数字化反应堆人机交互功能需求的研究

卢嘉川　冯云姣　郑丹晨　吴斌

【摘 要】人机交互系统的进步对诸如计算机，互联网，移动设备等领域的发展起了极大的作用。为使人机交互技术在反应堆设计仿真领域发挥更好的作用，本文对数字化人机交互系统的功能需求开展了研究。本文基于人因工程审查大纲与人因系统界面设计审查大纲，对人机交互系统功能需求进行了说明，主要包括总体设计导则、用户输入格式、界面管理、信息管理、系统安全、计算机操作规程需求等内容。本文阐述的数字化人机交互功能需求可用于数字化反应堆及其衍生系统的人机交互设计与开发。

【关键词】数字化技术；人机交互；人因工程

中图分类号： TP11 文献标识码： A 文章编号： 2095-2457（2018）08-0019-003

Research on human-computer interaction functional requirement for digital reactors

LU Jia-chuan FENG Yun-jiao ZHENG Dan-chen WU Bin

（Science and Technology on Reactor System Design Technology Laboratory

of Nuclear Power Institute of China，Chengdu of Sichuan Province，China，610213）

【Abstract】The progress of human-machine interaction has played a great role in the innovation of computers，the internet， mobile devices and other fields. To make human-machine interaction play a better role in the field of reactor design and simulation， this paper studies on the function requirements of the digital human-machine interaction.Based on NUREG-0700 and NUREG-0711，the function requirements of human-machine interaction system are explained，including the general design guidelines，user input formats，interface management，information management，system security，and system operation procedures requirements.The digital human-machine interaction function requirements described in this paper are suitable for the human-computer interaction design and development of the digital reactor and its derivative system.

【Key words】Digital technology；Human Machine Interface；Human Factors Engineering

0 概述

數字化反应堆是指在超大规模高性能计算系统内，模拟反应堆全生命周期各种特性的集成数值仿真模拟对象。通过它可以进行物理、热工、燃料、结构、力学等多专业高精度的计算分析，实现多专业耦合协同设计，能够综合模拟、预测真实反应堆从设计、制造、运行到退役生命周期反应堆各专业性能、参数、行为等特性。数字化反应堆作为可预期的高成本以及应产生高可靠性和有效性的关键系统，人机交互系统作为研究操作人员与系统之间唯一的信息交换过程，对于提高系统的效率与可靠性有着极大地关联。本文将通过对人因工程审查大纲[1]与人因系统界面设计审查大纲[2]以及典型压水堆核电站仿真操作界面开展分析，对数字化反应堆人机交互系统的功能需求开展研究，为数字化反应堆及其衍生系统的人机交互界面的设计开发提供支持。

1 人机交互与管理功能需求

人机交互与管理是指用户通过人机界面输入信息，并通过人机界面得到相关信息的反馈并操作与其信息相关的任务，因此人机交互与管理功能中包含大量信息处理和核电厂操作控制任务。由于人机交互界面的设计特点，决定了处理这些任务的特有属性，因此任务内容与设计特点并不是简单一一对应关系。例如某个单独人机交互管理任务可能通过多个人机交互界面进行显示，或者某个人机交互界面可以显示多种管理任务。

1.1 总体设计导则

总体输入导则为针对人机交互系统的通用功能和特点审查导则，包含用户正确的输入格式，尽量减少用户输入的基本原则和人机交互性能方面问题的指导方针。为实现以上目的，

1.2 用户输入格式

用户输入格式中说明用户与计算机交互过程中的各种形式对话框，在人机交互过程和管理任务中会采用多种不同类型的输入格式。例如：

1.2.1 指令输入

命令指令通过键盘或类似键控设备输入计算机，从而要求计算机执行相应的运行模式。在通用对话框中，用户输入指令时，计算机应尽可能地提供简洁的提示，因为在命令输入过程中，用户通常必须从内存中检索合适的命令。人机交互与管理过程中的命令可以分为执行命令和目标命令。执行命令包括对特定计算机的操作指令，例如操作与界面有关的管理信息和导航显示系统。导航功能的执行指令包括：上一页和下一页、放大和缩小，这些功能使得用户可以通过单步操作在信息结构体中跳转界面。目标命令包括编码识别与特定信息检索显示，它们允许用户直接从某一个显示界面位置跳转至其它无访问限制的界面。

1.2.2 菜单项

菜单项的交互方式被广泛的应用到人机交互系统中，其菜单内容中罗列出所有可供用户选择的选项。因为向用户展示的是一组选项，因此此处需要自行辨识选择正确的选项。菜单项设计过程中需要关注的重点包括：选项种类、菜单结构、显示的字体、菜单面板设计和交互方法。

1.2.3 功能键

功能键是键盘或控制面板上独立的按键，用来执行预先定义好的操作，例如启动预定义的显示画面。当功能键触发后，会向计算机系统发送指定运行方式的指令。功能键设置中的重点问题是需要考虑键控操作与执行功能间的关系。单一键控需要单独按键操作，双重按键操作需要多个按键同时触发，例如有些功能键被定义成与SHIFT、ALT或CONTROL键的组合键类型。此外，功能键可以在多种运行模式下触发，需要注意的是，在不同的运行环境下，同样的功能键可能会执行不同的操作。

1.2.4 宏命令

宏命令为将一系列命令整理并定义为单一命令。当宏命令被触发时，执行宏内定义的一系列命令组合。可编程功能键作为一个可被用户分配的功能，可以用到单一功能或宏命令中。宏命令和可编程功能键作为特殊的命令形式，可以帮助用户完成人机交互管理任务中的自动化部分。

1.2.5 表格

表格应包括类别标签和由用户输入数据的空白空间，在填充格式表示中，用户在数据区域输入命令或信息。表格通过减少需要操作员记忆的信息类型和容量来帮助操作人员对交互任务进行管理，同时帮助操作员进行命令输入。表格型数据输入只用于指定类型的信息输入方式。同时表格输入中可以加入错误检验，检查输入是否超出许可范围。当表格初始化时，也允许表格进行默认输入，以改善使用方法。

1.2.6 直接操作界面

直接操作界面允许操作员直接在界面上对可见控件进行操作，例如点击打开图标显示打开界面。操作界面中所显示的图标可以有多个种类，其在仿真界面上分别代表电厂设备、系统或某些功能。通过单击图标得到相应设备或系统的信息，或展示操作界面，界面中可包含多种计算机交互控件，例如按钮和滑块等。

输入通常用与在图形界面中操作指定设备，使计算机执行其所代表的信息或对象，并通过图形界面的改变进行反馈。

1.2.7 语音输入

语音界面允许用户进行语音输入，计算机将收到的语音信息转为数据或命令形式。其中的语音命令由语音识别系统进行语音命令翻译，語音命令识别可依赖也可独立与语音录制者，后者的有点在于可以允许任何人进行语音命令输入，但缺点是可靠性低，语音信息不被识别或错误识别的概率较高。依赖型语音输入需要训练系统识别制定语音对象的声音，这种系统有更高的可靠性。同时语音识别系统也可以词汇来提高系统识别的可靠性。

1.3 系统响应

系统响应是指计算机系统在接收到用户的输入信息后的行为，其响应的重要特点主要包括以下几方面：

1）提示：计算机系统向用户提供建议输入类型的提示信息。信息提示机制可以帮助用户选择正确的人机界面管理任务的正确运行模式。

2）反馈：当用户输入数据后，计算机需要反馈用户是否成功接收数据。反馈机制可以帮助用户确认计算机是否成功接收到输入内容，并判断计算机运行处期望的结果。

系统响应时间：系统响应时间是指当用户输入完成后计算机系统反馈运行结果所需要的时间。计算机不同反馈方式（如控制激活、系统激活、用户请求、错误反馈）所需要的相应时间与信息输入的类型相关。系统响应时间在人机交互中有着重要作用，如果响应时间过长，可能会降低计算机执行主要任务的性能。

1.4 界面管理

1.4.1 显示选择与导航

导航是指搜索指定信息的操作，例如在整个界面网络结构中找到需要的界面或者在大型界面中找到需要的信息项。显示选择是指通过检索操作显示所需要的界面或信息项。

1.4.2 窗口

屏幕中的窗口界面详细显示系统中信息或来自用户输入信息，同时可对该窗口中如下内容进行相应操作：

打开/关闭：应关闭不需要显示的窗口以减少显示屏的混乱，或者应打开窗口允许操作者查看各个窗口的交互；

尺寸：屏幕上显示窗口的大小可增（让视图更简易）或减（以减少混乱）；

定位：窗口需要可以定位在显示器中以方便用户观察或可以定位相关相邻窗口；

分层：层是指移动的一个窗口让它放置在另一个之上。重叠窗口可以根据用户需求改变重叠层级，以便帮助用户更好地与其内容进行交互。

平铺：像砖块一样排列窗口的位置。平铺窗口间没有窗口间的重叠，可以便于用户直接阅读窗口内容。

不同形式的窗口管理的自动化程度有所不同。对一些系统，所有窗口管理任务是手动执行。对于其他系统而言，则是由信息系统自动执行，例如，当一个信息系统打开一个窗口，它会自动确定窗口的大小和位置在显示屏幕上。然后操作者可以关闭、移动或改变窗口的大小。

1.4.3 显示控制

显示控件允许用户自行选择屏幕中所显示的信息及其显示格式。

1.4.4 更新与暂停

显示系统的更新功能确保界面刷新当显示前数据显示值，而暂停功能则停止界面刷新，使界面数据保持当前值。用户通过暂停功能观测指定时刻系统状态或观测界面变化。更新功能通常是初始化为自动模式，在某些情况下用户可以调整更新速率，而暂停功能可以初始化为自动或手动模式。有关更新与暂停的重要特征参数包括用户的控制程度、自动更新速率、指定暂停状态。

1.4.5 显示抑制

显示抑制功能可以暂时删除无关或不重要的信息，在需要的时候再重新显示，以此来减少视觉上的混乱。显示抑制功能的重要相关量包括用户对显示抑制功能的控制程度，功能的专用键和抑制状态。

1.4.6 滑动和分页

当显示信息所需的区域超过显示设备或窗口提供的空间时，用户可以将选定的部分视图通过滚动或分页形式进行显示。

1.5 信息管理

基于计算机的显示系统需要允许用户通过计算机创建，改变，通过计算机存储和检索文档，其中的重要特点包括如下几方面：

创建和编辑文档：支持用户创建和编辑文档，编辑文档方法如断句，TAB，换行，分页，控制图形对象，剪切，粘贴，改变字体等；

保存文档：允许用户退出文档是保存所做的更改；

临时编辑缓冲区：使电脑临时存储用户编辑文档的信息；

摘录文件：该文件允许用户将数据从一个位置移动到另一个地方。与临时编辑缓冲区不同，摘录文件是可以保存。

1.6 用户帮助

系统通常有各种旨在帮助用户的功能，指南/帮助提供在线帮助。基于计算机的指导/帮助可以自动弹出（如检测到一个错误项后）或当用户发起请求时弹出。

在线帮助可能提供的各种从在线手册中提取简要信息。在一些系统中，指导信息在界面内的显示可能会完全取代现有的任务界面。基于窗口的系统可以在同一屏幕上将指导信息作为任务显示，允许同时查看任务和指导。指南的可以由用户或系统发起，用户通过输入帮助命令打开在线指导文档主动获取帮助。指南系统也可以通过检索帮助文档，发布信息提醒用户进行特定操作。系统发出的消息主要分为一下几类：

公告消息：计算机系统发出消息警告用户需要注意某些情况；

错误消息：计算机系统发出消息向用户展示潜在的故障；

用户输入验证：根据软件的逻辑定义检查计算机是否可以接受的用户的输入。例如验证功能可通知用户的格式化的命令指令或查询指令格式错误。

输入确认：对于某些特别的输入项，需要用户进行额外的操作来确认信息的输入。系统会提示用户输入可能具有破坏性的影响，如退出某个模式，删除或修改一个文件，或关闭设备。

数据保护：数据保护是计算机自动功能，目的是使电脑故障或用户的行为可能发生的数据损失最小化。在数据保护方面，其功能包括周期性数据文件自动归档、维护事务日志以用来重建最近变化的数据、离线存储重要软件拷贝和提供计算机备份设备。对于用户操作失误的保护方式包括中断数据变化和设定安全默认值。

信息与指令纠正：检查用户输入的数据或指令，自动把它们转化为正确的形式供用户修正，用户可以选择接受或拒绝。

1.7 系统安全

计算机系统需要包含如下几方面功能，用来限制人员访问计算机，以防止意外或有意破坏：

用户身份确认：建立用户授权机制，其功能特点是包括密码保护、用户身份验证测试和对数据安全的潜在威胁的提示，如来自从未经授权的人员。

信息访问：信息访问机制用于降低文件被访问和改变的可能性。其内容可以包括敏感数据加密、标识数据安全等级、访问打印数据管理机制、自动记录数据访问信息、设立只读文档等。

1.8 计算机操作规程需求

计算机化操作规程的显示是计算机化操作规程系统核心作用的体现，通过利用合理的规程显示方式为操纵员提供帮助，使操纵员有效的执行规程步骤，减少误操作的发生。规程开发计划的成果即为通用技术指南、规程编写指南和全套核电厂规程。特别注意的是还需要能够提供以下几方面功能支持。

（1）导航

操纵员在执行规程过程中可能出现调用其它规程的情况，导航帮助操纵员怎样找到正确的规程和规程中正确的步骤。操纵员能够在规程导航过程中保持自由移动通过规程并且执行规程步骤的能力。规程的调用方式采用单独页面或段落的方式显示，不采取连续的方式显示，使操纵员更容易确认要选择的规程位置。

（2）格式

由于现代计算机提供了多种信息显示方式，计算机化规程格式可以利用图形和多种信息组织方式实现。格式能够改进规程步骤中的不同元素，如操作、条件、注释、建议等。计算机化规程格式的改进可以克服文本文件格式的局限性，通过使用图形技术实现规程步骤的可视化显示，提高操纵员对规程逻辑关系的理解。

（3）进程监督

进程监督的本质是计算机化规程帮助操纵员对已经执行的规程步骤进行自动检查，不需要操纵员进行这项工作，减轻操纵员的工作负担。例如操纵员执行了哪些规程步骤，还有哪些步骤没有执行。

（4）帮助和解释工具

帮助和解释工具是规程显示的重要组成部分。由于操作规程客观上不能包含操纵员需要的所有信息，所以有必要为操纵员提供补充信息，这些信息可以作为解释或帮助。“解释”指关于一个规程步骤的背景信息或基本原理；

“帮助”指关于附加于规程步骤的详细资料。

（5）进程连接

规程步骤经常涉及参数的特殊值，这些特殊值可以作为一个检查的限定值或作为一个设定目标。在计算机化规程显示中，将重要的参数值与装置操作规程内容结合，如果计算机能够比较参数的实际值和规程中定义的值，规程就可以直接和进程相连接，并且实现规程的自动更新。例如根据运行工况提供自动的规程页面调度或调用下一步规程。

（6）规程调整

计算机化规程显示的另一个特征是规程的更改，主要处理是否规程的内容固定不变或者能够适应当前狀况的问题。深层次的特征表示是否两个或更多的规程在需要时能够自动组合，规程的内容可以被改变来适应操纵员任务的需要，使操纵员的工作更加便利。

2 总结

数字化反应堆是用于反应堆设计、性能优化、极端事故分析及预测的大型模拟仿真软件，随着计算机软硬件的飞速发展，层出不穷的各细分领域的设计软件与精细化模型的出现，以及高精度、大规模的集成计算系统的综合性能大幅度提升，对人机交互系统也提出了更高的要求。为了更好的服务于核反应堆设计研究人员，提高核反应堆设计能力，认为数字化反应堆人机交互系统进一步的功能发展方向应为加强对设计与创造能力的支持：利用信息可视化加速与深化对设计过程的理解，利用先进技术将设计生成的海量数据与设计、统计学方法有机结合，支持用户在几何倍数增长的设计备选方案中迅速的汲取有效信息，从而提升设计效率及开发创造力的潜能。

【参考文献】

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

[2]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.