趙 瑜， 金曹斌， 焦 成

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

工業(yè)過程人機界面承擔(dān)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(shè)備狀態(tài)信息，對這些信息進行讀取、判斷，并執(zhí)行相關(guān)的操作，所以人機界面在設(shè)計時要面向用戶，實現(xiàn)在設(shè)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(tǒng)人機界面設(shè)計和人因工程方面的研究稍有深入；而傳統(tǒng)的火電站人機界面設(shè)計雖然能實現(xiàn)功能性，但是欠缺美觀性、容錯性和人因工程的學(xué)習(xí)；重型燃氣輪機控制系統(tǒng)人機界面的設(shè)計研發(fā)較少，這與我國重型燃氣輪機的研發(fā)歷程密切相關(guān)。2016年，國家“十三五”規(guī)劃將航空發(fā)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(tǒng)人機界面的自主研發(fā)設(shè)計引起廣泛關(guān)注。

燃氣輪機控制系統(tǒng)人機界面主要是指燃氣輪機控制與保護系統(tǒng)中用于顯示系統(tǒng)流程、發(fā)出設(shè)備控制命令的畫面，是運行人員監(jiān)視和操作設(shè)備的主要界面。人機界面的設(shè)計是燃氣輪機控制系統(tǒng)自主設(shè)計的重要內(nèi)容，良好的人機界面能夠引導(dǎo)用戶完成相應(yīng)的操作，起到向?qū)ё饔?，減少和防止人因失誤的發(fā)生。

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

1 總體設(shè)計

1.1 設(shè)計原則

在自主燃氣輪機控制系統(tǒng)人機界面設(shè)計時，運用平面設(shè)計理論法則和人因工程學(xué)進行分析、歸納、總結(jié)，制定相應(yīng)的燃氣輪機控制系統(tǒng)人機界面設(shè)計的指導(dǎo)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(dāng)性原則、順序性原則、結(jié)構(gòu)性原則、容錯性原則等(見圖1)。根據(jù)這些原則制定具體的設(shè)計細則，參考國標(biāo)規(guī)范、常用規(guī)則和行業(yè)習(xí)慣，制定人機界面設(shè)計規(guī)范，對畫面類型、布局、導(dǎo)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(shè)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(shè)計原則

1.2 人因工程的應(yīng)用

重型燃氣輪機控制系統(tǒng)人機界面設(shè)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(dāng)?shù)木X，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(shè)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(nèi)提供的可以被運維人員有效捕捉到的信息量)和數(shù)據(jù)更新率(數(shù)據(jù)更新的速度)三者的最佳匹配[2]。

在制定人機界面設(shè)計原則時，應(yīng)充分考慮人因的影響，如人機界面的設(shè)計顯示應(yīng)符合目標(biāo)用戶的顯示慣例，工藝過程的描述通常應(yīng)顯示在數(shù)值的左側(cè)和上方，符合從左至右和從上至下的顯示慣例。顯示的數(shù)據(jù)、標(biāo)識和文字表述應(yīng)使用用戶熟悉的術(shù)語，用詞一致，在圖紙、規(guī)程、人機界面和設(shè)備標(biāo)簽中，詞、短語和設(shè)備的名稱、編號應(yīng)保持一致。重要界面和信息顯示考慮冗余界面設(shè)計，冗余性通過顯示的多元性實現(xiàn)，對一些圖符和設(shè)備進行模塊化設(shè)計，方便集成和應(yīng)用。人因工程的應(yīng)用體現(xiàn)在人機界面的舒適美觀，適宜長時間監(jiān)視，信息獲取的便利性和運行引導(dǎo)性。

2 設(shè)計體系

具有自主知識產(chǎn)權(quán)的重型燃氣輪機控制系統(tǒng)是人機界面設(shè)計的基礎(chǔ)。控制系統(tǒng)平臺提供基本的繪圖工具，根據(jù)人機界面設(shè)計需求，可以進行開發(fā)完善，突破和創(chuàng)新，打破現(xiàn)有重型燃氣輪機界面模式。在人機界面設(shè)計研發(fā)過程中，形成一套人機界面的設(shè)計體系(見圖2)。區(qū)別于傳統(tǒng)的跟隨模仿模式，制訂人機界面設(shè)計指導(dǎo)原則，對設(shè)計原則進行詳細的描述；制訂人機界面設(shè)計規(guī)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(guī)范化約定(見圖3)。制訂人機界面設(shè)計需求分析、報警設(shè)計，每一幅人機界面有詳細的設(shè)計報告，引入蟻群算法等工具對人機界面布局進行優(yōu)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(shè)計體系

圖3 人機界面設(shè)計規(guī)范

3 圖符設(shè)計

圖符設(shè)計是燃氣輪機控制系統(tǒng)人機界面設(shè)計中的一項重要的設(shè)計，也是自主重型燃氣輪機控制系統(tǒng)與其他控制系統(tǒng)之間的重要區(qū)分。圖符的設(shè)計應(yīng)與工藝流程圖上的表現(xiàn)形式相近，根據(jù)工效學(xué)要求和參考電站的圖符對象，將相關(guān)組件或設(shè)備成組設(shè)計，尺寸應(yīng)適當(dāng)，簡潔易懂，易于運維人員識別和記憶。

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

3.1 靜態(tài)圖符設(shè)計

圖符的靜態(tài)設(shè)計是在熟悉控制對象的基礎(chǔ)上，從實物中提取特征，用“形”抽象直接表現(xiàn)對象，抽象化處理，然后用簡單的線條和形狀進行概括和創(chuàng)意表達，在保留實物原有特點的基礎(chǔ)上將其轉(zhuǎn)化為圖形或符號。但創(chuàng)意表達要符合無障礙設(shè)計要求，應(yīng)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(tài)圖符設(shè)計見圖4和圖5。

圖4 透平靜態(tài)圖符

圖5 燃氣輪機靜態(tài)圖符

靜態(tài)圖符的實現(xiàn)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(tài)軟件難以實現(xiàn)的情況下才借助其他工具設(shè)計，在Windows操作系統(tǒng)下最常見的位圖是BMP文件。矢量圖是用燃氣輪機控制系統(tǒng)圖形組態(tài)軟件提供的圖元設(shè)計，即直線、折線、矩形、填充形、文本、按鈕等。

圖符設(shè)計時，可少許調(diào)節(jié)長寬比，結(jié)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(tài)局部設(shè)計中，黃金比和白銀比廣泛應(yīng)用，并采用對比、對齊等設(shè)計方法[3-4]，在符合行業(yè)規(guī)范和習(xí)慣的基礎(chǔ)上，提出“美即適用”原則。

3.2 動態(tài)圖符設(shè)計

圖符的動態(tài)設(shè)計是利用控制系統(tǒng)的圖形組態(tài)軟件，通過一個或多個數(shù)據(jù)源與一個矢量圖元素相關(guān)聯(lián)，將靜態(tài)圖符與實時數(shù)據(jù)連接，包括數(shù)據(jù)變化、狀態(tài)變化(如開、關(guān)、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(tài)顯示)，以及由鼠標(biāo)或鍵盤的動作發(fā)出操縱命令的觸摸連接等；還有包括控制系統(tǒng)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(diào)用、復(fù)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(fēng)格、大小統(tǒng)一。原則上圖符的動態(tài)設(shè)計不能引起操縱員在觀察圖符及其狀態(tài)時產(chǎn)生任何歧義。

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

圖6 電動開關(guān)閥的動態(tài)設(shè)計

表1 電動開關(guān)閥的動態(tài)設(shè)計說明

4 人機界面設(shè)計實例

人機界面的設(shè)計不是單純地將管道系統(tǒng)及儀表設(shè)計的工藝流程圖復(fù)制成圖形方式，而是進行簡潔性設(shè)計，便于運維人員看到特定區(qū)域發(fā)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(xué)的需要，減少人因失誤或事故。以燃氣輪機進氣系統(tǒng)人機界面設(shè)計為例(見圖7)，將主要設(shè)備及其監(jiān)控參數(shù)在人機界面中顯示出來，空氣從左至右依次經(jīng)過防雨罩、防鳥網(wǎng)、除冰系統(tǒng)、折板除霧器、初濾設(shè)備、精濾設(shè)備、凈氣室、消聲器、進氣管道和擋板門。設(shè)備名稱根據(jù)人機界面設(shè)計規(guī)范采用宋體12號字體，用虛線指示。

圖7 進氣系統(tǒng)人機界面設(shè)計

進氣擋板門和防冰控制閥采用上述的動態(tài)圖符，限位開關(guān)、壓差開關(guān)和設(shè)備開關(guān)狀態(tài)通過特定指示顯示，并在人機界面設(shè)置相應(yīng)的帶報警的模擬量測點圖符。工藝過程量的描述通常應(yīng)顯示在數(shù)值的左側(cè)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(tǒng)管路壓力、防冰系統(tǒng)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(shù)值和單位；數(shù)值和單位的字體為宋體8號。初濾設(shè)備和精濾設(shè)備的壓差采用帶報警的模擬量測點圖符，模擬量數(shù)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(chǔ)上，可以點擊調(diào)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(guān)量測點通過開關(guān)量測點圖符(見圖9)顯示開關(guān)量測點狀態(tài)，開關(guān)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(tài)變色，正常狀態(tài)時框內(nèi)顏色為灰色，報警狀態(tài)時框內(nèi)顏色為黃色，字體顯示為黑色。

圖9 開關(guān)量測點圖符

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

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

5 結(jié)語

重型燃氣輪機控制系統(tǒng)人機界面的設(shè)計是控制系統(tǒng)正向設(shè)計的重要部分，在人機交互中發(fā)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(fā)的圖形組態(tài)軟件進行自主重型燃氣輪機控制系統(tǒng)人機界面的設(shè)計和優(yōu)化，開展后續(xù)的人機界面評價，形成人機界面設(shè)計完整的設(shè)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(tǒng)應(yīng)用。