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主控室是核電廠的神經(jīng)中樞,大屏幕技術(shù)在主控室已得到廣泛應(yīng)用。運行人員從大屏幕上可以迅速了解電廠總貌和當(dāng)前運行狀況,有助于其對電廠狀態(tài)的快速評估及協(xié)同工作。好的大屏幕設(shè)計,要在系統(tǒng)功能上滿足電廠各種工況下的監(jiān)測需求,在性能上達(dá)到連續(xù)運行、精確顯示、穩(wěn)定、抗震等要求,在人因特性上能夠做到提供舒適的顯示畫面、減少操縱員視覺疲勞、有效提高工作效率,同時還必須兼顧經(jīng)濟性、可維護(hù)性和市場發(fā)展趨勢。本文將以法規(guī)標(biāo)準(zhǔn)為依據(jù),以工程經(jīng)驗為參考,從實際應(yīng)用為出發(fā),系統(tǒng)剖析核電廠主控室大屏幕設(shè)計中的關(guān)鍵問題,探索指導(dǎo)實際工程應(yīng)用的思路和方法。
1 核電廠主控室大屏幕設(shè)計目的
核電廠主控室大屏幕的設(shè)計目的主要包括以下3個方面:
①大屏幕提供電廠狀態(tài)的總體概況,包括電廠主要參數(shù)的穩(wěn)定顯示、電廠工況的相關(guān)信息等;
②大屏幕支持多人同時瀏覽同樣的信息,為機組運行人員相互協(xié)作或交接提供信息交換的參考,從而提高運行班組的能力;
③主控室內(nèi)或剛進(jìn)入主控室的人員可通過大屏幕快速了解電廠的整體狀況,而不妨礙操縱員正常工作。
2適用法規(guī)標(biāo)準(zhǔn)
核電廠主控室大屏幕設(shè)計,主要參考國標(biāo)、RCC、IEC、IEEE系列標(biāo)準(zhǔn),如HAF J0055[2]、NB/T20058、NUREC 0700、IEC 61772、RCC -E- 2005、EUR、URD等。其中,NB/T 20058[l]與NUREC0700'31對主控室大屏幕的功能、技術(shù)參數(shù)、布置原則等作了比較詳細(xì)的規(guī)范要求。NB/T 20058主要給出了總體性的設(shè)計原則,而NUREC 0700則列出了具體的技術(shù)參數(shù),兩者總的原則基本一致,可共同作為主要設(shè)計參考規(guī)范。
3 主控室大屏幕系統(tǒng)設(shè)計流程
核電廠主控室大屏幕系統(tǒng)設(shè)計是一個復(fù)雜而嚴(yán)謹(jǐn)?shù)脑O(shè)計過程,需遵循相關(guān)法規(guī)標(biāo)準(zhǔn),對屏幕顯示產(chǎn)品充分調(diào)研,結(jié)合儀控設(shè)備特點、運營要求、參考電站配置方案、工程實施中的經(jīng)驗反饋,開展相應(yīng)設(shè)計工作。設(shè)計主要包括大屏幕選型、系統(tǒng)配置、布置、抗震、畫面設(shè)計;然后對設(shè)計方案進(jìn)行實體模型、畫面功能、抗震試驗等多項驗證,最終得到大屏幕系統(tǒng)完整的工程實施方案。主控室大屏幕系統(tǒng)設(shè)計流程如圖1所示。
4大屏幕設(shè)計及應(yīng)用問題探討
核電廠主控室大屏幕設(shè)計及應(yīng)用主要包括如下方面:大屏幕選型、系統(tǒng)配置、布置設(shè)計、抗震、畫面設(shè)計。
4.1大屏幕選型
核電廠主控室大屏幕設(shè)計的各個環(huán)節(jié)不是分割的,而是作為一個整體進(jìn)行綜合考慮。大屏幕選型設(shè)計將影響后續(xù)大屏幕系統(tǒng)配置、布置、抗震、畫面設(shè)計等各項工作,需經(jīng)過綜合分析才能確定。例如,大屏幕的尺寸會影響系統(tǒng)配置方案,分辨率會影響布置設(shè)計,顯示比例會影響畫面設(shè)訃,而使用壽命會影響運行維護(hù)準(zhǔn)則等。所以,大屏幕的選型設(shè)計是最重要的一個環(huán)節(jié),因為后續(xù)設(shè)計出現(xiàn)的問題若無法解決,追根溯源,最后還是要對大屏幕參數(shù)進(jìn)行調(diào)整。
法規(guī)標(biāo)準(zhǔn)中只列出了大屏幕參數(shù)的通用要求,包括分辨率、亮度、對比度、穩(wěn)定性等基本參數(shù),并未對大屏幕的所有參數(shù)進(jìn)行詳細(xì)要求。因此,國內(nèi)外核電廠數(shù)字化先進(jìn)主控室中,大屏幕的選型及配置方式還是存在很大不同。例如,法國的N4核電廠主控室大屏幕采用模擬盤顯示電廠主要流程和重要參數(shù),CPRlOOO主控室采用4塊平行布置的80英寸(1英寸=25.4 mm)背投大屏幕(digital lightprocession,DIP),EPR主控室采用4塊弧形布置的80英寸背投大屏幕,某三代核電廠主控室采用16塊掛墻安裝的70英寸液晶大屏幕(liguid crystal display,LCD),而國內(nèi)某核電廠主控室則采用4塊70英寸液晶大屏幕與后備盤一體化架構(gòu)方案。
大屏幕選型一方面要根據(jù)系統(tǒng)設(shè)計要求,另一方面還應(yīng)結(jié)合工業(yè)級顯示器市場發(fā)展情況。所選大屏幕不但要從性能上滿足連續(xù)運行、精確顯示、穩(wěn)定性高等特點;還要符合人因工程的要求,即向操縱員提供舒適的顯示畫面,減少其視覺疲勞,提高工作效率;同時,需兼顧經(jīng)濟性、可維護(hù)性及發(fā)展趨勢等。通過分析法規(guī)標(biāo)準(zhǔn)要求,同時結(jié)合對產(chǎn)品的市場調(diào)研,總結(jié)出選型主要包括以下技術(shù)指標(biāo)。
(1)亮度:指畫面的明亮程度,與對比度共同影響畫面質(zhì)量。
(2)對比度:指一幅圖像中明暗區(qū)域最亮的白和最暗的黑之間不同亮度層級的測量。
(3)色彩:色彩值越高,顯示出色彩層次越豐富,圖像越艷麗。
(4)分辨率:分辨率越高,圖像的品質(zhì)就越好,畫面更細(xì)膩。
(5)屏幕尺寸:指顯示器屏幕對角線的長度,單位為英寸。
(6)畫面比例:屏幕畫面顯示的寬高比。
(7)可視角度:可視角度越大,用戶能看到清晰完美畫面的空間范圍越大。
(8)反光:大屏幕所選材質(zhì)應(yīng)盡可能避免反光現(xiàn)象,以免影響操縱員監(jiān)測。
(9)-致性:一致性高,表明屏幕顯示性能良好穩(wěn)定。
(10)功耗:功耗越小越好。
(11)光源壽命:屏幕光源可正常使用的時間
(12)外框尺寸:設(shè)備的外圍框線尺寸。
(13)工作條件要求:硬件設(shè)備運行環(huán)境要求,對環(huán)境的要求越低越好。
(14)產(chǎn)品價格及維護(hù)成本:在同等質(zhì)量的情況下,價格低有利于節(jié)省成本。
(15)抗震性:出于對主控室設(shè)備及人員安全考慮,大屏幕需具備較好的抗震性。
(16)端口要求:端口是指顯示信號輸出設(shè)備和顯示設(shè)備連接的接口。要求采用通用的標(biāo)準(zhǔn)化接口,并應(yīng)提供盡量豐富的接口種類。
目前,核電廠主控室應(yīng)用較多的是背投大屏幕(DLP)和液晶大屏幕(LCD)。表1以較型的一款威創(chuàng)DIP和一款夏普LCD為例,對參數(shù)性能進(jìn)行對比分析。
從表1參數(shù)對比情況來看,LCD亮度和對比度較高,其顯示圖像較明亮、清晰;色彩層次豐富,分辨率高,畫面更細(xì)膩;可視范圍廣,亮度均勻統(tǒng)一,能耗低,質(zhì)量小,體積輕薄,反光影響小,便于集成,光源壽命長。此外,LCD是目前工業(yè)級顯示器的主流趨勢,品牌多,成本低,備品備件充足。由于上述LCD性能和成本的優(yōu)勢,可以預(yù)期,未來核電廠主控室新建或改造項目中將越來越多地傾向使用LCD大屏幕進(jìn)行顯示。
4.2大屏幕系統(tǒng)配置
根據(jù)法規(guī)標(biāo)準(zhǔn)要求,大屏幕要向操縱員實時提供電廠概貌圖、重要參數(shù)及專用畫面等信息。其一般作為電廠數(shù)字化信息和控制系統(tǒng)的組成部分,接入DCS實時數(shù)據(jù)網(wǎng),大屏幕只具備顯示功能,沒有電廠控制能力。
以CPRIOOO項目為例,其主控室大屏幕系統(tǒng)配置方案如圖2所示,包括4個DLP大屏幕、4個安裝基座、4臺OPS主機、1套鍵鼠。其中主機與二層數(shù)據(jù)網(wǎng)連接,顯示相應(yīng)數(shù)據(jù)信息。4個大屏幕和主機由220 V電源供電,其中2個為A列、2個為B列。
大屏幕配置方案是綜合儀控總體方案、功能分析分配、主控室布置要求、經(jīng)驗反饋、屏幕產(chǎn)品特性、視頻顯示技術(shù)等各方面因素的結(jié)果。由于不同的儀控總體方案、功能分配原則及產(chǎn)品選型等因素,各堆型主控室大屏幕配置方案會有較大不同。例如CPRlOOO、EPR都是配置4臺獨立的DLP大屏幕,某三代核電廠則配置了16塊獨立的LCD大屏幕,田灣則是將大屏幕與后備盤集成配置,韓國的APR1400則配置有大小尺寸不同的多塊屏幕進(jìn)行顯示,而高溫氣冷堆則是由動態(tài)模擬盤與液晶大屏幕結(jié)合進(jìn)行顯示。
目前,新的液晶屏幕及小間距顯示技術(shù)發(fā)展迅猛,其顯示效果更好,體積更輕薄,便于靈活的布置及系統(tǒng)集成;而帶來沉浸式體驗和趨于人體視網(wǎng)膜成像原理的曲面大屏幕技術(shù)也異軍突起;而視頻切割、畫中畫、視頻漫游、視頻復(fù)用等技術(shù)的成熟應(yīng)用,為新一代核電廠主控室大屏幕配置方案提供更多可能性。
4.3大屏幕布置
法規(guī)標(biāo)準(zhǔn)中明確指出“大屏幕應(yīng)布置在主控室內(nèi),以便所有相關(guān)用戶都可以從主操作區(qū)內(nèi)的任何位置觀看到該屏幕。通常,主控室內(nèi)設(shè)備較多,為大屏幕預(yù)留空間有限,大屏幕布置作為主控室布置的一部分需綜合考慮。主控室大屏幕布置簡單講就是兩條原則:“布得下”和“布得好”。
“布得下”是說根據(jù)主控室現(xiàn)有空間和其他設(shè)備定位布局,找出一塊適當(dāng)區(qū)域,結(jié)合所選屏幕特性及數(shù)量,將大屏幕布置在這塊區(qū)域中,其“左右”應(yīng)布置在監(jiān)控區(qū)域中心,且不與其他設(shè)備碰撞,“上”不與吊頂碰撞,“下”留有支架安裝和進(jìn)線空間,“前”利于操縱員正常觀測,“后”便于維護(hù)更換,大屏幕的布置符合主控室整體布置要求。
“布得好”是說大屏幕的布置要滿足操縱員的使用需求及人因相關(guān)法規(guī)標(biāo)準(zhǔn),盡可能優(yōu)化,使操縱員能夠快速、高效監(jiān)控;同時,提高其觀測舒適度,減少視覺疲勞和干擾,保證操縱員工作效率和電廠安全。 在大屏幕總體定位方面,一般大屏幕布置在操縱員工作區(qū)前方,并與其保持中心對稱,以便“大屏幕主要用戶正常工作區(qū)宜位于大屏幕觀察區(qū)中心。有多個大屏幕時,顯示操縱員公用信息的大屏幕布置在中間,而各自專用信息的屏幕分別靠近其對應(yīng)工作站,以便操縱員均能看見信息,并且避免觀看大屏幕時頻繁轉(zhuǎn)頭。
在大屏幕布置距離方面,硬性規(guī)定有“大屏幕最小觀測距離不宜小于顯示屏幕寬度或高度中較大者的一半。這條規(guī)定要求大屏幕觀測距離要與屏幕選型相匹配,在布置空間有限的情況下,就不能選擇太大尺寸的屏幕。而另一方面,最大可視距離則要求“基于對各個操縱員的信息需要和他們工作區(qū)域位置的分析得出。所以,大屏幕最大可視距離的確定應(yīng)結(jié)合畫面圖符大小及顯示器顯示效果,保證主操作區(qū)距離最遠(yuǎn)用戶能夠清楚觀察到大屏幕上所需信息。
在大屏幕布置視角方面,“宜考慮關(guān)鍵用戶不被遮擋”,即大屏幕布置的高度不能太低,要使主操作區(qū)用戶正常工作時視線不被遮擋。要求大屏幕“水平布置視線在±80。范圍,垂直布置視線在±45。范圍”,“每個用戶的正常工作區(qū)域都應(yīng)該在各個需要觀看的大屏幕側(cè)面可視角范圍以內(nèi)。所以,在大屏幕布置時,要進(jìn)行相應(yīng)計算和驗證,如不滿足,則需從布置距離和屏幕選型等多方面考慮調(diào)整。
在大屏幕顯示細(xì)節(jié)方面,“大屏幕硬件宜使用戶能從可能的最遠(yuǎn)距離處辨認(rèn)出所需要的細(xì)節(jié),標(biāo)簽和細(xì)節(jié)信息的文字大小需要基于用戶最遠(yuǎn)觀測距離來分析;從最遠(yuǎn)觀測距離測量,典型的文字和數(shù)字高度應(yīng)該不低于可視角的15。屏幕上字符的實際高度可參考下述公式計算:
字符高度=6. 283DA/21 600 (1)
式中:D為用戶到屏幕的距離;A為要求的弧度值(單位是分)。
最遠(yuǎn)觀測者看到的屏幕文字可視角受三方面因素影響:觀測距離、畫面圖符大小、屏幕像素間距。其他因素不變的情況下,觀測距離越遠(yuǎn),可視角將會越低;但如果能夠提高畫面圖符大小或者屏幕像素間距,則視角要求也能滿足。所以,當(dāng)現(xiàn)有大屏幕布置無法滿足畫面細(xì)節(jié)最小可視角要求時,不應(yīng)簡單地只歸結(jié)為布置問題,而應(yīng)綜合考慮布置、畫面設(shè)計、屏幕選型(尺寸、顯示比例及分辨率),最終制定出合理的修改方案。
標(biāo)準(zhǔn)要求“大屏幕顯示避免反光影響”。大屏幕反光現(xiàn)象會使操縱員不能有效觀測數(shù)據(jù),不能及時發(fā)現(xiàn)重要提醒,并引起身心不適,進(jìn)而造成人因失誤。一方面,在保證大屏幕顯示性能和品質(zhì)的前提下,必須盡可能降低其反光率,主要包括選用反光率較低的大屏幕材質(zhì)、對大屏幕貼防反光膜、大屏幕上方搭遮光板等措施。另一方面,優(yōu)化主控室照明及布置設(shè)計,主要包括合理設(shè)置主控室各區(qū)域照度、避免直射大屏幕的光源、對造成反光影響較大的光源進(jìn)行調(diào)整、改變操作區(qū)與大屏幕距離等措施。
4.4大屏幕抗震
主控室大屏幕是非安全級設(shè)備,當(dāng)發(fā)生地震時,其功能不是必需的。但由于其體積、質(zhì)量較大,并且靠近安全級設(shè)備和操縱員,所以要滿足抗震II類要求,即發(fā)生安全停堆地震( safe shutdown earthquake,SSE)中和震后,需保證大屏幕結(jié)構(gòu)完整,屏幕無飛濺,以免傷到操縱員或損壞其他安全級設(shè)備。國內(nèi)外不同堆型電廠如CPRlOOO、EPR等均要求主控室大屏幕滿足抗震II類要求。
通常,批量生產(chǎn)的大屏幕產(chǎn)品(包括NEC、夏普、三星等)未必進(jìn)行專門的抗震鑒定試驗。大屏幕抗震性能主要通過抗震支架保證,其支架本身要有足夠強度,并且屏幕與支架的連接要穩(wěn)定牢固,還要采取一定緩沖減震措施。向大屏幕支架設(shè)計廠家提供的技術(shù)規(guī)格書中要包含支架設(shè)計要求、所選的屏幕型號規(guī)格、安裝布置要求、維護(hù)更換要求、抗震試驗要求等。另外,大屏幕支架需與大屏幕及主控室設(shè)備整體風(fēng)格保持一致。
大屏幕抗震驗證主要有抗震試驗和模型分析兩種方式。
大屏幕抗震試驗遵循HAF -J- 0053[4]、CB 13625、NB/T 20040、IEEE 344等標(biāo)準(zhǔn)要求,對安裝在抗震支架上的大屏幕進(jìn)行抗震性能檢測?己舜笃聊患捌浒惭b支架的剛度、強度及設(shè)備關(guān)鍵部位的加速度響應(yīng),驗證設(shè)備能否在地震條件下滿足結(jié)構(gòu)完整等要求,主要流程如下。
(1)準(zhǔn)備試驗設(shè)備:標(biāo)準(zhǔn)地震臺、加速度傳感器、位移傳感器、數(shù)據(jù)采集和處理系統(tǒng)。
(2)設(shè)備安裝:大屏幕與支架連接固定,支架底板剛性連接到地震試驗臺。
(3)測點布置:對大屏幕正向、側(cè)向位移測點布置位移傳感器,屏幕上、下端角等位置布置多個X/Y/Z三方向的加速度傳感器。
(4)測試前檢查:加載試驗反應(yīng)譜前,對大屏幕及支架進(jìn)行全面檢查,檢查其結(jié)構(gòu)和功能是否完整。
(5)試驗反應(yīng)譜:試驗所用反應(yīng)譜應(yīng)該包絡(luò)大屏幕實際安裝位置的樓層響應(yīng)譜。
(6)動態(tài)特性探查:用白噪聲隨機掃描的方法獲得大屏幕及其支架結(jié)構(gòu)的自振頻率和各測點的阻尼比.X、y、Z三向分別輸入。
(7)OBE震動試驗:以X、y、Z三向同時輸入OBE地震試驗譜,連續(xù)進(jìn)行5次OBE震動試驗。
(8)SSE震動試驗:在OBE試驗完成后,緊接著以X、l,、Z三向同時輸入SSE地震試驗譜,進(jìn)行1次SSE震動試驗。
(9)試驗后檢查:檢查大屏幕、安裝支架及固定連接螺栓等結(jié)構(gòu)是否完整,有無明顯變形和裂縫,固定和連接有無明顯松動,接插件連接是否良好,有無飛濺物等。
(10)數(shù)據(jù)分析和結(jié)論:對各測點數(shù)據(jù)進(jìn)行分析,得出最終結(jié)論。
大屏幕抗震的模型分析過程是根據(jù)大屏幕及其支架的二維圖紙和三維模型,提取相關(guān)數(shù)據(jù),建立有限元分析模型,采用等效靜力法、反應(yīng)譜法和時程分析等方法,計算分析出X/Y/Z方向屏幕最大主應(yīng)力和最大位移,然后進(jìn)行力學(xué)評定。力學(xué)評定包括支架應(yīng)力評定、支架屈曲評定、屏幕位移評定、屏幕性能評定、支承螺栓評定等,按照RCC -M、CB 50267等規(guī)范要求,逐項核實,最終得出大屏幕抗震分析結(jié)果。模擬SSE地震情況下,采用等效靜力法分析大屏幕及其支架的位移情況,從模擬結(jié)果可以看出,屏幕上部位移最大,達(dá)到0.287 mm。
4.5大屏幕畫面
大屏幕系統(tǒng)向主控室運行人員提供電廠整體狀態(tài)和運行參數(shù)相關(guān)的重要信息顯示,主要內(nèi)容如下。
(1)電廠總貌狀態(tài)顯示:一/二回路主要系統(tǒng)的概貌圖、關(guān)鍵參數(shù)、重要設(shè)備狀態(tài)、綜合報警、棒位信息等。
(2)電廠模式(或工況)顯示。
(3)安全系統(tǒng)或功能可用性信息顯示、專設(shè)安全設(shè)施驅(qū)動狀態(tài)的顯示。
(4)報警總貌顯示:包括重要報警以及系統(tǒng)級報警、組報警的固定報警窗的顯示。
(5)重要參數(shù)的趨勢顯示。
(6)操縱員選擇顯示:操縱員可以將操縱員工作站上的顯示畫面投映到該區(qū)域內(nèi)顯示。
大屏幕系統(tǒng)要考慮關(guān)鍵運行參數(shù)的顯示,包括但不限于反應(yīng)堆功率、反應(yīng)堆冷卻劑系統(tǒng)壓力、反應(yīng)堆冷卻劑系統(tǒng)溫度、飽和裕度、反應(yīng)堆冷卻劑流量率、壓力容器水位、蒸發(fā)器水位、穩(wěn)壓器水位、蒸汽壓力、蒸汽流量。
大屏幕系統(tǒng)要考慮重要設(shè)備的顯示,包括但不限于反應(yīng)堆冷卻劑泵、給水和冷凝系統(tǒng)泵、隔離閥(如主蒸汽和給水)、安全系統(tǒng)閥門、余熱排出泵和閥門、電源斷路器、輔助發(fā)電機、安全和泄壓閥、循環(huán)水泵。
受空間限制等因素,主控室大屏幕數(shù)量有限,為給主控室操縱員提供清晰準(zhǔn)確的信息.需要對大屏幕畫面進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計,考慮電廠系統(tǒng)和設(shè)備間的關(guān)聯(lián),高效組織相關(guān)顯示內(nèi)容。
以CPRIOOO為例,主控室布置4塊大屏幕,劃分為兩個區(qū)域。其中1、2、3屏為固定顯示區(qū)域,從左至右依次顯示核島畫面、常規(guī)島畫面和電氣畫面,主要是電廠一、二回路示意圖上添加關(guān)鍵運行參數(shù)和報警顯示。第4塊屏為變量顯示區(qū)域,根據(jù)電廠狀態(tài)自動顯
示對應(yīng)畫面,該區(qū)域預(yù)定義的顯示畫面包括電廠運行模式重要參數(shù)畫面、安全參數(shù)顯示畫面、首故障畫面等。所有大屏幕均可由操縱員在工作站手動選擇相應(yīng)的畫面進(jìn)行顯示。
“大屏幕系統(tǒng)的顯示畫面與主控室其他人機界面間應(yīng)具有協(xié)調(diào)性和一致性”。即在大屏幕畫面設(shè)計時,要考慮同操縱員工作站在圖符、顯示比例、顏色配置、畫面布局等方面保持一致,避免由于畫面顯示的差異,而給操縱員造成視覺和心理上的不適,同時也保證了操縱員可以根據(jù)需要在不同屏幕上靈活調(diào)用相應(yīng)畫面。
要針對不同顯示比例(寬屏、普屏)、分辨率的大屏幕進(jìn)行相對應(yīng)的畫面設(shè)計,包括圖符的修改、畫面布局的調(diào)整、畫面內(nèi)容的增減、顏色重新配置等,與其顯示特性相匹配,以避免畫面顯示“變形”或不完整等問題,為操縱員始終提供良好的顯示效果。
5摘 要:
主控室是核電廠監(jiān)視和控制中心。目前大屏幕顯示技術(shù)在主控室已獲得了廣泛應(yīng)用,其主要用于顯示電廠總貌,并為操縱員提供電廠關(guān)鍵參數(shù)、重要設(shè)備狀態(tài)和安全系統(tǒng)狀態(tài),使進(jìn)入主控室的工作人員能夠快速了解電廠當(dāng)前運行狀況。結(jié)合法規(guī)標(biāo)準(zhǔn)要求、國內(nèi)外核電廠主控室大屏幕應(yīng)用情況以及實際工程經(jīng)驗,對核電廠主控室大屏幕選型、系統(tǒng)配置、布置設(shè)計、抗震設(shè)計、畫面設(shè)計等關(guān)鍵環(huán)節(jié)進(jìn)行深入分析探討,并總結(jié)出工程設(shè)計應(yīng)用中的技術(shù)要點,為后續(xù)主控室大屏幕設(shè)計及應(yīng)用提供參考和借鑒。