以人为本的核电站数字化人机界面设计研究

张云波谷鹏飞王忠秋陈卫华

(环境保护部核与辐射安全中心1,北京 100000;深圳中广核工程设计有限公司2,深圳 518124)

以人为本的核电站数字化人机界面设计研究

张云波1谷鹏飞2王忠秋1陈卫华2

(环境保护部核与辐射安全中心1,北京 100000;深圳中广核工程设计有限公司2,深圳 518124)

针对核电站数字化人机界面信息量庞大且集中的特点,对人因失误的风险进行了研究。以岭澳二期反应堆冷却剂系统的数字化人机界面设计为例,通过应用人因工程来减少人因失误的风险。总结了核电站数字化人机界面设计的关键要素,提出了“以人为本”的设计思路。“以人为本”的数字化人机界面设计提高了操作人员的效能,也为后续核电站人机界面的设计提供了技术参考。

以人为本 核电站 数字化技术 人机界面 人因工程

0 引言

控制室是核电站的监控中心,它主要为操纵员提供人机界面(也称人机接口),以监测和控制整个核电站有效、安全地运行[1]。

工业革命以后,在人机界面的设计中,设计者更多的是追求机器的效率,而人只是处于从属地位,只有机器无法实现的功能,例如输入和反馈等,才交由人去实现,其设计理念可以说是“以机器为本”。

核电站人机界面采用数字化技术以后,一方面,新的数字化人机界面为操纵员提供更为便捷的操作方式,另一方面,庞大且集中的信息量也带来了人因失误的风险。人因工程由于其对提高人员效能和降低人因失误的重要性越来越受到重视,这就要求核电站数字化人机界面设计要“以人为本”。

1 人机界面设计

《核动力厂设计安全规定》要求人机界面的设计不但要考虑能够为操纵员提供全面的、综合的、易获取的、易处理的信息,而且必须以避免人因失误为目标[2]。同样地,参考国际相关标准,不管是用于通用产品设计的标准ISO-13407、通用控制室设计的标准ISO-11064,还是用于核电厂控制室设计的标准NUREG-0711、IEC 60964,都要求采用人因工程的设计原则。

人机界面(也称人机接口)是人与机器之间交换信息的渠道,核电站的操纵员通过人机界面才能完成其操作任务。人机界面的设置是为了核电站的所有运行工况进行集中、有效的监督以及安全的操作,并能采取措施使核电站维持其安全状态或者能在遭受事故或设计基准事故后,使核电站回到安全状态。同时应采取适当的措施以保障控制室人员的安全,例如不受事故工况所造成的超标照射,或者有毒气体的危害,以免危及必需的运行人员的工作[3]。

岭澳二期核电站是以岭澳一期核电站为参考并加以改进来设计建造的,其仪控系统的改进是在总体结构上采用数字化控制系统(digital control system, DCS),并以计算机化的主控制室取代岭澳核电站一期以常规模拟监控设备为主的主控制室。在电站计算机信息与控制系统可用的情况下,每一个计算机化的操纵员工作站上,都可以监督和控制电厂的运行,替代了岭澳一期核电站控制室中常规控制盘和所有专用系统所承担的功能。

人机接口包括硬件接口和软件接口,岭澳二期核电站数字化主控制室内硬件接口主要包括操纵员工作站(operator work place,OWP)、大屏幕显示(picture out picture,POP)、应急控制盘(emergency control panel, ECP)和后备盘(backup panel,BUP)。数字化人机界面为软件接口,其主要包括报警、信息显示、监控画面、控制和运行程序、操作规程等。

随着信息技术的不断进步,数字化人机界面可以实现以前模拟技术无法实现的功能,如人机界面要素的集成、数据的加工处理、操纵员的决策支持等。人机界面设计以操作方便、满足运行要求、限制人为差错的影响为目标,通过优化运行人员操作,为操纵员提供全面的和易于处理的信息,与作出必要的决定和采取行动的时间相适应。

数字化人机界面的设计应满足以下要求[4]。

①人机界面必须对操纵员是友好的,并以避免人因失误为目标。

②任务导向的设计原则。所设计的人机界面应具备让操纵员在任何情况下都能迅速评估电站总体状态的功能,操纵员可以通过人机界面确认预定的自动安全动作正在执行;也知晓其需要采取的正当的安全行动,并能得到充分的各相关系统和设备的参数信息。

③一致性原则。所设计的人机界面应尽可能地减少操作画面的种类和数量,尽量保持不同操作方式在界面上的一致性,并尽可能采用模块化的设计方式。

因此,对数字化人机界面的验证和分析工作应该针对其设计是否满足以上要求来进行验证和分析。

2 数字化人机界面实例

岭澳二期核电站数字化人机界面的基本元素包括以下几部分内容[5]。

①颜色体系、显示密度。

②静态显示图元,包括文本框、数据曲线、图例、表例等。

③动态显示图元,包括模拟量显示、数字量显示、控制窗等。

在这些基本元素的基础上,画面、报警信息以及运行程序构成了数字化人机界面的三大基本功能。操纵员通过对三大基本功能组成部分的具体运用,完成对机组状态的监视和控制。

在岭澳二期数字化人机界面设计之初,核电站反应堆冷却剂系统(RCP)的操作画面尚未进行优化。经基本元素分析,并对比设计原则,在操纵员绩效测试的基础上,优化后界面的主要变化包括以下内容。

①根据操纵员的操作任务,增加了许多必要的显示信息;

②根据实际的操作测试,修改了颜色体系;

③根据实际的验证测试,调整了显示图元的显示密度。

3 以人为本的设计思想

计算机按照机器所设定的程序去执行相关的动作,而人作为不同的个体,会按照自己的方式去思考,并根据自己的理解去执行相关的动作。“以人为本”的核电站数字化人机界面设计就是需要在人机界面设计过程中,更多地把操纵员的思维特性和行动特性纳入到人机界面的功能设计里。不单单要考虑操纵员的思维和行为的数字化实现方式,也要考虑数字化技术的实现方案更容易被操纵员所接受,或者说更利于操纵员执行。在设计过程中,还需要充分引入人的经验,采用人因工程的方法和工具,优化设计方案[6]。

现有的核电站数字化人机界面设计并没有完全依据“以人为本”的人机界面设计思想,尤其在设计之初,还没有从用户(操纵员)心理学的角度考虑设计方案的可行性和合理性——或许是因为大部分设计者并没有核电站的运行经验。

对于操纵员的心理学,或者说思维特性和行动特性,主要包括认知心理学和行为心理学。

认知心理学主要与操纵员的脑力劳动有关,如记忆、理解、判断、交流等。人通常采用画面和文字来表述信息,文字是线形结构的,人通常按照一定的顺序进行阅读——从左到右,或者从上到下,或者从右往左,等。相对而言,没有文字时,人也通过画面或者图片进行交流,而画面所呈现的是平面或三维的结构。人往往会很容易记住对一段文字或一幅画面的理解,要想记住很多文字和画面的细节,则需要进行不断的强化训练,如定期回顾或者阶段性的培训。因此,在进行数字化人机界面设计时,需要考虑文字和画面使用的相宜性——合理地界定文字和画面使用的时机,并进行人因工程的验证和分析[7]。可以参考的是,画面的使用相对于文字而言,可以减少操纵员的记忆负荷,而如果需要操纵员更多的理解相关的逻辑内容,文字的使用会更为准确,也更会引起操纵员的注意[8]。

行为心理学主要与操纵员的行为有关,如果将操纵员与数字化人机界面看成一个系统,就需要从操纵员的行为特性去考虑计算机操作的设计合理性,例如锁孔效应等[9],这样才能使操纵员更好地执行计算机操作。利用眼动仪观察操纵员完成操作任务时,能够发现操纵员的视觉轨迹主要随显示界面上的主线条运动,或者说在跟踪主要的信息流。这可以反映出操纵员在其脑海回忆中留下的主要是其对显示界面所理解的主要含义而并不关心细节。由此也可以得知,如果设计者需要在数字化人机界面设计中让某个细节需要引起操纵员的注意,就需要进行特别的设计,并在后续使用中加强培训,才能提高操纵员的关注度。因此,在核电站数字化人机界面设计中,设计者就需要从操纵员的行为特性出发,以避免操纵员的人因失误为目标,来统筹设计数字化人机界面。设计者完成设计方案后,还应该依据设计方案设计调查问卷,再针对不同群体的操纵员进行调查,收集操纵员对设计方案的理解情况,还要调查操纵员的操作方便性等,目的就是使所设计的数字化人机界面可以让操纵员更易于获取全面的、综合的信息,有利于操纵员快捷地处理操作任务。最后,设计者再根据操纵员的反馈意见来修改之前的设计方案[10]。

因此,在考虑人机界面设计时,一定要使所设计的数字化人机界面尽可能地减少操纵员的认知负担[11],进而避免操纵员的人因失误,同时尽可能在设计过程的开始就从操纵员的行为特性出发,结合操纵员的操作习惯来兼顾数字化技术的应用。数字化人机界面的计算机功能和画面设计更新需要采用人因工程的设计原则[12],这样就能使得设计方案做到“以人为本”。

4 结束语

随着数字化技术的不断进步,数字化人机界面也在不断发展,实现核电站数字化人机界面“以人为本”的设计也是需要不断地完善。因此,核电站数字化人机界面设计需要充分调查不同操纵员群体的思维习惯和行为习惯[13],结合操纵员运行经验,采用人因工程的方法和工具,优化数字化人机界面。

[1] 国家技术监督局.GB 13630-1992核电站控制室的设计[S].北京:中国标准出版社,1992.

[2] 国家核安全局.HAF102-2004核动力厂设计安全规定[S].北京:国家核安全局,2004.

[3] 核工业标准化研究所.EJ/T 1143-2002核电站控制室设计功能分析与分配[S].北京:中国标准出版社,2002.

[4] Office of Nuclear Regulatory Research.NUEG-0700-2002 Humansystem interface design review guidelines[S].Washington DC:U. S.Nuclear Regulatory Commission,2002.

[5] 赵江洪,谭浩.人机工程学[M].北京:高等教育出版社,2006.

[6] 高小红,裴忠诚.人机界面的发展历程[J].水利电力机械, 2006,28(2):64-69.

[7] 核工业标准化研究所.EJ/T 1118-2000核电站控制室设计验证和确认[S].北京:中国标准出版社,2000.

[8] 温希祝.应用软件系统人机界面设计的探讨[J].贵州大学学报:自然科学版,2005,22(3):260-264.

[9] 王志方,谷鹏飞,张建波.数字化人机界面设计的人因工程问题分析[J].核科学与工程,2010,30(4):365-371.

[10] 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.

[11] O'Hara J M.Human factor consideration in new and advanced NPPs[R].U.S.Nuclear Regulatory Commission.NUREG-79947-2008,2008.

[12] 国家核安全局.HAF J 0055-1995核电站控制室设计的人因工程原则[S].北京:国家核安全局,1995.

[13] 核工业标准化研究所.EJ/T 798-1993核电站控制室人机特性评价[S].北京:中国标准出版社,1993.

Design and Study on People-oriented Digitized HMI in NPP

In accordance with the features of huge amount and centralized information of digitized human machine interface(HMI)in nuclear power plant(NPP),the risks come from human factors are researched.With the design for digitized HMI of reactor coolant system(RCS)in Ling Ao Phase II NPP as example,the human errors are reduced through applying human factor engineering(HFE).The key elements in designing digitizing HMI are summarized and the design concept of people-oriented is proposed.The design of people-oriented digitized HMI enhances the effectiveness of operators and provides technical reference for subsequent design of HMI in NPP.

People-oriented Nuclear power plant(NPP) Digitized technology Human machine interface(HMI) Human factor engineering(HFE)

TK08

A

修改稿收到日期:2014-09-15。

张云波(1982-),男,2008年毕业于华北电力大学控制理论与控制工程专业,获硕士学位,工程师;主要从事核电厂仪控审评工作。