朱少民，夏 虹，彭彬森，王志超，張汲宇

(哈爾濱工程大學核安全與仿真技術國防重點學科實驗室，黑龍江 哈爾濱 150001)

0 引言

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

隨著數(shù)字化儀控系統(tǒng)在核電廠的廣泛應用，為操縱員提供了一套全新的核電廠運行和監(jiān)測技術手段。先進的數(shù)字化人機界面控制更加集中、信號處理更為復雜、信號關聯(lián)性更強，并且隨著技術的發(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)，運行管理信息、狀態(tài)監(jiān)測與故障診斷系統(tǒng)，智能專家系統(tǒng)等[2]。功能的多樣化不但需要對人機界面的組織形式和信息結構進行優(yōu)化，而且需要兼顧操縱員個體的行為習慣。

在設計方面，人機界面依舊大量使用灰階色調(diào)和突兀的藍色漸變，無合理的顏色色相、明度和飽和度的變化。同時，所使用的字體過于統(tǒng)一，字體顏色使用純黑色，使得界面偏暗，軟件整體視覺上過于單調(diào)，在人眼球長時間觀看后極易產(chǎn)生視覺疲勞，并有可能導致閱讀串行、無法集中注意力等問題。同時，部分圖標和文字無合理的柵格標準，排版密集，會導致操縱員的學習認知和記憶負擔增大。因此，本文結合人因工程原則，設計并開發(fā)了主泵故障診斷系統(tǒng)的人機界面，解決了界面設計過程中存在的單調(diào)、識別度不高、重點不明顯等問題，使軟件的操作更為高效、便捷。

1 人機界面的設計原則及功能分析

1.1 人機界面的人因工程原則

主泵故障診斷系統(tǒng)的主要功能是對主泵的運行進行狀態(tài)監(jiān)測和故障診斷，并且在故障發(fā)生后指導操縱員完成相應的規(guī)程操作。為了更有效地實現(xiàn)主泵的安全運行，故障診斷系統(tǒng)人機界面的設計遵循以下人因工程原則[3-5]。

①簡潔：畫面應盡可能簡單、清晰、易于理解，畫面涵蓋操縱員所關注的主要信息。

②靈活和高效：運行參數(shù)應具有多種顯示方式，如模擬圖、參數(shù)表、趨勢曲線等，以適應不同的監(jiān)測目的。

③一致性：整個人機界面設計要保持畫面設計風格一致性和可理解性，圖形元素、標志符號、顏色、閃光的使用、標注文字的大小應保持一致。

④人機功能分配：對運行工況和事故工況進行分析后，根據(jù)人機的不同特點確定最優(yōu)的人機功能分配，從而提高自動化控制水平，減輕了操縱員負擔和體力消耗。

⑤美觀：注意顏色的選用和色彩搭配，保證顯示畫面清晰，避免視覺疲勞。

1.2 人機界面的功能分析

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

①數(shù)據(jù)展示：對主泵進行實時的數(shù)據(jù)監(jiān)控，將測點獲取的信息傳遞到界面并顯示。

②狀態(tài)監(jiān)測：對主泵的運行狀態(tài)進行監(jiān)測，一旦測點參數(shù)超出閾值將會引發(fā)系統(tǒng)報警。

③異常報警：界面通過測點色彩的變化提示操縱員發(fā)生異常，并持續(xù)關注主泵運行狀態(tài)。

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

⑤解釋程序：向用戶解釋診斷推理的依據(jù)和診斷過程。

⑥決策支持：利用電子化的規(guī)程指導操縱員對故障進行干預和處理。

2 人機界面的設計

2.1 圖形界面設計

圖形界面設計可以用PS、AI、Sketch等完成，包括軟件中所有的圖標、色塊、字體和排版等。其中，圖標包括應用圖標和功能圖標。應用圖標是不同的軟件專有的，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，是整個軟件視覺上的敲門磚。功能圖標則是不同的軟件共有的，表示類似或者相同的功能。但是不同的軟件可以根據(jù)自身的品牌特性設計繪制個性化功能圖標[6]。

圖標的設計有很大的差別。比較流行的應用圖標風格有剪影圖形、輕擬物、輕質感、擬物、文字、插畫、像素風等。比較流行的功能圖標風格有面型、線型、扁平線型等。圖標都擁有本身的顏色。使用顏色時，需要注意色相、飽和度和明度的變化，對于不同的表達目標，需要使用不同顏色的搭配[7]。

2.2 交互體驗設計

交互體驗設計是指如何教會使用者去使用整個軟件，最終實現(xiàn)既定的功能的過程。優(yōu)秀的交互體驗應滿足以下原則[8-9]。

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

②快捷方式：對于一些復雜操作，提供一些快捷鍵供其使用。但快捷鍵不應過于暴露，應在合適的時間出現(xiàn)，比如鼠標指針懸浮在控件上方的時候等。在大量軟件中，使用較為普遍的快捷鍵有保存鍵“Ctrl+S”、撤銷鍵“Ctrl+Z”等。

③信息反饋：使用者的每一個操作，理論上都應有信息的反饋。信息反饋的作用在于告知使用者該操作的功能、預期的結果等。

④控制需求：對于普通的用戶，軟件應該對所有的設置進行默認化，降低發(fā)生錯誤的可能性。但在熟悉操作之后，應當允許使用個性化的設置。這能夠提高軟件的操作效率。

2.3 人機界面設計

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

圖1 主泵故障診斷系統(tǒng)人機界面

①主視圖區(qū)。

這是軟件主要的展示區(qū)域，包括主泵的結構、相關管線、監(jiān)測點等。主泵的結構按照三軸承主泵的流程圖進行繪制。將鼠標移至任意測點上方時，鼠標由箭頭變?yōu)樽ナ?，同時測點放大。單擊監(jiān)測點，即可打開該點的參數(shù)面板，且支持多參數(shù)面板同時打開，并可按照用戶習慣隨意拖動面板。此面板包含測點名稱、測點參數(shù)和單位等信息，并且與數(shù)據(jù)庫直接連接。

點擊面板右側擴展按鈕，即可對面板進行一次擴展。此時，面板中的曲線可以實時顯示該監(jiān)測點的參數(shù)變化情況，并可根據(jù)當前運行情況實時更新。展開后的面板右上方有收回按鈕，點擊即可收起。

面板右下方有二次展開按鈕，點擊即可得到二次展開面板。鼠標可左右拖動圖中曲線，鼠標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)和趨勢預測數(shù)據(jù)。當參數(shù)超出限值時，面板會變成黃色或紅色。

②參數(shù)監(jiān)測區(qū)。

主視圖區(qū)不方便同時展開所有的監(jiān)測參數(shù)，而參數(shù)監(jiān)測區(qū)則可以實時展示所有的參數(shù)，并可以在此區(qū)域設置每個測點的控制限值。外框顏色會根據(jù)當前數(shù)值是否超出控制限值而進行改變。同樣地，該監(jiān)測區(qū)也與數(shù)據(jù)庫綁定。但是該區(qū)域無法展示參數(shù)的歷史變化情況。

從圖1可以看到，參數(shù)檢測區(qū)中某一測點的顯示面板從左至右依次為監(jiān)測參量、測點參數(shù)、修改符。點擊修改符后，右側將彈出參數(shù)限值的設置面板，在此可修改測點的控制限值，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，預留了多個接口以便后期需要對軟件功能進行擴展。

④特性參數(shù)區(qū)。

特性參數(shù)區(qū)展示了需要重點關注的泵的主要性能參數(shù)，包括轉速、流量、揚程和功率。

⑤診斷結果區(qū)。

該區(qū)域主要是對故障診斷的結果進行集中展示。該區(qū)域會顯示診斷程序得出的診斷結果信息。點擊診斷結果，會彈出診斷過程面板。該面板展示了診斷結果的推理過程，給出了診斷依據(jù)，實現(xiàn)了解釋和說明的功能，大大提高了診斷結果的透明性。

⑥決策支持區(qū)。

該區(qū)域顯示了故障的干預手段，根據(jù)主泵故障的操作規(guī)程，采用引導的方式指導操縱員對故障進行處理和干預。故障發(fā)生后，只需操縱員根據(jù)提示點擊判斷按鈕，后臺程序就會根據(jù)邏輯給出相應的操作手段，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 結束語

本文以主泵故障診斷系統(tǒng)為對象，結合人因工程原則，利用WPF程序設計了主泵故障診斷系統(tǒng)的人機界面。該界面主要分為菜單欄、參數(shù)監(jiān)測區(qū)、主視圖區(qū)、特性參數(shù)區(qū)、診斷結果區(qū)和決策支持區(qū)6個功能區(qū)域，具有數(shù)據(jù)展示、狀態(tài)監(jiān)測、異常報警、故障診斷、解釋程序、決策支持等功能，有效解決了核電領域以往界面設計過程中存在的單調(diào)、識別度不高、重點不明顯等問題。該設計也為以后核電廠人機界面的設計與開發(fā)提供了重要的參考。