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如何设计有效的HMI界面?

木马童年 2019-3-2 17:40 51 0

在设计有效的控制台操作HMI(人机界面)时,对ASM准则最常见的误解和错误应用,就是过度强调颜色:简单地将某种新的颜色,用于控制台某个位置处的所有现存显示画面。一般称之为HMI类似替换迁移工程(like-for-like H ...

在设计有效的控制台操作HMI(人机界面)时,对ASM准则最常见的误解和错误应用,就是过度强调颜色:简单地将某种新的颜色,用于控制台某个位置处的所有现存显示画面。一般称之为HMI类似替换迁移工程(like-for-like HMI migration project)。有些人可能希望在这种仅仅是颜色类似替换的工程中,能够将图1所示的画面转换成图2所示的画面。典型情况下,如果分布式控制系统(DCS)的HMI,不是经过精心设计的、基于控制台操作员操作深度的层级画面显示,那么它就是扁平化的DCS显示系统。在该系统中,大部分显示画面,会被精确地设计为P&ID(管道和仪表图)细节显示。面对这样的DCS显示系统。控制台操作人员一般会以图3所示的方式来使用DCS屏幕,每个操作人员会根据自己的喜好,来选择第3级设备显示画面以及报警汇总画面。最好的情况是,如果开发人员在颜色选择上正确的应用了ASM准则,并且遵循了良好的画面显示布局原则,那么迁移的DCS显示系统也许具有满足ASM要求的单个第3级显示画面,但是DCS的HMI并不满足ASM要求。

如何设计有效的HMI界面?

图1 在进行HMI类似颜色替换工程之前的现有显示画面。

ASM的要求是什么?

在HMI设计中使用ASM导则,并不仅仅是将彩色转换成灰度的设计,也不是仅在报警中使用颜色。实际上,ASM准则提倡有效的利用颜色,包括恰当的规定某些显示背景,这些背景颜色在色调上,要比HMI库中那些供应商提供的、声称满足ASM准则的背景颜色要亮一些。但是,要设计出满足ASM要求的HMI,还应遵循其它方面的要求,尤其是在显示类型、显示内容、浏览和交互等方面。这就要求注意其它的实施细节:

如何设计有效的HMI界面?

图2 迁移后的显示画面,使用了某些基本的布置原则。

  ■ 基于主要的操作步骤,设计显示层次,以符合操作员的思维模式;

■ 设计与显示层次一致的第2级控制和监视画面,利用这些第2级画面,可以完成日常操作 ;

■ 与主题专家一起,依据需求分析,识别第1、2、3、4级显示内容,使得HMI能够支持操作员工况认知、日常监视和控制操作、故障诊断活动以及异常工况管理。

■ 将先前的浏览策略改变成为基于重新设计的、基于层级的新方法,该方法利用简单的屏幕浏览目标,满足操作人员思维模型以及快速、无差错的使用;

■ 取消应用于整个显示内容的弹出式显示画面,取而代之以窗口管理技术,该技术可以将不同的显示类型赋给特定区域,并可预设大小;

■ 提供第1级总览显示画面的即时浏览,比如:KPI和趋势概览,第2级监视和控制显示,面板,实时趋势和报警汇总细节(图4)等,而不是将整个HMI设计为单个屏幕、单个显示系统(图3);

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图3 典型控制台屏幕,利用了HMI类似替换迁移工程。

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图4 图中所示为遵循ASM的控制台操作员HMI概念示意图。本例中,通过链接导航模式,在提供操作画面、面板、设备详情、实时趋势操作的同时,支持大图工况认知。

  ASM准则并不仅仅是简单的使用灰色背景和限制使用颜色。在最初的版本中,颜色要求仅仅是16个准则类目中的一个。ASM HMI导则的目的是设计一个操作人员HMI框架,可以支持操作人员认知以及有效的交互。第二版本(Bullemer & Reising, 2013)则将重点转移到显示层级,在操作员认知中的角色,以及作为操作员交互和浏览基础方面的角色上面来。重点的转移导致“显示(display)”一词从第二版的标题中被删除掉,以强调控制台操作员HMI设计的整体性和有效性。尽管ASM准则涉及到了单个显示画面的设计,但由于ASM准则要求使用多个显示屏幕和交互设备,在同一个控制台操作站上以不同的层次细节显示多个画面,因此HMI的整体设计框架得到了提升。

最近显示屏升级为宽屏的趋势,为直接升级到符合ASM的HMI创造机会。特别是,如果迁移工程放弃使用典型的单个屏幕、单一显示画面,那么宽屏上额外增加的像素,为HMI提供了一些空间,用于布置面板、趋势窗口以及第4级显示,否则的话,这些内容需要在全屏操作显示画面上通过弹出窗口显示(图5)。

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图5 宽屏显示的遵循ASM的控制台操作员HMI概念示意图,本例中使用的是下拉式导航模式。

操作员工况认知

ASM 组织的愿景是:获得授权的运行团队,能够主动管理他们的工厂,在过程运行于最优限值的情况下,获得最大的安全性,并将对环境的影响降低到最小。高效的操作员HMI设计实践的目标与上述目标有部分重合:操作人员可以主动管理生产过程,优化工厂性能,同时还可以避免异常工况的出现。而且,当异常工况确实发生时,其目标是使运行人员能意识到当前的工况,快速使工厂进入安全状态,然后使其返回到正常运行状态。

认知操作和控制台操作员HMI之间的联系是操作员对工况的认知。使操作员对工况的认知持续更新,了解工艺和设备的状态,结果就是,在达到报警限值前采取适当的控制行为,这就是认知的本质。建立操作员高水平的工况认知,提供有效的操作HMI设计实践,是运行公司实现认知操作非常关键的一步。

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图6 遵循ASM的控制台操作员HMI概念示意图,同时支持积极主动的操作员工况认知,从大图到标签细节。

  Endsley模型将工况认知总结为三个阶段:

■ 感知信息并因之发生变化;

■ 了解过程状态和隐含的任何偏差;

■ 预测过程将向哪个方向发展,以及可供响应的时间。

在关于工况认知的Endsley模式中,一个关键的心理构件就是心智模式(mental model)。Rasmussen和他的同事已经证实:工作在复杂系统中的人类专家,所具有的心理模式包括不同层次的抽象和细节。他们证实,人类专家在执行交给他们的工作活动时,会在不同层次的抽象和细节中来回移动,这可解释为复杂系统功能如何工作以及设备所包含内容的知识层次。

遵循ASM准则的HMI,有意识地在心智模式结构的不同层次上定义显示类型,以创建满足这各心智模式的显示层次。而且,如图5所示,这些显示类型在整体HMI设计中都有一个首页,这样操作人员就可以方便及时地在不同显示类型的信息之间进行切换,这与心智模式的人为因素研究相契合。提供丰富的趋势信息接口,也为操作人员的认知能力提供支持,可以预测系统运行的方向以及运行的速度,这与工况认知和心智模式中的人因理论都是一致的。

符合ASM要求的HMI所带来的优势已经得到证明。在一个受控对比中,专业的石化工厂运行人员利用他们工厂高保真的仿真机进行操作,使用ASM系统方法的DCS HMI,完成时间要快41%,诊断准确率要高36%,在首出报警发生前探测到过程波动则要高出380%。

最近,ASM组织的研究已经证明了使用定性、概览仪表所创建的范围控制显示画面,以及定性趋势指示,在获得更好的操作人员工况认知方面所带来的提升。

HMI和有效的操作员交互

快速、无差错的浏览显示层次以及与DCS本身进行交互,对于操作人员的绩效非常关键,更不必说对有效的认知操作了。符合ASM要求的HMI提供屏幕浏览,可以反应整体的显示结构层次,以及在整个结构中清楚地显示,操作员所处的位置,关键的报警条件,以及是否已经实施了通过ASM最优实践链接的浏览,或者是行业通用的典型下拉菜单式浏览。

遵循ASM的HMI同时还支持操作人员的快速输入。对于某个标签,在需要进行控制调节时,HMI上会提供专门区域,用于打开面板(图4)。同时,HMI还提供专门区域用于第4级画面的显示,通过这些显示画面,操作人员可以与预先设定的控制器、选择器和指示器交互。这些组合可能基于串级控制回路,或者是不同第3级显示画面的组合,用于支持特定活动(比如,点燃加热器先导气体和燃料气体,运行流量控制器以支持加热器的启动)。

操作员交互还包括窗口管理,这样操作人员就不需要移动弹出显示和面板,调整窗口大小,或关闭窗口等等。具有足够工具、或者没有这些工具但是使用最少脚本的系统,可以消除运行人员从工厂过程转移其精力和注意力到窗口管理活动的必要性。

基本的设计原则

在提高操作人员的能力以采用积极的运行策略方面,有两个基本的设计原则可以确定操作员HMI的有效地位,如下所述:

■ 操作员接口允许操作人员对其控制之下的过程状态维持一种高水平的实时认知状态,同时还允许其对单个的过程装置和设备,在非常具体的层面执行特定的操作。

■ 操作人员接口允许操作人员将精力集中到所控制的过程上,而不是与底层的系统平台交互。这就意味着,从动用最少的控制台操作人员精力和物理资源上来理解过程控制系统并与之交互的角度来讲,HMI具有一致性并易于使用。

当颜色使用对于支持后续设计原则非常关键时,需要利用其它ASM准则来确保实现一个满足ASM要求的HMI。一个基于有效定义显示层次的HMI设计,一个多屏幕/多窗口方法,可以同时访问显示层次结构中的不同显示画面,有效的导航及交互支撑,在满足ASM要求方面也是必要的,而不仅仅只要求在灰度显示页面中用彩色来指示报警。

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