人因視覺下核電廠數(shù)字化人機(jī)界面布局優(yōu)化方法探討

劉昊 蔣建軍 王鑫 馬曉彬 鐘潔美 歐陽娟

摘要：數(shù)字化人機(jī)界面給操縱員帶來方便的同時(shí)，也帶來挑戰(zhàn)，其中人因事件為常見的系統(tǒng)失效形式。為減少核電廠運(yùn)行過程中的人因失誤，該文從人機(jī)界面布局角度入手，以人因?yàn)榛A(chǔ)，對同一人機(jī)界面內(nèi)功能區(qū)、不同顯示屏參數(shù)信息、任務(wù)畫面布局方法分別進(jìn)行了探討，建立了布局優(yōu)化過程及算法，可為界面動態(tài)智能布局提供方法指導(dǎo)。

關(guān)鍵詞：數(shù)字化人機(jī)界面;人因失誤;布局算法

中圖分類號：TP311 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

文章編號：1009-3044（2020）08-0196-03

1 概述

數(shù)字化系統(tǒng)的使用給操縱員帶來方便的同時(shí)也帶來挑戰(zhàn)。核電廠操縱員通過人機(jī)界面獲取工廠當(dāng)前運(yùn)行狀況的信息，將獲得的信息，經(jīng)判斷、決策之后執(zhí)行相應(yīng)的行為動作，因此，核電廠操縱員在事故執(zhí)行與恢復(fù)、參數(shù)監(jiān)視、畫面配置等過程中，其可靠性與數(shù)字化人機(jī)界面布局存在相關(guān)性。進(jìn)一步，人因事故已成為當(dāng)今事故的主要根源，例如，在系統(tǒng)失效中，60* -90*歸于人誤動作[11;在1995年美國統(tǒng)計(jì)中，大約700-/o-90qo事件與人有關(guān)[2];在我國核電事故中大約有70%與人自身因素相關(guān)[3]。針對這種狀況，本項(xiàng)目以核電廠數(shù)字化人機(jī)界面為背景，從減少人因事故的角度出發(fā)，探討核電站數(shù)字化人機(jī)界面布局優(yōu)化方法，以減少人機(jī)界面對操縱員在布局方面的負(fù)荷，從而提高操縱員的可靠性。

本文主要針對數(shù)字化人機(jī)界面同一屏幕內(nèi)功能塊布局及不同的顯示屏畫面定位布局開展智能算法探討，布局度量的因素是提高人因可靠性。

2 同一人機(jī)界面功能塊布局優(yōu)化方法

同一人機(jī)界面布局優(yōu)化，主要是對各功能區(qū)位置進(jìn)行調(diào)整，以到達(dá)最優(yōu)狀態(tài)。其優(yōu)化過程如圖1。

（1）人機(jī)界面功能分區(qū)及編碼

功能區(qū)位置調(diào)整前，應(yīng)根據(jù)功能類型進(jìn)行分區(qū)，同一類型的功能構(gòu)件屬于同一功能區(qū)。分區(qū)時(shí)應(yīng)界定好功能之間的邊界區(qū)域，分完區(qū)后應(yīng)對每個(gè)區(qū)進(jìn)行編碼，編碼的目的是為在功能位置相互調(diào)整時(shí)形成排列序列。

（2）功能區(qū)位置動態(tài)組合

動態(tài)組合的目的是為了形成不同的功能布局位置，每次組合采用兩個(gè)功能區(qū)位置互換，首先從第1個(gè)位置開始分別與所有其他功能區(qū)從左到右依次組合，當(dāng)組合完后，再從序列編碼的第2個(gè)位置開始與其他功能區(qū)依次組合，依次類推，直到組合序列全部完成。

（3）人因可靠性評價(jià)

對界面功能區(qū)組合序列評價(jià)以人因可靠性為基礎(chǔ)。功能區(qū)組合布局不同，人員查找信息、參數(shù)等時(shí)間有所差異，因此功能區(qū)布局最直接的影響是時(shí)間。在人因可靠性分析方法中，人的認(rèn)知可靠性模型（HCR，Human Cognitive Reliability）能反映執(zhí)行時(shí)間對結(jié)果的影響程度，因此，本文選取HCR方法作為功能布局的評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)。

HCR方法為經(jīng)典的人因可靠性分析方法，其計(jì)算式如下[4][5]：

式（1）中，其中：η，β，γ是由數(shù)據(jù)歸納得到的與行為類別有關(guān)的威布爾分布參數(shù)。由于每個(gè)運(yùn)行班組的執(zhí)行時(shí)間可能因各類情況而有所不同，故在使用公式之前要進(jìn)行修正。在HCR模型中所考慮的關(guān)鍵的行為修正因子有訓(xùn)練（K1）、心理壓力（K2）及人機(jī)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為一般狀況（如模擬機(jī)訓(xùn)練）的執(zhí)行時(shí)間。

根據(jù)上述描述，同一人機(jī)界面各功能區(qū)布局優(yōu)化算法如下：

HCI_Layout_Algorithm0

{

String code_function[];//用于存放功能區(qū)編碼

int function_p[l;//表示功能區(qū)位置

int count;//表示功能塊數(shù)量

CaLresult[l;//人因可靠性評價(jià)結(jié)果

Scanf（“%d”，&count）;

Scanf（“qof”，”%f”，”%f”，&T1，&p，&^y）;

Scanf（“%d”，”%d”，”%d”，&k1，&k2，&k3）;

Coding（code_function[iD; //X寸每個(gè)功能區(qū)進(jìn)行編碼

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(jù)編碼，交互功能區(qū)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 不同顯示屏參數(shù)信息，任務(wù)畫面定位算法

數(shù)字化人機(jī)界面交互中，一般會涉及多個(gè)顯示屏，每個(gè)顯示屏上呈現(xiàn)的信息不同。操作人員需要轉(zhuǎn)移視線或適當(dāng)移動距離來獲取參數(shù)或執(zhí)行任務(wù)，為減少視線轉(zhuǎn)移或機(jī)械地移動距離，可通過算法把參數(shù)信息或任務(wù)布局到最佳顯示屏，從而可以減少切換、調(diào)用、獲取信息的時(shí)間，提高人因可靠性，同時(shí)可減少操作人員頻繁的視線轉(zhuǎn)移、屏之間的來回移動，從而減少操作員人員的疲勞度。其布局過程如圖2。

根據(jù)圖2，布局算法如下：

Para_tast_Position_Algorithm

{

Int count;//顯示屏的數(shù)量

Int num口;//存放顯示屏編號

Int current_p;//表示當(dāng)前操作人員位置;

Int flag;//表示信息、任務(wù)畫面是否需要切換，若為1表示需要切換

Boolean cover口;//當(dāng)前顯示屏是否需要覆蓋

Int distance;//表示當(dāng)前操作員位置與其他顯示屏之間的距離

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）//表示當(dāng)前顯示屏可以被覆蓋

（

Display information or task picture into num[kl;

If （task_finished）==0）

{

Current_p=k;

Goto L1：

）

Else

end task;

）

Else

Goto L2;

）

4 結(jié)束語

本文以核電廠數(shù)字化人機(jī)界面為背景，以人因?yàn)闇?zhǔn)則，探討了人機(jī)界面布局算法。獲得了人機(jī)界面同一屏內(nèi)功能區(qū)自動布局優(yōu)化流程及算法代碼，及不同信息、任務(wù)畫面在屏之間智能布局流程及算法。同一屏功能區(qū)布局人因依據(jù)采用HCR方法，不同屏布局過程的準(zhǔn)則是減少視線轉(zhuǎn)移距離及操作人員移動距離，從而減少操作人員疲勞，布局算法可為電廠自動布局提供方法指導(dǎo)。該文算法也存在不足，如：屏內(nèi)功能分區(qū)依據(jù)沒有說明，屏之間布局中，哪些屏能覆蓋還沒針對不同情況建立判斷序列，算法過程也有待進(jìn)一步提升。

參考文獻(xiàn)：

[1]何旭洪，黃祥瑞.工業(yè)系統(tǒng)中人的可靠性分析：原理、方法與應(yīng)用[M].北京：清華大學(xué)出版社，2007.

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

[3]黃衛(wèi)剛，張力.大亞灣核電站人因事件分析與預(yù)防對策[J].核動力工程，1998，19（1）：64-67，76.

[4]張力.概率安全評價(jià)中人因可靠性分析技術(shù)研究[D].長沙：湖南大學(xué)，2004.

[5]王洪德，高瑋.基于人的認(rèn)知可靠性（HCR）模型的人因操作失誤研究[J].中國安全科學(xué)學(xué)報(bào)，2006，16（7）：51-56，2.

【通聯(lián)編輯：梁書】

收稿日期：2019 -12 -13

基金項(xiàng)目：湖南工學(xué)院大學(xué)生創(chuàng)新訓(xùn)練項(xiàng)目，項(xiàng)目名稱：基于人因可靠性的核電廠數(shù)字化人機(jī)界面布局優(yōu)化方法研究（CX2019040）;湖南省自然科學(xué)基金（2019）40066）;湖南省社科成果委基金項(xiàng)目（XSP18YB2035）

作者簡介：劉昊，男，在讀本科生;蔣建軍，男，工學(xué)博士，副教授，