控制室的人机因素

    Hector Perez解释了关注报警管理和人机界面设计如何提升工厂安全性、产能和利润。

 

    在大多数流程行业,制造是由控制台操作人员进行实时的直接控制。如果这个操作员犯了一个关键性的错误,整个公司以及和它利益相关的机构都会受到很大的影响。

    有关人为因素和人机工效学的研究,就是要探索人与工作环境之间的互动关系。在任何行业和组织的任何层级上,每个人工作的表现都会直接影响安全、生产和利润。

    因此,需要创造最优良的工作环境,提高操作员自身“人的可靠性”,这样制造企业才能达到最佳安全水平和利润水平。报警系统和人机界面(HMI)是提高操作人员可靠性最重要的方法。 

报警的问题

    在现代化的集散控制系统(DCS)问世之前,生成新的警报需要额外的物理报警面板和相关的线缆。由于每一次报警都会发生相关的成本,只能在最重要的区域安装必要的报警装置。然而,在现代DCS系统之中,报警只需要进行最少的参数配置,并不需要什么单独的成本。因此,工厂中的报警器的数量在过去几十年中出现了爆炸式的增长。

    一台DCS操作控制台上拥有超过3500个配置报警器已经不是什么新鲜的事情,这就会造成每天都会有数千个警报产生。很多警报实际上是一些不常见的报警系统的问题导致的。

    这些问题包括:警报泛滥(在短期内触发大量的报警)、无聊和荒谬警报(测量值反复进出报警状态阈值)、陈旧警报(测量值已经保持在报警状态相当长的一段时间)以及预测性维护信息被错误的当成警报显示在屏幕上。

    上述这些因素都会加重操作员的工作负担,降低人员的可靠性,而且经常会导致他们遗漏掉关键性的警报。事实上,警报系统表现不佳一直都看作是异常状况和主要事故的重要诱因。 

进行改进

     幸运的是,创建并维护一套有效的报警系统,还是不太难的。一个好的警报管理方法包括可以优化报警系统的一系列稳定的技术,比如:

     报警理念的建立:在一份全面的文档中设定了报警系统有效设计、实施和管理的要求。

    进行标杆评价:分析当前的报警系统与业界最佳之间的性能差距。

    解决不良问题的警报:对于问题最严重的警报,第一时间加以解决。

    警报建档和理顺:使用理念文档中建立的方法对报警系统进行重新加工,确保只有可以采取行动的警报呈现在操作员面前。

    实时报警管理:这项复杂的技术需要动态的工厂操作环境,包括:

    警报搁置:对警报临时性、可控的压制不发,目的是消除操作员眼中无用的警报。

    基于状态的报警:修改报警设置,与工厂当前的运行状态匹配。

    压制报警泛滥:根据触发事件的情况,对预设的警报组进行动态管理。

    除了以上这些之外,对报警系统进行持续审查、对文档中建立的设置不断改进以及理顺流程,都是非常必要的。通过实施推荐技术,报警系统已经成为提升流程安全性和人员可靠性的驱动力。 

人机界面

    人们都已经了解了对操作员表现进行有效报警管理的重要性,并且已经把它写到了公司章程之中。然而,仅仅建立有效的报警系统还是不够的,如果确实需要提高人员可靠性的话,还要优化人机界面。事实上,几乎每一份工厂事故的报告都提到了人机界面(HMI)表现不佳的问题,而这个领域现在的研究还不多。

    在20世纪70年代后期,当第一款图形化的操作显示器问世的时候,还没有有效设计的指导。它只是根据工厂的实际情况,把它用工厂管道和仪表图(P&ID)表示出来。这些示意图接下来被赋予一系列数字和各种其他属性(比如色彩、行为和形状),来传递运行数据信息。结果通常和最佳的情况相去甚远。

    从那时起,相关的技术并没有什么特别的改进,这些示意图仍然还在普遍使用。示意图显示方法并不会让操作员注意到与安全相关的情况,也无法支持流程的主动管理。

    通常,在屏幕上显示了太多的原始数据,需要进行大量的解释才能了解其对运营环境的含义。并且,屏幕上的数据量太大也妨碍操作人员快速的发现问题,增加了他们做出反应的时间。

    由于人机界面没有提供对于状态关注来说必要的环境,操作人员不得不在收到警报时才能做出反应,而不是在警报产生之前就采取行动。

高性能HMI

    为了提升操作人员的系统状态辨识能力,让运行更加可靠,我们需要高性能的HMI具有如下功能:

    ·提供流程状态的最优情况

    ·让操作员了解关键性能指标和流程趋势

    ·驱动对异常情况进行立即检测

    ·增加处理异常情况的成功率

    ·降低完成除错工作的时间

    ·减少被动操作

    高性能图形界面的一个显著不同,在于无论何时运营指标都是以信息而不是原始数据的形式显示出来。绝大多数传统人机界面显示大量的原始流程数据,除非操作员经过高度培训并且对设备运行非常有经验,他们分不太清楚流程是在以巅峰效率运行还是已经出现了故障。

    信息的呈现形式,包括始终如一和有效使用的颜色、合理的警报描述以及模式识别。下面列出的指导性内容就是从人因科学和人机工效学的经典原则中总结出来的。 

色彩始终如一和有效使用

    传统的人机界面并没有以最佳的方式使用色彩。举例来说,传统HMI中通常使用的彩色示意图用亮绿色描述运行的设备,而用亮红色表示设备没有运行(在电力行业正好相反)。   

   而高性能HMI则采用了灰阶的方法,用非常淡的灰色做背景,稍亮的灰色阴影描述设备正在运行,而较暗的灰色阴影表示设备关闭。在设计高性能HMI的时候,单一色调和灰阶风格认为是最适合描述正常运行系统的,因为他们不大会吸引操作员的注意力。

    由于人眼很自然的会被明亮的颜色吸引,这些颜色应该被用来描述异常的情况,比如警报。

    高性能HMI只采用有限几个最易区别的颜色。每一种颜色都有独特的含义,只要在表达特定意义的时候才能使用。

    举例来说,报警颜色只有在显示警报的使用才使用,其他的时候闲置。如果黄色是警报颜色,那么黄色就绝对不会用于文本标签、线条、边框或者所有其他与报警无关的元素当中。颜色使用的始终如一,即便是操作员经验很少,也能够快速的了解显示器上的内容。 

合理的警报描述

    警报用来表示在一个应该正常运行的系统之中有异常情况正在发生。合理的警报描述使用颜色、形状和文本来表示异常情况的重要度和优先级别。警报通常使用亮红色和黄色来表示。

    然而,需要注意的是,并不是每个人对于颜色的区分都是一致的。人类有几种常见的色彩辨识缺陷,也就是常说的色盲现象。这种现象可能导致操作员错过某些警报。因此重要的情况或者状态不应该使用颜色作为唯一的指示。

    除此之外,在描述警报优先级的时候使用的形状和文本也必须保持前后一致。比如,使用带有数字“1”的红色方格,来描述优先程度最高的警报。

    绝大多数人都不会注意到视野边缘颜色的变化,但是一些行为,比如闪烁,效果就会大不一样。这种行为只有在异常情况发生但是操作员还没有意识到的时候才会发生。如果使用闪烁,就一定要可以将其关闭。使用这些方法可以让没有经验的操作员一眼就能够发现异常的状况。 

模式识别

    作为人类,我们天生具有识别模式的能力。高性能HMI的设计通过使用趋势显示这类易于解释的图形来放大这种人类的本能。趋势可以同时描述测量值的正常和异常范围,并可以体现相当长的历史变化。

    另外一种强大的模式识别工具是模拟指示器,它在高性能HMI设计中要比数字显示更加受欢迎,这是因为后者只是在显示器上显示一些抽象的数量而已。如果模拟指示器设计合理,操作员一眼看过去就可以判断哪些值已经超过了正常的范围,如果超过的话,已经超过了多少,以及警报生成时的读数与采取互锁行动时的读数的接近度。

   在几秒钟之内,操作员就会知道哪些读数需要进一步关注。如果能够将趋势和模拟指示两种概念融合到一幅图之中,是再理想不过了。这可以方便操作员识别出正在产生的异常状况,以及剩余的修复时间。 

显示层级

     显示必须要设计出层级,这样可以让细节逐步呈现。一般认为四层结构是最优的设计:

    第一级:流程区域总览—显示操作员控制的整个区域

    第二级:流程单位控制—显示子单位

    第三级:流程单位细节—显示具体的设备或者控制器

    第四级:流程单位支持&诊断显示—显示诸如互锁、紧急关闭和诊断平面的元件

    显示层级提供了流程全面纵览,对于任何特别信息都可以深入搜索。 

表现变化

    通过优化报警系统和采用高性能人机界面,人员可靠性可以得到大幅提升,操作员可以采取主动而不是被动的方法工作。他们可以检测正在发生的干扰,在危险情况发生之前就进行干预。使用上述方法,无论是在哪个行业,操作员的表现都完全可以变化,因为所有行业中人为因素的影响都是一样的。 

    通过在报警系统和人机界面中采用系统化的工效学方法,我们可以将人为错误降到最低,让操作员更加可靠,从而最终提升企业总体的安全性、产能和利润。

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