重型燃氣輪機控制系統人機界面設計探討

趙 瑜， 金曹斌， 焦 成

(1. 中國聯合重型燃氣輪機技術有限公司，北京 100016；2. 國核自儀系統工程有限公司，上海 200241)

工業過程人機界面承擔著信息的輸入、收集、整合與顯示的功能，運維人員獲取人機界面提供的設備狀態信息，對這些信息進行讀取、判斷，并執行相關的操作，所以人機界面在設計時要面向用戶，實現在設備正常、異常、啟動和停機工況下的操作。

目前，核電站在控制系統人機界面設計和人因工程方面的研究稍有深入；而傳統的火電站人機界面設計雖然能實現功能性，但是欠缺美觀性、容錯性和人因工程的學習；重型燃氣輪機控制系統人機界面的設計研發較少，這與我國重型燃氣輪機的研發歷程密切相關。2016年，國家“十三五”規劃將航空發動機與燃氣輪機重大專項列為百項重大工程之首，重型燃氣輪機控制系統人機界面的自主研發設計引起廣泛關注。

燃氣輪機控制系統人機界面主要是指燃氣輪機控制與保護系統中用于顯示系統流程、發出設備控制命令的畫面，是運行人員監視和操作設備的主要界面。人機界面的設計是燃氣輪機控制系統自主設計的重要內容，良好的人機界面能夠引導用戶完成相應的操作，起到向導作用，減少和防止人因失誤的發生。

人機界面的設計是一個復雜的多學科參與的過程，人機界面的設計需要打破設計人員單學科認知的“信息繭房”，實現人因工程學、平面設計學、認知心理學和語言學等多學科的綜合應用。因此，筆者開展相關的研究，引入多個設計理念和設計方法，建立一套重型燃氣輪機控制系統人機界面設計體系。

1 總體設計

1.1 設計原則

在自主燃氣輪機控制系統人機界面設計時，運用平面設計理論法則和人因工程學進行分析、歸納、總結，制定相應的燃氣輪機控制系統人機界面設計的指導原則和具體細則，如面向用戶原則、一致性原則、簡潔性原則、適當性原則、順序性原則、結構性原則、容錯性原則等(見圖1)。根據這些原則制定具體的設計細則，參考國標規范、常用規則和行業習慣，制定人機界面設計規范，對畫面類型、布局、導航、背景色、線條、字體、顏色、圖符、報警和趨勢等畫面元素進行約定，保證設計出的人機界面具有一致性，同時具有相似的布局、信息顯示方式和一致的操作序列。

圖1 人機界面設計原則

1.2 人因工程的應用

重型燃氣輪機控制系統人機界面設計在人因工程方面提出宜人性原則和危機管理，既要有意識地利用人的心理特征，使運行人員保持適當的警覺，又要注意人的能力限度，不要使運行人員疲憊不堪，減少人因失誤或事故，也不能讓其無事可做，降低工作敏感性[1]。人機界面設計考慮信息顯示率(單位時間的信息顯示量)、信息提供率(單位時間內提供的可以被運維人員有效捕捉到的信息量)和數據更新率(數據更新的速度)三者的最佳匹配[2]。

在制定人機界面設計原則時，應充分考慮人因的影響，如人機界面的設計顯示應符合目標用戶的顯示慣例，工藝過程的描述通常應顯示在數值的左側和上方，符合從左至右和從上至下的顯示慣例。顯示的數據、標識和文字表述應使用用戶熟悉的術語，用詞一致，在圖紙、規程、人機界面和設備標簽中，詞、短語和設備的名稱、編號應保持一致。重要界面和信息顯示考慮冗余界面設計，冗余性通過顯示的多元性實現，對一些圖符和設備進行模塊化設計，方便集成和應用。人因工程的應用體現在人機界面的舒適美觀，適宜長時間監視，信息獲取的便利性和運行引導性。

2 設計體系

具有自主知識產權的重型燃氣輪機控制系統是人機界面設計的基礎。控制系統平臺提供基本的繪圖工具，根據人機界面設計需求，可以進行開發完善，突破和創新，打破現有重型燃氣輪機界面模式。在人機界面設計研發過程中，形成一套人機界面的設計體系(見圖2)。區別于傳統的跟隨模仿模式，制訂人機界面設計指導原則，對設計原則進行詳細的描述；制訂人機界面設計規范，對人機界面的畫面布局、畫面元素、圖像管理、報警管理、趨勢管理等進行規范化約定(見圖3)。制訂人機界面設計需求分析、報警設計，每一幅人機界面有詳細的設計報告，引入蟻群算法等工具對人機界面布局進行優化，利用仿真機進行驗證，并進行整機測試，最終定稿。

圖2 人機界面設計體系

圖3 人機界面設計規范

3 圖符設計

圖符設計是燃氣輪機控制系統人機界面設計中的一項重要的設計，也是自主重型燃氣輪機控制系統與其他控制系統之間的重要區分。圖符的設計應與工藝流程圖上的表現形式相近，根據工效學要求和參考電站的圖符對象，將相關組件或設備成組設計，尺寸應適當，簡潔易懂，易于運維人員識別和記憶。

圖符分為靜態圖符和動態圖符兩類。靜態圖符在繪制過程中決定其圖元的外形，此類圖符不隨設備等不同狀態而變化顏色、顯示隱藏、動態閃爍等；動態圖符則隨設備不同工況而變化顏色、顯示隱藏、動態閃爍等，動態圖符需要有多種表現形式來顯示其狀態，如開、關、自動、手動等。

3.1 靜態圖符設計

圖符的靜態設計是在熟悉控制對象的基礎上，從實物中提取特征，用“形”抽象直接表現對象，抽象化處理，然后用簡單的線條和形狀進行概括和創意表達，在保留實物原有特點的基礎上將其轉化為圖形或符號。但創意表達要符合無障礙設計要求，應具有易理解性、易操作性、簡易性和包容性。透平和燃氣輪機的靜態圖符設計見圖4和圖5。

圖4 透平靜態圖符

圖5 燃氣輪機靜態圖符

靜態圖符的實現有兩種基本方式：位圖和矢量圖。位圖存在一些難以避免的缺點，即占用存儲空間多、刷新速度慢，只有在圖形組態軟件難以實現的情況下才借助其他工具設計，在Windows操作系統下最常見的位圖是BMP文件。矢量圖是用燃氣輪機控制系統圖形組態軟件提供的圖元設計，即直線、折線、矩形、填充形、文本、按鈕等。

圖符設計時，可少許調節長寬比，結合黃金比和白銀比來繪制，黃金比為1∶1.618，白銀比為1∶1.414。在圖符的靜態局部設計中，黃金比和白銀比廣泛應用，并采用對比、對齊等設計方法[3-4]，在符合行業規范和習慣的基礎上，提出“美即適用”原則。

3.2 動態圖符設計

圖符的動態設計是利用控制系統的圖形組態軟件，通過一個或多個數據源與一個矢量圖元素相關聯，將靜態圖符與實時數據連接，包括數據變化、狀態變化(如開、關、自動、手動、故障等引起的顏色變化、閃爍、字符輸出、位置、大小等動態顯示)，以及由鼠標或鍵盤的動作發出操縱命令的觸摸連接等；還有包括控制系統中的光字牌等特殊對象，也可將不同類型的對象分組，或者組成圖庫中的圖宏，方便用戶調用、復制和共享，以保證各人機界面之間功能相同的圖元的造型、風格、大小統一。原則上圖符的動態設計不能引起操縱員在觀察圖符及其狀態時產生任何歧義。

圖符的設計采用模塊化設計，特別要考慮容錯原則，即應考慮到用戶出錯的可能并采取措施預防，在用戶出錯后提供提示信息。如提示輸入數值范圍，錯誤輸入進行警告補救，關鍵操作可要求用戶二次輸入確認。以電動開關閥的動態設計為例(見圖6)，鑒于閥的驅動方式不同，其圖符的設計略有不同，動態設計也各有區別。表1為圖6的動態設計說明，其他閥的設計參照執行。

圖6 電動開關閥的動態設計

表1 電動開關閥的動態設計說明

4 人機界面設計實例

人機界面的設計不是單純地將管道系統及儀表設計的工藝流程圖復制成圖形方式，而是進行簡潔性設計，便于運維人員看到特定區域發生的事情，支持所有的正常、異常、啟動、停機和切換的操作，同時讓運維人員在整個過程中滿足人因工程學的需要，減少人因失誤或事故。以燃氣輪機進氣系統人機界面設計為例(見圖7)，將主要設備及其監控參數在人機界面中顯示出來，空氣從左至右依次經過防雨罩、防鳥網、除冰系統、折板除霧器、初濾設備、精濾設備、凈氣室、消聲器、進氣管道和擋板門。設備名稱根據人機界面設計規范采用宋體12號字體，用虛線指示。

圖7 進氣系統人機界面設計

進氣擋板門和防冰控制閥采用上述的動態圖符，限位開關、壓差開關和設備開關狀態通過特定指示顯示，并在人機界面設置相應的帶報警的模擬量測點圖符。工藝過程量的描述通常應顯示在數值的左側和上方，符合從左至右和從上至下的顯示慣例。大氣溫度、大氣濕度、防冰系統管路壓力、防冰系統管路溫度、防冰控制閥的開度指令和反饋等采用不帶報警的模擬量測點圖符(見圖8)。模擬量測點圖符由兩部分組成，即數值和單位；數值和單位的字體為宋體8號。初濾設備和精濾設備的壓差采用帶報警的模擬量測點圖符，模擬量數值正常時為黑色，報警時為黃色，壞點時為紫色。無報警時，報警不顯示；高報警，黃色顯示“H”；高高報警，黃色顯示“HH”；低報警，黃色顯示“L”；低低報警，黃色顯示“LL”。單位的顏色不變化，一直為黑色。

圖8 模擬量測點圖符

大氣壓力和壓氣機進口壓力采用三選模塊，在模擬量測點顯示的圖符的基礎上，可以點擊調用模擬量三選模塊控制面板，對三選值可以選擇取“中值”、“最大值”或“最小值”，查看各個模擬量輸入值。

開關量測點通過開關量測點圖符(見圖9)顯示開關量測點狀態，開關量測點圖符可用于顯示壓力高低、壓差高、液位高低等，方格底色按測點狀態變色，正常狀態時框內顏色為灰色，報警狀態時框內顏色為黃色，字體顯示為黑色。

圖9 開關量測點圖符

一幅人機界面一般是按照機組分系統或者流程分布，將信息和功能進行歸類、分組顯示，保證相關的信息在視覺上出現在容易被人接受的群組中。

將人機界面設計原型在燃氣輪機的虛擬控制系統和仿真系統中進行測試和驗證，然后進行設計評價。評價指標主要分為視覺指標和交互指標，視覺指標包括界面布局、顏色種類和配色方案；交互指標包含一致性、易用性、反饋性、系統柔性、系統容錯率和系統反應效率。基于評價指標組織召開界面設計評審，這將是人機界面設計后期的重點工作。

5 結語

重型燃氣輪機控制系統人機界面的設計是控制系統正向設計的重要部分，在人機交互中發揮重要作用，對其友好性、可操作性和操作舒適性等方面都提出了更高的要求。利用自主開發的圖形組態軟件進行自主重型燃氣輪機控制系統人機界面的設計和優化，開展后續的人機界面評價，形成人機界面設計完整的設計體系，是有意義的探索和工程實踐，也可以推廣至其他類型電力系統應用。