高性能HMI ：为提高操作员效率而设计（一）
什么是高性能HMI？
我们经常会谈到高性能人机界面（HP-HMI），那么到底什么样的HMI才能称之为高性能呢？雪弗龙公司的高级设备工程师George Robertson这样认为，“好的HP-HMI在运行的时候可以让操作员对状况的变化保持高度警觉，因此当某一状况出现时，他们可以真正看到发生了什么，而不需要在很多不相关的信息里面来搜寻。”这位具有超过30年石油行业经验的工程师，近期刚成功完成了上游行业的HP-HMI项目。
图1：正如你所看到的，所有的信息都在画面上，问题是你能在这样的界面找到报警信息吗？图片来源：Maverick 科技公司
搞房地产行业的人经常会说一句话：一切都取决于位置、位置和位置。“同样，一个好的HMI的决定因素是内容、内容还是内容。你要确定将时间和精力投入到正确的图层来获得正确的内容，并使之适用于最终用户。”马拉松石油有限公司的企业控制技术员Jeff England谈道。
Wood Group Mustang公司的HMI、异常状况管理以及人体工程学项目带头人Bridget Fitzpatrick认为，有时人们会为一些例如颜色和格式因素等基本设计细节所纠结，“在我看来，这些元素就是成为一个好的HMI的前提。高性能HMI的实现，首先需要将正确的信息传递给正确的人。”
一个HP-HMI与过去的HMI的区别之一，就是在屏幕上显示的是可用的信息，而不是只显示原始数据。以前认为在屏幕上显示复杂的标有众多数字的管道仪表图（P&ID）是向操作员展示流程的很好的方式，并使其对于状况变化保持最高度的警觉，现在则是放弃这种想法的时候（请见图1）。“很多人认为HP-HMI是将所有的彩色去掉，让每个信息都显示为灰度，那其实是不准确的。好的HP-HMI是更加有效地使用颜色，而不是简单地去除颜色。” PAS公司的HP-HMI首席顾问Bill Hollofield认为。
图2：红色代表启动，还是停止？这样的配色你能看得懂吗？
什么样的颜色搭配更有效？
颜色一直是HMI设计中讨论的主要部分，例如，应该选用什么颜色？灰度画面是否最好？“要实现高性能，画面中的内容就要以灰度显示，其实这是一个很大的误解。真正的高性能是要获得正确的对比度，让操作员可以在自然光条件下很容易看清楚，继而使用不同的颜色来突出意义和重点。”Fitzpatrick说。
研究表明如果有内容具有高亮度和高分辨率，它们会吸引你的目光并导致很难找到你需要寻找的目标。Robertson认为，作为一个工具，使用彩色和灰度画面的合理搭配可以保持对状态变化的高度警觉，并使操作员更容易识别其需要关注的内容。
针对灰度部分，有着 27年自动化领域的经验并监管过多个大型的HP-HMI实施项目经验的England认为： “我们努力在HP-HMI设计中实施异常状况管理（ASM）指导方针时所缺少的思考，正是疲劳管理的人为因素问题。看看关于工作环境下照明和对比度的ISO标准，昏暗的灯光并不在考虑范围内。不要忘记，我们实际上是试图改变该环境。你可以在控制室内通过一组好的画面背景来提高照明的效果从而减少眼睛的疲劳。”
有时惯性可能成为改变的绊脚石。Hollifield提醒大家，“别忘了，我们是在90年代初开始接触低频阴极射线管（CRT）的，当时只能在黑色的背景下显示明亮的饱和颜色，而且在玻璃CRT上可能会产生最差的组合，加重炫光和反射问题。因此，为了解决特定的技术限制，我们在控制室里将灯光调暗，就这样我们开始了使用黑色背景和明亮颜色。因为惯性，我们保持这种方式年复一年。可是，如果你想让操作员在凌晨3点保持警觉，那么控制室的灯光应该比一般的办公室更亮。”
幸运的是，我们现在有了高频LCD显示屏可以提供好得多的显示效果，并且不再受硬件的限制，可是惯性让我们还是停滞不前。如果考虑用颜色，那么先问问自己：“这种颜色在异常状况时能否引起注意？当一个操作员盯着屏幕，他需要多长时间能判断出该工艺正处于最佳状态，还是即将崩溃？屏幕上有没有报警？你能说出来吗？颜色使用的不好会让识别异常状况变得更难。”
图3：仅有数字描述也许表达的还不够。
统一的颜色定义和说明
有一些设计人员习惯使用更直观的颜色定义，可是在不同的使用环境下用法却不相同。例如，红色和绿色一般都被用在两种相反的状态下，但有些时候也不是都这样使用（见图2）。这样的差别能否得到解决？或者在实践中是否应该被消除？
“如果你认为这不是问题，那么就任用一位优秀的色盲操作员。” 雪弗龙公司的Robertson打趣道：“或者另一种让你满意的方式就是找一些电气维护人员和操作员坐在一起，然后显示屏幕上有一台电机变红。大多数电气人员都会说，‘它被接通并启动了，它是危险的。’而操作员们则会说，‘它断电了，它已经停止了。’可见，红色和绿色并没有一个被广泛接受的、固有的、启动或停止状态的统一定义。” 因此，光靠颜色定义状态还不够。将形状、文字和颜色等组合起来定义不同的信息会更加有效。
电力行业可能是最喜欢使用红色和绿色范例的行业之一，面对这样的行业习惯，PAS公司的Hollifield给出了一些建议：一种折中方案是选择一种明亮的饱和红色并只留给显示报警使用。如果你坚持使用红色和绿色或绿色和红色来定义事物的接通和断开，那么就要绝对坚持你使用的方式，使用非常发白的红色和发白的绿色。最好能在其旁边使用文字标注出“停止”或“运行”，这样就是双重代码。不过，首选的方式仍是亮度代码。想象一下在一个泵里面有一个灯泡。当泵运行的时候，它会比画面背景更加明亮，当泵停止运行，它会比背景更暗。除此以外，它旁边还会有一个双重的文字代码。
信息与原始数据的差别
在你进行有效的HMI设计时，最重要的就是内容。你要确定已经对你所提出的要求有了一定系统的了解，并努力让最终用户以另一种方式来理解他对工艺的管理。马拉松石油公司的England谈道，“我们需要寻找资源来帮助并使此概念更易懂。我们现在正在采取的一种有趣的方式，就是使用高级控制专家。那些人知道如何从用户那里获取信息并变成辅助管理工艺的相关内容。这是不同的思维模式，我们发现它对于理清概念大有帮助。”
在操作员界面的编制过程中，信息与数据的差异是如何推动设计决策的制定？我们将信息转化为数据还是将数据转化为信息？这是一个让人纠结的问题。比如，我们希望我们的操作员可以监视十几个画面，每个画面都充满数值。他们经过一段时间后会在脑海里建立起一套重点分布的地图。几乎每分钟他们都要问，“当我看到这个数字，我是应该高兴还是难过？该数字是在正确的位置还是错误的位置？”他们必须每分钟都要参考脑中的地图。如此持续的分析过程必定是很高强度的脑力劳动。
Hollifield认为，在图表层级的适当层面上，数字以模拟量方式表示是重要的。例如图3所示，你会看到包括数字的模拟量指示。不过它们也包括一些其他信息，蓝色的值域代表“好”或者“正常”。通过恰当地使用和排列这些，并且不要将它们遍布整个画面，你的眼睛可以快速转动并正确地读取数十个显示，从而清晰地知道哪些值在正常范围，哪些不在正常范围。你甚至可以看到设定的报警范围，当有报警时会改变颜色并显示双重的报警代码显示。”
态势感知是信息与原始数据之间的差别。我们将关于什么是正常或者不正常状态、以及报警的范围是什么的知识引入进来，便于我们描述这些事情，而不是期待所有的操作员都会有相同的心智模式以及完美的记忆力。
HMI的层级显示
有的操作员担心会在HMI画面上看不到P&ID图，这会让操作员很难了解工艺，因为他们想看到流体从哪里来和到哪里去。Hollifield谈道，“在你的层级结构中有一个描述P&ID的地方：那是3级。你在诊断故障原因的时候进入3级， 能够了解工艺中的上游设备和下游设备之间的物理关系。不过1级显示看起来并没必要和你的工厂复杂管线图一样。就像你的汽车仪表盘并不和你那带有很多数字的发动机图片一样。1级显示画面对于操作员所负责的每一个工作来说应该是最重要的监测手段，因此他们可以很容易看到什么在报警，什么是正常的，等等。
Robertson认为，决策者们常常不喜欢1级的显示，因为他们对工艺不太了解。他们想要3级显示，而你需要3级来进行培训和故障诊断，并在工程师询问的时候用来向其解释。可是，每天坐在那里盯着面板12小时的操作员会从1级屏幕上获得他们需要的内容。因为他们知道所有的工艺流体来自哪里和流向哪里，知道泵和罐体在哪里。
这是否意味着操作员会简单的将1级显示放置到大屏幕的顶部， 2级是在工厂运行时操作员坐在那里日复一日盯着看的内容，而3级是在异常状况下以及操作员需要查看细节时所用？ 问问你的操作员，“运行时你负责的是什么？”一种典型的答案可能是，“5台反应器、3个进料系统、1个罐区以及一些辅助项目。”那么，他们就已经描述了他们的2级画面。一个2级的工艺结构会包括大概50到100个回路，在逻辑上它们是互联的。
Hollifield举了一个例子：我们在一个大型的电厂里对所有这些概念进行了验证性测试。他们有一个仿真器，他们做的一件事是进行手动降低负荷。如果电厂出了故障，他们需要降低一半功率。这个过程很复杂，手动过程需要大概30分钟，如果操作员犯了任何错误，功率就会降到零，那是非常糟糕的。观看操作员进行降低负荷手动操作，他们需要调用超过14个不同的流程画面。
有些画面的调用仅为了很小的事情。 有很多的浏览操作、许多反反复复、许多干扰因素以及很大的压力。因此有另一种画面，我们称之为异常状况画面。我们将执行降低负荷运行所需要的每个内容设计在两个画面中。因此当你看到一个状况发生，去那两个包含协助处理特殊状况所需要的每件事情的两个画面中去寻找可能用到的内容。这不是一个严格执行的层级结构，不过是为了特殊目的服务的。
“我们希望我们的操作员可以监视十几个画面，每个画面都充满数值。他们经过一段时间后会在脑海里建立起一套重点分布的地图。几乎每分钟他们都要问，‘当我看到这个数字，我是应该高兴还是难过？’” （作者：Mark T. Hoske）