船用核动力MMIS测试体系研究

余 昆

（中国船舶重工集团公司，湖北 武汉 430064）

船用核动力MMIS测试体系研究

余 昆

（中国船舶重工集团公司，湖北 武汉 430064）

核能系统从陆地向海洋发展，船用核动力系统逐渐成为热点。人机交互系统 （MMIS）作为运行人员与船用核动力系统进行操控交互的核心媒介，能够直接影响到核动力系统的安全、高效运行。基于船用核动力MMIS承担任务的重要性和使用环境的特殊性，对船用核动力MMIS发展技术状态、基本组成进行分析，梳理MMIS测试范围；从MMIS硬件设备外观、性能、环境适应、电磁兼容、功能测试、软件测试、人因工程测试等方面构建测试指标体系，对MMIS测试方法进行研究，尤其对目前越来越受到重视的人因工程测试方法进行探讨和分析，能够为船用核动力MMIS研制提供支撑作用。

船用核动力；MMIS；测试

随着陆地核电厂建设逐渐趋于饱和，海上浮动核电平台越来越受到关注。目前俄罗斯已经建有数艘海上浮动核电船舶，我国也开始开展相关研究工作，船用核动力研究逐渐成为热点［1］。人机交互系统 （MMIS）是运行人员与核动力系统进行信息交互、操作输入等人机交互活动的核心媒介，承担船用核动力系统正常、异常及事故后显示、操控任务，对核动力系统的安全、高效运行起着直接的、至关重要的作用。如美国三哩岛、苏联切尔诺贝利核电厂、K192核潜艇事故等均与MMIS有一定关联。由于船用核动力MMIS承担任务的重要性、海洋使用环境的特殊性，对其研究应该受到重点关注。船用核动力MMIS设计、研制需要考虑多种会影响其实际使用的因素条件，如所处环境条件因素、功能完整性、使用性能等，均会影响到MMIS效能发挥。故需要进行MMIS测试，以保证MMIS最大程度满足船用核动力最终使用要求。

目前，陆上核能系统已经形成了较为完善的MMIS测试体系。而针对船用核动力的MMIS测试研究才逐步开始。随着船舶行业长期发展和积累，船用硬件设备环境适应性测试方面已形成相关标准要求，如船用集控台设备环境测试标准、电磁兼容标准、软件测试指南等，但标准较为分散，需要面向船用核动力MMIS构建专门的测试体系。欧美等发达国家已在核能人因测试方面开展大量研究，如核动力航母虚拟人体模型测试［2］，核电厂人机界面多维量表认知负荷测试［3］、眼动分析认知负荷测试［4］等。而我国目前在船用核动力MMIS测试方面还未出现体系化的相关研究。本文针对船用核动力MMIS组成进行分析，构建针对性的MMIS测评体系，对MMIS测试方法进行分析、探讨研究。

1 船用核动力MMIS组成

目前，核能MMIS已经由传统分散模拟式向集成数字化转变。已经历4代发展，第1、2代基于模拟显控技术构建，使用大量硬接线仪表、开关、指示灯等；第3代采用模拟盘台与数字化CRT显示系统相结合方式；第4代全面采用数字化集成MMIS，数字化显示和软控制设备得到大量应用，俄罗斯 “50年胜利号”核动力破冰船数字化集成MMIS见图1。

图1 俄罗斯核动力破冰船MMIS示例Fig．1 Example of MMIS for nuclear powered icebreaker

船用核动力MMIS核心组成包括控制台、控制盘、大屏幕、人机界面、盘台仪表、座椅等。其中，视频显示终端VDU和大屏幕成为操作员获取运行信息、操作干预的主要途径，模拟盘作为备用手段。MMIS组成和测试要素如图2所示［5］。

图2 船用核动力MMIS基本组成Fig．2 Basic composition of MMIS for marine nuclear power

控制台用于指挥、操作人员监控使用，集成人机界面和部分重要模拟操作，包括台体、工控主机、VDU、通信设备、少量仪表和模拟操作器等；控制盘作为数字化人机界面操作失效的后备手段，盘面布置大量模拟仪表；大屏幕作为操作、指挥人员公共信息源，便于准确、实时、全面观测和掌握多方面信息支撑决策；盘台仪表主要是布置在控制盘的模拟仪表和操作器，包括模拟指针表、数显表、光字牌、旋钮开关、按钮开关等。人机界面属于软件，以概貌图、工艺模拟图、趋势图等形式提供反应堆、一回路系统、二回路系统及汽轮发电机组、报警列表、规程等运行状态信息显示和操作。座椅是指挥、操作人员长时间坐姿作业使用，也是能够影响到人机交互效率的重要因素。

2 船用核动力MMIS测试方法

2．1 船用核动力MMIS测试指标体系

基于船用核动力MMIS主要组成，将需要进行测试的要素分为控制台、控制盘、仪表、座椅等硬件设备和人机界面软件两大类。与陆上核能系统相比，船用核动力MMIS使用环境存在特殊性，如海洋摇摆、倾斜、盐雾等特殊舱室环境因素，船舱设备电磁干扰等特殊影响因素，封闭舱室、长航等特殊使用环境因素。结合核电、船舶工业测试要求，对船用核动力MMIS测试内容和主要指标进行梳理和分析，建立涵盖MMIS硬件设备外观、性能、环境适应性、电磁兼容、功能测试、人机界面软件测试、人因测试等内容的测试体系，如图3所示。

图3 船用核动力MMIS测试内容和指标Fig．3 Contents and targets of marine nuclear power MMIS testing

1）外观检查：对于MMIS设备的外观、形式等进行检查，包括设备外观形式、色彩、表面、重量、铭牌、标志等。运行人员长期与MMIS设备接触，保证其外观形式符合要求非常重要。

2）性能测试：MMIS设备性能关系到设备在舱室条件下的正常使用，对设备防水、通电、绝缘等使用性能进行测试，指标包括设备抗电源变化、绝缘性能、耐电压、温升、防护等级、抗电源瞬间干扰等。

3）环境适应性测试：测试MMIS设备对于海上摇摆、舱室恶劣环境条件、冲击等影响的适应性，测试指标包括倾斜、摇摆、振动、环境温度、相对湿度、油雾、抗冲击等。满足各种海洋环境适应性是MMIS设备在船用特殊环境条件下长时间、正常使用的基础。

4）电磁兼容性：测试MMIS设备抗舱室电子设备间电磁干扰的能力，测试指标包括静电放电抗扰度、电磁场抗扰度、快速瞬变脉冲抗扰度、浪涌 （冲击）抗扰度等。

5）功能测试：测试MMIS设备所提供的功能、服务，测试指标根据具体功能制定。船用核动力MMIS设备功能测试应该覆盖所有设备的所有功能和服务，尤其是安全相关的功能，更需要注重功能测试的覆盖性。

6）软件测试：验证人机界面软件是否满足系统／子系统设计要求、软件需求规格、软件质量特性要求。测试指标包括功能测试、性能测试、安全性测试、强度测试、可靠性测试、兼容性测试等。核动力系统存在特殊的安全级软件测试工作V＆V，按照严格步骤在全生命周期测试软件质量［6］。

7）人因测试：测试MMIS设计是否符合人因工程要求，系统的人机环要素适配程度。指标包括人体尺度匹配性测试、视域、可达性、认读性生理特征匹配性测试、认知负荷测试、疲劳测试、绩效测试等。MMIS人因设计很大程度会影响系统安全性和人机交互效能，越来越倍受关注。

2．2 MMIS测试方法

针对船用核动力MMIS不同组成部分的测试内容，采用具体的测试方法和手段。

（1）MMIS硬件设备外观检查较为简单，通常可以通过目测尺寸、重量测量等手段完成。

（2）对于MMIS硬件设备性能、环境适应性、电磁兼容性测试，则需要具备专业的测试设备、试验条件，测试试验方法和设备均需符合相关标准要求，并如实做好实测结果记录。在相关标准的测试标准选用方面，由于船用环境和陆上环境差异性，应该以成熟的船用标准作为首选；在船用标准不覆盖的前提下，可以选用国家标准、能源行业标准、核电标准等作为依据，但需要对标准要求和参数限值的适用性进行分析和裁剪。例如对于设备通电性能测试，需要准备测试用电源，根据性能要求接通测试电源进行设备电压偏离、频率偏离等测试试验，需要具备万用表、电阻测试等相关设备进行设备通电性能指标实测，验证实测值是否符合要求；外壳防护等级测试按照GB 4208—2008《外壳防护等级》有关规定进行测试试验，准备用于试验的水、固体异物替代品等进行滴水、喷淋等测试试验。

（3）对于环境适应性测试，CB／T 4389—2013《船舶设备环境参数测量方法》对船舶设备振动、冲击、颠振、温湿渡、盐雾、霉菌等舱室环境参数测量方法做出详细要求；对于环境测试的高温、湿热、倾斜、摇摆等测试试验方法流程可以参照 GB／T 2423．2—2008 《电工电子产品环境试验》提供的方法和要求；MMIS设备的电磁兼容测试试验可以参照GB／T 10250—2007《船舶电气与电子设备的电磁兼容性》有关规定进行。

（4）对于人机界面软件的测试是一项复杂的工作。参照软件测试指南要求，人机界面软件功能测试是对软件设计开发规定的功能、服务进行逐项测试；性能测试是对人机界面软件的精度、时间、容量等进行测试，衡量系统响应时间、处理速度和其他时间敏感需求，并测试与性能相关的工作负载和硬件条件等是否满足要求；安全测试是对人机界面软件系统及数据访问的可控制性，以防止系统非法操作、数据被讹误、破坏等；可靠性测试是对软件的容错、成熟性等进行测试，测试系统平均无故障时间、系统中断、误操作、数据超限、死锁等的反应，测试故障时需要切换时系统的功能和性能的连续平稳性等；兼容性测试是测试软件更新或换版时软件配置项是否能够被继承保存，软件配置项与其他软件共同运行情况；强度测试针对软件运行时的实际处理能力所做的测试，包括大批量数据测试、长时间处理能力测试和异常情况测试等，以检验系统能力的最高实际限度。人机界面软件测试通常采用静态测试和动态测试结合方式。动态测试通过在软件使用环境下运行源程序代码测试代码执行的功能、逻辑、行为和结构等，测试程序执行状态和外部表现是否满足要求；软件代码静态测试是通过分析代码的逻辑及结构特性，测试软件功能、性能、可靠性等，并检查编程规范、习惯和约定的落实。目前常用的人工检查和自动测试工具结合方式进行测试工作，常用自动测试工具包括Testbed、Klocwork等。

（5）人因测试目标是检测MMIS系统与使用船员间的匹配性、融合关系。MMIS系统设计通常需要以人为中心，人因测试以人体尺度、人员生理参数、使用体验等为基础，测试方法包括生理参数测量、虚拟人体测试、主观体验测试等。

3 MMIS人因测试方法

人因测试是一个新兴的领域，越来越成为MMIS不可或缺的测试项目，核安全导则HFA 102、HFA 103明确规定核动力系统设计必须满足人因工程要求。美国核管会NUREG0700、NUREG0711对核能MMIS人因工程设计及测试要求提出规定。而且由于船用核动力系统存在环境密封、海上长航、恶劣海洋环境等对船员运行操控不利的因素，更加需要注重MMIS的人因测试研究。我国在航空／天领域已经率先开展MMIS人体参数匹配性、认知和决策能力、适居性、人—系统整合等测试研究［7］，对于船用核动力MMIS测试具有指导意义。

（1）MMIS人体参数匹配性测试

由于船舶舱室空间通过比较狭小，结构障碍及死角较多，人体尺度匹配性测试可以测试船用核动力控制台、控制盘、座椅等MMIS设备设计外形尺寸与船员人体尺度的匹配性，MMIS设备设计的基础是必须满足船员人体测量尺度要求。视域、可达性、认读性生理特征匹配性测试主要测试MMIS设备布置范围是否能够被船员方便观测、操作范围是否手部容易触碰、显示信息是否能够被清晰观测和认读。采用带人体测量数据、眼睛观测视域、肢体可达域的三维虚拟人体模型进行测试，在虚拟环境中进行视域范围尺寸、可达域范围尺寸、字符观测视角测量和评估。针对我国人体测量标准GB 10000构建的中国人三维人体模型以及认读视角测量、可达域测量示例见图4。

图4 中国人三维人体模型及认读视角、可达域测量示例Fig．4 Case of Chinese 3Dhuman model，visual field and reachable domain measurement example

（2）MMIS人机交互认知负荷测试

认知负荷测试通过用于船用核动力系统人机界面测试，包括认知负荷量表、眼动分析、脑电分析、心脏活动分析等测试方法手段。量表测试通过对自身感受到的认知负荷的主观感知测试方法，包括SWAT、Nasa－TLX及 WP量表等。Nasa－TLX量表系统地涵盖了人员心理、体力、绩效、受挫、时间、努力方面认知负荷感受，在核电领域应用广泛，对于船用核动力MMIS人机界面认知负荷评价适用性较好。人机界面刺激或事件出现后，操控人员会出现生理特征变化。生理测试是指对人员完成任务过程中伴随认知负荷出现的生理特征进行测量评价。认知负荷生理测量数据具备客观性，而且生理数据记录过程具备实时性，在人机界面认知负荷测试中越来越受到重视。眼动分析通过测量观测人机界面过程的眼睛活动指标数据进行认知负荷测试，如瞳孔直径、注视点、注视时间、眨眼间隔等。眼动数据与人机界面监视任务过程直接相关，而且实时记录，属于人机界面认知负荷精确生理指标。图5为针对核动力系统汽轮机监控人机界面眼动观测热点和信息搜索路径眼动分析示例［8］。心脏活动分析主要以心率及心率变异性作为指标，分析由心电图或脉搏量测所得到的心跳与心跳间隔的时间序列。脑电分析以脑事件相关电位波幅与潜伏期作为评价指标。心率和脑电等受多种因素影响，目前还不能十分可靠地反映认知负荷变化，属于与认知负荷相关的指标。

图5 汽轮机界面观测热点和信息搜索路径眼动分析示例Fig．5 Case of hotspot observation and searching path of steam turbine interface eye movement analysis

（3）MMIS疲劳测试

疲劳测试通过测试人员在试验环境中的血氧含量进行疲劳状态分析，也可以根据人员试验过程中疲劳状态下的面部表情特征进行分析，采用的工具包括便携式脑部血氧分析系统、行为观测分析系统等。绩效测试通常通过执行任务的时间、出错率进行任务绩效测试。

4 结束语

本文对船用核动力MMIS测试体系及方法进行研究。针对船用核动力MMIS的发展趋势和基本组成，分析了需要开展测试的MMIS范围。构建了船用核动力MMIS测试指标体系，涵盖了海洋摇摆、倾斜、盐雾等特殊海洋使用环境及船舱设备电磁干扰等特殊影响因素。基于相关标准和规范，对船用核动力MMIS测试方法进行研究，尤其对软件测试、人因测试方法重点进行分析，能够为我国船用核动力MMIS研制提供支撑作用。

［1］余娜 ．海上核电厂提速 ［J］．能源，2016 （3）：72－76．

［2］吕波，赵建辉 ．国外舰船数字化设计技术应用最新进展 ［J］．船舶物资与市场，2010 （3）：35－38．

［3］Chang Hoon Ha，Jong Hyun Kim，Seung Jun Lee，et al．Investigation on relationship between information flow rate and mental workload of accident diagnosis tasks in NPPs ［J］．Ieee Transactions on Nuclear Science，2006，53 （3）：1450－1459．

［4］YunG－TsanJou，Tzu－Chung Yenn，Chiuhsiang Joe Lin，et al．Evaluation of operators’mental workload of human－system interface automation in the advanced nuclear power plants ［J］．Nuclear Engineering and Design，2009，239：2537－2542．

［5］张晶玲 ．核电厂数字化监控人机界面评价方法研究［D］．哈尔滨：哈尔滨工程大学，2014：4－5．

［6］陈卫华，白涛，谷鹏飞，等 ．核安全级软件静态测试技术研究 ［J］．核科学与工程，2016，36 （3）：392－397．

［7］陈善广，姜国华，王春慧 ．航天人因工程研究进展［J］．载人航天，2015，21 （2）：95－105．

［8］Kun Yu，Rui Ma，Ying Zhang．Research on the Integrated Assessment Method for HCI Design of Digitized OM System in NPPs ［J］．Lecture Notes in Electrical Engineering，2015 （356）：381－390．

Study on the MMIS Testing System for Marine Nuclear Power System

YU Kun
（China Ship Development and Design Center，CSIC，Wuhan，Hubei Prov．430064，China）

The nuclear power system is evolved from land to sea，and the marine nuclear power system has gradually become hot spots．The MMIS（Man－Machine Interaction System）is the core interface between the operators and the marine nuclear power system．It can directly affect the safety and efficient operation of the marine nuclear power system．Based on the important mission and special using environment of the MMIS of marine nuclear power，the development trend，current situation and basic composition of the MMIS of marine nuclear power was analyzed，and the scope of MMIS needed to be tested is developed．The test index system is constructed from the hardware equipment appearance，performance，environmental adaptation，electromagnetic compatibility，functional testing，software testing，human engineering testing and other aspects of the marine nuclear power system．The contents and main test indexes of the MMIS for marine nuclear power are combed．And the MMIS testing method is studied，especially human engineering testing method．It can provide a supporting role for the development of MMIS for marine nuclear power system．

marine nuclear power system；man－machine interaction system；testing

TM624 Article character：A Article ID：1674－1617 （2017）03－0342－06

TM624

A

1674－1617 （2017）03－0342－06

10．12058／zghd．2017．03．342

2017－06－07

余 昆 （1984—），男，湖北鄂州人，博士，工程师，现主要从事核动力DCS仪控技术、人因工程工作 （E－mail：kunyu2013＠163．com）。

（责任编辑：白佳）