小型船用核动力装置运行支持系统人机界面设计研究

王军华，王少明，张龙飞，王 飞

(海军工程大学，武汉 430003)

当前随着核动力装置小型化技术的不断发展，小型船用核动力装置的优势不断彰显，市场应用也不断扩大［1］。小型船用核动力装置在运行过程中需要操纵员实时参与核动力装置的运行过程监控，以确保核动力装置运行安全［2］。运行支持人机界面可以为操纵员在监测核动力装置运行过程中提供有效的数据支持和操作指导，保证核动力装置的安全并减轻操纵员工作压力。当前国内外对小型船用核动力装置运行支持相关内容研究比较少见，同时考虑到人机界面作为小型船用核动力装置运行支持重要组成部分对运行支持系统与操纵员间的信息交互有重要影响，鉴于以上考虑，本文对人机界面设计进行了研究，提出了人机界面的具体形式并进行了优化评估。

1 国内外人机界面设计主要内容

国内外研究中，核动力装置运行支持系统人机界面的交互内容多为系统流程图、参数值显示、参数曲线、异常提醒、操作指导或提示等［3-5］。系统流程图显示时，一般在流程图中都含有主要设备参数及设备状态，在出现异常时弹出异常状态提醒窗口或者改变参数及设备状态颜色，以达到异常状态提醒的目的。此外，通常通过人机界面可以查询到出现的异常状态提醒内容以及运行参数曲线。虽然不同人机界面的功能区布置方式各有不同，但是一般都至少含有2 级菜单，菜单内容涉及核动力装置主要系统流程图、主要实时参数、相关运行参数曲线、历史数据查询、操作指导或故障诊断以及时间提醒等内容。在配色方案上，一般整体色调柔和，多为冷色调，系统流程图与背景有明显区别，易读性强，异常状态提醒多选择黄色或者红色，正常状态多选用黑色或蓝色。从操作使用角度来看，基本都采用鼠标操作，无快捷键定义，系统操作使用简单，无需特别培训即可操作使用。但普遍存在界面布局不尽合理，显示内容多，有些需要单独显示的内容显示过小或过少，例如参数曲线等。此外，还存在在操作指导上内容欠缺，没有明确的操作指导流程等，难以有效起到运行支持的目的。典型界面形式如图1 所示。

图1 人机界面参数检测画面

2 小型船用核动力装置运行支持系统人机界面设计

2.1 人机界面功能需求研究

通常运行指导系统可分为5 个软件模块［3］:运行状态监测软件、故障诊断软件、操作指导软件、人机界面软件和运行指导数据库软件。其中操作指导软件又划分为正常操作指导模块和异常操作指导子模块，其系统结构组成及软件之间的接口及信息交互关系如图2 所示。

2.1.1 运行状态监测与人机界面

运行状态检测软件模块实时监测核动力装置的运行状态，判断核动力装置运行工况或参数是否正常，帮助操纵人员掌握小型船用核动力装置的运行情况［6］。运行状态监测软件主要有运行工况判断模块、系统参数监测模块、异常信息记录模块等组成。

运行工况判断模块主要通过对获取的参数数据及辅助信息进行分析，判断核动力装置的运行工况; 系统参数监测模块相结合运行工况判断模块相关信息完成对系统参数的实时监测;正常工况下，可以通过人机界面显示当前参数信息及设备状态;异常情况发生时，运行状态检测软件给出异常信息并通过人机界面做出相应提醒。正常与异常两种工况下的参数信息及监测结果会存储到数据库中，通过人机界面可以查看参数信息及异常信息。

图2 小型船用核动力装置运行指导系统结构流程

2.1.2 故障诊断软件与人机界面

故障诊断软件模块根据运行状态监测软件模块检测到小型船用核动力装置异常特征信息，提取故障信息数据库中相关故障特征信息进行分析判断，确定故障可能产生的部位、性质、发生原因及影响，故障诊断软件主要由设备诊断模块、典型故障诊断模块组成［7-8］。

故障诊断结果将实时显示在人机界面对操纵员进行提醒，同时数据库将存储诊断结果，通过人机界面可以查询历史故障信息。

2.1.3 操作指导软件与人机界面

操作指导软件分为正常操作指导模块和异常操作指导模块两部分。

正常操作指导模块根据操作规程数据库中的信息和小型船用核动力装置的运行状态，在正常运行过程中将小型船用核动力装置的冷启动、热启动、冷停闭、热停闭、升功率、降功率、功率运行等工况的操作规程在人机界面上显示，并提供设备和参数的监测、提示信息。

异常操作指导模块是通过运行操纵人员的操作，将运行指导数据库中的异常和事故处置规程在运行指导人机界面上显示，辅助指导运行人员排除异常或事故。排除异常和事故处理规程在运行指导人机界面上显示，辅助指导运行指导人员排除异常或事故。

2.1.4 运行指导数据库与人机界面

运行指导数据库软件模块包括各种工况下核动力装置特征信息、故障信息、操作规程信息和装置实时运行状态信息，由实时状态数据库、运行状态数据库、故障信息数据库、操作规程数据库4 部分组成。

实时状态数据库中含有接收的参数信息及人机界面交互信息，与参数检测软件相配合完成参数监测; 运行状态数据库含有运行状态信息，通过人机界面可显示相关运行状态及变化历史;故障信息数据库结合故障诊断软件，通过人机界面完成故障诊断及故障历史查询;操作规程数据库包含操作指导信息，结合人机界面可实现操作指导及操作规程查询［9］。

2.2 人机界面界面内容设计

人机界面内容应根据设计主要依据人机界面功能需求进行设计，主要设计内容为登录权限控制，界面颜色、布局与文字，菜单条设计，重要信息提示模块设计，安全状态图设计，系统流程信息设计，参数监测，操作指导，报警列表，信息查询，帮助等辅助功能设计。主界面、系统流程、操作指导、参数监控等部分人机界面内容如图3 ～图6 所示。

图3 主界面

图4 系统流程

图5 操作指导

图6 参数监控

3 人机界面优化评估

人机界面的优化评估作为人机界面设计的重要内容，可以保证人机界面提供信息的充分性及对操纵员的适应性［10］。人机界面优化评估主要采用权重评估法，主要评估内容及权重如表1 所示。在评估优化过程中选取了10 名操纵员及5 名专家对人机界面各项内容进行了5 次针对性评估，评估方法采用10 分制，10 分为该项内容完美。

表1 评估内容及权重

将表1 中各项评价内容细化，如易用性可细化为操作的方便性、界面内容的通俗性、操作读取的方便性等几个方面进行评价，通过对考虑细化的几个方面内容评价给出该项内容综合评估结果，限于篇幅表2 仅给出了部分评估内容。

表2 评估调查表格部分内容

收集评价结果并按式(1)进行相关数据处理，得到第i项内容评价结果

式(1)中:θi为第i 项评估内容评估值;xm为该项评价内容第m 个操纵员给出的评价值;ym为该项评价内容第m 个操纵员给出的评价值; αi为第i 项评价内容中操纵员权重;βi为第i 项评价内容中专家权重。

将每次评价内容按权重处理后，可得到各项内容的本次评价结果。一般可认为评估值＜8，即为该项内容不适应，需要对其进行优化处理。通过对评结果的分析可以发现所设计的人机界面的短板所在，进而可由此明确下一步的优化方向，为人机界面优化提供有效的方向指导。部分评价内容的评估曲线如图7 ～图10 所示。

图7 安全状态监测

图8 操作指导

图9 易用性

图10 多窗口应用与系统资源

通过评估曲线可以发现在每次优化后人机界面各项性能评估值都会优于之前，这说明了我们优化方向可以很好的弥补人机界面的各项缺陷，同时该评价方法可以用于指导后续的人机界面开发工作。

4 结束语

通过对国内外运行支持人机界面的分析基础上，结合人机界面功能需求，我们完成了运行支持系统人机界面的设计工作，此外，通过分类权重评估发现了人机界面的短板［11］，并确立了小型船用核动力装置运行支持系统人机界面的优化方法，并未为后续的小型船用核动力装置运行支持系统人机界面优化工作奠定了良好的基础。

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