流程工業控制室人因工程設計

李 雪，劉 琛

（中核第七研究設計院有限公司，太原 030012）

0 引言

流程工業作為國民經濟和社會發展的重要支柱產業，生產環境常常伴隨有高溫高壓、易燃易爆以及有毒有害物質，其開車、停產程序復雜且代價巨大，一般不允許輕易停工，對生產的安全性、連續性和穩定性要求較高?？刂剖易鳛槿珡S的控制中心和管理中樞，集合著復雜的監測和控制系統，操作人員在控制室的每一項操作都可能對生產造成影響，要求操作人員必須熟練操作并能迅速準確地完成可能發生的應急處置任務，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揮操作人員及儀控設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，有關資料研究表明，人因造成的核電廠運行事件高達70%，應用人因工程后，可有效避免約25%的故障和事故[1]。因此，有必要在流程工業控制室設計中應用人因工程，構建一個舒適的工作環境，最大限度發揮人員和設備的效能，減少人因失誤造成的故障和事故。

1 流程工業控制室特征

過程工業控制室通常位于主廠房群內，具有生產操作、過程控制、安全保護、先進控制與優化、儀表維護、仿真培訓、生產管理及信息管理等功能，主要對生產系統的工藝參數及供電系統相關參數進行監控。

1）網絡集約化

控制室開始由單/多路系統監控向網絡化監控轉變，針對流程工業生產系統進行網絡級監控、協調、指揮管理和信息共享。在事件發生時，通過采集運行數據和視頻等信息，利用通訊手段進行指揮。

2）數字綜合化

隨著流程工業控制室數字化的發展，人機接口的自動化程度大幅提升。實時分布式數據庫廣泛應用，數據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。在運行狀態出現異常時，運行人員無法快速直觀地獲取相關信息和工況變化，可能造成關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擔和工作負荷。

3）專業協同化

流程工業的運行安全保障、運行監測指揮、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協同化的網絡管理需求。以工業控制系統為媒介，實現各崗位操作的數字化交互和操作結果數字化、結構化記錄，為系統的正常運行和異常事件處置提供了有效聯動和全局式的信息共享。

2 控制室人因工程設計原則

引入人因工程的前提是保證控制室功能不受影響且能正?？刂七^程工業產線按計劃運行。對人的因素和人機關系的考慮應貫穿于設計全過程，將人因造成的失誤和控制系統故障造成的相關事故發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，提升流程工業運行的安全性。在保證人員安全的前提下，事故發生時能迅速報警，提醒操作人員采取處理措施，并能通過人因工程的應用使流程工業快速恢復至安全運行狀態，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產線按計劃運行。對人的因素和人機關系的考慮應貫穿于設計全過程，將人因造成的失誤和控制系統故障造成的相關事故發生的可能性降到最低。

2.3 監測與控制集中化原則

為保證操作的及時性和生產的安全性，應最大程度將監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，便于人員遠程控制；另一方面可在報警發出時，通過集中操作提升操作人員預警處理效率，減輕心理負擔，在緊急情況下集中精力判斷預警原因，思考預警處理的最佳操作，提升運行安全[2]。

2.4 人機功能合理分配原則

根據人因工程基本原則，應充分考慮“人機關系”，使人機功能分配最佳化，人機接口合理化[3]。機器可負擔且操作簡便的任務應優先分配給機器完成，必須人完成的任務應保證人員操作的便捷性和安全性，以充分發揮人機的綜合效能，安全有效預防和處理流程工業的運行事故。

3 控制室人因工程設計流程

控制室人因工程設計以流程工業控制室功能要求為依據，以保證流程工業安全運行，減少人因誤操作為目的進行逐層分級設計。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計流程如圖1。

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

3.1 控制室布局設計

控制室的布局設計是運用功能聯系把多個控制臺安置在控制室的有效空間內，通過將功能群組轉換為適當尺寸的控制臺和布局的調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計原則：①空間和環境布置應以保證人員安全和不影響操作員主要職責的履行為前提；②活動空間充足，保證人員工作活動的舒適性，同時活動區域應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、聯系和監督要求，保證單獨作業與協同作業的有效銜接；④信息共享，保證顯示大屏在各相關控制臺均可觀察到。

3.2 人機界面設計

人機界面設計需要確認的問題：功能需求——人機界面應包含的全部功能，如遠程啟停機、參數監測、歷史記錄查詢等[5]；人員信息——操作員、值班長的操作習慣、年齡特征、人體形態特征、心理表現特征等；界面顯示規則——符合相關技術標準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、交互設備、交互界面等[6]。

基于人因工程的人機界面設計原則：①界面簡潔明了，易于理解；②參數顯示形式多樣，調取操作簡單；③界面設計風格一致，操作邏輯一致；④系統狀態和操作反饋可視化；⑤界面模塊分區符合操作習慣。

3.3 控制臺設計

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測、參數調整、遠程指揮等運行任務?？刂婆_的設計與人因可靠性、工作效率、職業健康等緊密相關[7]，進行設計時，應以作業分析為基礎，充分考慮人的特征與需求。

基于人因工程的控制臺設計原則：①控制臺布置應結合崗位溝通、協作關系，為操作員提供足夠的活動空間；②控制臺布置應充分考慮人的能力、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根據使用者的人體尺寸確定；④控制臺器件布置應確保操作員可輕松看清運行信息；⑤控制臺的布置與設備外形選擇應使設施易于修理。

3.4 環境設計

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

控制室熱環境應符合人體和設備要求，以保證人的身心健康和設備的高效運轉。結合溫度、濕度、氣流、熱輻射、衣著等影響熱環境的主要因素，設計時需考慮暖通空調的布局位置、設備散熱、人員數量、光照、地理位置等因素，分別對冬季和夏季環境進行設計，使熱環境的各項參數控制在規定范圍內。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]。

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

控制室聲學環境的人因工程設計目的是為操作員提供良好舒適的聽覺環境，便于交流通訊和工況的監聽，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、設備噪聲、回聲等對控制室的聲學影響分析，結合優化音質和降低噪聲兩方面的措施對控制室音質、設備降噪、建筑隔音等方面進行設計，保證環境噪聲不大于45dB，回聲時間小于1s[10]?？刂剖噎h境設計考慮因素如圖2。

圖2 控制室環境設計考慮因素Fig.2 Control room environmental design considerations

4 結語

參照核電、石油化工等流程工業控制室人因工程的設計，提出了適用于流程工業控制室人因工程設計的框架結構。將以人為本的理念貫穿于設計的全生命周期，以相關人因工程標準把控人因設計質量，有效避免了不合理的控制室作業條件和環境造成的安全生產隱患，減少人因失誤給生產帶來的損失，提升人員工作的舒適度和滿意度。