主泵故障诊断系统人机界面设计

朱少民，夏 虹，彭彬森，王志超，张汲宇

(哈尔滨工程大学核安全与仿真技术国防重点学科实验室，黑龙江 哈尔滨 150001)

0 引言

人机界面是人与机器之间传递和交换信息的媒介。据统计，核电厂可能发生的风险中，高达50%～70%是由人因失误造成的。因此，人机界面的设计需要考虑人的因素，以减轻操纵员的负担、降低操作失误的概率[1]。

随着数字化仪控系统在核电厂的广泛应用，为操纵员提供了一套全新的核电厂运行和监测技术手段。先进的数字化人机界面控制更加集中、信号处理更为复杂、信号关联性更强，并且随着技术的发展能够增加一些常规的仪控系统不具备的模块，如：操纵员支持系统，运行管理信息、状态监测与故障诊断系统，智能专家系统等[2]。功能的多样化不但需要对人机界面的组织形式和信息结构进行优化，而且需要兼顾操纵员个体的行为习惯。

在设计方面，人机界面依旧大量使用灰阶色调和突兀的蓝色渐变，无合理的颜色色相、明度和饱和度的变化。同时，所使用的字体过于统一，字体颜色使用纯黑色，使得界面偏暗，软件整体视觉上过于单调，在人眼球长时间观看后极易产生视觉疲劳，并有可能导致阅读串行、无法集中注意力等问题。同时，部分图标和文字无合理的栅格标准，排版密集，会导致操纵员的学习认知和记忆负担增大。因此，本文结合人因工程原则，设计并开发了主泵故障诊断系统的人机界面，解决了界面设计过程中存在的单调、识别度不高、重点不明显等问题，使软件的操作更为高效、便捷。

1 人机界面的设计原则及功能分析

1.1 人机界面的人因工程原则

主泵故障诊断系统的主要功能是对主泵的运行进行状态监测和故障诊断，并且在故障发生后指导操纵员完成相应的规程操作。为了更有效地实现主泵的安全运行，故障诊断系统人机界面的设计遵循以下人因工程原则[3-5]。

①简洁：画面应尽可能简单、清晰、易于理解，画面涵盖操纵员所关注的主要信息。

②灵活和高效：运行参数应具有多种显示方式，如模拟图、参数表、趋势曲线等，以适应不同的监测目的。

③一致性：整个人机界面设计要保持画面设计风格一致性和可理解性，图形元素、标志符号、颜色、闪光的使用、标注文字的大小应保持一致。

④人机功能分配：对运行工况和事故工况进行分析后，根据人机的不同特点确定最优的人机功能分配，从而提高自动化控制水平，减轻了操纵员负担和体力消耗。

⑤美观：注意颜色的选用和色彩搭配，保证显示画面清晰，避免视觉疲劳。

1.2 人机界面的功能分析

根据主泵故障诊断系统的功能特点，确定人机界面的功能应包括数据展示、状态监测、异常报警、故障诊断、解释程序、决策支持等。

①数据展示：对主泵进行实时的数据监控，将测点获取的信息传递到界面并显示。

②状态监测：对主泵的运行状态进行监测，一旦测点参数超出阈值将会引发系统报警。

③异常报警：界面通过测点色彩的变化提示操纵员发生异常，并持续关注主泵运行状态。

④故障诊断：利用诊断知识库中的知识，根据已知的征兆事实，按一定的诊断控制策略进行推理诊断，最后给出诊断结果并进行显示。

⑤解释程序：向用户解释诊断推理的依据和诊断过程。

⑥决策支持：利用电子化的规程指导操纵员对故障进行干预和处理。

2 人机界面的设计

2.1 图形界面设计

图形界面设计可以用PS、AI、Sketch等完成，包括软件中所有的图标、色块、字体和排版等。其中，图标包括应用图标和功能图标。应用图标是不同的软件专有的，比如微软公司Office系列中的Word、Excel、PowerPoint等，能给使用者留下第一印象，是整个软件视觉上的敲门砖。功能图标则是不同的软件共有的，表示类似或者相同的功能。但是不同的软件可以根据自身的品牌特性设计绘制个性化功能图标[6]。

图标的设计有很大的差别。比较流行的应用图标风格有剪影图形、轻拟物、轻质感、拟物、文字、插画、像素风等。比较流行的功能图标风格有面型、线型、扁平线型等。图标都拥有本身的颜色。使用颜色时，需要注意色相、饱和度和明度的变化，对于不同的表达目标，需要使用不同颜色的搭配[7]。

2.2 交互体验设计

交互体验设计是指如何教会使用者去使用整个软件，最终实现既定的功能的过程。优秀的交互体验应满足以下原则[8-9]。

①保持连贯性：从打开软件到数据的保存和软件的关闭，需保持颜色、控件、操作方式、提示语言的统一。

②快捷方式：对于一些复杂操作，提供一些快捷键供其使用。但快捷键不应过于暴露，应在合适的时间出现，比如鼠标指针悬浮在控件上方的时候等。在大量软件中，使用较为普遍的快捷键有保存键“Ctrl+S”、撤销键“Ctrl+Z”等。

③信息反馈：使用者的每一个操作，理论上都应有信息的反馈。信息反馈的作用在于告知使用者该操作的功能、预期的结果等。

④控制需求：对于普通的用户，软件应该对所有的设置进行默认化，降低发生错误的可能性。但在熟悉操作之后，应当允许使用个性化的设置。这能够提高软件的操作效率。

2.3 人机界面设计

主泵故障诊断系统的人机界面采用呈现基础(windows presentation foundation,WPF)程序进行设计，如图1所示。人机界面可分为6大功能区，分别为菜单栏、参数监测区、主视图区、特性参数区、诊断结果区和决策支持区。

图1 主泵故障诊断系统人机界面

①主视图区。

这是软件主要的展示区域，包括主泵的结构、相关管线、监测点等。主泵的结构按照三轴承主泵的流程图进行绘制。将鼠标移至任意测点上方时，鼠标由箭头变为抓手，同时测点放大。单击监测点，即可打开该点的参数面板，且支持多参数面板同时打开，并可按照用户习惯随意拖动面板。此面板包含测点名称、测点参数和单位等信息，并且与数据库直接连接。

点击面板右侧扩展按钮，即可对面板进行一次扩展。此时，面板中的曲线可以实时显示该监测点的参数变化情况，并可根据当前运行情况实时更新。展开后的面板右上方有收回按钮，点击即可收起。

面板右下方有二次展开按钮，点击即可得到二次展开面板。鼠标可左右拖动图中曲线，鼠标滑轮也可以任意缩放曲线，方便查看图像外未展示的历史数据和趋势预测数据。当参数超出限值时，面板会变成黄色或红色。

②参数监测区。

主视图区不方便同时展开所有的监测参数，而参数监测区则可以实时展示所有的参数，并可以在此区域设置每个测点的控制限值。外框颜色会根据当前数值是否超出控制限值而进行改变。同样地，该监测区也与数据库绑定。但是该区域无法展示参数的历史变化情况。

从图1可以看到，参数检测区中某一测点的显示面板从左至右依次为监测参量、测点参数、修改符。点击修改符后，右侧将弹出参数限值的设置面板，在此可修改测点的控制限值，即参数的低低值、低值、高值和高高值。

③菜单栏。

为了提高软件的拓展性能，在界面上部加入了菜单栏，预留了多个接口以便后期需要对软件功能进行扩展。

④特性参数区。

特性参数区展示了需要重点关注的泵的主要性能参数，包括转速、流量、扬程和功率。

⑤诊断结果区。

该区域主要是对故障诊断的结果进行集中展示。该区域会显示诊断程序得出的诊断结果信息。点击诊断结果，会弹出诊断过程面板。该面板展示了诊断结果的推理过程，给出了诊断依据，实现了解释和说明的功能，大大提高了诊断结果的透明性。

⑥决策支持区。

该区域显示了故障的干预手段，根据主泵故障的操作规程，采用引导的方式指导操纵员对故障进行处理和干预。故障发生后，只需操纵员根据提示点击判断按钮，后台程序就会根据逻辑给出相应的操作手段，使操纵员不必再大量记忆或查询操作规程，减少了操纵员的精神压力，以避免产生误操作。

3 结束语

本文以主泵故障诊断系统为对象，结合人因工程原则，利用WPF程序设计了主泵故障诊断系统的人机界面。该界面主要分为菜单栏、参数监测区、主视图区、特性参数区、诊断结果区和决策支持区6个功能区域，具有数据展示、状态监测、异常报警、故障诊断、解释程序、决策支持等功能，有效解决了核电领域以往界面设计过程中存在的单调、识别度不高、重点不明显等问题。该设计也为以后核电厂人机界面的设计与开发提供了重要的参考。