23. marca 2005 poobede zasiahla rafinériu BP Texas City v Texase séria výbuchov po tom, ako sa preplnila destilačná kolóna v ­rámci procesu izomerizácie uhľovodíka a vychrlila do vzduchu ­gejzír kvapaliny, z ktorého sa vytvoril oblak vysokovýbušnej pary. Prechádzajúci ľahký nákladný automobil bol príčinou jeho vznietenia. 15 pracovníkov bolo usmrtených a ďalších 180 zranených.

Tlaková vlna bola taká silná, že v okruhu 1,2 kilometra boli na ­domoch povybíjané okná. Vyšetrovací úrad CSB (Chemical Safety and Hazard Investigation Board) strávil takmer dva roky vyšetrovaním tejto havárie [2]. Výsledná správa uvádzala niekoľko príčin vrátane nedostatočného školenia, chýb pri dodržaní bezpečnostného postupu pri nábehu kolóny do prevádzky, nevhodného prístrojového vybavenia, nedostatočnej údržby a „chabo navrhnutého počítačového riadiaceho systému, ktorý pracovníkom prevádzky sťažoval určenie, ako je kolóna naplnená“.

Obrazovka počítačového riadiaceho systému, na ktorej sa zobrazoval údaj o tom, koľko kvapaliny bolo dodanej do destilačnej kolóny, sa nachádzala inde, ako tá, ktorá zobrazovala údaj, koľko rafinovaného produktu už bolo z kolóny odobratého. Mať dva údaje o napĺňaní a vyprázdňovaní na rôznych obrazovkách znižuje ­prehľadnosť a dôležitosť monitorovania rafinovanej kvapaliny na vstupe a výstupe, pričom chyba spôsobuje narušenie medzi týmito dvomi údajmi [3].

Chyba človeka?

Uvedené dve tragédie mali spoločnú prinajmenšom jednu vec: chyba človeka pri riadení sa javí ako problém, ak spôsobí haváriu alebo je jej príčinou. Bola to jednoducho chyba človeka zo strany operátorov alebo to bola čiastočne aj chyba operátorského rozhrania? V mnohých prípadoch havárií v priemysle sa čoraz častejšie uvádzajú ako príčiny neúčinné a nezrozumiteľné rozhrania človek – stroj (HMI).

Let Airbusu do Štrasburgu a rafinéria BP Texas City boli nešťastné udalosti, ktoré si vyžiadali ľudské životy. Ak vaša prevádzka alebo procesy nie sú až také nebezpečné, prečo by ste sa mali zaoberať otázkou, či je vaše operátorské rozhranie dobré alebo nie? Prečo by ste mali vynakladať peniaze, aby ste menili HMI, keď sa naň nikto nesťažuje a zdá sa, že už niekoľko rokov pracuje bez problémov?

Hodnota zmeny

Konzorcium pre riadenie abnormálnych situácií (ASMC) je skupina firiem a univerzitných pracovísk, ktorých spoločnou témou je riešenie neočakávaných udalostí v riadení výrobných procesov, ­sledovanie incidentov, udalostí a havárií na celom svete tak, ako sa objavujú v médiách. Len v roku 2012 tak zaznamenali viac ako 1 000 udalostí.

Niektoré z nich sa skončili výbuchmi s obeťami na životoch, pričom spoločným menovateľom všetkých boli vysoké náklady za prerušenie chodu podniku, znížená kvalita vyrábaných produktov alebo zničenie zariadení. Na základe výskumu ASMC sa ukázalo, že neočakávané udalosti predstavujú 3 – 8 % celkovej ročnej kapacity [4]. Tri až osem percent predstavuje pre akýkoľvek podnik mimoriadne vysoké náklady. Vylepšené HMI môžu priniesť nasledujúce zlepšenia:

  • zvýšenie kvality pri normálnej prevádzke systému,
  • úspora času pri nábehu, odstávkach a zmenách,
  • úspora peňazí vďaka predchádzaniu odstávkam a chybám,
  • zníženie času potrebného na zaškolenie,
  • vytvorenie menej stresujúceho pracovného prostredia a minimalizácia únavy operátorov.

V rámci jednej štúdie sa s využitím vysokovýkonného simulátora procesov testovalo zobrazenie vytvorené na základe odporúčaní ASMC verzus tradičné rozhranie. Z výsledkov tejto štúdie vyplynulo, že operátori, ktorí používali rozhranie odporúčané ASMC:

  • dokázali rozpoznať problém podstatne rýchlejšie a jednoznačnejšie,
  • reagovali na problém o 35 – 48 % rýchlejšie,
  • mali až o 25 % lepšiu úspešnosť pri riešení problému [5].

Z minulosti

Rozhrania človek – stroj sa na trhu vyskytujú už niekoľko desiatok rokov. Prečo teda tieto zariadenia stále nepracujú tak, ako by mohli?
Vráťme sa na chvíľu späť do histórie operátorských rozhraní. Monitorovanie procesov sa v dávnejšej minulosti realizovalo prostredníctvom veľkej steny s prístrojmi, indikátormi, trendovými záznamami a zobrazovacími panelmi, ktoré ukazovali všetky alarmy.

Operátori monitorovali len minimum prístrojov, pričom tie boli zoskupené na stene podľa úloh, ktoré operátori vykonávali. Pri ­pohľade na takúto stenu ste mali predstavu o stave celého systému.

Nástup počítačov

Neskôr sa procesy stávali čoraz zložitejšími a v 80. rokoch minulého storočia si technici vzali na pomoc počítače, aby im pomohli s ­riadením týchto procesov. Prvé počítačové rozhrania sa pokúšali imitovať steny s prístrojmi, avšak stále na to neboli vhodné podmienky, nakoľko obrazovky počítačov nedokázali jednoducho zobrazovať analógový tvar údajov, zobrazovali sa číselné hodnoty namiesto prístrojov s ukazovateľom. Zobrazovanie trendov bolo náročné, takže sa zobrazovali len zriedkavo; namiesto nich sa používali alarmy, avšak počet alarmov následne rapídne stúpol a bolo ich zdrvujúco veľa [6].

Počet farieb bol v rámci prvých počítačov obmedzený len na sedem s dvomi úrovňami intenzity na čiernom pozadí. Keďže čierne pozadie nebolo veľmi kontrastné, bolo v miestnosti riadenia potrebné stlmiť osvetlenie. Takéto miestnosti s pološerom zvyšovali únavu operátorov [7].

Ako sa zlepšovala schopnosť počítačov zobrazovať grafiku, vývojári rozhraní sa často preorientúvali na vykresľovanie potrubí a prístrojov (Pipping and Instrumentation Drawings, P&ID), pretože ich bolo možné veľmi ľahko vygenerovať a vyzeralo to ako logická schéma. Ako uvádzajú Bill Hollifield a Ian Nimmo, autori knihy The High Performance HMI Handbook, väčšina HMI je ešte aj dnes postavená na P&ID. P&ID sú však „nástroje na navrhovanie procesov, ktoré sú veľmi odlišné od používateľského rozhrania na riadenie procesov“ [8].

Navrhovanie HMI postavené na P&ID je niečo podobné, ako navrhovať prístrojovú dosku v automobile zobrazujúcu vnútorné časti motora. Avšak šoférovanie auta zahŕňa odlišnú skupinu úloh, ako vytvoriť motor. Prístrojová doska musí zobrazovať údaje o aute podľa typu úloh, ktoré musí šofér vykonávať. Navyše zobrazenie vytvorené pomocou P&ID zhromažďuje na jedno miesto veľmi veľa rôznych vecí. „Nie je tam žiadna hierarchia a zámerne je to veľmi ­„plochý“ náhľad na jednotlivé prvky procesu. Malo by pritom naopak ísť o podporu „zachádzania do hĺbky“ so zobrazením dodatočných ­informácií.“ [9] Ak je na obrazovke zobrazených príliš veľa údajov, je náročné rozpoznať medzi nimi tie dôležité.

Tieto obmedzenia, ktoré sa vyskytovali v počiatkoch počítačom podporovaných návrhov rozhraní určili trend na nasledujúcich niekoľko rokov. Aj keď sa počítačová grafika neskôr stala skutočne prepracovanou až do úrovní detailov a tisícok farieb, ktoré boli dostupné, väčšinou sa stále zostávalo pri zobrazovaní pomocou P&ID. Tie sa síce stávali čoraz realistickejšie, ale bez zmeny z hľadiska toho, aby lepšie odzrkadľovali potreby operátorov pri plnení ich úloh. Pece s planúcimi plameňmi a detailné zobrazenie podlaží a stien neprinášajú pre riadenie žiadne užitočné informácie, ale práve naopak, rozptyľujú a mätú operátorov pri práci.

HMI na obr. 3 je príkladom možností grafiky, ktorá vás môže ­priviesť do nepríčetnosti. Na pozadí aktuálnych údajov na obrazovke sú ­vykreslené svietivé farby, rôzne podklady a obrázky, ktoré neposkytujú žiadne reálne informácie. Nedokážete z toho určiť, či proces beží dobre alebo nie.

Moderný návrh počítačových rozhraní

Mimo sveta automatizácie sa medzičasom počítače z hľadiska veľkosti zmenšili a znížila sa aj ich cena na takú úroveň, že mnohí z nás ich nosíme vo vrecku svojich sák či košieľ. Poskytujú neuveriteľné množstvo funkcií, ktoré chcú všetci využívať, od zadávania príkazov do banky až po platenie za produkty a služby. Prečo sú všetci títo neškolení ľudia schopní používať všetky tieto funkcie? Preto, lebo ak vzrastala schopnosť počítačov, vývojári softvérových a hardvérových rozhraní začali klásť väčší dôraz na to, akým spôsobom používajú ľudia počítače a aké rozhrania treba vytvárať, aby bola vzájomná interakcia človek – stroj jednoduchá.

Roky výskumu v oblasti ľudských činiteľov a ergonómie priniesli množstvo informácií o tom, ako navrhnúť výrobky tak, aby čokoľvek, čo s nimi človek chce alebo potrebuje robiť, bolo možné urobiť jednoducho. Prečo by teda počítačové rozhrania HMI používané v automatizácii nemohli reflektovať výsledky takéhoto výskumu a ­zjednodušiť monitorovanie, riadenie a manipuláciu z údajmi získanými z riadiacich systémov?

Nové normy pre HMI

S ohľadom na výskumy ľudských faktorov a na popud priemyselných havárií, ktoré spôsobili veľké škody, sa ľudia z priemyselných odvetví začali čoraz intenzívnejšie zaoberať kvalitou HMI a ­hodnotou, ktorú im skutočne dobre použiteľné operátorské rozhranie prináša. Či už nazývajú svoje štandardy ergonómiou, na používateľa zameraným návrhom alebo vysokovýkonné HMI, vytvorili výskumní pracovníci a profesionáli z oblasti automatizácie nové, tie najlepšie riešenia pre HMI, ktoré sú jasné, konzistentné, zamerané na kontext a poskytujúce skutočnú spätnú väzbu na zásahy operátorov.

  • NASA Ames Research Center vlastní údaje z výskumu z oblasti náuky o farbách a ich použití na zložitých informačných displejoch [10].
  • Centrum pre prevádzkovú výkonnosť publikovalo závery výskumu z oblasti zručností, školení a pracovných podmienok operátorov a tiež z oblasti automatizačných systémov a alarmov [11].
  • V roku 2008 vydalo ASMC príručku s názvom Effective Operator Display Design, ktorá obsahovala návody pre obrazovky, navigáciu, texty a čísla, interakciu operátora s obrazovkami, priority alarmov/zvuky/fyzický vzhľad, školenia operátorov a metodológiu vývoja HMI [12].
  • Medzinárodná asociácia pre normalizáciu (ISA) vytvorila ­pracovnú skupinu pre oblasť Normy pre rozhranie človek – stroj vo výrobnom priemysle. Prvý návrh tejto normy (ISA101) je v súčasnosti v stave pripomienkovania [13].

Dať údaje do súvislostí

Ak sú údaje zobrazené v súvislostiach, zvyšuje to povedomie ­operátora o stave. Operátori, ktorí obsluhujú váš riadiaci systém, sú si, samozrejme, vedomí jeho aktuálneho stavu. Avšak to ešte nemusí stačiť.
Dr. Mica Endsley, P. E., napísal, že operátor musí prejsť tromi ­krokmi, aby si skutočne dokázal uvedomiť konkrétnu situáciu:

  • Po prvé, musí si všimnúť dôležité údaje.
  • Po druhé, musí pochopiť aktuálnu situáciu.
  • Po tretie, musí vedieť predpovedať budúci stav [14].

Nestačí len vidieť aktuálne údaje zo systému, operátor ich musí vidieť v kontexte, aby poznal ich správny význam a videl, aké sú trendy ich zmien a vývoja. Až potom dokáže predpovedať, čo sa v nasledujúcom stave udeje.
„Znalosť situácie neprichádza z riadiaceho systému,“ uvádza M. Endsley. „Skutočné uvedomenie si situácie existuje len v mysli operátora. Z tohto hľadiska neprináša zobrazovanie a prezentácia ton údajov nič dobré, pokiaľ takéto údaje nie sú úspešne prenesené, zužitkované a prispôsobené v takom časovom intervale, v rámci ktorého si dokáže človek urobiť obraz o danej situácii.“ [15]

Poznanie situácie zahŕňa niekoľko faktorov vrátane alarmov, trendov a ergonomicky navrhnutej miestnosti riadenia s cieľom znížiť únavu a rozptýlenie. Nedokážete minimalizovať príčiny ľudských chýb tým, že v systéme zahrabávate informácie. Ak sa ľudia vyradia z riadiacej slučky, nebudú vedieť a chápať, ako sa systém vyvíja, a nebudú poznať situáciu. Namiesto toho potrebujete človeka využiť tým najlepším možným spôsobom, a to tak, že mu dáte také informácie, ktoré mu pomôžu spoznať situáciu, takže bude schopný anticipovať a adekvátne reagovať.

V nasledujúcej časti seriálu opíšeme niekoľko možných spôsobov, ako dať údaje do súvislostí, aby sa zlepšili znalosti operátorov o situácii.

O spoločnosti Opto 22

Opto 22 vyvíja a vyrába hardvér a softvér pre aplikácie v oblasti priemyselnej automatizácie a riadenia, riadenia spotreby energií, vzdialeného monitorovania a zberu a spracovania údajov. Všetky produkty a riešenia sa vyvíjajú a vyrábajú v USA a získali si uznanie na celom svete hlavne pre svoju jednoduchosť použitia, inovatívnosť, kvalitu a spoľahlivosť. Výrobky spoločnosti využívajú štandardizované, komerčne dostupne sieťové a počítačové technológie a sú určené pre koncových používateľov z rôznych oblastí priemyslu, výrobcov strojných zariadení a pracovníkov zodpovedných za ­informačné technológie a prevádzku technológií. Výrobky a riešenia Opto 22 sa využívajú vo viac ako 10 000 aplikáciách po celom svete. Spoločnosť bola založená v roku 1974 a má sídlo v meste Temecula, Kalifornia, USA. Produkty a riešenia spoločnosti Opto 22 sú dostupné cez celosvetovú sieť distribútorov a systémových integrátorov.


Literatúra

[1] Investigation by Bureau d‘Enquêtes et d‘Analyses (BEA), France. http://aviation-safety.net/database/record.php? id= 19920 120-0
[2] http://www.csb.gov/investigations/detail.aspx?SID=20&Type=2&pg=1&F_City=texas+city&F_State=TX
[3] http://www.csb.gov/assets/document/CSBFinalReportBP, pdf, p. 83
[4] http://www.asmconsortium.net/defined/impact/Pages/default.aspx
[5] ASM Consortium Guidelines, “Effective Operator Display Design,” http://www.asmconsortium.net/Documents/ASM_Handout_Display.pdf
[6] Ian Nimmo, “The High Performance HMI,” p. 3. http://www.linandassociates.com/documents/The%20High%20Performance%20HMI%20L&A.pdf
[7] Peter Bullemer et al.: Gray Backgrounds for DCS Operating Displays? Control Engineering, February 2011. http://www.controleng.com/index.php?id=483&cHash=081010&tx_ttnews[tt_news]= 43233
[8] Bill Hollifield et al.: The High Performance HMI Handbook, Kalamazoo: 360 Digital Books, 2008, p. 14
[9] Bill Hollifield et al.: The High Performance HMI Handbook, Kalamazoo: 360 Digital Books, 2008, p. 4
[10] http://colorusage.arc.nasa.gov/index.php
[11] http://operatorperformance.org/research-projects-center-operator-performance.asp#completed_research
[12] http://www.amazon.com/Effective-Operator-Display-Design-Consortium/dp/1440431647/
[13] http://www.isa.org/MSTemplate.cfm?MicrositeID=1142&CommitteeID=6899
[14] Mica R. Endsley: Designing for Situation Awareness in Complex Systems. Proceedings of the second international workshop on symbiosis of humans, artifact, and environment. Kyoto, Japan, 2001. http://satechnologies.com/Papers/pdf/SA%20design.pdf
[15] Mica R. Endsley, p. 4


Zdroj: Building an HMI that Works: New Best Practices for Operator Interface Design, White Paper, 2013, Opto22


Publikované so súhlasom spoločnosti Opto22.

-tog-