核电站DCS人机交互界面质量问题研究

李 菁，刘松林

（中国核电工程有限公司，北京 100840）

0 引言

安全是核电存在和发展的基础，主控制室作为核电站信息处理和控制的中心，对保证核电站安全运行有着至关重要的作用。

核电站采用了数字化设备后，使人机界面设计具有更高的灵活性，通过核电站操纵员、控制对象和仪控系统的充分结合，实现了核电站安全、可靠运行。数字化技术的应用中数字化仪控系统的人机界面设计使操纵员能方便、快捷地对核电站信息进行监督和控制。

全面的质量管理为核电站设计的顺利实施打下坚实基础。但在核电站DCS 人机交互界面设计过程中，也出现了一定数量的质量问题。本文分析识别了核电站DCS 人机交互界面设计质量管理过程中的质量管理问题，对设计流程和质量管理过程进行了优化，并且将FMEA 和六西格玛方法运用到核电站的质量管理过程中，为后续研究提供了新的思路。

1 质量管理理论基础

1.1 质量管理理论[2]

从顾客角度出发，产品质量就是产品是否有用。通过质量管理工具和方法的创新与改进，使质量管理从最开始的“事后发现”逐步发展到“事前预防”。质量管理的参与主体也从质量部门，演变成全员参与质量管理。

全面质量管理是制定全员的质量管理计划，用最经济的方式进行生产并提供服务，使用户满意度达到最高。

对质量有影响的因素有5 个，即人、机、料、法和环。为了保证质量管理的效果，需对生产过程进行严格质量控制，对产品设计和使用的过程也要全程管控，把影响质量的环节和因素控制起来，形成全面的质量体系。

1.2 核电站质量管理体系（HAF003）[3]

核电站的基本安全目标是建立并保持对放射性危害的有效防御。为了实现安全目标，核电厂的设计必须达到恰当的质量水平，保证质量水平的一大举措就是质保大纲的制定和落实。

1）质保大纲

质保大纲是根据相关法令中的约束和规定制定的，其准确与合格程度直接能影响到核电厂的运行情况。质保大纲在制定过程中要考虑到各方面的问题，如：责权问题、技术问题、适用范围等。

2）完善的组织结构

制度清晰的组织机构对促进落实质保大纲的效果尤为明显。除对组织内部职责权限进行明确地划分外，还要保证组织的独立性

3）文件控制

在核电站的设计过程中需要对设计文件的质量管理进行规范和约束。质量保证部门通过程序文件对设计文件的编制、校对、审核和审批环节的人员资质进行管理，并控制设计文件下发的各个环节。

4）采购控制

企业的采购过程需按照国家法令和相关文件的要求进行，供货商的供货范围、技术水平、产品质检体系、质保大纲及过程记录文件等方面都在监督和控制范围内。

5）物项控制

在核电站的设计过程中，要采用统一的系统、设备、构筑物标识规定，通过唯一的编码可随时查阅相关的设计文件。

6）工艺控制

核电站设计、建造和调试过程中使用的工艺过程会影响到产品质量，必须要按照要求对其进行严格的检测管理。

7）检测和实验控制

核电站设计单位需要制定产品的质保大纲，其质保大纲可以起到产品的检测作用。另外，还要制定试验大纲，同时形成相关的文件记录整个试验过程。

8）不符合项的处置问题

对不符合项的处理必须采取有效的方法，对不合格的设计成品或文件进行修改，修改完成后还要继续对其进行检测。

9）修正举措

对不符合项，要制定行之有效的解决方案，杜绝其对设计文件质量造成影响。

10）记录

对物项生产过程中的检测管理，都要以书面形式进行记录，并保证记录内容清晰、真实、可靠。

11）监督审查

质保大纲实施后，要对其效果进行检测评定。实施监察的工作人员必须以文件的形式出示监察结果。

1.3 失效模式影响分析方法[4]

失效模式影响分析方法（FMEA）通过采集信息和数据，从中发现明显的或不易发现的失效模式。

运用统计学可得出各失效模式的风险顺序数：RPN 值。

RPN=S×O×D

其中：S 代表故障严重度，O 代表故障发生概率，D 代表故障不可探测度。

FMEA 法的运用过程一般是：①确定失效模式；②确定S、O、D 取值；③得出各失效模式的RPN 值；④提出方案进行改善。

1.4 六西格玛管理法[1]

六西格玛管理使用DMAIC 方法（定义、测量、分析、改善和控制）。其中，定义：陈述问题，确定目标；测量：对需求进行量化，收集数据，最终掌握当前质量水平；分析：对数据进行整理分析，确定影响质量的关键因素；改进：针对影响质量的关键因素制定改进方案；控制：采取有效措施，维持质量改进的结果。

六西格玛管理与全面质量管理相比，更注重业务流程整合，是在全面质量管理基础上产生的新方法。

六西格玛管理与ISO 系列方法相比，是企业持续改进质量，提升效率，提高收益的质量管理方法。在企业已经实施ISO 标准质量体系的基础上，叠加六西格玛管理方法，可明显提升管理体系的有效性和实施效果。

2 核电站DCS人机交互界面设计质量管理问题

2.1 构建设计质量管理问题框架

首先，要制定质量管理的FMEA 表格，其内容包括潜在的职能失效模式、潜在故障的后果、严重度（S）、引发潜在故障的原因和机理、发生概率（O）、不可探测度（D），以及风险顺序数RPN。

按照HAF003 质量管理标准，确定核电站的质量管理失效模式和产生的相应后果。

根据失效模式对质量管理的影响程度划分，确定严重度S 评定准则，分为很严重、严重、一般、轻微和极轻微5 个等级，取值按照等级由低到高分别为1 ～10 分。

根据失效模式的发生概率确定概率O 的评定准则，分为极高、高、中等、低和极低5 个等级，取值按照等级由低到高分别为1 ～10 分。

根据不同失效模式的不可探测度确定其评定准则，分为极难、困难、中等、容易和极易5 个等级，取值按照等级由低到高分别为1 ～10 分。

根据严重度（S）、发生概率（O）和不可探测度（D）的准则，对取值进行评估，计算出各类失效模式的风险顺序数RPN，并进行比较排序，通过不同失效模式RPN 的排列顺序确定人机界面设计质量管理面临的主要风险。

2.2 核电站DCS人机交互界面设计质量流程研究分析

人机交互界面设计位于人因工程设计的中间环节，既要满足系统功能需求，又要符合人因设计验证。其设计流程包括：设计输入资料的分析，画面流程分割，图符选择，绘制交互界面，形成系统文件等几个环节[5]。

根据HAF003 的规定及流程，并结合DCS 人机交互界面设计的特点，对过程中的质量管理流程进行梳理，并将FMEA 对梳理出的质量管理流程进行分析，绘制出失效模式影响分析表格。通过对福清5/6 号，K2/K3 和田湾5/6 号3 个项目的综合统计和分析，根据RPN 计算公式计算出每种失效模式的RPN 值，其对应的管理职能要求列表及排序见表1。

表1 人机交互界面设计质量管理FMEA分析框架表格Table 1 Quality management FMEA analysis framework for human machine interface design

通过表1 中的计算可以看出，人机交互界面设计质量管理差错风险排名前几位的分别是设计输入控制、设计时间、设计平台特性、设计人员专业水平等。

3 人机交互界面设计质量保证流程优化

通过上一节的内容，可以确定人机交互界面设计质量的问题主要出现在输入控制、设计时间、设计平台特性、设计人员专业水平等方面。确定主要风险后，采用六西格玛方法对核电站DCS 人机交互界面设计的质保流程进行深入分析和优化，针对质量问题的根本原因，提出有效的改进措施。

3.1 六西格玛方法分析

六西格玛方法分析过程主要有5 个方面，分别是界定、测量、分析、改进和控制。需要根据不同阶段，对核电站DCS 人机交互界面的设计流程进行优化。

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3.1.1 界定阶段

根据人机交互界面设计质量管理的目的，需要对质量问题进行分析，确保人机交互界面设计能够体现正确的系统设计信息，并能体现DCS 厂家平台的特点，保证设计文件的正确实施。

3.1.2 测量阶段

测量阶段主要是对之前项目人机交互界面设计的质量问题进行统计，并进行分类。这类统计来自于真实项目的问题反馈，其统计数据见表2。

3.1.3 分析阶段

本阶段要对影响流程的关键因素进行分析和研究，并识别其中存在的问题，可以对人、机、料、法、环5 个要素分别进行分析。

1）人的因素

人的因素主要指设计人员的理论水平、技术水平、是否粗心大意等。

2）机械设备的因素

在设计过程中需要采用DCS 设备供货商的平台，对平台特点和设计要求的理解程度，也直接影响了人机交互界面设计的质量。

3）材料的因素

材料可以理解为设计输入文件，是人机交互界面设计的基础。设计输入文件的正确性和及时性，直接影响人机交互界面设计的质量。

4）方法的因素

本文中的方法是指核电站DCS 人机交互界面的设计方案、质量控制计划，以及使用的新工艺、新方法等。在设计实施过程中，设计方案是否合理，工艺过程是否先进，设计方法是否正确，都将对人机交互界面的质量产生重大影响。

5）环境的因素

环境条件包括实施环境、作业环境和管理环境，上述因素对流程质量特性都起到重要作用。

图1 优化后的人机交互界面设计流程Fig.1 Optimized human-computer interaction interface design process

图2 项目质量问题变化趋势Fig.2 Trends in project quality issues

3.1.4 改进阶段

总结人机交互界面设计质量管理中存在的问题，发现出现这些问题的根本原因在于设计输入文件不及时，设计时间紧张，对设计平台的特点培训不足所引起的。需要对这些质量管理的潜在风险进行针对性的跟踪和解决。

3.1.5 控制阶段

控制阶段的主要任务是将优化后的设计流程落实到设计工作中，首先升版程序文件，然后进行宣讲及培训，建立关键步骤的协同指标，最后定期对流程的实施情况进行统计。

3.2 人机交互界面设计流程优化

根据3.1 节中的分析，可以发现人机交互界面设计质量问题的主要来源，接下来需要对主要设计质量问题进行详细研究和分析，并提出针对性的解决措施。

3.2.1 质量问题数据分析

在数据测量阶段，对不同的3 个核电项目人机交互界面设计质量问题进行了统计，其详细数据见表2。基于统计的详细数据，对质量问题的变化趋势进行详细分析。

可以看到，田湾5/6 号作为后续项目，通过人机交互界面设计流程的优化，其效果非常明显，显著降低了人机交互界面设计的质量问题数量。

3.2.2 人机交互界面设计流程优化措施

在人机交互界面设计过程中，其质量问题主要集中在设计输入控制、设计时间、设计平台特性、设计人员专业水平几个方面。根据这些存在的问题，针对性地提出了以下优化措施：

1）人机交互界面设计需要保证设计输入文件的有效性，避免出现由于设计输入控制不完善导致的质量问题。

2）人机交互界面设计需要足够的设计时间，保证文件质量。

3）设计开始前，需对DCS 供货商的平台进行培训。

需要定期对人机交互界面设计人员进行培训，提高设计人员专业水平。

4 结束语

全面质量管理贯穿核电站DCS 人机交互界面设计的整个流程，本文首先分析了核电站质量管理的理论基础，利用FMEA 方法对核电站DCS 人机交互界面设计质量管理流程进行了失效模式影响分析，发现了人机交互界面设计质量管理过程影响较大的关键因素。最后，针对这些关键因素，对人机交互界面设计流程进行优化，改进质量管理过程。通过理论方法和案例分析的整合研究，本文可以得到以下结论：

1）将FMEA 方法用于DCS 核电站人机交互界面设计质量管理流程分析是可行的。

2）用六西格玛方法对人机交互界面设计质量管理流程进行优化是非常有效的。

3）核电站人机交互界面设计质量管理流程的主要薄弱点在设计输入、设计时间和平台变化带来的风险，需要对这些质量管理潜在风险提出针对性的解决方案。

4）必须从核电站设计的整体流程来统筹DCS 人机交互界面设计的质量管理体系建设，将其融入到核电站设计总体质量管理体系当中。