Разработка высокотехнологичных человеко-машинных интерфейсов. Часть 1

В последние годы дизайн интерфейса эволюционировал от терминалов, управляемых с помощью командной строки, до систем, управляемых движением глаз, в которых обучение происходит практически мгновенно. Такие изменения стали результатом исследований в различных областях знаний. Но какую пользу это может принести промышленности?

Многие промышленные интерфейсы, спроектированные в сжатые сроки, были ограничены рамками бюджета, то есть внешние факторы оказывали влияние на ход данного процесса, что и определило в конечном итоге полученный результат. Все это отражается на эффективности интерфейсов, а кроме того, делает их разработку в части результативности и удовлетворенности пользователей гораздо более сложной.

Основная задача методологии создания высокоэффективных человеко-машинных интерфейсов (в англ. терминологии HMI — human-machine interface) — восполнить этот пробел, объединив в разработке ультрасовременные конструкции и опыт, достигнутый в авиационной промышленности. Наиболее заметные особенности таких интерфейсов включают оптимизированные цвета, выделенные сигналы тревоги и аварийного оповещения, минималистически нарисованные объекты, широкое применение графиков и гистограмм, значения, отображаемые в контексте, экраны на основе сетки, а также эффективное использование пространства для воспроизведения информации (рис. 1).

Рис. 1. Высокопроизводительный человеко-машинный интерфейс

Такой подход, помимо общей эстетики, имеет целый ряд своих преимуществ: предотвращение сбоев оборудования, снижение числа эксплуатационных ошибок, повышение операционной эффективности, улучшение качества данных, легкости обучения, а также более низкие издержки, связанные с восприятием информации с точки зрения психологических особенностей персонала, то есть его когнитивности.

Проведенное тестирование, направленное на сравнение высокопроизводительных визуализированных человеко-машинных интерфейсов с их традиционными собратьями, показывает настолько разительные результаты, что они уже не могут быть проигнорированы. Однако для достижения оптимального соотношения затрат и получаемых при этом выгод такая методология построения человеко-машинных интерфейсов может быть применена постепенно. Например, в виде нескольких элементов существующей системы, и здесь уже не потребуется начинать все с нуля.

Безопасность и отчет в собственных действиях

Безопасный промышленный интерфейс должен отличаться удобством применения. При разработке подобного интерфейса именно интересы пользователя должны учитываться в первую очередь, а сам процесс — во вторую. Удобство и простота эксплуатации человеко-машинного интерфейса должны быть хорошо продуманы как для стандартных, так и для критических ситуаций. Поэтому он должен создаваться «с оглядкой» на его пользователя, не теряя его из виду.

Стандарт ISO 9241-11-1998

Этот стандарт задает эргономические требования к офисному оборудованию с визуальными терминалами (англ. VDT — visual display terminal) и определяет его пригодность к использованию как сочетание эффективности, производительности и удовлетворенности при его эксплуатации в рамках системы. Этот же стандарт описывает и показывает такие измерения пригодности, как легкая обучаемость, простота запоминания и низкий уровень ошибок. (Аналогичный документ РФ — ГОСТ Р ИСО 9241-11-2010 «Эргономические требования к проведению офисных работ с использованием видеодисплейных терминалов (VDT). Часть 11. Руководство по обеспечению пригодности использования»). Стандарт предназначен для применения при проектировании, разработке, оценке, приобретении продукции и обмене информацией о пригодности ее применения.

Как известно, многие несчастные случаи происходят именно из-за человеческих ошибок. Когда интерфейс разработан правильно, он путем повышения ситуационной осведомленности оператора помогает избежать многих трагедий. Таким образом, человеко-машинный интерфейс может эффективно способствовать повышению безопасности и надежности. Понятие «ситуационная осведомленность» означает полное осознание происходящего вокруг. Это является идеальным связующим звеном между воспринимаемой ситуацией и реальной ситуацией. Таким образом, ситуационная осведомленность включает восприятие, понимание и их проекцию на текущую ситуацию.

Так что давайте договоримся, что, во-первых, мы воспринимаем некий факт как некоторую данность. Далее, мы должны понять его в контексте, то есть является ли эта ситуация нормальной или нет, является ли она граничащей с аномальным поведением или процессом или нет. Затем мы должны сделать проекцию в виде последствий воспринимаемого факта в его контексте, чтобы решить, какие меры следует принять, и определить их актуальность. Как же реализовать все три аспекта в интерфейсе?

Исходные данные дают нам представление о значении. Тем не менее они не показывают нам, находится ли это значение в рамках или на границе допустимого. То есть они не предлагают нам контекст события.

Осмысление ситуации может быть достигнуто путем указания пределов безопасности, чтобы диапазон эксплуатации в нормальных условиях контролируемой переменной был полностью ясен для оператора. Данный признак контекста может отображаться в нескольких вариантах представления — объектах. Например, это могут быть обычные диаграммы, диаграмма радарного типа или гистограммы. Однако такие ограничения в виде заданных пределов пока еще не позволяют сделать прогноз последствий по результатам наблюдаемого поведения, поскольку они не указывают на тенденцию поведения переменной во времени.

Необходимая проекция может быть достигнута несколькими способами. Интуитивный способ заключается в использовании диаграммы или графика, по которым можно оценить поведение переменной во времени (рис. 2).

Рис. 2. Использование графиков и диаграмм поможет операторам оценить поведение переменной во времени

Улучшение интерфейса в части удобства его использования

Основная цель индустриального человеко-машинного интерфейса — обеспечение взаимодействия пользователя с производственным технологическим процессом. Интерфейс предусматривает оперативное оповещение оператора в том случае, когда на предприятии что-то пошло не так. Для эффективного выполнения этой задачи интерфейс должен предупредить оператора о том, что действительно случилось нечто важное, требующее принятия конкретных мер. Однако он не должен привлекать внимание пользователя к малозначительной, не относящейся к делу сигнализации во время критического сбоя в работе оборудования. Использование таких преаттентивных методов в проектировании интерфейса может повысить его эффективность. Но что это означает?

Посмотрим на себя. Наш мозг обрабатывает и хранит визуальную информацию, которую получает от наших глаз. Исследователи создали модель для имитации этой функции, содержащей память, которая называется иконической, или сенсориальной. На данном этапе происходит очень быстрая обработка полученной визуальной информации. Это похоже на то, когда мы воспринимаем что-то, даже если это всего лишь небольшой проблеск или когда это «что-то» просто привлекло наше внимание.

Далее информация передается нашей кратковременной памяти (англ. СТМ — short-term memory), где воспринятые нами сведения могут быть либо выброшены за ненадобностью передаваться для хранения к нашей долговременной памяти. Кратковременная память, судя по ее определению, является ограниченной и временной. Информация не очень долго находится в этом типе памяти. Если происходит перегрузка оператора ненужной визуальной информацией, его кратковременная память перенасыщается, и, чтобы новая информация могла бы быть сохранена, он должен «сбросить» старую информацию. Когда информация таким путем теряется, то отбрасывается и та ее часть, которая может впоследствии иметь важное значение для принятия решения в условиях чрезвычайной ситуации. В управлении производственными процессами такое не рекомендуется.

Вот почему мы должны всегда избегать применения экранов со слишком большим количеством цветов и объектов наблюдения. Это препятствует эффективности информативной функциональной способности интерфейса, тем самым уменьшая удобство и простоту его использования. И если нам не нужно знать точное значение для каждой точки процесса, предпочтительно представить подобные или коррелирующие аналоговые значения в графическом виде (рис. 3). Другим вариантом, который дает хорошее представление для коррелированных переменных или даже ключевых показателей эффективности, являются диаграммы радарного типа. В такой схеме сплошная линия показывает состояние процесса в каждый момент времени. Пунктирная линия отображает идеальную ситуацию и сравнивает, насколько ситуация близка к идеалу для каждой переменной в каждый момент времени.

Рис. 3. Графическое представление аналоговых значений

Согласованное использование цвета

Наиболее важные данные должны всегда выделяться из менее важных. Поэтому для второстепенной информации следует выбрать приглушенные оттенки экранов, избегать цветовых градиентов, а привлекающие внимание цвета использовать только для критических данных и соответствующих им статусов (рис. 4).

Рис. 4. Использование цветов для указания критических данных и соответствующих статусов в процессе

Кроме того, объекты, выполненные в весьма реалистичном представлении, могут привести к двум типам проблем. Первое — это чересчур глубокие и яркие цвета. Вторая проблема заключается в слишком большом количестве пикселей для таких, явно декоративных целей. Более простое и эффективное представление может быть использовано без добавочных декоративных пикселей или цветовых градиентов. Цель состоит в том, чтобы оценить полезность и целесо­образность данных пикселей и максимально сократить количество декоративных, не несущих информации.

Всегда избегайте цветовых градиентов на фоне экрана, поскольку контекст влияет на восприятие цвета. Ведь из-за изменения оттенка фона два прямоугольника одного и того же цвета могут быть легко восприняты как различные оттенки и даже цвета.

Во второй части статьи основное внимание будет уделено точности восприятия в зависимости от контекста, доступности, визуальной иерархии, сравнению анимации и статической индикации, а также 2D- и 3D-экранов.

Интерфейсы человек-машина «под ключ»

С помощью пользовательского интерфейса происходит управление и контроль точности наполнения жидкостью пузырьков на фармацевтическом производстве. Типичный интерфейс между машиной и человеком включает в себя компьютер, дисплей, устройства ввода данных и связующие элементы, такие как программируемые логические контроллеры и приводы. Все компоненты должны работать согласованно и взаимодействовать с информационными производственными системами в рамках комплексного подхода к построению бизнеса

Пользовательские интерфейсы, раньше представлявшие собой простые наборы кнопок и переключателей, теперь неотделимы от производственной среды. Они являются частью более крупных систем, следовательно, должны интегрироваться не только с оборудованием, над которым осуществляется контроль и управление, но и с системами делопроизводства и обработки информации.

Такую важную роль пользовательские интерфейсы стали играть из-за того, что в последнее время их возможности стали гораздо шире, чем просто визуальное представление процесса или обеспечение средств контроля и управления. Современные пользовательские интерфейсы – это сложные составляющие готовых решений. Они широко используются для анализа и осуществляют в системе нетривиальные операции. При выборе интерфейсов человек-машина данные особенности побуждают пользователей серьезно рассматривать принцип установки «под ключ».

Почему именно «под ключ»?

Принцип «под ключ» подразумевает сотрудничество с поставщиком или с системным интегратором (или с обоими сразу). У такого подхода есть как преимущества, так и недостатки. «Приобретая все одним махом, не всегда удается заполучить самые современные технологии», — считает Рами Ал-Ашкар (Rami Al-Ashqar), менеджер по продуктам в компании Bosch Rexroth Electric Drives and Controls, поясняя, что конкретный поставщик может обладать самыми последними технологиями в какой-то одной области, а в другой – нет.

Еще один пример пользовательского интерфейса «под ключ»: модуль ввода/вывода (сверху), контроллер и интерфейс/ПО в совокупности осуществляют мониторинг и управление насосной системой на предприятии бутылочного розлива

Рене Брандт (Ren?e Brandt), менеджер по маркетингу технологий визуализации в компании Wonderware, придерживается того же мнения: «Поставщики оборудования часто настаивают на использовании их программного обеспечения, но оно может оказаться не самым подходящим для задачи. Могут возникнуть сложности с его использованием, модернизацией или интеграцией с другими системами. Когда речь идет о системе «под ключ», конечный пользователь должен быть уверен, что интегратор выберет наиболее подходящий продукт для каждого элемента системы».

Несмотря на некоторые возможные трудности, преимуществ, похоже, больше, чем недостатков. «Мы предлагаем готовые системы – пользовательские интерфейсы, программируемые логические контроллеры и двигатели, поэтому нам проще обнаруживать, локализовать и устранять проблемы», — отмечает Ал-Ашкар, добавляя, что благодаря единой службе сервиса и ремонта отпадает необходимость вызова нескольких специалистов по поводу одной проблемы.

Марк Хобс (Mark Hobbs), менеджер по маркетингу продукции в компании RS View, Rockwell Automation, оценивает принцип «под ключ» с исторической точки зрения: «Лет десять или пятнадцать назад, легко можно было наткнуться на клиента, создавшего собственный пользовательский интерфейс. Вариантов выбора было немного, и если пользователь не мог найти того, что ему нужно, он создавал это сам. Это первый уровень системы «под ключ». Теперь времена изменились. В большинстве компаний нет персонала для разработки, им нужны глобальные, а не локальные системы. Поэтому они обращают внимание на готовые решения, допускающие конфигурирование под конкретные задачи. Это второй уровень. Если компания не хочет или не может позволить себе и этого, системный интегратор или группа технического обслуживания крупного поставщика может взять весь проект на себя».

«Сейчас самое подходящее время для обсуждения целостных систем как готовых решений, — считает Рой Кок (Roy Kok), директор по маркетингу человеко-машинных интерфейсов и SCADA-систем в компании GE Fanuc Automation, — системы, а не отдельные продукты – вот что сейчас важно. Система Proficy компании GE Fanuc Automation – один из примеров интегрированного технологического решения. Это модульный продукт. Что-либо сделанное однажды, может быть использовано в другом месте системы. Такой степени интеграции трудно достичь, приобретая интерфейс человек-машина у одного поставщика, ПЛК – у другого, а систему хранения данных – у третьего. Мы осознаем важность этой задачи, поэтому разработанная нами открытая и многоуровневая структура Proficy облегчает внедрение и расширение системы с помощью сторонних решений».

Важность планирования

Инженеры, применяющие встраиваемые системы для достижения детерминированной по времени производительности, могут использовать КПК и беспроводные сети. NI LabVIEW позволяет пользователям разрабатывать встраиваемые приложения и собственные пользовательские интерфейсы (на основе надежных серийных КПК) для программируемых контроллеров, таких как National Instruments PXI или Compact FieldPoint. Этот программный инструмент допускает создание произвольных пользовательских интерфейсов для встраиваемых приложений, не говоря уже о приложениях на платформе ПК

Принцип «под ключ» предполагает тщательное предварительное планирование. Рене Брандт (компания Wonderware) подчеркивает: «Выбирая производителя системы «под ключ», целесообразно искать поставщика с опытом в данной области и с хорошим послужным списком успешных проектов. Обсудите с ним, чего вы надеетесь достичь с помощью новой системы. Собираетесь ли вы модернизировать старое оборудование? Хотите ли вы увеличить качество? Необходимо ли соблюдать правительственные нормы? Кто бы на вас не работал, он должен понять свои обязанности и ответственность».

Ал-Ашкар (Bosch Rexroth) добавляет: «Если вы собираетесь действовать по этому принципу, вы должны представлять себе конечную цель. У вас должен быть готовый замысел и план действий. Кто будет использовать систему? Что будет требоваться от операторов? Это лишь некоторые вопросы, на которые необходимо ответить прежде, чем что-то начинать».

По словам Грэхэма Харриса, президента компании Beckhoff Automation, конечный пользователь лучше понимает свою задачу: «Поставщик готовых решений или системный интегратор может провести экспертизу, но пользователю необходимо знать о системе все. Мы можем поделиться опытом, но только сам клиент способен все предусмотреть. Он должен продумать всю систему, начиная с физической конфигурации и циклов управления и заканчивая выводом на экран, и оптимизировать каждый элемент. Необходимо обратить внимание, как на аппаратную, так и на программную часть».

Внедрение и совместимость

Системы «под ключ» должны взаимодействовать как с физическими устройствами, так и с корпоративными и информационными системами. Действительно, способность к взаимодействию и открытость архитектуры – наверное, самые востребованные качества, влияющие на пользовательские интерфейсы. Технологии Ethernet и web-браузеров для удаленного управления и мониторинга, серверы OPC (OLE для управления процессами) для связи двух удаленных систем, а также беспроводные технологии предоставляют большие возможности, но их применение сопряжено со значительными трудностями.

Ключевая особенность интерфейсов человек-машина – разнообразие интерфейсных панелей оператора, которое обеспечивает необходимую гибкость в промышленных приложениях. По размерам и разрешению TFT-дисплеи подходят для большинства задач, сочетая в себе сенсорные панели, планшеты, клавиатуры и т.д.

«Каждый компонент в отдельности может быть замечательным, но именно система решает задачи», — считает Русс Агруса (Russ Agrusa), президент компании Iconics. «Основная проблема пользовательских интерфейсов, основанных на PC – это обмен данными. Открытые системы должны быть совместимы с устройствами хранения данных, карманными компьютерами, мобильными телефонами и т.п. Они должны объединяться с инфраструктурой информационных технологий предприятия, а также с системой планирования и управления ресурсами предприятия. Если вы создаете систему на основе продуктов, сертифицированных компанией Microsoft и одобренных OPC Foundation, у вас есть очень хороший шанс получить отлично работающую систему».

Возможность достижения такой «бесшовной» интеграции, по словам Джеймса Дэвиса (James Davis), системного инженера в компании Opto 22, является главной причиной использования целостной системы. «Всестороннее понимание проекта поставщиком и концепции открытой системы – на эти два момента должен обратить внимание каждый, кто имеет дело с системой, сдаваемой «под ключ», — отмечает Дэвис. «Объединяя системы с базами данных, необходимо использовать открытые протоколы. Обсудите эти аспекты, обсудите весь проект, перед тем, как приступить к его выполнению. Удостоверьтесь, что тот, с кем вы работаете, знает, что для вас важно».

Пользовательские интерфейсы «под ключ» с точки зрения интегратора Установка пользовательского интерфейса «под ключ» часто подразумевает сотрудничество с системным интегратором. Для эффективной совместной работы необходимо понимать желания обеих сторон. Здесь представлены некоторые рекомендации, на которые стоит обращать внимание при встрече конечного пользователя и интегратора. Первое и самое важное: конечный пользователь должен знать, что должна делать система. «Ни один интегратор не поставляет готовое решение, не привлекая клиента, — отмечает Джеф Бакстер (Jeff Baxter), старший системный инженер в компании Progressive Software Solutions, — Принцип «под ключ» не освобождает клиента от ответственности». Бакстер рекомендует следовать установленным пунктам, помогающим контролировать и согласовывать намерения. Без них, предупреждает Бакстер, намерения легко могут выйти за рамки первоначального проекта, что приведет к большим затратам. Следующие четко определенные шаги облегчат усилия: На каждом этапе встречаются особенности, характерные для конкретных проектов. Все они важны для описанного процесса. По словам Бакстера, сейчас клиентов волнует не столько бренд продукта, сколько конечный результат. «Они платят за нашу экспертную оценку, и обычно готовы следовать нашим указаниям. К тому же интегратор вносит ясность в ближайшие перспективы, — подчеркивает Бакстер. — Мы можем обеспечить беспристрастную и объективную оценку проекта, так как у нас нет горящего плана работ». Бакстер также отмечает, что в последнее время интеграторы редко поставляют пользовательские интерфейсы как отдельные компоненты. «Большинство наших решений выходят за рамки интерфейсов человек-машина. Они включают в себя другие элементы, такие как устройства хранения данных, коммуникационные возможности, корпоративные системы, а также комплекс техобслуживания. Отдельные пользовательские интерфейсы, выпускавшиеся несколько лет назад, сейчас стали редкостью. Пользовательские интерфейсы глубоко интегрируются в информационную структуру масштаба предприятия».

Системы, сдаваемые «под ключ» должны работать с уже имеющимися системами, даже если устанавливается новое оборудование. «В большинстве случаев, предприятия не производят полную замену всех корпоративных систем или всех систем управления», — отмечает Рене Брандт (Wonderware). «Возможно, они модернизируют только часть оборудования. Поэтому ключевой фактор – возможность интеграции с оборудованием, не подлежащем замене».

Визуальное представление будущего

Рене Брандт полагает, что сотрудничество с поставщиком готовых решений или системным интегратором позволяет сосредоточиться на бизнесе, а не на специализации в области пользовательских интерфейсов или программного обеспечения: «Не беспокоясь о новых технологиях, компания может сконцентрироваться на увеличении продуктивности и улучшении качества».

Мария Пиацца (Maria Piazza), коммерческий директор по автоматизированным системам в GE Fanuc Automation отмечает: «Задачи постоянно усложняются, и клиенты вынуждены искать компромисс между эффективностью и ценой. Гибкий системный подход позволяет выбрать необходимую функциональность, а также простой и экономичный способ модернизации».

На данный момент, пользовательские интерфейсы являются неотъемлемой частью быстроразвивающихся технологий. Благодаря новым достижениям, современные пользовательские интерфейсы отображают данные, графику и анимацию, что, по словам Марка Хобса (Rockwell), «действительно потрясающе. Интерфейсы будут постоянно улучшаться и упрощаться». Выбор пользовательского интерфейса очень важен, поскольку влияет на весь производственный процесс. В сочетании с правильным замыслом, планированием и осуществлением, принцип «под ключ» позволяет добиться превосходных результатов.