數字化反應堆人機交互組態方案遞階層次關系概述

盧嘉川+劉盈+馮云姣+鄭丹晨

【摘要】從組態角度研究數字化反應堆人機交互系統的遞階層次關系，如頂層系統（畫面）—子系統（畫面）—設備（組件）—器件（元素），及每一層次的屬性、特征，如字體、色彩、尺寸、動畫、數據類型、數據處理、導航等。將現有核動力裝置人機交互系統分層次的進行研究：第一部分研究人機交互系統的基本元素，確定屏幕大小、字體、時間、顏色、線型的設計規范；第二部分研究人機交互系統所用到的組件，設計管道及儀表線、組件控制區、選中對象反饋、組件形狀、組件狀態、文本信息、數字化顯示、條形圖、趨勢圖等；第三部分對系統的整體結構進行了研究，設計了系統導航布置的結構以及系統畫面的布局。研究方案可用于數字化反應堆組態建模工具的設計與開發，能夠更好地輔助用戶開展圖形化人機交互界面的設計工作。

【關鍵詞】數字化技術；可視化設計；人機交互；組態建模

中圖分類號： J504 文獻標識碼： A 文章編號： 2095-2457（2017）23-0123-003

【Abstract】Research on the hierarchical level of Human-Computer Interaction display of digital reactor from the view of configuration， such as top level system-subsystem-device-element，and the properties of each layer，such as fonts，colors，sizes，animations，data types，data processing，navigation，etc.To study nuclear reactor HCI is divided into the following three layers：The first part studies the basic elements of HCI，such as design specifications for screen size，font，time，color and line type；The second part studies the components used in the HCI system：piping and instrumentation， component control area，selected object feedback，component shapes，component status，text information，digital display and tendency chart；The third part studies the whole structure of UI system：navigation and system picture layout.This paper can be used in the design of configuration modeling software，and can better assist the user to develop HCI design.

【Key words】Digital technology；Visualization Design；HCI；Configuration Modeling

0 概述

軟件技術在核反應堆設計各專業領域的快速發展、高效率的多專業協同設計體系多次迭代所產生的更大規模數據需要高效率的人機交互體系，隨著數據量的增大，設計良好的人機交互界面所帶來的用戶收益日益增高[1]。但是，以編寫程序的方式開發人機界面開發成本昂貴，對于和反應堆設計行業用戶直接使用相對困難。因此，用戶通過“配置”、“設定”等方式來完成自定義人機交互功能，以高效、易用的組態方式開發人機交互界面顯得更加重要。

本文通過對現有人機交互系統分解并模塊化，對按照“元素設計”-“組件設計”-“系統設計”的層次分別對其要素進行描述。

1 元素設計

1.1 屏幕尺寸及分辨率

標準顯示尺寸為19英寸且寬高比（基于實際屏幕的寬度和高度）為5：4的平板顯示器。為了保持像素寬度和高度平衡，屏幕分辨率也應該設計成5：4（例如1280×1024）。

1.2 字體

NUREG-0700[2]第1.3.1節中對字體規定如下：

必須采用清晰易讀的字體，所用字體必須有準確的升降筆畫，統一的線寬和統一的長寬比。字體必須能夠清楚的區分以下字符：X和K，T和Y，I和L，I和1，O和Q，O和0，S和5，U和V。長寬比必須在1：0.7到1：0.9之間。字符的水平間隔必須為字符高度的10%至65%。最佳字號為8到12號，優先選擇11號。在特殊需要時可以使用更大的字號，如標題或一些需要引起用戶注意的地方。

1.3 日期與格式

系統中所有日期的顯示格式必須保持一致。日期和時間的格式，必須為用戶所熟知。根據國際標準ISO8601，在中國日期格式應使用YYYY/MM/DD（年/月/日），時間格式為24小時制HH：MM：SS.ddd（小時：分鐘：秒.毫秒）的。必須注意，并非所有時間都需要精確到毫秒，時間寫到所需精度即可。

1.4 顏色

系統中所定義的顏色應符合NUREG-0700第1.3.8節中要求，每種顏色都是根據導則規范設計的。白色（#1）和綠色（#3）表示正常狀態。黃色（#4）表示警告。紅色（#5）能夠吸引用戶的注意，用來表示警報或故障。洋紅（#6）代表錯誤，例如數據錯誤。灰色（#8）將被用作背景顏色，以保證與顯示區形成鮮明對比。青色（#7）表示系統給用戶的反饋信息，即表示用戶的命令已經被系統識別并處于運行中。為了便于區分管道中的流體，使用淺藍（#10）、淡橙（#11）、褐色（#12）、深綠（#13）和紫色（#14）模擬管道。endprint

1.5 線型

系統至少應定義三種線寬。粗線（3px）表示主要過程線（主要管道和電氣開關設備）。中等線（2px）將被用于表示次級過程線（旁路、冷卻/加熱過程線和電氣二次進出線）。細線（1px）將被用于表示輔助過程線（排氣和排水管道），控制區邊界線和儀表線路。

2 組件設計

2.1 管道及儀表線

管道在模擬中用不同顏色的實線來表示。不同的顏色表示流經管道的不同流體或電路的電壓。必須使用淺色、低飽和度的顏色，以免過多地吸引用戶的注意。不同流體選用的顏色如表2所示，顏色標準參照表1設定。

儀表線在模擬中可以將組件與參數聯系起來（例如，一個由參數控制的閥門），樣式與管道線不同。使用黑色（#2）點線表示儀表線。管道線上標有箭頭，用來識別流動方向。

2.2 組件控制區

一個組件所需的區域分為三個部分：控制區、頂部區和底部區。控制區定為圍繞著組件形狀的一個15×12毫米矩形。在控制區上方，頂部區放置狀態標簽以顯示系統狀態，狀態標簽定義于第3.5節。在控制區下方，底部區用來放置組件識別標簽，如組件名稱，編號。

根據設計需要，組件可以發生轉置，控制區也隨組件轉置，所有相關的文本必須始終保持水平。

如果文本標簽的區域會影響畫面中的管道或其它系統元素的布置，可以對組件區域進行調整，將狀態標簽應放置在控制區外左上部，將組件識別標簽放置在控制區外右下部。

圖1一個完整組件兩種位置的示例。

控制區是透明框，沒有填充顏色。在模擬顯示中，有的組件可以控制，有的組件不能控制，必須區分兩種類型的組件。對于可以控制的組件，控制區的邊界用黑色（#2）細短劃線表示，如圖6所示。如果組件不能控制，則不顯示控制區邊界線。

2.3 選中對象反饋

當選中可控制的組件時，系統會有一個反饋，表示用戶的命令已經被系統識別并處于運行中。它的邊界線將變為青色（#7）實線。

選中可控制參數的反饋和選中可控制組件的反饋相同，控制區邊界線將變為青色實線。

2.4 組件形狀

組件形狀設計依據**電廠核電站主控室的人機交互界面的設計，并參考NUREG-0700的設計規范。

NUREG-0700 1.3.4 Icons and Symbols 設計規范如下：

1）圖符的基本用途是表示實際的物體或動作；

2）圖符的設計應通過使用文字，功能和操作與所代表的物體，過程或操作近似，應當參考慣例；

3）圖符應盡量簡單并且有連續的外邊界；

4）抽象符號應遵從用戶慣例，如果沒有用戶慣例，抽象符號應遵從電氣、機械符號慣例，并與P&ID圖和邏輯圖中的表示一致；

5）每個圖符應表示一個單獨的物體或動作，并且應便于與其他圖符區分；

6）特殊情況下的符號，應用專用的圖符表示；

7）圖符應當豎直放置；

8）文字和符號的使用應當有一致性；

9）圖符大小應使用戶能清晰識別含義并與其他圖符區分；

10）當圖符被選擇時，應有強調顯示；

11）圖符的文字標簽應嵌入圖表中；

12）如果圖符表示控制動作，應添加標簽表示該動作。

2.5 組件狀態

組件狀態的正常或異常用線條顏色和填充顏色來表示，異常狀態使用高飽和度的顏色，黃色表示警告，紅色表示操作失敗，洋紅表示錯誤。

有顏色填充的圖形表明組件正在運行或當中有東西流過（水、蒸汽、空氣、電…），沒有顏色填充就代表組件不在工作或沒有東西流過。半填充顏色的圖形則表明組件處于過渡狀態。如果組件處于正常狀態（打開/運行或過渡態），則填充與流體（或電壓）相關的顏色。

如果有一個I/O錯誤，組件將呈洋紅色，圖標會填充顏色以吸引用戶注意，但此時不表示組件正在運行。

處于警告狀態的組件會暫時脫離控制，上鎖或進入本地模式。當組件正在正確地執行功能時，也會處于警告狀態，但此時不會對任何命令做出響應，即缺乏權限或已經進入保護模式。

2.6 組件控制窗

該節內容主要參考仿真機和電廠實際人機交互的操作界面。

系統中部分組件是可以操作控制的，如泵、閥門等。操作員點擊可控制的組件，通過操作出現的操作窗口對組件進行控制。

2.7 文本信息

文本信息分為可操作信息和不可操作信息。

不可操作的文本信息可以為操作員提供一些必要信息，這些信息與一組組件或整個系統相關。不可操作信息不允許操作員直接操作。

2.8 數字化顯示

數字化顯示指參數的數值表示方法。數值置于填充黑色水平矩形內。矩形的寬度為5mm，長度取決于要顯示的數字位數。設計所用最長的數字用科學計數法表示，保留小數點后三位，即±0.000E±00；最短的數字為沒有小數點的百分數，只有三位。一般數字為4位或6位，可以有或沒有小數點，例如000000，0000.00。

數字化顯示的異常值或異常狀態通過數字顏色和填充顏色的改變來表現。白色數字表示正常狀態，黃色數字表示警告，紅色填充表示報警，洋紅色字符表示錯誤，發生錯誤時，會顯示為“XXXX”。

3 系統設計

3.1 導航設計

根據對于系統導航設計的要求，導航主索引畫面的設計必須使操作員能在3次點擊內訪問任何系統操作畫面。而且，操作員必須能通過主系統索引訪問任何系統的第一個畫面。然后，通過畫面中的“Previous上一頁”和“Next下一頁”按鍵訪問系統中的其它畫面。

系統導航的主索引設計對核電廠系統進行了排列，采用字母順序布局，與系統功能無關。根據系統簡稱的首字母，將系統分組排列，組內同樣依照字母順序排列，便于操作員快速訪問。

操作員點擊主系統索引畫面上的某個系統，會進入子系統索引畫面。任一子系統索引畫面包含首字母相同所有子系統。子系統索引中包含子系統中所有操作畫面的導航，導航按鈕內填寫畫面名稱，按鈕下方標出畫面功能的注釋。

3.2 畫面設計

根據NUREG-0711[3]第1.5節要求：

1）畫面必須對人機交互系統各項功能的位置進行明確的分配，如數據顯示，控制區域，信息區域等。顯示的格式須符合常用慣例及用戶現有習慣。

2）每個頁面必須在頂部設有標題，簡潔地解釋頁面的內容或功能。

3）畫面要能用最簡單的信息來說明其功能，次要信息與相關信息不必顯示。

4）畫面應當盡量清楚、簡潔。整個畫面顯示的字符、圖像的密度要適宜，不能過于緊密，也不能空出太多。如果內容過多，可以分為多個頁面顯示，每個頁面的內容根據功能相關性組織到一起。

5）畫面的背景顏色應當能與顯示內容形成色彩對比，便于用戶閱讀。

系統選用灰色（#8）為背景顏色，滿足顯示要求。畫面示例如圖2。

4 結語

本文介紹了數字化人機交互組態方案中三個層級的配置內容，并基于人因工程審查大綱和人因系統界面設計審查大綱對于每個層級的屬性、特征（下轉第99頁）（上接第125頁）等進行了簡單的描述，為采用組態方式搭建的反應堆設計數字化人機交互系統提供參考。

【參考文獻】

[1]Ben Shneiderman，Catherine Plaisant，用戶界面設計[M].電子工業出版社，2011，P2-P13.

[2]P.M.Lewis，J.J.Persensky，NUREG-0700 Human-System Interface Design Review Guidelines[S].NRC 2002.

[3]J.M.OHara，W.S.Brown，P.M.Lewis，J.J.Persensky，NUREG-0711 Human Factors Engineering Program Review Model[S].NRC Rev.3 2012.endprint