基于人因工程的主控室人機界面設(shè)計

陳潔 褚雪芹

摘要：人因工程學是一門新興的正在迅速發(fā)展的交叉學科，涉及多種學科，在核電站主控室中，操作員主要以人機界面作為操作的主要媒介。在主控室設(shè)計中，引入人因工程思想，該文依據(jù)海南昌江DCS項目，規(guī)定了一套方法，使得設(shè)計出的人機界面更為合理，滿足美國核管會所發(fā)布NUREG-0711標準。

關(guān)鍵詞：主控室；人機界面；人因工程

中圖分類號：TP18文獻標識碼：A文章編號：1009-3044(2012)21-5196-02

本文依據(jù)海南昌江DCS項目，規(guī)定了一套方法，其中包括系統(tǒng)的功能需求分析與分配，和任務(wù)分析。

1人因工程在主控室人機界面設(shè)計概述

依據(jù)NUREG-0711標準，人因工程應(yīng)用在核電DCS，分為4個階段：計劃和分析，設(shè)計，驗證和確認，執(zhí)行和操作。如下表所示，分為12個元素：

第一階段：計劃和分析：

1）人因工程項目管理：制定工作計劃，確保所有的工作可以被正確執(zhí)行。

2）運行經(jīng)驗評述：確保依據(jù)人因工程思想設(shè)計的人機界面可以避免之前核電站遇到的問題。

3）功能需求分析和功能分配：在對核電每一個系統(tǒng)進行分析，確認系統(tǒng)的功能和系統(tǒng)中那些設(shè)備可以在主控室中控制。

4）任務(wù)分析：確認核電中的每一個系統(tǒng)在主控室如何被操作。

5）人員配備和資質(zhì)：確保人員質(zhì)量。

6）人員可靠性分析：評估因為操作員的誤操作而給核電站帶來的安全隱患。

第二階段：設(shè)計

1）人機界面設(shè)計：設(shè)計人機界面。

2）規(guī)程設(shè)計：根據(jù)人因工程原則制定操作規(guī)程。

3）培訓計劃：根據(jù)人因工程原則培訓操作員。

第三階段：驗證和確認

1）人因驗證和確認：根據(jù)NUREG-0800，NUREG-0711，NUREG-0700標準，對設(shè)計方案進行檢查。

第四階段：執(zhí)行和操作

1）設(shè)計應(yīng)用：人機設(shè)計界面應(yīng)用在核電DCS主控室平臺。

2）人員功效監(jiān)控：保證操作員安全操作人機界面平臺，避免出現(xiàn)重大安全事故。

2人因工程在主控室人機界面設(shè)計方法

2.1功能需求分析與分配

功能定義：根據(jù)電廠系統(tǒng)描述對系統(tǒng)功能進行定義，定義應(yīng)符合上述準則。對每一個定義的功能，給出功能代碼（如F01）。應(yīng)明確標識所定義的功能是否為安全相關(guān)的。功能定義必須采用這樣一種方式，即功能的完成可以通過參數(shù)、定量（壓力，流量，液位，溫度）或定性（系統(tǒng)或部件狀態(tài)）測量。

功能進程：將功能分解成更小的單元，將其稱之為進程?？梢允褂煤芏喾椒▽⑾到y(tǒng)分解成簡單的進程。對每一個進程，給出相應(yīng)的參數(shù)，同時給出包含的部件。這些部件僅局限于由主控室操縱員使用控制界面進行控制的部件。

圖1給出了功能需求分析和功能分配的處理過程，功能分析和分配圍繞這個過程開展。

功能需求分析用來指導：

1）確定設(shè)計目標、行為需求和限制性條件。

2）詳細定義實現(xiàn)目標和行為需求的高級功能。

3）定義高級功能和（實現(xiàn)該功能相關(guān)聯(lián)的）電廠系統(tǒng)之間的關(guān)系。

4）構(gòu)建一個框架，更好的理解“控制器”（人或系統(tǒng)）控制電廠的角色功能分配用于電廠控制需求的分析和控制功能的分配：

①人（如手動控制）；

②系統(tǒng)部件（如自動控制和非能動的自我控制機理）；

③人和系統(tǒng)部件的聯(lián)合控制。

為了滿足這些要求，可以將一個核電站系統(tǒng)劃分為四個層次來進行分析，如圖2所示，該系統(tǒng)包含一個功能，該功能由一個進程組成，而每個進程又在不同的設(shè)備狀態(tài)下表現(xiàn)為兩種工藝進程模式。

各個層次的劃分目的如下：

1）功能：功能表明了系統(tǒng)要執(zhí)行的目標，一個系統(tǒng)可以有一個或多個功能。這里所要求的功能和整個系統(tǒng)輸入中所要求的功能不同點主要是該功能是建立在主控室所能監(jiān)控基礎(chǔ)上的功能，是操縱員所需要執(zhí)行的功能。該功能所涉及的設(shè)備和參數(shù)都能在主控室人機界面上監(jiān)控。

2）進程：系統(tǒng)可以將其所包含的設(shè)備劃分為多個進程，功能可以按照工藝需求由不同進程組合而成。

3）進程狀態(tài)：同一進程內(nèi)的設(shè)備狀態(tài)按照工藝需求組成了有效的進程狀態(tài)，從而使功能有多種工作模式，實現(xiàn)了功能從靜態(tài)到動態(tài)的轉(zhuǎn)換。

4）設(shè)備狀態(tài)：進程中的設(shè)備按其設(shè)備類型可以有多種狀態(tài)，例如閥門的開和關(guān)狀態(tài)，泵的開啟和停止狀態(tài)等。

當一個功能中的進程處于不同的模式下，功能也就有了多種工作模式；不同模式之間的變化可稱為模式切換。當操縱員需要將某功能置于一種模式或者進行模式切換時，就需要對其操作執(zhí)行對象進行分配，因此功能分配也就變成了模式和模式切換的分配。要完成一個模式或模式切換，可以分為四個階段：初始化，運行，驗證，終止；其中每一階段都需要對操作對象進行分配。四個階段中初始化和終止包含了操縱員的主要操作，因此在接下來將集中圍繞每個模式和模式切換的初始化和終止的分配來開展任務(wù)分析。

2.2任務(wù)分析

在人因工程活動中，功能分析和功能分配活動對系統(tǒng)和人員完成的功能進行了分析和分配，對于分配給電廠人員完成的功能，也定義了相應(yīng)的人員作用和人員職責。為了完成這些功能就需要采取相應(yīng)的人員行為，這些人員行為可以進一步分解為任務(wù)。

任務(wù)分析的目的是為了分析電廠人員完成任務(wù)所要執(zhí)行的詳細活動，確定成功執(zhí)行任務(wù)的具體要求。任務(wù)分析應(yīng)該為設(shè)計方案的確定提供基礎(chǔ)，確保人員行為的要求沒有超出人的能力范圍，并為規(guī)程、人員安排、培訓計劃的開發(fā)提供基本的輸入信息，為執(zhí)行任務(wù)所需的顯示、數(shù)據(jù)處理和控制的要求的落實提供基礎(chǔ)。

為了得到合理的結(jié)果，分析人員應(yīng)根據(jù)以下步驟進行任務(wù)分析：1）將功能轉(zhuǎn)換為任務(wù)；

2）對任務(wù)功能進行基本描述；3）詳細任務(wù)描述；

4）將任務(wù)分解為獨立動作；

5）開發(fā)運行序列圖。

經(jīng)過上述任務(wù)分析過程，可以得到以下信息：

1）運行序列：定義每一個運行模式或運行模式改變（如正常、不正?；驊?yīng)急運行）的發(fā)生和結(jié)束，既可以手動，也可以自動；

2）任務(wù)：操縱員為了完成每個序列的系統(tǒng)功能而必須執(zhí)行的一系列動作；

3）動作：操縱員為了完成每個任務(wù)而執(zhí)行的動作。

任務(wù)分析的結(jié)果將作為其它一些人因工程活動的輸入信息，如人機界面設(shè)計、規(guī)程開發(fā)、培訓計劃設(shè)計、人員安排和人員資質(zhì)、任務(wù)支持驗證原則的定義等。任務(wù)分析應(yīng)考慮確定的任務(wù)需求范圍，這些需求是由所有電廠工況（不僅僅是正常工況）確定的。

參考文獻：

[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] USNRC.Human Factors Engineering Program Review Model.NUREG-0711,2004.

[3] USNRC.Human-System Interface Design Review Guidelines.NUREG-0700. Rev 2,2002.