲线等，以适应不同的监测目的；

一致性：整个人机界面设计要保持画面设计风格一致性，包括图形元素、标志符号、颜色、闪光的使用应保持一致，符号和标注文字的大小应保持一致；

美观：注意颜色的选用和色彩搭配，保证显示画面清晰，避免视觉疲劳。

2 数字化人机界面的设计

2.1 总体描述

在主控室内，每个操纵员站由以下设备组成：

带操作系统的服务器；

多个多功能屏幕；

鼠标、跟踪球；

标准键盘；

当操纵员登陆后，人机界面显示默认的画面，屏幕的功能并未从技术上进行限制，操纵员可根据需要对于各屏幕的功能进行设置和选择。

大屏幕位于主控室前方，显示核电站状态的重要参数。

2.2 操作功能描述

操纵员站的主要功能如下：

画面功能

日志功能

报表

历史趋势显示

在线记事本

计算

挂牌功能

计算机化规程显示和操作

报警处理和显示

I&C故障列表

维护功能

打印功能

权限管理等

2.3 人机接口

2.3.1 屏幕布置

操纵员站屏幕分成几个子区域：

1）主面板区

对操纵员可用的系统信息

连接到相关人机界面功能的按钮

连接到和操纵员相关的服务功能的按钮

2）功能标题区

功能标题区可以显示功能描述等信息。

3）功能对话区

每个功能都有各自的功能对话区。

4）画面显示区

显示区用来显示过程数据。

2.4 字体

中/英文字体符合标准要求，字体的大小基于人因以及操纵员和显示器的距离等基于人因分析的结果得出。

2.5 数据时间格式

时间显示格式：HH：MM：SS.mmm

日期显示格式：YYYY-MM-DD

日期时间显示格式：YYYY-MM-DD HH：MM：SS.mmm

2.6 颜色定义

1）报警级颜色定义

报警指示用颜色和闪烁来代表报警的不同级别和状态，用不同颜色标识不同报警级别。

2）趋势曲线颜色

在同一副趋势图中最多可定义多条趋势曲线，曲线色差满足标准对于色差的要求。

3）介质颜色

不同介质采用不同的颜色定义，介质主要有：

气、油、浓缩物；水、蒸馏液；废液，冷凝液；蒸汽；冷却水等。

4）电路母线颜色

不同电路母线采用不同的颜色定义，母线电压主要有：

500kV/220kV/24kV/220V（AC）；6.6kV（AC）；380V（AC）；230V（DC）；48-125V（DC）

3 显示画面设计

3.1 画面布置设计原则

3.1.1 画面布置原则

在画面设计过程中，采用以下的原则：

1）在所有画面上，图形对象的相对位置要保持一致；

2）当几个不同的画面中包含同样的设备时，这些设备在不同画面的相对位置要保持一致；

3）将画面中的趋势曲线对象优先放在屏幕中于相关参数接近的位置；

4）尽量减少管道拐角和管道交叉。在必须交叉的情况下，没有连接的管道需要跨越表示；主要管道和设备优于次要管道和设备，水平方向管道优于竖直方向管道；

5）根据运行经验和习惯，对象位置的选择应该符合流体从左至右，从上至下的流动方向，在可能引起混淆的地方应添加箭头来标明流向；

6）为了保证显示画面的可读性，对象之间应该有充足的空间。

3.1.2 画面连续性

当同一个流程的功能被划分在不同显示画面中时，应该保证视觉效果的连续性。设计中可以通过两种方法来实现：一是画面之间保持部分重叠；同时采用合适的动态导航链接。在画面设计过程中应保证采用合适的动态导航连接，对于较重要系统的重要设备可以保持部分重叠。

3.2 数字化系统画面的分类

数字化系统画面分成：工艺过程系统画面和综合画面等类型。

3.3 数字化系统画面元素

显示区域显示的元素主要有可操作的动态数字化元素、不可操作的动态元素、无操作的动态显示元素以及静态显示元素几类。

3.4 管线尺寸

工艺流程图中按不同的特点分为以下三种不同线宽的管线类型：

主工艺管线

次工艺管线

辅助工艺管线

4 人机界面设计中贯彻的人因工程原则[2]

近几年来仪表和控制采用系统数字化技术使得显示内容和显示方法与以往采用的模拟式仪器仪表相比发生极大变大，操纵员通过人机界面获得有关反应堆辅助系统运行工况的监测信息，执行非安全级设备的操作控制，人机界面变成了控制室人机接口最集中的地方。因此在人机界面的设计中适度运用人因工程学原则，设计友好的人机界面，减少人为失误对实现反应堆的安全和可靠运行有重大意义。

人机界面的设计从以下几点着重考虑人因工程原则和运动的实施。

4.1 提供最佳数量的信息

总结以往核电站运行经验，不是控制室给出的信息越多越好。数字化人机界面设计中，最重要的任务是恰当组织画面，既要保证整个工艺系统显示的完整性，又要注意在每一幅画面中信息的多少。每一幅画面中信息量过少，势必导致画面设计过多，信息过于分散；每一幅画面单调，操纵员关注程度降低，不利于掌握系统状态。每一幅画面信息量过多，则加重了操纵员脑力和心理负担。

4.2 人机功能分配最佳化

对相应电站的全部运行工况和事故工况进行分析后，进行任务分配，根据人、机的不同特点，确定最优的人与机器的功能分配。人机功能的合理分配，提供了自动化控制水平，减轻了操纵员负担和体力消耗。

4.3 人-机-环境整体设计

把人-机-环境作为一个整体，在人因工程学研究指导下进行系统化设计，在数字化控制室中，操纵员通过视觉器官接收信息，因此人机界面中符号、颜色等信息的显示应具有可理解性、一致性惯例。

4.3.1 色彩搭配

颜色环境会对人产生心理与生理的影响。操纵员长时间在控制室里监视反应堆运行，完成工艺系统的操作，需要在紧急情况下迅速做出决策，因此为操纵员创造一个良好的工作环境，选用适宜的色彩对减轻操纵员心理负担、减轻视觉疲劳及舒缓工作压力有一定作用，因此人机界面的设计遵循核反应堆中的法规和设计准则，而且要合理地运动色彩。

4.3.2 管线设计

详细见本文3.4节。

4.3.3 符号设计

1）符号的形式

采用工程标准标识符号的计量单位，基本与系统流程图保持一致，减少操纵员对显示信息意义解释的认知要求。

2）符号大小

按照人因工程原则，显示字符的大小应考虑在规定的视距内，人眼对字符的观察张角，制定了适合操纵员的最佳大小的图符。

5 结论

数字化控制室的设计涉及一系列新的问题和技术，数字化仪表控制系统的设计和实施是一次有益的探索和实践。对人机界面设计的验证和确认工作正逐步展开，通过验证和确认及其后的实际使用和评价可以检验人机界面对人因工程的复合程度，人-机功能分配的合理程度，以及各个显示画面的设计是否具有充分性、综合性和易理解行，这些将为数字化人机接口设计积累宝贵经验。

【参考文献】

[1]黄曙东，戴立操，张力.核电站事故前人因事故可靠性分析[J].中国安全科学学报，2003，13（2）：50-53.

[2]曲荣红，张良驹，李铎，于晖.数字化反应堆控制室人机界面的设计[C]//全国第四届核反应堆用核仪器学会会议论文集.