基于人因可靠性的核電廠數(shù)字化人機(jī)界面功能布局優(yōu)化方法研究

蔣建軍，張 力，2，王以群，彭玉元，陳 文，青 濤，李鵬程

（1.南華大學(xué)經(jīng)濟(jì)管理學(xué)院人因研究所，湖南衡陽 421001；2.湖南工學(xué)院，湖南衡陽 421002；3.廣州商學(xué)院計(jì)算機(jī)工程系，廣東廣州 510830；4.南華大學(xué)環(huán)境保護(hù)與安全工程學(xué)院，湖南衡陽 421001）

基于人因可靠性的核電廠數(shù)字化人機(jī)界面功能布局優(yōu)化方法研究

蔣建軍1，張 力1，2，王以群1，彭玉元3，陳 文4，青 濤1，李鵬程1

（1.南華大學(xué)經(jīng)濟(jì)管理學(xué)院人因研究所，湖南衡陽 421001；2.湖南工學(xué)院，湖南衡陽 421002；3.廣州商學(xué)院計(jì)算機(jī)工程系，廣東廣州 510830；4.南華大學(xué)環(huán)境保護(hù)與安全工程學(xué)院，湖南衡陽 421001）

監(jiān)視信息過程中，人的可靠性很大程度上取決于數(shù)字化人機(jī)界面中功能塊之間的布局。本文提出了基于人因可靠性的核電廠數(shù)字化人機(jī)界面功能布局優(yōu)化方法，對(duì)該優(yōu)化方法建立了一個(gè)完整的優(yōu)化流程，提出了線性逆向雜交方法，使用人因可靠性作為優(yōu)化標(biāo)準(zhǔn)。對(duì)該優(yōu)化方法進(jìn)行實(shí)驗(yàn)分析，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，線性逆向雜交方法有較好的穩(wěn)定性，本文提出的優(yōu)化方法有較好的精確性及收斂性。

數(shù)字化人機(jī)界面；人因可靠性；功能塊；布局；線性逆向雜交方法

核電廠數(shù)字化主控室操縱員通過人機(jī)界面獲取工廠當(dāng)前運(yùn)行狀況的信息。經(jīng)驗(yàn)表明，人機(jī)界面設(shè)計(jì)對(duì)信息獲取、狀態(tài)響應(yīng)、狀態(tài)評(píng)估等一系列行為存在影響。在已出現(xiàn)的事故中，由人因引起的事故占主要地位，人因事故已成為當(dāng)今事故的主要根源。

有關(guān)數(shù)字化人機(jī)界面方面的研究較多［110］，這些研究對(duì)人機(jī)界面進(jìn)行了不同角度的設(shè)計(jì)，同時(shí)考慮了諸多因素來建立更加適應(yīng)操作人員的界面。雖然有很多研究從人的因素來考慮人機(jī)界面設(shè)計(jì)，但是對(duì)核電廠數(shù)字化人機(jī)界面這一特定領(lǐng)域的研究很少，特別是根據(jù)人因可靠性建立數(shù)字化人機(jī)界面優(yōu)化方法及相關(guān)優(yōu)化函數(shù)的研究更少。

本文以核電廠數(shù)字化人機(jī)界面為研究對(duì)象，從界面布局出發(fā)，以人因可靠性為基礎(chǔ)對(duì)其進(jìn)行優(yōu)化，建立核電廠數(shù)字化人機(jī)界面單元布局優(yōu)化方法，達(dá)到減少人因事故的目的。

1 優(yōu)化方法

優(yōu)化是指對(duì)單元布局形成一個(gè)序列，之后對(duì)該序列的順序不斷改變，每改變一次，計(jì)算出對(duì)應(yīng)的監(jiān)視人因可靠性，反復(fù)循環(huán)，從而找到一種最優(yōu)的情況。核電廠數(shù)字化人機(jī)界面單元布局優(yōu)化流程示于圖1。

圖1 核電廠數(shù)字化人機(jī)界面單元布局優(yōu)化流程Fig.1 Optimal process of digital human-computer interface unit layout in nuclear power plant

1.1 模式參數(shù)編碼原則

目前的編碼方式有多種，常用的是二進(jìn)制編碼，因?yàn)槎M(jìn)制通常具有直接的語義，能將問題空間的特征與位串的基因相對(duì)應(yīng)。除二進(jìn)制編碼外，還有實(shí)數(shù)編碼、樹編碼、自適應(yīng)編碼、序列編碼、亂序編碼等。結(jié)合本文研究特點(diǎn)，本文采用序列編碼，因此，可設(shè)初始布局序列為：

其中：OS為人機(jī)界面各功能塊之間的布局序列；An為第n個(gè)功能塊。

模式是指某些特定位置的布局基本不變，選擇和交叉只在其他位置進(jìn)行組合優(yōu)化。有研究認(rèn)為［11］：重要度與使用頻率對(duì)決定功能模塊在人機(jī)界面中的位置起到重要作用，因此把重要度與使用頻率乘積高的功能布局置于視線中央。

假定序列塊3、4、5的乘積較高，因此A3、A4、A5這幾個(gè)位置不參與選擇和交叉，此即一個(gè)模式編碼方式。為能很好地表示模式位置，模式位用粗體顯示，得到的模式序列編碼為：

1.2 布局組合的線性逆向雜交方法

通常使用的雜交算子有一點(diǎn)雜交、兩點(diǎn)雜交、多點(diǎn)雜交、一致雜交、啟發(fā)式雜交、輪盤賭雜交方法等［12］。這些雜交算法中：一點(diǎn)雜交、多點(diǎn)雜交、一致雜交等主要適應(yīng)連續(xù)函數(shù)的優(yōu)化數(shù)值計(jì)算，但對(duì)非數(shù)值問題顯得無能為力；啟發(fā)式雜交［13］在非數(shù)值搜索中收斂性及穩(wěn)定性較差；輪盤賭雜交具有很大的隨意性，收斂性及穩(wěn)定性也較差。在非數(shù)值計(jì)算中，為克服尋求雜交點(diǎn)問題，本文采用線性逆向雜交方法，該方法在尋找雜交位置時(shí)是通過線性函數(shù)來實(shí)現(xiàn)的。線性函數(shù)描述如下：

該算法對(duì)如下4個(gè)問題進(jìn)行規(guī)范：1）在尋找雜交點(diǎn)位置時(shí)，若找到的位置為模式點(diǎn)則要繼續(xù)尋找雜交點(diǎn)，這樣可減少遺傳雜交次數(shù)；2）若雜交點(diǎn)位置前相鄰的基因位不包含模式位，則以該雜交點(diǎn)及其后面的基因位為雜交點(diǎn)；3）若雜交位置計(jì)算為0，則重新置雜交位為1；4）為計(jì)算方便，模式位置一般采用連續(xù)排列的方式。

雜交過程中，本方法采用逆轉(zhuǎn)的雜交布局形式，設(shè)原始序列為：

那么采用逆轉(zhuǎn)方式得到第一代雜交個(gè)體為：

從式（5）不難看出，采用逆轉(zhuǎn)雜交方式排列過程中產(chǎn)生了變異過程，這就可減少單獨(dú)變異過程所花的開銷。

總的來講，當(dāng)處理對(duì)象的規(guī)模增大時(shí)，λ應(yīng)隨之增大。為得到相對(duì)準(zhǔn)確的參數(shù)值，取不同規(guī)模的串進(jìn)行了相應(yīng)的模擬實(shí)驗(yàn)。根據(jù)實(shí)驗(yàn)迭代情況得到線性逆向雜交方法規(guī)模與λ的關(guān)系及迭代性能，結(jié)果列于表1。

從表1可看出：1）迭代收斂性較好。2）當(dāng)序列長(zhǎng)度N＝10時(shí)，增量λ1或λ2的值均小于1；當(dāng)N＝20或30時(shí)，λ1或λ2的取值可能增大到6，因此，增量λ1或λ2的取值一般與序列長(zhǎng)度呈正比。3）當(dāng)序列長(zhǎng)度N＝10時(shí)，回退次數(shù)分別為9、6、6、6；當(dāng)N＝20時(shí)，除λ1＝1、λ2＝4情況外，平均回退次數(shù)顯然比N＝10要小；同樣當(dāng)N＝30時(shí)，平均回退次數(shù)更小，因此，回退次數(shù)與迭代的序列長(zhǎng)度呈反比。4）大部分情況下，增量λ1或λ2的取值均小于1，因此，增量λ1或λ2的取值應(yīng)偏小。

1.3 基于布局進(jìn)化的人因可靠性評(píng)價(jià)方法

本研究的人因可靠性評(píng)價(jià)方法是以操縱員對(duì)人機(jī)界面監(jiān)視過程為背景，因?yàn)榻缑娌季謱?duì)監(jiān)視過程有重要影響，對(duì)狀態(tài)響應(yīng)、狀態(tài)評(píng)估及行動(dòng)過程影響幾乎為零。

表1 線性逆向雜交方法規(guī)模與λ的關(guān)系及迭代性能Table 1 Relationship between scale of linear reverse hybridization method and λand iteration performance

在Chang等［14］研究的基礎(chǔ)上，根據(jù)本研究的實(shí)際情況，人機(jī)界面監(jiān)視過程中人的影響因子列于表2。另一方面，本研究考慮了物理影響因子，結(jié)果列于表3。除上述因子外，還應(yīng)考慮時(shí)間因子，也即通過界面優(yōu)化來調(diào)整移動(dòng)時(shí)間與監(jiān)視時(shí)間之和。這里需要說明的是，表2、3所考慮的因子僅對(duì)優(yōu)化過程中人因可靠性計(jì)算結(jié)果產(chǎn)生影響，并未對(duì)這些因子進(jìn)行優(yōu)化。

表2 人機(jī)界面監(jiān)視過程中人的影響因子Table 2 Human influencing factor in monitoring process of human-computer interface

表3 人機(jī)界面監(jiān)視中物理影響因子Table 3 Physical influencing factor in monitoring process of human-computer interface

根據(jù)式（6）得到t時(shí)刻、n個(gè)節(jié)點(diǎn)的聯(lián)合分布為：

根據(jù)式（7）及本文的實(shí)際情況可得到整個(gè)監(jiān)視過程的計(jì)算式為：

其中：λ為影響因子對(duì)應(yīng)的參數(shù)值；Δ為監(jiān)視時(shí)間每段的間隔長(zhǎng)度，Δ＝T／n，n為時(shí)間間隔的數(shù)量；Δt為第一時(shí)間段與當(dāng)前時(shí)間段的時(shí)間間隔。q與n的關(guān)系為q＝n＋1。為確定n的取值進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)。從實(shí)驗(yàn)分析中可以得到如下結(jié)論：1）n不能取0和大于5；2）時(shí)間范圍為1～300，n＝2較合適；3）時(shí)間范圍為300～400，n＝1較合適；4）時(shí)間范圍為400～600，n＝3較合適；5）時(shí)間范圍為600～1 000，n＝4較合適。

根據(jù)式（8）、（9）及表2、3中監(jiān)視過程的影響因子，認(rèn)知過程失誤率計(jì)算方法進(jìn)一步化簡(jiǎn)為：

其中：j為認(rèn)知過程影響因子；λj為影響因子對(duì)應(yīng)的參數(shù)值［18］。

1.4 遺傳算法的終止條件

根據(jù)以前的研究，遺傳算法一般采用如下方法終止迭代過程：1）事先設(shè)定最大代數(shù)的方法；2）根據(jù)群體收斂程度，通過適應(yīng)值的穩(wěn)定性來判斷；3）根據(jù)算法的離線性能和在線性能的變化進(jìn)行判斷；4）采用精英保留選擇方式，按每代最佳個(gè)體的適應(yīng)值的變化情況確定。

對(duì)于本研究，根據(jù)實(shí)際情況采用的方法類似第2種方式，即當(dāng)人因可靠性基本趨于穩(wěn)定時(shí)就終止該算法流程。

2 事例分析

2.1 實(shí)驗(yàn)步驟與結(jié)果

本文選取核電廠在蒸汽發(fā)生器傳熱管斷裂過程中能總體反映工廠狀態(tài)的畫面來進(jìn)行布局優(yōu)化，該工況的原始界面示于圖2。

在實(shí)驗(yàn)過程中，除主界面外還須有輔助的警告界面、事件規(guī)程界面、規(guī)程過程中需調(diào)用的參數(shù)人機(jī)界面及主界面在進(jìn)化過程中呈現(xiàn)不同布局的界面，這一實(shí)驗(yàn)用到的模擬界面共48個(gè)，由于界面較多，這里不予列出。

主實(shí)驗(yàn)設(shè)備為德國(guó)ManGold公司的Mangold Vision MV1型眼動(dòng)儀與19寸一體聯(lián)想電腦組成的桌面視線追蹤系統(tǒng)。該眼動(dòng)儀通過瞳孔反射原理采集眼動(dòng)數(shù)據(jù)，其精度為0.1°，頭部允許移動(dòng)范圍為：左右22 cm，上下11 cm，前后15 cm，整個(gè)過程至少1只眼睛的眼動(dòng)能被捕捉到。除眼動(dòng)儀外，還使用了另外5臺(tái)電腦共構(gòu)成6個(gè)顯示屏，并使用了模擬界面軟件平臺(tái)。

實(shí)驗(yàn)前先假設(shè)原始模式串為l1＝A1A2A3A4A5A6A7A8A9A10。通過模擬實(shí)驗(yàn)及眼動(dòng)儀得到時(shí)間參數(shù)，之后根據(jù)相關(guān)公式計(jì)算得到該實(shí)驗(yàn)的所有結(jié)果。本次實(shí)驗(yàn)共進(jìn)行了10次模擬，時(shí)間參數(shù)取平均值。經(jīng)過統(tǒng)計(jì)和計(jì)算得到原始界面花費(fèi)的平均時(shí)間為234.768 s，失誤率為3.952 3×10－8。

在計(jì)算進(jìn)化時(shí)需考慮一個(gè)問題，如果實(shí)驗(yàn)過程中操縱員對(duì)這一事故中有些模塊功能無監(jiān)視，那么該模塊監(jiān)視時(shí)間為0，顯然失誤率為0。

通過數(shù)字化人機(jī)界面模擬實(shí)驗(yàn)及眼動(dòng)儀可得到監(jiān)視功能塊的時(shí)間，之后根據(jù)式（10）計(jì)算得到監(jiān)視每種布局序列下的總失誤率，具體結(jié)果列于表4。

從表4可看出，當(dāng)進(jìn)化到12次時(shí)，進(jìn)化過程較穩(wěn)定，可結(jié)束循環(huán)迭代。

2.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

本實(shí)驗(yàn)是用10次實(shí)驗(yàn)花費(fèi)的平均時(shí)間進(jìn)行計(jì)算，花費(fèi)的時(shí)間越多，表示移動(dòng)時(shí)間越長(zhǎng)，因?yàn)楸O(jiān)視時(shí)間包括在屏中尋找信息的視線移動(dòng)時(shí)間及獲取信息的時(shí)間，同一信息的獲取時(shí)間基本是一致的，總時(shí)間越多，說明移動(dòng)時(shí)間越多，移動(dòng)時(shí)間屬于時(shí)間浪費(fèi)，根據(jù)前面的計(jì)算公式，時(shí)間越多，失誤率越小，因此，這里所得結(jié)果失誤率小的界面反而布局較差，因此，從表4中得到該選取的主界面較好的布局是第3次進(jìn)化得到的優(yōu)化界面，該優(yōu)化界面如圖3所示。

3 結(jié)論

本文提出了核電廠數(shù)字化人機(jī)界面監(jiān)視布局優(yōu)化研究，目的在于提供一種對(duì)數(shù)字化人機(jī)界面的先進(jìn)優(yōu)化方法。為解決布局優(yōu)化問題建立了一完整的優(yōu)化流程迭代圖，功能塊布局采用線性逆向雜交方法進(jìn)行布局組合，適應(yīng)函數(shù)采用貝葉斯方法，基點(diǎn)是以人因可靠性為準(zhǔn)則。最后實(shí)驗(yàn)證明提出的線性逆向雜交方法具有收斂性快、穩(wěn)定性好、迭代次數(shù)較少等優(yōu)點(diǎn)，并得到了所選取的蒸汽發(fā)生器傳熱管斷裂事故的最優(yōu)化界面。

表4 實(shí)驗(yàn)過程中的參數(shù)t及人因失誤率Table 4 Human error probability and parameter t in experimental process

圖3 選取的蒸汽發(fā)生器傳熱管斷裂事故的優(yōu)化界面Fig.3 Selected optimized interface of steam generator tube rupture accident

但本文提出的模型也存在不足：對(duì)認(rèn)知影響因子考慮得不是很全面，人因可靠性分段計(jì)算次數(shù)與規(guī)模之間的關(guān)系須進(jìn)一步完善。在今后工作中，將進(jìn)一步對(duì)該模型進(jìn)行擴(kuò)展，進(jìn)一步完善數(shù)據(jù)收集及實(shí)驗(yàn)，進(jìn)一步考慮在特殊領(lǐng)域的應(yīng)用和推廣，以完善模型的精確度及完整性。

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Function Layout Optimal Method Research of Digital Human-computer Interface in Nuclear Power Plant Based on Human Reliability

JIANG Jian-jun1，ZHANG Li1，2，WANG Yi-qun1，PENG Yu-yuan3，
CHEN Wen4，QING Tao1，LI Peng-cheng1
（1.Human Factors Institute，School of Economic ＆Management，University of South China，
Hengyang 421001，China；2.Hunan Institute of Technology，Hengyang 421002，China；
3.Department of Computer Engineering，Guangzhou College of Commerce，Guangzhou 510830，China；
4.School of Environmental Protection and Safety Engineering，University of South China，Hengyang 421001，China）

In the process of information monitoring，the human reliability depends heavily on the layout among function blocks in digital human-computer interface.In this paper，the function layout optimal method based on human reliability for digital humancomputer interface of nuclear power plant was proposed，a complete optimal process was established，a linear reverse hybridization method was proposed，and the human reliability was used as optimization criterion.The experiment with the function layout optimal method was conducted.The results indicate that the linear reverse hybridization methodhas good stability and the proposed optimal method has good accuracy and convergence.

digital human-computer interface；human reliability；function block；layout；linear reverse hybridization method

X946

A

1000-6931（2015）09-1666-07

10.7538／yzk.2015.49.09.1666

2014-06-03；

2014-12-19

國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目（71071051，71371070）；湖南省重點(diǎn)學(xué)科項(xiàng)目——管理科學(xué)與工程科學(xué)資助；湖南省教育廳基金資助項(xiàng)目（14C0974）；湖南省自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目（14JJ7046）；南華大學(xué)科研支撐項(xiàng)目資助（2012XQD54）

蔣建軍（1977—），男，湖南衡陽人，講師，博士，從事人因工程、數(shù)據(jù)挖掘研究