El factor humano en el proceso

El factor humano
El factor humano en el proceso
El operador humano es una figura básica en el diseño y funcionamiento
de los sistemas de automatización industrial
John Pretlove, Charlotte Skourup
Desde la llegada de los procesos de automatización industrial basados en el control
informático, a mediados de los años sesenta, los ingenieros han intentado reducir al
mínimo las discrepancias entre el modelo cognitivo humano de intenciones y objetivos y la comprensión de la tarea por parte del sistema de control. Un éxito continuado tiene lugar en forma de mejoras de rendimiento y seguridad y de una mayor fiabilidad. Estas mejoras han dado como resultado la eliminación gradual de tareas rutinarias de los operadores, permitiendo así al ”ser humano en el proceso“ ocuparse
de tareas más complejas, como la supervisión, el control de anomalías, las tareas de
optimización y los servicios de mantenimiento. En resumen, durante los últimos cincuenta años ha evolucionado claramente la división del trabajo entre el ser humano y
la máquina, que se ha basado en las capacidades óptimas de cada uno.
Mejorar hasta el límite esta colaboración hombre-máquina depende, sin embargo, de
los avances de desarrollo tecnológico en tres áreas importantes; las herramientas de
ayuda para la toma de decisiones, la ergonomía y las tecnologías de visualización y,
finalmente, la facilidad de uso de sistemas complejos. Una óptima síntesis de estos
tres campos constituye el entorno avanzado de operador de los modernos sistemas
de automatización.
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El factor humano
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urante los últimos cincuenta años
aproximadamente, el aumento de
rendimiento y fiabilidad de los sistemas de automatización industrial han
liberado a los operadores de tareas tediosas, repetitivas o peligrosas. En su
lugar, los operadores humanos de sistemas muy complejos de automatización industrial, como redes eléctricas,
fábricas de pulpa y papel, centrales
eléctricas y refinerías, desempeñan
hoy día un papel básico en tareas como supervisión, detección de anomalías, mantenimiento y optimización de
procesos. A pesar de esta aparente
paradoja, es evidente que el operador
humano es parte integrante de cualquier circuito de control de automatización en casi todas las aplicaciones
industriales de cualquier dimensión.
Así pues, entender y maximizar la colaboración entre el sistema de control
y el operador humano es esencial.
Adoptar un método de diseño sistemático es crucial por razones de seguridad y de óptimo rendimiento del sistema.
El ser humano como parte del sistema
de automatización
En los albores de la automatización
industrial, los diseñadores de sistemas
intentaban automatizarlo todo y suprimir por completo al operador humano
del proceso, pues lo consideraban el
eslabón más débil del control. Este
planteamiento se demostró erróneo y
se empezó a asignar al hombre aquellas tareas que el diseñador no podía
automatizar.
ticos. La tendencia actual se dirige hacia una importante participación humana1), en lugar de suprimir a las personas de la automatización de procesos industriales. Las razones son las
siguientes:
El grado de control en un proceso
es función de la previsibilidad del
comportamiento del proceso y del
grado de complejidad del mismo.
En general resulta imposible modelar una planta completamente o con
suficiente precisión, a no ser que se
trate de un componente simple.
Tampoco es posible considerar la
forma en que las influencias externas pueden afectar al sistema de
control.
Desde el punto de vista técnico, algunos procesos podrían automatizarse por completo pero con unos
costes prohibitivos. En cualquier caso, es muy improbable que la opinión pública llegue a aceptar un sistema de alto riesgo sin una persona
al frente del mismo. Por ejemplo,
los sistemas de automatización de
un moderno avión de reacción de
pasajeros podrían controlar tanto el
despegue como el aterrizaje sin intervención de un piloto, pero casi
nadie aceptaría volar sin un piloto
responsable a bordo.
Éstas son algunas características importantes de procesos, que es necesa-
1
rio considerar en el diseño de un
sistema con seres humanos en el proceso:
Tamaño y complejidad del proceso
Velocidad de cambio del proceso
Variabilidad del plan de producción
Impacto medioambiental del proceso
Coste económico de las paradas
Problema de la seguridad de personas, equipos y medio ambiente
Los seres humanos son en buena medida capaces de tratar las consecuencias de muchos de estos factores. Por
ejemplo, tienen capacidad para identificar pautas y sucesos anormales entre
un gran conjunto de datos, proyectar
procedimientos que se ajusten a una
nueva situación, memorizar una gran
cantidad de conocimientos durante
largos períodos de tiempo, así como
razonar y enjuiciar. Para realizar estas
tareas eficientemente, el operador humano ha de conocer en todo momento la situación actual. Necesita información “correcta” en el momento
“adecuado” para poder entender la
situación actual y tomar la decisión
“correcta”. Para ello ha de contar con
un buen soporte visual. La ciencia del
conocimiento ha investigado la forma
más eficiente de presentar grandes
cantidades de información de modo
que se puedan captar los aspectos
más destacados en situaciones críticas.
Cabina del A380, por cortesía de Airbus
En la década de 1960 ya se comprendían bien las capacidades de las personas en comparación con las de las
máquinas. Los principios básicos fueron descritos por primera vez por
Paul Fitts en 1951 [1]. Aunque este
modelo ayudó a determinar la asignación de funciones entre hombres y
máquinas, no consideraba la integración de las capacidades de ambos, ni
la forma de hacer más eficiente al
operador humano a través del soporte
y la cooperación de sistemas informáNotas
1)
Dividir el trabajo entre grandes, complejos y
dinámicos sistemas de automatización industrial y
operadores humanos expertos es una cosa. Otra
distinta, y más importante, es alcanzar el equilibrio
correcto.
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El factor humano
Además es necesario aplicar adecuadamente la ergonomía y el diseño para garantizar la facilidad de uso. Los
conejillos de indias en estos campos
han sido la cabina de un avión militar
y los paneles de instrumentos de los
automóviles 1 .
Soporte a las decisiones
“Los sistemas de soporte de decisiones son sistemas informáticos o sistemas basados en el conocimiento que
ayudan a decidir por las vías más diversas” [2].
Un sistema eficiente de soporte de decisiones en las complejas industrias
modernas tiene que considerar tanto
el grado de automatización como el
comportamiento humano. Muchos de
los procesos industriales son perfectamente conocidos y relativamente fáciles de modelar y, por tanto, de automatizar. Por otro lado, la conducta humana es mucho más compleja e imprevisible, y por tanto casi imposible
de modelar. La ayuda a la toma de decisiones en sistemas de automatización tan amplios no tiene como finalidad modelar al ser humano (con vistas a sustituirlo), sino añadir valor al
operador humano asistiéndole en el
proceso de decidir en una situación
concreta o sobre un problema grave.
No obstante, es esencial que el operador humano siga estando al mando de
la situación 2 . El sistema de ayuda a
la toma de decisiones no debe intentar definir lo que se debe hacer. Antes
bien, debe proporcionar al usuario información suficiente para que este
pueda comprender mejor la situación
real y prever las consecuencias de sus
posibles decisiones. Al fin y al cabo,
el operador humano en el proceso es
quien ha de decidir la mejor línea de
acción.
Una gran instalación con 10.000 o más
circuitos de control funcionaría durante horas, en condiciones normales de
estado continuo, sin interacción humana ninguna. El problema actual es
cómo conseguir la atención del operador cuando súbitamente sucede algo
anormal y crucial. De nuevo se puede
establecer el paralelismo entre la reacción humana en este caso y la de los
pilotos de líneas aéreas. En un vuelo
internacional, los pilotos pasan horas
sin intervenir. Sin embargo, si ocurre
algo inusual, los pilotos entran de inmediato en acción para resolver rápidamente cualquier problema que se
haya presentado. Este es uno de los
aspectos más esenciales de los sistemas en los que interviene el ser humano en el proceso. Por un lado, el
operador supervisa el sistema, pero sin
necesidad de intervenir sino unas pocas veces. Por otro lado, si se produce
una desviación de lo normal, el operador no sólo deberá conocer perfectamente el estado (actual y reciente)
del proceso, sino que tendrá que actuar manualmente para controlar la
situación.
La investigación ha puesto en evidencia que un área muy importante de
ayuda al operador es cómo se concentra y presenta la información para
darle una visión general inmediata y
completa de la situación. En una planta de procesos, por ejemplo, se trata
de informaciones críticas como las siguientes:
Las alarmas iniciales (no la secuen-
cia de alarmas consecuentes) deben
ser identificables fácil y rápidamente.
Los datos de funcionamiento deben
reducirse a los datos estadísticos
clave para una rápida evaluación,
en vez de mostrar grandes tablas de
puntos de datos.
La situación actual debe compararse
con situaciones similares anteriores
e incluir cualquier medida tomada
anteriormente para resolver la tarea.
Antes que nada, se debe prever el
resultado o las consecuencias de la
decisión del operador para que éste
tenga más posibilidades de tomar la
decisión “correcta”.
La ayuda a la toma de decisiones puede abarcar desde las recomendaciones
directas que el sistema proporciona
automáticamente hasta las posibilidades buscadas manualmente, expresadas en forma de tendencias, información estadística y priorización de alarmas. Por ejemplo, para ayudar al operador en situaciones complejas de
gestión de alarmas, éstas se filtran y
codifican en color en el software de
soporte de decisiones, para dirigir la
atención del operador hacia las alarmas más importantes, ya que la mayoría de ellas a menudo son alarmas
complementarias. Otro caso se refiere
a la identificación de las causas originales de una situación en que las alarmas se evalúan automáticamente y
sólo se presenta la causa real del problema. Cada vez es más común proporcionar un historial de casos similares ocurridos, incluyendo sus soluciones, que el operador utilizará para
ampliar su experiencia personal.
Ergonomía y visualización de la
información
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Una sala de control de los años cincuenta
El término ergonomía procede de la
palabra griega “ergon”, que significa
trabajo. Cuando se aplica a la automatización de procesos se refiere al entorno operativo en el que trabaja el
ser humano. Algunos factores variables de este entorno están el espacio
disponible, el colorido, el mobiliario
y, por supuesto, la visualización de la
información producida por los sistemas. Muchos estudios han ayudado a
definir los requisitos mínimos para el
buen rendimiento del operador, como
son las mesas y sillas ajustables, las
pantallas con información dedicada y
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El factor humano
de visión general, el uso de colores
definidos en visualizaciones y fondos
de pantalla, los métodos recomendados en la búsqueda de información y
los cambios de parámetros. Estos requisitos se deben definir claramente y
su uso ha de ser coherente en todo el
sistema. Las complicaciones surgen
cuando se usan diferentes sistemas en
la misma sala, cada uno de ellos con
distintas definiciones ergonómicas.
Diversas normas internacionales como
ISO 92412) y 110643) y las buenas prácticas industriales contribuyen a armonizar estos sistemas, lo que conduce a
una mayor eficiencia global.
La visualización de la información se
refiere a la forma en que se presenta
al operador humano. Una definición
concisa la describe como “una rama
de los gráficos de ordenador e interfaces de usuario que están relacionados
con la presentación de imágenes digitales interactivas o animadas, para que
el usuario pueda comprender los datos” [3].
El sistema de control es para el operador una de las fuentes principales de
datos de entrada que reflejan el estado del proceso industrial. Por consiguiente, es esencial que la presentación de la información permita al operador conocer y comprender perfectamente la situación actual. Es imposible modelar y prever con exactitud el
comportamiento humano y eso hace
aún más importante conocer el poder
de una presentación correcta.
para la colaboración remota. Tradicionalmente, los puestos de operador de
la sala de control utilizan diagramas
de tuberías e instrumentación
(P&IDs)4) como una vista general del
proceso industrial automatizado. Las
alarmas se suelen presentar en un sistema aparte. Sin embargo, rediseñar la
presentación de la vista general para
enfocar y visualizar cambios en el
proceso, y combinarla con alarmas,
permite a los operadores obtener una
imagen inmediata de la relación entre
cambios y alarmas. Tal visualización
puede incluso evitar que salten las
alarmas, ya que el operador observará
si el proceso se va acercando al límite
fijado para que salte la alarma. La visualización de datos espaciales –como, por ejemplo, un modelo 3D de
un proceso industrial– es otra forma
de presentar a los operadores una vista general del sistema. Tal visualización representa las localizaciones geográficas del equipo y las interrelaciones especiales entre los componentes
del mismo. Además, este modelo de
proceso 3D puede integrar información de otros sistemas para proporcionar una sola interfaz completa para
varios procesos industriales o segmentos de proceso.
El proceso de diseño:
facilidad de uso
“Se entiende que un producto u objeto es fácil de utilizar si el usuario puede operar con él sin necesidad de un
trabajoso aprendizaje. Un artículo de
este tipo será utilizado intuitivamente
por el usuario medio del mercado a
que está destinado el producto. El término se usa frecuentemente como objetivo durante el diseño de un producto, pero también con fines de marketing.” [4]
El operador humano es la clave del
éxito en las aplicaciones de tecnología
de automatización para el control de
procesos. La colaboración entre el
operador humano en el proceso y el
avanzado sistema de automatización
industrial depende de lo sencillo que
sea usar la funcionalidad de las múltiples facetas de los modernos sistemas
de control. En algunos casos, bastante
más de la mitad de los circuitos de
control se manejan manualmente, simplemente porque resulta demasiado
Una planta moderna y compleja de proceso de petróleo y gas
La visualización de la información incorpora una gran variedad de técnicas
diferentes, desde el diseño convencional de interfaces gráficas de usuario
hasta las interfaces de realidad virtual
y modelos 3D/4D. En el campo de la
automatización, la visualización de la
información cubre todos los aspectos,
desde la presentación de datos sin tratar (abstractos) en las pantallas del
operador y el diseño de la interfaz de
las interacciones hombre-máquina,
hasta las salas especiales equipadas
Notas
2)
Requisitos ergonómicos para el trabajo de oficina con terminales de presentación visual. ISO 9241 proporciona los requisitos y recomendaciones sobre las
3)
Diseño ergonómico de los centros de control. Esta norma, que consta de ocho partes, contiene principios, recomendaciones y directrices ergonómicas.
4)
Diagrama esquemático con las relaciones funcionales entre tuberías, equipos e instrumentación en el interior de unidades de proceso en plantas químicas, centrales
características del hardware, el software y el entorno que contribuyen a la facilidad de uso, y los principios ergonómicos en que se basan.
eléctricas, plantas de tratamiento de aguas e instalaciones similares. Véase http://en.wikipedia.org/wiki/Piping_and_instrumentation_diagram – 10/20/2006
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El factor humano
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Los sistemas de control actuales incluyen proyecciones en grandes pantallas y zonas
individuales de trabajo para los operadores.
cir consecuencias graves para el proceso industrial y para las personas
presentes en el lugar.
Resumen
complejo ajustar los reguladores para
obtener el rendimiento óptimo. Por
tanto, es esencial enfocar hacia el
usuario cada uno de los aspectos de
las capacidades del sistema de control
y diseñar y desarrollar todo el sistema
en función del operador humano 3 .
Los principios básicos de diseño son
los siguientes [5]:
Organizar la tecnología en función
de los objetivos, tareas y capacidades del usuario.
Organizar la tecnología en función
del procesamiento de información y
de la toma de decisiones por parte
del usuario.
Mantener al usuario al mando, informado en todo momento del estado
del sistema por medio de la tecnología.
Simplificar los pasos necesarios para
realizar una acción es fundamental si
se han de aprovechar eficazmente las
capacidades del sistema de control. La
facilidad de uso de un sistema complejo de automatización empieza con
un profundo conocimiento de cómo
interviene el operador humano en el
proceso. En todo momento, los diseñadores han de conocer sistemáticamente las actividades del usuario, independientemente de que éste sea supervisor, operador o técnico de mantenimiento. El conocimiento del comportamiento humano ayuda a perfilar
la arquitectura básica del sistema de
automatización de acuerdo con los
objetivos, tareas y expectativas de los
usuarios.
Cuando se produce un suceso imprevisto y desconocido en la planta, el
operador busca activamente información para obtener una imagen del estado del proceso. El operador depende por completo de la información a
la que accede desde el sistema de
control y ha de confiar en ella. Así
pues, es esencial que el diseño de todo el sistema de automatización impida por completo cualquier mala interpretación de los datos, que pudiera
dar lugar a acciones erróneas y produ-
Es un error muy extendido considerar
la automatización como algo totalmente manual o totalmente automático. La situación raras veces es tan
simple o tan definida. La realidad es
que para casi todos los sistemas de
automatización industrial se adopta
una secuencia continua de control
que oscila entre lo completamente
manual hasta lo completamente automático. Puede haber también distintos
modos de operación, automatizables
en distinta medida. Los operadores
humanos desempeñan un papel central en los modernos sistemas de automatización industrial y en el futuro este papel será más importante que
nunca. El operador humano representa también el elemento más vulnerable del sistema y el que más fácilmente se pasa por alto. Conocer y optimizar el funcionamiento global de los
sistemas de control de los procesos
industriales depende de un planteamiento sistemático y holístico, que se
ocupe tanto del rápido desarrollo de
la tecnología como del papel esencial
del operador humano.
John Pretlove
Charlotte Skourup
ABB Strategic R&D Group for Oil & Gas
Oslo, Noruega
[email protected]
[email protected]
Bibliografía
[1] P. Fitts, “Human Engineering for an Effective Air Navigation and Traffic Control System.” National Academy of Sciences, Washington D.C. 1951.
[2] http://en.wikipedia.org/wiki/Decision_support_systems, retrieved 20th October 2006.
[3] http://en.wikipedia.org/wiki/Information_visualization, retrieved 20th October 2006.
[4] http://en.wikipedia.org/wiki/Ease_of_use, retrieved 20th October 2006.
[5] M. R. Endsley, B. Bolté, D. G. Jones, Designing for situation awareness – An approach to user-centered design. Taylor & Francis, London, 2003.
Para seguir leyendo
L. Bainbridge, Ironies of Automation. Automatica 19 (1983) 6, 775–779.
T. B. Sheridan, Telerobotics, Automation, and Human Supervisory Control. The MIT Press, Massachusetts, 1992.
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