重型燃?xì)廨啓C(jī)控制系統(tǒng)人機(jī)界面設(shè)計(jì)探討

趙 瑜， 金曹斌， 焦 成

(1. 中國(guó)聯(lián)合重型燃?xì)廨啓C(jī)技術(shù)有限公司，北京 100016；2. 國(guó)核自儀系統(tǒng)工程有限公司，上海 200241)

工業(yè)過(guò)程人機(jī)界面承擔(dān)著信息的輸入、收集、整合與顯示的功能，運(yùn)維人員獲取人機(jī)界面提供的設(shè)備狀態(tài)信息，對(duì)這些信息進(jìn)行讀取、判斷，并執(zhí)行相關(guān)的操作，所以人機(jī)界面在設(shè)計(jì)時(shí)要面向用戶，實(shí)現(xiàn)在設(shè)備正常、異常、啟動(dòng)和停機(jī)工況下的操作。

目前，核電站在控制系統(tǒng)人機(jī)界面設(shè)計(jì)和人因工程方面的研究稍有深入；而傳統(tǒng)的火電站人機(jī)界面設(shè)計(jì)雖然能實(shí)現(xiàn)功能性，但是欠缺美觀性、容錯(cuò)性和人因工程的學(xué)習(xí)；重型燃?xì)廨啓C(jī)控制系統(tǒng)人機(jī)界面的設(shè)計(jì)研發(fā)較少，這與我國(guó)重型燃?xì)廨啓C(jī)的研發(fā)歷程密切相關(guān)。2016年，國(guó)家“十三五”規(guī)劃將航空發(fā)動(dòng)機(jī)與燃?xì)廨啓C(jī)重大專項(xiàng)列為百項(xiàng)重大工程之首，重型燃?xì)廨啓C(jī)控制系統(tǒng)人機(jī)界面的自主研發(fā)設(shè)計(jì)引起廣泛關(guān)注。

燃?xì)廨啓C(jī)控制系統(tǒng)人機(jī)界面主要是指燃?xì)廨啓C(jī)控制與保護(hù)系統(tǒng)中用于顯示系統(tǒng)流程、發(fā)出設(shè)備控制命令的畫(huà)面，是運(yùn)行人員監(jiān)視和操作設(shè)備的主要界面。人機(jī)界面的設(shè)計(jì)是燃?xì)廨啓C(jī)控制系統(tǒng)自主設(shè)計(jì)的重要內(nèi)容，良好的人機(jī)界面能夠引導(dǎo)用戶完成相應(yīng)的操作，起到向?qū)ё饔?，減少和防止人因失誤的發(fā)生。

人機(jī)界面的設(shè)計(jì)是一個(gè)復(fù)雜的多學(xué)科參與的過(guò)程，人機(jī)界面的設(shè)計(jì)需要打破設(shè)計(jì)人員單學(xué)科認(rèn)知的“信息繭房”，實(shí)現(xiàn)人因工程學(xué)、平面設(shè)計(jì)學(xué)、認(rèn)知心理學(xué)和語(yǔ)言學(xué)等多學(xué)科的綜合應(yīng)用。因此，筆者開(kāi)展相關(guān)的研究，引入多個(gè)設(shè)計(jì)理念和設(shè)計(jì)方法，建立一套重型燃?xì)廨啓C(jī)控制系統(tǒng)人機(jī)界面設(shè)計(jì)體系。

1 總體設(shè)計(jì)

1.1 設(shè)計(jì)原則

在自主燃?xì)廨啓C(jī)控制系統(tǒng)人機(jī)界面設(shè)計(jì)時(shí)，運(yùn)用平面設(shè)計(jì)理論法則和人因工程學(xué)進(jìn)行分析、歸納、總結(jié)，制定相應(yīng)的燃?xì)廨啓C(jī)控制系統(tǒng)人機(jī)界面設(shè)計(jì)的指導(dǎo)原則和具體細(xì)則，如面向用戶原則、一致性原則、簡(jiǎn)潔性原則、適當(dāng)性原則、順序性原則、結(jié)構(gòu)性原則、容錯(cuò)性原則等(見(jiàn)圖1)。根據(jù)這些原則制定具體的設(shè)計(jì)細(xì)則，參考國(guó)標(biāo)規(guī)范、常用規(guī)則和行業(yè)習(xí)慣，制定人機(jī)界面設(shè)計(jì)規(guī)范，對(duì)畫(huà)面類型、布局、導(dǎo)航、背景色、線條、字體、顏色、圖符、報(bào)警和趨勢(shì)等畫(huà)面元素進(jìn)行約定，保證設(shè)計(jì)出的人機(jī)界面具有一致性，同時(shí)具有相似的布局、信息顯示方式和一致的操作序列。

圖1 人機(jī)界面設(shè)計(jì)原則

1.2 人因工程的應(yīng)用

重型燃?xì)廨啓C(jī)控制系統(tǒng)人機(jī)界面設(shè)計(jì)在人因工程方面提出宜人性原則和危機(jī)管理，既要有意識(shí)地利用人的心理特征，使運(yùn)行人員保持適當(dāng)?shù)木X(jué)，又要注意人的能力限度，不要使運(yùn)行人員疲憊不堪，減少人因失誤或事故，也不能讓其無(wú)事可做，降低工作敏感性[1]。人機(jī)界面設(shè)計(jì)考慮信息顯示率(單位時(shí)間的信息顯示量)、信息提供率(單位時(shí)間內(nèi)提供的可以被運(yùn)維人員有效捕捉到的信息量)和數(shù)據(jù)更新率(數(shù)據(jù)更新的速度)三者的最佳匹配[2]。

在制定人機(jī)界面設(shè)計(jì)原則時(shí)，應(yīng)充分考慮人因的影響，如人機(jī)界面的設(shè)計(jì)顯示應(yīng)符合目標(biāo)用戶的顯示慣例，工藝過(guò)程的描述通常應(yīng)顯示在數(shù)值的左側(cè)和上方，符合從左至右和從上至下的顯示慣例。顯示的數(shù)據(jù)、標(biāo)識(shí)和文字表述應(yīng)使用用戶熟悉的術(shù)語(yǔ)，用詞一致，在圖紙、規(guī)程、人機(jī)界面和設(shè)備標(biāo)簽中，詞、短語(yǔ)和設(shè)備的名稱、編號(hào)應(yīng)保持一致。重要界面和信息顯示考慮冗余界面設(shè)計(jì)，冗余性通過(guò)顯示的多元性實(shí)現(xiàn)，對(duì)一些圖符和設(shè)備進(jìn)行模塊化設(shè)計(jì)，方便集成和應(yīng)用。人因工程的應(yīng)用體現(xiàn)在人機(jī)界面的舒適美觀，適宜長(zhǎng)時(shí)間監(jiān)視，信息獲取的便利性和運(yùn)行引導(dǎo)性。

2 設(shè)計(jì)體系

具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的重型燃?xì)廨啓C(jī)控制系統(tǒng)是人機(jī)界面設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)?？刂葡到y(tǒng)平臺(tái)提供基本的繪圖工具，根據(jù)人機(jī)界面設(shè)計(jì)需求，可以進(jìn)行開(kāi)發(fā)完善，突破和創(chuàng)新，打破現(xiàn)有重型燃?xì)廨啓C(jī)界面模式。在人機(jī)界面設(shè)計(jì)研發(fā)過(guò)程中，形成一套人機(jī)界面的設(shè)計(jì)體系(見(jiàn)圖2)。區(qū)別于傳統(tǒng)的跟隨模仿模式，制訂人機(jī)界面設(shè)計(jì)指導(dǎo)原則，對(duì)設(shè)計(jì)原則進(jìn)行詳細(xì)的描述；制訂人機(jī)界面設(shè)計(jì)規(guī)范，對(duì)人機(jī)界面的畫(huà)面布局、畫(huà)面元素、圖像管理、報(bào)警管理、趨勢(shì)管理等進(jìn)行規(guī)范化約定(見(jiàn)圖3)。制訂人機(jī)界面設(shè)計(jì)需求分析、報(bào)警設(shè)計(jì)，每一幅人機(jī)界面有詳細(xì)的設(shè)計(jì)報(bào)告，引入蟻群算法等工具對(duì)人機(jī)界面布局進(jìn)行優(yōu)化，利用仿真機(jī)進(jìn)行驗(yàn)證，并進(jìn)行整機(jī)測(cè)試，最終定稿。

圖2 人機(jī)界面設(shè)計(jì)體系

圖3 人機(jī)界面設(shè)計(jì)規(guī)范

3 圖符設(shè)計(jì)

圖符設(shè)計(jì)是燃?xì)廨啓C(jī)控制系統(tǒng)人機(jī)界面設(shè)計(jì)中的一項(xiàng)重要的設(shè)計(jì)，也是自主重型燃?xì)廨啓C(jī)控制系統(tǒng)與其他控制系統(tǒng)之間的重要區(qū)分。圖符的設(shè)計(jì)應(yīng)與工藝流程圖上的表現(xiàn)形式相近，根據(jù)工效學(xué)要求和參考電站的圖符對(duì)象，將相關(guān)組件或設(shè)備成組設(shè)計(jì)，尺寸應(yīng)適當(dāng)，簡(jiǎn)潔易懂，易于運(yùn)維人員識(shí)別和記憶。

圖符分為靜態(tài)圖符和動(dòng)態(tài)圖符兩類。靜態(tài)圖符在繪制過(guò)程中決定其圖元的外形，此類圖符不隨設(shè)備等不同狀態(tài)而變化顏色、顯示隱藏、動(dòng)態(tài)閃爍等；動(dòng)態(tài)圖符則隨設(shè)備不同工況而變化顏色、顯示隱藏、動(dòng)態(tài)閃爍等，動(dòng)態(tài)圖符需要有多種表現(xiàn)形式來(lái)顯示其狀態(tài)，如開(kāi)、關(guān)、自動(dòng)、手動(dòng)等。

3.1 靜態(tài)圖符設(shè)計(jì)

圖符的靜態(tài)設(shè)計(jì)是在熟悉控制對(duì)象的基礎(chǔ)上，從實(shí)物中提取特征，用“形”抽象直接表現(xiàn)對(duì)象，抽象化處理，然后用簡(jiǎn)單的線條和形狀進(jìn)行概括和創(chuàng)意表達(dá)，在保留實(shí)物原有特點(diǎn)的基礎(chǔ)上將其轉(zhuǎn)化為圖形或符號(hào)。但創(chuàng)意表達(dá)要符合無(wú)障礙設(shè)計(jì)要求，應(yīng)具有易理解性、易操作性、簡(jiǎn)易性和包容性。透平和燃?xì)廨啓C(jī)的靜態(tài)圖符設(shè)計(jì)見(jiàn)圖4和圖5。

圖4 透平靜態(tài)圖符

圖5 燃?xì)廨啓C(jī)靜態(tài)圖符

靜態(tài)圖符的實(shí)現(xiàn)有兩種基本方式：位圖和矢量圖。位圖存在一些難以避免的缺點(diǎn)，即占用存儲(chǔ)空間多、刷新速度慢，只有在圖形組態(tài)軟件難以實(shí)現(xiàn)的情況下才借助其他工具設(shè)計(jì)，在Windows操作系統(tǒng)下最常見(jiàn)的位圖是BMP文件。矢量圖是用燃?xì)廨啓C(jī)控制系統(tǒng)圖形組態(tài)軟件提供的圖元設(shè)計(jì)，即直線、折線、矩形、填充形、文本、按鈕等。

圖符設(shè)計(jì)時(shí)，可少許調(diào)節(jié)長(zhǎng)寬比，結(jié)合黃金比和白銀比來(lái)繪制，黃金比為1∶1.618，白銀比為1∶1.414。在圖符的靜態(tài)局部設(shè)計(jì)中，黃金比和白銀比廣泛應(yīng)用，并采用對(duì)比、對(duì)齊等設(shè)計(jì)方法[3-4]，在符合行業(yè)規(guī)范和習(xí)慣的基礎(chǔ)上，提出“美即適用”原則。

3.2 動(dòng)態(tài)圖符設(shè)計(jì)

圖符的動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)是利用控制系統(tǒng)的圖形組態(tài)軟件，通過(guò)一個(gè)或多個(gè)數(shù)據(jù)源與一個(gè)矢量圖元素相關(guān)聯(lián)，將靜態(tài)圖符與實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)連接，包括數(shù)據(jù)變化、狀態(tài)變化(如開(kāi)、關(guān)、自動(dòng)、手動(dòng)、故障等引起的顏色變化、閃爍、字符輸出、位置、大小等動(dòng)態(tài)顯示)，以及由鼠標(biāo)或鍵盤(pán)的動(dòng)作發(fā)出操縱命令的觸摸連接等；還有包括控制系統(tǒng)中的光字牌等特殊對(duì)象，也可將不同類型的對(duì)象分組，或者組成圖庫(kù)中的圖宏，方便用戶調(diào)用、復(fù)制和共享，以保證各人機(jī)界面之間功能相同的圖元的造型、風(fēng)格、大小統(tǒng)一。原則上圖符的動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)不能引起操縱員在觀察圖符及其狀態(tài)時(shí)產(chǎn)生任何歧義。

圖符的設(shè)計(jì)采用模塊化設(shè)計(jì)，特別要考慮容錯(cuò)原則，即應(yīng)考慮到用戶出錯(cuò)的可能并采取措施預(yù)防，在用戶出錯(cuò)后提供提示信息。如提示輸入數(shù)值范圍，錯(cuò)誤輸入進(jìn)行警告補(bǔ)救，關(guān)鍵操作可要求用戶二次輸入確認(rèn)。以電動(dòng)開(kāi)關(guān)閥的動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)為例(見(jiàn)圖6)，鑒于閥的驅(qū)動(dòng)方式不同，其圖符的設(shè)計(jì)略有不同，動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)也各有區(qū)別。表1為圖6的動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)說(shuō)明，其他閥的設(shè)計(jì)參照?qǐng)?zhí)行。

圖6 電動(dòng)開(kāi)關(guān)閥的動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)

表1 電動(dòng)開(kāi)關(guān)閥的動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)說(shuō)明

4 人機(jī)界面設(shè)計(jì)實(shí)例

人機(jī)界面的設(shè)計(jì)不是單純地將管道系統(tǒng)及儀表設(shè)計(jì)的工藝流程圖復(fù)制成圖形方式，而是進(jìn)行簡(jiǎn)潔性設(shè)計(jì)，便于運(yùn)維人員看到特定區(qū)域發(fā)生的事情，支持所有的正常、異常、啟動(dòng)、停機(jī)和切換的操作，同時(shí)讓運(yùn)維人員在整個(gè)過(guò)程中滿足人因工程學(xué)的需要，減少人因失誤或事故。以燃?xì)廨啓C(jī)進(jìn)氣系統(tǒng)人機(jī)界面設(shè)計(jì)為例(見(jiàn)圖7)，將主要設(shè)備及其監(jiān)控參數(shù)在人機(jī)界面中顯示出來(lái)，空氣從左至右依次經(jīng)過(guò)防雨罩、防鳥(niǎo)網(wǎng)、除冰系統(tǒng)、折板除霧器、初濾設(shè)備、精濾設(shè)備、凈氣室、消聲器、進(jìn)氣管道和擋板門(mén)。設(shè)備名稱根據(jù)人機(jī)界面設(shè)計(jì)規(guī)范采用宋體12號(hào)字體，用虛線指示。

圖7 進(jìn)氣系統(tǒng)人機(jī)界面設(shè)計(jì)

進(jìn)氣擋板門(mén)和防冰控制閥采用上述的動(dòng)態(tài)圖符，限位開(kāi)關(guān)、壓差開(kāi)關(guān)和設(shè)備開(kāi)關(guān)狀態(tài)通過(guò)特定指示顯示，并在人機(jī)界面設(shè)置相應(yīng)的帶報(bào)警的模擬量測(cè)點(diǎn)圖符。工藝過(guò)程量的描述通常應(yīng)顯示在數(shù)值的左側(cè)和上方，符合從左至右和從上至下的顯示慣例。大氣溫度、大氣濕度、防冰系統(tǒng)管路壓力、防冰系統(tǒng)管路溫度、防冰控制閥的開(kāi)度指令和反饋等采用不帶報(bào)警的模擬量測(cè)點(diǎn)圖符(見(jiàn)圖8)。模擬量測(cè)點(diǎn)圖符由兩部分組成，即數(shù)值和單位；數(shù)值和單位的字體為宋體8號(hào)。初濾設(shè)備和精濾設(shè)備的壓差采用帶報(bào)警的模擬量測(cè)點(diǎn)圖符，模擬量數(shù)值正常時(shí)為黑色，報(bào)警時(shí)為黃色，壞點(diǎn)時(shí)為紫色。無(wú)報(bào)警時(shí)，報(bào)警不顯示；高報(bào)警，黃色顯示“H”；高高報(bào)警，黃色顯示“HH”；低報(bào)警，黃色顯示“L”；低低報(bào)警，黃色顯示“LL”。單位的顏色不變化，一直為黑色。

圖8 模擬量測(cè)點(diǎn)圖符

大氣壓力和壓氣機(jī)進(jìn)口壓力采用三選模塊，在模擬量測(cè)點(diǎn)顯示的圖符的基礎(chǔ)上，可以點(diǎn)擊調(diào)用模擬量三選模塊控制面板，對(duì)三選值可以選擇取“中值”、“最大值”或“最小值”，查看各個(gè)模擬量輸入值。

開(kāi)關(guān)量測(cè)點(diǎn)通過(guò)開(kāi)關(guān)量測(cè)點(diǎn)圖符(見(jiàn)圖9)顯示開(kāi)關(guān)量測(cè)點(diǎn)狀態(tài)，開(kāi)關(guān)量測(cè)點(diǎn)圖符可用于顯示壓力高低、壓差高、液位高低等，方格底色按測(cè)點(diǎn)狀態(tài)變色，正常狀態(tài)時(shí)框內(nèi)顏色為灰色，報(bào)警狀態(tài)時(shí)框內(nèi)顏色為黃色，字體顯示為黑色。

圖9 開(kāi)關(guān)量測(cè)點(diǎn)圖符

一幅人機(jī)界面一般是按照機(jī)組分系統(tǒng)或者流程分布，將信息和功能進(jìn)行歸類、分組顯示，保證相關(guān)的信息在視覺(jué)上出現(xiàn)在容易被人接受的群組中。

將人機(jī)界面設(shè)計(jì)原型在燃?xì)廨啓C(jī)的虛擬控制系統(tǒng)和仿真系統(tǒng)中進(jìn)行測(cè)試和驗(yàn)證，然后進(jìn)行設(shè)計(jì)評(píng)價(jià)。評(píng)價(jià)指標(biāo)主要分為視覺(jué)指標(biāo)和交互指標(biāo)，視覺(jué)指標(biāo)包括界面布局、顏色種類和配色方案；交互指標(biāo)包含一致性、易用性、反饋性、系統(tǒng)柔性、系統(tǒng)容錯(cuò)率和系統(tǒng)反應(yīng)效率。基于評(píng)價(jià)指標(biāo)組織召開(kāi)界面設(shè)計(jì)評(píng)審，這將是人機(jī)界面設(shè)計(jì)后期的重點(diǎn)工作。

5 結(jié)語(yǔ)

重型燃?xì)廨啓C(jī)控制系統(tǒng)人機(jī)界面的設(shè)計(jì)是控制系統(tǒng)正向設(shè)計(jì)的重要部分，在人機(jī)交互中發(fā)揮重要作用，對(duì)其友好性、可操作性和操作舒適性等方面都提出了更高的要求。利用自主開(kāi)發(fā)的圖形組態(tài)軟件進(jìn)行自主重型燃?xì)廨啓C(jī)控制系統(tǒng)人機(jī)界面的設(shè)計(jì)和優(yōu)化，開(kāi)展后續(xù)的人機(jī)界面評(píng)價(jià)，形成人機(jī)界面設(shè)計(jì)完整的設(shè)計(jì)體系，是有意義的探索和工程實(shí)踐，也可以推廣至其他類型電力系統(tǒng)應(yīng)用。