我国电气化铁路主要采用单相25 kV工频交流牵引供电制式，牵引供电系统的安全性和可靠性是电气化铁路稳定、安全、高效运行的基础^[1]。变电所作为连接电气化铁路与电网的桥梁，其安全与稳定至关重要。在传统变电所变压、供电、保护功能的基础上，智能变电所多采用IEC61850和IEC104标准及广域通信技术，能够快速地同步铁路沿线相隔数十公里的变电所设备的实时运行数据，包括电流、电压、功率等，可实现更为复杂的继电保护逻辑判断，有效提高了牵引供电系统的安全性和可靠性。

继电保护装置是智能变电所的安全保护装置之一，当系统发生故障时，继电保护装置进行故障判断、检查和切除，实现对牵引供电系统的安全防护。继电保护装置对于保证牵引供电系统的高安全性和高可靠性发挥着不可替代的关键作用，在其投入使用之前，需要进行完整、严格的测试，以确保继电保护装置的功能和性能符合技术标准，能够有效地发挥安全保护作用。

长期以来，继电保护装置的测试主要由测试员根据测试大纲，使用继电保护测试仪及配套的测试软件，手动完成测试工作，整个测试过程非常繁琐、耗时费力，测试成本居高不下，测试工作量很大，常常因继电保护装置的测试而延误工期^[2]。同时，手动测试需要测试员掌握相关专业知识，能够熟练使用继电保护测试仪和相应的测试软件，对测试员的专业能力要求较高。此外，由于不同种类继电保护装置的测试项目及测试要求各不相同，测试工作较为繁杂，人工效率低，难以保证测试结果的一致性，导致投入现场运用的继电保护装置的质量控制时常出现疏漏，给牵引供电系统的安全运行造成隐患。

国内相关研究人员在继电保护测试方面开展了不少研发工作，文献[3—4]使用MATLAB/Simulink和PSS/E实时仿真软件，通过设置牵引供电系统参数与保护模式，完成全并联AT供电模式下单一继电保护逻辑的自动测试；文献[5—6]基于DSP+FPGA硬件平台，开发了继电保护装置自动测试软件，可配合继电保护测试仪，完成被测装置定值的自动修改，实现单一继电保护逻辑自动测试、测试结果实时储存等功能；文献[7—8]使用PSS/E仿真软件，针对特定型号的继电保护测试仪，分别开发了适用于多种供电方式和复杂保护逻辑的半自动继电保护测试软件，测试人员需要手动变更被测装置定值；文献[9]使用C#编程语言，开发了一套继电保护装置自动测试软件，通过集成多种继电保护测试仪的API，可兼容多种继电保护测试仪，完成单个保护逻辑的自动测试。

鉴于当前智能牵引变电所大量应用IEC-61850和IEC104标准的趋势，本文利用OMICRON继电保护测试仪提供的API，开发了一款兼容IEC61850和IEC104标准的智能牵引变电所继电保护装置自动测试软件（简称：自动测试软件），兼容多种供电方式和不同负荷特性应用场景下继电保护装置的自动测试，能够完成当前广泛使用的多种继电保护装置的自动测试，可有效取代现有的继电保护装置手动测试中大部分重复性工作，尽可能降低人为因素的影响，大幅提高测试效率，对于加强继电保护装置的质量控制、保证牵引供电系统的安全性和可靠性具有重要意义。

1   现状及问题分析

1.1   继电保护原理及既有测试系统简介

继电保护装置根据物理定律，通过监测特定电气量的测量值或其变化量，判断牵引供电系统中是否存在故障；一旦被监测的电气量的测量值或其变化量达到门限值（即定值），会自动控制断路器跳闸，切除相应故障元件。因此，继电保护装置的准确测量和可靠动作对牵引供电系统的安全、稳定运行至关重要。

根据最新行业标准，牵引供电系统主要的继电保护装置包括：牵引变压器保护装置、馈线保护测控装置、AT自耦变保护测控装置等^[10]，每一种继电保护装置具有一种或多种保护逻辑；根据不同的被测电气量，保护逻辑一般可分为过流类、失压类、告警类、阻抗类、差动类、重合闸类、故障测距类等，如表1所示。

表  1  继电保护装置的保护逻辑类型

保护类型	馈线保护装置	主变保护装置	AT保护装置
过流类	电流速断 低压启动过流 电流增量 —	高压侧过电流 低压侧过电流 过负荷II段 零序过电流	— — — —
失压类	失压	失压	失压
告警类	— — PT断线 — —	过负荷I段 差流越限 过励磁告警 高压侧PT断线 低压侧PT断线	— 过负荷 PT断线 — —
阻抗类	距离保护	—	—
故障测距	故障测距	—	—
重合闸	自动重合闸	—	检有压重合闸
差动类	— —	差动速断 比率差动	差动速断 比率差动

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继电保护装置的每一个保护逻辑的电气量、动作时限等均要求满足技术标准，否则无法保证其可靠性。在实际投入使用前，需对继电保护装置的功能和性能进行完整、严格的测试，投入使用后继电保护装置也需要定期进行测试与检修。

以过电流保护测试为例，当一个牵引供电系统发生各种短路故障时，整个牵引供电系统中的电流在短时间内均呈现较大幅度升高。此时，通过检测该牵引供电系统的电流是否超过一个预设门限值（定值），即可判断该系统当前有无故障，当有故障时向断路器输出跳闸信号。目前实际应用的牵引变压器保护、馈线保护及AT自耦变压器保护均设置有过流类保护，对应的保护原理框图如图1所示^[11]。

图  1  过流类保护原理框图

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其中，$I$为当前时刻的基波电流，${I_{{\text{set}}}}$为电流速断保护定值，${T_{{\text{set}}}}$为电流速断时限定值，在直接供电方式下，取保护绕组基波电流为$I$。而在常用的全并联AT供电方式下，基波电流$I$的计算公式为

式（1）中，${I_t}$、${I_f}$分别为供电系统接触线和回流线的基波电流；当$I \geqslant {I_{{\text{set}}}}$时，保护装置能够在延时$\leqslant {T_{{\text{set}}}}$的时刻，向断路器发出跳闸信号来切除故障。

既有的继电保护装置手动测试系统如图2所示，包括被测继电保护装置（简称：被测装置）、继电保护测试仪（简称：测试仪）、手动测试软件。

图  2  既有继电保护装置手动测试系统构成示意

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测试员依据智能牵引变电所继电保护装置测试大纲开展测试工作。通常，测试大纲是根据牵引供电系统的供电方式及负荷特性制定的。测试员依据测试大纲，手动设置被测装置测试项定值；根据测试项定值，完成测试用例设计，即确定被测装置每个测试项的输入电气量（例如动作电流、动作电压、牵引供电系统阻抗等）数值，对被测装置的测试项逐一进行测试。在进行被测装置某个测试项时，测试员按照对应的测试用例，手动操纵测试仪向被测装置输出相应数值的电气量；被测装置依据自身保护逻辑，判定是否产生跳闸信号并输出至测试仪。

1.2   继电保护装置手动测试流程

当前，继电保护装置的测试多采用手动测试，由测试员使用继电保护测试仪和手动测试软件进行测试，绝大部分测试均采用单项保护逻辑测试方法，即分别对被测装置的每一项保护逻辑进行单独测试。典型的继电保护装置手动测试流程主要可分为7个步骤，如图3所示。

图  3  继电保护装置手动测试流程

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（1）制定测试方案：测试员依据测试大纲，制定被测装置的测试方案。

（2）检查和确认测试系统：测试员按照测试方案，检查和确认被测装置、测试仪是否符合相关标准，是否正确完成测试仪与被测装置的连接，并确保电气连接处于正常状态。

（3）设置测试项定值：测试员按照测试方案确定的具体测试项，手动设置被测装置的测试项定值。

（4）控制被测装置的输入电气量：测试员根据设置好的测试项定值（如电气量、动作时间），采用边界值法设计测试用例（即确定被测装置的输入电气量数值），手动操纵继电保护测试仪向被测装置输出相应数值的电气量；例如，对一个定值为10 A 的过流保护逻辑测试项，测试仪先输出一个9.9 A电流信号，以观察被测装置是否可靠地保持不动作，然后再输出一个10.1 A电流信号，以观察被测装置是否按要求产生跳闸控制信号。

（5）测试现象观察与测试数据记录：测试员观察继电保护装置的动作执行情况，判断其是否能按要求正确地动作或不动作，且动作时限是否符合要求，记录测试数据，并在测试完成后整理出测试报告。

（6）被测装置与测试仪复位：当完成同一类测试项后，测试员手动将被测装置和测试仪复位。

（7）测试分析与报告生成：测试员使用手动测试软件分析测试结果，对测试记录和测试分析结果进行整理，手工编写测试报告。

1.3   手动测试方法存在的问题

既有的手动测试主要存在以下问题：

（1）测试过程费时繁琐：被测装置的测试项数量较多（通常为20个以上），测试员除了使用测试软件完成被测装置所有测试项的定值设置，还要手工完成测试用例的设计；在测试过程中，大部分时间用于操纵测试仪输出符合要求的电气量，以及在同一类测试项完成后使被测装置和测试仪复位，工作效率很低。

（2）人为因素造成安全隐患：在进行每一个测试项时，测试员需要根据测试用例，手动操纵测试仪向被测装置输出相应的电气量，并每一个测试项结束时手动复位被测装置和测试仪，这类繁琐费时的手动操作容易出现疏漏与误操作，造成安全隐患。

（3）测试质量不稳定：测试员的自身专业能力和操作水平对测试结果的准确度和可靠性起到决定性作用。一旦测试员在测试过程中误操作，导致测试结果与预期不符，或是多次测试的结果一致性差，需要花很长时间进行错误排查、重新测试等，测试质量难以保证。

（4）测试文档不规范：测试员需要手工整理相关测试文档，受限于测试员自身专业能力，测试文档质量参差不齐，不同变电所或同一变电所不同时段的测试报告可能会出现格式不统一、信息记录不全，分析结果不正确等问题。

2   自动测试软件设计

2.1   设计要求

在测试过程中，继电保护自动测试软件应能代替测试员完成大部分重复性手动测试工作，解决手动测试中存在的测试效率低、测试结果波动大、一致性差等问题。

（1）自动生成测试用例：根据测试大纲与保护原理，按照不同供电模式和负荷特性条件下具体继电保护装置保护逻辑的测试要求，自动生成测试用例。

（2）自动完成测试操作：根据测试用例的时序要求，自动控制继电保护测试仪向被测装置连贯地输出相应的电气量，例如可连续完成复杂的重合闸保护逻辑（告警—跳闸—重合闸—二次跳闸）测试操作；完成同一类保护逻辑测试后，自动将被测装置复位至测试前初始状态，同时将测试仪电气量输出置零。

（3）自动读取和记录测试数据：能够通过IEC61850或IEC104标准以及TCP/IP通信协议，实时读取和记录被测装置跳闸动作时限、电气量数据等状态信息，以及继电保护测试仪接收到的跳闸信号，无需测试员观察被测装置的动作及继电保护测试仪的测量结果。

（4）辅助测试分析：能自动标注未通过的测试结果，自动汇总和对比同一测试项的多次测试结果，生成测试结果可视化图表，方便操作员进行测试分析。

（5）自动生成测试报告：能根据测试记录数据和测试分析结果，自动生成格式规范的测试报告，保存在指定目录下， 按要求快速完成报告打印。

2.2   自动测试系统构成

继电保护装置自动测试软件安装在测试用工控机上，测试用工控机、标准时钟源、继电保护测试仪、网络打印机通过交换机接入智能变电所局域网，通过智能变电所的远动通信管理单元采集被测装置的状态数据，对应的自动测试系统构成如图4所示。

图  4  自动测试系统构成示意

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远动通信管理单元负责确保自动测试软件与被测装置能够基于IEC61850或IEC104标准进行实时通讯。继电保护装置的动作时间T极短（通常T<100 ms），对时间精度要求很高，标准时钟源用于使被测装置、继电保护测试仪和自动测试软件保持时钟一致。

2.3   软件架构及主要功能

自动测试软件采用C#语言开发，基于OMICRON继电保护测试仪提供的API接口^[12]，使用Access作为数据库管理系统，由测试数据库、基础算法库、人机交互模块、执行引擎模块、通信模块组成，其架构如图5所示。

图  5  继电保护装置自动测试软件架构示意

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（1）测试数据库：使用Access数据库管理系统存储测试相关数据，包括被测装置定值清单、被测装置配置信息、测试用例、测试记录、测试报告等。

（2）基础算法库：主要包括继电保护算法和测试用例生成算法，是继电保护自动测试软件的核心算法组件；按照不同保护原理和测试场景，通过模块化设计，建立继电保护算法和测试用例生成算法；继电保护算法是典型保护逻辑的一组算法实现API，包括过流类保护、失压类保护、告警类保护、阻抗类保护、故障测距类保护、重合闸和差动保护等多种继电保护算法，用于自动计算相应定值清单；测试用例生成算法基于等价类划分法和边界值法，用于针对不同类型的测试项定值，生成包括正常值、异常值和边界值的测试用例。

（3）人机交互模块：为测试员提供操作界面，完成测试项定值设置、被测装置配置、测试执行启动，测试结果分析、数据查询、测试报告生成和打印等工作，以及测试软件版本管理、数据库备份与恢复等维护功能。

（4）执行引擎模块：自动完成测试用例生成、测试操作执行、测试数据采集、测试仪与被测装置复位、时钟对时等测试操作。测试员在人机交互界面上启动测试执行后，执行引擎完成初始化，并依据被测装置定值清单、被测装置配置信息，调用继电保护算法和测试用例生成算法，自动生成测试用例集，并保存在数据库中；执行引擎自动读取测试用例，控制继电保护测试仪输出相应的电气量，以执行测试操作；接收来自继电保护测试仪和被测装置的返回数据，生成测试记录保存在数据库中。

（5）通信模块：多种通信协议通信接口，包括IEC61850通信接口、IEC104通信接口、TCP/IP通信接口，IEC61850通信接口和IEC104通信接口用于为自动测试软件与远动通信管理单元（被测装置）提供双向数据传输服务，TCP/IP通信接口用于为自动测试软件与继电保护测试仪、标准时钟源提供双向数据传输服务。

2.4   自动测试流程

在使用继电保护装置自动测试软件后，继电保护装置自动测试流程可分为8个步骤，如图6所示。

图  6  继电保护装置自动测试流程

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（1）测试准备：测试员连接好OMICRON继电保护测试仪与被测装置之间的电气接口，通过远动管理单元和交换机，将测试用工控机分别与继电保护测试仪、被测装置建立基于IEC61850协议或IEC104协议的通信连接，设置好与标准时钟源的配置信息，确保系统时钟同步，完成自动测试系统连接。

（2）被测装置配置信息录入：测试员完成被测装置配置信息录入及本次测试具体测试项设置，然后启动测试执行。

（3）执行引擎初始化：执行引擎开始初始化，完成测试系统自检，确认相关设备间通信状态正常后，完成时钟对时，并从数据库读取相关配置信息。

（4）定值清单计算：执行引擎根据被测装置型号及本次测试要求，调用基础算法库中对应类型的继电保护算法，计算出测试项定值清单。

（5）测试用例集生成：执行引擎完成定值清单计算后，调用测试用例生成算法，生成测试用例集，根据电气测试类型（如电流、电压、时限等）对测试用例集进行划分，并保存在数据库中。

（6）测试操作执行：执行引擎逐类（即电气测试类型）执行测试用例集中的测试用例；在执行某一电气测试类型的测试用例前，与被测装置进行通信，获取被测装置的初始状态参数（包括初始定值、当前生效保护逻辑等），并存储在数据库中；然后开始顺序执行该类测试用例集，每一个测试用例执行完成后，自动将测试数据和测试结果存储在数据库中；若一个测试用例单次测试不通过时，会自动安排重新测试，若多次不通过则自动跳过当前测试用例，接着执行下一个测试用例。当同一类测试用例测试完成后，执行引擎会自动读取数据库中被测装置配置信息及初始状态参数，将被测装置复位至测试前的初始状态，同时将测试仪的电气量输出置零。

（7）测试结果分析：测试员在人机交互界面上从数据库中读取测试结果，自动测试软件会自动标注出未通过的测试项，自动汇总和对比同一测试项的多次测试结果，生成测试结果可视化图表，方便操作员进行测试分析。

（8）生成测试报告文档：当测试结果分析完成后，测试员可以通过人机交互界面生成规范格式的测试报告文档，保存在指定目录下，便于后续查阅。

3   测试与结果分析

3.1   测试环境

在实验室搭建智能牵引变电所继电保护装置的模拟测试环境，包括安装和运行自动测试软件的测试用工控机、OMICRON继电保护测试仪、标准时钟源、网络打印机、被测装置、以太网交换机，被测装置直接与继电保护测试仪连接，如图7所示。

图  7  实验室模拟测试环境

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3.2   被测装置

采用两类被测装置来验证继电保护自动测试软件的测试精度和效率。

（1）单一保护逻辑的被测装置：以牵引变压器保护装置中的Vv联结组差动保护为具体测试实例，主要有3个测试项，包括差动保护电流定值、动作时间、返回系数；通过自动测试软件和手动测试分别进行10次测试，对比单个保护逻辑自动测试和手动测试的测试精度和平均测试时长。

（2）复合保护逻辑的被测装置：以牵引变压器保护装置为具体测试实例，牵引变压器保护装置的保护逻辑构成较为复杂，包括4种过流类保护逻辑，1种失压类保护逻辑，5种告警类保护逻辑和2种差动类保护逻辑，如表2所示。分别进行10次自动测试和手动测试，对比主变保护装置所有保护逻辑的自动测试和手动测试的测试精度和平均测试时长。

表  2  牵引变压器保护装置中包含的保护逻辑

保护逻辑类型	具体保护逻辑	数量
过流类保护逻辑	高压侧过电流、低压侧过电流、过负荷II段、 零序过电流	4
失压类保护逻辑	失压保护	1
告警类保护逻辑	过负荷I段、差流越限、过励磁告警、 高压侧PT断线、低压侧PT断线	5
差动类保护逻辑	差动速断、比率差动	2

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3.3   测试结果分析

3.3.1   单一保护逻辑的被测装置测试-Vv联结组差动保护

Vv联结组差动保护的自动测试与手动测试结果对比如表3所示。对于Vv联结组差动保护的3个测试项，自动测试和手动测试的测量值误差均在5%以内，均能保证测试的正确性。

表  3  Vv联结组差动保护自动测试与手动测试精度对比

测试项	定值要求	自动测试结果	手动测试结果
动作电流 （允许误差<5%）	0.1 A	0.1 A	0.1 A
	1 A	1 A	1 A
	10 A	10.02 A	10.03 A
动作时间	<40 ms	22.4 ms	24.2 ms
返回系数 （允许误差<5%）	1 A	0.98 A	0.98 A

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差动保护测试自动测试与手动测试时间对比如表4所示。自动测试在操作环节耗时仅为手动测试的15%左右；另外，考虑到手动测试过程中，还存在人工观察测试现象和记录测试数据、以及不同类型测试项间手动复位等人工操作环节的额外时间，需要消耗更多的测试时间。使用自动测试软件后，由于省去大量手工操作环节，实际应用中测试效率的提升会更显著。

表  4  差动速断测试自动测试与手动测试时间对比 单位：s/次

测试项	自动测试结果	手动测试结果
差动速断保护	3	20
比率差动保护	7	62

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3.3.2   复合保护逻辑的被测装置测试-牵引变压器保护装置

对牵引变压器保护装置的11种保护逻辑，共计41个测试项进行测试。测试准确度的结果如表5所示。对待测装置进行多次测试时，手动测试获得的电气量实际定值存在较大波动，采用自动测试软件后，测试结果更稳定，一致性更好，部分定值的10次测量方差仅为手动测试的3%左右，对于全部41个测试项的归一化方差，自动测试的平均方差仅为手动测试的6%。

表  5  牵引变压器保护装置手动测试与自动测试精度对比

测试项	手动测试				自动测试
	理论值	测得最大值	测得最小值	方差	理论值	测得最大值	测得最小值	方差
高压侧过电流保护定值	5.4 A	5.71 A	5.22 A	0.031	5.4 A	5.46 A	5.39 A	0.001
失压保护电压定值	50 V	51.33 V	49.04 V	0.610	50 V	50.27 V	49.88 V	0.018
低压侧过电流保护动作时限	1 s	1.25 s	0.77 s	0.028	1 s	1.07 s	0.98 s	0.001
41项定值平均数据	归一化方差	0.107			归一化方差	0.007

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牵引变压器保护装置中各项保护逻辑的手动测试与自动测试时间对比如表6所示。与单个保护逻辑测试的情况类似，每一个测试项的自动测试在操作环节耗时仅为手动测试时间的10%～15%。整个装置共计41个测试项目，对于手动测试，即便测试过程一切顺利，至少也需要24 h才能完成测试。另外，还需要耗费不少时间分析测试结果、整理和撰写测试报告。使用自动测试软件后，完成所有测试项的测试操作过程用时不足2 h，而且还能自动快速生成符合规范的测试报告。

表  6  牵引变压器保护装置手动测试与自动测试时间对比

测试项	手动测试时间/s			自动测试时间/s
	最大值	最小值	均值	最大值	最小值	均值
过负荷I段保护	89.4	66.0	74.1	7.8	5.9	6.2
失压保护电压	103.9	98.7	102.2	17.9	12.4	15.3
低压侧过电流保护动作时限	62.0	49.2	54.9	6.5	5.7	6.1
合计	24～48 h			1 h 55 min 17 s

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3.3.3   测试结论

（1）测试单一保护逻辑的被测装置时，自动测试软件的测试精度相较手动测试更高，测量值与定值间的绝对误差更小；大多数测试项的自动测试在操作环节耗时约为手动测试的15%左右，自动测试效率显著提高。

（2）测试复合保护逻辑的被测装置时，使用自动测试软件可以连贯地快速完成整个继电保护装置中所有保护逻辑的测试；在测试精度方面，多次测量的归一化方差仅为手动测试的6%左右，测量结果一致性更好；在测试效率方面，使用自动测试软件后，复合保护逻辑的被测装置的测试效率提升更为显著，自动测试的优势尤为突出。

4   结束语

针对智能牵引变电所继电保护装置的手动测试费时繁琐、测试质量不稳定、人为因素造成安全隐患、测试文档不规范等问题，开发了智能牵引变电所继电保护装置自动测试软件，适用于支持IEC61850或IEC104标准的智能牵引变电所继电保护装置。该自动测试软件可代替测试员完成大部分重复性手动测试操作，可自动完成测试用例设计、测试操作执行和测试数据记录，能够辅助测试分析和自动生成测试报告，实现一次接线、整体配置、一键启动测试执行的全自动测试。实验室测试表明，自动测试软件的测试精度相较手动测试更高，大多数测试项的自动测试操作环节耗时约为手动测试的15%左右，特别是对于复合保护逻辑的继电保护装置，测试效率提升尤为显著。使用该自动测试软件替代手动测试，大幅减少人为因素影响，提高了测试结果一致性，能够较为真实地反映继电保护装置功能和性能的实际水平，可避免反复测试、多次修改等情况出现，有助于加强继电保护装置质量控制、保证牵引供电系统的安全性、可靠性、稳定性。

本自动测试软件现阶段不支持非电气量保护逻辑的自动测试，如温度保护、重瓦斯保护、六氟化硫（SF6）超限保护等。在后续研究中，考虑集成可采集非电量保护逻辑的物理量传感装置，以实现非电量保护逻辑的自动测试。另外，该自动测试软件虽降低了对测试员专业知识的要求，但掌握该自动测试软件使用方法有一定的学习成本，需要结合试用中用户使用体验，不断优化该软件人机界面，提高其易用性。