數字化反應堆人機交互功能需求的研究

盧嘉川　馮云姣　鄭丹晨　吳斌

【摘 要】人機交互系統的進步對諸如計算機，互聯網，移動設備等領域的發展起了極大的作用。為使人機交互技術在反應堆設計仿真領域發揮更好的作用，本文對數字化人機交互系統的功能需求開展了研究。本文基于人因工程審查大綱與人因系統界面設計審查大綱，對人機交互系統功能需求進行了說明，主要包括總體設計導則、用戶輸入格式、界面管理、信息管理、系統安全、計算機操作規程需求等內容。本文闡述的數字化人機交互功能需求可用于數字化反應堆及其衍生系統的人機交互設計與開發。

【關鍵詞】數字化技術；人機交互；人因工程

中圖分類號： TP11 文獻標識碼： A 文章編號： 2095-2457（2018）08-0019-003

Research on human-computer interaction functional requirement for digital reactors

LU Jia-chuan FENG Yun-jiao ZHENG Dan-chen WU Bin

（Science and Technology on Reactor System Design Technology Laboratory

of Nuclear Power Institute of China，Chengdu of Sichuan Province，China，610213）

【Abstract】The progress of human-machine interaction has played a great role in the innovation of computers，the internet， mobile devices and other fields. To make human-machine interaction play a better role in the field of reactor design and simulation， this paper studies on the function requirements of the digital human-machine interaction.Based on NUREG-0700 and NUREG-0711，the function requirements of human-machine interaction system are explained，including the general design guidelines，user input formats，interface management，information management，system security，and system operation procedures requirements.The digital human-machine interaction function requirements described in this paper are suitable for the human-computer interaction design and development of the digital reactor and its derivative system.

【Key words】Digital technology；Human Machine Interface；Human Factors Engineering

0 概述

數字化反應堆是指在超大規模高性能計算系統內，模擬反應堆全生命周期各種特性的集成數值仿真模擬對象。通過它可以進行物理、熱工、燃料、結構、力學等多專業高精度的計算分析，實現多專業耦合協同設計，能夠綜合模擬、預測真實反應堆從設計、制造、運行到退役生命周期反應堆各專業性能、參數、行為等特性。數字化反應堆作為可預期的高成本以及應產生高可靠性和有效性的關鍵系統，人機交互系統作為研究操作人員與系統之間唯一的信息交換過程，對于提高系統的效率與可靠性有著極大地關聯。本文將通過對人因工程審查大綱[1]與人因系統界面設計審查大綱[2]以及典型壓水堆核電站仿真操作界面開展分析，對數字化反應堆人機交互系統的功能需求開展研究，為數字化反應堆及其衍生系統的人機交互界面的設計開發提供支持。

1 人機交互與管理功能需求

人機交互與管理是指用戶通過人機界面輸入信息，并通過人機界面得到相關信息的反饋并操作與其信息相關的任務，因此人機交互與管理功能中包含大量信息處理和核電廠操作控制任務。由于人機交互界面的設計特點，決定了處理這些任務的特有屬性，因此任務內容與設計特點并不是簡單一一對應關系。例如某個單獨人機交互管理任務可能通過多個人機交互界面進行顯示，或者某個人機交互界面可以顯示多種管理任務。

1.1 總體設計導則

總體輸入導則為針對人機交互系統的通用功能和特點審查導則，包含用戶正確的輸入格式，盡量減少用戶輸入的基本原則和人機交互性能方面問題的指導方針。為實現以上目的，

1.2 用戶輸入格式

用戶輸入格式中說明用戶與計算機交互過程中的各種形式對話框，在人機交互過程和管理任務中會采用多種不同類型的輸入格式。例如：

1.2.1 指令輸入

命令指令通過鍵盤或類似鍵控設備輸入計算機，從而要求計算機執行相應的運行模式。在通用對話框中，用戶輸入指令時，計算機應盡可能地提供簡潔的提示，因為在命令輸入過程中，用戶通常必須從內存中檢索合適的命令。人機交互與管理過程中的命令可以分為執行命令和目標命令。執行命令包括對特定計算機的操作指令，例如操作與界面有關的管理信息和導航顯示系統。導航功能的執行指令包括：上一頁和下一頁、放大和縮小，這些功能使得用戶可以通過單步操作在信息結構體中跳轉界面。目標命令包括編碼識別與特定信息檢索顯示，它們允許用戶直接從某一個顯示界面位置跳轉至其它無訪問限制的界面。

1.2.2 菜單項

菜單項的交互方式被廣泛的應用到人機交互系統中，其菜單內容中羅列出所有可供用戶選擇的選項。因為向用戶展示的是一組選項，因此此處需要自行辨識選擇正確的選項。菜單項設計過程中需要關注的重點包括：選項種類、菜單結構、顯示的字體、菜單面板設計和交互方法。

1.2.3 功能鍵

功能鍵是鍵盤或控制面板上獨立的按鍵，用來執行預先定義好的操作，例如啟動預定義的顯示畫面。當功能鍵觸發后，會向計算機系統發送指定運行方式的指令。功能鍵設置中的重點問題是需要考慮鍵控操作與執行功能間的關系。單一鍵控需要單獨按鍵操作，雙重按鍵操作需要多個按鍵同時觸發，例如有些功能鍵被定義成與SHIFT、ALT或CONTROL鍵的組合鍵類型。此外，功能鍵可以在多種運行模式下觸發，需要注意的是，在不同的運行環境下，同樣的功能鍵可能會執行不同的操作。

1.2.4 宏命令

宏命令為將一系列命令整理并定義為單一命令。當宏命令被觸發時，執行宏內定義的一系列命令組合?？删幊坦δ苕I作為一個可被用戶分配的功能，可以用到單一功能或宏命令中。宏命令和可編程功能鍵作為特殊的命令形式，可以幫助用戶完成人機交互管理任務中的自動化部分。

1.2.5 表格

表格應包括類別標簽和由用戶輸入數據的空白空間，在填充格式表示中，用戶在數據區域輸入命令或信息。表格通過減少需要操作員記憶的信息類型和容量來幫助操作人員對交互任務進行管理，同時幫助操作員進行命令輸入。表格型數據輸入只用于指定類型的信息輸入方式。同時表格輸入中可以加入錯誤檢驗，檢查輸入是否超出許可范圍。當表格初始化時，也允許表格進行默認輸入，以改善使用方法。

1.2.6 直接操作界面

直接操作界面允許操作員直接在界面上對可見控件進行操作，例如點擊打開圖標顯示打開界面。操作界面中所顯示的圖標可以有多個種類，其在仿真界面上分別代表電廠設備、系統或某些功能。通過單擊圖標得到相應設備或系統的信息，或展示操作界面，界面中可包含多種計算機交互控件，例如按鈕和滑塊等。

輸入通常用與在圖形界面中操作指定設備，使計算機執行其所代表的信息或對象，并通過圖形界面的改變進行反饋。

1.2.7 語音輸入

語音界面允許用戶進行語音輸入，計算機將收到的語音信息轉為數據或命令形式。其中的語音命令由語音識別系統進行語音命令翻譯，語音命令識別可依賴也可獨立與語音錄制者，后者的有點在于可以允許任何人進行語音命令輸入，但缺點是可靠性低，語音信息不被識別或錯誤識別的概率較高。依賴型語音輸入需要訓練系統識別制定語音對象的聲音，這種系統有更高的可靠性。同時語音識別系統也可以詞匯來提高系統識別的可靠性。

1.3 系統響應

系統響應是指計算機系統在接收到用戶的輸入信息后的行為，其響應的重要特點主要包括以下幾方面：

1）提示：計算機系統向用戶提供建議輸入類型的提示信息。信息提示機制可以幫助用戶選擇正確的人機界面管理任務的正確運行模式。

2）反饋：當用戶輸入數據后，計算機需要反饋用戶是否成功接收數據。反饋機制可以幫助用戶確認計算機是否成功接收到輸入內容，并判斷計算機運行處期望的結果。

系統響應時間：系統響應時間是指當用戶輸入完成后計算機系統反饋運行結果所需要的時間。計算機不同反饋方式（如控制激活、系統激活、用戶請求、錯誤反饋）所需要的相應時間與信息輸入的類型相關。系統響應時間在人機交互中有著重要作用，如果響應時間過長，可能會降低計算機執行主要任務的性能。

1.4 界面管理

1.4.1 顯示選擇與導航

導航是指搜索指定信息的操作，例如在整個界面網絡結構中找到需要的界面或者在大型界面中找到需要的信息項。顯示選擇是指通過檢索操作顯示所需要的界面或信息項。

1.4.2 窗口

屏幕中的窗口界面詳細顯示系統中信息或來自用戶輸入信息，同時可對該窗口中如下內容進行相應操作：

打開/關閉：應關閉不需要顯示的窗口以減少顯示屏的混亂，或者應打開窗口允許操作者查看各個窗口的交互；

尺寸：屏幕上顯示窗口的大小可增（讓視圖更簡易）或減（以減少混亂）；

定位：窗口需要可以定位在顯示器中以方便用戶觀察或可以定位相關相鄰窗口；

分層：層是指移動的一個窗口讓它放置在另一個之上。重疊窗口可以根據用戶需求改變重疊層級，以便幫助用戶更好地與其內容進行交互。

平鋪：像磚塊一樣排列窗口的位置。平鋪窗口間沒有窗口間的重疊，可以便于用戶直接閱讀窗口內容。

不同形式的窗口管理的自動化程度有所不同。對一些系統，所有窗口管理任務是手動執行。對于其他系統而言，則是由信息系統自動執行，例如，當一個信息系統打開一個窗口，它會自動確定窗口的大小和位置在顯示屏幕上。然后操作者可以關閉、移動或改變窗口的大小。

1.4.3 顯示控制

顯示控件允許用戶自行選擇屏幕中所顯示的信息及其顯示格式。

1.4.4 更新與暫停

顯示系統的更新功能確保界面刷新當顯示前數據顯示值，而暫停功能則停止界面刷新，使界面數據保持當前值。用戶通過暫停功能觀測指定時刻系統狀態或觀測界面變化。更新功能通常是初始化為自動模式，在某些情況下用戶可以調整更新速率，而暫停功能可以初始化為自動或手動模式。有關更新與暫停的重要特征參數包括用戶的控制程度、自動更新速率、指定暫停狀態。

1.4.5 顯示抑制

顯示抑制功能可以暫時刪除無關或不重要的信息，在需要的時候再重新顯示，以此來減少視覺上的混亂。顯示抑制功能的重要相關量包括用戶對顯示抑制功能的控制程度，功能的專用鍵和抑制狀態。

1.4.6 滑動和分頁

當顯示信息所需的區域超過顯示設備或窗口提供的空間時，用戶可以將選定的部分視圖通過滾動或分頁形式進行顯示。

1.5 信息管理

基于計算機的顯示系統需要允許用戶通過計算機創建，改變，通過計算機存儲和檢索文檔，其中的重要特點包括如下幾方面：

創建和編輯文檔：支持用戶創建和編輯文檔，編輯文檔方法如斷句，TAB，換行，分頁，控制圖形對象，剪切，粘貼，改變字體等；

保存文檔：允許用戶退出文檔是保存所做的更改；

臨時編輯緩沖區：使電腦臨時存儲用戶編輯文檔的信息；

摘錄文件：該文件允許用戶將數據從一個位置移動到另一個地方。與臨時編輯緩沖區不同，摘錄文件是可以保存。

1.6 用戶幫助

系統通常有各種旨在幫助用戶的功能，指南/幫助提供在線幫助?；谟嬎銠C的指導/幫助可以自動彈出（如檢測到一個錯誤項后）或當用戶發起請求時彈出。

在線幫助可能提供的各種從在線手冊中提取簡要信息。在一些系統中，指導信息在界面內的顯示可能會完全取代現有的任務界面?；诖翱诘南到y可以在同一屏幕上將指導信息作為任務顯示，允許同時查看任務和指導。指南的可以由用戶或系統發起，用戶通過輸入幫助命令打開在線指導文檔主動獲取幫助。指南系統也可以通過檢索幫助文檔，發布信息提醒用戶進行特定操作。系統發出的消息主要分為一下幾類：

公告消息：計算機系統發出消息警告用戶需要注意某些情況；

錯誤消息：計算機系統發出消息向用戶展示潛在的故障；

用戶輸入驗證：根據軟件的邏輯定義檢查計算機是否可以接受的用戶的輸入。例如驗證功能可通知用戶的格式化的命令指令或查詢指令格式錯誤。

輸入確認：對于某些特別的輸入項，需要用戶進行額外的操作來確認信息的輸入。系統會提示用戶輸入可能具有破壞性的影響，如退出某個模式，刪除或修改一個文件，或關閉設備。

數據保護：數據保護是計算機自動功能，目的是使電腦故障或用戶的行為可能發生的數據損失最小化。在數據保護方面，其功能包括周期性數據文件自動歸檔、維護事務日志以用來重建最近變化的數據、離線存儲重要軟件拷貝和提供計算機備份設備。對于用戶操作失誤的保護方式包括中斷數據變化和設定安全默認值。

信息與指令糾正：檢查用戶輸入的數據或指令，自動把它們轉化為正確的形式供用戶修正，用戶可以選擇接受或拒絕。

1.7 系統安全

計算機系統需要包含如下幾方面功能，用來限制人員訪問計算機，以防止意外或有意破壞：

用戶身份確認：建立用戶授權機制，其功能特點是包括密碼保護、用戶身份驗證測試和對數據安全的潛在威脅的提示，如來自從未經授權的人員。

信息訪問：信息訪問機制用于降低文件被訪問和改變的可能性。其內容可以包括敏感數據加密、標識數據安全等級、訪問打印數據管理機制、自動記錄數據訪問信息、設立只讀文檔等。

1.8 計算機操作規程需求

計算機化操作規程的顯示是計算機化操作規程系統核心作用的體現，通過利用合理的規程顯示方式為操縱員提供幫助，使操縱員有效的執行規程步驟，減少誤操作的發生。規程開發計劃的成果即為通用技術指南、規程編寫指南和全套核電廠規程。特別注意的是還需要能夠提供以下幾方面功能支持。

（1）導航

操縱員在執行規程過程中可能出現調用其它規程的情況，導航幫助操縱員怎樣找到正確的規程和規程中正確的步驟。操縱員能夠在規程導航過程中保持自由移動通過規程并且執行規程步驟的能力。規程的調用方式采用單獨頁面或段落的方式顯示，不采取連續的方式顯示，使操縱員更容易確認要選擇的規程位置。

（2）格式

由于現代計算機提供了多種信息顯示方式，計算機化規程格式可以利用圖形和多種信息組織方式實現。格式能夠改進規程步驟中的不同元素，如操作、條件、注釋、建議等。計算機化規程格式的改進可以克服文本文件格式的局限性，通過使用圖形技術實現規程步驟的可視化顯示，提高操縱員對規程邏輯關系的理解。

（3）進程監督

進程監督的本質是計算機化規程幫助操縱員對已經執行的規程步驟進行自動檢查，不需要操縱員進行這項工作，減輕操縱員的工作負擔。例如操縱員執行了哪些規程步驟，還有哪些步驟沒有執行。

（4）幫助和解釋工具

幫助和解釋工具是規程顯示的重要組成部分。由于操作規程客觀上不能包含操縱員需要的所有信息，所以有必要為操縱員提供補充信息，這些信息可以作為解釋或幫助?！敖忉尅敝戈P于一個規程步驟的背景信息或基本原理；

“幫助”指關于附加于規程步驟的詳細資料。

（5）進程連接

規程步驟經常涉及參數的特殊值，這些特殊值可以作為一個檢查的限定值或作為一個設定目標。在計算機化規程顯示中，將重要的參數值與裝置操作規程內容結合，如果計算機能夠比較參數的實際值和規程中定義的值，規程就可以直接和進程相連接，并且實現規程的自動更新。例如根據運行工況提供自動的規程頁面調度或調用下一步規程。

（6）規程調整

計算機化規程顯示的另一個特征是規程的更改，主要處理是否規程的內容固定不變或者能夠適應當前狀況的問題。深層次的特征表示是否兩個或更多的規程在需要時能夠自動組合，規程的內容可以被改變來適應操縱員任務的需要，使操縱員的工作更加便利。

2 總結

數字化反應堆是用于反應堆設計、性能優化、極端事故分析及預測的大型模擬仿真軟件，隨著計算機軟硬件的飛速發展，層出不窮的各細分領域的設計軟件與精細化模型的出現，以及高精度、大規模的集成計算系統的綜合性能大幅度提升，對人機交互系統也提出了更高的要求。為了更好的服務于核反應堆設計研究人員，提高核反應堆設計能力，認為數字化反應堆人機交互系統進一步的功能發展方向應為加強對設計與創造能力的支持：利用信息可視化加速與深化對設計過程的理解，利用先進技術將設計生成的海量數據與設計、統計學方法有機結合，支持用戶在幾何倍數增長的設計備選方案中迅速的汲取有效信息，從而提升設計效率及開發創造力的潛能。

【參考文獻】

[1]P.M. Lewis， J.J. Persensky， NUREG-0700 Human-System Interface Design Review Guidelines [S].NRC 2002.

[2]J.M. OHara， W.S. Brown， P.M. Lewis， J.J. Persensky， NUREG-0711 Human Factors Engineering Program Review Model [S].NRC Rev.3 2012.