基于人因工程的主控室人机界面设计 对人机界面进行人因工程分析

　　摘要：人因工程学是一门新兴的正在迅速发展的交叉学科，涉及多种学科，在核电站主控室中，操作员主要以人机界面作为操作的主要媒介。在主控室设计中，引入人因工程思想，该文依据海南昌江DCS项目，规定了一套方法，使得设计出的人机界面更为合理，满足美国核管会所发布NUREG-0711标准。
　　关键词：主控室；人机界面；人因工程
　　中图分类号：TP18文献标识码：A文章编号：1009-3044(2012)21-5196-02
　　本文依据海南昌江DCS项目，规定了一套方法，其中包括系统的功能需求分析与分配，和任务分析。
　　 1人因工程在主控室人机界面设计概述
　　依据NUREG-0711标准，人因工程应用在核电DCS，分为4个阶段：计划和分析，设计，验证和确认，执行和操作。如下表所示，分为12个元素：
　　第一阶段：计划和分析：
　　1）人因工程项目管理：制定工作计划，确保所有的工作可以被正确执行。
　　2）运行经验评述：确保依据人因工程思想设计的人机界面可以避免之前核电站遇到的问题。
　　3）功能需求分析和功能分配：在对核电每一个系统进行分析，确认系统的功能和系统中那些设备可以在主控室中控制。
　　4）任务分析：确认核电中的每一个系统在主控室如何被操作。
　　5）人员配备和资质：确保人员质量。
　　6）人员可靠性分析：评估因为操作员的误操作而给核电站带来的安全隐患。
　　第二阶段：设计
　　1）人机界面设计：设计人机界面。
　　2）规程设计：根据人因工程原则制定操作规程。
　　3）培训计划：根据人因工程原则培训操作员。
　　第三阶段：验证和确认
　　1）人因验证和确认：根据NUREG-0800，NUREG-0711，NUREG-0700标准，对设计方案进行检查。
　　第四阶段：执行和操作
　　1）设计应用：人机设计界面应用在核电DCS主控室平台。
　　2）人员功效监控：保证操作员安全操作人机界面平台，避免出现重大安全事故。
　　 2人因工程在主控室人机界面设计方法
　　 2.1功能需求分析与分配
　　功能定义：根据电厂系统描述对系统功能进行定义，定义应符合上述准则。对每一个定义的功能，给出功能代码（如F01）。应明确标识所定义的功能是否为安全相关的。功能定义必须采用这样一种方式，即功能的完成可以通过参数、定量（压力，流量，液位，温度）或定性（系统或部件状态）测量。
　　功能进程：将功能分解成更小的单元，将其称之为进程。可以使用很多方法将系统分解成简单的进程。对每一个进程，给出相应的参数，同时给出包含的部件。这些部件仅局限于由主控室操纵员使用控制界面进行控制的部件。
　　图1给出了功能需求分析和功能分配的处理过程，功能分析和分配围绕这个过程开展。
　　功能需求分析用来指导：
　　1）确定设计目标、行为需求和限制性条件。
　　2）详细定义实现目标和行为需求的高级功能。
　　3）定义高级功能和（实现该功能相关联的）电厂系统之间的关系。
　　4）构建一个框架，更好的理解“控制器”（人或系统）控制电厂的角色功能分配用于电厂控制需求的分析和控制功能的分配：
　　①人（如手动控制）；
　　②系统部件（如自动控制和非能动的自我控制机理）；
　　③人和系统部件的联合控制。
　　为了满足这些要求，可以将一个核电站系统划分为四个层次来进行分析，如图2所示，该系统包含一个功能，该功能由一个进程组成，而每个进程又在不同的设备状态下表现为两种工艺进程模式。
　　
　　
　　各个层次的划分目的如下：
　　1）功能：功能表明了系统要执行的目标，一个系统可以有一个或多个功能。这里所要求的功能和整个系统输入中所要求的功能不同点主要是该功能是建立在主控室所能监控基础上的功能，是操纵员所需要执行的功能。该功能所涉及的设备和参数都能在主控室人机界面上监控。
　　2）进程：系统可以将其所包含的设备划分为多个进程，功能可以按照工艺需求由不同进程组合而成。
　　3）进程状态：同一进程内的设备状态按照工艺需求组成了有效的进程状态，从而使功能有多种工作模式，实现了功能从静态到动态的转换。
　　4）设备状态：进程中的设备按其设备类型可以有多种状态，例如阀门的开和关状态，泵的开启和停止状态等。
　　当一个功能中的进程处于不同的模式下，功能也就有了多种工作模式；不同模式之间的变化可称为模式切换。当操纵员需要将某功能置于一种模式或者进行模式切换时，就需要对其操作执行对象进行分配，因此功能分配也就变成了模式和模式切换的分配。要完成一个模式或模式切换，可以分为四个阶段：初始化，运行，验证，终止；其中每一阶段都需要对操作对象进行分配。四个阶段中初始化和终止包含了操纵员的主要操作，因此在接下来将集中围绕每个模式和模式切换的初始化和终止的分配来开展任务分析。
　　2.2任务分析
　　在人因工程活动中，功能分析和功能分配活动对系统和人员完成的功能进行了分析和分配，对于分配给电厂人员完成的功能，也定义了相应的人员作用和人员职责。为了完成这些功能就需要采取相应的人员行为，这些人员行为可以进一步分解为任务。
　　任务分析的目的是为了分析电厂人员完成任务所要执行的详细活动，确定成功执行任务的具体要求。任务分析应该为设计方案的确定提供基础，确保人员行为的要求没有超出人的能力范围，并为规程、人员安排、培训计划的开发提供基本的输入信息，为执行任务所需的显示、数据处理和控制的要求的落实提供基础。
　　为了得到合理的结果，分析人员应根据以下步骤进行任务分析：1）将功能转换为任务；
　　2）对任务功能进行基本描述；3）详细任务描述；
　　4）将任务分解为独立动作；
　　5）开发运行序列图。
　　经过上述任务分析过程，可以得到以下信息：
　　1）运行序列：定义每一个运行模式或运行模式改变（如正常、不正常或应急运行）的发生和结束，既可以手动，也可以自动；
　　2）任务：操纵员为了完成每个序列的系统功能而必须执行的一系列动作；
　　3）动作：操纵员为了完成每个任务而执行的动作。
　　任务分析的结果将作为其它一些人因工程活动的输入信息，如人机界面设计、规程开发、培训计划设计、人员安排和人员资质、任务支持验证原则的定义等。任务分析应考虑确定的任务需求范围，这些需求是由所有电厂工况（不仅仅是正常工况）确定的。
　　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] USNRC.Human Factors Engineering Program Review Model.NUREG-0711,2004.
　　[3] USNRC.Human-System Interface Design Review Guidelines.NUREG-0700. Rev 2,2002.