隧道綜合監(jiān)控系統(tǒng)的人機界面設計

楊湛瑩

（上海電氣自動化設計研究所有限公司，上海 200023）

隧道綜合監(jiān)控系統(tǒng)的人機界面設計

楊湛瑩

（上海電氣自動化設計研究所有限公司，上海 200023）

介紹了隧道綜合監(jiān)控系統(tǒng)的功能，分析了該系統(tǒng)人機界面的設計原則。在隧道綜合監(jiān)控系統(tǒng)設計中，以圖形顯示設計、控制操作設計、報警設計為例，對監(jiān)控畫面的規(guī)劃、圖元設計、控制操作及火災報警聯(lián)動界面等給出實施方法，并在多項實際工程中獲得實踐。系統(tǒng)操作簡單易用，具有較好的監(jiān)控效率。

人機界面；隧道綜合監(jiān)控系統(tǒng)；圖形顯示設計

隧道綜合監(jiān)控系統(tǒng)作為高速公路及城市公路系統(tǒng)的重要組成部分，是一個高度集成化的智能監(jiān)控系統(tǒng)。它通過對隧道中的各種設備狀態(tài)和環(huán)境參數(shù)的實時監(jiān)測，能迅速獲知異常發(fā)生，并確定異常發(fā)生的地點和類型，及時發(fā)現(xiàn)并處理隧道內的偶發(fā)事故，解決因此而產生的交通問題，從而提高了管理人員在緊急情況下的事故處理能力，增強了隧道內行車的安全性，實現(xiàn)了對隧道的智能化管理［1］。

人機界面是指計算機系統(tǒng)與人之間的互動接口。人機界面設計是軟件產品的重要組成部分。隨著計算機軟、硬件技術的發(fā)展，軟件的易用性、感官性更為重要。人機界面的優(yōu)劣反映了人與系統(tǒng)之間的交互友好和人機協(xié)調程度，直接影響系統(tǒng)的功能發(fā)揮和推廣應用［2］。

隧道綜合監(jiān)控系統(tǒng)通過圖形人機界面，反映了整個系統(tǒng)單條或多條隧道內的設備狀態(tài)和數(shù)據信息，操作人員通過監(jiān)控中心計算機管理系統(tǒng)的監(jiān)控畫面完成各種遙控操作，快速處理和應對突發(fā)事件，因此，合理設計系統(tǒng)的人機界面具有相當?shù)闹匾?。本文以隧道綜合監(jiān)控系統(tǒng)為研究對象，探討了人機界面的設計。

1 隧道綜合監(jiān)控系統(tǒng)

通常，隧道綜合監(jiān)控系統(tǒng)主要分為交通監(jiān)控系統(tǒng)、設備監(jiān)控系統(tǒng)、電力監(jiān)控和綜合供配電系統(tǒng)、通信管理系統(tǒng)4部分。其中，交通監(jiān)控系統(tǒng)具有交通數(shù)據采集、交通事件監(jiān)測、交通信號控制、交通信息發(fā)布等功能；設備監(jiān)控系統(tǒng)包括隧道環(huán)境監(jiān)測、通風設備監(jiān)控、排水設備監(jiān)控、照明設備監(jiān)控、火災報警監(jiān)控等子系統(tǒng)；電力監(jiān)控系統(tǒng)具有電氣參數(shù)監(jiān)測、電力設備監(jiān)控、監(jiān)控系統(tǒng)和其他弱電系統(tǒng)的內、外場設備供電和保護監(jiān)控等功能；通信管理系統(tǒng)包含視頻監(jiān)控系統(tǒng)、緊急電話系統(tǒng)、廣播系統(tǒng)等［3－4］。

隧道綜合監(jiān)控系統(tǒng)主要實現(xiàn)以下功能：實時完成各種專業(yè)數(shù)據的動態(tài)采集、數(shù)據處理、數(shù)據命令輸出、信息顯示發(fā)布、應急聯(lián)動及專家系統(tǒng)等。監(jiān)控的總體功能由中央計算機控制系統(tǒng)實現(xiàn)，在中央計算機控制系統(tǒng)上建立完整的綜合監(jiān)控網絡平臺，實現(xiàn)系統(tǒng)信息采集、處理、命令發(fā)布、數(shù)據圖像儲存及查詢等。

整個系統(tǒng)設置由多臺具有設備監(jiān)控、交通監(jiān)控、電力監(jiān)控、閉路電視（CCTV）監(jiān)視、火災報警等功能的工作站組成，并支持多媒體大屏幕綜合顯示；基于以太局域網實現(xiàn)多工作站分功能、分級別網上資源共享、網絡協(xié)調運作功能（采用TCP／IP通信協(xié)議）；基于Client／Server主、客體系建立統(tǒng)一的信息數(shù)據庫，實現(xiàn)隧道監(jiān)控系統(tǒng)與交通線路或管理部門在網絡上的通信，以便及時接收上級部門的指令和建議，輔以協(xié)調、管理；通過I／O服務器設備，獲得設備監(jiān)控、交通監(jiān)控和火災報警等系統(tǒng)下層設備所需的各種隧道相關信息，指揮和協(xié)調數(shù)據的流向，并由各工作站讀取且分別處理、運算后，向上聯(lián)絡或向下發(fā)布指令，并存入統(tǒng)一的數(shù)據庫中，供值班人員隨時調用、顯示、打印。

2 人機界面設計的原則

2.1 一致性原則

一致性是軟件人機界面的一個基本要求，要求系統(tǒng)工作方式或處理問題的步驟盡可能和人的思維方式保致一致；系統(tǒng)的不同部分有相似的界面外觀和布局、信息顯示格式及相似的人機操作方式［5－6］。界面的一致性包括布局方式一致、畫面顏色及風格一致。

在監(jiān)控系統(tǒng)界面設計時，做到每個屏幕相似的控制使用相似的操作，而相似的操作可產生相似的結果。應避免每換一個屏幕，用戶就要換一套操作命令與操作方法。因為一致的人機界面可減輕用戶學習記憶的負擔，使用戶始終用同一種方式思考，從而快速熟悉軟件的操作環(huán)境，避免對相關軟件操作發(fā)生理解歧義，減少使用時的操作失誤。

2.2 以用戶為中心

在人機界面設計中，確定用戶，即標識使用應用系統(tǒng)的用戶（最終用戶）是進行系統(tǒng)分析和設計的第一步［7－8］。不同的用戶有不同的經驗、能力和要求，隧道監(jiān)控系統(tǒng)的主要用戶一般包括專業(yè)操作人員、班組長和軟件維護人員或工程師。

為減少用戶工作量，對于一些相對固定的輸入數(shù)據，不應讓用戶頻繁輸入，而可由用戶通過鼠標選擇來取值。如，信息發(fā)布系統(tǒng)中“字符顏色”是固定的數(shù)據，其值取為“紅色”、“綠色”、“橙色”等，用戶可點擊鼠標輕松選取。

為及時檢測和處理可能出現(xiàn)的錯誤，出錯信息的標識應清晰明了、易理解。其內容應包含出錯位置、原因及修改出錯建議等。同時，良好的系統(tǒng)設計應具有預防錯誤發(fā)生的功能，如當遙控操作設備時，系統(tǒng)可檢查設備的就地位置狀態(tài)，而當處于就地位禁止遠程操作時，系統(tǒng)將彈出相關信息窗口予以提示說明。

此外，對于提供的幫助系統(tǒng)，幫助說明應在醒目、隨手可得的位置［9］，最好能提供在線幫助，甚至提供使用向導。

2.3 布局的合理性

如果系統(tǒng)界面布局不合理，將使操作人員的出錯率升高，影響操作的功效［10－11］。與系統(tǒng)界面交互的是人，故其布局應符合人的生理特性，形狀和大小應符合視覺范圍。在界面功能造型設計中，不同大小、距離、方位的點會使人感到遠近、節(jié)奏和空間層次的變化［12］；若界面給人的信號感強，將能集中刺激視覺；若界面輪廓明朗、肯定的立體特點，則能給人以剛勁、結實、飽滿、流暢的動態(tài)感。

隧道綜合監(jiān)控系統(tǒng)的布局按照各子系統(tǒng)采用多級多幅畫面設計，表1為該系統(tǒng)用戶界面的分級結構。

表1 用戶界面分級結構Tab.1 Hierarchical structure of user interface

通常，隧道綜合監(jiān)控系統(tǒng)的界面顯示結構層次不宜過多，層次過多則將導致畫面調用步驟復雜化，畫面的調用層次一般不超過3層，呈金字塔結構。

畫面分布應得當，圖元布置不能太滿，也不宜太少，每個畫面的數(shù)據也不宜過多，否則將導致畫面調用緩慢，數(shù)據刷新不及時。有關聯(lián)的設備宜布置在同一畫面中，這樣有利于用戶了解它們的相互影響，而相應參數(shù)則可采用列表方法顯示。

2.4 色彩藝術性

隧道綜合監(jiān)控系統(tǒng)的界面上顏色的使用應發(fā)揮提醒作用，同時緩解用戶的視覺疲勞［14］。色彩的運用是界面設計中一個非常重要的方面。恰當?shù)纳蔬\用能吸引用戶的注意，影響用戶的工作方式，給用戶以優(yōu)美的感受［15］。在人機界面設計時，應依據不同的需要，選取不同的色彩搭配。

隧道綜合監(jiān)控系統(tǒng)監(jiān)控畫面的背景色宜采用黑色，監(jiān)控畫面的亮度應與應用環(huán)境的亮度相匹配，一般情況下，控制中心環(huán)境亮度較高，黑色與白色搭配不易造成操作人員的視覺疲勞、導致失誤率。若黑的背景色造成較大的反差時，也可采用灰色背景?？刹僮鳟嬅娴念伾瞬捎美渖{，非操作畫面的顏色可采用暖色調。

3 設計實例

隧道綜合監(jiān)控系統(tǒng)人機畫面的設計主要有圖形顯示設計、控制操作設計、報警設計。

3.1 圖形顯示設計

隧道綜合監(jiān)控系統(tǒng)包括多個分系統(tǒng)，有些系統(tǒng)，如電力系統(tǒng)的斷路器、手車等圖形符號定義，各等級的線路顏色在國家標準和部頒標準中已有詳細規(guī)定，界面設計時應嚴格遵守；而其他系統(tǒng)的圖元符號，則根據設備的具體形狀和大小來設計專用的圖形符號以供調用。另外，監(jiān)控畫面中圖形符號的格式應保持一致，且盡量簡潔。

實時數(shù)據的顯示位置應盡可能靠近被檢測的部位。如，高低壓柜的三相電流的顯示位置可標在斷路器的旁邊，三相線電壓可標在每段母排上。

設備狀態(tài)使用圖形顯示，一般采用顏色動態(tài)變化、閃爍顯示及動畫等方式來反映。如車道燈的實時反饋狀態(tài)（綠箭開關、紅叉開關、關閉指示燈），如圖1所示。

圖1 車道燈圖例說明Fig.1 Legend of lane lamps

需要定量顯示的場合，如測量值、設定值、輸出值等可采用列表顯示。為減小誤讀率，除用表格線把數(shù)據分開外，還可通過底板色對數(shù)據進行分類。同時，通過控制數(shù)據字符的大小，以保證畫面合適的信息量和減小數(shù)據的誤讀率。圖2所示的電力柜信息中，使用3種的底板色對遙測信息、遙信信息、保護信息進行了分類，使畫面清晰。

圖2 電力柜信息一覽表Fig.2 Information of power cabinet

3.2 控制操作設計

用戶在監(jiān)控畫面上直接操作相關的圖元按鈕，調用控制操作界面，完成對現(xiàn)場設備的遙控操作?？刂撇僮鹘缑媸且环N彈出式窗口，它集成了各項操作指令和設備參數(shù)的顯示，操作人員可在界面上很直觀地對設備進行操作，發(fā)出各種指令，如圖3所示。操作控制窗口在監(jiān)控畫面上的彈出位置應相對固定在畫面中央或靠近圖元。同時由于尺寸不能過大，故顯示內容不宜太多，只要顯示與控制操作有關的參數(shù)即可。

圖3 車道燈控制界面Fig.3 Lane lamp control interface

3.3 報警設計

一個可靠的報警機制能被管理人員在最短的時間內發(fā)現(xiàn)并做出反應，是損失減少到最小的一種方法。報警設計的關鍵是讓用戶能及時看到最重要、且最緊迫的報警。

系統(tǒng)設計時，可針對每種異常情況，按照由高到低優(yōu)先級處理。按火警情況、隧道交通擁擠或事故情況、一般設備故障情況進行報警分類，當高優(yōu)先級報警發(fā)生時，可抑制低優(yōu)先級的報警，使用戶獲得清晰、明朗的報警信息，這樣可避免管理人員被過于繁瑣的報警信息分散精力。報警發(fā)生時，可通過彈出報警窗、切換視頻系統(tǒng)的監(jiān)視顯示、切換系統(tǒng)畫面及聲音報警等方式向用戶報告。在任一操作員站上，若具備一定權限的用戶對某一報警確認后，則所有其他操作員站上該點的報警也同時被確認，彈出的報警窗口可同時關閉。

將報警窗口與對應的預案界面相結合，所有異常情況下控制指令的發(fā)出，原則上必須經管理人員確認，并由管理人員鍵入命令后發(fā)出，從而最大限度地降低虛警率。

本文以火災報警和聯(lián)動模式為例，說明相關報警界面的設計?；馂穆?lián)動模式涉及交通監(jiān)控系統(tǒng)、廣播系統(tǒng)、視頻系統(tǒng)、通風系統(tǒng)、照明系統(tǒng)和給排水系統(tǒng)，具有優(yōu)先控制權。當有火警時，系統(tǒng)優(yōu)先處理火災報警信息，將主監(jiān)視器及大屏切換至相應報警位置的監(jiān)控畫面，另外，每個工作站無論在哪個系統(tǒng)畫面下，都會被強制切至消防系統(tǒng)畫面，相應報警點圖元閃爍顯示，并跳出消防報警窗口，如圖4所示。

圖4 消防報警窗口Fig.4 Fire alarm window

用戶通過攝像頭切換確認火災是否誤報后，進行火災聯(lián)動選擇。若發(fā)現(xiàn)誤報，則點擊“火災誤報”按鈕；若確實發(fā)生火災，則點擊“確認發(fā)生火災”按鈕，彈出二次確認窗口，如圖5所示。
選擇“執(zhí)行聯(lián)動”按鈕，就會執(zhí)行隧道內設備

圖5 消防報警二次確認窗口Fig.5 Second acknowledgement window for fire alarm

在相應火災模式下的聯(lián)動動作，聯(lián)動動作執(zhí)行后關閉報警窗。選擇“不執(zhí)行聯(lián)動”按鈕，就直接關閉報警窗，而不執(zhí)行任何聯(lián)動動作。

4 結 語

人機界面作為一種廣泛應用于各領域的人機交互方式，其界面設計的好壞往往直接影響到整個隧道綜合監(jiān)控系統(tǒng)的易用性與可操作性。設計隧道綜合監(jiān)控系統(tǒng)人機界面時，應堅持以用戶為中心，保持界面的一致性，充分考慮布局的合理性和色彩的藝術性等原則，使整個監(jiān)控系統(tǒng)人機界面不僅能及時準確地顯示現(xiàn)場的數(shù)據，還可通過動態(tài)的顯示畫面、多樣的顯示方式、合理的布局方式、舒適的畫面顏色、風格的一致性等多種方式，使人機界面更具人性化，操作更簡單易用，從而提高監(jiān)控效率，縮短操作用戶學習培訓周期，保證整個系統(tǒng)上線進度。

在上海外灘隧道改建工程監(jiān)控系統(tǒng)、昆明市三環(huán)閉合工程西三環(huán)段工程綜合監(jiān)控系統(tǒng)等多個工程中，均采用上述原則和技巧進行開發(fā)和研制，取得了良好的實用效果。

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Design of Human－Machine Interface for Tunnel Integrated Monitor System

YANG Zhanying
（Shanghai Electrical Automation D＆R Institute Co.，Ltd.，Shanghai 200023，China）

This paper introduces the functions of tunnel integrated monitor system，and the design principles of the system's human－machine interface.We discuss the design of graph display，control operation and alarm system.Methods of the monitoring and control of pictures layout，graphics primitives，control operation，and fire alarm linkage interface are considered and practically implemented.The system operation is simple and easy to use，and is efficient.

human－machine interface；tunnel integrated monitoring；graphic display design

TP 319；U 495

A

2095－0020（2012）01－0066－05

2011－11－22

楊湛瑩（1971－），女，高級工程師，專業(yè)方向于計算機技術，E－mail：yzy8101＠126.com