核电站主控室数字化操纵员评价系统

陈 玉，颜声远，陈文龙

（1.黑龙江科技大学 机械工程学院，黑龙江 哈尔滨 150022；2.哈尔滨工程大学 核科学与技术学院，黑龙江 哈尔滨 150001）

核电站主控室是对核电站运行状态进行监视和控制的安全中枢，是人-机交互最为频繁的场所。主控室的设备与操纵员之间构成了一个复杂的人机系统，二者的协调关系对于人机系统总体性能的正常发挥有着显著的影响［1］。人机协调关系不佳会降低人-机间信息交流的效率，增加事故发生的可能性。例如给人类社会带来灾难性后果的三哩岛［2］和切尔诺贝利［3］等重大核事故，皆揭示了人机关系的不协调增加了运行人员正确诊断事故原因的困难，从而延误了对事故的处理。国内核电站主控室人-机界面的协调关系评价主要采用在1∶1的木模上贴纸质的核电站主控室人-机界面画面，再邀请操纵员根据经验进行主观评价的方式。为了准确和高效地评价核电站主控室人机系统的复杂协调关系和提高核电站的安全可靠运行，研究出一种数字化操纵员评价系统具有重要的工程应用价值。本文以中国成年人人体标准尺寸为主要依据，研究人体模型的体段结构和运动控制模型，并在UG NX 工程数字化软件平台上开发操纵员评价系统，以方便快捷地对核电站主控室人机系统匹配关系进行分析与评价，提高评价效率。

1 数字化操纵员的设计分析

1.1 操纵员的数字化表达形式和参数分析

数字化人体模型的表达方式主要包括线框模型、实体建模以及曲面建模。线框模型虽可产生任意视角视图，但人体线框模型表达信息有限，真实感较差，当结构过于复杂时交线过多会造成视觉模糊。实体建模主要由体素（球体、椎体、长方体、柱体）及体素之间集合运算构成。曲面模型可在一定程度上描述三维人体模型的表面曲面外形，但不能提供人机评价所需的测量基准点、线和面。同时考虑到GB 10000—88《中国成年人人体尺寸》只提供了少量的人体表面特征数据，还无法建立完整的曲面人体模型。因此，本文采用实体建模方法构建人体模型。该方法不仅能清晰地表达人体模型的构造过程，而且能较准确地描述人体的几何特征，含有人机评价所需的测量基准点、线和面，便于对人-系界面进行人机工程评价。

本文将人体特征抽象成比较简单的几何实体，例如在关节处的外形抽象成球体，上肢下肢抽象为圆台，躯干及头部用立方体来表示。将操纵员人体模型划分成头、躯干、上肢和下肢4个部分［4］，其中躯干包括上胸、腹和下胸；上肢包括上臂、下臂和手3 个部分；下肢包括大腿、小腿和脚3个部分。操纵员人体模型的参数包括操纵员肢体尺寸、眼睛的可视域、手的触及域、肢体关节角度、字符视角以及手部尺寸等。操纵员的肢体尺寸依据GB 10000—88《中国成年人人体尺寸》确定；依据Nureg-0700的规定，同时参考DL／T 575.2控制中心人机工程设计导则第2部分（视野与视区划）、DL／T 575.3控制中心人机工程设计导则第3部分（手可及范围与操作区划分）以及文献［5］确定操纵员的可视域与可达域；GB／T 12984—1991《人类工效学视觉信息作业基本术语》与Nureg-0700均提出“字符可读性要求：最小字高应为16′（弧分），最大字高为24′（弧分），最佳字高为20-22′（弧分）”；肢体关节角度和手部尺寸参考GB 10000—88《中国成年人人体尺寸》以及文献［5］确定。

1.2 数字化操纵员具备的功能

以人体百分位数、身高或各部位尺寸参数3种方式创建人体模型。为适应这一需要，本文创建的操纵员人体模型具有按人体百分位数、人体身高或自定义人体尺寸方式生成人体模型。按百分位数和身高方式可方便地创建GB 10000—88《中国成年人人体尺寸》所规定的“标准”操纵员人体模型，自定义方法则可创建GB 10000—88《中国成年人人体尺寸》未规定的“非标准”操纵员人体模型。为满足核电站主控室人-机界面评价需要，创建的操纵员人体模型应具有以下功能：

1）可创建标准坐姿和站姿操纵员人体模型，用于不同作业姿态的评价；

2）可显示双眼视域、单眼视域，用于评价显示信息是否在操纵员视域范围内；

3）可按标准要求创建字符视角基准，用于评价字符是否可清晰辨认；

4）创建的标准字符视角基准可随头部转动，以适应对不同位置字符评价的需要；

5）可显示左右手可达域范围，以评价操纵设备是否可触及；

6）可调节各关节的角度，以满足对工作姿态舒适度评价的要求。

2 数字化操纵员评价系统开发及应用

在UG NX 6.0环境中，根据UG／Open［6］MenuScript独特的脚本语言定制自定义人体模型菜单，根据UG／Open UIStyler编辑器创建人体模型可视化对话框界面。在Microsoft Visual C＋＋6.0开发平台，采用UG／Open API搭建开发框架，并建立UG 工程，通过编译、修改程序源代码，在Microsoft Visual C＋＋6.0开发平台编写的API应用程序可嵌入UG 系统中无缝融合，从而实现数字化操纵员人体模型的开发。图1为开发的操纵员创建对话框及其评价对话框。

图1 操纵员人体模型评价菜单及其对话框Fig.1 Evaluation menu and dialog of operator human body model

在UG 环境中，按核电站主控室人机关系的实际尺寸建立三维虚拟模型，在人体模型模块中创建中国成年人男性第50百分位的人体模型。将人体模型准确装配到模型中的作业位置，设置人体模型和三维模型的人-机位置关系，结合UG 的角度分析与尺寸测量功能模块进行视角测量和尺寸测量。

图2为按标准要求创建的字符视角基准，用于评价字符是否可清晰辨认。该标准字符视角基准可随头部转动，以适应对不同位置字符评价的需要。由图2可知，该字符的视角范围处于16′～24′范围内，满足字符可读性的要求。

图2 立姿操纵员的字符可见性评价Fig.2 Character visibility evaluation of standing posture operator

操纵器的可达性评价是指操纵器应设置在操纵员的手功能可及范围内。根据工效学标准规定的位置关系，将操纵员人体模型装配到操纵的位置并进行评价，如图3所示。由图3可知，在操纵员的正常操作姿态下，P5操纵员可触及两台面的操纵器，P95操纵员可触及该控制台垂直面内操纵器，倾斜面内的操纵器需弯腰才可触及，若长时间易于引起疲劳，应适当增加台面的高度。

通过调节操纵员人体模型各关节的角度，以满足对工作姿态舒适度评价的要求。图4为操纵按钮时操纵员的上肢肩关节舒适性评价和观察光字牌时操纵员的头部及躯干关节舒适性评价。由图4可知，操纵员操纵按钮时左上肢肩关节上摆动角度36.6°，摆动角度过大，该工作姿态评价结果为不舒适姿态；操纵员观察光字牌时颈关节仰角42.3°，仰角过大，该工作姿态评价结果为不舒适姿态。同理，可完成操纵员操纵其余操纵器或读取显示信息时的舒适性评价。

图3 操纵员的可达性评价Fig.3 Accessibility evaluation of operator

图4 操纵按钮和观察光字牌时操纵员的舒适性评价Fig.4 Comfort evaluation on operating button and observing light plate for operator

3 结论

根据核电站主控室人机系统评价的需要，开发了符合国家标准的数字化操纵员人体模型。可根据具体评价的需要，选择操纵员的生成方式、性别、操作姿态；并且具备单／双眼视域、左右手可达域、作业空间和字符可视性评价等关键评价功能；实现了与核电站主控室三维建模环境兼容，可方便快捷地进行人机协调关系的分析与评价，提高了评价效率。

［1］ 刘素娟.先进的核电厂主控室人＿机界面审评中需要注意的几个问题［J］.核安全，2004，2（3）：7-10.LIU Sujuan.Several questions requiring more concern in the review of the man-machine interface for ANPP MCR［J］.Nuclear Safety，2004，2（3）：7-10（in Chinese）.

［2］ 俞尔俊，李吉根.核电厂安全［M］.北京：原子能出版社，2010：4.

［3］ 胡遵素.切尔诺贝利事故及其影响与教训［J］.辐射防护，1994，14（5）：321-335.HU Zunsu.Chernobyl accident：Its causes，impacts and the lessons learned［J］.Radiation Protection，1994，14（5）：321-335（in Chinese）.

［4］ 颜声远.武器装备人机工程［M］.哈尔滨：哈尔滨工业大学出版社，2009：390-396.

［5］ 阿尔文.R.蒂利.人体工程学图解［M］.北京：中国建筑工业出版社，1998：24.

［6］ 侯永涛，丁向阳.UG／Open二次开发与实例精解编［M］.北京：化学工业出版社，2007：2-10.