主泵故障診斷系統人機界面設計

朱少民，夏 虹，彭彬森，王志超，張汲宇

(哈爾濱工程大學核安全與仿真技術國防重點學科實驗室，黑龍江 哈爾濱 150001)

0 引言

人機界面是人與機器之間傳遞和交換信息的媒介。據統計，核電廠可能發生的風險中，高達50%～70%是由人因失誤造成的。因此，人機界面的設計需要考慮人的因素，以減輕操縱員的負擔、降低操作失誤的概率[1]。

隨著數字化儀控系統在核電廠的廣泛應用，為操縱員提供了一套全新的核電廠運行和監測技術手段。先進的數字化人機界面控制更加集中、信號處理更為復雜、信號關聯性更強，并且隨著技術的發展能夠增加一些常規的儀控系統不具備的模塊，如：操縱員支持系統，運行管理信息、狀態監測與故障診斷系統，智能專家系統等[2]。功能的多樣化不但需要對人機界面的組織形式和信息結構進行優化，而且需要兼顧操縱員個體的行為習慣。

在設計方面，人機界面依舊大量使用灰階色調和突兀的藍色漸變，無合理的顏色色相、明度和飽和度的變化。同時，所使用的字體過于統一，字體顏色使用純黑色，使得界面偏暗，軟件整體視覺上過于單調，在人眼球長時間觀看后極易產生視覺疲勞，并有可能導致閱讀串行、無法集中注意力等問題。同時，部分圖標和文字無合理的柵格標準，排版密集，會導致操縱員的學習認知和記憶負擔增大。因此，本文結合人因工程原則，設計并開發了主泵故障診斷系統的人機界面，解決了界面設計過程中存在的單調、識別度不高、重點不明顯等問題，使軟件的操作更為高效、便捷。

1 人機界面的設計原則及功能分析

1.1 人機界面的人因工程原則

主泵故障診斷系統的主要功能是對主泵的運行進行狀態監測和故障診斷，并且在故障發生后指導操縱員完成相應的規程操作。為了更有效地實現主泵的安全運行，故障診斷系統人機界面的設計遵循以下人因工程原則[3-5]。

①簡潔：畫面應盡可能簡單、清晰、易于理解，畫面涵蓋操縱員所關注的主要信息。

②靈活和高效：運行參數應具有多種顯示方式，如模擬圖、參數表、趨勢曲線等，以適應不同的監測目的。

③一致性：整個人機界面設計要保持畫面設計風格一致性和可理解性，圖形元素、標志符號、顏色、閃光的使用、標注文字的大小應保持一致。

④人機功能分配：對運行工況和事故工況進行分析后，根據人機的不同特點確定最優的人機功能分配，從而提高自動化控制水平，減輕了操縱員負擔和體力消耗。

⑤美觀：注意顏色的選用和色彩搭配，保證顯示畫面清晰，避免視覺疲勞。

1.2 人機界面的功能分析

根據主泵故障診斷系統的功能特點，確定人機界面的功能應包括數據展示、狀態監測、異常報警、故障診斷、解釋程序、決策支持等。

①數據展示：對主泵進行實時的數據監控，將測點獲取的信息傳遞到界面并顯示。

②狀態監測：對主泵的運行狀態進行監測，一旦測點參數超出閾值將會引發系統報警。

③異常報警：界面通過測點色彩的變化提示操縱員發生異常，并持續關注主泵運行狀態。

④故障診斷：利用診斷知識庫中的知識，根據已知的征兆事實，按一定的診斷控制策略進行推理診斷，最后給出診斷結果并進行顯示。

⑤解釋程序：向用戶解釋診斷推理的依據和診斷過程。

⑥決策支持：利用電子化的規程指導操縱員對故障進行干預和處理。

2 人機界面的設計

2.1 圖形界面設計

圖形界面設計可以用PS、AI、Sketch等完成，包括軟件中所有的圖標、色塊、字體和排版等。其中，圖標包括應用圖標和功能圖標。應用圖標是不同的軟件專有的，比如微軟公司Office系列中的Word、Excel、PowerPoint等，能給使用者留下第一印象，是整個軟件視覺上的敲門磚。功能圖標則是不同的軟件共有的，表示類似或者相同的功能。但是不同的軟件可以根據自身的品牌特性設計繪制個性化功能圖標[6]。

圖標的設計有很大的差別。比較流行的應用圖標風格有剪影圖形、輕擬物、輕質感、擬物、文字、插畫、像素風等。比較流行的功能圖標風格有面型、線型、扁平線型等。圖標都擁有本身的顏色。使用顏色時，需要注意色相、飽和度和明度的變化，對于不同的表達目標，需要使用不同顏色的搭配[7]。

2.2 交互體驗設計

交互體驗設計是指如何教會使用者去使用整個軟件，最終實現既定的功能的過程。優秀的交互體驗應滿足以下原則[8-9]。

①保持連貫性：從打開軟件到數據的保存和軟件的關閉，需保持顏色、控件、操作方式、提示語言的統一。

②快捷方式：對于一些復雜操作，提供一些快捷鍵供其使用。但快捷鍵不應過于暴露，應在合適的時間出現，比如鼠標指針懸浮在控件上方的時候等。在大量軟件中，使用較為普遍的快捷鍵有保存鍵“Ctrl+S”、撤銷鍵“Ctrl+Z”等。

③信息反饋：使用者的每一個操作，理論上都應有信息的反饋。信息反饋的作用在于告知使用者該操作的功能、預期的結果等。

④控制需求：對于普通的用戶，軟件應該對所有的設置進行默認化，降低發生錯誤的可能性。但在熟悉操作之后，應當允許使用個性化的設置。這能夠提高軟件的操作效率。

2.3 人機界面設計

主泵故障診斷系統的人機界面采用呈現基礎(windows presentation foundation,WPF)程序進行設計，如圖1所示。人機界面可分為6大功能區，分別為菜單欄、參數監測區、主視圖區、特性參數區、診斷結果區和決策支持區。

圖1 主泵故障診斷系統人機界面

①主視圖區。

這是軟件主要的展示區域，包括主泵的結構、相關管線、監測點等。主泵的結構按照三軸承主泵的流程圖進行繪制。將鼠標移至任意測點上方時，鼠標由箭頭變為抓手，同時測點放大。單擊監測點，即可打開該點的參數面板，且支持多參數面板同時打開，并可按照用戶習慣隨意拖動面板。此面板包含測點名稱、測點參數和單位等信息，并且與數據庫直接連接。

點擊面板右側擴展按鈕，即可對面板進行一次擴展。此時，面板中的曲線可以實時顯示該監測點的參數變化情況，并可根據當前運行情況實時更新。展開后的面板右上方有收回按鈕，點擊即可收起。

面板右下方有二次展開按鈕，點擊即可得到二次展開面板。鼠標可左右拖動圖中曲線，鼠標滑輪也可以任意縮放曲線，方便查看圖像外未展示的歷史數據和趨勢預測數據。當參數超出限值時，面板會變成黃色或紅色。

②參數監測區。

主視圖區不方便同時展開所有的監測參數，而參數監測區則可以實時展示所有的參數，并可以在此區域設置每個測點的控制限值。外框顏色會根據當前數值是否超出控制限值而進行改變。同樣地，該監測區也與數據庫綁定。但是該區域無法展示參數的歷史變化情況。

從圖1可以看到，參數檢測區中某一測點的顯示面板從左至右依次為監測參量、測點參數、修改符。點擊修改符后，右側將彈出參數限值的設置面板，在此可修改測點的控制限值，即參數的低低值、低值、高值和高高值。

③菜單欄。

為了提高軟件的拓展性能，在界面上部加入了菜單欄，預留了多個接口以便后期需要對軟件功能進行擴展。

④特性參數區。

特性參數區展示了需要重點關注的泵的主要性能參數，包括轉速、流量、揚程和功率。

⑤診斷結果區。

該區域主要是對故障診斷的結果進行集中展示。該區域會顯示診斷程序得出的診斷結果信息。點擊診斷結果，會彈出診斷過程面板。該面板展示了診斷結果的推理過程，給出了診斷依據，實現了解釋和說明的功能，大大提高了診斷結果的透明性。

⑥決策支持區。

該區域顯示了故障的干預手段，根據主泵故障的操作規程，采用引導的方式指導操縱員對故障進行處理和干預。故障發生后，只需操縱員根據提示點擊判斷按鈕，后臺程序就會根據邏輯給出相應的操作手段，使操縱員不必再大量記憶或查詢操作規程，減少了操縱員的精神壓力，以避免產生誤操作。

3 結束語

本文以主泵故障診斷系統為對象，結合人因工程原則，利用WPF程序設計了主泵故障診斷系統的人機界面。該界面主要分為菜單欄、參數監測區、主視圖區、特性參數區、診斷結果區和決策支持區6個功能區域，具有數據展示、狀態監測、異常報警、故障診斷、解釋程序、決策支持等功能，有效解決了核電領域以往界面設計過程中存在的單調、識別度不高、重點不明顯等問題。該設計也為以后核電廠人機界面的設計與開發提供了重要的參考。