将显示映射到操作员决策的方法和最佳实践

在过程控制系统操作员界面中，显示设计的关键性质是由操作员错误引起的，这一事实突出了这一事实。目前，控制操作员的显示设计通常基于P&ID图，因为这种方法快速简便。问题是，用这种方法设计的显示器不一定能在正确的时间向操作员提供正确的信息。一种新的方法组织显示，以提供支持决策的信息，以最佳地操作工厂，并使工厂从异常情况恢复到正常状态。新的显示器设计过程从分析操作员必须做出的决策开始，将可用信息映射到这些决策中，并将信息分配到不同级别的显示器。这种新方法有可能通过改善作业者的决策来减少事故的数量。

显示设计挑战

人们越来越意识到操作员在核电站无事故运行中所起的作用。化学品制造商协会最近的一份报告将26%的事故原因归咎于操作人员的错误(见图1)。一些个别工厂非正式地表示，他们将更高的比例——甚至高达66%的事故归咎于操作人员的错误。减少操作员错误数量的最有希望的途径之一是改进操作员界面，该界面由一组图形显示组成，允许操作员查看他们负责的过程并根据需要采取行动。

作为起点，最初的操作员显示通常模仿p&id上显示的过程设备。这些初始显示包括测量，阀门，其他最终元件和控制元件。它们包括足够的工艺设备和管道，以便可以遵循工艺流程。增加了显示导航，允许操作员快速跟随流程，并根据需要钻入和钻出细节。随着时间的推移，来自上游和下游过程的额外相关信息经常被添加到显示器中。显示系统的整体有效性在很大程度上取决于设计师的经验、操作人员的参与以及图形显示的结构方式。

展示设计的新方法

显然，显示的目的是使操作人员能够做出更有效的决策，特别是尽可能地消除操作人员的错误。为了提高操作员图形的整体效率，操作员性能中心(COP)正在研究一种不同的显示设计方法。显示设计不是遵循设备布局，而是基于控制室操作员的决策。作为该方法的一部分，系统地审查和表征操作员和过程制造中的其他人所做的决定。使用评级和聚类技术将可用信息映射到决策。然后将信息分配到不同的显示级别。

典型的第一步是确定过程中每个主要部分的关键操作决策。在最初的研究中，关键的决定，如“为什么我失去了氢?”和“为什么我的分隔符水平在变化?”他们问道。所选择的决策需要来自底层流程模型的多个数据值。例如，“我失去氢了吗?”只需要检查氢气量，应引起警惕。另一方面，“为什么我失去了氢?需要对多个数据点进行分析。还考虑了涉及换班、关键翻转系统和典型日常指示的决策。

在一个测试案例中，为加氢裂化装置选择了以下决策:

• 为什么我失去了氢?
• 我为什么要发泄这么多?
• 为什么循环气体发生了变化?
• 我是否最大化了预热?
• 我的工作效率低下吗?
• 我可以增加收费吗?
• 我的饲料系统是否设置为生产所需的产品?
• 我的循环压缩机运行是否接近最佳状态?
• 我有体温失控的危险吗?
• 为什么反应堆温度下降了?
• 为什么我没有足够的食物?
• 我的反应器是否设置为生产所需产品?
• 为什么我没有做出想要的轻质产品?
• 为什么石脑油不合格?
• 为什么我的分隔线会改变?和
• 这应该一直显示(交叉检查)。

应该包括什么?

设计显示的关键挑战之一是确定显示中应该包含哪些信息以及如何组织这些信息。一个典型的单元中有数千个数据点，太多了，无法在显示器上显示。一个加氢裂化装置可以有3000个标签，所以确定哪些是最重要的是很重要的。该过程首先将单元划分为逻辑部分，然后根据流程需求和具有重要告警和类似因素的项定义关键数据元素。

在许多情况下，数据点必须结合起来，以提供有助于决策过程的信息。在本例中，标记的数量从3,000减少到120，总共有194个数据元素。例如:

• 前端,高压分离器压力PV
• 后端,分离器顶压输出
• 后端,分离器燃料气体压力PV
• 公用事业- - - - - -洗水流量PV
• 后端,分离器顶压PV
• 前端,压缩机机组补压方式
• 前端,补充压缩机机组压力输出
• 前端,高压分离器压力输出
• 前端,电荷单位电荷流PV，和
• 前端,炉/加热器(HT/HC RXS)燃气压力PV

下一步是确定这些数据点中哪些对作业者的决策过程最重要。对于这些决策，经验丰富的操作人员被要求对关键数据元素的重要性进行评级。操作人员根据每个数据点对每个决策的重要性对其进行1到5级的评分。

聚类分析

分析了作业者的反馈，并为每个决策分配了每个数据元素的平均评分。然后使用一种称为聚类分析的技术对调查结果进行评估，以确定参数应该如何组织。聚类分析将对象分成不同的组，其中一组中的对象彼此相似，而另一组中的对象不同。

如图2所示，确定集群的数量可能需要几次尝试才能找到理想的数量。一般来说，一个好的起点是4到5个集群。集群组用于定义从跨多个决策的高级态势感知到模拟显示器上的单个数据点所需的显示层次结构。以下步骤用于形成五个集群:

1. 每个观察都在一个单独的组中
2. 每两个最接近的观察结果被结合起来形成新的组
3. 计算剩余组之间的距离
4. 然后最接近的两组组合在一起，和
5. 这个过程不断重复，直到只剩下五组。

为了帮助解释聚类分析，将提供一个例子，说明如何使用这种方法根据人口、经济和环境变量对城市进行分组。本示例使用表1所示的数据集。

上面的数据集在图3中显示为树形图，树形图经常用于说明分层聚类产生的簇的排列。树状图中最下面一行的节点表示单个观测值，其他节点用于定义数据所属的集群。从公共节点到底部行的垂直距离与组中成员的相似性成反比。换句话说，距离越小，城市越相似。例如，树状图显示波士顿和华盛顿是最相似的城市，三个城市最相似的组合是这两个城市加上亚特兰大。树状图的总体形状表明，这些城市可以分为两类:

1. 纽约、芝加哥、波士顿、华盛顿、亚特兰大和旧金山
2. 洛杉矶，休斯顿，凤凰城和迈阿密

由于第2组包含的城市往往位于较温暖的地区，因此当使用最近邻方法时，气候在对城市进行分组时起着重要作用。

聚类分析在加氢裂化装置实例中的应用

下一步是将聚类分析应用于前面提到的加氢裂化装置的例子。图4显示了加氢裂化装置示例的树状图。

质心是集群中所有成员在特定变量上的平均值。在加氢裂化装置的例子中，集群1对问题1的平均回答为3.1，集群2的平均回答为1.8(表2)。重要的是根据决策和数据的模式做出决策，而不是仅仅依赖于最高的决策分数。例如，7个决策在第1类和第3类中具有较高的决策得分，这两类决策都应该在制定这些决策中发挥重要作用。

聚类分析将低影响数据分为聚类2和聚类4。下面来自集群4的示例表明，可以将这些决策分离出来，并在不同的总览或较低级别显示上进行处理。

前端,炉膛/加热器ID/FD风机状态0
前端,胺接触器/吸收器级SP
前端,胺接触器/吸收器级PV
前端,胺接触器/吸收器水平模式
前端,胺接触器/吸收器水平输出
后端,分馏塔再沸器蒸汽流量SP
后端,分馏塔再沸器蒸汽流量PV
后端,分馏塔再沸器蒸汽流动方式
后端,分馏塔再沸器蒸汽流量输出

设计展示

当操作员需要的所有相关信息都包含在同一个显示器上时，他们的工作效率会更高。可以通过定义所需的信息并消除其他所有信息来限制数据过载。所以确定什么信息应该在显示层次结构的哪个级别是很重要的。首先要确定高级态势感知需要哪些信息。显示器设计人员还应该定义其他显示器操作员直接访问相关信息所需的内容。信息应该根据其对高级概述的价值以及从概述屏幕中深入获取更详细信息的相关性来组织。

在加氢裂化装置的研究中，数据在所有决策中进行排序，以确定不同显示级别的信息。确定了根据其比率排名以及在所有决策中的平均评级确定应包括哪些数据元素的标准。例如，在COP研究中，第1级中包含的数据元素不超过40个，并且第1级中的所有数据元素在所有决策中的平均评分必须至少为3.0。

• Level 1 -高级概述和告警
• 二级-初级操作(全单位操作)
• 三级:二级操作(任务导向操作)
• 4级——过程细节或支持图。

一旦将参数组织到适当的显示中，下一步就是考虑显示信息的替代方法，例如图形化、文本化、表格化和听觉化。某些数据最好以一种方式可视化以支持一个或一组任务，而以另一种方式更好地可视化以支持不同的任务。举个例子，考虑一下电话号码的表示方式。如果有人让你记住1-800-677-4992，你可能需要努力去做。然而，一旦这个号码被放置在长期记忆中，拨打这个号码就很简单了。这与试图记住1-800-MR-PIZZA形成对比。按下相同顺序的按钮更容易被记住;然而，拨号比较困难。

虽然基于工厂布局和设备的低级P&ID图形通常很容易设计，但它们可能无法提供日常监督控制和态势感知所需的支持。这里描述的新方法可以帮助设计人员考虑操作人员正在做出的决策，确定支持这些决策所需的内容，并提供系统化的方法来组织内容。最终的结果应该是，显示器将帮助操作员做出更好的决策，减少错误。

珍妮·j·加利莫尔博士是莱特州立大学工业和人为因素工程学教授。Cindy Scott是艾默生过程管理公司的DeltaV产品经理。Mark Nixon是艾默生过程管理公司应用研究部主任。

关键概念

• 大多数HMI设计人员使用P&ID作为主要设计元素来创建操作界面。这种方法有效，但没有考虑到哪些信息对操作人员来说是最关键的。
• 作业者的决策对防止或使其恶化有重要影响，因此快速、清晰地传递正确的信息可以最大限度地减少潜在的问题。
• 了解基本的决策技巧可以帮助HMI设计师创建高效的图形。

了解更多:

• 了解更多关于赖特州立大学的信息www.wright.edu
• 在www.globalelove.com/media-library/webcasts.html观看关于HMI设计的点播网络广播
• 本文中的研究是由运营商性能中心进行的，该中心是一个由行业、供应商和学术代表组成的多元化组织，通过研究、协作和人为因素工程来解决人的能力和局限性。它的使命是提高操作人员的绩效，提高健康、安全和环保意识。欲知详情，请浏览https://operatorperformance.org

•了解更多关于艾默生过程管理的信息www.emersonprocess.com

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