小型船用核動力裝置運行支持系統人機界面設計研究

王軍華，王少明，張龍飛，王 飛

(海軍工程大學，武漢 430003)

當前隨著核動力裝置小型化技術的不斷發展，小型船用核動力裝置的優勢不斷彰顯，市場應用也不斷擴大［1］。小型船用核動力裝置在運行過程中需要操縱員實時參與核動力裝置的運行過程監控，以確保核動力裝置運行安全［2］。運行支持人機界面可以為操縱員在監測核動力裝置運行過程中提供有效的數據支持和操作指導，保證核動力裝置的安全并減輕操縱員工作壓力。當前國內外對小型船用核動力裝置運行支持相關內容研究比較少見，同時考慮到人機界面作為小型船用核動力裝置運行支持重要組成部分對運行支持系統與操縱員間的信息交互有重要影響，鑒于以上考慮，本文對人機界面設計進行了研究，提出了人機界面的具體形式并進行了優化評估。

1 國內外人機界面設計主要內容

國內外研究中，核動力裝置運行支持系統人機界面的交互內容多為系統流程圖、參數值顯示、參數曲線、異常提醒、操作指導或提示等［3-5］。系統流程圖顯示時，一般在流程圖中都含有主要設備參數及設備狀態，在出現異常時彈出異常狀態提醒窗口或者改變參數及設備狀態顏色，以達到異常狀態提醒的目的。此外，通常通過人機界面可以查詢到出現的異常狀態提醒內容以及運行參數曲線。雖然不同人機界面的功能區布置方式各有不同，但是一般都至少含有2 級菜單，菜單內容涉及核動力裝置主要系統流程圖、主要實時參數、相關運行參數曲線、歷史數據查詢、操作指導或故障診斷以及時間提醒等內容。在配色方案上，一般整體色調柔和，多為冷色調，系統流程圖與背景有明顯區別，易讀性強，異常狀態提醒多選擇黃色或者紅色，正常狀態多選用黑色或藍色。從操作使用角度來看，基本都采用鼠標操作，無快捷鍵定義，系統操作使用簡單，無需特別培訓即可操作使用。但普遍存在界面布局不盡合理，顯示內容多，有些需要單獨顯示的內容顯示過小或過少，例如參數曲線等。此外，還存在在操作指導上內容欠缺，沒有明確的操作指導流程等，難以有效起到運行支持的目的。典型界面形式如圖1 所示。

圖1 人機界面參數檢測畫面

2 小型船用核動力裝置運行支持系統人機界面設計

2.1 人機界面功能需求研究

通常運行指導系統可分為5 個軟件模塊［3］:運行狀態監測軟件、故障診斷軟件、操作指導軟件、人機界面軟件和運行指導數據庫軟件。其中操作指導軟件又劃分為正常操作指導模塊和異常操作指導子模塊，其系統結構組成及軟件之間的接口及信息交互關系如圖2 所示。

2.1.1 運行狀態監測與人機界面

運行狀態檢測軟件模塊實時監測核動力裝置的運行狀態，判斷核動力裝置運行工況或參數是否正常，幫助操縱人員掌握小型船用核動力裝置的運行情況［6］。運行狀態監測軟件主要有運行工況判斷模塊、系統參數監測模塊、異常信息記錄模塊等組成。

運行工況判斷模塊主要通過對獲取的參數數據及輔助信息進行分析，判斷核動力裝置的運行工況; 系統參數監測模塊相結合運行工況判斷模塊相關信息完成對系統參數的實時監測;正常工況下，可以通過人機界面顯示當前參數信息及設備狀態;異常情況發生時，運行狀態檢測軟件給出異常信息并通過人機界面做出相應提醒。正常與異常兩種工況下的參數信息及監測結果會存儲到數據庫中，通過人機界面可以查看參數信息及異常信息。

圖2 小型船用核動力裝置運行指導系統結構流程

2.1.2 故障診斷軟件與人機界面

故障診斷軟件模塊根據運行狀態監測軟件模塊檢測到小型船用核動力裝置異常特征信息，提取故障信息數據庫中相關故障特征信息進行分析判斷，確定故障可能產生的部位、性質、發生原因及影響，故障診斷軟件主要由設備診斷模塊、典型故障診斷模塊組成［7-8］。

故障診斷結果將實時顯示在人機界面對操縱員進行提醒，同時數據庫將存儲診斷結果，通過人機界面可以查詢歷史故障信息。

2.1.3 操作指導軟件與人機界面

操作指導軟件分為正常操作指導模塊和異常操作指導模塊兩部分。

正常操作指導模塊根據操作規程數據庫中的信息和小型船用核動力裝置的運行狀態，在正常運行過程中將小型船用核動力裝置的冷啟動、熱啟動、冷停閉、熱停閉、升功率、降功率、功率運行等工況的操作規程在人機界面上顯示，并提供設備和參數的監測、提示信息。

異常操作指導模塊是通過運行操縱人員的操作，將運行指導數據庫中的異常和事故處置規程在運行指導人機界面上顯示，輔助指導運行人員排除異常或事故。排除異常和事故處理規程在運行指導人機界面上顯示，輔助指導運行指導人員排除異常或事故。

2.1.4 運行指導數據庫與人機界面

運行指導數據庫軟件模塊包括各種工況下核動力裝置特征信息、故障信息、操作規程信息和裝置實時運行狀態信息，由實時狀態數據庫、運行狀態數據庫、故障信息數據庫、操作規程數據庫4 部分組成。

實時狀態數據庫中含有接收的參數信息及人機界面交互信息，與參數檢測軟件相配合完成參數監測; 運行狀態數據庫含有運行狀態信息，通過人機界面可顯示相關運行狀態及變化歷史;故障信息數據庫結合故障診斷軟件，通過人機界面完成故障診斷及故障歷史查詢;操作規程數據庫包含操作指導信息，結合人機界面可實現操作指導及操作規程查詢［9］。

2.2 人機界面界面內容設計

人機界面內容應根據設計主要依據人機界面功能需求進行設計，主要設計內容為登錄權限控制，界面顏色、布局與文字，菜單條設計，重要信息提示模塊設計，安全狀態圖設計，系統流程信息設計，參數監測，操作指導，報警列表，信息查詢，幫助等輔助功能設計。主界面、系統流程、操作指導、參數監控等部分人機界面內容如圖3 ～圖6 所示。

圖3 主界面

圖4 系統流程

圖5 操作指導

圖6 參數監控

3 人機界面優化評估

人機界面的優化評估作為人機界面設計的重要內容，可以保證人機界面提供信息的充分性及對操縱員的適應性［10］。人機界面優化評估主要采用權重評估法，主要評估內容及權重如表1 所示。在評估優化過程中選取了10 名操縱員及5 名專家對人機界面各項內容進行了5 次針對性評估，評估方法采用10 分制，10 分為該項內容完美。

表1 評估內容及權重

將表1 中各項評價內容細化，如易用性可細化為操作的方便性、界面內容的通俗性、操作讀取的方便性等幾個方面進行評價，通過對考慮細化的幾個方面內容評價給出該項內容綜合評估結果，限于篇幅表2 僅給出了部分評估內容。

表2 評估調查表格部分內容

收集評價結果并按式(1)進行相關數據處理，得到第i項內容評價結果

式(1)中:θi為第i 項評估內容評估值;xm為該項評價內容第m 個操縱員給出的評價值;ym為該項評價內容第m 個操縱員給出的評價值; αi為第i 項評價內容中操縱員權重;βi為第i 項評價內容中專家權重。

將每次評價內容按權重處理后，可得到各項內容的本次評價結果。一般可認為評估值＜8，即為該項內容不適應，需要對其進行優化處理。通過對評結果的分析可以發現所設計的人機界面的短板所在，進而可由此明確下一步的優化方向，為人機界面優化提供有效的方向指導。部分評價內容的評估曲線如圖7 ～圖10 所示。

圖7 安全狀態監測

圖8 操作指導

圖9 易用性

圖10 多窗口應用與系統資源

通過評估曲線可以發現在每次優化后人機界面各項性能評估值都會優于之前，這說明了我們優化方向可以很好的彌補人機界面的各項缺陷，同時該評價方法可以用于指導后續的人機界面開發工作。

4 結束語

通過對國內外運行支持人機界面的分析基礎上，結合人機界面功能需求，我們完成了運行支持系統人機界面的設計工作，此外，通過分類權重評估發現了人機界面的短板［11］，并確立了小型船用核動力裝置運行支持系統人機界面的優化方法，并未為后續的小型船用核動力裝置運行支持系統人機界面優化工作奠定了良好的基礎。

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