隧道综合监控系统的人机界面设计

杨湛莹

（上海电气自动化设计研究所有限公司，上海 200023）

隧道综合监控系统的人机界面设计

杨湛莹

（上海电气自动化设计研究所有限公司，上海 200023）

介绍了隧道综合监控系统的功能，分析了该系统人机界面的设计原则。在隧道综合监控系统设计中，以图形显示设计、控制操作设计、报警设计为例，对监控画面的规划、图元设计、控制操作及火灾报警联动界面等给出实施方法，并在多项实际工程中获得实践。系统操作简单易用，具有较好的监控效率。

人机界面；隧道综合监控系统；图形显示设计

隧道综合监控系统作为高速公路及城市公路系统的重要组成部分，是一个高度集成化的智能监控系统。它通过对隧道中的各种设备状态和环境参数的实时监测，能迅速获知异常发生，并确定异常发生的地点和类型，及时发现并处理隧道内的偶发事故，解决因此而产生的交通问题，从而提高了管理人员在紧急情况下的事故处理能力，增强了隧道内行车的安全性，实现了对隧道的智能化管理［1］。

人机界面是指计算机系统与人之间的互动接口。人机界面设计是软件产品的重要组成部分。随着计算机软、硬件技术的发展，软件的易用性、感官性更为重要。人机界面的优劣反映了人与系统之间的交互友好和人机协调程度，直接影响系统的功能发挥和推广应用［2］。

隧道综合监控系统通过图形人机界面，反映了整个系统单条或多条隧道内的设备状态和数据信息，操作人员通过监控中心计算机管理系统的监控画面完成各种遥控操作，快速处理和应对突发事件，因此，合理设计系统的人机界面具有相当的重要性。本文以隧道综合监控系统为研究对象，探讨了人机界面的设计。

1 隧道综合监控系统

通常，隧道综合监控系统主要分为交通监控系统、设备监控系统、电力监控和综合供配电系统、通信管理系统4部分。其中，交通监控系统具有交通数据采集、交通事件监测、交通信号控制、交通信息发布等功能；设备监控系统包括隧道环境监测、通风设备监控、排水设备监控、照明设备监控、火灾报警监控等子系统；电力监控系统具有电气参数监测、电力设备监控、监控系统和其他弱电系统的内、外场设备供电和保护监控等功能；通信管理系统包含视频监控系统、紧急电话系统、广播系统等［3－4］。

隧道综合监控系统主要实现以下功能：实时完成各种专业数据的动态采集、数据处理、数据命令输出、信息显示发布、应急联动及专家系统等。监控的总体功能由中央计算机控制系统实现，在中央计算机控制系统上建立完整的综合监控网络平台，实现系统信息采集、处理、命令发布、数据图像储存及查询等。

整个系统设置由多台具有设备监控、交通监控、电力监控、闭路电视（CCTV）监视、火灾报警等功能的工作站组成，并支持多媒体大屏幕综合显示；基于以太局域网实现多工作站分功能、分级别网上资源共享、网络协调运作功能（采用TCP／IP通信协议）；基于Client／Server主、客体系建立统一的信息数据库，实现隧道监控系统与交通线路或管理部门在网络上的通信，以便及时接收上级部门的指令和建议，辅以协调、管理；通过I／O服务器设备，获得设备监控、交通监控和火灾报警等系统下层设备所需的各种隧道相关信息，指挥和协调数据的流向，并由各工作站读取且分别处理、运算后，向上联络或向下发布指令，并存入统一的数据库中，供值班人员随时调用、显示、打印。

2 人机界面设计的原则

2.1 一致性原则

一致性是软件人机界面的一个基本要求，要求系统工作方式或处理问题的步骤尽可能和人的思维方式保致一致；系统的不同部分有相似的界面外观和布局、信息显示格式及相似的人机操作方式［5－6］。界面的一致性包括布局方式一致、画面颜色及风格一致。

在监控系统界面设计时，做到每个屏幕相似的控制使用相似的操作，而相似的操作可产生相似的结果。应避免每换一个屏幕，用户就要换一套操作命令与操作方法。因为一致的人机界面可减轻用户学习记忆的负担，使用户始终用同一种方式思考，从而快速熟悉软件的操作环境，避免对相关软件操作发生理解歧义，减少使用时的操作失误。

2.2 以用户为中心

在人机界面设计中，确定用户，即标识使用应用系统的用户（最终用户）是进行系统分析和设计的第一步［7－8］。不同的用户有不同的经验、能力和要求，隧道监控系统的主要用户一般包括专业操作人员、班组长和软件维护人员或工程师。

为减少用户工作量，对于一些相对固定的输入数据，不应让用户频繁输入，而可由用户通过鼠标选择来取值。如，信息发布系统中“字符颜色”是固定的数据，其值取为“红色”、“绿色”、“橙色”等，用户可点击鼠标轻松选取。

为及时检测和处理可能出现的错误，出错信息的标识应清晰明了、易理解。其内容应包含出错位置、原因及修改出错建议等。同时，良好的系统设计应具有预防错误发生的功能，如当遥控操作设备时，系统可检查设备的就地位置状态，而当处于就地位禁止远程操作时，系统将弹出相关信息窗口予以提示说明。

此外，对于提供的帮助系统，帮助说明应在醒目、随手可得的位置［9］，最好能提供在线帮助，甚至提供使用向导。

2.3 布局的合理性

如果系统界面布局不合理，将使操作人员的出错率升高，影响操作的功效［10－11］。与系统界面交互的是人，故其布局应符合人的生理特性，形状和大小应符合视觉范围。在界面功能造型设计中，不同大小、距离、方位的点会使人感到远近、节奏和空间层次的变化［12］；若界面给人的信号感强，将能集中刺激视觉；若界面轮廓明朗、肯定的立体特点，则能给人以刚劲、结实、饱满、流畅的动态感。

隧道综合监控系统的布局按照各子系统采用多级多幅画面设计，表1为该系统用户界面的分级结构。

表1 用户界面分级结构Tab.1 Hierarchical structure of user interface

通常，隧道综合监控系统的界面显示结构层次不宜过多，层次过多则将导致画面调用步骤复杂化，画面的调用层次一般不超过3层，呈金字塔结构。

画面分布应得当，图元布置不能太满，也不宜太少，每个画面的数据也不宜过多，否则将导致画面调用缓慢，数据刷新不及时。有关联的设备宜布置在同一画面中，这样有利于用户了解它们的相互影响，而相应参数则可采用列表方法显示。

2.4 色彩艺术性

隧道综合监控系统的界面上颜色的使用应发挥提醒作用，同时缓解用户的视觉疲劳［14］。色彩的运用是界面设计中一个非常重要的方面。恰当的色彩运用能吸引用户的注意，影响用户的工作方式，给用户以优美的感受［15］。在人机界面设计时，应依据不同的需要，选取不同的色彩搭配。

隧道综合监控系统监控画面的背景色宜采用黑色，监控画面的亮度应与应用环境的亮度相匹配，一般情况下，控制中心环境亮度较高，黑色与白色搭配不易造成操作人员的视觉疲劳、导致失误率。若黑的背景色造成较大的反差时，也可采用灰色背景。可操作画面的颜色宜采用冷色调，非操作画面的颜色可采用暖色调。

3 设计实例

隧道综合监控系统人机画面的设计主要有图形显示设计、控制操作设计、报警设计。

3.1 图形显示设计

隧道综合监控系统包括多个分系统，有些系统，如电力系统的断路器、手车等图形符号定义，各等级的线路颜色在国家标准和部颁标准中已有详细规定，界面设计时应严格遵守；而其他系统的图元符号，则根据设备的具体形状和大小来设计专用的图形符号以供调用。另外，监控画面中图形符号的格式应保持一致，且尽量简洁。

实时数据的显示位置应尽可能靠近被检测的部位。如，高低压柜的三相电流的显示位置可标在断路器的旁边，三相线电压可标在每段母排上。

设备状态使用图形显示，一般采用颜色动态变化、闪烁显示及动画等方式来反映。如车道灯的实时反馈状态（绿箭开关、红叉开关、关闭指示灯），如图1所示。

图1 车道灯图例说明Fig.1 Legend of lane lamps

需要定量显示的场合，如测量值、设定值、输出值等可采用列表显示。为减小误读率，除用表格线把数据分开外，还可通过底板色对数据进行分类。同时，通过控制数据字符的大小，以保证画面合适的信息量和减小数据的误读率。图2所示的电力柜信息中，使用3种的底板色对遥测信息、遥信信息、保护信息进行了分类，使画面清晰。

图2 电力柜信息一览表Fig.2 Information of power cabinet

3.2 控制操作设计

用户在监控画面上直接操作相关的图元按钮，调用控制操作界面，完成对现场设备的遥控操作。控制操作界面是一种弹出式窗口，它集成了各项操作指令和设备参数的显示，操作人员可在界面上很直观地对设备进行操作，发出各种指令，如图3所示。操作控制窗口在监控画面上的弹出位置应相对固定在画面中央或靠近图元。同时由于尺寸不能过大，故显示内容不宜太多，只要显示与控制操作有关的参数即可。

图3 车道灯控制界面Fig.3 Lane lamp control interface

3.3 报警设计

一个可靠的报警机制能被管理人员在最短的时间内发现并做出反应，是损失减少到最小的一种方法。报警设计的关键是让用户能及时看到最重要、且最紧迫的报警。

系统设计时，可针对每种异常情况，按照由高到低优先级处理。按火警情况、隧道交通拥挤或事故情况、一般设备故障情况进行报警分类，当高优先级报警发生时，可抑制低优先级的报警，使用户获得清晰、明朗的报警信息，这样可避免管理人员被过于繁琐的报警信息分散精力。报警发生时，可通过弹出报警窗、切换视频系统的监视显示、切换系统画面及声音报警等方式向用户报告。在任一操作员站上，若具备一定权限的用户对某一报警确认后，则所有其他操作员站上该点的报警也同时被确认，弹出的报警窗口可同时关闭。

将报警窗口与对应的预案界面相结合，所有异常情况下控制指令的发出，原则上必须经管理人员确认，并由管理人员键入命令后发出，从而最大限度地降低虚警率。

本文以火灾报警和联动模式为例，说明相关报警界面的设计。火灾联动模式涉及交通监控系统、广播系统、视频系统、通风系统、照明系统和给排水系统，具有优先控制权。当有火警时，系统优先处理火灾报警信息，将主监视器及大屏切换至相应报警位置的监控画面，另外，每个工作站无论在哪个系统画面下，都会被强制切至消防系统画面，相应报警点图元闪烁显示，并跳出消防报警窗口，如图4所示。

图4 消防报警窗口Fig.4 Fire alarm window

用户通过摄像头切换确认火灾是否误报后，进行火灾联动选择。若发现误报，则点击“火灾误报”按钮；若确实发生火灾，则点击“确认发生火灾”按钮，弹出二次确认窗口，如图5所示。
选择“执行联动”按钮，就会执行隧道内设备

图5 消防报警二次确认窗口Fig.5 Second acknowledgement window for fire alarm

在相应火灾模式下的联动动作，联动动作执行后关闭报警窗。选择“不执行联动”按钮，就直接关闭报警窗，而不执行任何联动动作。

4 结 语

人机界面作为一种广泛应用于各领域的人机交互方式，其界面设计的好坏往往直接影响到整个隧道综合监控系统的易用性与可操作性。设计隧道综合监控系统人机界面时，应坚持以用户为中心，保持界面的一致性，充分考虑布局的合理性和色彩的艺术性等原则，使整个监控系统人机界面不仅能及时准确地显示现场的数据，还可通过动态的显示画面、多样的显示方式、合理的布局方式、舒适的画面颜色、风格的一致性等多种方式，使人机界面更具人性化，操作更简单易用，从而提高监控效率，缩短操作用户学习培训周期，保证整个系统上线进度。

在上海外滩隧道改建工程监控系统、昆明市三环闭合工程西三环段工程综合监控系统等多个工程中，均采用上述原则和技巧进行开发和研制，取得了良好的实用效果。

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Design of Human－Machine Interface for Tunnel Integrated Monitor System

YANG Zhanying
（Shanghai Electrical Automation D＆R Institute Co.，Ltd.，Shanghai 200023，China）

This paper introduces the functions of tunnel integrated monitor system，and the design principles of the system's human－machine interface.We discuss the design of graph display，control operation and alarm system.Methods of the monitoring and control of pictures layout，graphics primitives，control operation，and fire alarm linkage interface are considered and practically implemented.The system operation is simple and easy to use，and is efficient.

human－machine interface；tunnel integrated monitoring；graphic display design

TP 319；U 495

A

2095－0020（2012）01－0066－05

2011－11－22

杨湛莹（1971－），女，高级工程师，专业方向于计算机技术，E－mail：yzy8101＠126.com