一种核电厂控制室人机界面的设计方法及系统

技术领域

本发明涉及核电技术领域，具体涉及一种核电厂控制室人机界面的设计方法及系统。

背景技术

在核电厂的数字化控制室中，操纵员使用数字化工作站完成核电厂的过程控制和状态监视。数字化工作站以显示器为主要人机界面，为操纵员提供过程控制和显示画面、报警、规程、趋势、导航和管理等功能。

人机界面的合理布置对于人机交互效率影响很大，不良的布置结果可能会导致操纵员误操作的概率增加、人机交互效率降低、忽视重要提示信息的概率增加等问题，从而对核电厂的安全运行产生负面影响。例如，报警按钮指示灯的位置不合理会导致操纵员未能及时发现高等级的报警；导航按钮的位置不合理会导致操纵员体力负荷升高而增加人因失误。

发明内容

本发明要解决的技术问题是针对现有技术存在的上述不足，提供一种核电厂控制室人机界面的设计方法及系统，可提高人机交互效率，降低操纵员的体力负荷，提高人机界面的人因适应性，从而提高核电厂运行管理的安全性。

本发明提供一种核电厂控制室人机界面的设计方法，包括：获取操纵员监控的至少两个预设布置的人机界面方案中的被监控对象所产生的生理参数；分析生理参数，并根据分析结果从所述至少两个预设布置的人机界面方案中确定出目标人机界面方案。

优选地，生理参数包括肌电信号，被监控对象包括操纵按钮。所述获取操纵员监控的至少两个预设布置的人机界面方案中的被监控对象所产生的生理参数，具体包括：分别选取人机界面的第i位置布置操纵按钮，得到N个预设布置的人机界面方案，其中，i＝1,…,N，N为大于1的正整数，操纵按钮包括画面检索按钮、画面导航按钮、画面切换按钮；获取操纵人员在同一事故场景下分别控制N个预设布置的人机界面方案中的操纵按钮的肌电信号，得到与N个预设布置的人机界面方案对应的N个肌电信号。

优选地，所述分析生理参数，并根据分析结果从预设布置的人机界面方案中确定出目标人机界面方案，具体包括：分别计算N个肌电信号的均方根值，并确定最小均方根值对应的预设布置的人机界面方案为目标人机界面方案。

优选地，生理参数包括脑电信号，被监控对象包括指示灯。

所述获取操纵员监控的至少两个预设布置的人机界面方案中的被监控对象所产生的生理参数，具体包括：分别选取人机界面的第j位置布置指示灯，得到M个预设布置的人机界面方案，其中，j＝1,…,M，M为大于1的正整数，指示灯包括应急规程按钮指示灯和报警按钮指示灯；获取操纵人员在同一事故场景下分别监视M个预设布置的人机界面方案中的指示灯的脑电信号，得到与M个预设布置的人机界面方案对应的M个脑电信号。

优选地，所述分析生理参数，并根据分析结果从至少两个预设布置的人机界面方案中确定出目标人机界面方案，具体包括：分别计算M个脑电信号的振幅阶跃变化的第一时长，并确定最小第一时长对应的预设布置的人机界面方案为目标人机界面方案。

优选地，所述分别计算M个脑电信号的振幅阶跃变化的第一时长，具体包括：分别计算M个脑电信号在指示灯触发时刻后第一次出现波动振幅时刻距离指示灯触发时刻之间的时长；将所述时长确定为M个脑电信号的振幅阶跃变化的第一时长。

进一步地，本发明还提供一种核电厂控制室人机界面的设计系统，包括获取装置和分析装置。获取装置，用于获取操纵员监控的至少两个预设布置的人机界面方案中的被监控对象所产生的生理参数。分析装置，与获取装置连接，用于分析生理参数，并根据分析结果从至少两个预设布置的人机界面方案中确定出目标人机界面方案。

优选地，生理参数包括肌电信号，被监控对象包括操纵按钮。获取装置包括第一布置单元和第一检测单元。第一布置单元，用于分别选取人机界面的第i位置布置操纵按钮，得到N个预设布置的人机界面方案，其中，i＝1,…,N，N为大于1的正整数，操纵按钮包括画面检索按钮、画面导航按钮、画面切换按钮。第一检测单元，用于获取操纵人员在同一事故场景下分别控制N个预设布置的人机界面方案中的操纵按钮的肌电信号，得到与N个预设布置的人机界面方案对应的N个肌电信号。

优选地，分析装置包括第一计算单元和第一确定单元。第一计算单元，与所述第一检测单元连接，用于分别计算N个肌电信号的均方根值。第一确定单元，与第一计算单元连接，用于确定最小均方根值对应的预设布置的人机界面方案为目标人机界面方案。

优选地，生理参数包括脑电信号，被监控对象包括指示灯。获取装置包括第二布置单元和第二检测单元。第二布置单元，用于分别选取人机界面的第j位置布置指示灯，得到M个预设布置的人机界面方案，其中，j＝1,…,M，M为大于1的正整数，指示灯包括应急规程按钮指示灯和报警按钮指示灯。第二检测单元，用于获取操纵人员在同一事故场景下分别监视M个预设布置的人机界面方案中的指示灯的脑电信号，得到与M个预设布置的人机界面方案对应的M个脑电信号。

分析装置包括第二计算单元和第二确定单元。第二计算单元，用于分别计算M个脑电信号的振幅阶跃变化的第一时长。第二确定单元，与第二计算单元连接，用于确定最小第一时长对应的预设布置的人机界面方案为目标人机界面方案。

本发明的核电厂控制室人机界面的设计方法及系统，通过操纵员对多个预设布置的人机界面方案的监控，得到相应的生理参数，并进行分析对比，选择出最优布置的人机界面方案为目标人机界面方案。换言之，选择出操纵员体力负荷轻、反应迅速的生理参数所对应的预设布置的人机界面方案为目标人机界面方案，以提高人机交互效率，降低操纵员的体力负荷，提高人机界面的人因适应性。

附图说明

图1为本发明实施例1提供的核电厂控制室人机界面的设计方法的流程示意图；

图2为本发明实施例1提供的肌电信号示意图；

图3为本发明实施例1提供的操纵按钮设计方法的示意图；

图4为本发明实施例1提供的脑电信号示意图；

图5为本发明实施例1提供的指示灯设计方法的示意图；

图6为本发明实施例1提供的第一时长的示意图；

图7为本发明实施例2提供的核电厂控制室人机界面的设计系统的结构示意图。

具体实施方式

为使本领域技术人员更好地理解本发明的技术方案，下面结合附图和实施例对本发明作进一步详细描述。

实施例1：

如图1所示，本实施例提供一种核电厂控制室人机界面的设计方法，主要用于指导核电厂控制室的数字化人机界面的设计或者应用于对多个数字化人机界面的设计结果进行评价，核电厂控制室人机界面的设计方法包括：

步骤101，获取操纵员监控的至少两个预设布置的人机界面方案中的被监控对象所产生的生理参数。

本实施例中，控制室的操纵员需要监视和操纵控制数字化人机界面的被监控对象(如操纵按钮、指示灯等)。人机界面通常分为功能区和监控信息显示区，其中，监控信息显示区位于显示器的中央区，功能区通常位于显示器的上下区域或两侧边框区域，本实施例的被监控对象主要指功能区的各操纵按钮和指示灯。例如，功能区提供的涉及人机交互效率的操纵按钮包括：

(1)画面检索按钮：用于提供进入画面检索列表的按钮。

(2)画面导航按钮：用于提供所有画面快速导航的按钮，点击该按钮后进入所有画面的导航界面。

(3)画面切换按钮：用于画面的前后页切换按钮。

功能区提供的涉及人机交互效率的按钮指示灯包括：

(1)应急规程按钮指示灯：用于提示操纵员某一应急规程已经达到执行条件的按钮指示灯，需要操纵员在感知该按钮指示灯触发(亮灯)后立即响应，即点击该按钮指示灯后进入应急规程。

(2)报警按钮指示灯：用于承担报警数量和/或报警颜色等级总体显示功能，且在该按钮指示灯触发后可点击该按钮指示灯进入报警列表。

生理参数包括肌电信号、脑电信号、眼球聚焦位置、眼球转动频率、语言表达等。通常，操纵员采用鼠标和键盘完成对被控对象的操纵控制。例如，可通过检测设备获取操纵员在操纵控制过程中小臂变化幅度、鼠标操纵频率等呈现出的肌电信号，还可通过检测设备获取操纵员在监视过程中的脑电信号、眼球聚焦位置、眼球转动频率等数据。预设布置的人机界面方案示例如画面检索按钮A分别布置在人机界面的左上角、右下角。

步骤102，分析生理参数，并根据分析结果从所述至少两个预设布置的人机界面方案中确定出目标人机界面方案。

可选地，本实施例中的生理参数包括肌电信号，被监控对象包括操纵按钮。

步骤101：获取操纵员监控的至少两个预设布置的人机界面方案中的被监控对象所产生的生理参数，具体包括：分别选取人机界面的第i位置布置操纵按钮，得到N个预设布置的人机界面方案，其中，i＝1,…,N，N为大于1的正整数，操纵按钮包括画面检索按钮、画面导航按钮、画面切换按钮；获取操纵人员在同一事故场景下分别控制N个预设布置的人机界面方案中的操纵按钮的肌电信号，得到与N个预设布置的人机界面方案对应的N个肌电信号。

步骤102：分析生理参数，并根据分析结果从预设布置的人机界面方案中确定出目标人机界面方案，具体包括：分别计算N个肌电信号的均方根值，并确定最小均方根值对应的预设布置的人机界面方案为目标人机界面方案。

本实施例中，由于画面检索按钮、画面导航按钮和画面切换按钮的使用频率极高，其布置位置对于人机交互效率影响较大，因此，对于操纵按钮的设计，可通过不同布置位置的肌电ECG(electrocardiogram)信号评价其人机交互效率和生理疲劳指数，设计目标是使操纵员的人机交互效率达到最高、生理疲劳指数达到最低，换言之，使操纵员能通过最少量的动作达到对被控对象的监控目的。例如，肌纤维的运动电位的传播导致了肌肉收缩，同时传播中的电信号在人体的软组织中引起电流场，在检测电极间便显出电位差，即肌电信号(如图2所示)。在核电厂数字化控制室中，操纵员主要通过鼠标和键盘完成操作。经过试验发现，操纵员的小臂肌电时域振幅信号与变化幅度与鼠标操纵频率呈现正相关特性，即操纵鼠标移动的距离和次数越多，操纵员的肌电信号的幅度和变化频率越大，肌电信号的均方根值就越大。在实验中，选择相同事故场景(或运行规程场景)和相同操纵员，对于布置在不同位置的画面检索按钮、画面导航按钮和前后页画面切换按钮进行测试，记录操纵员的小臂原始肌电信号，得到如图2中所示的上部分信号曲线。随后对其进行标准化转换(取其均方根值，得到如图2中所示的下部分曲线)，选取肌电信号均方根最小值所对应的预设布置的人机界面方案为目标人机界面方案。具体地，如图3所示，在功能区选取N个不同的位置布置操纵按钮，以形成N个预设布置的人机界面方案，然后在被试人员的小臂上穿戴肌电传感器设备，选取某一固定的事故场景进行测试，由被试人员执行该场景，即被试人员按照操作规程开始执行控制操作，通过第一个预设布置的人机界面方案的画面、导航和切换按钮完成不同操作画面的切换直至完成规程，记录被试人员的连续肌电数据。随后对第二个预设布置的人机界面方案选取同一事故场景进行测试，直至针对N个预设布置的人机界面方案得到N个连续肌电数据，然后从中选取肌电数据的均方根最小值所对应的预设布置的人机界面方案为目标人机界面方案。

可选地，生理参数包括脑电数据，被监控对象包括指示灯。

步骤101：获取操纵员监控的至少两个预设布置的人机界面方案中的被监控对象所产生的生理参数，具体包括：分别选取人机界面的第j位置布置指示灯，得到M个预设布置的人机界面方案，其中，j＝1,…,M，M为大于1的正整数，指示灯包括应急规程按钮指示灯和报警按钮指示灯；获取操纵人员在同一事故场景下分别监视M个预设布置的人机界面方案中的指示灯的脑电信号，得到与M个预设布置的人机界面方案对应的M个脑电信号。

步骤102：分析生理参数，并根据分析结果从至少两个预设布置的人机界面方案中确定出目标人机界面方案，具体包括：分别计算M个脑电信号的振幅阶跃变化的第一时长，并确定最小第一时长对应的预设布置的人机界面方案为目标人机界面方案。

本实施例中，对于人机界面中的应急规程按钮指示灯或报警按钮指示灯的位置布置，应使操纵员在发现指示灯触发(灯亮)后可以迅速选择进入相关规程。对于应急规程按钮指示灯或报警按钮指示灯的颜色和布置，通过脑电EEG信号进行评价与优化设计。由于脑电是用来测量和分析由脑神经元内的离子电流引起的电压波动信号，通过在大脑皮层特定神经中枢对应的头皮位置上布置电极，记录一段时间内各区域神经元放电现象，绘制成随时间变化的动态曲线，得到脑电图，脑电图可以反映一段时间内大脑皮层活跃情况，如图3所示的脑电信号示意图，大脑受到声、光等刺激，会发生诱发脑电信号，这类信号与外界刺激有明显关系，重复刺激得到的电位波形基本形同。当应急规程按钮指示灯亮起(触发)时，意味着电厂进入事故紧急状态，经过试验发现，操纵员的EGG脑电信号振幅会在观察到指示灯亮起后产生显著变化，振幅阶跃时间距离应急规程按钮指示灯亮起时刻越早，意味着操纵员能更及时发现紧急状态。在实验中，选择相同场景和相同被试人员，对于布置在不同位置和不同颜色的应急规程指示灯进行测试，记录其脑电信号，取振动幅度最先变化者为最优设计。图4中为脑电不同测点的脑电EEG信号，应选取额叶区域信号为最佳，设计目标是使操纵员能在最短时间意识或感知到报警按钮指示灯或应急规程按钮指示灯的触发情况。具体地，如图5所示，在功能区选取M个不同的位置布置指示灯(或按钮指示灯)，以形成M个预设布置的人机界面方案。然后在被试人员穿戴脑电设备，选取某一固定的事故场景进行测试。针对第一个预设布置的人机界面方案，在场景开始后的短期3分钟的正常监视后，报警按钮指示灯亮起，1分钟后应急规程按钮指示灯亮起，30秒后事故场景结束，在场景结束后记录保存脑电数据，并提取额叶脑电信号。随后对第二个预设布置的人机界面方案选取同一事故场景进行测试，直至针对M个预设布置的人机界面方案得到M个额叶脑电信号，然后从中选取振幅最先变化所对应的预设布置的人机界面方案为目标人机界面方案。

可选地，分别计算M个脑电数据的振幅阶跃变化的第一时长，具体包括：分别计算M个脑电信号在指示灯触发时刻后第一次出现波动振幅时刻距离指示灯触发时刻之间的时长；将所述时长确定为M个脑电信号的振幅阶跃变化的第一时长。

本实施例中，如图6所示，第一时长指额叶脑电信号中波动振幅最高对应的时刻(t

本实施例的核电厂控制室人机界面的设计方法，通过测量操纵员在与多个预设布置的人机界面交互时的人员生理参数分析评价人机界面的布置合理性，经过多次实验，根据实验结果指导人机界面的优化布置与设计，有效降低用户在操作人机界面时的认知负荷、提高人机交互效率和态势感知水平，从而提高人机交互效率，降低操纵员的体力负荷，提高人机界面的人因适应性，从而提高核电厂运行管理的安全性。

实施例2：

本实施例提供一种核电厂控制室人机界面的设计系统，包括获取装置21和分析装置22。

获取装置21，用于获取操纵员监控的至少两个预设布置的人机界面方案中的被监控对象所产生的生理参数。分析装置22，与获取装置21连接，用于分析生理参数，并根据分析结果从至少两个预设布置的人机界面方案中确定出目标人机界面方案。

可选地，生理参数包括肌电数据，被监控对象包括操纵按钮。

获取装置包括第一布置单元和第一检测单元。第一布置单元，用于分别选取人机界面的第i位置布置操纵按钮，得到N个预设布置的人机界面方案，其中，i＝1,…,N，N为大于1的正整数，操纵按钮包括画面检索按钮、画面导航按钮、画面切换按钮。第一检测单元，用于获取操纵人员在同一事故场景下分别控制N个预设布置的人机界面方案中的操纵按钮的肌电信号，得到与N个预设布置的人机界面方案对应的N个肌电信号。

可选地，分析装置包括第一计算单元和第一确定单元。

第一计算单元，与所述第一检测单元连接，用于分别计算N个肌电信号的均方根值。第一确定单元，与第一计算单元连接，用于确定最小均方根值对应的预设布置的人机界面方案为目标人机界面方案。

可选地，生理参数包括脑电数据，被监控对象包括指示灯。

获取装置包括第二布置单元和第二检测单元。

第二布置单元，用于分别选取人机界面的第j位置布置指示灯，得到M个预设布置的人机界面方案，其中，j＝1,…,M，M为大于1的正整数，指示灯包括应急规程按钮指示灯和报警按钮指示灯。

第二检测单元，用于获取操纵人员在同一事故场景下分别监视M个预设布置的人机界面方案中的指示灯的脑电信号，得到与M个预设布置的人机界面方案对应的M个脑电信号。

可选地，分析装置包括第二计算单元和第二确定单元。

第二计算单元，用于分别计算M个脑电信号的振幅阶跃变化的第一时长。

第二确定单元，与第二计算单元连接，用于确定最小第一时长对应的预设布置的人机界面方案为目标人机界面方案。

可以理解的是，以上实施方式仅仅是为了说明本发明的原理而采用的示例性实施方式，然而本发明并不局限于此。对于本领域内的普通技术人员而言，在不脱离本发明的精神和实质的情况下，可以做出各种变型和改进，这些变型和改进也视为本发明的保护范围。