流程工業(yè)控制室人因工程設(shè)計

李 雪，劉 琛

（中核第七研究設(shè)計院有限公司，太原 030012）

0 引言

流程工業(yè)作為國民經(jīng)濟和社會發(fā)展的重要支柱產(chǎn)業(yè)，生產(chǎn)環(huán)境常常伴隨有高溫高壓、易燃易爆以及有毒有害物質(zhì)，其開車、停產(chǎn)程序復(fù)雜且代價巨大，一般不允許輕易停工，對生產(chǎn)的安全性、連續(xù)性和穩(wěn)定性要求較高?？刂剖易鳛槿珡S的控制中心和管理中樞，集合著復(fù)雜的監(jiān)測和控制系統(tǒng)，操作人員在控制室的每一項操作都可能對生產(chǎn)造成影響，要求操作人員必須熟練操作并能迅速準(zhǔn)確地完成可能發(fā)生的應(yīng)急處置任務(wù)，給操作人員帶來較大的心理壓力?？刂剖胰艘蚬こ痰哪康氖茄芯咳绾巫畲笙薅鹊匕l(fā)揮操作人員及儀控設(shè)備的效能并減少操作人員的差錯。以安全事故危害較大的核電為例，有關(guān)資料研究表明，人因造成的核電廠運行事件高達(dá)70%，應(yīng)用人因工程后，可有效避免約25%的故障和事故[1]。因此，有必要在流程工業(yè)控制室設(shè)計中應(yīng)用人因工程，構(gòu)建一個舒適的工作環(huán)境，最大限度發(fā)揮人員和設(shè)備的效能，減少人因失誤造成的故障和事故。

1 流程工業(yè)控制室特征

過程工業(yè)控制室通常位于主廠房群內(nèi)，具有生產(chǎn)操作、過程控制、安全保護、先進控制與優(yōu)化、儀表維護、仿真培訓(xùn)、生產(chǎn)管理及信息管理等功能，主要對生產(chǎn)系統(tǒng)的工藝參數(shù)及供電系統(tǒng)相關(guān)參數(shù)進行監(jiān)控。

1）網(wǎng)絡(luò)集約化

控制室開始由單/多路系統(tǒng)監(jiān)控向網(wǎng)絡(luò)化監(jiān)控轉(zhuǎn)變，針對流程工業(yè)生產(chǎn)系統(tǒng)進行網(wǎng)絡(luò)級監(jiān)控、協(xié)調(diào)、指揮管理和信息共享。在事件發(fā)生時，通過采集運行數(shù)據(jù)和視頻等信息，利用通訊手段進行指揮。

2）數(shù)字綜合化

隨著流程工業(yè)控制室數(shù)字化的發(fā)展，人機接口的自動化程度大幅提升。實時分布式數(shù)據(jù)庫廣泛應(yīng)用，數(shù)據(jù)的綜合處理能力增強，為運行人員提供的信息量也日趨龐大。在運行狀態(tài)出現(xiàn)異常時，運行人員無法快速直觀地獲取相關(guān)信息和工況變化，可能造成關(guān)鍵信息獲取不及時甚至遺漏，延誤異常事件的處置，增加運行人員的精神負(fù)擔(dān)和工作負(fù)荷。

3）專業(yè)協(xié)同化

流程工業(yè)的運行安全保障、運行監(jiān)測指揮、運行異常工況處置、運行信息顯示等方面均對控制室提出了專業(yè)協(xié)同化的網(wǎng)絡(luò)管理需求。以工業(yè)控制系統(tǒng)為媒介，實現(xiàn)各崗位操作的數(shù)字化交互和操作結(jié)果數(shù)字化、結(jié)構(gòu)化記錄，為系統(tǒng)的正常運行和異常事件處置提供了有效聯(lián)動和全局式的信息共享。

2 控制室人因工程設(shè)計原則

引入人因工程的前提是保證控制室功能不受影響且能正常控制過程工業(yè)產(chǎn)線按計劃運行。對人的因素和人機關(guān)系的考慮應(yīng)貫穿于設(shè)計全過程，將人因造成的失誤和控制系統(tǒng)故障造成的相關(guān)事故發(fā)生的可能性降到最低。

2.1 安全性原則

引入人因工程的首要原因即減少人因造成的故障和事故，提升流程工業(yè)運行的安全性。在保證人員安全的前提下，事故發(fā)生時能迅速報警，提醒操作人員采取處理措施，并能通過人因工程的應(yīng)用使流程工業(yè)快速恢復(fù)至安全運行狀態(tài)，最大程度降低事故影響。

2.2 可用性原則

引入人因工程的前提是保證控制室功能不受影響且能正?？刂屏鞒坦I(yè)產(chǎn)線按計劃運行。對人的因素和人機關(guān)系的考慮應(yīng)貫穿于設(shè)計全過程，將人因造成的失誤和控制系統(tǒng)故障造成的相關(guān)事故發(fā)生的可能性降到最低。

2.3 監(jiān)測與控制集中化原則

為保證操作的及時性和生產(chǎn)的安全性，應(yīng)最大程度將監(jiān)測功能與操作控制功能集中到控制室，一方面可簡化運行操作，便于人員遠(yuǎn)程控制；另一方面可在報警發(fā)出時，通過集中操作提升操作人員預(yù)警處理效率，減輕心理負(fù)擔(dān)，在緊急情況下集中精力判斷預(yù)警原因，思考預(yù)警處理的最佳操作，提升運行安全[2]。

2.4 人機功能合理分配原則

根據(jù)人因工程基本原則，應(yīng)充分考慮“人機關(guān)系”，使人機功能分配最佳化，人機接口合理化[3]。機器可負(fù)擔(dān)且操作簡便的任務(wù)應(yīng)優(yōu)先分配給機器完成，必須人完成的任務(wù)應(yīng)保證人員操作的便捷性和安全性，以充分發(fā)揮人機的綜合效能，安全有效預(yù)防和處理流程工業(yè)的運行事故。

3 控制室人因工程設(shè)計流程

控制室人因工程設(shè)計以流程工業(yè)控制室功能要求為依據(jù)，以保證流程工業(yè)安全運行，減少人因誤操作為目的進行逐層分級設(shè)計。其中，功能分配遵循“人機適配性原則”，充分考慮人機的處理能力和限度，分配給機的功能為自動控制所能完成的功能，無法通過自動控制完成的功能分配給人?？刂剖胰艘蚬こ淘O(shè)計流程如圖1。

圖1 控制室人因工程設(shè)計流程Fig.1 Control room human factors engineering design process

3.1 控制室布局設(shè)計

控制室的布局設(shè)計是運用功能聯(lián)系把多個控制臺安置在控制室的有效空間內(nèi)，通過將功能群組轉(zhuǎn)換為適當(dāng)尺寸的控制臺和布局的調(diào)整來保證流通空間和維修通道[4]。

基于人因工程的控制室布局設(shè)計原則：①空間和環(huán)境布置應(yīng)以保證人員安全和不影響操作員主要職責(zé)的履行為前提；②活動空間充足，保證人員工作活動的舒適性，同時活動區(qū)域應(yīng)盡量避開操作員工作視野范圍；③位置布置充分考慮各崗位操作分工、聯(lián)系和監(jiān)督要求，保證單獨作業(yè)與協(xié)同作業(yè)的有效銜接；④信息共享，保證顯示大屏在各相關(guān)控制臺均可觀察到。

3.2 人機界面設(shè)計

人機界面設(shè)計需要確認(rèn)的問題：功能需求——人機界面應(yīng)包含的全部功能，如遠(yuǎn)程啟停機、參數(shù)監(jiān)測、歷史記錄查詢等[5]；人員信息——操作員、值班長的操作習(xí)慣、年齡特征、人體形態(tài)特征、心理表現(xiàn)特征等；界面顯示規(guī)則——符合相關(guān)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)和人因工程要求的字符字體大小、顏色、亮度、圖形樣式、畫面切換方式等；人機交互原理——交互技術(shù)、交互設(shè)備、交互界面等[6]。

基于人因工程的人機界面設(shè)計原則：①界面簡潔明了，易于理解；②參數(shù)顯示形式多樣，調(diào)取操作簡單；③界面設(shè)計風(fēng)格一致，操作邏輯一致；④系統(tǒng)狀態(tài)和操作反饋可視化；⑤界面模塊分區(qū)符合操作習(xí)慣。

3.3 控制臺設(shè)計

控制臺是控制室的重要裝備，操作員以控制臺為核心樞紐完成運行工況監(jiān)測、參數(shù)調(diào)整、遠(yuǎn)程指揮等運行任務(wù)?？刂婆_的設(shè)計與人因可靠性、工作效率、職業(yè)健康等緊密相關(guān)[7]，進行設(shè)計時，應(yīng)以作業(yè)分析為基礎(chǔ)，充分考慮人的特征與需求。

基于人因工程的控制臺設(shè)計原則：①控制臺布置應(yīng)結(jié)合崗位溝通、協(xié)作關(guān)系，為操作員提供足夠的活動空間；②控制臺布置應(yīng)充分考慮人的能力、生理限度及心理需求等；③控制臺及臺面器件的外形與尺寸應(yīng)根據(jù)使用者的人體尺寸確定；④控制臺器件布置應(yīng)確保操作員可輕松看清運行信息；⑤控制臺的布置與設(shè)備外形選擇應(yīng)使設(shè)施易于修理。

3.4 環(huán)境設(shè)計

控制室的環(huán)境直接影響操作員的安全、健康、舒適和工作效率。根據(jù)HAF·J0055《核電廠控制室設(shè)計的人因工程原則》[8]中控制室環(huán)境的設(shè)計規(guī)定，主要針對熱環(huán)境、照明環(huán)境、聲學(xué)環(huán)境開展設(shè)計。

控制室熱環(huán)境應(yīng)符合人體和設(shè)備要求，以保證人的身心健康和設(shè)備的高效運轉(zhuǎn)。結(jié)合溫度、濕度、氣流、熱輻射、衣著等影響熱環(huán)境的主要因素，設(shè)計時需考慮暖通空調(diào)的布局位置、設(shè)備散熱、人員數(shù)量、光照、地理位置等因素，分別對冬季和夏季環(huán)境進行設(shè)計，使熱環(huán)境的各項參數(shù)控制在規(guī)定范圍內(nèi)。冬季以15℃～20℃為宜，夏季以20℃～28℃為宜，相對濕度保持在40%～65%為最佳[9]。

控制室照明環(huán)境直接影響操作員的視覺工效、作業(yè)準(zhǔn)確性及安全性。針對流程工業(yè)24h不間斷運行的特點，控制室照明環(huán)境應(yīng)采用人工照明為主，自然采光為輔的方式，要求控制室照度為300LX。考慮人員作業(yè)和活動的視覺需求、作業(yè)流程、設(shè)備布置等因素，對照度、均勻性、陰影、反光等影響照明環(huán)境的主要因素進行分情境設(shè)計。另外，事故照明系統(tǒng)必須單獨供電，設(shè)計時還需考慮光通量、照明系統(tǒng)轉(zhuǎn)換時間等因素。

控制室聲學(xué)環(huán)境的人因工程設(shè)計目的是為操作員提供良好舒適的聽覺環(huán)境，便于交流通訊和工況的監(jiān)聽，減輕操作員的聽力分散、煩躁和疲憊。通過對語音清晰度、吸音材料、設(shè)備噪聲、回聲等對控制室的聲學(xué)影響分析，結(jié)合優(yōu)化音質(zhì)和降低噪聲兩方面的措施對控制室音質(zhì)、設(shè)備降噪、建筑隔音等方面進行設(shè)計，保證環(huán)境噪聲不大于45dB，回聲時間小于1s[10]?？刂剖噎h(huán)境設(shè)計考慮因素如圖2。

圖2 控制室環(huán)境設(shè)計考慮因素Fig.2 Control room environmental design considerations

4 結(jié)語

參照核電、石油化工等流程工業(yè)控制室人因工程的設(shè)計，提出了適用于流程工業(yè)控制室人因工程設(shè)計的框架結(jié)構(gòu)。將以人為本的理念貫穿于設(shè)計的全生命周期，以相關(guān)人因工程標(biāo)準(zhǔn)把控人因設(shè)計質(zhì)量，有效避免了不合理的控制室作業(yè)條件和環(huán)境造成的安全生產(chǎn)隱患，減少人因失誤給生產(chǎn)帶來的損失，提升人員工作的舒適度和滿意度。