基于WinCC的船舶电力监控系统人机界面设计

吴啸波， 龚喜文， 张丹瑞

(上海船舶运输科学研究所 舰船自动化系统事业部, 上海 200135)

0 引 言

船舶电力监控系统是现代船舶复杂系统的一个重要组成部分，承担着对电力系统进行综合检测、管理和控制的任务。船舶电力监控系统有着数量庞大且逻辑复杂的参数，操作员需在船舶运行期间及时根据这些参数做出相关判断和决策，在较高的操作压力下，不合理的人机界面设计极易导致人因操作失误。自20世纪切尔诺贝利事故和三哩岛事故这2个人因失误造成的核电站核泄漏事故发生以来，国内外学者加大了对人机界面人因失误的研究力度。对于船舶信息监控，国外学者的研究主要集中在降低界面人因失误标准制定和新技术测试层面，例如：SHRYANE等认为可通过降低人因失误概率提高人机界面的友好性；MAXION等认为可通过减少人因失误提高人机界面的可靠性；ROSS研究发现，标准化能有效提高界面的设计水平。国内学者的研究主要集中在船舶普遍系统界面的设计与优化方面，例如：ZHEN等对船舶人机界面的布局进行了评估和研究；孔艳对船舶电力监控系统界面进行了仿真；申宇基于人因失误模型对船舶电力监控系统进行了设计和评估。对于复杂的船舶电力监控系统界面研究，国内起步较晚，虽然已有很多学者对其进行优化设计，但目前仍处于研究阶段，尚未在实船上得到广泛应用。目前国内广泛应用于实船上的电力监控产品的质量与西门子SIMOS、寺崎GAC等国际知名企业的产品相比仍有较大差距。

为提高某船电力监控系统人机界面的可用性，本文以某船电力监控系统人机界面为例，对其存在的问题进行分析，并采用西门子WinCC组态软件对其组织架构、界面布局和辨识性等进行优化设计。此外，通过试验验证该电力监控系统人机界面在不同环境和工况下都比较友好。

1 某船电力监控系统人机界面存在的不足

1.1 组织架构过于繁琐

船舶电力监控系统通常采用“树状”结构进行信息分类，操作员可通过“树状”层级逐层查找并获取信息。由于船舶电力监控系统功能复杂、结构层级多，且没有对常用功能界面进行总结分类，导致搜索难度较大，操作员在实际操作过程中会因查找信息而花费大量时间。以某船的电力监控系统树状层级架构(见图1)为例，当操作员需监控某机组的状态时，需跨越4个“树状”层级，且在每个层级都要对大量信息进行筛选，这会导致操作效率低下，同时易发生误操作。为使操作员能迅速而准确地找到信息，应简化“树状”结构，合并功能相同的层级，或对其进行归类整合。

图1 某船电力监控系统树状层级架构

1.2 界面布局不合理

该船的电力监控系统人机界面采用“三”字形布局结构(见图2)。该界面信息显示区域的功能模块排列无序，相应的文字和图标符号的对应关系不明确，没有针对功能模块的重要性和目标任务的优先级对各类模块进行优化排序；不同监控对象的功能模块或结构存在差异，界面布局没有相关性。这些问题会导致操作员每次操作时都要重新进行视觉搜索,且上一次操作的目标任务没有可鉴性，这会大幅度增加操作员对工作经验的调取频率和精力损耗，对于长时间的操作而言，极易导致人因操作失误。

图2 某船电力人机界面“三”字形界面布局

1.3 视觉设计影响辨识

该船的电力监控系统人机界面和操作部件的主色调均为灰白色调，当操作员距离界面较远时，形状特征的差异性会变强，此时图形的色彩是主要的辨别标准。该船的电力监控系统人机界面除了报警信息采用的色彩对比度较高，其他部分采用的色彩对比度均较低，辨识性较差，因此其采用色彩传递信息的功能和对信息类型进行分组归类的功能无法体现。此外，使用不合适的色彩还会导致操作员搜索信息的效率低下、精力损耗大、操作失误率高。因此，需对该船的电力监控人机界面进行视觉上的优化设计，在保证重要信息对应的色彩比较突出的同时，避免因色调过多而产生视觉干扰。

2 船舶电力监控系统人机界面设计

2.1 功能分析

船舶电力监控系统的主要功能是通过各类监测模块和传感器对船舶电力系统中各类电力设备、用电设备的实时数据和报警信息进行监测，并通过总线通信技术实现对各系统设备的操控，使操作员能及时地发现并处理问题。以上述案例船为例，该船的电力系统主要由供电系统、配电系统、负载系统、岸电电网和应急电网等5个核心系统组成。

通过人机界面显示是船舶电力监控系统反映船舶电力系统状态最直观的手段之一。面对船舶机舱恶劣的环境，人机界面应具有较高的辨识度，能在不同的光照环境下清晰、直观地显示画面中的内容；面对船舶在航行过程中遭遇的各种复杂工况，人机界面应能保持较强的友好性，使操作员能准确、高效地完成各项任务。

2.2 组织框架设计

根据操作频率和执行任务的相关性对船舶电力系统的子系统进行优先级排列，排列之后的电力监控系统人机界面结构图见图3。各系统界面的排列顺序设定依据如下：

图3 某船电力监控系统人机界面结构图

1) 供电系统单线图界面是整个电力系统状态的集成显示界面，可通过该界面观察到整个船舶电力系统的运行状态，操作频率较高，因此将其设定为默认显示界面;

2) 发电机组是该船的核心发电设备，需频繁地对其进行监控和操作，同时其与供电系统有着紧密的联系，因此电站参数界面的排列位置仅次于供电系统单线图界面;

3) 合闸并车和分闸解列等操作属于船舶电能管理方面的重要操作，需根据发电机组的实际负载状况进行操作，操作频率一般，因此其排列位置在电站参数界面之后;

4) 数据与趋势曲线界面和报警信息界面为数据显示界面，分别负责监测系统在正常工况和事故工况下的重要数据，操作频率较高，且与电站和并车解列等系统的关联性较大，因此二者分别排列于第四位和第五位;

5) 岸-舰电转换界面的使用频率相对较低，其排列位置在报警信息界面之后;

6) 应急电网界面排在最后，便于在发生紧急状况时快速定位。

2.3 船舶电力系统人机界面的设计与实现

2.3.1 WinCC软件介绍

本文采用西门子WinCC v7.5组态软件设计船舶电力监控系统人机界面。该软件主要用于实现生产过程和自动化控制中的系统监控，具有强大的组态仿真功能、丰富的模块、完备的数据库和良好的开放性。在该项目中，主要用到WinCC图形编辑器功能，WinCC图形编辑器拥有大量图形库和功能模块可供选择，能快捷地生成各类功能模块，对本文的船舶电力监控系统人机界面设计有良好的适配性。WinCC图形编辑器界面见图4。

图4 WinCC图形编辑器界面

2.3.2 船舶电力监控系统人机界面设计

通过分析该船电力监控系统的功能，简化其组织架构，优化其人机界面的整体风格，归纳出适合该船电力监控系统人机界面的设计思想(见表1)。

表1 电力监控系统人机界面设计思想

根据表1中的人机界面设计思想，采用WinCC组态软件对该船的船舶电力监控系统人机界面进行优化设计，图5为案例船1号电站供电系统单线图。在界面功能布局方面，采用“左右分块”的布局方案，该布局方案层次结构清晰，主操作区和次操作区域符合人的视觉特征，对系统单线图和数据、功能模块进行归类布局，将同类型的功能模块布置于同一功能区域；判断模块的主次，与设备状态相关性较大的信息与功能模块布置于主要显示区域，其余模块布置于次要显示区域。在色彩方面，界面整体采用灰黑色主题，功能正常的信息采用与灰黑色形成高对比度的绿色或白色显示，功能不正常的信息采用醒目的红色显示，以提高信息在各种操作环境下的辨识度。重要参数显示和功能模块状态指示设计均与界面整体设计保持一致，避免色彩过多形成干扰。界面切换、时间显示和打印等系统概览类通用模块置于界面顶部，在不同子系统界面应保持一致。报警信息为系统重要的提示信息，单独开辟一块区域，采用醒目的红色对其进行显示。

图5 案例船1号电站供电系统单线图

参数显示界面为观察设备运行情况用到的重要参考界面，对设备信息进行合理归类，并按重要程度进行布局，能有效提高视觉搜索参数的效率。图6为案例船电力监控系统电站基本参数显示界面，界面的整体风格与供电系统单线图界面保持一致，在颜色上采用灰黑色风格。在界面布局方面，采用“功能分块”的布局风格，根据不同参数的设备属性进行整合分类，并按重要程度排序。

图6 案例船电力监控系统电站基本参数显示界面

2.3.3 试验与应用

将该电力监控系统人机界面程序移植到案例船的电力集控台上，分别在不同光照强度和工况下按要求完成指定任务，将该人机界面的显示和操作效果与原人机界面相对比。图7为不同光照环境下人机界面显示情况对比。

a) 较暗光照环境

b) 较流光照环境图7 不同光照环境下人机界面显示情况对比

试验结果表明，该电力监控系统人机界面相比传统人机界面具有较高的辨识度，无论是在较暗的光照环境下，还是在较亮的光照环境下，整体界面显示不刺眼，重要信息能清晰地显示。在事故工况下，该电力监控系统人机界面的报警信息定位切换速度有明显提升，相比传统人机界面，能有效降低人因失误概率。

3 结 语

为提高船舶电力监控系统人机界面的友好性，减少因界面设计不合理导致的人因操作失误，以某船的电力监控系统为例，通过对系统的组织架构进行简化，对其功能模块进行优化布局，对其画面的整体风格进行优化比选，采用西门子WinCC组态软件对该船的电力监控系统人机界面进行了优化设计，使其在各种光照环境和工况下都有较高的辨识度。试验结果表明，通过该电力监控系统人机界面,操作员能在不同光照环境和不同工况下准确且迅速地找到目标信息。