高性能hmi:旨在提高操作员的工作效率
用户和系统设计师考虑如何改变HMI策略，以帮助操作员更好地工作，并减少混乱的电话。
编者按:本文节选自2014年10月7日在休斯顿举行的ISA研讨会上举行的小组讨论。化学和石油工业部门(ChemPID)的研讨会主席是Maverick Technologies的高级技术总监Chad Harper。经编辑的文字记录得到ISA的许可。
小组成员:
——杰夫·英格兰马拉松石油公司的公司控制技术专家。他在自动化方面有27年的经验，并监督了几个主要的HP-HMI实现。
布里奇特·菲茨帕特里克Wood Group Mustang的HMI，异常状态管理和人为因素工程实践负责人，ISA101委员会成员。
比尔霍利菲尔德-PAS的HP-HMI首席顾问。他是高性能HMI手册也是ISA-101委员会的成员。
〇乔治·罗伯逊雪佛龙的高级设施工程师，在石油行业有30年的经验，最近在上游行业成功完成了HP-HMI项目。
主持人:Justin Robinson -Maverick Technologies的首席工程师和高性能HMI主题专家。
主持人:当我们谈论HP(高性能)HMI是什么意思?
罗伯逊:良好的hp -人机界面(HMI)实践使操作员的态势感知保持在较高的水平，因此当情况发生时，他们实际上可以看到正在发生什么，而无需搜索大量无关的东西。
英格兰:房地产从业者说，一切都取决于位置、位置、位置。一个好的人机界面(HMI)是关于内容、内容、内容的。这是关于确保你投入时间和精力在正确的层面上获得正确的内容，使其适合最终用户。
菲茨帕屈克:人们似乎陷入了一些基本的设计细节，如颜色和形状因素，对我来说，这只是一个好的HMI。将正确的信息传递给正确的人是你进入高性能类别的关键。
Hollifield:我认为这是关于在屏幕上显示有用的信息，而不是原始数据。人们不再相信屏幕上布满数字的复杂管道和仪表图纸(P&ID)是向操作人员表示过程的好方法，可以最大限度地了解情况。但当讨论开始时，大多数人认为HP-HMI是把所有的颜色都去掉，然后把所有的东西都变成灰色。这是不准确的。这是关于有效地使用颜色，而不是摆脱它。
主持人:就像你说的，颜色似乎总是讨论的主要部分。它在展示设计中扮演什么角色?灰度图像最好吗?背景色呢?
菲茨帕屈克:这是一个关键的误解:事物必须是灰度的才能获得高性能。真正的讨论是如何获得正确的对比度，让操作者在自然光线下更容易看到东西，然后使用颜色来增加意义和重点。
罗伯逊:研究表明，当你有明亮、对比度高的物体时，它们会吸引你的眼睛，让你更难找到你要找的东西。彩色和灰度图形的使用只是一种工具，可以保持较高的态势感知，并使其更容易识别操作人员现在需要担心的事情。
英格兰:我将在灰度部分采取不同的扭曲。从我的角度来看，我们在HP-HMI设计中尝试实施ASM指南所失去的是疲劳管理的人为因素问题。看看ISO关于工作环境照明和对比度的标准，昏暗的灯光不是画面的一部分。别忘了，我们其实是在努力改变环境。你可以用一套好的屏幕背景来改善控制室的灯光效果，以减少眼睛疲劳。
Hollifield:请记住，我们是在90年代早期从低频阴极射线管(crt)开始走上这条道路的，它只能在黑色背景上加上明亮的饱和色。在玻璃阴极射线管上显示，会产生最坏的组合，增加眩光和反射问题。所以为了解决特定的技术限制，我们调低了控制室的灯光，这让我们走上了黑色背景和亮色的道路。由于惯性，我们年复一年地走在这条路上。但如果你想让操作员在凌晨3点保持警惕，控制室应该比典型的办公室更亮。幸运的是，现在我们有了高频液晶显示屏，能够提供更好的方案，不再受硬件的限制，但惯性让我们原地不动。在考虑颜色时，问问自己，“这种颜色是否有助于引起人们对异常情况的注意?”当操作员看着屏幕时，需要多长时间来确定这个过程是有史以来最好的一天，还是即将爆炸?上面有警报吗?你能看出来吗? Poor color use makes it harder to spot the unusual situation.
主持人:似乎有一些设计者希望直观的颜色名称，但在不同的环境中应用不同。红色/绿色的对调通常用于表示相反的状态，但并不总是以相同的方式。这样的差异可以解决吗?或者应该作为一种实践来消除它?
罗伯逊:如果你不认为这是个问题，那就去问一个好的色盲操作员。另一种说服你自己的方法是让你的电气维修人员和操作员一起，在屏幕上给他们看一个红色的电机。大多数搞电气的人会说:“它开着，通电了。是很危险的。”接线员会说:“关机了。这是停止了。”红/绿并没有一个被普遍接受的、内在的、开/关的状态定义。
英格兰:颜色本身不足以定义状态。把形状和颜色结合起来来表达不同的信息要有效得多。
Hollifield:放弃这种红/绿模式，电力行业绝对是最糟糕的，但还有其他选择。一种折衷的方法是选择一种明亮的饱和红色，只用于显示警报。如果你坚持用红/绿或绿/红来表示开/关的状态，那么你要做到绝对一致，使用非常浅的红色和浅绿色。为了更清楚，在它旁边加上一个进程值词，“已停止”或“正在运行”，因此它是冗余编码的。然而，首选的方法是亮度代码。想象有一个灯泡在泵内。当它运行时，泵将比图形的背景更亮，当泵关闭时，它将比背景更暗。加上它旁边会有一个冗余的编码词。
菲茨帕屈克:这是你不能告诉别人的事情之一;你必须展示给他们看。
主持人:在操作界面实现中，信息和数据之间的区别是如何驱动设计决策的?
英格兰:我很纠结于这个术语。让我们把信息转化为数据，还是数据转化为信息?我总是分不清哪个是哪个。当你在进行有效的HMI设计时，最重要的是内容。这是关于确保您已经对您的需求进行了某种系统的分析，并试图让最终用户以不同的方式思考他或她是如何管理流程的。寻找资源来帮助推广这些概念是我所看到的问题之一。我们现在正在做的一个有趣的方法是使用高级控制专家。这些人知道如何从用户那里获取信息，成为帮助管理流程的相关内容。这是一种不同的思维方式，我们发现它有助于解决这个问题。
Hollifield:我们希望我们的操作员能看几十张布满数字的图片。随着时间的推移，他们建立了某种关于什么是重要的心理地图。他们每时每刻都要问自己:“当我看到这个数字时，我应该高兴还是难过?”这个数字的位置是好还是坏?”他们必须一分钟一分钟地参考自己的大脑地图。这样不断的分析是非常高的精神负荷。我相信，在图形层次结构的适当级别中，数字的模拟表示是重要的。因此，如果您参考图3，您将看到包含数字的模拟指示器。但它们还包括一些额外的东西，蓝色范围，代表“良好”或“正常”。通过正确地使用和调整这些指标，而不是将它们分散在整个图形上，您的眼睛可以快速滚动并查看几十个指标，并知道哪些指标在正常范围内，哪些指标不在正常范围内。 You can even see the configured alarm range, and when it goes into alarm it changes color and the redundantly coded alarm indicator appears. Situational awareness is the difference between information and raw data. By giving context, we tap into the operators’ knowledge of what is normal and what is abnormal, what the alarm ranges are-and we depict those things rather than expecting all operators to have an identical mental model, perfectly memorized.
观众:我知道趋势的价值，所以我们可以看到我们一直在做什么，但是我很难只用柱状图。我喜欢蓝色的“好”表示，但它不能显示有多好或什么是最好的。你如何在这个过程中传达最佳位置?
Hollifield:体验。仅仅加上什么是好的范围就增加了一个数量级。
菲茨帕屈克:我通常会在模拟栏中添加一个灵活的“最近发生了什么”栏。然后你可以看到，“我很好，但过去20分钟我一直在外面。”
我关心的是如何脱离图形上的P&ID表示。这使得操作人员很难遵循这一过程。他们想知道流动从何而来，流向何处。
Hollifield:在层次结构中有一个用于P&ID描述的位置:它是第3级。当您诊断问题时，您将进入第3级。了解过程的上游和下游之间的物理关系通常是非常好的，但1级不一定看起来像你的工厂。你的汽车仪表盘看起来不像你的发动机的照片上有一堆数字。第1级应该是操作员负责的所有事情的最重要测量，因此他们可以很容易地看到警报中有什么，没有什么，什么是正常的，等等。
罗伯逊:决策者往往不喜欢第一级的展示，因为他们不太了解这个过程。他们需要3级显示器，而你需要3级显示器来进行培训、排除故障，以及在工程师闲逛时向他们解释事情。但是，每天12个小时坐着看电路板的操作员可以从1级显示器中得到他们所需要的东西。他们知道所有的流程流从哪里来，到哪里去。他们知道水泵和油罐在哪里。但作为一名工程师，我不需要，所以我需要三级。
英格兰:这与数字无关;而是他们背后的描述。HP-HMI手册将第1、2和3级作为概述、控制和细节。我们的许多控制台都是面向拥有多个复杂进程单元的操作员，所以心理模型管理问题决定了控制图形具有某种PFD或一些标记。然而发生的事情是熵的作用，操作人员会把他们所拥有的一切涂在那些玻璃碎片上，并选择最有用的东西。
是不是就像第一级在最上面的大屏幕上一样简单，第二级，如果设计正确的话，就是工厂运行正常时操作员每天坐着看的东西，第三级是针对异常情况和我需要查看细节的时候?
Hollifield:你已经很接近了。问问你的操作员:“你负责什么?”一个典型的答案可能是，“五个反应堆，三个给水系统，一个油库，和一些杂项。”他们已经描述了他们的二级图像。第2级是流程的一个块，逻辑上相互连接，其中可能有大约50到100个循环。
英格兰:ASM指南的一个误解是总结概述部分的一些讨论是谈论一个单元概述。在比尔看来，他们所指的是一个不同的概念。您要寻找的是职责范围概述，然后将操作员负责的操作的主要步骤放在它下面。如果您对每个应用程序都采用这种方式，那么您就有了一个更好的层次结构，可以帮助您将关键信息放在正确的上下文中。
Hollifield:我们在一家大型发电厂对所有这些概念进行了验证测试。他们有一个模拟器，其中一件事就是手动跑回。如果发电厂遇到麻烦，他们就需要减半收费。这是一个非常复杂的手动过程，需要大约30分钟，如果操作员做错了什么，它们就会降至零，这是非常糟糕的。在观察操作人员进行手动回放时，他们在这个过程中调用了超过14个图形。有些人为了一件小事就得打电话。有很多的导航，很多的来回，很多的分心，和非常高的压力。所以还有另一种类型的图表，我们称之为异常情况图表。我们设计了两种图像，以完全处理跑回。因此，当您查看一个情况时，要寻找可以创建包含帮助处理特定情况所需的所有内容的两个图形的东西。 It’s not strictly in the hierarchy, but special purpose.
观众:如果我们承认人机界面的客户是操作员，是否应该有一个0级的经济学?
Hollifield:在创建第1级时，我们喜欢要求设施经理向我们展示他或她的月度报告。对业务重要的事情是要报告的，我们发现它们通常是操作员可以影响的事情。但在现有的HMI中，它们通常根本不存在。如果它对管理层很重要，并且受到操作员的影响，那么它应该在1级或2级的某个地方。
菲茨帕屈克:我认为设置关卡数字的一大困难在于你需要同时拥有这4个关卡。根据您使用工具的水平不同，通常情况下这不是真的，因此您最终会得到笨拙、稀疏的图形，只是为了遵循规则，这不是目的。
主持人:那导航呢?
英格兰:我并不支持在1级概览屏幕上点击某物进行导航，尽管你可以使用轭合技术在其他窗口中打开它。我认为最好的方法是把好的导航工具放在一起，这样它就直观了，并将警报导航嵌入到正常导航中。然后就变得像跟着闪烁的灯光一样简单了。当你负责一件价值数百万美元的工艺设备时，跟随闪烁的灯光是一个非常方便的工具。有各种方法来包含导航，包括选项卡显示、按钮、下拉菜单等。
菲茨帕屈克:我同意。一般来说，如果你给操作人员提供了跟踪闪烁灯光的功能，如果你试图拿走它，他们会打断你的手指。
Hollifield:每个DCS都嵌入了不同的导航范例。有句话叫"和带你来的人共舞"通常，您希望遵循嵌入在DCS中的特性，因为它们工作得很好。
主持人:改变区域和面板是多年来流行的交互机制。是否存在更好的交互模式?
英格兰:直接数据输入。为什么我们要用面板?询问您的DCS供应商。如果你还记得老式的镶板，你就知道为什么了。看起来一模一样。由于行业的发展，我们一直在使用这些面板。为什么?
罗伯逊:这有点像汽车仪表盘——每个人都知道。
菲茨帕屈克:但为什么要强迫操作员改变焦点呢?
Hollifield:我喜欢面板范例，因为在我们的书中，我们介绍了可以应用于大多数DCS平台的一般原则。我的抱怨是，当我进入控制室时，如果我点击某个东西，面板就会出现，它会出现在哪里?就在屏幕中间，在他们要做的事情上面。所以操作者要做的第一件事就是把它移开。这是可能的，使面板出现在你想要的地方，我们说，放一个预留的区域，大约面板的大小，让它出现在那里。直接输入可能是一件很棒的事情，但目前它需要您单独编码某些元素。这些可能无法在DCS升级中存活。因此，对于面板，你知道他们将生存，当供应商升级版本。如果你想在你的图形上直接输入对象，假设你必须硬编码所有东西。又是"和带你来的人共舞"
英格兰:我正在推动一种直接数据输入范式。有些DCS供应商使之变得容易，有些则不然。如果它很容易，那么为什么不去做呢?最终，它回到了一个更简单的设计:单击您想要更改的内容。
主持人:趋势的使用如何支持操作界面的总体目标?
Hollifield:我相信嵌入式趋势。如果操作人员调用一个图形，并且它是他或她应该在趋势形式中看到的东西，那么趋势应该已经在那里了。潮流随需应变的模式是巨大的失败，你相信你可以在屏幕上选择任何东西，点击一个按钮，就能得到一个趋势。你可能只需要点击15到20次鼠标，就能看到显示有用时间和范围的趋势点播显示，然后你一换屏幕，它就消失了。最好的经营者在很大程度上依赖于趋势，所以你希望它们永久地出现在图形上。
英格兰:我想提到的一件事是趋势概述屏幕和选择你放在上面的东西的概念。我称之为关键领先指标。不是kpi，而是关键领先指标。从概念上讲，你是在试图显示尾巴摇狗。你希望操作员在进入警报状态之前就注意到一些异常的东西，而趋势是最强大的工具之一。如何选择你的趋势，以及如何选择范围是我认为真正值得更多关注的事情。一个简单的例子是塔关卡。通常情况下，操作员会认为等级是塔上最重要的东西。然而，水平并不是我们要研究的趋势。我们要看外流的趋势，它会显示出物质平衡的某种偏离比任何水平上的模式都要快得多。 To me, trends are hugely powerful, generally underutilized, and a key leading indicator concept worthy of more promotion in our industries.
Hollifield:一个小小的批评:我们有一个趋势概述，但有了关键的领先指标，就不一定能清楚趋势值是否在“良好”范围内。但是有些技巧你甚至可以用在趋势上。例如，您可以在趋势旁边添加颜色编码的条，显示每个彩色轨迹的正常范围，以及警报范围和互锁范围。这并不是趋势的一部分，但旁边有一个单独的元素。不要让运算符记住所有这些东西的位置。
英格兰:这又回到了我关于关键先行指标的观点。好是什么?当你试图保持态势感知，并查看你选择的关键领先指标时，很多时候一个关键领先指标从0%到100%都很好。我们选择了更简单的方法，没有使用任何颜色条来显示趋势。我认为最好的解决方案真的取决于情况和因素，包括玻璃的数量，行业等。
Hollifield:我完全同意。不同的技术适合不同的情况。
主持人:HP-HMI如何支持工厂安全运行?
菲茨帕屈克:通过让操作人员了解什么是好的，以及安全极限在哪里。从根本上说，这要回到在正确的时间向正确的人提供正确的信息。
Hollifield:在我们进行的一项测试中，使用HP-HMI的操作员在发现异常情况方面明显更好，甚至在警报发生之前，并且比使用传统图形在更短的时间内处理这些异常情况。你处理异常情况的速度越快，情况就越不严重，你就能越快回到正常的范围内。这两者对于良好的操作都是非常重要的。
英格兰:我们发现你在启动和关闭图形上投入的精力，特殊用途，4级类型的图形，是非常值得的。一些人反对开发这些图形，声称这需要花费很多精力，因为使用频率如此之低。然而，如果你不付出努力，我敢保证，在任何事故发生后的4小时内，不花这些工程时间节省下来的钱就会付之一炬。最重要的事情之一是花时间和精力来开发这些特殊的情景图形，如停机评估和先出捕获。它帮助运营商评估发生了什么。一切都安全吗?我们要怎么做才能重启它?使用一组非常程序化的屏幕可以帮助他们回到正轨，所以他们不需要使用12个图像。
主持人:您如何衡量HP-HMI实现的成功?这是艺术还是科学?它是可测量的吗?
罗伯逊:重要的是要看kpi。工厂流程改进了吗?这是植物偏差的减少，这是效率的增加。
英格兰:从运营的角度来看，这是看到电话数量下降。对于运营主管和控制工程师来说，如果你正确地进行了HMI投资，你就不会在异常情况下接到那些电话。您已经成功地展示了所有信息，操作人员可以处理这些信息。当他们不得不打电话询问事故时，他们应该能够简短地描述问题所在，并帮助快速做出决定。
Hollifield:我们与一家大型发电公司有一个很好的案例研究。在实施HP-HMI后，他们节省了资金，因为现在每个工厂都有75到85个图形，而不是300到500个。它们现在已经完全标准化了，而且它们正在通过事故历史证明益处。如果你问他们发生了什么，他们会有一堆关于意外事件和沮丧回避的轶事。他们还节省了主机许可证、屏幕许可证和工程费用。
罗伯逊:在更高的层次上，有大量的大学研究和国防部研究。HP-HMI背后的主要原则肯定是有科学依据的。
菲茨帕屈克:我认为在考试前后做一些评估是很重要的。进行操作员访谈，做一些问卷调查，然后几周后回来审查结果。当人们开始意识到好处时，支持就会建立起来。
主持人:对HP-HMI项目有哪些常见的反对意见?
Hollifield:除了“我们一直都是这样做的”，其中一条是“要花几个月的时间来重新培训我们所有的操作员使用不同的HMI。”我们在一次测试中消除了这个误解，在那次测试中，操作员使用了一个小时的新人机界面，他们运行得很好。还有很多惯性。
在过渡的时候，你有没有把它们放在一起?
Hollifield:我们用他们的高保真模拟器让一组操作员在各种情况下运行了一个小时。一组使用他们现有的图形，然后使用他们从未见过的新的HP-HMI。另一组以相反的顺序做同样的事情。我们对他们在这些情况下的表现进行了非常详细的比较，培训不是问题。把训练作为一个障碍是一种避免做一些你可能因为其他原因不想做的事情的方法，但这不是一个有效的问题。
菲茨帕屈克:操作员性能中心在告警管理和HMIs方面做了一些有趣的工作。他们创造了一些场景，让对行业一无所知的大学生进行模拟，得到了一些有趣的结果。他们正在与运营商重复这些场景，试图提取培训或经验的影响。
主持人:HP-HMI有各种各样的信息来源，异常情况管理联盟，操作员性能中心，各种书籍和出版物，即将出台的ISA标准，等等，我们如何决定什么是重要的，如何从这样一堆数据中找到方法?
Hollifield:你是对的，标准和指南的列表在不断增加，包括EEMUA 201、API 1165和其他各种东西。外面有可怕的东西，也有好的东西。拿到它，读它，看看什么对你有意义。
菲茨帕屈克:对于ISA101，第一次通过的是具有最低可接受要求的标准。我们正在计划一系列技术报告作为后续行动，其中包括更多最佳实践建议。在ISA101中，我们确实试着审查了我们能找到的所有东西，并把最好的东西拉进来，尽管当你编写标准时，你要学会忍受失望。所以等待技术报告，但希望ISA101标准将被使用。
主持人:最后，你还有什么想补充的吗?
菲茨帕屈克:不要让你面前的高山阻止你开始。选择一些可管理的方法，开始尝试不同的方法，看看哪些对你有效。没有什么灵丹妙药，也没有单一的最佳总览方法。这取决于过程以及对操作者来说什么是重要的。
罗伯逊:当试图弄清楚是什么造就了HP-HMI时，我们可能会固守我们所学到的东西，或者认为我们所学到的东西。与您的操作员和流程保持联系。坚持做有用的事，不要做没用的事。这听起来很简单，但人们却忘记了。
英格兰:记住情境感知的概念。您希望拥有最有效的HMI，并且您希望呈现数据，以便它能够支持正确的思维模型，反映您的操作员在流程中管理的信息。把自己置身于这个过程中，并像这个过程一样思考。如果你选择了正确的方法，这个建议和其他参考材料会帮助你朝着正确的方向前进。
Hollifield:很多人担心扔掉他们所拥有的一切，从头开始。你不必这么做。你目前所拥有的内容可能是你的第3级图像的基础。你需要那些3级，所以你不想摆脱它们。大多数人所不具备的是情境感知所必需的图形，即第1级和第2级的图形。我们说的大概是20个图形。任何公司都有能力创造20个新图像。只需要一个概述，一些2级和一些异常情况的图形就可以了。别把它当成一个大怪物。
在线
欲了解更多信息，请访问:
www.mustangeng.com
2015 ISA过程控制与安全研讨会将于2015年11月9日至11日在休斯敦举行。
关键概念:
- 高性能HMI策略可以提高操作员的工作效率和态势感知能力。
- 这些品质在实践中是什么样子的概念根据正在实施的指导方针而有很大的不同。
- 这些参与者都参与了实际的实现，从而形成了他们的评论。
您是否具有本内容中提到的主题的经验和专业知识?你应该考虑为我们的CFE媒体编辑团队做出贡献，并获得你和你的公司应得的认可。点击在这里开始这个过程。
