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·可视化大屏幕上的复杂进程显示: 基于信息丰富设计原则概念
艾欧 史密斯
·概括
近年来, 大屏幕显示技术已成为工业控制室的一个辅助小显示器。由于更复杂和更大的规模, 以米而不是英寸来衡量, 它现在是一个挑战, 设计的可读性和情境意识。信息丰富设计是在许多实际复杂过程中使用了近十年的大型显示器的设计概念。该概念通过几个通用进程对象对数据集进行对齐和格式化分组, 从而简化了大型数据采集。本文介绍了最近的设计修改, 其中新功能集成到现有图形对象中, 保持了原始的简单性。本文基于情境感知的理论讨论和使用经过认证的操作人员的用户测试, 提出了大屏幕显示的设计原则。用户测试显示了过程数据模式识别的积极结果, 以及新开发的未确认告警动画;然而, 这个概念仍然受到色彩和可读性问题的影响。
·关键词
大屏幕显示
复杂过程
·1.介绍
工业控制室正在发生变化;通过模拟指标显示信息的大型硬接线板正在逐步淘汰, 以利于计算机化的接口。即使在核电厂等保守领域, 旧的模拟技术也正被替换为台式安装操作站, 提供了极大的灵活性和低成本的系统升级潜力。然而 (1] 发现了几个困难由这个做法。在对旧核电站控制室的实地研究中, 他们特别指出了不幸的锁孔效应: '没有足够的空间遥感系统来全面监控所有的控制体系状态显示'。这一观点得到了最近一项关于常规核电站和核电站的研究, 萨罗等. [2]。他们得出结论, 在桌面工作站上获得瞬时过程状态概述比通过大型面板更加困难。最近, 控制室已经开始利用大屏幕显示 (LSD) 技术作为对较小的操作站的补充, 有潜力提高情况意识 (SA) 通过大图和减少与锁孔相关问题.一些研究表明使用 LSDs 是有益的。
博尔 [3] 发现用户更喜欢物理导航在形象化要求;而且 LSDs 还提高了用户性能。最近的工作由依德特 等等 [4], 建议然而视觉编码的选择在大显示直接地影响了用户的表现。安德鲁斯等人 [5] 发现, 它不仅是扩大现有的可视化为较小的显示器的问题。挪威能源研究所 (哈尔登) 为研究目的开发了若干 LSDs。老哈尔登煮沸的水反应器 (汉博) LSD [6] 在图1被使用在一个大规模核反应堆模拟器。它代表了一个传统的图形设计方法, 使用一个模拟布局与流动线, 颜色分层的描述由范拉尔 [7] 和数字数字表示的过程值。然而它有另外一些更加先进的特征例如小趋向和综合条形图。作为数字数字的替代品,伯恩斯和汉迪葵司 [8] 建议使用易于感知的定性指标进行生态界面设计。最近,瑞兹和布勒曼的ASM 财团 [9] 采取了一种创新的方法, 在较小的桌面安装概述显示, 使用这种定性的直接感知指标。在显示布局上, 他们建议使用功能分组的指标, 而不是传统的模拟类型的流线。萨拉纳什等 [10] 显示了有希望的结果，这些综述显示对操作人员的SA有积极的贡献。比老哈伯显示更先进的是信息丰富的设计 (IRO) 概念。IRD在IFE上发展了十多年，从LSD的基础概念到复杂的过程。它的主要目的是解决人类的能力，可视化全局，同时展示过程信息。最近的ASM联盟方法更全面，结合了几个图形元素(dials，水平和垂直条等)，IRD的重点是通过少数几个通用的设计专利元素，可视化压力，温度，液位等，来简化更大的数据集。
这个概念将传统工艺符号与阀门、压缩器等结合起来。IRD图形对象通过对齐和格式塔组来简化更大的数据集。这是通过对过程变量的度量尺度的部分的数学标准化来实现的，如图2所示。
RD方法已被证明在多个领域的实际应用中有效;它被用于挪威石油工业的超过13个LSD应用程序和后来的采矿。这一概念在核领域的两个研究领域，第一代路易斯SD和第二代哈伯 LSD中实现。
不幸的是，到目前为止，IRD的概念还没有正式的设计原则适用于其他人。由于在实际的复杂过程中，大多数其他概念都是为较小的显示器而开发的，因此我们认识到有必要对更大的显示器进行形式化设计原则:
哪个类型的过程显示对象是合适的?
如何可视化报警信息?
什么类型的显示布局合适?
本文首先讨论了在SA背景下的LSDs，研究了其他的相关工作，然后对第二代汉博LSD的原始IRD图形对象进行了修改。然后在这个LSD上执行用户测试，以查看修改是否成功:颜色、过程数据模式识别和警报可视化。在此基础上，提出了大型显示器的设计原则，并提出了进一步的研究课题.
1.1.早期关于IRD概念的研究
早期的IRD出版物[11,12]讨论了一个设计概念的需要，它支持通过拉斯穆森的技能-规则-知识分类，高数据/墨水比和颜色分层来快速的视觉感知。最近的出版物[13,14]集中讨论了如何在LSDs上实现IRD的概念。拉安妮等[15]提供了第一代IRD显示的用户测试。
·2.情景感知和大屏幕显示
艾蒂利[16]，描述态势感知(SA):“了解你周围发生的事情，了解你现在和将来的信息对你意味着什么”。在复杂的大规模过程中，维持SA的潜在困难是建立良好的。杜生[17]发现SA在航空和工业事故中都是一个因素。瑞和布尔曼[9]利用SA概念对油气加工业进行了概述。接下来，我们将在艾蒂利对SA的描述中讨论IRD大型显示。
2.1．SA level 1
艾蒂利等人将第一个SA级别描述为:“感知环境中的元素”。
对于LSDs来说，这意味着足够的信息应该以一种易于阅读的方式呈现。
与在IRD中实现的大型数据集的对齐方式相同。
传统的物理“真实”规模，适用于较小的数据集。
图2所示。左边是IRD小趋势，右边是传统的刻度。
对于操作员来说，理解工厂的情况是可以理解的。我们发现图福特的[18]目标是创建数据丰富的插图，从而在这方面有价值。他提倡使用高的数据墨水比率，关注数据，而不是装饰品或垃圾。然而，图福特的工作主要是关于打印纸上的数据。吉尔兰和索尔森[19]将图福特的概念应用于计算机显示器。他们的研究结果表明，指标和背景应该有截然不同的视觉特征。
艾蒂利等人提到了复杂领域的挑战，因为信息会引起操作员的注意。我们发现这在复杂的大型显示器的背景下尤其合适。为了避免屏蔽原始数据，可以应用凡 拉尔7]描述的颜色分层技术。凡 拉尔和杜生[20]展示了比单色或非分层彩色显示器更快的搜索时间
2.1.1设计原则
使显示信息丰富，呈现许多描述植物状态的线索。颜色分层适合于避免屏蔽原始数据。视觉显著性应与工艺植物信息的重要性相匹配。
2.2 SA水平2和3
艾蒂利等描述了第二个SA级别:“对当前情况的理解”。这可以理解为将一级SA元素与目标和目标相结合。对于LSDs，这意味着信息，如目标值，报警限制，应该放在一个直观的环境中，使操作员意识到可能的偏差和异常情况。
威克森和荷兰地[21]建议操作员心理过程模拟模型和连续的,而不是离散和象征性。由此我们发现，对过程数据的模拟表示是合适的。图福特[22]建议使用小趋势，他称之为“sparklines”，以显示计算机图形中的数据。
艾蒂利等人描述了第3级SA:“未来状态的预测”。对于过程数据，这可以表明在哪个方向上是“漂移”的过程值，朝向警告限制或目标值的稳定等[23]在实证研究中发现，在过程控制操作中，明确的速度变化提示可以提高操作人员的性能。然而，这项研究并没有得出什么是最好的，一个趋势线或明确的数字信息显示改变的方向。
2.2.1设计原则
模拟指标比数字数字更符合人类认知，小趋势是合适的。明确地将工厂的目标和目标可视化给操作员。提供评价变化线索。
2.3 SA程序
我们同意瑞和布尔曼[9]在他们对较小的概述的讨论中显示，不准确的心智模型、认知隧道视觉和数据超载是有问题的，应该加以解决。由于它们的大小和屏幕空间，我们发现，LSDs有更大的数据过载风险。由于这个原因，我们发现它与通过格式塔概念简化视觉外观有关:闭包、良好的延续、布拉格斯的规律、接近性[24]。
除了上述的“程序”之外，我们发现它也与LSDs中的“必要的记忆陷阱”有关。在这个过程中，我们发现了诺曼将数据从外部提供给流程操作人员的概念很有趣，相反的情况被描述为内存中具有挑战性的内部信息。在较小的操作符显示中，显示层次结构是必需的，但是它可以挑战操作员的内存(在头脑中)。基于这个原因，我们建议在更大的显示器上采用平面的外部布局。
2.3.1设计原则
一个平面的，外部化的在世界范围内的显示布局是合适的。使用完形概念简化过程数据
2.4其他的公司考虑
艾蒂利等人指出:“自下而上的数据驱动和自上而下的目标信息处理是支持SA的关键机制之一。”LSDs可以显示数千个过程变量，显示测量仪表，而不是英寸。出于这个原因，我们怀疑有必要支持自上而下搜索这些显示中的信息。在传统的工业模拟布局中，通过可视化流程流程和较大的对象(如容器)来辅助搜索。然而，我们同意使用一个更抽象的功能表布局来进行依思瑞和布尔曼[9]，这样的静态信息为动态过程信息提供了宝贵的空间。在更大的显示器中，我们建议应该包括一些用于自顶向下搜索的辅助工具。
另一种帮助自上而下搜索的方法是使用负空间，即显示的开放区域，避免信息密集显示。霍诺夫和哈维森[25]发现，人们在电脑显示器上有效地忽略了消极的空间搜索，这表明它是无害的。
通过充分的弹出效应，在设计中必须正确地注意到自底向上的数据驱动的情况，例如警报和过程偏差。
2.4.1设计原则
展示设计应该帮助自顶向下的搜索信息,考虑使用视觉地标,线条和负空间。应用强有力的支持数据驱动的情况下如弹出式影响,关键警报，未确认的新的警报和过程偏差。
·3. 对汉博大屏幕显示的修改。
在本节中，我们首先关注第一代路威森LSD用户测试所报告的问题。基于这些发现，我们描述了IRD概念是如何被修改为后续的第二代汉博 LSD。
路安妮等[15]对路易斯 LSD的用户测试报告了几个问题区域，如下所示。
三个主要问题以及我们如何修改最初的设计理念来克服这些问题:
- 通过对设定值和警戒值的部分归一化，对模式识别的价值进行了质疑。
- 落后的报警显示。太过凝重和疲惫的表现，难以区分灰色和绿色。
- LSD看起来很拥挤，太抽象了。
3.1模式识别，修改基本元素。
图3展示了为IRD开发的三种原始通用指标，小趋势，条形图和极图。这三个对象都使用了部分的数学标准化的度量范围，以创建值和警报限制的视觉带。在这种方法中，测量范围分为几个部分;每个部分都被压缩或拉伸。结果是，所有的流程变量，无论类型或度量范围是否适合于相同的图形元素。
多变量，适用于功能分组。
Singe变量，适用于“模拟”和功能布局。
图3所示 在LSDs中使用的三个原始IRD对象
在正常的植物状态下，工艺值应放置在物体的中间;警报总是处于相同的位置。然而，应该注意的是，使用这种非物理尺度会导致不准确的心理模型。
对于新的汉博 LSD，它决定不放弃测量尺度的部分的数学标准化的概念，因为我们怀疑它可能导致复杂和难以阅读的显示，如图2所示。
图3中较窄的柱状图对象节省了宝贵的空间，但信息量较少，因为它没有时间信息。然而，通过将多个变量组合成一个更精简的包，极图就能获得更好的效果。在图3和16变量的例子中，在浅灰色区域中间形成一个圆，每个变量代表一个过程变量。如果值在它们的目标点上，它们就形成一个圆。内部较厚的辐条是控制器输出和滴答表示阀门(控制器机构)位置。该图表适合于集成功能相关变量，但不包含时间信息。它也非常抽象，并不是特别适合于模拟类型的布局。对于汉博LSD，我们选择了图3中的两个左进程对象，适合于更熟悉的模拟布局。在接下来的例子中，我们展示了小趋势的例子，但同样的原则适用于更窄的条形。路易斯显示的弱点，以及原始的IRD对象，是他们缺乏与控制器和控制器的位置相关的直观信息。这是很有价值的，因为它可以提醒操作人员可能出现的问题，比如“没有更多的调节余地”或“卡住的阀门”。
对于汉博LSD，我们通过将控制器和控制器(阀门)的直观可视化集成在ird -迷你趋势的右侧，使操作人员“循环中的”自动化,如图4所示，增加了信息的丰富性。
理想情况下，控制器输出(正方形)和阀门位置(线)应该对齐在一起。如果没有，它可以指示自动化异常。从封闭(底部)到完全开放(顶部)的范围支持自然使用的隐喻。
3.2改善报警可视化
传统上，警报会显示为警报标识，提供警报识别、描述和时间戳。
图4所示 将直觉线索与植物自动化结合起来。
图5所示 汉博在左边，更强的报警弹出，更好的一致性，更多的报警线索
然而,这在快节奏的情况下挑战人类的认知，因为警报必须逐行读取和理解。LSDs可以作为一种有用的补充，在显示按键警报时，通过容易地发现弹出效果。
不幸的是，在路易斯LSD中使用的警报帧没有足够的弹出效果;它们的大小也不一致，因为警报框架遵循进程对象的大小。同样，路易斯的警报可视化信息也没有告知哪个警报是活动的，或者是高的还是低的警报。除此之外，一些操作员建议定性指标没有提供足够的阅读准确性。
为了增加弹出和提高一致性，警报框架被填充的正方形代替，对所有的进程对象具有相同的大小和形状。此外，我们还集成了显式报警信息和变化率线索，如图5所示。警报方的位置也与常用的隐喻，在顶部(高报警)，在底部(低报警)。为了提高准确性，在关键组件上增加了数字值，并且总是在警报条件下弹出。在图5中，H3报警限被违反，向H4移动，过程值为48。
它被认为是一个弱点，路易斯显示器并没有区分新的传入警报和旧的站立警报。在较小的显示器中，使用闪烁
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