核电厂主控室大屏幕系统设计与应用探讨

周毅超 毛 婷 程 波 梅世柏 张 刚

(深圳中广核工程设计有限公司，广东 深圳 518172)

0 引言

主控室是核电厂的神经中枢，大屏幕技术在主控室已得到广泛应用。运行人员从大屏幕上可以迅速了解电厂总貌和当前运行状况，有助于其对电厂状态的快速评估及协同工作。好的大屏幕设计，要在系统功能上满足电厂各种工况下的监测需求，在性能上达到连续运行、精确显示、稳定、抗震等要求，在人因特性上能够做到提供舒适的显示画面、减少操纵员视觉疲劳、有效提高工作效率，同时还必须兼顾经济性、可维护性和市场发展趋势。本文将以法规标准为依据，以工程经验为参考，从实际应用为出发，系统剖析核电厂主控室大屏幕设计中的关键问题，探索指导实际工程应用的思路和方法。

1 核电厂主控室大屏幕设计目的

核电厂主控室大屏幕的设计目的主要包括以下3个方面［1］:

①大屏幕提供电厂状态的总体概况，包括电厂主要参数的稳定显示、电厂工况的相关信息等;

②大屏幕支持多人同时浏览同样的信息，为机组运行人员相互协作或交接提供信息交换的参考，从而提高运行班组的能力;

③主控室内或刚进入主控室的人员可通过大屏幕快速了解电厂的整体状况，而不妨碍操纵员正常工作。

2 适用法规标准

核电厂主控室大屏幕设计，主要参考国标、RCC、IEC、IEEE 系列标准，如HAF J0055［2］、NB/T 20058、NUREG 0700、IEC 61772、RCC - E - 2005、EUR、URD 等。其 中，NB/T 20058［1］与 NUREG 0700［3］对主控室大屏幕的功能、技术参数、布置原则等作了比较详细的规范要求。NB/T 20058 主要给出了总体性的设计原则，而NUREG 0700 则列出了具体的技术参数，两者总的原则基本一致，可共同作为主要设计参考规范。

3 主控室大屏幕系统设计流程

核电厂主控室大屏幕系统设计是一个复杂而严谨的设计过程，需遵循相关法规标准，对屏幕显示产品充分调研，结合仪控设备特点、运营要求、参考电站配置方案、工程实施中的经验反馈，开展相应设计工作。设计主要包括大屏幕选型、系统配置、布置、抗震、画面设计;然后对设计方案进行实体模型、画面功能、抗震试验等多项验证，最终得到大屏幕系统完整的工程实施方案。主控室大屏幕系统设计流程如图1 所示。

图1 主控室大屏幕系统设计流程示意图Fig.1 Design procedures of the LDP system of MCR

4 大屏幕设计及应用问题探讨

核电厂主控室大屏幕设计及应用主要包括如下方面:大屏幕选型、系统配置、布置设计、抗震、画面设计。

4.1 大屏幕选型

核电厂主控室大屏幕设计的各个环节不是分割的，而是作为一个整体进行综合考虑。大屏幕选型设计将影响后续大屏幕系统配置、布置、抗震、画面设计等各项工作，需经过综合分析才能确定。例如，大屏幕的尺寸会影响系统配置方案，分辨率会影响布置设计，显示比例会影响画面设计，而使用寿命会影响运行维护准则等。所以，大屏幕的选型设计是最重要的一个环节，因为后续设计出现的问题若无法解决，追根溯源，最后还是要对大屏幕参数进行调整。

法规标准中只列出了大屏幕参数的通用要求，包括分辨率、亮度、对比度、稳定性等基本参数，并未对大屏幕的所有参数进行详细要求。因此，国内外核电厂数字化先进主控室中，大屏幕的选型及配置方式还是存在很大不同。例如，法国的N4 核电厂主控室大屏幕采用模拟盘显示电厂主要流程和重要参数，CPR1000 主控室采用4 块平行布置的80 英寸(1 英寸=25.4 mm )背 投 大 屏 幕 (digital light procession，DLP)，EPR 主控室采用4 块弧形布置的80英寸背投大屏幕，某三代核电厂主控室采用16 块挂墙安装的70 英寸液晶大屏幕(liguid crystal display，LCD)，而国内某核电厂主控室则采用4 块70 英寸液晶大屏幕与后备盘一体化架构方案。

大屏幕选型一方面要根据系统设计要求，另一方面还应结合工业级显示器市场发展情况。所选大屏幕不但要从性能上满足连续运行、精确显示、稳定性高等特点;还要符合人因工程的要求，即向操纵员提供舒适的显示画面，减少其视觉疲劳，提高工作效率;同时，需兼顾经济性、可维护性及发展趋势等。通过分析法规标准要求，同时结合对产品的市场调研，总结出选型主要包括以下技术指标。

(1)亮度:指画面的明亮程度，与对比度共同影响画面质量。

(2)对比度:指一幅图像中明暗区域最亮的白和最暗的黑之间不同亮度层级的测量。

(3)色彩:色彩值越高，显示出色彩层次越丰富，图像越艳丽。

(4)分辨率:分辨率越高，图像的品质就越好，画面更细腻。

(5)屏幕尺寸:指显示器屏幕对角线的长度，单位为英寸。

(6)画面比例:屏幕画面显示的宽高比。

(7)可视角度:可视角度越大，用户能看到清晰完美画面的空间范围越大。

(8)反光:大屏幕所选材质应尽可能避免反光现象，以免影响操纵员监测。

(9)一致性:一致性高，表明屏幕显示性能良好稳定。

(10)功耗:功耗越小越好。

(11)光源寿命:屏幕光源可正常使用的时间

(12)外框尺寸:设备的外围框线尺寸。

(13)工作条件要求:硬件设备运行环境要求，对环境的要求越低越好。

(14)产品价格及维护成本:在同等质量的情况下，价格低有利于节省成本。

(15)抗震性:出于对主控室设备及人员安全考虑，大屏幕需具备较好的抗震性。

(16)端口要求:端口是指显示信号输出设备和显示设备连接的接口。要求采用通用的标准化接口，并应提供尽量丰富的接口种类。

目前，核电厂主控室应用较多的是背投大屏幕(DLP)和液晶大屏幕(LCD)。表1 以较典型的一款威创DLP 和一款夏普LCD 为例，对参数性能进行对比分析。

表1 DLP 背投与LCD 液晶显示器性能参数对比Tab. 1 Parameters comparison of LDP real projection and LCD display

从表1 参数对比情况来看，LCD 亮度和对比度较高，其显示图像较明亮、清晰;色彩层次丰富，分辨率高，画面更细腻;可视范围广，亮度均匀统一，能耗低，质量小，体积轻薄，反光影响小，便于集成，光源寿命长。此外，LCD 是目前工业级显示器的主流趋势，品牌多，成本低，备品备件充足。由于上述LCD 性能和成本的优势，可以预期，未来核电厂主控室新建或改造项目中将越来越多地倾向使用LCD 大屏幕进行显示。

4.2 大屏幕系统配置

根据法规标准要求，大屏幕要向操纵员实时提供电厂概貌图、重要参数及专用画面等信息。其一般作为电厂数字化信息和控制系统的组成部分，接入DCS实时数据网，大屏幕只具备显示功能，没有电厂控制能力。

以CPR1000 项目为例，其主控室大屏幕系统配置方案如图2 所示，包括4 个DLP 大屏幕、4 个安装基座、4 台OPS 主机、1 套键鼠。其中主机与二层数据网连接，显示相应数据信息。4 个大屏幕和主机由220 V电源供电，其中2 个为A 列、2 个为B 列。

图2 CPR1000 大屏幕系统配置方案Fig.2 DLP system configuration scheme of CPR1000

大屏幕配置方案是综合仪控总体方案、功能分析分配、主控室布置要求、经验反馈、屏幕产品特性、视频显示技术等各方面因素的结果。由于不同的仪控总体方案、功能分配原则及产品选型等因素，各堆型主控室大屏幕配置方案会有较大不同。例如CPR1000、EPR都是配置4 台独立的DLP 大屏幕，某三代核电厂则配置了16 块独立的LCD 大屏幕，田湾则是将大屏幕与后备盘集成配置，韩国的APR1400 则配置有大小尺寸不同的多块屏幕进行显示，而高温气冷堆则是由动态模拟盘与液晶大屏幕结合进行显示。

目前，新的液晶屏幕及小间距显示技术发展迅猛，其显示效果更好，体积更轻薄，便于灵活的布置及系统集成;而带来沉浸式体验和趋于人体视网膜成像原理的曲面大屏幕技术也异军突起;而视频切割、画中画、视频漫游、视频复用等技术的成熟应用，为新一代核电厂主控室大屏幕配置方案提供更多可能性。

4.3 大屏幕布置

法规标准中明确指出“大屏幕应布置在主控室内，以便所有相关用户都可以从主操作区内的任何位置观看到该屏幕”［3］。通常，主控室内设备较多，为大屏幕预留空间有限，大屏幕布置作为主控室布置的一部分需综合考虑。主控室大屏幕布置简单讲就是两条原则:“布得下”和“布得好”。

“布得下”是说根据主控室现有空间和其他设备定位布局，找出一块适当区域，结合所选屏幕特性及数量，将大屏幕布置在这块区域中，其“左右”应布置在监控区域中心，且不与其他设备碰撞，“上”不与吊顶碰撞，“下”留有支架安装和进线空间，“前”利于操纵员正常观测，“后”便于维护更换，大屏幕的布置符合主控室整体布置要求。

“布得好”是说大屏幕的布置要满足操纵员的使用需求及人因相关法规标准，尽可能优化，使操纵员能够快速、高效监控;同时，提高其观测舒适度，减少视觉疲劳和干扰，保证操纵员工作效率和电厂安全。

在大屏幕总体定位方面，一般大屏幕布置在操纵员工作区前方，并与其保持中心对称，以便“大屏幕主要用户正常工作区宜位于大屏幕观察区中心”［3］。有多个大屏幕时，显示操纵员公用信息的大屏幕布置在中间，而各自专用信息的屏幕分别靠近其对应工作站，以便操纵员均能看见信息，并且避免观看大屏幕时频繁转头。

在大屏幕布置距离方面，硬性规定有“大屏幕最小观测距离不宜小于显示屏幕宽度或高度中较大者的一半”［3］。这条规定要求大屏幕观测距离要与屏幕选型相匹配，在布置空间有限的情况下，就不能选择太大尺寸的屏幕。而另一方面，最大可视距离则要求“基于对各个操纵员的信息需要和他们工作区域位置的分析得出”［1］。所以，大屏幕最大可视距离的确定应结合画面图符大小及显示器显示效果，保证主操作区距离最远用户能够清楚观察到大屏幕上所需信息。

在大屏幕布置视角方面，“宜考虑关键用户不被遮挡”，即大屏幕布置的高度不能太低，要使主操作区用户正常工作时视线不被遮挡。要求大屏幕“水平布置视线在±80°范围，垂直布置视线在±45°范围”，“每个用户的正常工作区域都应该在各个需要观看的大屏幕侧面可视角范围以内”［1］。所以，在大屏幕布置时，要进行相应计算和验证，如不满足，则需从布置距离和屏幕选型等多方面考虑调整。

在大屏幕显示细节方面，“大屏幕硬件宜使用户能从可能的最远距离处辨认出所需要的细节，标签和细节信息的文字大小需要基于用户最远观测距离来分析;从最远观测距离测量，典型的文字和数字高度应该不低于可视角的15＇ ”［3］。屏幕上字符的实际高度可参考下述公式计算［3］:

式中:D 为用户到屏幕的距离;A 为要求的弧度值(单位是分)。

最远观测者看到的屏幕文字可视角受三方面因素影响:观测距离、画面图符大小、屏幕像素间距。其他因素不变的情况下，观测距离越远，可视角将会越低;但如果能够提高画面图符大小或者屏幕像素间距，则视角要求也能满足。所以，当现有大屏幕布置无法满足画面细节最小可视角要求时，不应简单地只归结为布置问题，而应综合考虑布置、画面设计、屏幕选型(尺寸、显示比例及分辨率)，最终制定出合理的修改方案。

标准要求“大屏幕显示避免反光影响”［3］。大屏幕反光现象会使操纵员不能有效观测数据，不能及时发现重要提醒，并引起身心不适，进而造成人因失误。一方面，在保证大屏幕显示性能和品质的前提下，必须尽可能降低其反光率，主要包括选用反光率较低的大屏幕材质、对大屏幕贴防反光膜、大屏幕上方搭遮光板等措施。另一方面，优化主控室照明及布置设计，主要包括合理设置主控室各区域照度、避免直射大屏幕的光源、对造成反光影响较大的光源进行调整、改变操作区与大屏幕距离等措施。

4.4 大屏幕抗震

主控室大屏幕是非安全级设备，当发生地震时，其功能不是必需的。但由于其体积、质量较大，并且靠近安全级设备和操纵员，所以要满足抗震II 类要求，即发生安全停堆地震(safe shutdown earthquake，SSE)中和震后，需保证大屏幕结构完整，屏幕无飞溅，以免伤到操纵员或损坏其他安全级设备。国内外不同堆型电厂如CPR1000、EPR 等均要求主控室大屏幕满足抗震II 类要求。

通常，批量生产的大屏幕产品(包括NEC、夏普、三星等)未必进行专门的抗震鉴定试验。大屏幕抗震性能主要通过抗震支架保证，其支架本身要有足够强度，并且屏幕与支架的连接要稳定牢固，还要采取一定缓冲减震措施。向大屏幕支架设计厂家提供的技术规格书中要包含支架设计要求、所选的屏幕型号规格、安装布置要求、维护更换要求、抗震试验要求等。另外，大屏幕支架需与大屏幕及主控室设备整体风格保持一致。

大屏幕抗震验证主要有抗震试验和模型分析两种方式。

大屏幕抗震试验遵循 HAF - J - 0053［4］、GB 13625、NB/T 20040、IEEE 344 等标准要求，对安装在抗震支架上的大屏幕进行抗震性能检测。考核大屏幕及其安装支架的刚度、强度及设备关键部位的加速度响应，验证设备能否在地震条件下满足结构完整等要求，主要流程如下。

(1)准备试验设备:标准地震台、加速度传感器、位移传感器、数据采集和处理系统。

(2)设备安装:大屏幕与支架连接固定，支架底板刚性连接到地震试验台。

(3)测点布置:对大屏幕正向、侧向位移测点布置位移传感器，屏幕上、下端角等位置布置多个X/Y/Z三方向的加速度传感器。

(4)测试前检查:加载试验反应谱前，对大屏幕及支架进行全面检查，检查其结构和功能是否完整。

(5)试验反应谱:试验所用反应谱应该包络大屏幕实际安装位置的楼层响应谱。

(6)动态特性探查:用白噪声随机扫描的方法获得大屏幕及其支架结构的自振频率和各测点的阻尼比，X、Y、Z 三向分别输入［4］。

(7)OBE 震动试验:以X、Y、Z 三向同时输入OBE地震试验谱，连续进行5 次OBE 震动试验［4］。

(8)SSE 震动试验:在OBE 试验完成后，紧接着以X、Y、Z 三向同时输入SSE 地震试验谱，进行1 次SSE震动试验［4］。

(9)试验后检查:检查大屏幕、安装支架及固定连接螺栓等结构是否完整，有无明显变形和裂缝，固定和连接有无明显松动，接插件连接是否良好，有无飞溅物等。

(10)数据分析和结论:对各测点数据进行分析，得出最终结论。

大屏幕抗震的模型分析过程是根据大屏幕及其支架的二维图纸和三维模型，提取相关数据，建立有限元分析模型，采用等效静力法、反应谱法和时程分析等方法，计算分析出X/Y/Z 方向屏幕最大主应力和最大位移，然后进行力学评定。力学评定包括支架应力评定、支架屈曲评定、屏幕位移评定、屏幕性能评定、支承螺栓评定等，按照RCC -M、GB 50267 等规范要求，逐项核实，最终得出大屏幕抗震分析结果。模拟SSE 地震情况下，采用等效静力法分析大屏幕及其支架的位移情况，从模拟结果可以看出，屏幕上部位移最大，达到0.287 mm。

4.5 大屏幕画面

大屏幕系统向主控室运行人员提供电厂整体状态和运行参数相关的重要信息显示，主要内容如下。

(1)电厂总貌状态显示:一/二回路主要系统的概貌图、关键参数、重要设备状态、综合报警、棒位信息等。

(2)电厂模式(或工况)显示。

(3)安全系统或功能可用性信息显示、专设安全设施驱动状态的显示。

(4)报警总貌显示:包括重要报警以及系统级报警、组报警的固定报警窗的显示。

(5)重要参数的趋势显示。

(6)操纵员选择显示:操纵员可以将操纵员工作站上的显示画面投映到该区域内显示。

大屏幕系统要考虑关键运行参数的显示，包括但不限于反应堆功率、反应堆冷却剂系统压力、反应堆冷却剂系统温度、饱和裕度、反应堆冷却剂流量率、压力容器水位、蒸发器水位、稳压器水位、蒸汽压力、蒸汽流量［5］。

大屏幕系统要考虑重要设备的显示，包括但不限于反应堆冷却剂泵、给水和冷凝系统泵、隔离阀(如主蒸汽和给水)、安全系统阀门、余热排出泵和阀门、电源断路器、辅助发电机、安全和泄压阀、循环水泵［5］。

受空间限制等因素，主控室大屏幕数量有限，为给主控室操纵员提供清晰准确的信息，需要对大屏幕画面进行优化设计，考虑电厂系统和设备间的关联，高效组织相关显示内容。

以CPR1000 为例，主控室布置4 块大屏幕，划分为两个区域。其中1、2、3 屏为固定显示区域，从左至右依次显示核岛画面、常规岛画面和电气画面，主要是电厂一、二回路示意图上添加关键运行参数和报警显示。第4 块屏为变量显示区域，根据电厂状态自动显示对应画面，该区域预定义的显示画面包括电厂运行模式重要参数画面、安全参数显示画面、首故障画面等。所有大屏幕均可由操纵员在工作站手动选择相应的画面进行显示［6］。

“大屏幕系统的显示画面与主控室其他人机界面间应具有协调性和一致性”［3］。即在大屏幕画面设计时，要考虑同操纵员工作站在图符、显示比例、颜色配置、画面布局等方面保持一致，避免由于画面显示的差异，而给操纵员造成视觉和心理上的不适，同时也保证了操纵员可以根据需要在不同屏幕上灵活调用相应画面。

要针对不同显示比例(宽屏、普屏)、分辨率的大屏幕进行相对应的画面设计，包括图符的修改、画面布局的调整、画面内容的增减、颜色重新配置等，与其显示特性相匹配，以避免画面显示“变形”或不完整等问题，为操纵员始终提供良好的显示效果。

5 结束语

本文以法规标准为依据，结合实际工程经验，对核电厂主控室大屏幕设计及应用进行深入探讨;综合考虑大屏幕功能、显示性能、人因、经济性等要求，总结归纳出核电厂大屏幕系统设计流程，并深入剖析大屏幕选型、系统配置、布置设计、抗震设计、画面设计等关键环节，分析出大屏幕设计要点及工程实现方法，对今后开展核电厂主控室大屏幕设计工作具有良好的借鉴和指导意义。

［1］ 国家能源局. NB/T 20058 -2012.核电厂控制室屏幕显示的应用［S］.北京:原子能出版社，2012.

［2］国家核安全局. HAF J0055 -1995.核电厂控制室设计的人因工程原则［S］.北京:国家核安全局，1995.

［3］ Nuclear Regulatory Commission. NUREG 0700 -2002 Human -system interface design review guidelines［S］. US:Nuclear Regulatory Commission，2002.

［4］ 国家核安全局. HAF J0053 - 1995 核设备抗震鉴定试验指南［S］.北京:国家核安全局，1995.

［5］ Electric Power Research Institute. URD - volume Ⅲ - 1993 Advanced light water reactor utility requirements document CHAPTER10 man - machine interface system［S］. US:Electric Power Re-search Institute，1993.

［6］ 吴官寅，昌海，张学刚，等. 大屏幕显示系统在先进核电厂人机接口系统中的应用［J］.原子能科学技术，2014，48(S1):966-970.