Rozwój zaawansowanych interfejsów operatorskich

Rys. 8. Rysunki w grafice 3D oraz elementy sterowania procesem stanowią części jednej całości. W tym przypadku w celu uproszczenia widoku i uniknięcia silnej deformacji obiektów obrazy przestrzenne zostały stworzone przy użyciu rzutowania aksonometrycznego zamiast perspektywy jednopunktowej. Źródło: Elipse Software

Prezentowany dwuczęściowy artykuł przedstawia rozwój zaawansowanych interfejsów operatorskich. W części pierwszej (CE 2/2018) opisano ewolucje interfejsów, bezpieczeństwo, poprawę funkcji użytkowych oraz konsekwentne użycie kolorów. W drugiej części skoncentrujemy się na dokładności w stosunku do kontekstu, dostępności, hierarchii wizualnej, animacji w stosunku do obrazów statycznych oraz użyciu grafiki 2D i 3D.

Podstawowym zadaniem interfejsów operatorskich HMI (Human Machine Interface) jest zapewnienie operatorowi możliwości oddziaływania na prowadzony proces, alarmowanie obsługi w przypadku problemów powstałych w procesie, jak również ostrzeganie o zdarzeniach ważnych i informowanie o zdarzeniach drugorzędnych. Użyteczność takich systemów została szerzej opisana w pierwszej części artykułu.

Projektant interfejsu musi szczegółowo wyważyć dokładność informacji i jej kontekst oraz zagwarantować, że wszystkie informacje i ostrzeżenia są dostępne dla operatorów.

Używając elementów graficznych różnej wielkości, elementów statycznych i dynamicznych oraz graficznej perspektywy, wprowadza się uporządkowanie ekranu, co wzmacnia efektywność oddziaływania informacji.

Rys. 1. Należy używać postaci cyfrowej informacji, gdy jej dokładność jest ważniejsza od kontekstu. Ale gdy to kontekst jest ważniejszy od dokładności, wówczas bardziej właściwa będzie postać analogowa informacji. Źródło: Elipse Software

Dokładność a kontekst

Informacje procesowe mogą być przedstawione w postaci analogowej lub cyfrowej. Gdy dokładność informacji jest ważniejsza niż jej kontekst, znacznie korzystniejszym rozwiązaniem jest cyfrowa postać danych. Alternatywnie, gdy kontekst informacji jest ważniejszy niż jej dokładna wartość, preferowana jest jej postać analogowa (rys. 1).

W przypadku analogowej postaci danych dla przedstawienia ilości rekomendowane jest użycie raczej zmiennej długości linii niż powierzchni pola (rys. 2). Wynika to z faktu, że nasz mózg precyzyjniej ocenia długość niż powierzchnię.

Rys. 2. W przypadku postaci analogowej danych rekomendowane jest użycie zmiennej długości linii zamiast powierzchni pola. Źródło: Elipse Software

Dostępność

Zwykle alarmy są powiązane z poziomem występującego zagrożenia: wysokie (1), pośrednie (2), niskie (3). W takiej sytuacji zalecane jest użycie odrębnych wskaźników dla każdego przypadku (rys. 3).

Wskaźniki alarmowe powinny być rozróżniane nie tylko przez ich kolor, ale również specyficzny kształt, gdyż niektóre osoby mają problemy z rozróżnianiem kolorów (daltonizm). Według badań Genetics Home Reference około 8% mężczyzn i 0,5% kobiet pochodzących z Europy Północnej nie rozróżnia koloru czerwonego od zielonego. Inne kombinacje kolorów również stwarzają pewne trudności z ich rozpoznawaniem, chociaż liczba osób mających z tym problemy jest znacznie mniejsza.

Rys. 3. Alarmy są związane z poziomem zagrożenia: wysoki (1), pośredni (2), niski (3). Rekomendowane jest użycie wskaźników specyficznych co do koloru i kształtu. Źródło: Elipse Software

W związku z tym dobrze zaprojektowany interfejs powinien wyświetlać informacje jednoznacznie rozpoznawalne dla ludzi z tym upośledzeniem. Dobrym sposobem sprawdzenia, czy interfejs jest dostępny i jednoznacznie interpretowany przez każdego użytkownika, jest analiza ekranów, obiektów i wskaźników wyświetlanych w odcieniach szarości.

W następnym przykładzie pierwsza ramka zawiera cztery wskaźniki. Górny wskaźnik nie zgłasza alarmu, a cyfry są wyświetlane w kolorze białym. Pozostałe trzy zgłaszają alarmy i są koloru żółtego (rys. 4).

Rys. 4. W ramkach z lewej strony rysunku do rozróżnienia poziomów alarmów wykorzystano kolor i odcienie szarości. W tych przypadkach jednak rozróżnienie alarmu i warunków normalnych okazało się mocno utrudnione. W ramkach umieszczonych po prawej stronie rysunku wykorzystano specyficzne wskaźniki, alarmu co ułatwia ich rozróżnienie niezależnie od koloru lub odcieni szarości, jakimi są wypełnione. Źródło: Elipse Software

W drugiej ramce pokazano takie same wartości jak w pierwszej, ale dla wskazania alarmu zastosowano gradację koloru szarego. Dzięki takiemu zabiegowi widać jasno, jak w tym przypadku mogą być trudne do rozróżnienia wartości alarmowe i prawidłowe.

W ramkach trzeciej i czwartej użyto wskaźników o różnych kształtach i przyporządkowanych cyfrach, co umożliwia łatwe ich rozróżnienie, także w przypadku użycia skali szarości zamiast kolorów. Stosując tę samą strategię dla reprezentacji alarmów, sygnały alarmowe muszą być możliwe do rozróżnienia nawet dla osób cierpiących na daltonizm.

Rekomendowane jest przy tym użycie co najwyżej trzech kolorów. Nie należy również stosować czarnego lub całkiem białego tła ekranu. Użycie dodatkowego odcienia pośredniego do użytego koloru barwy jasnej i ciemnej umożliwia identyfikację dodatkowego obiektu (rys. 5).

Inną ważną zasadą jest rezygnacja z koloru dla wyróżnienia statusu obiektu na ekranie. Jeżeli pompa jest włączona i jest to jej normalny stan, nie ma potrzeby, aby angażować uwagę operatora, podkreślając jej stan specyficznym kolorem, takim jak czerwony lub zielony.

Jeżeli musimy wyświetlić więcej statusów urządzenia, takich jak wyłączenie, stan pośredni i inne, najlepszą metodą jest dodanie dodatkowego symbolu graficznego. Prosty symbol umieszczony w pobliżu obiektu, jak strzałka czy symbol urządzenia (pompa, wentylator itp.), może dostarczyć takich samych informacji bardziej efektywnie niż cała gama kolorów sygnalizujących odrębne statusy.

Rys. 5. Użycie dodatkowego odcienia pośredniego do użytego koloru barwy jasnej i ciemnej umożliwia identyfikację dodatkowego obiektu. Prosty symbol umieszczony w pobliżu obiektu, jak strzałka czy symbol urządzenia (pompa, wentylator etc), może dostarczyć takich samych informacji bardziej efektywnie niż cała gama kolorów wskazujących odrębne statusy. Źródło: Elipse Software

Hierarchia wizualna

Zadaniem hierarchii wizualnej jest pokazanie operatorowi ważności zdarzeń oraz zobrazowanie relacji między elementami o tej samej ważności.

Istnieje kilka sposobów na nadanie hierarchii elementom znajdującym się na ekranie interfejsu. Najprostszą metodą jest zróżnicowanie wielkości obiektów (rys. 6). Obiekty tej samej wielkości prezentują podobną pozycję w hierarchii ważności. Obiekty większe w tej konwencji przedstawiają elementy o wyższym poziomie w hierarchii ważności.

Rys. 6. Wielkość relatywna obiektów może ustanowić hierarchię wizualną na ekranie. Im większy obiekt, tym wyższy poziom jego ważności. Źródło: Elipse Software

Elementy statyczne i dynamiczne

Ruch jest ważnym elementem przyciągającym uwagę. Animowany ruch przenośnika taśmowego, łopatki wirnika, przepływu cieczy itd. może jednak rozpraszać uwagę operatora przez koncentrację jego wzroku na czymś zupełnie nieważnym, uniemożliwiając mu dostrzeżenie zdarzenia istotnego dla prowadzonego procesu.

Zamiast wykorzystywać animację dla pokazania ruchu pracującej turbiny, należy raczej użyć grafiki statycznej pokazującej aktualny stan urządzenia. W przeciwnym wypadku ekran interfejsu będzie wyglądał jak gra komputerowa, a nie system sterowania procesem przemysłowym. Sytuacją, w której animacja może być bardzo użyteczna, jest migający sygnalizator alarmujący operatora o niepotwierdzonym alarmie.

Rys. 7. Mimo że wykres 3D jest wizualnie bardziej atrakcyjny, wykres 2D klarowniej
przedstawia parametry ilościowe. Źródło: Elipse Software

Perspektywa a przejrzystość

Obrazy płaskie przedstawiają informację bardziej wyraźnie niż przedstawione w perspektywie. Wprawdzie wykresy 3D są bardziej atrakcyjne wizualnie, ale za to rysunki i schematy 2D zdecydowanie bardziej klarownie przedstawiają parametry ilościowe (rys. 7).

Gdy obiekty na ekranie są przedstawiane w perspektywie jednopunktowej, wydają się często zniekształcone przez iluzję głębi obrazu. Takie zniekształcenie burzy zasady dobrego postrzegania rzeczy, zrozumienia obrazu i hierarchii wizualnej, gdyż obiekty w tle wydają się mniejsze niż te występujące na pierwszym planie, nawet jeśli są na tym samym poziomie w hierarchii ważności.

Zaleca się, aby przy projektowaniu interfejsu w pierwszej kolejności zdefiniować funkcje każdego ekranu HMI, a dopiero w następnym kroku określić, jaka reprezentacja przestrzenna będzie najlepsza do zastosowania.

Obecnie obrazy 3D mają ograniczenia postrzegania przestrzennego, gdyż wywołują złudny efekt: obraz wydaje się przestrzenny, choć w rzeczywistości jest płaski (rys. 9). Dodatkowo obraz przedstawiony bardzo realistycznie ma zbyt wiele kolorów i szczegółów, co niepotrzebnie obciąża operatora nadmierną ilością zbędnych bodźców i informacji.

Jeżeli obrazy przedstawione są w perspektywie jednopunktowej, przekazywane informacje są zniekształcone, gdyż obiekty są zdeformowane w stopniu zależnym od odległości względem punktu perspektywy. To z kolei znacząco osłabia ich postrzeganie i czytelność oraz zakłóca istniejącą hierarchię ważności obiektów.

Obrazy 3D są jednak estetycznie ciekawsze i przez to mogą być wykorzystywane do ekranów demonstracyjnych, gdzie atrakcyjność wizualna jest bardzo istotna. Dodatkowo grafika 3D lepiej obrazuje plan ogólny niż obraz szczegółowy. Jest to bardzo użyteczne, gdy potrzebne jest stworzenie widoku do nawigacji, z szerokim planem instalacji, lub szczególnie dużej powierzchni, takiej jak na przykład mapa.

Rys. 9. Grafika 3D daje złudny efekt głębi w przypadku obiektów, które w rzeczywistości są figurami płaskimi. Zaleca się, aby przy projektowaniu interfejsu w pierwszej kolejności zdefiniować funkcje każdego ekranu HMI, a dopiero w kolejnym kroku określić, jaka reprezentacja przestrzenna będzie najlepsza do zastosowania. Źródło: Elipse Software

Bazując na powyższych uwagach, ekrany interfejsu powinny być zdefiniowane następująco:

➡ ekrany w grafice 2D do kontroli procesu,

➡ zestaw ekranów w grafice 3D dla celów prezentacyjnych, bez możliwości funkcji operacyjnych,

➡ jeden lub więcej ekranów w grafice 3D dla nawigacji, gdy wymagany jest ogólny widok większego obszaru; obszar taki można pokazać jako zbiór istniejących na instalacji obiektów lub w postaci mapy.

Rysunki w grafice 3D oraz elementy sterowania procesem mogą stanowić części jednej całości (rys. 8). Kolory obiektów są pastelowe i nie konkurują z kolorami innych elementów. Wszystkie elementy są zintegrowane z całym przebiegiem procesu. W tym przypadku obrazy przestrzenne zostały stworzone przy użyciu rzutowania aksonometrycznego zamiast perspektywy jednopunktowej, w celu uproszczenia widoku i uniknięcia silnej deformacji obiektów.

Mimo że zaprezentowane tu podejście jest bardziej skomplikowane, może okazać się dobrą alternatywą, gdy niezbędne jest wyróżnienie widoków na niektórych ekranach operacyjnych bez naruszenia podstawowych zasad metodyki tworzenia interfejsu graficznego.

Helcker Goetz jest analitykiem i projektantem w firmie Elipse Software, gdzie opracował zaawansowane rozwiązania HMI i prowadził badania naukowe. Przez 22 lata pracował jako projektant systemów graficznych i interfejsowych oraz poświęcił 13 lat pracy na opracowanie zaawansowanych systemów interfejsowych dla automatyki przemysłowej.