王　飛，陸古兵，張龍飛，宋　輝，葉博書(shū)

(海軍工程大學(xué) 核能科學(xué)與工程系，武漢　430033)

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基于In Touch的核反應(yīng)堆控制系統(tǒng)人機(jī)界面設(shè)計(jì)

王飛，陸古兵，張龍飛，宋輝，葉博書(shū)

(海軍工程大學(xué) 核能科學(xué)與工程系，武漢430033)

摘要：建立一套完整的核反應(yīng)堆控制系統(tǒng)人機(jī)界面在核能應(yīng)用領(lǐng)域具有重要的作用，它既可以實(shí)現(xiàn)操縱員與反應(yīng)堆間的遠(yuǎn)程控制，又可以為反應(yīng)堆操縱員提供運(yùn)行支持，同時(shí)人力資源方面也可以?xún)?yōu)化，簡(jiǎn)化操縱員配置；隨著計(jì)算機(jī)控制技術(shù)的不斷發(fā)展，通過(guò)計(jì)算機(jī)開(kāi)發(fā)人機(jī)界面進(jìn)行控制系統(tǒng)信息交互的方式逐漸成為控制領(lǐng)域的主流；主要研究通過(guò)In Touch進(jìn)行核反應(yīng)堆控制系統(tǒng)的人機(jī)界面開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)，模擬核反應(yīng)堆運(yùn)行過(guò)程中的參數(shù)監(jiān)控、異常參數(shù)的語(yǔ)音報(bào)警、診斷處置等，為今后的核反應(yīng)堆控制系統(tǒng)人機(jī)界面優(yōu)化提供借鑒，使核反應(yīng)堆控制系統(tǒng)人機(jī)界面更加完整、合理、人性化。

關(guān)鍵詞:人機(jī)界面；組態(tài)軟件(In Touch)；控制系統(tǒng)；窗口

目前，核能尤其是核電行業(yè)的迅速發(fā)展，為解決能源危機(jī)做出了巨大貢獻(xiàn)。由于利用核能的同時(shí)也伴隨著放射性物質(zhì)的排放，對(duì)環(huán)境及人身體危害嚴(yán)重[1-4]。因此，核能的利用過(guò)程充滿(mǎn)了危險(xiǎn)性，為了更好及安全的利用核能，對(duì)其過(guò)程進(jìn)行安全、有效的控制十分重要。本文主要研究在核反應(yīng)堆控制系統(tǒng)中引進(jìn)人機(jī)界面的方法，通過(guò)人機(jī)交互的形式實(shí)現(xiàn)操縱員與設(shè)備間信息的遠(yuǎn)程傳遞與交換，并模擬參數(shù)監(jiān)控、異常語(yǔ)音報(bào)警及相應(yīng)的操作指導(dǎo)過(guò)程。

1人機(jī)界面概述

人機(jī)界面是人機(jī)交互的基礎(chǔ)，是人與機(jī)器間的媒介[5]。人機(jī)界面實(shí)現(xiàn)了人與各設(shè)備間的信息傳遞和交互，方便人們對(duì)設(shè)備進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控和觀(guān)察。隨著計(jì)算機(jī)控制技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的迅速發(fā)展，人機(jī)界面作為人與機(jī)器之間傳話(huà)筒，其技術(shù)也從最初依靠簡(jiǎn)單的語(yǔ)言命令、菜單選項(xiàng)發(fā)展到現(xiàn)今可以面對(duì)對(duì)象的可視化交互，應(yīng)用范圍越來(lái)越廣，技術(shù)也越來(lái)越成熟[6]，逐漸成為各行各業(yè)必不可少的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。它的發(fā)展總體來(lái)說(shuō)大致分為4個(gè)階段，分別是：

初創(chuàng)期(1959—1970)：在這段期間，美國(guó)學(xué)者B.Shackel撰寫(xiě)的一篇關(guān)于計(jì)算機(jī)控制平臺(tái)設(shè)計(jì)的人機(jī)工程學(xué)論文被認(rèn)為是人機(jī)界面研究的第一篇文獻(xiàn)；

奠基期(1970—1979)：在這段時(shí)期，主要出版了四本關(guān)于人機(jī)工程學(xué)的專(zhuān)著及成立了兩個(gè)HCI研究中心；

發(fā)展期(1980—1995)：這段時(shí)期，從理論和實(shí)踐上對(duì)人機(jī)交互界面進(jìn)行總結(jié)，出版了六本專(zhuān)著，強(qiáng)調(diào)了計(jì)算機(jī)的反饋?zhàn)饔茫?/p>

提高期(1996—)：這段時(shí)期，人機(jī)交互研究的重點(diǎn)主要放在智能化交互、多通道交互、多媒體交互等以人為中心的人機(jī)交互技術(shù)方面[7]。

人機(jī)界面經(jīng)過(guò)長(zhǎng)期的發(fā)展，目前已有很多成熟的產(chǎn)品投入使用，在核電領(lǐng)域，正在使用的人機(jī)界面系統(tǒng)有國(guó)內(nèi)外均使用的安全參數(shù)顯示系統(tǒng)(SPDS)，該系統(tǒng)主要用于向操縱員提供一組能夠反映核電廠(chǎng)設(shè)計(jì)狀態(tài)的最小參數(shù)集[8]。國(guó)內(nèi)的大亞灣核電廠(chǎng)采用的安全監(jiān)督盤(pán)系統(tǒng)，它具有第一故障識(shí)別、執(zhí)行機(jī)構(gòu)監(jiān)督、事故規(guī)程選擇、電站狀態(tài)監(jiān)測(cè)等功能[9]；田灣核電廠(chǎng)采用的穩(wěn)壓器安全閥狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)具有全過(guò)程實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)穩(wěn)壓器安全閥的各項(xiàng)性能參數(shù)的功能[10]。

1.1人機(jī)界面設(shè)計(jì)分析

人機(jī)界面在現(xiàn)實(shí)世界中是一個(gè)虛擬的東西，需要載體把它呈現(xiàn)給操縱員。開(kāi)發(fā)者通過(guò)這個(gè)載體進(jìn)行人機(jī)界面設(shè)計(jì)，結(jié)合PLC、變頻器、儀表等現(xiàn)場(chǎng)控制設(shè)備對(duì)某一控制系統(tǒng)進(jìn)行監(jiān)控，再利用顯示器進(jìn)行信息交互，從而實(shí)現(xiàn)操縱員對(duì)某一對(duì)象的人機(jī)交互[6]。但是，在對(duì)某控制系統(tǒng)人機(jī)界面開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)時(shí)通常需要按照對(duì)象情況進(jìn)行設(shè)計(jì)，其設(shè)計(jì)過(guò)程一般包括以下幾個(gè)方面：選擇硬件設(shè)備組成開(kāi)發(fā)人機(jī)界面的硬件環(huán)境；選擇開(kāi)發(fā)人機(jī)界面的工具，本文主要用組態(tài)軟件(InTouch)開(kāi)發(fā)人機(jī)界面內(nèi)容設(shè)計(jì)，使其合理、有效地反映某一控制系統(tǒng)。

1.2選擇人機(jī)界面開(kāi)發(fā)工具

目前，人機(jī)界面的開(kāi)發(fā)工具有很多種，如MCGS昆侖通態(tài)、力控、InTouch等，本文主要利用InTouch進(jìn)行開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)。InTouch是Wonderware公司生產(chǎn)的一種工業(yè)自動(dòng)化軟件，它可以快速構(gòu)造監(jiān)控系統(tǒng)，并通過(guò)數(shù)據(jù)庫(kù)的配置實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)的采集處理，再以動(dòng)畫(huà)鏈接、報(bào)警處理、歷史曲線(xiàn)等多種方式向開(kāi)發(fā)者提供解決某一控制系統(tǒng)的實(shí)施方案[11]。由于其簡(jiǎn)單靈活的可視化操作界面、實(shí)時(shí)性強(qiáng)、良好的并行處理性能、廣泛的數(shù)據(jù)獲取和強(qiáng)大的數(shù)據(jù)處理功能等優(yōu)勢(shì)，使它在控制領(lǐng)域的應(yīng)用越來(lái)越廣泛。例如DCS在火電廠(chǎng)主控系統(tǒng)中的應(yīng)用就是以InTouch作為系統(tǒng)的監(jiān)控軟件，并利用日本山武公司的HARMONAS系統(tǒng)進(jìn)行火電廠(chǎng)主控系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)，采用RTC進(jìn)行工程組態(tài)實(shí)現(xiàn)的[12]。核反應(yīng)堆控制系統(tǒng)通過(guò)人機(jī)界面實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互的過(guò)程如圖1所示。

圖1　核反應(yīng)堆控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)流程

如圖1所示，核反應(yīng)堆參數(shù)監(jiān)測(cè)控制系統(tǒng)從核反應(yīng)堆裝置收集運(yùn)行參數(shù)后，傳給監(jiān)測(cè)參數(shù)信息轉(zhuǎn)換模塊進(jìn)行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換(實(shí)時(shí)數(shù)據(jù))，然后存入核反應(yīng)堆數(shù)據(jù)庫(kù)中；狀態(tài)監(jiān)測(cè)軟件模塊從核反應(yīng)堆數(shù)據(jù)庫(kù)獲取數(shù)據(jù)進(jìn)行核反應(yīng)堆狀態(tài)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，并將獲取的參數(shù)與故障診斷軟件模塊從數(shù)據(jù)庫(kù)中獲取的故障參數(shù)進(jìn)行對(duì)比，異常時(shí)則運(yùn)行該故障診斷軟件模塊，診斷核反應(yīng)堆事故性質(zhì)，同時(shí)激活故障指導(dǎo)軟件模塊從數(shù)據(jù)庫(kù)獲取指導(dǎo)參數(shù)給出相應(yīng)的故障操作指導(dǎo)，處理后再回到狀態(tài)監(jiān)測(cè)軟件模塊，并對(duì)異常參數(shù)進(jìn)行存儲(chǔ)，同時(shí)故障參數(shù)、指導(dǎo)參數(shù)存回?cái)?shù)據(jù)庫(kù)中。狀態(tài)監(jiān)測(cè)軟件模塊、故障診斷軟件模塊及故障指導(dǎo)軟件模塊的相應(yīng)信息均在人機(jī)界面顯示，操縱員通過(guò)顯示器進(jìn)行人機(jī)交互，實(shí)現(xiàn)操縱員對(duì)核反應(yīng)堆裝置系統(tǒng)的監(jiān)控與判斷。

2核反應(yīng)堆控制系統(tǒng)人機(jī)界面設(shè)計(jì)

2.1功能需求分析

日本福島核事故的發(fā)生，引發(fā)了人們的思考，建立一套實(shí)現(xiàn)對(duì)反應(yīng)堆參數(shù)監(jiān)控、異常診斷、語(yǔ)音報(bào)警、智能操縱等功能于一體的人機(jī)交互界面成為核能應(yīng)用控制領(lǐng)域的重要課題，是實(shí)現(xiàn)核能應(yīng)用更加安全、可靠的基礎(chǔ)。該人機(jī)界面的設(shè)計(jì)需滿(mǎn)足以下功能：

查閱資料設(shè)置各參數(shù)的閾值，可以在WindowView中模擬反應(yīng)堆的運(yùn)行參數(shù)監(jiān)測(cè)，在實(shí)際應(yīng)用時(shí)，界面顯示的是反應(yīng)堆的實(shí)時(shí)運(yùn)行參數(shù)；對(duì)運(yùn)行參數(shù)監(jiān)控，當(dāng)運(yùn)行參數(shù)中有異常時(shí)，將實(shí)現(xiàn)參數(shù)異常與語(yǔ)音報(bào)警同步的方式提醒操縱員注意反應(yīng)堆的運(yùn)行狀況，在實(shí)際應(yīng)用中，表示反應(yīng)堆當(dāng)前處于危險(xiǎn)狀態(tài)，操縱員能夠及時(shí)的觀(guān)察到異常來(lái)源；實(shí)現(xiàn)參數(shù)異常情況的診斷，并給出診斷結(jié)果的處置指導(dǎo)，排除反應(yīng)堆的異常運(yùn)行。在實(shí)際應(yīng)用中，操縱員需要對(duì)反應(yīng)堆的當(dāng)前運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行有效判斷，并及時(shí)排除異常；用戶(hù)可以通過(guò)界面中菜單條上的設(shè)備詳情、事故類(lèi)型、控制系統(tǒng)等對(duì)反應(yīng)堆進(jìn)行相關(guān)知識(shí)學(xué)習(xí)，鞏固基礎(chǔ)知識(shí)。

2.2人機(jī)界面開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)過(guò)程

這里以菜單、界面布局、參數(shù)監(jiān)控、異常報(bào)警操作指導(dǎo)的設(shè)計(jì)過(guò)程為例進(jìn)行說(shuō)明。在InTouch應(yīng)用程序管理器中新建一個(gè)任務(wù)，選擇WindowMaker進(jìn)行人機(jī)界面主界面開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)。先新建各窗口，在頂端添加菜單按鈕。然后選主界面按鈕右擊選擇動(dòng)畫(huà)鏈接中的動(dòng)作觸動(dòng)按鈕，其相關(guān)腳本如表1所示。

表1　主界面按鈕相關(guān)腳本

主界面設(shè)計(jì)效果如圖2所示。

圖2　主界面設(shè)計(jì)風(fēng)格

圖2中，頂端為菜單選項(xiàng)，底端為參數(shù)單位，右邊黑色區(qū)域?yàn)閰?shù)信息欄。進(jìn)行菜單開(kāi)發(fā)時(shí)，在各按鈕上設(shè)計(jì)有指示燈框，表示當(dāng)單擊該按鈕時(shí)，該按鈕上的指示燈變黑色，表示界面顯示為當(dāng)前交互內(nèi)容。單擊其他按鈕時(shí)，其他按鈕指示燈變黑色，上一次按鈕指示燈滅，表示界面切換到其他界面。

對(duì)菜單選項(xiàng)的二級(jí)菜單，其菜單窗口以彈窗彈出，設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)過(guò)程為：按照按鈕大小新建彈窗窗口，并添加相應(yīng)的內(nèi)容，其相關(guān)腳本實(shí)現(xiàn)過(guò)程如表2所示。

表2　二級(jí)菜單實(shí)現(xiàn)過(guò)程相關(guān)腳本

對(duì)于三級(jí)菜單，設(shè)計(jì)時(shí)置于底層，設(shè)計(jì)效果如圖3所示，當(dāng)前顯示的界面為二級(jí)菜單下的“一回路系統(tǒng)”；其中“RCP測(cè)溫旁路系統(tǒng)”、“RCP卸壓階段水位測(cè)量系統(tǒng)”為三級(jí)菜單按鈕，當(dāng)單擊時(shí)，界面顯示相應(yīng)按鈕對(duì)應(yīng)的交互內(nèi)容，對(duì)應(yīng)的按鈕指示燈變黑色。

圖3　二級(jí)菜單間的切換

對(duì)于參數(shù)監(jiān)控的人機(jī)界面設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)時(shí)除了參數(shù)的正常顯示外，還增加了異常參數(shù)的變色閃爍與語(yǔ)音播報(bào)同步的方式進(jìn)行報(bào)警提醒，即當(dāng)監(jiān)控的某一參數(shù)異常時(shí)，參數(shù)信息顯示欄中的參數(shù)變灰白，設(shè)備處的參數(shù)所在矩形框變灰黑閃爍，彈出某一參數(shù)異常的警示窗口，同時(shí)播放相應(yīng)音頻文件進(jìn)行語(yǔ)音提醒，該音頻文件格式為.wav，存儲(chǔ)路徑為”d:sound某參數(shù)超限.wav”，在WindowMaker中的條件腳本下寫(xiě)入代碼進(jìn)行調(diào)用，以冷卻劑入口(進(jìn)口)溫度超限為例，其實(shí)現(xiàn)過(guò)程相關(guān)腳本如表3所示，設(shè)計(jì)圖如圖4所示。

其他界面的設(shè)計(jì)過(guò)程相似，這里只是舉幾個(gè)進(jìn)行相應(yīng)說(shuō)明。

2.3人機(jī)界面使用效果

這里以冷卻劑入口溫度為例進(jìn)行該人機(jī)界面的參數(shù)監(jiān)控、異常參數(shù)的語(yǔ)音報(bào)警、診斷處置等界面使用效果研究。鑒于反應(yīng)堆冷卻劑入口溫度的正常工作范圍為280～300℃，所以在設(shè)計(jì)時(shí)，取最高溫度300℃為限值溫度，當(dāng)參數(shù)項(xiàng)監(jiān)測(cè)到冷卻劑入口溫度≥300℃時(shí)，就會(huì)出現(xiàn)如圖4所示的語(yǔ)音報(bào)警界面。

表3　語(yǔ)音報(bào)警相關(guān)腳本

圖4　參數(shù)異常報(bào)警界面

當(dāng)單擊彈出界面的“請(qǐng)操作”按鈕，界面自動(dòng)跳轉(zhuǎn)至操作指導(dǎo)界面，如圖5所示。

圖5　異常處置界面

異常診斷完畢后，參數(shù)回歸正常，界面跳轉(zhuǎn)至參數(shù)監(jiān)控界面，即圖4中無(wú)異常時(shí)的界面。通過(guò)模擬使用，該人機(jī)界面具有以下幾個(gè)方面的優(yōu)勢(shì)：

主界面通過(guò)矩形填充框的方式與參數(shù)鏈接，可以更加形象的觀(guān)察參數(shù)的走勢(shì)，對(duì)較高參數(shù)提前做好準(zhǔn)備；把語(yǔ)音報(bào)警系統(tǒng)與異常參數(shù)變色閃爍結(jié)合進(jìn)行提醒，可以減輕操縱員負(fù)擔(dān)，緩解緊張心態(tài)，而且報(bào)警具有全局性；可以為核反應(yīng)堆控制系統(tǒng)人機(jī)界面優(yōu)化及后續(xù)開(kāi)發(fā)提供基礎(chǔ)及參考平臺(tái)；為核電站簡(jiǎn)化操縱員配置提供技術(shù)支持，即當(dāng)建立一套完整的核反應(yīng)堆控制系統(tǒng)人機(jī)界面后，可以減少操縱員的配置，節(jié)約人力資源；為后續(xù)數(shù)據(jù)庫(kù)開(kāi)發(fā)提供界面支持，同時(shí)也為操縱員提供學(xué)習(xí)資源，操縱員可以在該界面進(jìn)行專(zhuān)業(yè)知識(shí)學(xué)習(xí)，提高專(zhuān)業(yè)技能。

3結(jié)束語(yǔ)

在InTouch中通過(guò)窗口腳本、按鈕腳本、對(duì)象腳本的綜合搭配使用，可以實(shí)現(xiàn)各窗口間的信息交互，并且參數(shù)監(jiān)控具有全局性，即異常參數(shù)在各界面均出現(xiàn)報(bào)警提醒。同時(shí)結(jié)合TTS技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)報(bào)警信息的語(yǔ)音播放，即異常參數(shù)出現(xiàn)的同時(shí)，語(yǔ)音播放該異常參數(shù)信息，這種報(bào)警方式可以及時(shí)處置異常信息，緩解操縱員緊張心態(tài)，降低事故的發(fā)生率。

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(責(zé)任編輯楊繼森)

本文引用格式：王飛，陸古兵，張龍飛，宋輝，等.基于In Touch的核反應(yīng)堆控制系統(tǒng)人機(jī)界面設(shè)計(jì)[J].兵器裝備工程學(xué)報(bào)，2016(5):135-138.

Citation format:WANG Fei,LU Gu-bing,ZHANG Long-fei,SONG Hui,et al.HMI Design of Nuclear Reactor Control System Based On In Touch[J].Journal of Ordnance Equipment Engineering,2016(5):135-138.

HMI Design of Nuclear Reactor Control System Based On In Touch

WANG Fei,LU Gu-bing,ZHANG Long-fei,SONG Hui,YE Bo-shu

(Department of Nuclear Energy Science and Engineering, Naval University of Engineering,Wuhan 430033,China)

Abstract:Establishing a complete nuclear reactor control system HMI has an important role in nuclear energy applications,which can achieve the remote control between the operator and the reactor.It also can provide the support of operation for operator,and optimize the human resources and simplify the operator configuration.With continuously developing of computer control technology,the way to develop HMI to achieve information exchange of control system by computer has become the mainstream in the field of control.The article mainly studied HMI of nuclear reactor control system designed by In Touch,and simulated the parameter monitoring,voice alarm of abnormal parameters and diagnostic disposal during operation,aiming to provide a reference for the optimization of future HMI of nuclear reactor control system and to make HMI of nuclear reactor control system more comprehensive,rational and humanization.

Key words:HMI; configuration software(In Touch); control system; window

doi:【基礎(chǔ)理論與應(yīng)用研究】10.11809/scbgxb2016.05.032

收稿日期：2015-10-22；修回日期：2015-11-25

作者簡(jiǎn)介：王飛(1992—)，男，碩士研究生，主要從事反應(yīng)堆運(yùn)行控制與仿真研究。

中圖分類(lèi)號(hào)：TL363

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：2096-2304(2016)05-0135-04