主泵故障診斷系統(tǒng)人機(jī)界面設(shè)計(jì)

朱少民，夏 虹，彭彬森，王志超，張汲宇

(哈爾濱工程大學(xué)核安全與仿真技術(shù)國(guó)防重點(diǎn)學(xué)科實(shí)驗(yàn)室，黑龍江 哈爾濱 150001)

0 引言

人機(jī)界面是人與機(jī)器之間傳遞和交換信息的媒介。據(jù)統(tǒng)計(jì)，核電廠可能發(fā)生的風(fēng)險(xiǎn)中，高達(dá)50%～70%是由人因失誤造成的。因此，人機(jī)界面的設(shè)計(jì)需要考慮人的因素，以減輕操縱員的負(fù)擔(dān)、降低操作失誤的概率[1]。

隨著數(shù)字化儀控系統(tǒng)在核電廠的廣泛應(yīng)用，為操縱員提供了一套全新的核電廠運(yùn)行和監(jiān)測(cè)技術(shù)手段。先進(jìn)的數(shù)字化人機(jī)界面控制更加集中、信號(hào)處理更為復(fù)雜、信號(hào)關(guān)聯(lián)性更強(qiáng)，并且隨著技術(shù)的發(fā)展能夠增加一些常規(guī)的儀控系統(tǒng)不具備的模塊，如：操縱員支持系統(tǒng)，運(yùn)行管理信息、狀態(tài)監(jiān)測(cè)與故障診斷系統(tǒng)，智能專(zhuān)家系統(tǒng)等[2]。功能的多樣化不但需要對(duì)人機(jī)界面的組織形式和信息結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，而且需要兼顧操縱員個(gè)體的行為習(xí)慣。

在設(shè)計(jì)方面，人機(jī)界面依舊大量使用灰階色調(diào)和突兀的藍(lán)色漸變，無(wú)合理的顏色色相、明度和飽和度的變化。同時(shí)，所使用的字體過(guò)于統(tǒng)一，字體顏色使用純黑色，使得界面偏暗，軟件整體視覺(jué)上過(guò)于單調(diào)，在人眼球長(zhǎng)時(shí)間觀看后極易產(chǎn)生視覺(jué)疲勞，并有可能導(dǎo)致閱讀串行、無(wú)法集中注意力等問(wèn)題。同時(shí)，部分圖標(biāo)和文字無(wú)合理的柵格標(biāo)準(zhǔn)，排版密集，會(huì)導(dǎo)致操縱員的學(xué)習(xí)認(rèn)知和記憶負(fù)擔(dān)增大。因此，本文結(jié)合人因工程原則，設(shè)計(jì)并開(kāi)發(fā)了主泵故障診斷系統(tǒng)的人機(jī)界面，解決了界面設(shè)計(jì)過(guò)程中存在的單調(diào)、識(shí)別度不高、重點(diǎn)不明顯等問(wèn)題，使軟件的操作更為高效、便捷。

1 人機(jī)界面的設(shè)計(jì)原則及功能分析

1.1 人機(jī)界面的人因工程原則

主泵故障診斷系統(tǒng)的主要功能是對(duì)主泵的運(yùn)行進(jìn)行狀態(tài)監(jiān)測(cè)和故障診斷，并且在故障發(fā)生后指導(dǎo)操縱員完成相應(yīng)的規(guī)程操作。為了更有效地實(shí)現(xiàn)主泵的安全運(yùn)行，故障診斷系統(tǒng)人機(jī)界面的設(shè)計(jì)遵循以下人因工程原則[3-5]。

①簡(jiǎn)潔：畫(huà)面應(yīng)盡可能簡(jiǎn)單、清晰、易于理解，畫(huà)面涵蓋操縱員所關(guān)注的主要信息。

②靈活和高效：運(yùn)行參數(shù)應(yīng)具有多種顯示方式，如模擬圖、參數(shù)表、趨勢(shì)曲線等，以適應(yīng)不同的監(jiān)測(cè)目的。

③一致性：整個(gè)人機(jī)界面設(shè)計(jì)要保持畫(huà)面設(shè)計(jì)風(fēng)格一致性和可理解性，圖形元素、標(biāo)志符號(hào)、顏色、閃光的使用、標(biāo)注文字的大小應(yīng)保持一致。

④人機(jī)功能分配：對(duì)運(yùn)行工況和事故工況進(jìn)行分析后，根據(jù)人機(jī)的不同特點(diǎn)確定最優(yōu)的人機(jī)功能分配，從而提高自動(dòng)化控制水平，減輕了操縱員負(fù)擔(dān)和體力消耗。

⑤美觀：注意顏色的選用和色彩搭配，保證顯示畫(huà)面清晰，避免視覺(jué)疲勞。

1.2 人機(jī)界面的功能分析

根據(jù)主泵故障診斷系統(tǒng)的功能特點(diǎn)，確定人機(jī)界面的功能應(yīng)包括數(shù)據(jù)展示、狀態(tài)監(jiān)測(cè)、異常報(bào)警、故障診斷、解釋程序、決策支持等。

①數(shù)據(jù)展示：對(duì)主泵進(jìn)行實(shí)時(shí)的數(shù)據(jù)監(jiān)控，將測(cè)點(diǎn)獲取的信息傳遞到界面并顯示。

②狀態(tài)監(jiān)測(cè)：對(duì)主泵的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)測(cè)，一旦測(cè)點(diǎn)參數(shù)超出閾值將會(huì)引發(fā)系統(tǒng)報(bào)警。

③異常報(bào)警：界面通過(guò)測(cè)點(diǎn)色彩的變化提示操縱員發(fā)生異常，并持續(xù)關(guān)注主泵運(yùn)行狀態(tài)。

④故障診斷：利用診斷知識(shí)庫(kù)中的知識(shí)，根據(jù)已知的征兆事實(shí)，按一定的診斷控制策略進(jìn)行推理診斷，最后給出診斷結(jié)果并進(jìn)行顯示。

⑤解釋程序：向用戶解釋診斷推理的依據(jù)和診斷過(guò)程。

⑥決策支持：利用電子化的規(guī)程指導(dǎo)操縱員對(duì)故障進(jìn)行干預(yù)和處理。

2 人機(jī)界面的設(shè)計(jì)

2.1 圖形界面設(shè)計(jì)

圖形界面設(shè)計(jì)可以用PS、AI、Sketch等完成，包括軟件中所有的圖標(biāo)、色塊、字體和排版等。其中，圖標(biāo)包括應(yīng)用圖標(biāo)和功能圖標(biāo)。應(yīng)用圖標(biāo)是不同的軟件專(zhuān)有的，比如微軟公司Office系列中的Word、Excel、PowerPoint等，能給使用者留下第一印象，是整個(gè)軟件視覺(jué)上的敲門(mén)磚。功能圖標(biāo)則是不同的軟件共有的，表示類(lèi)似或者相同的功能。但是不同的軟件可以根據(jù)自身的品牌特性設(shè)計(jì)繪制個(gè)性化功能圖標(biāo)[6]。

圖標(biāo)的設(shè)計(jì)有很大的差別。比較流行的應(yīng)用圖標(biāo)風(fēng)格有剪影圖形、輕擬物、輕質(zhì)感、擬物、文字、插畫(huà)、像素風(fēng)等。比較流行的功能圖標(biāo)風(fēng)格有面型、線型、扁平線型等。圖標(biāo)都擁有本身的顏色。使用顏色時(shí)，需要注意色相、飽和度和明度的變化，對(duì)于不同的表達(dá)目標(biāo)，需要使用不同顏色的搭配[7]。

2.2 交互體驗(yàn)設(shè)計(jì)

交互體驗(yàn)設(shè)計(jì)是指如何教會(huì)使用者去使用整個(gè)軟件，最終實(shí)現(xiàn)既定的功能的過(guò)程。優(yōu)秀的交互體驗(yàn)應(yīng)滿足以下原則[8-9]。

①保持連貫性：從打開(kāi)軟件到數(shù)據(jù)的保存和軟件的關(guān)閉，需保持顏色、控件、操作方式、提示語(yǔ)言的統(tǒng)一。

②快捷方式：對(duì)于一些復(fù)雜操作，提供一些快捷鍵供其使用。但快捷鍵不應(yīng)過(guò)于暴露，應(yīng)在合適的時(shí)間出現(xiàn)，比如鼠標(biāo)指針懸浮在控件上方的時(shí)候等。在大量軟件中，使用較為普遍的快捷鍵有保存鍵“Ctrl+S”、撤銷(xiāo)鍵“Ctrl+Z”等。

③信息反饋：使用者的每一個(gè)操作，理論上都應(yīng)有信息的反饋。信息反饋的作用在于告知使用者該操作的功能、預(yù)期的結(jié)果等。

④控制需求：對(duì)于普通的用戶，軟件應(yīng)該對(duì)所有的設(shè)置進(jìn)行默認(rèn)化，降低發(fā)生錯(cuò)誤的可能性。但在熟悉操作之后，應(yīng)當(dāng)允許使用個(gè)性化的設(shè)置。這能夠提高軟件的操作效率。

2.3 人機(jī)界面設(shè)計(jì)

主泵故障診斷系統(tǒng)的人機(jī)界面采用呈現(xiàn)基礎(chǔ)(windows presentation foundation,WPF)程序進(jìn)行設(shè)計(jì)，如圖1所示。人機(jī)界面可分為6大功能區(qū)，分別為菜單欄、參數(shù)監(jiān)測(cè)區(qū)、主視圖區(qū)、特性參數(shù)區(qū)、診斷結(jié)果區(qū)和決策支持區(qū)。

圖1 主泵故障診斷系統(tǒng)人機(jī)界面

①主視圖區(qū)。

這是軟件主要的展示區(qū)域，包括主泵的結(jié)構(gòu)、相關(guān)管線、監(jiān)測(cè)點(diǎn)等。主泵的結(jié)構(gòu)按照三軸承主泵的流程圖進(jìn)行繪制。將鼠標(biāo)移至任意測(cè)點(diǎn)上方時(shí)，鼠標(biāo)由箭頭變?yōu)樽ナ郑瑫r(shí)測(cè)點(diǎn)放大。單擊監(jiān)測(cè)點(diǎn)，即可打開(kāi)該點(diǎn)的參數(shù)面板，且支持多參數(shù)面板同時(shí)打開(kāi)，并可按照用戶習(xí)慣隨意拖動(dòng)面板。此面板包含測(cè)點(diǎn)名稱、測(cè)點(diǎn)參數(shù)和單位等信息，并且與數(shù)據(jù)庫(kù)直接連接。

點(diǎn)擊面板右側(cè)擴(kuò)展按鈕，即可對(duì)面板進(jìn)行一次擴(kuò)展。此時(shí)，面板中的曲線可以實(shí)時(shí)顯示該監(jiān)測(cè)點(diǎn)的參數(shù)變化情況，并可根據(jù)當(dāng)前運(yùn)行情況實(shí)時(shí)更新。展開(kāi)后的面板右上方有收回按鈕，點(diǎn)擊即可收起。

面板右下方有二次展開(kāi)按鈕，點(diǎn)擊即可得到二次展開(kāi)面板。鼠標(biāo)可左右拖動(dòng)圖中曲線，鼠標(biāo)滑輪也可以任意縮放曲線，方便查看圖像外未展示的歷史數(shù)據(jù)和趨勢(shì)預(yù)測(cè)數(shù)據(jù)。當(dāng)參數(shù)超出限值時(shí)，面板會(huì)變成黃色或紅色。

②參數(shù)監(jiān)測(cè)區(qū)。

主視圖區(qū)不方便同時(shí)展開(kāi)所有的監(jiān)測(cè)參數(shù)，而參數(shù)監(jiān)測(cè)區(qū)則可以實(shí)時(shí)展示所有的參數(shù)，并可以在此區(qū)域設(shè)置每個(gè)測(cè)點(diǎn)的控制限值。外框顏色會(huì)根據(jù)當(dāng)前數(shù)值是否超出控制限值而進(jìn)行改變。同樣地，該監(jiān)測(cè)區(qū)也與數(shù)據(jù)庫(kù)綁定。但是該區(qū)域無(wú)法展示參數(shù)的歷史變化情況。

從圖1可以看到，參數(shù)檢測(cè)區(qū)中某一測(cè)點(diǎn)的顯示面板從左至右依次為監(jiān)測(cè)參量、測(cè)點(diǎn)參數(shù)、修改符。點(diǎn)擊修改符后，右側(cè)將彈出參數(shù)限值的設(shè)置面板，在此可修改測(cè)點(diǎn)的控制限值，即參數(shù)的低低值、低值、高值和高高值。

③菜單欄。

為了提高軟件的拓展性能，在界面上部加入了菜單欄，預(yù)留了多個(gè)接口以便后期需要對(duì)軟件功能進(jìn)行擴(kuò)展。

④特性參數(shù)區(qū)。

特性參數(shù)區(qū)展示了需要重點(diǎn)關(guān)注的泵的主要性能參數(shù)，包括轉(zhuǎn)速、流量、揚(yáng)程和功率。

⑤診斷結(jié)果區(qū)。

該區(qū)域主要是對(duì)故障診斷的結(jié)果進(jìn)行集中展示。該區(qū)域會(huì)顯示診斷程序得出的診斷結(jié)果信息。點(diǎn)擊診斷結(jié)果，會(huì)彈出診斷過(guò)程面板。該面板展示了診斷結(jié)果的推理過(guò)程，給出了診斷依據(jù)，實(shí)現(xiàn)了解釋和說(shuō)明的功能，大大提高了診斷結(jié)果的透明性。

⑥決策支持區(qū)。

該區(qū)域顯示了故障的干預(yù)手段，根據(jù)主泵故障的操作規(guī)程，采用引導(dǎo)的方式指導(dǎo)操縱員對(duì)故障進(jìn)行處理和干預(yù)。故障發(fā)生后，只需操縱員根據(jù)提示點(diǎn)擊判斷按鈕，后臺(tái)程序就會(huì)根據(jù)邏輯給出相應(yīng)的操作手段，使操縱員不必再大量記憶或查詢操作規(guī)程，減少了操縱員的精神壓力，以避免產(chǎn)生誤操作。

3 結(jié)束語(yǔ)

本文以主泵故障診斷系統(tǒng)為對(duì)象，結(jié)合人因工程原則，利用WPF程序設(shè)計(jì)了主泵故障診斷系統(tǒng)的人機(jī)界面。該界面主要分為菜單欄、參數(shù)監(jiān)測(cè)區(qū)、主視圖區(qū)、特性參數(shù)區(qū)、診斷結(jié)果區(qū)和決策支持區(qū)6個(gè)功能區(qū)域，具有數(shù)據(jù)展示、狀態(tài)監(jiān)測(cè)、異常報(bào)警、故障診斷、解釋程序、決策支持等功能，有效解決了核電領(lǐng)域以往界面設(shè)計(jì)過(guò)程中存在的單調(diào)、識(shí)別度不高、重點(diǎn)不明顯等問(wèn)題。該設(shè)計(jì)也為以后核電廠人機(jī)界面的設(shè)計(jì)與開(kāi)發(fā)提供了重要的參考。