重型燃气轮机控制系统人机界面设计探讨

赵 瑜， 金曹斌， 焦 成

(1. 中国联合重型燃气轮机技术有限公司，北京 100016；2. 国核自仪系统工程有限公司，上海 200241)

工业过程人机界面承担着信息的输入、收集、整合与显示的功能，运维人员获取人机界面提供的设备状态信息，对这些信息进行读取、判断，并执行相关的操作，所以人机界面在设计时要面向用户，实现在设备正常、异常、启动和停机工况下的操作。

目前，核电站在控制系统人机界面设计和人因工程方面的研究稍有深入；而传统的火电站人机界面设计虽然能实现功能性，但是欠缺美观性、容错性和人因工程的学习；重型燃气轮机控制系统人机界面的设计研发较少，这与我国重型燃气轮机的研发历程密切相关。2016年，国家“十三五”规划将航空发动机与燃气轮机重大专项列为百项重大工程之首，重型燃气轮机控制系统人机界面的自主研发设计引起广泛关注。

燃气轮机控制系统人机界面主要是指燃气轮机控制与保护系统中用于显示系统流程、发出设备控制命令的画面，是运行人员监视和操作设备的主要界面。人机界面的设计是燃气轮机控制系统自主设计的重要内容，良好的人机界面能够引导用户完成相应的操作，起到向导作用，减少和防止人因失误的发生。

人机界面的设计是一个复杂的多学科参与的过程，人机界面的设计需要打破设计人员单学科认知的“信息茧房”，实现人因工程学、平面设计学、认知心理学和语言学等多学科的综合应用。因此，笔者开展相关的研究，引入多个设计理念和设计方法，建立一套重型燃气轮机控制系统人机界面设计体系。

1 总体设计

1.1 设计原则

在自主燃气轮机控制系统人机界面设计时，运用平面设计理论法则和人因工程学进行分析、归纳、总结，制定相应的燃气轮机控制系统人机界面设计的指导原则和具体细则，如面向用户原则、一致性原则、简洁性原则、适当性原则、顺序性原则、结构性原则、容错性原则等(见图1)。根据这些原则制定具体的设计细则，参考国标规范、常用规则和行业习惯，制定人机界面设计规范，对画面类型、布局、导航、背景色、线条、字体、颜色、图符、报警和趋势等画面元素进行约定，保证设计出的人机界面具有一致性，同时具有相似的布局、信息显示方式和一致的操作序列。

图1 人机界面设计原则

1.2 人因工程的应用

重型燃气轮机控制系统人机界面设计在人因工程方面提出宜人性原则和危机管理，既要有意识地利用人的心理特征，使运行人员保持适当的警觉，又要注意人的能力限度，不要使运行人员疲惫不堪，减少人因失误或事故，也不能让其无事可做，降低工作敏感性[1]。人机界面设计考虑信息显示率(单位时间的信息显示量)、信息提供率(单位时间内提供的可以被运维人员有效捕捉到的信息量)和数据更新率(数据更新的速度)三者的最佳匹配[2]。

在制定人机界面设计原则时，应充分考虑人因的影响，如人机界面的设计显示应符合目标用户的显示惯例，工艺过程的描述通常应显示在数值的左侧和上方，符合从左至右和从上至下的显示惯例。显示的数据、标识和文字表述应使用用户熟悉的术语，用词一致，在图纸、规程、人机界面和设备标签中，词、短语和设备的名称、编号应保持一致。重要界面和信息显示考虑冗余界面设计，冗余性通过显示的多元性实现，对一些图符和设备进行模块化设计，方便集成和应用。人因工程的应用体现在人机界面的舒适美观，适宜长时间监视，信息获取的便利性和运行引导性。

2 设计体系

具有自主知识产权的重型燃气轮机控制系统是人机界面设计的基础。控制系统平台提供基本的绘图工具，根据人机界面设计需求，可以进行开发完善，突破和创新，打破现有重型燃气轮机界面模式。在人机界面设计研发过程中，形成一套人机界面的设计体系(见图2)。区别于传统的跟随模仿模式，制订人机界面设计指导原则，对设计原则进行详细的描述；制订人机界面设计规范，对人机界面的画面布局、画面元素、图像管理、报警管理、趋势管理等进行规范化约定(见图3)。制订人机界面设计需求分析、报警设计，每一幅人机界面有详细的设计报告，引入蚁群算法等工具对人机界面布局进行优化，利用仿真机进行验证，并进行整机测试，最终定稿。

图2 人机界面设计体系

图3 人机界面设计规范

3 图符设计

图符设计是燃气轮机控制系统人机界面设计中的一项重要的设计，也是自主重型燃气轮机控制系统与其他控制系统之间的重要区分。图符的设计应与工艺流程图上的表现形式相近，根据工效学要求和参考电站的图符对象，将相关组件或设备成组设计，尺寸应适当，简洁易懂，易于运维人员识别和记忆。

图符分为静态图符和动态图符两类。静态图符在绘制过程中决定其图元的外形，此类图符不随设备等不同状态而变化颜色、显示隐藏、动态闪烁等；动态图符则随设备不同工况而变化颜色、显示隐藏、动态闪烁等，动态图符需要有多种表现形式来显示其状态，如开、关、自动、手动等。

3.1 静态图符设计

图符的静态设计是在熟悉控制对象的基础上，从实物中提取特征，用“形”抽象直接表现对象，抽象化处理，然后用简单的线条和形状进行概括和创意表达，在保留实物原有特点的基础上将其转化为图形或符号。但创意表达要符合无障碍设计要求，应具有易理解性、易操作性、简易性和包容性。透平和燃气轮机的静态图符设计见图4和图5。

图4 透平静态图符

图5 燃气轮机静态图符

静态图符的实现有两种基本方式：位图和矢量图。位图存在一些难以避免的缺点，即占用存储空间多、刷新速度慢，只有在图形组态软件难以实现的情况下才借助其他工具设计，在Windows操作系统下最常见的位图是BMP文件。矢量图是用燃气轮机控制系统图形组态软件提供的图元设计，即直线、折线、矩形、填充形、文本、按钮等。

图符设计时，可少许调节长宽比，结合黄金比和白银比来绘制，黄金比为1∶1.618，白银比为1∶1.414。在图符的静态局部设计中，黄金比和白银比广泛应用，并采用对比、对齐等设计方法[3-4]，在符合行业规范和习惯的基础上，提出“美即适用”原则。

3.2 动态图符设计

图符的动态设计是利用控制系统的图形组态软件，通过一个或多个数据源与一个矢量图元素相关联，将静态图符与实时数据连接，包括数据变化、状态变化(如开、关、自动、手动、故障等引起的颜色变化、闪烁、字符输出、位置、大小等动态显示)，以及由鼠标或键盘的动作发出操纵命令的触摸连接等；还有包括控制系统中的光字牌等特殊对象，也可将不同类型的对象分组，或者组成图库中的图宏，方便用户调用、复制和共享，以保证各人机界面之间功能相同的图元的造型、风格、大小统一。原则上图符的动态设计不能引起操纵员在观察图符及其状态时产生任何歧义。

图符的设计采用模块化设计，特别要考虑容错原则，即应考虑到用户出错的可能并采取措施预防，在用户出错后提供提示信息。如提示输入数值范围，错误输入进行警告补救，关键操作可要求用户二次输入确认。以电动开关阀的动态设计为例(见图6)，鉴于阀的驱动方式不同，其图符的设计略有不同，动态设计也各有区别。表1为图6的动态设计说明，其他阀的设计参照执行。

图6 电动开关阀的动态设计

表1 电动开关阀的动态设计说明

4 人机界面设计实例

人机界面的设计不是单纯地将管道系统及仪表设计的工艺流程图复制成图形方式，而是进行简洁性设计，便于运维人员看到特定区域发生的事情，支持所有的正常、异常、启动、停机和切换的操作，同时让运维人员在整个过程中满足人因工程学的需要，减少人因失误或事故。以燃气轮机进气系统人机界面设计为例(见图7)，将主要设备及其监控参数在人机界面中显示出来，空气从左至右依次经过防雨罩、防鸟网、除冰系统、折板除雾器、初滤设备、精滤设备、净气室、消声器、进气管道和挡板门。设备名称根据人机界面设计规范采用宋体12号字体，用虚线指示。

图7 进气系统人机界面设计

进气挡板门和防冰控制阀采用上述的动态图符，限位开关、压差开关和设备开关状态通过特定指示显示，并在人机界面设置相应的带报警的模拟量测点图符。工艺过程量的描述通常应显示在数值的左侧和上方，符合从左至右和从上至下的显示惯例。大气温度、大气湿度、防冰系统管路压力、防冰系统管路温度、防冰控制阀的开度指令和反馈等采用不带报警的模拟量测点图符(见图8)。模拟量测点图符由两部分组成，即数值和单位；数值和单位的字体为宋体8号。初滤设备和精滤设备的压差采用带报警的模拟量测点图符，模拟量数值正常时为黑色，报警时为黄色，坏点时为紫色。无报警时，报警不显示；高报警，黄色显示“H”；高高报警，黄色显示“HH”；低报警，黄色显示“L”；低低报警，黄色显示“LL”。单位的颜色不变化，一直为黑色。

图8 模拟量测点图符

大气压力和压气机进口压力采用三选模块，在模拟量测点显示的图符的基础上，可以点击调用模拟量三选模块控制面板，对三选值可以选择取“中值”、“最大值”或“最小值”，查看各个模拟量输入值。

开关量测点通过开关量测点图符(见图9)显示开关量测点状态，开关量测点图符可用于显示压力高低、压差高、液位高低等，方格底色按测点状态变色，正常状态时框内颜色为灰色，报警状态时框内颜色为黄色，字体显示为黑色。

图9 开关量测点图符

一幅人机界面一般是按照机组分系统或者流程分布，将信息和功能进行归类、分组显示，保证相关的信息在视觉上出现在容易被人接受的群组中。

将人机界面设计原型在燃气轮机的虚拟控制系统和仿真系统中进行测试和验证，然后进行设计评价。评价指标主要分为视觉指标和交互指标，视觉指标包括界面布局、颜色种类和配色方案；交互指标包含一致性、易用性、反馈性、系统柔性、系统容错率和系统反应效率。基于评价指标组织召开界面设计评审，这将是人机界面设计后期的重点工作。

5 结语

重型燃气轮机控制系统人机界面的设计是控制系统正向设计的重要部分，在人机交互中发挥重要作用，对其友好性、可操作性和操作舒适性等方面都提出了更高的要求。利用自主开发的图形组态软件进行自主重型燃气轮机控制系统人机界面的设计和优化，开展后续的人机界面评价，形成人机界面设计完整的设计体系，是有意义的探索和工程实践，也可以推广至其他类型电力系统应用。