CN102737743A - 一种核电站主控室盘台布局的方法和系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种核电站主控室盘台布局的方法和系统，其中核电站主控室盘台布局的方法包括以下步骤：将核电站主控室盘台所控制的操作元件进行功能区域划分，以将具有相同功能的操作元件形成功能块；根据主控室盘台的执行程序分析操作元件中影响主控室盘台布局结果优劣的优化元素，并根据分析结果给操作元件和功能块赋予优化元素权值；建立评价操作员负荷量的目标函数，并根据权值计算目标函数值，采用迭代算法分别得到功能块和操作元件的最优布局。本发明采用迭代算法得到功能块和操作元件的最优布局，该过程耗时少，效率高，具有更高的可靠性，可有效提高复杂系统人机界面的设计质量，从而减少操纵员的操作负荷。

Description

一种核电站主控室盘台布局的方法和系统

技术领域

本发明涉及核电站设施领域，尤其涉及一种核电站主控室盘台布局的方法和系统。

背景技术

目前，国内已经有部分核电站采用了数字化仪控系统(DCS)，在主控室内采用计算机信息与控制系统对电厂进行监控。为了防止失去全部核电站计算机信息和控制系统瘫痪，在主控制室内设置了常规控制盘台--后备盘，确保核电站在事故情况下，仍有安全路径可操作。在不以计算机为主的备用监控方式下，后备盘上安装有常规指示仪表、指示灯、开关、按钮、报警窗等。

核电站主控室后备盘人机界面所处理的工况复杂，后备盘人机界面通常由大量相互联系的功能模块组成，每个功能模块又包含支持功能运作的操作单元(操作单元又包括多个操作元件)。这些单元既有分层组织的，也有交叉耦合的，一个单元的变化将引起多个单元的同时变化，单元之间的关系错综复杂，且单元的数量呈增长趋势。

后备盘元件布局问题属于一种排列组合问题，亦是组合优化问题。目前在工程上解决该类问题通常采用综合权值法，即将元件要素的权值进行累加或累乘，然后依据综和权值从大到小的顺序排列，从而得到元件序列。这种方法简单、快捷，但其缺点也十分明显。当功能模块所对应的权值数值设置不合适的时候，有可能其中两个或者更多的功能模块通过累乘(或者累加)的方式得来的综合权值会相等，则此时用综合权值的方法就无法将权值相等的功能模块给出一个明确的排序。同时，综合权值法只是将功能模块元器件的权值机械地累乘到一起，无法将相关性等游离于功能模块之间的设计原则综合到布局排序之中来。

此外，目前在国内核电领域普遍采用的方法是照搬参考核电站并结合工程经验进行人工布局，最后在成型的盘台上采用操纵员实验方法确定布局方案的可靠性。人工布局的方法受人的主观因素限制，只能同时考虑一到两种优化因素而且当因素间互相冲突时，难以决定哪种因素更重要，且该方法不可追溯，效率低，客观性差。

发明内容

本发明要解决的技术问题在于针对现有技术中对核电站主控室盘台人工布局不可追溯、效率低、客观性差的缺陷，提供一种核电站主控室盘台布局的方法和系统。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

提供一种核电站主控室盘台布局的方法，包括以下步骤：

A、将核电站主控室盘台所控制的操作元件进行功能区域划分，以将具有相同功能的所述操作元件形成功能块；

B、根据所述主控室盘台的执行程序分析所述操作元件中影响主控室盘台布局结果优劣的优化元素，并根据分析结果给所述操作元件和所述功能块赋予优化元素权值；

C、建立评价操作员负荷量的目标函数，并根据所述权值计算所述目标函数值，采用迭代算法分别得到所述功能块和所述操作元件的最优布局。

本发明所述的核电站主控室盘台布局的方法中，所述优化元素包括所述操作元件和所述功能块在处理事故工况时的重要性、相关性、使用频率和操作顺序。

本发明所述的核电站主控室盘台布局的方法中，步骤B包括：

B1、人工输入所述操作元件和所述功能块的重要性、相关性的值；

B2、将所述主控室盘台的执行程序序列分解，对所述操作元件的使用次数和执行次序分别进行统计，以量化为使用频率和操作顺序的值，同时结合所述重要性、相关性的值给所述操作元件和所述功能块赋予相应的权值。

本发明所述的核电站主控室盘台布局的方法中，所述目标函数的值根据计算机化的人体模型在三维布局图中模拟执行程序操作步骤，按人体部位的移动距离来计算。

本发明所述的核电站主控室盘台布局的方法中，获得所述功能块中操作元件的最优布局的迭代算法包括：

根据所述功能块中操作元件的初始排列组合，并对所述初始排列组合进行目标函数的计算，得到第一目标函数值；

对所述初始排列组合经过预设的位置更换，产生一个新的排列组合，并计算此时目标函数的值，得到第二目标函数值；

将所述第二目标函数值与所述第一目标函数值进行比较，在所述第二目标函数值小于所述第一目标函数值时，将当前的排列组合取代初始排列组合，同时将当前的排列组合再进行预设的位置变换，以进行新一轮的迭代计算，直到找到最小目标函数值。

本发明还提供一种核电站主控室盘台布局的系统，包括：

功能区域划分模块，用于将核电站主控室盘台所控制的操作元件进行功能区域划分，以将具有相同功能的所述操作元件形成功能块；

权值赋予模块，用于根据所述主控室盘台的使用规程分析所述操作元件中影响主控室盘台布局结果优劣的优化元素，并根据分析结果给所述操作元件和所述功能块赋予优化元素权值；

最优布局获取模块，用于建立评价操作员负荷量的目标函数，并根据所述权值计算所述目标函数值，采用迭代算法分别得到所述功能块和所述操作元件的最优布局。

本发明所述的核电站主控室盘台布局的系统中，所述优化元素包括所述操作元件在处理事故工况时的重要性、相关性、使用频率和操作顺序。

本发明所述的核电站主控室盘台布局的系统中，所述权值赋予模块包括：

获取单元，用于获取人工输入所述操作元件和所述功能块的重要性、相关性的值；

统计单元，用于将所述主控室盘台的执行程序序列分解，对所述操作元件的使用次数和执行次序分别进行统计，以量化为使用频率和操作顺序的值；

权值获取单元，用于根据所述获取单元所获取的值和所述统计单元量化的值给所述操作元件和所述功能块赋予相应的权值。

本发明所述的核电站主控室盘台布局的系统中，所述最优布局获取模块中，所述目标函数的值根据计算机化的人体模型在三维布局图中模拟执行程序操作步骤，按人体部位的移动距离来计算。

本发明所述的核电站主控室盘台布局的系统中，所述最优布局获取模块中获取所述功能块的最优布局所采用的所述迭代算法包括：

根据所述功能块的初始排列组合，并对所述初始排列组合进行目标函数的计算，得到第一目标函数值；

对所述初始排列组合经过预设的位置更换，产生一个新的排列组合，并计算此时目标函数的值，得到第二目标函数值；

将所述第二目标函数值与所述第一目标函数值进行比较，在所述第二目标函数值小于所述第一目标函数值时，将当前的排列组合取代初始排列组合，同时将当前的排列组合再进行预设的位置变换，以进行新一轮的迭代计算，直到找到最小目标函数值。

本发明产生的有益效果是：将核电站主控室盘台所控制的操作元件进行功能区域划分，得到相应功能块，建立评价操作员负荷量的目标函数，并采用迭代算法分别得到功能块和操作元件的最优布局，该过程耗时少，效率高，具有更高的可靠性，可有效提高复杂系统人机界面的设计质量，从而减少操纵员的操作负荷。

附图说明

下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明，附图中：

图1是本发明核电站主控室盘台布局系统的结构示意图一；

图2是本发明较佳实施例核电站主控室盘台布局系统的结构示意图二；

图3是本发明核电站主控室盘台布局方法的流程图；

图4是本发明较佳实施例核电站主控室盘台布局方法中赋予优化元素权值的流程图；

图5是本发明较佳实施例核电站主控室盘台布局方法中迭代算法流程图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

如图1所示，为本发明较佳实施例核电站主控室盘台布局系统的结构示意图，核电站主控室盘台布局系统包括功能区域划分模块10、权值赋予模块20和最优布局获取模块30，其中，功能区域划分模块10，用于将纳入常规核电站主控室盘台所控制的操作元件进行功能区域划分，功能分区以核电站各功能系统为主，以将具有相同功能的操作元件形成功能块；权值赋予模块20，用于根据主控室盘台的使用规程分析操作元件中影响主控室盘台布局结果优劣的优化元素，并根据分析结果给操作元件和功能块赋予优化元素权值；最优布局获取模块30，用于建立评价操作员负荷量的目标函数，并根据权值计算目标函数值，采用迭代算法分别得到功能块和操作元件的最优布局。

进一步地，如图2所示，权值赋予模块20具体包括获取单元21、统计单元22和权值获取单元23，其中，获取单元21，用于获取人工输入量化的优化元素的值，包括操作元件和功能块的重要性、相关性的值；统计单元22，用于自动量化优化元素的值，主要是将主控室盘台的执行程序序列分解，对操作元件的使用次数和执行次序分别进行统计，以量化为使用频率和操作顺序的值；该过程可通过计算机编程得到，具体为首先根据常规盘台的执行程序进行程序序列分解，对其操作步骤进行拆分，拆分成以操作元件为最小单位后进行统计和数据输入，然后根据统计结果得到操作元件的使用次数和使用次序(操作顺序)，将使用次数量化为元件使用频率，将使用次序规范为操作顺序；功能块的使用频率和操作顺序可以根据该功能块中所统计的操作元件的相应值获得。权值获取单元23，用于根据获取单元21所获取的值和统计单元22量化的值给操作元件和功能块赋予相应的权值。

如图3所示，本发明较佳实施例核电站主控室盘台布局方法主要包括以下步骤：

S1、将核电站主控室盘台所控制的操作元件进行功能区域划分，主要将纳入常规核电站主控室盘台所控制的操作元件进行功能区域划分，功能分区以核电站各功能系统为主，以将具有相同功能的操作元件形成功能块；

S2、根据主控室盘台的执行程序分析操作元件中影响主控室盘台布局结果优劣的优化元素，并根据分析结果给操作元件和功能块赋予优化元素权值，优化元素包括操作元件和功能块在处理事故工况时的重要性、相关性、使用频率和操作顺序。；

S3、建立用于评价操作员负荷量的目标函数，并根据权值计算目标函数值，采用迭代算法分别得到功能块和操作元件的最优布局。

图4是图3所示本发明较佳实施例核电站主控室盘台布局方法中赋予优化元素权值的流程图。如图4所示，图3中的步骤S2分析操作元件中影响主控室盘台布局结果优劣的优化元素，给操作元件和功能块赋予优化元素权值的过程主要为：

S201、根据主控室盘台操作特点，确定优化元素，影响其布局结果优劣的主要优化元素有重要性、相关性、使用频率和操作顺序。对核电站控制盘台的功能块和操作元件来说，其重要性和相关性需要根据工程经验反馈，可由资深操纵员通过填写问卷来进行分析确定，确定后由人工输入操作元件和功能块的重要性、相关性的值，再根据功能块中操作元件的优化元素值确定该功能块的优化元素值；

S202、将主控室盘台的执行程序序列分解；

S203、对主控室盘台的执行程序操作步骤进行拆分，拆分成以操作元件为最小单位进行统计和数据输入，对操作元件的使用次数和执行次序分别进行统计，以量化为使用频率和操作顺序的值，该过程可通过计算机编程得到；

S204、根据统计结果得到操作元件的使用次数，将使用次数量化为元件使用频率；

S205、根据执行程序操作步骤拆分，执行次序的统计将使用次序规范为操作顺序，功能块的使用频率和操作顺序可以根据该功能块中所统计的操作元件的相应值获得；

S206、根据分析给操作元件和功能块的优化元素重要性、相关性、使用频率和操作顺序分别赋予权值。

图5是图3所示本发明较佳实施例核电站主控室盘台布局方法中迭代算法流程图。如图5所示，以获得功能块最优布局的过程为例，图4中步骤S3中采用迭代算法得到功能块的最优布局的具体过程包括以下步骤：

S301、建立目标函数E(X)，用于表示在当前主控室盘台的排列组合下操纵员执行若干程序序列所需要的操作负荷值，该目标函数值将由计算机化的人体模型在三维布局图中模拟操纵步骤，按关键部位(眼、头、手、脚、关节)的移动距离来综合计算。在寻求功能块的最优布局时，变量X表示主控室盘台中功能块位置的排列组合，由于所划分的功能块的个数是一定的，这些功能块的位置排列方式的个数也是有限的，将功能块位置排列的所有方式看做一个集合，即一个解空间，集合中的元素可看做解空间中的一个解，即变量Xi，解空间记为{X0、X1、X2、……、Xi}，其中初始解X0可以为任意设置的或者指定的一个功能块的排列组合。解空间中的每一个解经过位置变换便可以得到解空间中的另一个解，即X0经过预设的位置变换得到X1，X1经过预设的位置变换得到X2，依次类推。功能块的优化元素，在本发明较佳实施例中为功能块中操作元素的重要性、相关性、使用频率和操作顺序，根据该功能块中所有操作元件的优化元素值，给目标函数中功能块的优化元素赋值，即初始化目标函数。

S302、随机产生一个初始解X0(即给定初始元件的初始排列组合)；

S303、对初始排列组合进行目标函数E(X0)的计算，此处E(X0)表征在当前初始排列组合下操纵员执行若干程序序列所需要的操作负荷均值；

S304、对当前的排列组合经过预先设置的简单的位置变换，产生一个位于解空间的新解，即新的排列组合Xi(i为正整数，每进行一次位置变换，i自动加1)；

S305、在新的元件排列组合基础上，计算出新的目标函数值E(Xi)，令i＝1；

S306、将新的目标函数值E(Xi)即E(X1)与之前的初始目标函数值E(X0)进行比较，判断E(X1)是否小于初始目标函数值E(X0)，即判断新的排列布局下操纵员负荷是否低于原始负荷；

在步骤S306的判断结果为是时，即新的操纵员负荷低于原始负荷，执行步骤S307，取当前排列组合，命Xi＝X1。此后再进行新一轮迭代，即将此时排列组合X1再进行预先设置的位置变换，如得到新的功能块的排列组合X2，计算E(X2)，将其与E(X1)再进行比较，若E(X2)小于E(X1)，则命Xi＝X2，再进行下一轮迭代计算；

在步骤S306的判断结果为否时，即新解的目标函数值大于等于上一轮迭代中解的目标函数值，则命i＝i+1，进行新一轮迭代计算，以找到表示操作员最小负荷的最小目标函数值E(Xi)；

迭代计算的终止条件为：迭代次数i大于等于当前功能块排列组合解空间中解的个数。

为了减少迭代步骤，同时综合核电站日常运行和事故工况下的执行程序特点，可将相关性较高的若干元素进行绑定排列，即假设A元素与B元素在100次程序执行序列中相关性大于A元素与其他元素的相关性，则将A元素与B元素进行绑定排列。同时，可将执行顺序一定的若干元素进行绑定排列，即假设在100次程序执行序列中有超过半数以上的几率执行完A元素后执行B元素，则按照固定A元素排列在B元素进行绑定排列。

在迭代计算结束后，将通过与行为分析软件结合的方式对优化后的主控室盘台布局排列进行验证，验证过程中将参考工程实际经验和操纵员反馈对优化结果进行进一步修正，以得出最优方案。

本发明还可以采用模拟退火算法获得功能块的最优布局，建立目标函数E(Xi)，用于表示在当前主控室盘台的布局下操纵员执行若干程序序列所需要的操作负荷值，该目标函数值将由计算机化的人体模型在三维布局图中模拟操纵步骤，按关键部位(眼、头、手、脚、关节)的移动距离来综合计算。模拟退火算法中的解空间为功能块所有的排列组合方式的集合，随机确定一个解空间中的解Xi为初始解，则该初始解经过位置变换便可以得到解空间中的另一个新解，计算这两个解的目标函数值，并进行比较，当新解的目标函数值小于初始解的目标函数值时，新解取代初始解，将新解再进行位置变换，进行新一轮的迭代计算，直到找到最小目标函数值，最小目标函数值所对应解的排列组合即为功能块的最优布局。

在功能块经过计算获得最优布局后，可对各个功能块中的操作元件分别进行最优布局选择，获得操作元件的最优布局的方法与上述获得功能块的最优布局的过程相同，在此不再赘述。

本发明将核电站主控室盘台所控制的操作元件进行功能区域划分，得到相应功能块，建立评价操作员负荷量的目标函数，并采用迭代算法分别得到功能块和操作元件的最优布局，该过程耗时少，效率高，具有更高的可靠性，可有效提高复杂系统人机界面的设计质量，从而减少操纵员的操作负荷。

应当理解的是，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，而所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。

Claims (10)

1.一种核电站主控室盘台布局的方法，其特征在于,包括以下步骤：

A、将核电站主控室盘台所控制的操作元件进行功能区域划分，以将具有相同功能的所述操作元件形成功能块；

B、根据所述主控室盘台的执行程序分析所述操作元件中影响主控室盘台布局结果优劣的优化元素，并根据分析结果给所述操作元件和所述功能块赋予优化元素权值； 

C、建立评价操作员负荷量的目标函数，并根据所述权值计算所述目标函数值，采用迭代算法分别得到所述功能块和所述操作元件的最优布局。

2.根据权利要求1所述的核电站主控室盘台布局的方法，其特征在于，所述优化元素包括所述操作元件和所述功能块在处理事故工况时的重要性、相关性、使用频率和操作顺序。

3.根据权利要求2所述的核电站主控室盘台布局的方法，其特征在于，步骤B包括：

B1、人工输入所述操作元件和所述功能块的重要性、相关性的值；

B2、将所述主控室盘台的执行程序序列分解，对所述操作元件的使用次数和执行次序分别进行统计，以量化为使用频率和操作顺序的值，同时结合所述重要性、相关性的值给所述操作元件和所述功能块赋予相应的权值。

4.根据权利要求1-3中任一项所述的核电站主控室盘台布局的方法，其特征在于，所述目标函数的值根据计算机化的人体模型在三维布局图中模拟执行程序操作步骤，按人体部位的移动距离来计算。

5.根据权利要求4所述的核电站主控室盘台布局的方法，其特征在于，获得所述功能块中操作元件的最优布局的迭代算法包括：

根据所述功能块中操作元件的初始排列组合，对所述初始排列组合进行目标函数的计算，得到第一目标函数值；

对所述初始排列组合经过预设的位置更换，产生一个新的排列组合，并计算此时目标函数的值，得到第二目标函数值；

将所述第二目标函数值与所述第一目标函数值进行比较，在所述第二目标函数值小于所述第一目标函数值时，将当前的排列组合取代初始排列组合，同时将当前的排列组合再进行预设的位置变换，以进行新一轮的迭代计算，直到找到最小目标函数值。

6.一种核电站主控室盘台布局的系统，其特征在于，包括：

功能区域划分模块，用于将核电站主控室盘台所控制的操作元件进行功能区域划分，以将具有相同功能的所述操作元件形成功能块；

权值赋予模块，用于根据所述主控室盘台的使用规程分析所述操作元件中影响主控室盘台布局结果优劣的优化元素，并根据分析结果给所述操作元件和所述功能块赋予优化元素权值；

最优布局获取模块，用于建立评价操作员负荷量的目标函数，并根据所述权值计算所述目标函数值，采用迭代算法分别得到所述功能块和所述操作元件的最优布局。

7.根据权利要求6所述的核电站主控室盘台布局的系统，其特征在于，所述优化元素包括所述操作元件在处理事故工况时的重要性、相关性、使用频率和操作顺序。

8.根据权利要求7所述的核电站主控室盘台布局的系统，其特征在于，所述权值赋予模块包括：

获取单元，用于获取人工输入所述操作元件和所述功能块的重要性、相关性的值；

统计单元，用于将所述主控室盘台的执行程序序列分解，对所述操作元件的使用次数和执行次序分别进行统计，以量化为使用频率和操作顺序的值；

权值获取单元，用于根据所述获取单元所获取的值和所述统计单元量化的值给所述操作元件和所述功能块赋予相应的权值。

9.根据权利要求6-8中任一项所述的核电站主控室盘台布局的系统，其特征在于，所述最优布局获取模块中，所述目标函数的值根据计算机化的人体模型在三维布局图中模拟执行程序操作步骤，按人体部位的移动距离来计算。

10.根据权利要求9所述的核电站主控室盘台布局的系统，其特征在于，所述最优布局获取模块中获取所述功能块的最优布局所采用的所述迭代算法包括：

根据所述功能块的初始排列组合，对所述初始排列组合进行目标函数的计算，得到第一目标函数值；

对所述初始排列组合经过预设的位置更换，产生一个新的排列组合，并计算此时目标函数的值，得到第二目标函数值；

将所述第二目标函数值与所述第一目标函数值进行比较，在所述第二目标函数值小于所述第一目标函数值时，将当前的排列组合取代初始排列组合，同时将当前的排列组合再进行预设的位置变换，以进行新一轮的迭代计算，直到找到最小目标函数值。

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