分散控制系统人机交互界面新技术发展

（2011--2012年度第一学期）名称：分散控制系统与现场总线技术题目：分散控制系统人机交互界面新技术发展综述院系：班级： 学号： 学生姓名： 指导教师： 设计周数： 」 成绩： 日期：年月日分散控制系统与现场总线技术》课程设计任务书一、目的与要求1．通过本课程设计教学环节，使学生加深对所学课程内容的理解和掌握；2．结合工程问题，培养提高学生查阅文献、相关资料以及组织素材的能力；3．培养锻炼学生结合工程问题独立分析思考和解决问题的能力；4．要求学生能够运用所学课程的基本理论和设计方法，根据工程问题和实际应用方案的要求，进行方案的总体设计和分析评估；5．报告原则上要求依据相应工程技术规范进行设计、制图、分析和撰写等。二、主要内容1．每个学生依据个人情况选择课程设计题目；2．分散控制系统抗干扰技术与安全可靠性措施综述；3．分散控制系统工程应用方案设计分析；4．现场总线技术发展应用综述；5．基于现场总线技术的工程应用方案设计分析；6．分散控制系统差错、容错控制技术设计分析；7．工程师站、操作员站功能应用综述；8．现场控制站工程应用控制方案设计分析；8.SOE、事故追忆技术分析综述；9．分散控制系统接地系统设计与可靠性分析；10.分散控制系统电源安全供电系统配置方案综述。三、进度计划序号设计内容完成时间备注1选择课程设计题目，查阅相关文献资料2文献资料的学习根据所选题目进行方案设计3与指导教师讨论设计内容、修改设计方案4撰写课程设计报告5课程设计答辩四、设计成果要求1．针对所选题目的国内外应用发展概述；2．课程设计正文内容，包括设计方案、硬件电路和软件流程，以及综述、分析等3．课程设计总结或结论以及参考文献；4．要求设计报告规范完整按照《华北电力大学课程设计标准格式》撰写。五、考核方式《分散控制系统与现场总线技术》课程设计成绩评定依据如下：1．课程设计报告；2．独立工作能力及设计过程的表现；3．答辩时回答问题情况。成绩综合评定分为优、良、中、及格、不及格五个等级。学生姓名：指导教师：年月日正文一、引言分散控制系统(DCS)是当代火力发电厂控制系统的一种标准模式，是监视、控制发电机组运行的中枢系统。随着计算机技术和现代控制技术的飞速发展，DCS对发电机组监控覆盖面日趋完善，其渗透深度也随之增强。火电厂安全经济运行对DCS的依赖性也越来越大。人机界面(Human-computerInterface，简称HCI)又称人机接口或用户界面，它是用户与计算机系统交换信息的媒介，是由人、硬件、软件、环境结合而构成的，是用户使用计算机系统的综合操作环境。友好的人机界面能够对用户产生持久的吸引力，促进人机整体效益达到最佳。相反，不良的人机界面会使用户情绪低落、工作效率低下、操作错误增加，甚至导致决策失误和严重事故。1979年美国三哩岛核电站事故的分析调查表明，酿成灾难的一个重要原因是控制室的人机界面总体设计上的缺陷——指示仪表的分散、零乱、庞杂，使操作员无法快速判断当前状态和事故本质，从而接连采取错误操作，最终导致堆芯熔化。运行人员主要是通过电厂控制室计算机屏幕监控电能的生产过程,直接与DCS软件提供的人机界面打交道，间接完成对机组设备的控制。DCS对电厂对保证发电厂安全、稳定运行有着重大的意义，而人机界面又是电厂DCS的一个关键环节，所以说DCS人机界面非常重要。好的DCS人机界面能提升电厂运行人员分析、解决系统问题的速度，提高运行人员日常监盘以及处理事故时的效率，为机组的稳定运行和安全控制提供保障。相反，不合理的人机界面会减低运行人员的工作效率，甚至会间接影响到系统的安全性和稳定性。近些年，计算机技术获得了日新月异的发展，具体体现在：DCS的硬件在不断地改进，如高性能处理器、板卡等。人机交互技术也获得了巨大的发展，如3D技术、多媒体、多通道技术、虚拟现实等。日常软件人机界面出现巨大改观，如微软公司新一代操作系统Vista,即时通讯软件QQ,网页浏览器Maxthon等。相比之下，DCS的人机界面发展则要缓慢很多，仍沿用上世纪90年代初期的软件界面风格，显示方式较为单一，没有充分借鉴新的计算机技术。随着电力系统的不断扩大、高参数大容量机组的投产、设备的不断更新，使得发电厂现场运行状态日益复杂，数据激增，需要监控的信息越来越多(I/O点数、控制回路数等)，这对DCS的人机界面提出了更高的要求，也使得电厂运行人员的工作任务量越来越繁重，在很多情况下，现有的DCS人机界面及其交互技术并不能很好地完成任务。综上所述，对DCS人机界面进行改进是很有必要的。二、 国内外研究水平综述人机界面的发展过程，是从人适应计算机到计算机不断地适应人的发展过程，它经历了四个阶段：早期的手工操作阶段这一阶段的特点是人去适应笨拙的计算机，人们用二进制的机器语言编写程序，用各种开关、指示灯、卡片上的孔来表示数据或指令进行人机交互。即使是计算机专家也认为这种交互方式不直观、易出错、操作复杂。作业控制语言及交互命令语言阶段这一阶段的特点是计算机的主要使用者(程序员)可采用批处理作业语言或交互命令语言的方式和计算机打交道，虽然要记忆许多命令和熟练地敲键盘，但已可用较方便的手段来调试程序，了解计算机执行情况。其缺点是易出错、不友好，且不易于学习。图形用户界面(GUI)阶段GUI的主要特点是WIMP界面，即以窗口(Window)、图标(Icon)、菜单(Menu)和指点装置(Pointingdevice)为基础的人机界面技术。由于GUI简明易学，减少了键盘命令，因而使不懂计算机的普通用户也可以熟练地使用，开拓了用户人群，它的出现使信息产业得到空前的发展。图形用户界面使用图形的方式，借助菜单、按钮等界面元素，为用户提供界面友好的桌面操作环境。例如：回收站、文件夹等，都运用了更加直观、更容易识别的图标来表示。用户可以使用键盘、鼠标、遥控器等输入设备或直接触摸屏幕的方式，向产品的软件系统发出指令，启动操作，系统运行的状态或结果同样以图形方式显示给用户。图形用户界面画面生动、操作简单，省去了字符界面用户必须记忆各种命令的麻烦，即使初学者也能很快地学会使用，从而获得广大用户的喜爱和欢迎。多通道的智能人机交互阶段多通道人机界面的研究始于20世纪80年代末90年代初，是基于视线跟踪、语音识别、手势输入、触觉反馈、3D等新的交互技术，充分利用人的多种感觉通道和运动通道。用户可以使用自然的交互方式，如语音、手势、眼神、表情等与计算机系统协同工作。目前的人机交互一直受到基于键盘-鼠标的操作方式的限制，以窗口、图标、菜单、鼠标为代表的图形用户界面还将长期存在。随着电力市场化、地区能源结构不平衡和新技术的不断涌现，电力工业进入大电源、大电网的新时期。大批量的高参数、大容量机组的投产和各种新技术、新设备的应用，使得发电厂现场运行状态日益复杂，数据激增。原有数据显示方式越来越难以满足实际要求，因此为各种新颖的人机交互技术、可视化技术迅速应用到现场提出了迫切的需求也提供了良好的契机。美国学者RDChristie研究组从上世纪90年代初开始该领域的研究，认为现有的电力系统应用软件设计中没有充分利用开发和运用全图形界面的潜能，具体体现在如下几个方面：1、 不正确的人机接口设计构架；2、 低效率的显示解决方案；3、 对用户任务了解得不充分；4、 低水平的数据显示；5、 低水平的用户操作设计。针对上述问题，专家们选择了电力系统运行人员最为关心也是迫切需要解决的安全分析与显示问题作为研究方向开展研究，在系统结构描述、数据显示和安全分析的应用等方面取得了一定的进展，为后续研究提供了很有价值的参考。鼠标-键盘为主的输入方式效率低下：在图形用户界面下，即使是一个简单的输入任务，电网调度员也需要多次定位目标，频繁地移动和点击鼠标，步骤繁多，消耗大量的操作时间。手和手臂的工作负担过大，传统的输入动作过于依赖双手以及手臂，调度员的惯用手需要在鼠标和键盘之间不停移动，手和手臂也因此负担了很大的压力。长时间如此，容易引起肌肉损伤(stressinjuries)，特别是容易引发“腕管综合症”。国内也有较多专家学者对电力系统人机界面的改进和发展趋势提出了众多新颖、实用的观点，涉及的内容不仅有电网调度的EMS系统，还有电厂的DCS系统。在电力系统是DCS人机界面的设计和改进中，国内外专家学者均认识到要充分利用计算机领域的先进技术来改善电力系统控制中心的人机交互。从现有文献还可以发现，我国学者对电网调度需要的EMS人机界面的研究起步较早，探讨得也较为深入；而对电厂需要的DCS人机界面的研究起步较晚，探讨的深度还不够。这与我国EMS国产化程度较高，而机组设备、DCS国产化程度偏低有关。三、DCS中人机界面的发展趋势DCS人机界面的设计的依据人机界面设计的目标就是要让人机之间的交互能够像人与人交流一样自然，理想的人机交互模式就是“用户自由”。一方面使“机宜人”，另一方面使“人适机”。所谓“机宜人”就是在人机系统中，人机界面的功能设计从人出发，以人的特性参数为依据去设计，使设计出的人机界面尽量满足使用者的体格、生理、心理、审美观念及社会价值观念等条件的要求，其中包括：信息显示既便于接受，又易于做出判断；控制系统的尺寸、力度、位置、结构、形式均适合操作者的需要；工具、用品、器具的使用得心应手，能充分发挥使用效率；人所处的作业条件安全舒适，有利于身心健康，能充分发挥人的功能等。为了达到界面设计的目标，就要把用户放在第一位，坚持以用户为中心并且自始至终记住用户。在软件生命周期的最初阶段，软件的策略应当以满足用户的需求为基本动机和最终目的。在其后的设计和开发过程中，对用户的研究和理解应当被作为各种决策的依据，同时，界面在各个阶段的评估信息也应当来源于用户的反馈。所以“以人为本”的理念是整个界面设计和评估思想的核心。在系统的设计过程中，设计人员要抓住用户的特征，发现用户的需求。在系统整个开发过程中要不断征求用户的意见，向用户咨询。如果在用户测试过程中发现问题，应立即修改设计，并做进一步的测试和观察，检验修改的结果，这就是说整个设计和开发是迭代式的，通常需要“设计——测试——评估——再设计”的过程。为了开发出人性化的人机界面，界面设计应尽量达到以下要求：易用性界面的易用性包括：首先，一个友好的界面应该确保易于学习、快速上手，界面的显示信息要清晰明了，易读易懂，包括结果与状态信息的显示，提示与错误信息的显示等；其次，界面的操作应该简单方便，直接有效，包括控制的启动、命令的输入、数据的输入、画面的切换、功能的执行等；最后，向用户传递尽量及时明确的信息，在执行命令中应及时地把运行的状态、执行的结果显示出来。容错性容错性是指软件防止用户误操作的能力和承受用户操作失误的能力。在界面的设计中通过采用重要操作提醒、操作完整性检查、输入正确性校验、命令执行的回溯、自动纠正错误和拒绝执行等方法可以提高软件的容错性。记忆负担最小化由于人的生理特点，使其具有许多弱点。如容易健忘、疲劳、会出错，长时间工作时会有精力不集中、丧失忍耐力等缺点。因此在设计人机接口时应尽量减少记忆量，减少重复、乏味的提示。多采用直观，醒目提神的图形提示。对用户来说，浏览信息要比记忆信息更容易。这也是用户为何愿意使用带有用户界面的应用而不是只用命令行的原因。一致性一致性主要包括用词的一致性、操作方法的一致性、界面风格的一致性、数据格式的一致性等。对具有良好一致性界面的软件，用户使用起来就会有一种认同感，感到容易学习。DCS人机界面的评价DCS人机界面设计的评价涉及到工程学、生理学、心理学和工作环境等众多因素。通常从以下几点对界面进行评价：界面是否易于学习：包括要达到初步掌握界面的使用所需要的时间，达到熟练使用所需要的时间，学习时需要什么样的经验知识，能否通过探索或自学来掌握系统使用等。界面应能让用户快速学习并使用，且尽量符合用户的操作认知。界面的操作效率：界面操作与功能实现之间要准确快速，使用户尽快实现功能。界面布局：界面应布局合理、结构明晰，避免用户迷失在界面中。屏幕布局主要考虑各界面元素在屏幕中的安放，使用户能够以最快的速度找到操作对象、发现目标，屏幕布局还需要考虑界面的表现形式，使界面美观一致，让用户满意。界面的色彩运用：在用户界面中，合适的色彩配合可以给人以美感，使人心神愉快。但如果颜色使用不当，就可能会扰乱使用者的思维。如何选择，组合，配置颜色是一个复杂而费时的工作，容易受设计者的主观感觉影响。因此，人们做了大量的认知实验研究如何正确地使用颜色及合理地搭配颜色。界面开发的难易程度：一般来说，凡是性能完善，对用户友好的用户界面需要更多的开发工作量和系统开销。如微软公司新一代操作系统Vista界面非常漂亮，但对计算机硬件配置要求也很高。故在界面开发时，应该权衡利弊，争取用较简单的方法实现较强大的功能。DCS人机界面的发展趋势根据上述我们可以知道：DCS人机交互技术几十年来经历了几个不同的主要发展阶段和典型风格。当前，占统治地位的图形用户界面(WIMP/GUI)正遭受不断的批评，而新的交互技术尚不成熟和普及，于是人们更为热衷于争论未来的人机界面“可能是什么样子”而且莫衷一是。在此，我们也想加入这种讨论的行列，根据几年来研究工作的心得发表一些看法，谈谈什么是理想人机交互风格。我们的出发点处于人机工程学这个大背景，遵循人机工程学的基本观点，在“以人为中心”前提下强调人机配合。让我们先考察在人机工程学出现之前人类如何对待工具。不管某个具体工具的设计者在某个具体时期如何理解人与工具的关系，就人类劳动(尤其是制造和使用工具)的历史长河而言，人类是在努力不懈地改造和驯服自然，而工具的制造和完善都是在服从这种目的的前提下进行的。就使用特定工具是否需要经过训练以及所需训练的程度如何，也是不一而论的。人的技能有简单与复杂之分，也许人人都能学会打字，但未必人人都能学会驾驶航天飞机。较为合理的看法是“自然人机交互是利用人的日常技能进行的”，强调无需特别训练或不需要训练。但究竟什么是“日常技能”以及日常技能是否都是不经训练或稍作训练即可获得呢?语言(特别是书面语言)是必须经过训练的，音乐、绘画、生产工艺等莫不如此。我们认为，人从日常环境走向计算环境时原本具有的技能便是所谓的“日常技能”。可见这是一个相对的概念，其中并不细究是否需训练的问题。所以我们不能以是否需要训练来衡量人机交互技术的好坏。人机工程学并不否定训练，避免训练或减少训练是人们的愿望，但能否做到并不完全由人的主观意志决定，应根据人机交互任务的目的、特点、场合以及实现成本等因素来决定人机交流应达到的自然性程序。也许对于早期的“纯粹”的计算机问题和为数极少的计算机专家而言，命令语言及程序语言界面是足够的。但是当计算机大量应用于CAD/CAM、字处理、MIS等非数值计算领域之后，需要进行大量几何的、空间的、非数值的、非符号的信息处理手段，此时形式语言界面的复杂性、抽象性，对记忆负荷要求等限制了计算机应用的深入和普及，随之直接*纵给用户界面技术应运而生并广受欢迎。我们相信，形式语言不会消失，当然也不能强迫所有用户都接受它。这正如数学语言并不会被其它形式的语言(如图形的、手势的)所取代，虽然心理学家尝试在数学教育中大量利用非数学手段；又如流行音乐与高雅音乐各分秋色，听众各有所好。目前，直接*纵界面不但没有彻底取代形式语言界面，而且其自身也表现出许多局限性。而基于语言的对话式交互方式又重新开始受到重视，只是对话语言不再限于单纯的形式语言，而是引入了自然语言或类自然语言对话，如所谓的第四代语言，甚至引入基于语音的人机对话。基于形式语言、自然语言或类自然语言的用户界面本质上都是命令驱动的，其基本模式与直接*作用户界面相反。这两种本质不同的人机交互模式在人类的日常活动中都存在其对应的形式，分别对应于语言的和非语言的交际活动，后者泛指形体语言，包括姿势，情态、触摸、近