数字化反应堆人机交互组态方案递阶层次关系概述

卢嘉川+刘盈+冯云姣+郑丹晨

【摘要】从组态角度研究数字化反应堆人机交互系统的递阶层次关系，如顶层系统（画面）—子系统（画面）—设备（组件）—器件（元素），及每一层次的属性、特征，如字体、色彩、尺寸、动画、数据类型、数据处理、导航等。将现有核动力装置人机交互系统分层次的进行研究：第一部分研究人机交互系统的基本元素，确定屏幕大小、字体、时间、颜色、线型的设计规范；第二部分研究人机交互系统所用到的组件，设计管道及仪表线、组件控制区、选中对象反馈、组件形状、组件状态、文本信息、数字化显示、条形图、趋势图等；第三部分对系统的整体结构进行了研究，设计了系统导航布置的结构以及系统画面的布局。研究方案可用于数字化反应堆组态建模工具的设计与开发，能够更好地辅助用户开展图形化人机交互界面的设计工作。

【关键词】数字化技术；可视化设计；人机交互；组态建模

中图分类号： J504 文献标识码： A 文章编号： 2095-2457（2017）23-0123-003

【Abstract】Research on the hierarchical level of Human-Computer Interaction display of digital reactor from the view of configuration， such as top level system-subsystem-device-element，and the properties of each layer，such as fonts，colors，sizes，animations，data types，data processing，navigation，etc.To study nuclear reactor HCI is divided into the following three layers：The first part studies the basic elements of HCI，such as design specifications for screen size，font，time，color and line type；The second part studies the components used in the HCI system：piping and instrumentation， component control area，selected object feedback，component shapes，component status，text information，digital display and tendency chart；The third part studies the whole structure of UI system：navigation and system picture layout.This paper can be used in the design of configuration modeling software，and can better assist the user to develop HCI design.

【Key words】Digital technology；Visualization Design；HCI；Configuration Modeling

0 概述

软件技术在核反应堆设计各专业领域的快速发展、高效率的多专业协同设计体系多次迭代所产生的更大规模数据需要高效率的人机交互体系，随着数据量的增大，设计良好的人机交互界面所带来的用户收益日益增高[1]。但是，以编写程序的方式开发人机界面开发成本昂贵，对于和反应堆设计行业用户直接使用相对困难。因此，用户通过“配置”、“设定”等方式来完成自定义人机交互功能，以高效、易用的组态方式开发人机交互界面显得更加重要。

本文通过对现有人机交互系统分解并模块化，对按照“元素设计”-“组件设计”-“系统设计”的层次分别对其要素进行描述。

1 元素设计

1.1 屏幕尺寸及分辨率

标准显示尺寸为19英寸且宽高比（基于实际屏幕的宽度和高度）为5：4的平板显示器。为了保持像素宽度和高度平衡，屏幕分辨率也应该设计成5：4（例如1280×1024）。

1.2 字体

NUREG-0700[2]第1.3.1节中对字体规定如下：

必须采用清晰易读的字体，所用字体必须有准确的升降笔画，统一的线宽和统一的长宽比。字体必须能够清楚的区分以下字符：X和K，T和Y，I和L，I和1，O和Q，O和0，S和5，U和V。長宽比必须在1：0.7到1：0.9之间。字符的水平间隔必须为字符高度的10%至65%。最佳字号为8到12号，优先选择11号。在特殊需要时可以使用更大的字号，如标题或一些需要引起用户注意的地方。

1.3 日期与格式

系统中所有日期的显示格式必须保持一致。日期和时间的格式，必须为用户所熟知。根据国际标准ISO8601，在中国日期格式应使用YYYY/MM/DD（年/月/日），时间格式为24小时制HH：MM：SS.ddd（小时：分钟：秒.毫秒）的。必须注意，并非所有时间都需要精确到毫秒，时间写到所需精度即可。

1.4 颜色

系统中所定义的颜色应符合NUREG-0700第1.3.8节中要求，每种颜色都是根据导则规范设计的。白色（#1）和绿色（#3）表示正常状态。黄色（#4）表示警告。红色（#5）能够吸引用户的注意，用来表示警报或故障。洋红（#6）代表错误，例如数据错误。灰色（#8）将被用作背景颜色，以保证与显示区形成鲜明对比。青色（#7）表示系统给用户的反馈信息，即表示用户的命令已经被系统识别并处于运行中。为了便于区分管道中的流体，使用浅蓝（#10）、淡橙（#11）、褐色（#12）、深绿（#13）和紫色（#14）模拟管道。endprint

1.5 线型

系统至少应定义三种线宽。粗线（3px）表示主要过程线（主要管道和电气开关设备）。中等线（2px）将被用于表示次级过程线（旁路、冷却/加热过程线和电气二次进出线）。细线（1px）将被用于表示辅助过程线（排气和排水管道），控制区边界线和仪表线路。

2 组件设计

2.1 管道及仪表线

管道在模拟中用不同颜色的实线来表示。不同的颜色表示流经管道的不同流体或电路的电压。必须使用浅色、低饱和度的颜色，以免过多地吸引用户的注意。不同流体选用的颜色如表2所示，颜色标准参照表1设定。

仪表线在模拟中可以将组件与参数联系起来（例如，一个由参数控制的阀门），样式与管道线不同。使用黑色（#2）点线表示仪表线。管道线上标有箭头，用来识别流动方向。

2.2 组件控制区

一个组件所需的区域分为三个部分：控制区、顶部区和底部区。控制区定为围绕着组件形状的一个15×12毫米矩形。在控制区上方，顶部区放置状态标签以显示系统状态，状态标签定义于第3.5节。在控制区下方，底部区用来放置组件识别标签，如组件名称，编号。

根据设计需要，组件可以发生转置，控制区也随组件转置，所有相关的文本必须始终保持水平。

如果文本标签的区域会影响画面中的管道或其它系统元素的布置，可以对组件区域进行调整，将状态标签应放置在控制区外左上部，将组件识别标签放置在控制区外右下部。

图1一个完整组件两种位置的示例。

控制区是透明框，没有填充颜色。在模拟显示中，有的组件可以控制，有的组件不能控制，必须区分两种类型的组件。对于可以控制的组件，控制区的边界用黑色（#2）细短划线表示，如图6所示。如果组件不能控制，则不显示控制区边界线。

2.3 选中对象反馈

当选中可控制的组件时，系统会有一个反馈，表示用户的命令已经被系统识别并处于运行中。它的边界线将变为青色（#7）实线。

选中可控制参数的反馈和选中可控制组件的反馈相同，控制区边界线将变为青色实线。

2.4 组件形状

组件形状设计依据**电厂核电站主控室的人机交互界面的设计，并参考NUREG-0700的设计规范。

NUREG-0700 1.3.4 Icons and Symbols 设计规范如下：

1）图符的基本用途是表示实际的物体或动作；

2）图符的设计应通过使用文字，功能和操作与所代表的物体，过程或操作近似，应当参考惯例；

3）图符应尽量简单并且有连续的外边界；

4）抽象符号应遵从用户惯例，如果没有用户惯例，抽象符号应遵从电气、机械符号惯例，并与P&ID图和逻辑图中的表示一致；

5）每个图符应表示一个单独的物体或动作，并且应便于与其他图符区分；

6）特殊情况下的符号，应用专用的图符表示；

7）图符应当竖直放置；

8）文字和符号的使用应当有一致性；

9）图符大小应使用户能清晰识别含义并与其他图符区分；

10）当图符被选择时，应有强调显示；

11）图符的文字标签应嵌入图表中；

12）如果图符表示控制动作，应添加标签表示该动作。

2.5 组件状态

组件状态的正常或异常用线条颜色和填充颜色来表示，异常状态使用高饱和度的颜色，黄色表示警告，红色表示操作失败，洋红表示错误。

有颜色填充的图形表明组件正在运行或当中有东西流过（水、蒸汽、空气、电…），没有颜色填充就代表组件不在工作或没有东西流过。半填充颜色的图形则表明组件处于过渡状态。如果组件处于正常状态（打开/运行或过渡态），则填充与流体（或电压）相关的颜色。

如果有一个I/O错误，组件将呈洋红色，图标会填充颜色以吸引用户注意，但此时不表示组件正在运行。

處于警告状态的组件会暂时脱离控制，上锁或进入本地模式。当组件正在正确地执行功能时，也会处于警告状态，但此时不会对任何命令做出响应，即缺乏权限或已经进入保护模式。

2.6 组件控制窗

该节内容主要参考仿真机和电厂实际人机交互的操作界面。

系统中部分组件是可以操作控制的，如泵、阀门等。操作员点击可控制的组件，通过操作出现的操作窗口对组件进行控制。

2.7 文本信息

文本信息分为可操作信息和不可操作信息。

不可操作的文本信息可以为操作员提供一些必要信息，这些信息与一组组件或整个系统相关。不可操作信息不允许操作员直接操作。

2.8 数字化显示

数字化显示指参数的数值表示方法。数值置于填充黑色水平矩形内。矩形的宽度为5mm，长度取决于要显示的数字位数。设计所用最长的数字用科学计数法表示，保留小数点后三位，即±0.000E±00；最短的数字为没有小数点的百分数，只有三位。一般数字为4位或6位，可以有或没有小数点，例如000000，0000.00。

数字化显示的异常值或异常状态通过数字颜色和填充颜色的改变来表现。白色数字表示正常状态，黄色数字表示警告，红色填充表示报警，洋红色字符表示错误，发生错误时，会显示为“XXXX”。

3 系统设计

3.1 导航设计

根据对于系统导航设计的要求，导航主索引画面的设计必须使操作员能在3次点击内访问任何系统操作画面。而且，操作员必须能通过主系统索引访问任何系统的第一个画面。然后，通过画面中的“Previous上一页”和“Next下一页”按键访问系统中的其它画面。

系统导航的主索引设计对核电厂系统进行了排列，采用字母顺序布局，与系统功能无关。根据系统简称的首字母，将系统分组排列，组内同样依照字母顺序排列，便于操作员快速访问。

操作员点击主系统索引画面上的某个系统，会进入子系统索引画面。任一子系统索引画面包含首字母相同所有子系统。子系统索引中包含子系统中所有操作画面的导航，导航按钮内填写画面名称，按钮下方标出画面功能的注释。

3.2 画面设计

根据NUREG-0711[3]第1.5节要求：

1）画面必须对人机交互系统各项功能的位置进行明确的分配，如数据显示，控制区域，信息区域等。显示的格式须符合常用惯例及用户现有习惯。

2）每个页面必须在顶部设有标题，简洁地解释页面的内容或功能。

3）画面要能用最简单的信息来说明其功能，次要信息与相关信息不必显示。

4）画面应当尽量清楚、简洁。整个画面显示的字符、图像的密度要适宜，不能过于紧密，也不能空出太多。如果内容过多，可以分为多个页面显示，每个页面的内容根据功能相关性组织到一起。

5）画面的背景颜色应当能与显示内容形成色彩对比，便于用户阅读。

系统选用灰色（#8）为背景颜色，满足显示要求。画面示例如图2。

4 结语

本文介绍了数字化人机交互组态方案中三个层级的配置内容，并基于人因工程审查大纲和人因系统界面设计审查大纲对于每个层级的属性、特征（下转第99页）（上接第125页）等进行了简单的描述，为采用组态方式搭建的反应堆设计数字化人机交互系统提供参考。

【参考文献】

[1]Ben Shneiderman，Catherine Plaisant，用户界面设计[M].电子工业出版社，2011，P2-P13.

[2]P.M.Lewis，J.J.Persensky，NUREG-0700 Human-System Interface Design Review Guidelines[S].NRC 2002.

[3]J.M.OHara，W.S.Brown，P.M.Lewis，J.J.Persensky，NUREG-0711 Human Factors Engineering Program Review Model[S].NRC Rev.3 2012.endprint