人因工程在舰船电力监控系统中的应用

龚喜文， 郁立虎

(上海船舶运输科学研究所， 上海 200135)



人因工程在舰船电力监控系统中的应用

龚喜文， 郁立虎

(上海船舶运输科学研究所， 上海 200135)

结合舰船电力监控系统对现代舰船的重要性特点，分析在舰船电力监控系统、电力集控室和人机界面设计中应用人因工程技术的必要性。以某型舰为例，按照人因工程原则对电力监控系统设备进行设计。该设计可达到有利于提高舰员操作舒适度和减少人为失误的目的。

人因工程； 舰船电力监控系统； 电力集控室； 人机界面

0 引 言

人因工程学(Human Factors Engineering, HFE)是一门新兴且正在迅速发展的多分枝、多门类交叉的极为重要的工程技术学科。其研究的是人与机器及环境间的相互作用，使系统的设计符合人的身体结构和生理、心理特点，以实现人、机、环境之间的最佳匹配，使处于不同条件下的人尽可能有效、安全、舒适地进行工作。然而，我国在人因工程领域的研究还具有很大的局限性，目前主要研究方向集中在航空航天、核工业及机械仪表等领域，对舰船电力监控系统的研究尚处于起步阶段。

在综合设计中实现最佳的人机匹配是现代舰船设计的目标之一[1]。众所周知，电能是舰船航行和作业最主要的能量来源，信息技术和其他高新技术都是建立在电能应用的基础上，利于实现全船的自动化。由于舰船长期航行于海洋上,发生故障时不可能立刻得到支援,因此若某些重要船电部件发生故障或突然断电,将导致灾难性后果。这就使得舰船对电力能源供应的依赖性非常大，要求舰船电力系统不仅能在正常情况下保证船电设备正常运行,也要在特殊情况下具有一定的稳定性,能最大限度地保障和提高舰船的生命力。随着舰船电力系统规模日益增大、复杂度日益提高,人因失误造成的损失日益凸显,因此开展舰船电力监控系统人因工程研究势在必行。

1 舰船电力监控系统的人因分析

1.1 技术密集和操作复杂性

现代海军舰船是综合轮机、电气、机械、武器、监测及控制等诸多专业设备设计出的复杂人机系统。该系统包含几十个专用子系统，其中舰船电力系统随着舰船自动化程度的提高而日益增大。船舶电力系统主要由电源、配电装置、电力网及电力负载等组成。舰船的独立性决定了舰船电力系统的一些特性，例如：船舶电站容量小，大负载容量的设备启动时会对舰船电网造成很大的冲击；任何的故障断电都有可能危及舰船安全；舰船发电机组的电源和频率调节相对较难，调整发电机的电压和原动机的转速将直接影响电网的电压和频率波动。因此，舰船对电力监控系统的可靠性要求很高。同时，恶劣的工作环境对舰船电气设备的性能和寿命有严重影响。这些共同造就了船舶电力系统动态特性的多样性、环境的不确定性和人机系统交互的复杂性等特性。此外，舰船上每位成员都扮演者不同的角色，组成一个具有一定组织结构的集体，共同来完成大量复杂的操作。恶劣的海洋气象和复杂的操作环境会给舰员带来心理、生理双重影响，从而降低舰员判断和操作上的可靠性。

1.2 人的可靠性分析

舰船电力监控系统技术密集和操作复杂的特点要求舰员操作具有较高的可靠性[2]。人的可靠性分析是随着可靠性工程学的发展而发展起来的。早在20世纪50年代，H.H.WILLIAMS就提出系统可靠性预计中必须包括人的可靠性，否则预测的系统可靠性将不能代表实际的情况。20世纪80年代，SWAIN将人的可靠性定义为一个人在规定的时间内正确完成系统要求的动作而没有使系统功能降级、退化的额外行为发生的概率[3]。由于人的行为在一定条件下具有很大的随机性和不可再现性，因此很难对只做过一次的事件谈可靠性。

从人与系统之间的动态相互作用出发，以认知心理学为基础，研究人在应急操作过程中的认知活动，建立模型，将认知可靠性分析评估与动作执行可靠性评估相结合，产生一种综合的评估方法，称之为动态的人的可靠性分析模型。实践证明，每个人在其能力范围内使用有效的方法均可有效预防所有事故的发生。即在某种程度上，只要能“集中注意力”，事故的发生率就会下降，资源损失将会得到改善。

因此，电力系统自动运行时，监控系统值班人员的状态至关重要。为给舰员提供一个舒适的监控环境，减小报警雪崩等问题带来的压力，除了要在日常训练中锻炼舰员的业务技能之外，还要在舰船电力监控系统设计之初应用人因工程技术。

2 电力集控室设计的人因分析

2.1 明确集控室内设计目标和思路

电力集控室是舰船电力系统人机接口最密集的部位，舰船电力系统大部分的正常运行操作和应急操作都在其中完成，其设计合理与否直接关系到舰船电力系统的安全和效率。随着计算机及通信技术不断发展，舰船电力监控系统已进入自动化时代。舰船电力集控室的基本目标是为使用人员提供最佳、全面的信息，合理的人机功能分配，以及充分的运行指导；提供一个舒适、安全的环境，减轻使用人员的工作负担。

首先对电力集控室进行功能设计，以舰船电力系统稳定、安全运行为总体目标，确定要实现的子功能，并按照一定的原则将这些功能分配给人或机器，使人员和机器能最大限度地发挥各自的特长。在功能分析中，要对正常运行工况、预期瞬态工况和事故工况下制定一系列规则，明确各工况的信息流和处理要求(如：功能正确执行时电力系统的模式状态；功能丧失时可采用的替代功能或应急处理等)。功能设计完成后，要考虑集控室内的工作环境、设备布局、值班人员的活动场地、通风、照明及噪声等系列设计问题。此外，在设计的过程中还应始终贯穿验证与确认[4]。

2.2 空间的人因分析设计

舰船作为活动于水面的独立体，其空间局限性是与生俱来的。各个舱室是设备与设备组合的三维立体空间，是可视、可触摸、可感受的实体空间，因此其布置除了要满足设计要求、完成预定功能之外，还要考虑人的因素，只有将“人的因素”研究透彻才能实现更“人性化”的设计。人只有在舒适放松的环境下才能高效地接受信息[5]。

集控室的舱室空间主要分为布展空间、流通空间和辅助空间等。

1) 布展空间指信息表达、设备陈列的实际三维空间，是舱室造型的主体部分。在设计过程中，处理好空间与人的关系十分重要，需要空间中的设备、各种防护道具的尺度符合人体的尺寸，既要能充分利用这有限的空间，同时还要考虑人的视觉感知和心理效应。

2) 流通空间包括舱室内的通道、楼梯及正常作业需要的空间等，是供舰员使用的公共空间，因此需要遵从以下几点：

(1) 考虑设备的体积大小、安放位置和陈列方式，避免人流拥挤；

(2) 工作空间尽量避开噪声大的位置，条件允许的前提下以不影响谈话为佳；

(3) 设计合理的人流走向，以最短、最有效的线路到达舱室内的任意位置，减少重复路段给舰员造成的疲劳。

3) 辅助空间是布展空间和流通空间之外的空间，一般包括储藏空间、维修空间等。

2.3 设备的人因分析设计

在舰船电力监控系统中，设备的布置应考虑使用和维修的方便性、安全性。例如，电力监控台作为重要的电力监控装置应满足以下要求：

1) 电力监控台及发电机组应尽可能地布置在电力负荷较集中的区域，减少电缆长度以节约电缆和满足通信线长度的要求。

2) 电力监控台前后应留有足够宽的通道。其前面通道的宽度应≥0.8 m，后面通道的宽度≥0.6 m。此外，台体前后均应铺有防滑和耐油的绝缘地毯。

3) 电力监控台的后面和上方不应设有水、油、蒸汽管路及其他液体容器等。

4) 为方便操作人员及时掌握电站的运行状态和操作，紧急操作开关应布置在监控台面上。

电力监控台一般采用操作台型式，适合坐姿下操作，用于观察电力监测参数、运行状态、报警信息及对发电机组的合、分、起、停和应急停机操作等。某型船上的监控台体和台上设备充分利用人因工程技术(见图1)，台体显示区域包括A区域和B区域，供舰员操作的为C区域；为提供最佳显示角度，台体设计参考人的视觉范围，重点处理视角和视距问题。根据人眼中心视角的不同角度范围划分，水平方向视区可分为5类(见表1)，垂直方向视区分为3类(见表2)；根据观察体与人体的距离，设计出台体的高度和宽度，使舰员以最佳视角操作和观察监视数据。人在垂直视角上观察正面的物象有一个向下的倾角，约为6°。表3为物象高度与人体距离物象尺度的对应表。

图1 电力监控台

视区分类角度范围说明最佳视区中心视角15°范围内 识别能力最强瞬息视区中心视角20°范围内 可在短时间内识别物体影像，可识别复杂的图像和文字有效视区中心视角30°范围内 要集中精力才能识别物体，可识别简单的符号图像色彩视区中心视角60°范围内 人眼可辨别颜色最大视区中心视角124°范围内 较难辨识清晰，若转动其头部，最大视区范围可达220°左右

表2 垂直视区分类

表3 物象高度与人体距离物象尺度的对应表

半自动操作面板、供电模拟显示屏分布在电力监控台水平操作台面(如图1中C部分)和垂直显示台面上(如图1中A部分)，既节约空间，又方便值班人员操作和观察供电情况(如图1中B部分布置显示器)。操作面板的设计充分利用人因分析，嵌入监控台水平台面的操作板体与台面保持水平，按钮呈微凸起状态，操作之后需按确认键确认指令，防止误操作。利用不同颜色区分断路器的断开和闭合，一目了然。

3 人因工程应用于监控系统人机界面

3.1 人机界面的人因分析

现代舰船电力监控一般采用计算机技术和数字化仪控系统，主要通过监控管理计算机体现人机交互；人机界面涵盖设备状态、运行参数、报警信息及设备控制信息等与舰船电力系统安全运行相关的重要数据。界面设计所涉及的学科更为广泛，包括艺术学、色彩学、人体尺寸学、生理学及人类心理学等，通过研究这些延伸学科来达到设计人性化的目的，提高信息传播的有效性和操作的便捷性。此外，对于人机交互而言，信息既要全面又不能过于繁复，报警信息繁杂冗余及操作规程复杂都会增加操作人员操作的难度，干扰其判断和意识，从而导致误操作[6]。

电力监控系统中，监控室内的视频显示单元是人机交互最集中的部位，要求其既能呈现给舰员最全面的监测数据和报警信息，又能提供便捷的操作界面，使舰员及时获得设备当前的运行和故障信息，快速做出反应。因此，人机界面对舰员是“友好的”，设计的人机接口不仅要能为舰员提供全面、易处理的信息，还必须以限制人为差错的影响为目标。

3.2 软件功能的人因设计

基于信息技术在电力监控系统中的应用，管理上位机软件的设计应利用人因分析技术，使舰员在信息获取、故障排查和数据加工等方面更便捷。设计人机界面时应充分考虑以下因素。

3.2.1 数据的分类别显示

数据分类显示可使人机界面层次分明，方便舰员查看需要的实时数据信息。监控数据可按照列表形式和图形形式分类，其中：列表形式数据可根据各个机组编号、汇流排及控制信息等分子类别显示；图形显示中分别显示机组状态，各个机组之间的切换操作要方便。

3.2.2 界面的要素集成

报警、操作和操作所需的条件不再是分立的界面要素，完全可以组合在一起满足舰员操作的需要。一个操作界面可包含与操作有关的所有信息，以机组启动操作为例说明：

(1) 集成当前是否有报警形成启动联锁、控制方式是否处于半自动状态、机组是否处于遥控状态且备车完毕处于停机备用状态等信息，符合动条件时启动按钮方可操作，反之按钮处于不可用状态。

(2) 提供操作反馈。启动指令发出后到机组启动成功前，启动按钮应处于不可用状态，人机界面正处于发送指令状态时，可以进行闪烁、动画等显示操作；直到启动成功，起动按钮处于不可用状态，即屏蔽掉再一次发送启动的操作。此时，继续发送指令动画状态消失，机组主开关和停机按钮处于可用状态。若启动失败，则启动按钮又恢复到可用状态，给出启动失败信号。

总之，与操作活动有关的所有信息均可无缝集成。

3.2.3 数据的加工处理显示

根据用户需求，将数据加工成用户需要的信息并显示出来，低层次的数据可被合成高层次的信息而直接为舰员提供监测和状态评估的支持。例如：某型舰船上根据机组并联状态分别将组网机组的有功功率和无功功率的分配差度绘制成曲线，从而使舰员更清晰地了解各机组的负荷比例分配情况，作出有效决策。

3.2.4 故障排查支持

电力系统在实际运行中常会出现机组主开关断路器跳闸、舰船失电等现象。而当前大部分监控系统软件没有事件触发记录数据的功能，即使有事件触发的功能，也仅限于事件发生后开始记录，对故障的排查没有多大帮助。

事件触发队列记录是专门针对此类故障研究出的一种故障排查功能。当某设备发生某一事件时，每隔一定时间记录事件发生时刻前后N分钟的相关参数数据，以此来分析该事件发生的原因。这里需要说明以下几点：(1) 设备可以是机组或其他自定义的设备(如主推、侧推等)；(2) 事件可以是设备状态的改变或故障的发生(如机组转为运行时或发电机绕组高温跳闸事件等，可称之为触发器事件)；(3) 记录间隔时间可以是1 s或3 s等自定义间隔时间；(4) 相关参数(即自定义的监测点数据)是对分析触发器事件发生原因有直接帮助的测点参数。

3.2.5. 操作上的便捷性

人机界面可按照一定规则实现自动化管理或切换。例如，在某号机组实时数据界面上要有切换到其他机组数据界面的快速切换按钮和显示本机组状态的图形界面的快速切换按钮。当有报警出现时，点击该按钮后可自动跳转到报警页面或出现应答和报警处理的信息等。

3.2.6 报警处理的智能性

事实证明，当有大量报警信息同时出现时，舰员因报警过多而出现判断力下降、操作失误增多的几率远大于正常情况。智能处理报警信息就是要过滤掉不真实、与当前电站无关的报警，将舰员需要关注的报警提示给舰员，从而减少值班舰员的工作量，减轻值班舰员的工作负担。常用的报警处理措施有报警分级、报警延时及报警抑制等。

3.3 人机界面的视觉感知

视觉是人体最重要的感觉、感知系统，可感知物体的形状、大小、明暗、色彩、符号及肌理等诸多内容。对色彩的理解不应局限于感官认知，其有更深层次的能与人产生心理共鸣的内涵值得去探讨。

一般来说，人机界面的设计从画面布局、字体字号、线型、图元及界面风格等方面来把握[7]。舰船电力监控系统人机界面主要用来监测和控制电力系统各设备，风格既要简约清新又要符合大众审美，以淡色为背景色完成预定功能，设计主要界面。界面总体布局符合人的观察习惯，从左到右，自上而下。描述信息的字体和字号要统一，尽量采用宋体或黑体。设备连接线、网络线或管道流体采用合适的颜色和线宽，必要时添加箭头标注。

4 结 语

在某型船上应用基于人因工程技术设计的电力监控系统，结果表明其确实具有较高的可靠性和操作舒适度。然而，在现有研究和应用的基础上，还需积极探索更多的细节，只有充分考虑到人的因素，将科学的管理、高效的方法和完善的规程制度结合起来，才能使舰员在使用舰船电力监控系统过程中安全、舒适、高效地发挥最大作用。

[1] 李玲,解洪成,陈圻.人因工程技术及其在舰船设计中的应用[J].人类工效学,2007,13(1):43-45.

[2] 姚腾刚.人因工程对舰船人员配备和工作能力的影响[J].国外舰船工程，1998(9):1-6.

[3] 高佳,黄祥瑞,田里.核电厂系统人因工程学的应用研究[J]. 人类工效学,1997，3(1):1-6.

[4] 宿俊海,李颖.基于人因工程的核电站主控室设计[J].仪器仪表用户,2014，21(1):85-87.

[5] 王帅.人因工程在D超市内部布局设计中的研究应用[D].济南：山东大学，2012.

[6] 王志方,谷鹏飞,马建波.数字化人机界面设计的人因工程问题分析[J].核科学与工程，2010， 30(4)：365-371.

[7] 刘帅,田如春.基于人因工程学的核电厂主控室人机界面的设计[J].自动化应用,2014(6):49-51.

Application of Human Factors Engineering in Shipborne Electric Power Monitoring System

GONG Xiwen, YU Lihu

(ShanghaiShip&ShippingResearchInstitute，Shanghai200135，China)

As the media between operators and the ship electric power system, the necessity of application of human factors engineering technology in design of shipborne electric power monitoring system , electric power control room and HMI is analyzed. The application of the principle of human factors engineering is illustrated through the design for a specific ship type.

HFE; shipborne electric power monitoring system; electric power control room; HMI

2016-07-12

龚喜文(1978—)，男，江西宜丰人，高级工程师，工程硕士，从事舰船自动化研究。

郁立虎(1986—)，男，山东济宁人，工程师，从事舰船自动化研究。

1674-5949(2016)03-0058-05

U674.703.3

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