★ 北京廣利核系統工程有限公司 楊利，劉大鵬

關鍵詞：核安全級數字化儀控系統；和睦系統；人機界面；圖符設計

在核電站運行過程中，人機界面（Human - Machine Interface， HMI）是操作人員與設備之間的關鍵交互通道，對保障核電站安全、可靠與經濟運行具有至關重要的作用[1]。HMI不僅需要及時、準確地反映設備運行狀態，還需要指導操作人員在復雜工況下做出合理決策與正確操作，以避免重大損失與風險[2~4]。

和睦系統（FirmSys）是我國自主研發的核級數字化儀控平臺，由圖形組態模塊等多個核心模塊構成[5,6]。圖符作為反映設備運行狀態的基本圖形單元，在圖形組態中具有不可替代的作用，并在核電站實際運行中扮演重要角色。圖符通過不同顯示狀態表征設備的不同運行情況，能夠幫助操作人員快速識別報警信息與設備狀態，是監控設備正常運行的重要窗口。因此，研究并實現一套合理、響應迅速、顯示準確的圖符設計方法具有重要的理論與工程意義。

本文以FirmSys平臺為基礎，結合實際工程需求，系統研究了圖符的設計方法，提出了一種涵蓋動、靜態顯示的圖符設計方案，并基于該平臺實現了開發與應用。結果表明，本文所提出的設計方法能夠實現圖符對設備狀態變化的及時響應與準確呈現，為現場操作人員采取合理措施提供了有效依據。

1   圖符設計方法研究

1.1   總體設計思路

基于實際項目需求，本文梳理了圖符的功能與邏輯要求，確立了圖符設計應遵循的總體原則，具體如下：

（1）及時性：圖符應能快速響應設備狀態變化信息，通過關聯變量接收系統信號， 并隨變量變化即時作出響應。

（2）準確性：圖符需準確反映設備當前運行狀態，能夠根據接收的變量信號按預設動態屬性正確顯示對應狀態。

（3）特異性：每類圖符應代表特定設備類型（如閥門、泵等）， 并能表現同一設備類型的不同狀態（如開啟、關閉、未知等）。

（4）可變性：圖符應支持動態與靜態顯示模式的切換：未關聯變量時顯示為靜態圖符；關聯變量后可轉為動態圖符，并能隨變量值變化切換顯示狀態。

（5）一致性：不同設備類型的圖符應保持基本特征的一致性，如尺寸、顏色等。

圖符開發需在特定平臺上進行，并嚴格遵循需求文件中關于尺寸、線條、配色等方面的設計規范[7,8]。圖符設計開發流程如圖1所示。

圖1 圖符設計開發流程

1.2   外觀設計規范

圖符的外觀應清晰表達設備類型信息，同時能夠區分同一設備的不同運行狀態，并保持界面整潔美觀，便于觀察與操作[9,10]。外觀設計需滿足以下規范：

（1）圖符尺寸應統一且合理，不宜過大或過小；

（2）外觀簡潔明了，避免過度復雜；

（3）邊框寬度保持一致；

（4）能夠記錄圖符的類型、路徑、名稱等元數據信息；

（5）能夠直觀反映設備類型，每類圖符對應一種設備；

（6）每類圖符應包含若干狀態子圖，分別表示同一設備的不同狀態，示例如圖2所示。

圖2 某閥類設備圖符示例

結合項目需求與實際應用，本研究針對不同設備類型設計了相應的圖符，并為同一設備的不同狀態設計了獨立的狀態子圖， 共計涵蓋41種設備類型。各類設備及其對應狀態子圖數量如表1所示。

表1 設備類型及其對應圖符狀態數量統計

1.3   功能邏輯設計

動態圖符要求能夠通過關聯變量反映設備狀態變化，針對不同類型的變量需采用相應的狀態計算與表示方式。通過對圖符功能需求的詳細分析，本文總結出其應實現的邏輯功能如表2所示。

表2 圖符功能邏輯類型

1.3.1   關聯設備的圖符

圖符關聯設備后，其顯示狀態將隨設備狀態變化而改變。不同狀態子圖對應設備的不同運行狀態，如表3所示。

表3 設備狀態與圖符顯示映射關系

此類圖符通常同時關聯開反饋、關反饋、標簽等信號變量。例如，其接收到開反饋信號時顯示狀態子圖1（運行狀態），接收到關反饋信號時切換為狀態子圖2 （停止狀態）。

1.3.2   關聯變量的圖符

圖符關聯變量后，其顯示狀態將隨變量值變化而變化。圖符可關聯的變量類型及其邏輯如表4所示。

表4 變量關聯型圖符的邏輯映射

1.3.3   關聯動態文本的圖符

動態文本指關聯了動態變量的文本，其顯示內容與顏色可隨變量變化而改變。動態文本可關聯的變量類型及其邏輯如表5所示。

表5 動態文本關聯變量類型及其邏輯

圖符通過動態文本的唯一標識屬性實現關聯，從而獲取該文本所關聯的變量名與變量類型，并據此設置相應的顯示邏輯。此設計旨在結合動態文本，更全面、準確地反映設備運行狀態與變量變化，提升了操作人員對系統狀態的感知能力。

1.4   核心邏輯處理流程設計

邏輯處理是圖符設計的核心，負責響應用戶操作、處理輸入信號并執行狀態切換。其正確性直接關系到圖符顯示的準確性與系統運行的可靠性，對核電廠安全至關重要。

本研究設計的核心邏輯處理流程如下：

（1）信息接收與類型判斷：接收圖符信息，判斷其動態/靜態屬性。若為靜態圖符，則結束流程。

（2）動態類型識別：若為動態圖符，則進一步識別其關聯類型：設備、獨立變量或動態文本。

（3）設備關聯型：根據關聯的反饋信號變量值，計算設備當前運行狀態，并映射至對應的狀態子圖。

（4）變量關聯型：根據變量類型（布爾型、實型、整型等）與當前值，執行預設的邏輯判斷（如上下限比較、真假判斷），確定應顯示的狀態子圖。

（5）文本關聯型：通過讀取所關聯動態文本的屬性與變量值，執行相應的邏輯判斷，確定應顯示的狀態子圖。

（6）結果輸出與顯示：將計算得到的狀態子圖信息以結構化數據格式發送至安全顯示屏，經解析后完成圖形渲染與顯示。

2   圖符設計方法在FirmSys平臺的應用驗證

為驗證該圖符設計方法的正確性與有效性，本研究在FirmSys平臺的實際工程環境中對其進行了全面的應用測試。測試覆蓋了靜態圖符、變量關聯型圖符、設備關聯型圖符及動態文本關聯型圖符等全部設計類型。

驗證在含有環網變量的工程畫面中進行。首先，依據設計規范創建各類測試圖符，并分別關聯相應類型的環網變量或已綁定變量的動態文本。圖符的變量關聯組態界面如圖3所示。

圖3 圖符變量關聯組態界面

完成工程編譯并下載至安全顯示屏后，通過模擬信號源強制改變相關環網變量的值，觀察并記錄圖符的顯示變化，將實際顯示結果與設計預期的狀態子圖進行比對。

3   驗證結果與分析

依據上述方法對圖符功能進行驗證，主要結果匯總于表6。

表6 圖符功能驗證結果摘要

分析驗證結果可知：

（1）靜態圖符在所有測試條件下顯示狀態均保持不變，符合設計預期。

（2）關聯設備的動態圖符能夠正確響應設備狀態變遷，并實時顯示對應的狀態子圖。

（3）關聯布爾變量的圖符可隨變量真假值切換顯示狀態。

（4）關聯模擬量的圖符能根據預設限值與實時變量值的比較結果，正確觸發并顯示越限報警狀態。

應用驗證結果表明，采用本文設計方法在FirmSys平臺上開發的圖符，能夠根據所關聯變量或設備信號的變化，及時、準確地切換顯示狀態，真實反映了設備當前運行工況。該設計方法通過對不同變量類型的精細化邏輯處理，實現了圖符功能的多樣化與精準化，具備響應迅速、顯示準確、運行可靠的優點，便于操作人員快速識別系統狀態與異常，為其在各類運行工況下做出正確判斷與操作決策提供了有效的人機交互支持，進一步保障了核電站的安全穩定運行。

作者簡介：

楊   利（1981-），男，山東人，高級工程師，碩士，現就職于北京廣利核系統工程有限公司，主要從事核安全級儀控系統的軟件研發工作。

參考文獻：

[1] 王遠兵. 核電廠數字化安全系統人機接口設計研究[J]. 核動力工程, 2003, (05) : 482 - 485.

[2] 劉劍, 張艷輝, 李勇, 等. 核電站DCS系統人機界面圖符模板設計[J]. 核電子學與探測技術, 2020, 40 (01) : 1 - 5.

[3] 宿俊海, 李立, 陳山武. 基于NicSys的人機界面圖符模板設計[J]. 電腦知識與技術, 2019, 15 (07) : 203 - 204.

[4] 王旭辰, 朱鵬飛. 核電廠主控室人機界面人因工程設計分析[J]. 儀器儀表用戶, 2013, 20 (06) : 83 - 85.

[5] 石桂連, 周飛. 核級儀控系統平臺和睦系統主控制站的研發和應用[J]. 核動力工程, 2019, 40 (05) : 103 - 107.

[6] 江國進, 李富, 莫昌瑜, 等. 核安全級數字化儀控系統自診斷功能研究與設計[J]. 核科學與工程, 2019, 39 (01) : 146 - 154.

[7] 徐一茹, 鄧士光. 基于人因工程的核電廠主控室人機接口畫面元素優化[J]. 核科學與工程, 2022, 42 (05) : 1065 - 1076.

[8] 高超, 彭立, 馬建新, 等. 一種嚴重事故儀控系統人機界面的人因設計[J]. 自動化博覽, 2018, 35 (08) : 78 - 81.

[9] 顧吉青. 基于色彩理論的核電站人機接口顏色方案[J]. 儀器儀表用戶, 2021, 28 (01) : 65 - 68 + 110.

[10] 章旋, 張光昱, 張俊軍, 等. 核電站模擬機操縱員站人機界面組態軟件開發[J]. 計算機應用與軟件, 2013, 30 (12) : 272 - 275.

摘自《自動化博覽》2026年7月刊