在設計有效的控制臺操作HMI(人機界面)時，對ASM準則最常見的誤解和錯誤應用，就是過度強調顏色：簡單地將某種新的顏色，用于控制臺某個位置處的所有現(xiàn)存顯示畫面。一般稱之為HMI類似替換遷移工程(like-for-like HMI migration project)。有些人可能希望在這種僅僅是顏色類似替換的工程中，能夠將圖1所示的畫面轉換成圖2所示的畫面。典型情況下，如果分布式控制系統(tǒng)(DCS)的HMI，不是經(jīng)過精心設計的、基于控制臺操作員操作深度的層級畫面顯示，那么它就是扁平化的DCS顯示系統(tǒng)。在該系統(tǒng)中，大部分顯示畫面，會被精確地設計為P&ID(管道和儀表圖)細節(jié)顯示。面對這樣的DCS顯示系統(tǒng)?？刂婆_操作人員一般會以圖3所示的方式來使用DCS屏幕，每個操作人員會根據(jù)自己的喜好，來選擇第3級設備顯示畫面以及報警匯總畫面。最好的情況是，如果開發(fā)人員在顏色選擇上正確的應用了ASM準則，并且遵循了良好的畫面顯示布局原則，那么遷移的DCS顯示系統(tǒng)也許具有滿足ASM要求的單個第3級顯示畫面，但是DCS的HMI并不滿足ASM要求。
圖1 在進行HMI類似顏色替換工程之前的現(xiàn)有顯示畫面。
ASM的要求是什么?
在HMI設計中使用ASM導則，并不僅僅是將彩色轉換成灰度的設計，也不是僅在報警中使用顏色。實際上，ASM準則提倡有效的利用顏色，包括恰當?shù)囊?guī)定某些顯示背景，這些背景顏色在色調上，要比HMI庫中那些供應商提供的、聲稱滿足ASM準則的背景顏色要亮一些。但是，要設計出滿足ASM要求的HMI，還應遵循其它方面的要求，尤其是在顯示類型、顯示內容、瀏覽和交互等方面。這就要求注意其它的實施細節(jié)：
圖2 遷移后的顯示畫面，使用了某些基本的布置原則。
■ 基于主要的操作步驟，設計顯示層次，以符合操作員的思維模式;
■ 設計與顯示層次一致的第2級控制和監(jiān)視畫面，利用這些第2級畫面，可以完成日常操作 ;
■ 與主題專家一起，依據(jù)需求分析，識別第1、2、3、4級顯示內容，使得HMI能夠支持操作員工況認知、日常監(jiān)視和控制操作、故障診斷活動以及異常工況管理。
■ 將先前的瀏覽策略改變成為基于重新設計的、基于層級的新方法，該方法利用簡單的屏幕瀏覽目標，滿足操作人員思維模型以及快速、無差錯的使用;
■ 取消應用于整個顯示內容的彈出式顯示畫面，取而代之以窗口管理技術，該技術可以將不同的顯示類型賦給特定區(qū)域，并可預設大小;
■ 提供第1級總覽顯示畫面的即時瀏覽，比如：KPI和趨勢概覽，第2級監(jiān)視和控制顯示，面板，實時趨勢和報警匯總細節(jié)(圖4)等，而不是將整個HMI設計為單個屏幕、單個顯示系統(tǒng)(圖3);
圖3 典型控制臺屏幕，利用了HMI類似替換遷移工程。
圖4 圖中所示為遵循ASM的控制臺操作員HMI概念示意圖。
本例中，通過鏈接導航模式，在提供操作畫面、面板、設備詳情、實時趨勢操作的同時，支持大圖工況認知。
ASM準則并不僅僅是簡單的使用灰色背景和限制使用顏色。在最初的版本中，顏色要求僅僅是16個準則類目中的一個。ASM HMI導則的目的是設計一個操作人員HMI框架，可以支持操作人員認知以及有效的交互。第二版本(Bullemer & Reising, 2013)則將重點轉移到顯示層級，在操作員認知中的角色，以及作為操作員交互和瀏覽基礎方面的角色上面來。重點的轉移導致“顯示(display)”一詞從第二版的標題中被刪除掉，以強調控制臺操作員HMI設計的整體性和有效性。盡管ASM準則涉及到了單個顯示畫面的設計，但由于ASM準則要求使用多個顯示屏幕和交互設備，在同一個控制臺操作站上以不同的層次細節(jié)顯示多個畫面，因此HMI的整體設計框架得到了提升。
最近顯示屏升級為寬屏的趨勢，為直接升級到符合ASM的HMI創(chuàng)造機會。特別是，如果遷移工程放棄使用典型的單個屏幕、單一顯示畫面，那么寬屏上額外增加的像素，為HMI提供了一些空間，用于布置面板、趨勢窗口以及第4級顯示，否則的話，這些內容需要在全屏操作顯示畫面上通過彈出窗口顯示(圖5)。
圖5 寬屏顯示的遵循ASM的控制臺操作員HMI概念示意圖，本例中使用的是下拉式導航模式。
操作員工況認知
ASM 組織的愿景是：獲得授權的運行團隊，能夠主動管理他們的工廠，在過程運行于最優(yōu)限值的情況下，獲得最大的安全性，并將對環(huán)境的影響降低到最小。高效的操作員HMI設計實踐的目標與上述目標有部分重合：操作人員可以主動管理生產(chǎn)過程，優(yōu)化工廠性能，同時還可以避免異常工況的出現(xiàn)。而且，當異常工況確實發(fā)生時，其目標是使運行人員能意識到當前的工況所有，快速使工廠進入安全狀態(tài)，然后使其返回到正常運行狀態(tài)。
認知操作和控制臺操作員HMI之間的聯(lián)系是操作員對工況的認知。使操作員對工況的認知持續(xù)更新，了解工藝和設備的狀態(tài)，結果就是，在達到報警限值前采取適當?shù)目刂菩袨?，這就是認知的本質。建立操作員高水平的工況認知，提供有效的操作HMI設計實踐，是運行公司實現(xiàn)認知操作非常關鍵的一步。
圖6 遵循ASM的控制臺操作員HMI概念示意圖，同時支持積極主動的操作員工況認知，從大圖到標簽細節(jié)。
Endsley模型將工況認知總結為三個階段：
■ 感知信息并因之發(fā)生變化;
■ 了解過程狀態(tài)和隱含的任何偏差;
■ 預測過程將向哪個方向發(fā)展，以及可供響應的時間。
在關于工況認知的Endsley模式中，一個關鍵的心理構件就是心智模式(mental model)。Rasmussen和他的同事已經(jīng)證實：工作在復雜系統(tǒng)中的人類專家，所具有的心理模式包括不同層次的抽象和細節(jié)。他們證實，人類專家在執(zhí)行交給他們的工作活動時，會在不同層次的抽象和細節(jié)中來回移動，這可解釋為復雜系統(tǒng)功能如何工作以及設備所包含內容的知識層次。
遵循ASM準則的HMI，有意識地在心智模式結構的不同層次上定義顯示類型，以創(chuàng)建滿足這各心智模式的顯示層次。而且，如圖5所示，這些顯示類型在整體HMI設計中都有一個首頁，這樣操作人員就可以方便及時地在不同顯示類型的信息之間進行切換，這與心智模式的人為因素研究相契合。提供豐富的趨勢信息接口，也為操作人員的認知能力提供支持，可以預測系統(tǒng)運行的方向以及運行的速度，這與工況認知和心智模式中的人因理論都是一致的。
符合ASM要求的HMI所帶來的優(yōu)勢已經(jīng)得到證明。在一個受控對比中，專業(yè)的石化工廠運行人員利用他們工廠高保真的仿真機進行操作，使用ASM系統(tǒng)方法的DCS HMI，完成時間要快41%，診斷準確率要高36%，在首出報警發(fā)生前探測到過程波動則要高出380%。
最近，ASM組織的研究已經(jīng)證明了使用定性、概覽儀表所創(chuàng)建的范圍控制顯示畫面，以及定性趨勢指示，在獲得更好的操作人員工況認知方面所帶來的提升。
HMI和有效的操作員交互
快速、無差錯的瀏覽顯示層次以及與DCS本身進行交互，對于操作人員的績效非常關鍵，更不必說對有效的認知操作了。符合ASM要求的HMI提供屏幕瀏覽，可以反應整體的顯示結構層次，以及在整個結構中清楚地顯示，操作員所處的位置，關鍵的報警條件，以及是否已經(jīng)實施了通過ASM最優(yōu)實踐鏈接的瀏覽，或者是行業(yè)通用的典型下拉菜單式瀏覽。
遵循ASM的HMI同時還支持操作人員的快速輸入。對于某個標簽，在需要進行控制調節(jié)時，HMI上會提供專門區(qū)域，用于打開面板(圖4)。同時，HMI還提供專門區(qū)域用于第4級畫面的顯示，通過這些顯示畫面，操作人員可以與預先設定的控制器、選擇器和指示器交互。這些組合可能基于串級控制回路，或者是不同第3級顯示畫面的組合，用于支持特定活動(比如，點燃加熱器先導氣體和燃料氣體，運行流量控制器以支持加熱器的啟動)。
操作員交互還包括窗口管理，這樣操作人員就不需要移動彈出顯示和面板，調整窗口大小，或關閉窗口等等。具有足夠工具、或者沒有這些工具但是使用最少腳本的系統(tǒng)，可以消除運行人員從工廠過程轉移其精力和注意力到窗口管理活動的必要性。
基本的設計原則
在提高操作人員的能力以采用積極的運行策略方面，有兩個基本的設計原則可以確定操作員HMI的有效地位，如下所述：
■ 操作員接口允許操作人員對其控制之下的過程狀態(tài)維持一種高水平的實時認知狀態(tài)，同時還允許其對單個的過程裝置和設備，在非常具體的層面執(zhí)行特定的操作。
■ 操作人員接口允許操作人員將精力集中到所控制的過程上，而不是與底層的系統(tǒng)平臺交互。這就意味著，從動用最少的控制臺操作人員精力和物理資源上來理解過程控制系統(tǒng)并與之交互的角度來講，HMI具有一致性并易于使用。
當顏色使用對于支持后續(xù)設計原則非常關鍵時，需要利用其它ASM準則來確保實現(xiàn)一個滿足ASM要求的HMI。一個基于有效定義顯示層次的HMI設計，一個多屏幕/多窗口方法，可以同時訪問顯示層次結構中的不同顯示畫面，有效的導航及交互支撐，在滿足ASM要求方面也是必要的，而不僅僅只要求在灰度顯示頁面中用彩色來指示報警。
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