船用核動力MMIS測試體系研究

余 昆

（中國船舶重工集團公司，湖北 武漢 430064）

船用核動力MMIS測試體系研究

余 昆

（中國船舶重工集團公司，湖北 武漢 430064）

核能系統從陸地向海洋發展，船用核動力系統逐漸成為熱點。人機交互系統 （MMIS）作為運行人員與船用核動力系統進行操控交互的核心媒介，能夠直接影響到核動力系統的安全、高效運行。基于船用核動力MMIS承擔任務的重要性和使用環境的特殊性，對船用核動力MMIS發展技術狀態、基本組成進行分析，梳理MMIS測試范圍；從MMIS硬件設備外觀、性能、環境適應、電磁兼容、功能測試、軟件測試、人因工程測試等方面構建測試指標體系，對MMIS測試方法進行研究，尤其對目前越來越受到重視的人因工程測試方法進行探討和分析，能夠為船用核動力MMIS研制提供支撐作用。

船用核動力；MMIS；測試

隨著陸地核電廠建設逐漸趨于飽和，海上浮動核電平臺越來越受到關注。目前俄羅斯已經建有數艘海上浮動核電船舶，我國也開始開展相關研究工作，船用核動力研究逐漸成為熱點［1］。人機交互系統 （MMIS）是運行人員與核動力系統進行信息交互、操作輸入等人機交互活動的核心媒介，承擔船用核動力系統正常、異常及事故后顯示、操控任務，對核動力系統的安全、高效運行起著直接的、至關重要的作用。如美國三哩島、蘇聯切爾諾貝利核電廠、K192核潛艇事故等均與MMIS有一定關聯。由于船用核動力MMIS承擔任務的重要性、海洋使用環境的特殊性，對其研究應該受到重點關注。船用核動力MMIS設計、研制需要考慮多種會影響其實際使用的因素條件，如所處環境條件因素、功能完整性、使用性能等，均會影響到MMIS效能發揮。故需要進行MMIS測試，以保證MMIS最大程度滿足船用核動力最終使用要求。

目前，陸上核能系統已經形成了較為完善的MMIS測試體系。而針對船用核動力的MMIS測試研究才逐步開始。隨著船舶行業長期發展和積累，船用硬件設備環境適應性測試方面已形成相關標準要求，如船用集控臺設備環境測試標準、電磁兼容標準、軟件測試指南等，但標準較為分散，需要面向船用核動力MMIS構建專門的測試體系。歐美等發達國家已在核能人因測試方面開展大量研究，如核動力航母虛擬人體模型測試［2］，核電廠人機界面多維量表認知負荷測試［3］、眼動分析認知負荷測試［4］等。而我國目前在船用核動力MMIS測試方面還未出現體系化的相關研究。本文針對船用核動力MMIS組成進行分析，構建針對性的MMIS測評體系，對MMIS測試方法進行分析、探討研究。

1 船用核動力MMIS組成

目前，核能MMIS已經由傳統分散模擬式向集成數字化轉變。已經歷4代發展，第1、2代基于模擬顯控技術構建，使用大量硬接線儀表、開關、指示燈等；第3代采用模擬盤臺與數字化CRT顯示系統相結合方式；第4代全面采用數字化集成MMIS，數字化顯示和軟控制設備得到大量應用，俄羅斯 “50年勝利號”核動力破冰船數字化集成MMIS見圖1。

圖1 俄羅斯核動力破冰船MMIS示例Fig．1 Example of MMIS for nuclear powered icebreaker

船用核動力MMIS核心組成包括控制臺、控制盤、大屏幕、人機界面、盤臺儀表、座椅等。其中，視頻顯示終端VDU和大屏幕成為操作員獲取運行信息、操作干預的主要途徑，模擬盤作為備用手段。MMIS組成和測試要素如圖2所示［5］。

圖2 船用核動力MMIS基本組成Fig．2 Basic composition of MMIS for marine nuclear power

控制臺用于指揮、操作人員監控使用，集成人機界面和部分重要模擬操作，包括臺體、工控主機、VDU、通信設備、少量儀表和模擬操作器等；控制盤作為數字化人機界面操作失效的后備手段，盤面布置大量模擬儀表；大屏幕作為操作、指揮人員公共信息源，便于準確、實時、全面觀測和掌握多方面信息支撐決策；盤臺儀表主要是布置在控制盤的模擬儀表和操作器，包括模擬指針表、數顯表、光字牌、旋鈕開關、按鈕開關等。人機界面屬于軟件，以概貌圖、工藝模擬圖、趨勢圖等形式提供反應堆、一回路系統、二回路系統及汽輪發電機組、報警列表、規程等運行狀態信息顯示和操作。座椅是指揮、操作人員長時間坐姿作業使用，也是能夠影響到人機交互效率的重要因素。

2 船用核動力MMIS測試方法

2．1 船用核動力MMIS測試指標體系

基于船用核動力MMIS主要組成，將需要進行測試的要素分為控制臺、控制盤、儀表、座椅等硬件設備和人機界面軟件兩大類。與陸上核能系統相比，船用核動力MMIS使用環境存在特殊性，如海洋搖擺、傾斜、鹽霧等特殊艙室環境因素，船艙設備電磁干擾等特殊影響因素，封閉艙室、長航等特殊使用環境因素。結合核電、船舶工業測試要求，對船用核動力MMIS測試內容和主要指標進行梳理和分析，建立涵蓋MMIS硬件設備外觀、性能、環境適應性、電磁兼容、功能測試、人機界面軟件測試、人因測試等內容的測試體系，如圖3所示。

圖3 船用核動力MMIS測試內容和指標Fig．3 Contents and targets of marine nuclear power MMIS testing

1）外觀檢查：對于MMIS設備的外觀、形式等進行檢查，包括設備外觀形式、色彩、表面、重量、銘牌、標志等。運行人員長期與MMIS設備接觸，保證其外觀形式符合要求非常重要。

2）性能測試：MMIS設備性能關系到設備在艙室條件下的正常使用，對設備防水、通電、絕緣等使用性能進行測試，指標包括設備抗電源變化、絕緣性能、耐電壓、溫升、防護等級、抗電源瞬間干擾等。

3）環境適應性測試：測試MMIS設備對于海上搖擺、艙室惡劣環境條件、沖擊等影響的適應性，測試指標包括傾斜、搖擺、振動、環境溫度、相對濕度、油霧、抗沖擊等。滿足各種海洋環境適應性是MMIS設備在船用特殊環境條件下長時間、正常使用的基礎。

4）電磁兼容性：測試MMIS設備抗艙室電子設備間電磁干擾的能力，測試指標包括靜電放電抗擾度、電磁場抗擾度、快速瞬變脈沖抗擾度、浪涌 （沖擊）抗擾度等。

5）功能測試：測試MMIS設備所提供的功能、服務，測試指標根據具體功能制定。船用核動力MMIS設備功能測試應該覆蓋所有設備的所有功能和服務，尤其是安全相關的功能，更需要注重功能測試的覆蓋性。

6）軟件測試：驗證人機界面軟件是否滿足系統／子系統設計要求、軟件需求規格、軟件質量特性要求。測試指標包括功能測試、性能測試、安全性測試、強度測試、可靠性測試、兼容性測試等。核動力系統存在特殊的安全級軟件測試工作V＆V，按照嚴格步驟在全生命周期測試軟件質量［6］。

7）人因測試：測試MMIS設計是否符合人因工程要求，系統的人機環要素適配程度。指標包括人體尺度匹配性測試、視域、可達性、認讀性生理特征匹配性測試、認知負荷測試、疲勞測試、績效測試等。MMIS人因設計很大程度會影響系統安全性和人機交互效能，越來越倍受關注。

2．2 MMIS測試方法

針對船用核動力MMIS不同組成部分的測試內容，采用具體的測試方法和手段。

（1）MMIS硬件設備外觀檢查較為簡單，通常可以通過目測尺寸、重量測量等手段完成。

（2）對于MMIS硬件設備性能、環境適應性、電磁兼容性測試，則需要具備專業的測試設備、試驗條件，測試試驗方法和設備均需符合相關標準要求，并如實做好實測結果記錄。在相關標準的測試標準選用方面，由于船用環境和陸上環境差異性，應該以成熟的船用標準作為首選；在船用標準不覆蓋的前提下，可以選用國家標準、能源行業標準、核電標準等作為依據，但需要對標準要求和參數限值的適用性進行分析和裁剪。例如對于設備通電性能測試，需要準備測試用電源，根據性能要求接通測試電源進行設備電壓偏離、頻率偏離等測試試驗，需要具備萬用表、電阻測試等相關設備進行設備通電性能指標實測，驗證實測值是否符合要求；外殼防護等級測試按照GB 4208—2008《外殼防護等級》有關規定進行測試試驗，準備用于試驗的水、固體異物替代品等進行滴水、噴淋等測試試驗。

（3）對于環境適應性測試，CB／T 4389—2013《船舶設備環境參數測量方法》對船舶設備振動、沖擊、顛振、溫濕渡、鹽霧、霉菌等艙室環境參數測量方法做出詳細要求；對于環境測試的高溫、濕熱、傾斜、搖擺等測試試驗方法流程可以參照 GB／T 2423．2—2008 《電工電子產品環境試驗》提供的方法和要求；MMIS設備的電磁兼容測試試驗可以參照GB／T 10250—2007《船舶電氣與電子設備的電磁兼容性》有關規定進行。

（4）對于人機界面軟件的測試是一項復雜的工作。參照軟件測試指南要求，人機界面軟件功能測試是對軟件設計開發規定的功能、服務進行逐項測試；性能測試是對人機界面軟件的精度、時間、容量等進行測試，衡量系統響應時間、處理速度和其他時間敏感需求，并測試與性能相關的工作負載和硬件條件等是否滿足要求；安全測試是對人機界面軟件系統及數據訪問的可控制性，以防止系統非法操作、數據被訛誤、破壞等；可靠性測試是對軟件的容錯、成熟性等進行測試，測試系統平均無故障時間、系統中斷、誤操作、數據超限、死鎖等的反應，測試故障時需要切換時系統的功能和性能的連續平穩性等；兼容性測試是測試軟件更新或換版時軟件配置項是否能夠被繼承保存，軟件配置項與其他軟件共同運行情況；強度測試針對軟件運行時的實際處理能力所做的測試，包括大批量數據測試、長時間處理能力測試和異常情況測試等，以檢驗系統能力的最高實際限度。人機界面軟件測試通常采用靜態測試和動態測試結合方式。動態測試通過在軟件使用環境下運行源程序代碼測試代碼執行的功能、邏輯、行為和結構等，測試程序執行狀態和外部表現是否滿足要求；軟件代碼靜態測試是通過分析代碼的邏輯及結構特性，測試軟件功能、性能、可靠性等，并檢查編程規范、習慣和約定的落實。目前常用的人工檢查和自動測試工具結合方式進行測試工作，常用自動測試工具包括Testbed、Klocwork等。

（5）人因測試目標是檢測MMIS系統與使用船員間的匹配性、融合關系。MMIS系統設計通常需要以人為中心，人因測試以人體尺度、人員生理參數、使用體驗等為基礎，測試方法包括生理參數測量、虛擬人體測試、主觀體驗測試等。

3 MMIS人因測試方法

人因測試是一個新興的領域，越來越成為MMIS不可或缺的測試項目，核安全導則HFA 102、HFA 103明確規定核動力系統設計必須滿足人因工程要求。美國核管會NUREG0700、NUREG0711對核能MMIS人因工程設計及測試要求提出規定。而且由于船用核動力系統存在環境密封、海上長航、惡劣海洋環境等對船員運行操控不利的因素，更加需要注重MMIS的人因測試研究。我國在航空／天領域已經率先開展MMIS人體參數匹配性、認知和決策能力、適居性、人—系統整合等測試研究［7］，對于船用核動力MMIS測試具有指導意義。

（1）MMIS人體參數匹配性測試

由于船舶艙室空間通過比較狹小，結構障礙及死角較多，人體尺度匹配性測試可以測試船用核動力控制臺、控制盤、座椅等MMIS設備設計外形尺寸與船員人體尺度的匹配性，MMIS設備設計的基礎是必須滿足船員人體測量尺度要求。視域、可達性、認讀性生理特征匹配性測試主要測試MMIS設備布置范圍是否能夠被船員方便觀測、操作范圍是否手部容易觸碰、顯示信息是否能夠被清晰觀測和認讀。采用帶人體測量數據、眼睛觀測視域、肢體可達域的三維虛擬人體模型進行測試，在虛擬環境中進行視域范圍尺寸、可達域范圍尺寸、字符觀測視角測量和評估。針對我國人體測量標準GB 10000構建的中國人三維人體模型以及認讀視角測量、可達域測量示例見圖4。

圖4 中國人三維人體模型及認讀視角、可達域測量示例Fig．4 Case of Chinese 3Dhuman model，visual field and reachable domain measurement example

（2）MMIS人機交互認知負荷測試

認知負荷測試通過用于船用核動力系統人機界面測試，包括認知負荷量表、眼動分析、腦電分析、心臟活動分析等測試方法手段。量表測試通過對自身感受到的認知負荷的主觀感知測試方法，包括SWAT、Nasa－TLX及 WP量表等。Nasa－TLX量表系統地涵蓋了人員心理、體力、績效、受挫、時間、努力方面認知負荷感受，在核電領域應用廣泛，對于船用核動力MMIS人機界面認知負荷評價適用性較好。人機界面刺激或事件出現后，操控人員會出現生理特征變化。生理測試是指對人員完成任務過程中伴隨認知負荷出現的生理特征進行測量評價。認知負荷生理測量數據具備客觀性，而且生理數據記錄過程具備實時性，在人機界面認知負荷測試中越來越受到重視。眼動分析通過測量觀測人機界面過程的眼睛活動指標數據進行認知負荷測試，如瞳孔直徑、注視點、注視時間、眨眼間隔等。眼動數據與人機界面監視任務過程直接相關，而且實時記錄，屬于人機界面認知負荷精確生理指標。圖5為針對核動力系統汽輪機監控人機界面眼動觀測熱點和信息搜索路徑眼動分析示例［8］。心臟活動分析主要以心率及心率變異性作為指標，分析由心電圖或脈搏量測所得到的心跳與心跳間隔的時間序列。腦電分析以腦事件相關電位波幅與潛伏期作為評價指標。心率和腦電等受多種因素影響，目前還不能十分可靠地反映認知負荷變化，屬于與認知負荷相關的指標。

圖5 汽輪機界面觀測熱點和信息搜索路徑眼動分析示例Fig．5 Case of hotspot observation and searching path of steam turbine interface eye movement analysis

（3）MMIS疲勞測試

疲勞測試通過測試人員在試驗環境中的血氧含量進行疲勞狀態分析，也可以根據人員試驗過程中疲勞狀態下的面部表情特征進行分析，采用的工具包括便攜式腦部血氧分析系統、行為觀測分析系統等。績效測試通常通過執行任務的時間、出錯率進行任務績效測試。

4 結束語

本文對船用核動力MMIS測試體系及方法進行研究。針對船用核動力MMIS的發展趨勢和基本組成，分析了需要開展測試的MMIS范圍。構建了船用核動力MMIS測試指標體系，涵蓋了海洋搖擺、傾斜、鹽霧等特殊海洋使用環境及船艙設備電磁干擾等特殊影響因素。基于相關標準和規范，對船用核動力MMIS測試方法進行研究，尤其對軟件測試、人因測試方法重點進行分析，能夠為我國船用核動力MMIS研制提供支撐作用。

［1］余娜 ．海上核電廠提速 ［J］．能源，2016 （3）：72－76．

［2］呂波，趙建輝 ．國外艦船數字化設計技術應用最新進展 ［J］．船舶物資與市場，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］張晶玲 ．核電廠數字化監控人機界面評價方法研究［D］．哈爾濱：哈爾濱工程大學，2014：4－5．

［6］陳衛華，白濤，谷鵬飛，等 ．核安全級軟件靜態測試技術研究 ［J］．核科學與工程，2016，36 （3）：392－397．

［7］陳善廣，姜國華，王春慧 ．航天人因工程研究進展［J］．載人航天，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，工程師，現主要從事核動力DCS儀控技術、人因工程工作 （E－mail：kunyu2013＠163．com）。

（責任編輯：白佳）