一、人-机接口设计的内容
随着科学技术的发展及计算机的应用，监控系统的水平也就更高、更复杂了，这就要求操作人员具有高的技术水平和综合的判断能力。这里从人-机设计的目的谈起：
1、防止因设计不周而引起的事故；
2、进行事故的早期发现和早期排除，协调机器和人之间的信息授受；并且给操作员提供有效的工作条件和舒适的环境，减轻因机器和环境的协迫造成的紧张和疲劳感，从而提高工作兴趣和工作持久性。
实现上述基本设计方针的要点如下：
1、人优先的设计思想
在进行中控室人-机接口的实际设计时，首先考虑的是人能否正确判断“设备/工艺流程的安全运行，以及受外部影响而起的变化”。为了使操作人员判断准确无误，设计时应优先考虑人的因素，也就是要了解人的能力和身体的、心理的、生理的等特性，使机器适应人，为人服务。本着这一原则设计岀来的产品可以使操作人员获得有效的工作条件和舒适快乐的环境，满足人在生理上和心理上的要求，提高劳动效益。
2、单纯化、条理化
人面对超过他的处理能力的事，或复杂的事、烦杂的事，会不知所措，产生不快感，如操作员同时面对一百多个报警信号，会不知如何判断和处理，如测量仪表具布置不适当，会使操作员在处理事故中频于奔波。因此必须尽量减少仪表的数量，或者使仪表布置条理化，在自控系统中，软件、硬件的设计应通 盘考虑，注意做到单纯化、条理化。
要实现人、装置、环境三者之间的协调，必须在整体设计时，考虑各领域的协调，制定统一方案(详见图1)。
图1 控制室总体设计概念
二、控制室人-机接口总体设计歩骤、工作内容及检查项目
控制室人-机接口总体设计分为三个阶段，下面对这三个阶段的工作内容、要点和检查项目做详细介绍。
1、总体设计第1阶段(决定基本设计规格)
在总体设计的最初阶段，首先提出对装置和环境的设想，然后在这个基础上决定必要条件等基本规格。
◆ 总体设计第1阶段工作内容
①明确监控对象和控制方式；
②明确监控室的作用和功能；
③明确操作人员和装置的作用及业务范围；
④明确操作人员及其分工；
⑤大概确定必要的装置；
⑥决定操作器具的表示方式和大概数量；
⑦决定监控室的环境条件；
⑧明确将来的变更事项。
◆ 总体设计第1阶段检査项目(以人的因素为主要检查依据)
①人和机器的功能及作用的分配， 是否适合各自的特性；
②信息的多少和质量，是否适合人的处理能力；
③环境条件的决定以是否以能作充分发挥人的能力和设备的能力为前提。
2、总体设计第2阶段(基本设计方案的确立)
以第1阶段所确定的规格为基础，综合考虑人-机器-环境三者的关系，将基本设计方案具体化为图样。在决定监控室外观和环境气氛的阶段，如果要求不太苛刻，则速度越快越好。在进行这一阶段的工作时，必需加强用户、生产厂家和有关专家之间的密切合作。
◆总体设计第2阶段工作内容
①确立环境(包括房间的面积、形状、出入口和照明等)设计的基本计划；
②研究及决定装置的基本形态；
③研究及决定装置的基本配置方案；
④研究及决定色彩的基本设计方案。
◆总体设计第2阶段检査项目(以人的因素为主要检查依据)
①装置和环境是否适合人的生理、心理和身体特性(考虑的重点，应全部集中在操作人员的动作顺序、视觉、听觉、身体尺寸和色彩心理等方面)；
②是否已经绘制出与监控室的外观协调一致的室内布置图；
③是否具有协调一致的总体美学效果。
3、总体设计第3阶段(装置设计与环境设计)
总体设计第3阶段是将第2阶段的设计方案具体化的阶段，必须在经济性、耐用性、传输性和维护性均能得到满足的基础上，从操作者的立场出 发，对操作性和美的协调性予以充分考虑。
◆总体设计第3阶段工作内容
①进行装置的结构设计；
②进行操作及显示器的选定和布置；
③进行机房、内部装置、照明和空调等的环境设计。
◆总体设计第3阶段检査项目(以人的因素为主要检查依据)
①与第2阶段相同，要检査是否适合人的特性；
②是否采用了读取信息的简便方法(例如，根据器具的操作顺序，进行排列和组合)；在振动性环境中操作时，必须充分考虑操作人员的安全。
三、人的特征
在深入理解人的特性之前，先对人和机器的特性做简单了解。
1、人的特性
①人具有综合判断能力；
②人具有预测推理能力；
③人具有学习能力；
④人具有对新事物的应变能力。
2、机器的特性
①机器具有正确而迅速的情报信息处理能力(数据的整理、选择、运算和输出)；
②机器具有大量的信息贮备能力(数据的存贮和记录)；
③机器具有可靠的重复能力；
④机器具有正确、迅速的反应能力。
为了理解人的特性，假设把人作为一个信息处理系统来分析，则可分为下面三部分：
1、信息输入系统
①视觉
人的信息输入是通过感觉器官(眼、耳、鼻等)进行的，可以说通常80%的信息来自眼，甚至全部来自眼。监控系统也是这样，从机器到人的信息传输，通过视觉进行的占大半，在视觉特性中还有“视野”和“视力”之分，这在进行装置设计、环境设计时是特别重要的。
人的视野(如图2所示)，从中心到左右95°以外都有，但在人-机接口设计中所指的视野，只限于通常视野、紧急用控制视野等。另外对于色彩，眼睛能辨识的范围(色视野)也因颜色而异。
图2 视野(色视野)
注：本图的基准视线为站时与水平视线成10°、坐时与水平视线成15°
装置、器具上所表示的图形、文字的大小，必须从视力岀发来确定它和监视距离的关系。表1表示把操作人员的视力作为1时，监视距离和文字高度的关系。
表1 监视距髙和文字高度
距离 汉字 外文字母及数学
1m 4.7mm 3.0mm
2m 9.3mm 5.8mm
3m 14.0mm 9.0mm
4m 18.6mm 12.0mm
5m 23.5mm 15.0mm
6m 28.0mm 18.0mm
7m 33.0mm 21.0mm
8m 37.5mm 24.0mm
注：采用中等粗细的黑体字。
②听觉
过去利用听觉的信息传输手段是电铃、蜂鸣器等的谐音效果。利用电铃等发出的不同音质的声音，在实用上可传输3-4种信息，也可以利用长音、短音的不同组合来传输最多5-6种的信息。目前，由于大规模集成电路的应用，可以利用声音合成技术，制成声音的信息系统。在应用声音信息时，重要的是应知道音响信息的长处和短处，同时应根据信息内容选择不同的音质。例如，操作控制时釆用温和声，警报时采用歇斯底里声。
◆音响信息的优点
a、与视觉信息比较，无明确的方向性，适于在紧急状态下使用；
b、音响信息容易为人所理解，没有必要进行特殊培训。
◆音响信息的缺点
a、不能同时识别两种以上的信息；
b、属于一次性信息，不能保留(也可利用音频保存信息)；
c、如果发生错听和漏听，容易造成危险。
③其他感觉
在监控系统中，视觉、听觉以外的感觉的信息传输手段，几乎很少被利用和开拓。人-机系统的设计应该将集中在视觉上的信息，分散到其他感觉上，充分利用人的能力，构成有效的人-机系统。象飞机上的操作杆在紧急时产生振动，给人以触觉感。今后也希望监控系统中开拓出利用触觉、振动感觉等信息传输手段。
2、判断、决定系统
人的信息接受能力是有限度的，一股认为最多是6-7比特/秒，对于超过工作能力的信息量，人对它就忽视了，其结果对它没有合适的相应的响应，甚至作出错误的判断和行动，引起重大事故。因此在设计及表现方法上，必须考虑到使人易于接受。
信息表现方法主要从下面几方面考虑：
①信息分阶段表现，使人易于跟踪操作步骤作出判断；
②将信息变换成令人快意的用图案识别的简单形式；
③将信息按功能分类，使人易于理解；
④将信息标准化(在颜色、形式上)， 使人易于理解。
特别是信息的标准化对表现信息是很有效的，但应注意：将可变换成指示器指示的 “OPEN”、"CLOSE”，以“0”、“1”形式标准化，再加上使颜色也标准化(红和绿分别表示异常和正常)，这样既丰富了信息同时也易于理解。
3、信息输出系统
人的信息输出，通常是通过手、足等身体部位以及声音进行的，在监控系统中则主要通过手、足进行。为了将这种手足运动的特性在装置的设计上反映出来，需要知道身体各部位的测量值(见图3)。
图3 操作者身高和体重的测定值
注：图中的百分比是指(身高和体重)在某一特定值以下的操作者占全部操作者的百分数(例如5%，是指体重为50.6kg的操作者占全部操作者的5%)
图4所示是根据装置设计中使用的基准身长所采用的作业区的部公数据。
图4 操作范围
注：图中示值均以身长(165cm)为基准
人的身体特征值因人而异(如图3所示)。在装置设计和环境设计中，如果釆用平均值，那么手短的操作者就不能操作开关，而视力低的人就不能辨识信息。因而，在设计时什么地方采用什么样的值，应充分考虑，数据选用例子如图5所示。因此，为了使人-机接口在宜人学上最优先化，在设计阶段需要规定操作员的身体特征，即要规定操作员的合格条件。
图5 在装置设计和环境设计中需要规定操作员的身体特征
图中：A为适用于平均值(即图3中50%之值)；B为适用于最小值(即图3中5%之值)；C为适用于最大值(即图3中95%之值)；D为适用于最小值至最大值。
利用听觉作为信息输入的技术，由于声音合成技术的发展而有了很大的发展。以声音作为信息输出的技术也是这样，以声音会话为形式的人-机接口将会被利用。
四、中控室自动化控制系统设计
1、DCS系统构成
DCS系统由以太网和使用现场总线技术的控制网络连接的各工程师站、操作员站、现场控制站、通讯控制站、数据服务器组成的综合自动化系统，完成大型、中型分布式控制系统(DCS)、大型数据采集监控系统(SCADA)功能。
①DCS系统硬件
工程师站、操作站、现场控制站(包括主控单元设备和I/O单元设备)、通讯控制站、打印服务站、系统网络、监控网络、控制网络等组成。
②DCS系统软件
DCS系统软件包含工程师站组态软件、操作员站在线软件、现场控制器运行软件、服务器软件等。
③DCS系统中“站”
◆工程师站
工程师站运行对应的组态管理程序，对整个系统进行集中控制和管理。工程师站主要有以下功能：组态(包括系统硬件设备、数据库、控制算法、图形、报表)和相关系统参数的设置。
◆操作员站
操作员含运行相应的实时监控程序，对整个系统进行监视和控制。操作员站主要完成以下功能：各种监视信息的显示、查询和打印，主要有工艺流程图显示、趋势显示、参数列表显示、报警监视、日志查询、系统设备监视等。
◆现场控制站
现场控制站由主控单元、智能IO单元、电源单元、现场总线和专用机柜等部分组成，采用分布式结构设计、扩展性强。
2、CRT显示器
CRT显示器由于使用频度高，液晶显示器一般被安放在距离操作员近的操作台上或操作台旁支架上，比较常见的有一字排列或上下两行一字排列。但同时要注意到液晶显示器和键盘、鼠标等之间的合适位置。作为CRT使用上的宜人学问题有如下几方面：
①画面的反射；
②画像的明度和照度的关系；
③文字显示的形体、大小，
④图形、曲线的设计；
⑤色彩的使用；
⑥器为上下两行布置的，通常最上一行CRT用于显示参数报警和参数调整，最下一行CRT用于显示工艺流程及测量参数
3、监视信号盘
对于墙壁式的模拟屏，在操作员的通常视野内不能有丝毫干扰物，以便操作员有效地明辨信息。
◆模拟屏的色彩
在模拟屏设计中最重要的是“色彩选定”，当选定色彩时既要考虑颜色对人的联想效果，眼睛疲劳等心理、生理影响也要考虑色凋，使颜色和环境、设备等相协调、统一。
一般BG(青绿)系的颜色对眼晴刺激小，能使环境产生素洁的效果。反过来，它又使环境显得阴暗，很久以前的仪表盘大多是这个颜色。为使操作员获得舒适愉快的环境，目前流行的中控室仪表盘、操作台颜色为国际灰。在设计时可根据各种颜色的不同特点，选定适合于不同用途和特性的模拟屏的颜色。
◆两种不同明度的颜色的特点
1、明度较高的颜色
①室内气氛欢快舒适；
②容易和地板、墙壁、顶蓬等环境色彩溶为一体；
③与底色较暗的模拟屏相比，指示灯应具有较高辉度，通常，红色指示灯的视认效果校好；
④室内照明效率高；
⑤用于成套装置的模拟屏及比较复杂的系统。
2、明度较低的颜色
①室内气氛庄重，但容易使操作人员感到沉重、郁闷；
②通常与环境色调也有关系，但应以模拟屏的颜色为主；
③与底色较亮的模拟盘相比，指示灯的辉度应该较低，这对提高视认性有利；
④如果底色较暗，容易使操作者感觉色调太浓(涂色时，应用色度较淡的颜色)；
⑤适用于图面少，比较简单的结构。
4、装置布置
装置布置应以操作员为中心，应考虑它和环境间相互影响、功能的充分发挥。装置布置计划的注意特点是：
①应注意操作员的身体特性(视野、 视力、作业区等)以及它们间的合适关系；
②人-环境系统，以及两者间的相互作用；
③操作员的操作范围。
装置布置注意点例示于图8，图中视角A最好大于45°。
5、信号操作器具
①外观造型不仅要求装饰漂亮，而且要求功能单纯。色彩的应用要根据功能的要求灵活运用。要适合人的生理、心理上的要求。
②器具布置应根据人的身体特性、习惯等，要整齐有规则。布置的一般原则：
a、按操作顺序、监视顺序从左到右，从上到下进行排列；
b、使用频度高的器具安排在视野中央最佳作业区内；
c、将与某一功能有关的器具组合起来布置，组合方法可参考图9；
d、无误操作的操作器布置在常用作业区外，最大作业区内；
e、器具的布置间隔，应防止误操作，还要考虑仪表盘的强度、经济性等；
f、明确区分操作部分和信号部分。但相互有关系的信号器和操作器应布置在接近的地方。
③器具名称定名的巧拙，对传递信息的正确性、迅速性影响很大，因此在器具选定、布置的设计阶段，确定器具名称时，应注意以下几点：
a、采用分层定名法，以避免重复；
b、在不会引起误解的情况下简略化；
c、避免难于判别的名称；
d、标志牌统一布置在器具上方。
六、环境设计
人-机系统不能不考虑环境影响，人的能力本是在某种特定条件下被发挥出来的，对机器来说，发挥其特性也要有环境条件。特别是在人和环境的关系中，环境不仅对监视性、操作性、而且对人的生理、心理方面都有很大的影响。
所谓监控室的环境设计，就是对房间的大小、形状、出入口位置、色彩调节等的空间构成要素，使光、声音、大气等环境条件最佳化，以满足人和设备的要求，而进行的系统化设计。
1、空间设计
①房间大小、形状、监控室的大小、形状应根据被设置的机器、装置的大小和布置的位置关系、通行距离、维修间距、以及保持操作员精神稳定的“空间余地”等综合考虑来决定。
②天花板的高度应根据房间的大小， 机器、装置的大小，空调、音响、照明以及对操作员的压迫感等因素来决定。一般在2.6-4m范围内，多半设计在3m左右。
③监控室位置、出入口位置的设计，与设备、计算机室、事务室等有关，应使设计有利于提高操作员的作业效率；
④监控室的窗户应能望见设备的位置，能有效地掌握设备的状态。
⑤地板的设计要方便配线，最好用易于对接的自由活动式地板以便于设备移动，而且还要能提高或降低一部分地板的高度，进行监视控制。
⑥对于监控室的色彩调节具有两方面的要求：一是利用颜色给人以感情效果，给人以联想，使之产生心理的、情绪的影响，在提高快适性和美观上发挥作用,二是利用颜色具有的前进、后退、对比等性能，在提高视觉辨识性、安全性和减轻疲劳上发挥作用。
2、环境条件
①照度(亮度)及其分布
视力和周围的亮度有密切关系。在Jis(日本工业标准Z9H0)中规定控制室的照度是5001x(350-7501x)，中控室等的仪表盘、控制盘的照度是20001x(1500-30001x)。但现今的监控系统是以监视自发光型信号器(信号灯、CRT等)为作业主体的。显然信号器的发光辉度和照度间的比例关系对易见度有很大影响。综合以上几点，确定的适宜照度如图10所示。监控室的照度如果分布不均匀，容易引起眼睛的疲劳，特别是通常视野内的照度要求做到均一分布，而在视野外，在不妨碍监视的地方，可附设适当的亮度，避免室内有单调感。
图10 适当照度的布置
图中：A为监控室平均照度5001x；B为控制机水平面照度6001x；C为CRT画面照度4001X；D为监视信号盘垂直面照度5001x。
②晃眼(耀眼)
有直接晃眼和反射晃眼两种。直接晃眼是光源的光直接进入眼睛引起的晃眼。为了防止这种晃眼，不要在操作员的视野的晃眼区内设置光源(照明器具、窗户)。反射晃眼是指光源的光反射到装置上，引起晃眼。为了防止这种晃眼，应对光源、装置、操作员的眼睛、各自的位置关系，进行充分的研究。防止晃眼可采取如图10所示的措施。即在1处装窗帘，2处装反射板，3处装无反射滤色器，4处装遮光罩。
③窗户
基于窗户的釆光所形成的亮度，因时间、季节、气象等条件而差异很大。对于那些必须保持监视条件不变的监控室来说，应避免用窗户来产生所需要的亮度。但如果照度能够调整，又不会对监视产生影响，那么从节能的观点出发,还是希望釆用自然光。为了防止晃眼和安定操作员的情绪，在操作员的通常视野内和背后不设置窗户，在设置窗户的地方应加窗帘。
④照明
为了使监控室的视觉环境合适，选择照明器具时应注意以下几点：
a、从效率和变色性考虑，以使用白色光系的灯为光源和变色性好的3波长区发光系的灯为好；
b、为了防止晃眼和得到均一的照度，所有照明器具最好附有防止直射的灯罩，或附加上乳白色滤色器；
c、为了使照明能够调节，希望在每个照明系统上设置能够调节的电路或调光装置。
⑤音响
如果监视室的音响条件不合适，有噪音等，可使用有隔音效果和吸音效果的材料作地 板、墙壁、天花板。
⑥大气
大气中的温度、湿度、尘埃等对操作员的工作效率、对机器的性能都有很大的影响，因此，在规划空调、换气时，要充分考虑到人和机器所需的条件。
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