人因视觉下核电厂数字化人机界面布局优化方法探讨

刘昊 蒋建军 王鑫 马晓彬 钟洁美 欧阳娟

摘要：数字化人机界面给操纵员带来方便的同时，也带来挑战，其中人因事件为常见的系统失效形式。为减少核电厂运行过程中的人因失误，该文从人机界面布局角度入手，以人因为基础，对同一人机界面内功能区、不同显示屏参数信息、任务画面布局方法分别进行了探讨，建立了布局优化过程及算法，可为界面动态智能布局提供方法指导。

关键词：数字化人机界面;人因失误;布局算法

中图分类号：TP311 文献标识码：A

文章编号：1009-3044（2020）08-0196-03

1 概述

数字化系统的使用给操纵员带来方便的同时也带来挑战。核电厂操纵员通过人机界面获取工厂当前运行状况的信息，将获得的信息，经判断、决策之后执行相应的行为动作，因此，核电厂操纵员在事故执行与恢复、参数监视、画面配置等过程中，其可靠性与数字化人机界面布局存在相关性。进一步，人因事故已成为当今事故的主要根源，例如，在系统失效中，60* -90*归于人误动作[11;在1995年美国统计中，大约700-/o-90qo事件与人有关[2];在我国核电事故中大约有70%与人自身因素相关[3]。针对这种状况，本项目以核电厂数字化人机界面为背景，从减少人因事故的角度出发，探讨核电站数字化人机界面布局优化方法，以减少人机界面对操纵员在布局方面的负荷，从而提高操纵员的可靠性。

本文主要针对数字化人机界面同一屏幕内功能块布局及不同的显示屏画面定位布局开展智能算法探讨，布局度量的因素是提高人因可靠性。

2 同一人机界面功能块布局优化方法

同一人机界面布局优化，主要是对各功能区位置进行调整，以到达最优状态。其优化过程如图1。

（1）人机界面功能分区及编码

功能区位置调整前，应根据功能类型进行分区，同一类型的功能构件属于同一功能区。分区时应界定好功能之间的边界区域，分完区后应对每个区进行编码，编码的目的是为在功能位置相互调整时形成排列序列。

（2）功能区位置动态组合

动态组合的目的是为了形成不同的功能布局位置，每次组合采用两个功能区位置互换，首先从第1个位置开始分别与所有其他功能区从左到右依次组合，当组合完后，再从序列编码的第2个位置开始与其他功能区依次组合，依次类推，直到组合序列全部完成。

（3）人因可靠性评价

对界面功能区组合序列评价以人因可靠性为基础。功能区组合布局不同，人员查找信息、参数等时间有所差异，因此功能区布局最直接的影响是时间。在人因可靠性分析方法中，人的认知可靠性模型（HCR，Human Cognitive Reliability）能反映执行时间对结果的影响程度，因此，本文选取HCR方法作为功能布局的评价标准。

HCR方法为经典的人因可靠性分析方法，其计算式如下[4][5]：

式（1）中，其中：η，β，γ是由数据归纳得到的与行为类别有关的威布尔分布参数。由于每个运行班组的执行时间可能因各类情况而有所不同，故在使用公式之前要进行修正。在HCR模型中所考虑的关键的行为修正因子有训练（K1）、心理压力（K2）及人机界面（K3），用公式表示如下：

T1/2=T1/2，n*（1+K1）*（1+K2）*（1+K3）（2）

式中，Tl/2，n为一般状况（如模拟机训练）的执行时间。

根据上述描述，同一人机界面各功能区布局优化算法如下：

HCI_Layout_Algorithm0

{

String code_function[];//用于存放功能区编码

int function_p[l;//表示功能区位置

int count;//表示功能块数量

CaLresult[l;//人因可靠性评价结果

Scanf（“%d”，&count）;

Scanf（“qof”，”%f”，”%f”，&T1，&p，&^y）;

Scanf（“%d”，”%d”，”%d”，&k1，&k2，&k3）;

Coding（code_function[iD; //X寸每个功能区进行编码

Int k=l;

For（i=l;i<=count; i++）

{ For（j=i+l;j<=count;j++）

{

Swap（function_p[i]，function_p[j]） according to the position be-tween code_function[i] and code_functionDl;//根據编码，交互功能区位置

Scanf（“%f”，&t）;

Cal_result[k]=calculating human reliability by formula （1） ac-cording to current layout;

"

int min= Cal_result[1];

For（i=2;i

If （min>cal_result[iD

Min= cal_result[i];

Obtaining optimal layout according to the value of min;

）

3 不同显示屏参数信息，任务画面定位算法

数字化人机界面交互中，一般会涉及多个显示屏，每个显示屏上呈现的信息不同。操作人员需要转移视线或适当移动距离来获取参数或执行任务，为减少视线转移或机械地移动距离，可通过算法把参数信息或任务布局到最佳显示屏，从而可以减少切换、调用、获取信息的时间，提高人因可靠性，同时可减少操作人员频繁的视线转移、屏之间的来回移动，从而减少操作员人员的疲劳度。其布局过程如图2。

根据图2，布局算法如下：

Para_tast_Position_Algorithm

{

Int count;//显示屏的数量

Int num口;//存放显示屏编号

Int current_p;//表示当前操作人员位置;

Int flag;//表示信息、任务画面是否需要切换，若为1表示需要切换

Boolean cover口;//当前显示屏是否需要覆盖

Int distance;//表示当前操作员位置与其他显示屏之间的距离

intIj，k;

scanf（“%d”，&count）;

for（i=O;i

scanf（“%d”，&num[i]）;

scanf（“%d”，¤t_p）;

giving a value for flag according to tasks process;

L1： if （flag==l）

{

k=0;

dis=10000;

L2：For（i=l;i

{

If“！=k、

distance=Obtain_distance（Current_p， numtiD;

else

continue;

if（distance

k=i;

）

If （cover[kl==l）//表示当前显示屏可以被覆盖

（

Display information or task picture into num[kl;

If （task_finished）==0）

{

Current_p=k;

Goto L1：

）

Else

end task;

）

Else

Goto L2;

）

4 结束语

本文以核电厂数字化人机界面为背景，以人因为准则，探讨了人机界面布局算法。获得了人机界面同一屏内功能区自动布局优化流程及算法代码，及不同信息、任务画面在屏之间智能布局流程及算法。同一屏功能区布局人因依据采用HCR方法，不同屏布局过程的准则是减少视线转移距离及操作人员移动距离，从而减少操作人员疲劳，布局算法可为电厂自动布局提供方法指导。该文算法也存在不足，如：屏内功能分区依据没有说明，屏之间布局中，哪些屏能覆盖还没针对不同情况建立判断序列，算法过程也有待进一步提升。

参考文献：

[1]何旭洪，黄祥瑞.工业系统中人的可靠性分析：原理、方法与应用[M].北京：清华大学出版社，2007.

[2] Hollnagel E.Coginitive Reliability and Error Analysis Method[M]. Elsevier Science Ltd，1998

[3]黃卫刚，张力.大亚湾核电站人因事件分析与预防对策[J].核动力工程，1998，19（1）：64-67，76.

[4]张力.概率安全评价中人因可靠性分析技术研究[D].长沙：湖南大学，2004.

[5]王洪德，高玮.基于人的认知可靠性（HCR）模型的人因操作失误研究[J].中国安全科学学报，2006，16（7）：51-56，2.

【通联编辑：梁书】

收稿日期：2019 -12 -13

基金项目：湖南工学院大学生创新训练项目，项目名称：基于人因可靠性的核电厂数字化人机界面布局优化方法研究（CX2019040）;湖南省自然科学基金（2019）40066）;湖南省社科成果委基金项目（XSP18YB2035）

作者简介：刘昊，男，在读本科生;蒋建军，男，工学博士，副教授，