基于人因分析的核电厂综合画面设计研究

褚雪芹　陈洁　金亚东

【摘 要】核电厂控制室的人机接口是运行人员与系统交互的主要媒介，近年来人机接口设计中越来越多地引入了人因分析。画面是人机接口设计的重要内容之一，其设计的合理性直接影响了操纵员的效率及核电厂系统功能的实现。本文基于人机接口设计审查导则NUREG-0700，结合福建福清核电厂画面设计，研究了核电厂综合画面的设计方法，优化了画面的设计，提高了人机交互的效率。

【关键词】核电厂；人因分析；人机接口；综合画面

Study of High Level Display Design In Nuclear Power Plant Based On Human Factor Analysis

CHU Xue-qin1 CHEN Jie2 JIN Ya-dong3

（1，3.China Nuclear Control System Engineering Co.，Ltd，Beijing 100176，China；

2.China Nuclear Power Engineering Co.，Ltd.，Ltd，Beijing 100840，China）

【Abstract】Human-System Interface of nuclear power plant is the main media for human and system interaction.Human Factor analysis has been used in Human-System Interface design greatly.Display as an important part of Human-System Interface design，the rationality of its design directly affects the efficiency of the operator and the realization of system function.A methodology for high level display design is studied here based on NUGUG-0700 and Fujian Fuqing nuclear power plant.It optimizes the display and improves the efficiency of the human interaction with the system.

【Key words】Nuclear Power Plant；Human Factor Analysis；Human-System Interface；High Level Display

0 引言

隨着计算机控制技术的飞速发展，核电厂的先进控制室设计中越来越多地引入了数字化技术。数字化操纵员站上的人机接口设计作为控制室的主要设计内容之一，其设计的合理性对操纵员执行效率有重要影响[1]。流程画面是人机接口设计的重要方面，是操纵员与仪表和控制系统进行信息交换的主要媒介。在流程画面上，操纵员完成对现场设备的控制和监视。因此，画面设计的合理性尤为关键。本文基于美国核管会针对核电厂专门制定的人机接口设计审查导则NUREG-0700[2]，研究了核电厂综合画面的设计方法，以实现优化控制室的设计的目标。

1 综合画面概述

综合画面不同于系统画面，它关注的是电厂某类特殊功能或某个运行工况相关的设备、参数和报警信息，而系统画面则关注电厂子系统的功能。综合画面允许操纵员监视电厂的整体情况，一幅画面也往往涵盖到多个电厂子系统的设备和参数。

1.1 综合画面功能分类

参考福建福清核电厂的人机接口设计，可将计算机化工作站上的操作画面按照不同的功能分为以下几类：

（1）总体运行规程专用画面：用于总体规程操作时，执行所需的监视，监视总体规程的跟踪和电站操作模式变换过程。

（2）主功能跟踪画面：用于在单系统或多系统完成某一特定功能时执行所需要的监控，包含在执行总体规程时用于快速操作的功能系统。

（3）定期试验画面：用于对特定设备进行定期试验时执行的监控。

（4）辅助监视画面：用于监视电站启动和停堆，及交接班时的特定专用功能。

（5）大屏幕专用画面：用于显示电厂的总体状态，分为核岛、常规岛、电气和重要参数等几部分。

（6）防火分区画面：用于显示防火隔离阀连接电厂房间的布局，防火隔离阀用于预防火灾，通过其控制能力将火灾隔离。

（7）逻辑分解画面：提供在事故操作期间重要安全功能和重要电厂系统/设备的逻辑信息，帮助操纵员分析和理解安全功能和电厂设备状态恶化的原因。

（8）事故规程相关画面：用于事故规程操作时，执行所需的定期监视或用于完成事故规程中某些综合操作。

本文所述的综合画面，亦称作高级画面，主要指事故规程专用画面以外的几类画面。事故规程的综合画面与规程步骤结合紧密，且该类画面与操纵员的角色相关，具有独立的一套设计方法。

1.2 画面设计内容

综合画面上的主要元素多数来源于各个系统画面，内容主要包含以下：

（1）管线和仪表线路：管线在画面中用有颜色的实线来表示。

（2）设备：分为可控设备，仅有状态反馈的设备，以及静态设备三类。

（3）参数：主要指模拟量的显示，通常有数字读数显示，柱状图和图表显示三种形式。

（4）信息窗：用来表示开关量信号的显示。

（5）选择器：用来标识逻辑图中定义的硬件选择器的部件，可实现多个模式选一的操作。

（6）控制信息窗：允许操纵员对一个设备或一组设备甚至是整个系统通过单一的动作进行操作。

（7）导航链接：实现在同一系统内部或不同系统之间的不同画面之间的切换。

（8）文本：提供描述信息，设备位号等。

除以上内容外，综合画面还包含一些系统画面所不具备的专用元素，主要包括以下：

（1）综合画面专用图符：如允许和闭锁信号、一维和2D图、全亮-半亮灯等。

（2）综合计算参数：亦称作内部参数，通常没有一层的传感器与之对应，而是几个模拟量或开关量硬点的计算结果。计算类型包括求平均值、最大值、最小值、三取二逻辑等。例如一回路的平均压力即是几个压力模拟量求平均的结果。

另外，考虑到综合画面上通常包含几个系统的设备或参数，因此，在画面上采用比底图背景颜色略深的颜色来区分不同系统，方便操纵员快速掌握相关信息。

确定画面设计部件后，使用计算机化平台软件所调用的图符、底图等，在系统画面、运行规程的基础上，以统一标准在综合画面底图中嵌入系统操作所必须的控制、信息和报警，即设备、参数和信息窗等。

2 基于人因分析的综合画面设计

2.1 总体设计原则

综合画面在设计过程中满足1.1节的功能。由于画面的尺寸受到限制，因此需要确定一些通用标准来选择显示的信息。

（1）一致性，即综合画面中用到的图符遵从数字化平台的显示设计规格书中定义的准则，并同系统画面保持一致，包括元素的外观和可控性。

（2）感知性，综合画面呈现给用户的信息应当是正确的，可快速识别的，及容易理解的。

2.2 画面布局原则

综合画面布局应当遵循以下原则：

（1）所有元素布局在画面底图内，即画面显示时不能出现横向和纵向的滚动条，使得操纵员快速掌握全局信息。

（2）画面上显示的信息条目分组为功能块，用分界线和方框加以区分。通常方框内填充略深与底图背景的颜色，但不能过分吸引操纵员的注意力。

（3）同类设备需采用相同的图符；文本的标注应当采用相同的字体和字号；同一参数在不同画面上的显示格式保持一致，如参数以数字读数显示时，在所有画面上都应当显示相同的整数位数和小数位数；对于事故后监测参数，在所有画面上应当有相应的标识等。

（4）画面上每个元素都应当有唯一的位号，位号应当包含机组号、系统名称等，如2RCV001PO。如果机组号与当前画面编码的机组号一致，可省略机组号。

（5）管线走向尽量符合流体从左至右，从上至下的流动方向，在可能引起混淆的地方添加箭头来标明流向。

2.3 基于人因分析的画面设计

本节基于人机接口设计审查导则NUREG-0700[2]，在人因分析的基础上，确定画面设计的规范，重点介绍画面上的主要元素的设计，包括字体、颜色、线性和设备。

2.3.1 字体

人机接口设计中所有的字体类型都应满足NURGE-0700[2]第1.3.1节的相关规定：应使用清晰易读的字体；字体应该具有准确的大小写、一致的笔画宽度和一致的高宽比；对于已经给定的字体，应该可以清楚的分辨以下字母：X和K，T和Y，I和L，O和Q，S和5，U和V等。

因此，设计过程中英文和数字采用“Arial”字体，中文采用“宋体”。对于要求用特定字体的功能时，使用“特定”字体。最优的字体大小在9pt到12pt之间。首选字体大小是11pt。对于特定的应用，可以采用稍大些的字号，如吸引用户的注意或标题等。字体的大小要在所有画面显示中保持一致，例如：在同一列表中的所有元素，所有设备标签的字体大小等。

对于大屏幕专用画面，则应该根据操纵员站与大屏幕之间的距离，计算出适合的大屏幕字号，从而保证在后排的操纵员站上可以看清楚大屏幕上的字体。

2.3.2 颜色

画面设计时，应当注意颜色的选用，保证显示画面清晰易懂，避免视觉疲劳。NURGE-0700[2]第1.3.8节中列出了人机接口设计中建议使用的颜色，根据此建议，定义白色（RGB：255，255，255）和绿色（RGB：0，200，0）表示正常状态。黄色（RGB：255，255，0）表示注意、警告。红色（RGB：255，0，0）表示报警或故障以吸引用户的注意。洋红色（RGB：255，0，255）表示计算错误，例如坏值、通信故障等。

画面底图背景颜色定义为浅灰色（RGB：222，222，222）；功能分区的背景颜色定义为中灰色（RGB：200，200，200），以便不过多吸引操纵员的注意力。

2.3.3 线性

根据NUREG-0700[2]第1.2.1节，定义以下三种线宽，分别是：细线：0.24pt；中线：1.2pt；粗线2.16pt。细线用于系统边界、基准线、（连接）仪表管線；中线用于次要工艺/电气管线、辅助过程线（通风和排水管线）等；粗线用于主要工艺管线以及主要供电管线等。

为了区分不同的应用，定义以下线型：实线，点线和点划线。实线用于画面工艺管线及电气系统线路；点线用于与仪表管线的链接；点划线用于区分不同安全列，例如1E和NC设备，A列和B列等。

画面上的管线代表通过设备的流体、电压和通道等信息。定义浅蓝色（RGB：110，150，180）表示水/疏水/蒸馏物；6.0kV；保护通道I。定义亮橙色（RGB：255，160，145）表示水蒸汽；550kV/220kV/24kV/220V AC；保护通道II。定义土黄色（RGB：220，170，0）表示气体/油/浓缩物；380 V；保护通道III。定义深绿色（RGB：135，150，120）表示废弃物/冷凝物；230 V DC；保护通道IV。定义紫色（RGB：120，100，170）表示冷却水；48-110 V DC。

2.3.4 设备

根据现场设备在控制室是否可以被操纵员操作或监视，将设备分为三类：动态可控设备、动态不可控设备和静态设备。三种类型应当具有明显的区别，并且对于同一类设备（如泵）应当具有相似的特征。以下为设备的一种设计方案。

1）动态可控设备：操纵员在计算机化工作站上可以对此类设备进行操作，操作指令可下发到底层控制器。该类设备在设计中采用矩形虚线框来标识，且设备的边缘线为白色。

2）动态不可控设备：此类设备只有反馈信息，操纵员不能对其进行操作。该类设备在设计中没有矩形虚线框，仅设备的边缘线保持白色。

3）静态设备：此类设备既不能被操纵员操作，也没有信息反馈，在画面上仅为设备的示意。该类设备亦没有矩形虚线框，设备的边缘线为黑色。

下图基于以上分析设计的福建福清核电厂的综合画面示例，图中汇总了多个不同子系统的设计信息，从而完成一类电厂运行任务的监视。

3 结束语

本文在NUREG-0700[2]的对综合画面的设计进行了研究。结合人机接口审查导则，能够将操纵员关注的控制、信息等合理的布局在画面中，保证信息完整的同时，减轻操纵员的负荷。科学的画面设计方法能够满足运行人员所需的功能要求，保证电厂的安全运行，为核电厂的人员配备提供依据[3]。人因工程分析已经广泛应用于国内新建核电站的人机界面设计，并取得了一定成果。

【参考文献】

[1]IEEE recommended practice for the application of human factors engineering to systems，equipment，and facilities of nuclear power generating stations and other nuclear facilities.IEEE Std.1023-2004.

[2]O'Hara，J.，Brown，W.，Lewis，P.，&Persensky，J.Human-system interface design guidelines[J].NUREG-0700，Rev 2.Washington，D.C.：U.S.Nuclear Regulatory Commission.

[3]李石嶺.核电厂设计安全规定与核电厂的安全设计[J].核标准计量与质量， 1994.

[责任编辑：田吉捷]