Capítulo 1
Anuncio
Capítulo 1 Introducción El gran volumen de información que debe visualizar el personal a cargo del mantenimiento y control de una planta industrial puede producir deficiencias y peligros que afecten no solo la producción sino la vida de seres humanos. Desde los primeros días de la industrialización los procesos han sido visualizados y monitoreados utilizando instrumentos análogos. Estos fueron seguidos por el uso de instrumentos digitales y finalmente computadoras. Desde el campo de la Visualización de información y el estudio de la Interacción Hombre-Computadora se pueden obtener herramientas y técnicas que produzcan una visualización clara, eficiente y que tenga en cuenta las capacidades del ser humano. La mayoría de las herramientas y librerías utilizadas actualmente para visualizar los procesos de una planta industrial intenta imitar los instrumentos convencionales, sin tomar ventaja de la metodología de la Visualización de la información. Los instrumentos virtuales son esencialmente una versión electrónica de los instrumentos reales aunque presenta una mayor flexibilidad. Aquí haremos un análisis del desarrollo de la visualización de procesos industriales a lo largo de la historia, describiremos distintas técnicas de visualización de información aplicables al área industrial y finalmente veremos como la visualización de procesos puede beneficiarse de la Visualización de la información. Como veremos en próximas secciones, el problema de visualizar los procesos que conforman una planta industrial es reducible al de visualizar un grafo anidado. Es por esto que todas las técnicas aplicables a grafos son potencialmente útiles para mejorar la visualización de una planta industrial. También veremos como las estructuras jerárquicas, árboles, también se encuentran presentes en una planta industrial. Nuevamente, todas las técnicas conocidas para la visualización de árboles son aplicables aquí. Inicialmente veremos distintas técnicas de visualización y luego analizaremos como dichas técnicas se pueden aplicar tanto a grafos como árboles. Junto con las técnicas de visualización, veremos las interacciones que soportan. Visualización Visualización significa obtener el significado de los datos a través de una representación grafica que facilite la comunicación visual. La Visualización es una transformación de los datos en información haciendo que de esta manera sea útil a quien deba usarla. La -1- Visualización va mas haya de solo mostrar imagen, sino que además se esta disparando un proceso cognitivo en el receptor de la visualización. Mas adelante analizaremos con mas detalle el significado de Visualización y veremos que elementos forman parte del proceso cognitivo antes mencionado. Interfaces Gráficas Una interface gráfica asiste al usuario para interactuar con una aplicación, por lo tanto debe proveer toda la funcionalidad necesaria, sin resultar un obstáculo. Debería ayudar al usuario a realizar una tarea sin ser una distracción. Como en el caso se Visualización en una próxima sección analizaremos todos los aspectos a tener en cuenta para el buen diseño de una interface gráfica (colores, formato de texto, sonidos, etc.) Interfaces Industriales El control industrial es un proceso en constante evolución y como tal casi imposible comprender el estado actual y las tendencias futuras si no se conoce su pasado. Aquí haremos un análisis del control industrial a lo largo de la historia y veremos como las distintas tecnologías afectaron su desarrollo. También veremos los distintos problemas que adolecen este tipo de control, sus características y sus posibles soluciones. Técnicas de visualización La principal preocupación al momento de mostrar en un display información es si ésta entrará o no en el área (finita) del display. Un conjunto de datos grandes o un área de display pequeña forzaran un cambio en la perceptiva u orientación de la información a mostrar debido a que la forma “natural” de la misma no se puede mostrar debito a insuficientes recursos. Las distintas técnicas que permiten modificar la forma “natural” de la información serán analizadas en este trabajo. Diseño y Desarrollo de Interfaces Industriales En este trabajo veremos como aplicar las distintas técnicas de visualización consideradas, también aplicaremos todas las características de una buena interface gráfica a partir de las guías y reglas de diseño descriptas en secciones posteriores. -2- Capítulo 2 Evolución de las interfaces industriales La Real Academia Española define a Industria como, “conjunto de operaciones ejecutadas para la obtención, transformación o transporte de uno a varios productos naturales”. Esta definición se debería extender apara abarcar, no solo productos naturales, sino también, productos de cualquier tipo. Retomaremos esta definición en la próxima sección. El desarrollo de interfaces industriales es un proceso en continua evolución y como tal es casi imposible comprender el estado actual y las tendencias futuras si no se conoce su pasado. El estado al que se arriba en el control industrial en la actualidad es la consecuencia de al menos tres procesos que se desarrollaron en forma paralela: La evolución de la industria de la producción La evolución de la tecnología computacional La evolución del control automático La evolución de la industria La evolución de la tecnología de las interfases industriales está íntimamente asociada a la evolución de la tecnología del control. A diferencia de la industria de manufactura, en la que el proceso es visible (como en la industria automotriz), en la industria de procesos continuos el proceso está contenido (y oculto) por caños, recipientes, bombas, y otros equipos. Por tal motivo, se requieren instrumentos parar poder evaluar las condiciones en que el proceso se desarrolla. Los indicadores, controladores y registradores locales fueron la primera interfase entre el operador y el proceso. Figura 1. El manómetro ofrece una indicación local de la dentro de un equipo. Este tipo de control es utilizado -3- prácticamente desde los orígenes de la industria de procesos. Para facilitar el control de un equipo de procesos, los instrumentos asociados a éste se agruparon en un panel de campo cercano. Esto permitió que el operador evalúe su operación de un vistazo, en los recorridos periódicos en los que supervisaba el funcionamiento del proceso. Algunos de estos paneles se ubicaron en salas especiales (que luego se denominarían salas de control), hasta las que se llevaban líneas con señal de proceso. Por ejemplo, un tubo conectado directamente al caño de proceso llevaba la presión del fluido hasta un registrador en la sala de control. De esta forma se disminuía el tiempo que el operador debía recorrer la planta, y aumentaba el tiempo en el que efectivamente supervisaba el proceso. Un inconveniente de esta técnica es que algunas señales de proceso no pueden ser transmitidas en distancias medianas o largas. Otras son peligrosas, y por lo tanto es inconveniente concentrarlas en una sala de control. Con el advenimiento de los transmisores fue posible centralizar mayor cantidad de variables de procesos en una única sala. Así, aparecieron paneles de instrumentos que concentraron indicadores, controladores, registradores, paneles de alarmas, pulsadores y llaves. Esta tendencia dio lugar a diversos tipos de paneles de instrumentos. En principio, los indicadores, registradores y controladores se concentraron en grandes paneles. Figura 2. Panel de instrumentos de control Luego, se tendió al diseño de paneles gráficos, en donde se dibujaba el proceso, y se insertaban en los lugares correspondientes los indicadores, controladores, pulsadores, etc. Estos tableros miden generalmente varios metros de largo. Usualmente se los denomina panel mímico. -4- Figura 3. Paneles mímicos. Presentan la ventaja de una fácil interpretación de las variables de proceso. También tienen algunos inconvenientes: Su gran tamaño, con un alto costo asociado. Dificultad para el manejo de situaciones anormales: en condiciones de perturbación del proceso, se requiere operar en forma manual varios lazos, supervisando otros con mayor frecuencia. En estos casos es usual que el operador deba recorrer extensos paneles, buscando los instrumentos que deben supervisar o sobre los que debe actuar. Los paneles semigráficos (o semimímicos) combinan ambos tipos de panel, con el objeto de mantener la claridad de los paneles mímicos, y el menor tamaño de los paneles convencionales. Los paneles semigráficos suelen mostrar varias zonas: Un mímico en su arte superior para visualizar el proceso en forma estática, o con luces indicadores de estados. Una zona central donde se ubican los controladores, indicadores y registros, tratando de mantener una alineación vertical con el área de proceso correspondiente ubicada en el mímico. Una zona de pulsadores y llaves (eventualmente con luces de estado) para operaciones discretas. Un alarmero con luces, textos superpuestos y bocinas. -5- En la década del `60, las primeras computadoras de control de proceso no reemplazaron a los paneles, sino más bien los complementaron. Así, era frecuente encontrar inmensos paneles, respaldando a un sistema digital centralizado, con uno o dos displays, desde donde se realizaban tareas de supervisión y análisis de información. El uso de estos displays estaba usualmente reservado a algunos supervisores, o ingenieros de procesos. Esta tecnología no modificó el diseño general de la sala de control, ni cambió las prácticas operativas. El próximo peldaño fue la incorporación de tecnología digital. Con la aparición del microprocesador y la disminución de costos asociados al proceso computacional surgen los Sistemas de Control Distribuido (DCS). Distintas unidades de procesamiento realizan las distintas tareas requeridas: Conversión de información analógica a digital, ejecución de algoritmos de control, incorporación de interfaces con los operadores a través de estaciones que incluyen monitores y/o otros dispositivos de salida. La aparición del primer DCS revolucionó el aspecto de la sala de control. Por primera vez, un sistema utilizaba displays como principal interfase entre el operador y el proceso. En la industria manufacturera paralelamente también los controladores de relés eran reemplazados por los Controladores Lógicos Programables (PLC). Otro avance importante representaron los lenguajes de programación tanto para los DCS como para los PLC. Se lograba programar comportamientos equivalentes a los de instrumentos existentes por medio de los denominados bloques de control. Las posibilidades de comunicación entre sistemas fue otro gran avance; el desarrollo en este campo permitió alcanzar lo que hoy se conoce como Sistemas Abiertos. Una posible definición para los Sistemas Industriales Abiertos (OIS) puede ser la siguiente: Sistemas digitales que incluyendo el control de procesos (analógico, lógico y secuencial), interactúan con otros sistemas (de control, administrativos, gerenciales,...) intercambiando información en tiempo real, formando parte de la red informática de la empresa en forma transparente. Hoy en día el display (monitores y otras tecnologías similares) se impuso definitivamente como interfase al operador, diseñándose estaciones de operación con múltiples displays y teclados especiales integrados en consolas de diseño ergonómico. Usualmente las estaciones de operación también pueden ser utilizadas para la configuración y mantenimiento, por lo que también se las denomina estaciones de trabajo (Workstation). Figura 4. Estación de trabajo (Workstation), formada por 4 monitores, teclado y otros periféricos. -6- Figura 5. Estación de trabajo(Workstation), formada por 2 monitores. Formatos para la presentación de información En la mayoría de las implementaciones de los OIS la presentación de información involucra dos aspectos: Un aspecto estático, es decir, el de diseño de las pantallas denominado comúnmente Template, y un aspecto dinámico, el de vinculación de los elementos del template con la bases de datos control. El template contiene imágenes estáticas que representan partes del proceso, elementos involucrados, instrumentos, conexiones, etc. La conexión con la base de datos define qué información debe presentarse en la pantalla, en qué parte, y en qué formato. También se indican los lugares donde los operadores pueden tomar acción sobre el proceso, por ejemplo el cambio de set points, arranque o parada de motores, etc. Dependiendo del proveedor, los sistemas digitales suelen ofrecer dos posibilidades básicas para el diseño de las pantallas destinadas a servir como interfases al proceso: Pantallas predefinidas o preconfiguradas, de rápida implementación, pero con escasa flexibilidad. Pantallas libres, que pueden ser diseñadas virtualmente sin limitaciones, con gran flexibilidad. Generalmente, permiten el diseño de pantallas de operación más efectivas. Este diseño requiere más tiempo y conocimiento del proceso que las anteriores. Se las conoce usualmente como pantallas tipo mímico. Pantallas predefinidas. Las pantallas predefinidas suelen imitar la situación que se tiene al operar la planta desde paneles: desde su escritorio, el operador tiene una visión general del proceso, aunque puede ver poca información de detalle. A medida que se acerca al panel ve un sector, y si se acerca aún más puede ver un solo instrumento y tomar acción sobre él. Esto fue trasladado al diseño predefinido de las pantallas de operación, que conceptualmente son similares para los distintos sistemas. Las distintas pantallas predefinidas pueden clasificarse en: -7- Pantallas resumen (overview): Son pantallas que abarcan un gran sector o totalidad de una planta, con relativamente poca información (por ejemplo si un área tiene una alarma o si hay presentes desvíos importantes). Permiten el acceso a pantallas de mayor detalle por área. Cada instrumento está representado por algún tipo de simbología que muestra su estado. Pantallas de grupo: Abarcan un grupo equivalente a ocho instrumentos convencionales (por ejemplo: controladores, indicadores, pulsadores, etc.). En un controlador, por ejemplo, se ven elementos activos como el valor deseado, el valor medido, y la salida a válvula. La información se presenta imitando el aspecto de instrumento convencional. Esta representación se conoce como carátula del instrumento (faceplate). A este nivel puede tomarse acción sobre el proceso. Pantallas de lazo: Es el nivel de mayor detalle. Tiene toda la información concerniente a un instrumento determinado. Por ejemplo, para un controlador, se tiene el faceplate, información de los ajustes del controlador, valores de alarma, etc. Pantallas de alarmas: Consiste en un listado de alarmas donde se indica qué variable se encuentra en alarma, la hora en que entró en alarma, un breve texto descriptivo de la situación y si está reconocida o no. Hay un listado de alarmas activas (current alarms) y uno de alarmas históricas. En el listado de alarmas activas los mensajes desaparecen una vez que la alarma fue reconocida. Y la condición de alarma desapareció. En cambio, el listado de alarmas históricas incluye mensajes indicando cuándo la variable entró en alarma, cuándo fue reconocida, y cuándo salió de alarma. Pantallas de eventos: Contiene un listado de las acciones realizadas por el operador, por ejemplo el pasaje de automático a manual de un controlar, un cambio de modo operativo, un cambio de receta de producción, etc. Pantallas de tendencias: Permiten presentar la evolución de variables de proceso a través del tiempo, en un gráfico X-Y. El gráfico puede ocupar toda la pantalla, o estar combinado con faceplates, o pantallas de diseño libre. -8- Pantalla tipo mímico. Prácticamente todos los sistemas permiten la construcción de gráficos en forma libre, con la presentación de datos de proceso en tiempo real. Es usual que se siga conceptos similares a los aplicados en las pantallas predefinidas. Una pantalla de overview contiene una representación global del proceso. Esta pantalla permite acceder a otras pantallas, en donde se presenta un detalle del equipo con sus instrumentos asociados. Estos mímicos dinámicos recuerdan a los viejos paneles gráficos totales, ya que dan una presentación del proceso junto con valores que se actualizan en tiempo real y zonas que permiten actuar sobre el proceso. En los primeros sistemas digitales se pensó que los operadores iban a usar estos mímicos dinámicos como simple complemente de las pantallas de grupo. Se esperaba que el operador hubiera preferido las pantallas de grupo, ya que su aspecto es similar a l de los paneles. Sin embargo la realidad indicó que el mímico dinámico es el tipo de presentación que mas satisface a los operadores, de ahí la importancia de su diseño. Figura 6. Un conjunto de pantallas tipo mímico. -9- Capítulo 3 Técnicas de visualización La principal preocupación al momento de mostrar en un display información es si ésta entrará o no en el área (finita) del display. Un conjunto de datos grandes o un área de display pequeña forzaran un cambio en la perceptiva u orientación de la información a mostrar debido a que la forma “natural” de la misma no se puede mostrar debito a insuficientes recursos. Existen técnicas que nos permiten resolver estos problemas; Abarcan dos aspectos, la representación visual en pantalla y deben ser complementadas con interacciones efectivas o adecuadas para tales técnicas. Las técnicas pueden dividirse en dos categorías, sin distorsión y con distorsión. Sin embargo, existen técnicas que no pertenecen a ninguna de estas categorías, dichas técnicas serán consideradas como parte de una categoría otras técnicas. Sin Distorsión Las técnicas orientadas a la no distorsión permiten visualizar la información por secciones; De esta forma sólo se muestra una porción de la estructura general. Estas técnicas se utilizan con frecuencia en interfaces convencionales y generalmente restringen la usabilidad de la interfaz si no son acompañadas de información extra sobre la navegación. Paginado (paging) Esta es la forma más simple de visualización sin distorsión. En este caso la información se divide en una serie de páginas lineales sucesivas. Cada página puede ser accedida por un idenficador de página o a través de una interfaz “página siguiente”, “página anterior”. Figura 7a. El conjunto de la información que se desea mostrar Figura 7b. El tamaño del display no permite mostrar toda la información al mismo tiempo Figura 7c. La información se dividió en páginas, donde página puede ser visualizada en el display. Además se brinda la posibilidad de trasladarse por las páginas a - 10 - través de los botones. Scrolling Esta técnica crea un display virtual lo suficientemente grande como para abarcar toda la jerarquía y luego mapea el display virtual dentro del real. Mediante un desplazamiento en sentido horizontal y vertical toda la estructura puede ser vista en porciones. Figura 8a. El conjunto de información que se desea mostrar Figura 8b. El tamaño del display no permite mostrar toda la información al mismo tiempo Figura 8c. La información se dividió en páginas, donde página puede ser visualizada en el display. Además se brinda la posibilidad de trasladarse por las páginas (horizontal y vertical) a través de los botones. Con Distorsión Las técnicas orientadas a la distorsión modifican la vista natural de la estructura jerárquica mediante la aplicación de transformaciones matemáticas a la representación visual. Como resultado, se distinguen dos áreas, por un lado una área central o foco que es magnificada y por el otro, el resto de la imagen que se presenta comprimida espacialmente (contexto). Estas técnicas mapean estructuras jerárquicas completas dentro de la pantalla y proveen información tanto local como global. De acuerdo al tipo de transformación matemática aplicada a la representación visual, las técnicas orientadas a la distorsión se clasifican en continuas o no continuas. Magnificaciones No Continuas Las técnicas orientadas a la distorsión que presentan una discontinuidad en el punto en donde el área en foco se une con el área de contexto se conocen como no continuas. Dos ejemplos de este tipo de magnificaciones son Bifocal Display y Perspective Wall. Bifocal Display Esta función modifica una imagen a través de una transformación en una dimensión comprimiendo el espacio alrededor de la zona de foco. Posteriormente esta transformación fue extendida a dos dimensiones. - 11 - Figura 9a. Aplicación de Bifocal Display en una dimensión. Figura 9c. Aplicación de Bifocal Display en dos dimensiones Perspective Wall En el caso de Perspective Wall la distorsión se genera a partir del bifocal display para una dimensión, pero en este caso los dos paneles que se comprimen se alejan de la vista del usuario. Esta relación de distancia al usuario es proporcional a la distancia al foco. Magnificaciones Continuas Esta segunda clase de técnicas de distorsión utiliza funciones discretas lo que provee una transición entre foco y contexto mucho más suave. Dos ejemplos de este tipo de magnificación son PolyFocal Display y FishEye View. FishEye View La técnica de FishEye View es única en el sentido que utiliza un sistema de prioridades para determinar qué información debe ser presentada y cuál debe ser suprimida. La aplicación de esta técnica en una dimensión es similar a Perspective Wall sin embargo la discontinuidad que se generaba en este último caso entre el foco y el contexto es reemplazada con una transición exponencial. La distorsión generada por el FishEye View en dos dimensiones depende del tipo de sistemas de coordenadas que se utilice. En un sistema Polar, la transformación distorsiona en forma radial la imagen, mientras que en un espacio Cartesiano, la función se asemeja a un Bifocal Display continuo. Figura 10a. Aplicación de FishEye en una dimensión Figura 10b. Aplicación de FishEye en las dos dimensiones del producto Cartesiano Figura 10c. Aplicación de FishEye en el sistema polar PolyFocal Display La función asociada al PolyFocal Display define un área para el punto de foco como una locación de alta magnificación rodeada de una baja magnificación. Dos parámetros definen el nivel de magnificación resultante de la transformación. El primer parámetro controla el nivel de magnificación del punto de foco, mientras que el segundo control la tasa de cambio de la magnificación con respecto a la - 12 - distancia al punto foco. Existen los MultiFocal Display los cuales permiten mantener más de un punto de foco. Otras técnicas Existen otras técnicas, las cuales no pertenecen a ninguna de las categorías anteriores. Un ejemplo de esto es Bubble Trees. Los Bubble Trees es una técnica de visualización que no distorsiona la imagen (por lo tanto no forma parte de la ultima categoría dada), pero permite mantener el contexto de lo visualizado (esto hace que tampoco pertenezca a la primera categoría). La interfaz Bubble Tree tiene su base en la naturaleza recursiva de la definición de árboles. Esta estructura basada en un agrupamiento de información es usada como el punto de partida para la abstracción y definición de detalle. Cada subárbol es representado por una burbuja (Bubble), la cual contiene el nodo raíz y sus descendientes. Un conjunto mínimo de operaciones reversibles y consistentes nos permite navegar el árbol. Figura 11. Ejemplo de navegación en un Bubble Tree. El estado inicial de una burbuja es opaco, es decir, oculta el detalle de los niveles inferiores. Toda burbuja opaca puede explotarse y de esta forma revelar su contenido. Como contrapartida una burbuja puede implotarse para ocultar su contenido. La Figura 11 muestra un simple ejemplo de un Bubble Tree basado en un simplificación del reino animal. El Cuadro 1 muestra la burbuja raíz opaca que representa todo el árbol. La raíz puede ser explotada para revelar el nodo raíz y sus subárboles inmediatos: Mamíferos, Aves, Peces e Insectos (Cuadro 2). Es importante ver que en todo momento se encuentra visible la línea que marca la burbuja raíz del árbol, marcando los límites del espacio de información. Una burbuja puede ser navegada dentro de otra burbuja. El Cuadro 3 muestra el resultado de explotar la burbuja hijo Mamíferos. - 13 - Se define una nueva acción que permite aumentar el nivel de detalle de una burbuja sin hacerla explotar. Aplicando esta acción se tiene como resultado el Cuadro 4. En este caso se ve como se aumento el tamaño y el detalle de la burbuja correspondiente a Mamíferos mientras que el resto se ha contraído. De esta forma se gana espacio que es dedicado al foco de interés del usuario. Otra acción posible es la de traer a foco una burbuja. El Cuadro 5 muestra el resultado de dicha acción en la burbuja Mamíferos; En este cuadro se puede apreciar como el resto de las burbujas se han abstraído a una hyperbubble. De esta forma hemos definido tres acciones para aumentar el nivel de detalle. La primera acción explota un nodo y revela su contenido. En segundo lugar se aumenta el nivel de detalle a un punto medio y por último se logra el mayor detalle poniendo en foco una burbuja. Cada una de estas acciones tiene su inversa. Juntas estas seis acciones permiten navegar el árbol en forma fácil y directa. Estructuras jerárquicas Una jerarquía representa una relación entre varias porciones de información. Las estructuras jerárquicas son colecciones de nodos conectados de tal manera que cada nodo tiene exactamente un padre (nodo inmediato superior en la jerarquía) y uno a más hijos (nodos inmediatos inferiores en la jerarquía). Dada la posibilidad de representar ilimitadas cantidades de datos a través de relaciones, las estructuras jerárquicas han encontrado una gran variedad de aplicaciones en distintas disciplinas. Genealogía, sistemas de archivos, jerarquías empresariales, etc. En los últimos años se ha visto un gran crecimiento de estructuras jerárquicas que representaban distintos tipos de formatos de media tales como, base de datos online, topologías de redes, mapas de sitios Web, etc. Este gran crecimiento ha generado un gran interés en el desarrollo de interfaces capaces de manejar grandes cantidades de información. Estructuras de grafos Las estructuras de grafos tienen muchas áreas de aplicación. Todos nos hemos encontrado con una estructura de archivos en una computadora. Una estructura de archivos de puede representar con un árbol (caso particular de grafo). Usualmente es necesario navegar a través de la estructura de archivos para poder encontrar un archivo en particular. Lo que muchas veces genera una sensación de no saber en donde esta uno ubicado. El tamaño del grafo a ver es clave en al visualización del grafo. Grandes grafos presenta grandes retos. Si el número de elementos en el grafo es grande, podría comprometer la performance o superar los limites establecidos para la visualización en el display. Aunque - 14 - sea posible mostrar todos los elementos que componen el grafo, también es importante es aspecto de visibilidad y usabilidad. Se podrían mostrar toda la información de un grafo, pero de nada serviría si fuese imposible discernir entre nodos y arcos. Capítulo 4 Diseño de interfaces Factores humanos en el diseño de sistemas de control distribuido Existen principios o características del comportamiento humano que deben ser tenidas en cuenta a momento de diseñar un sistema de control distribuido. La figura 12 es un modelo de la interacción entre el operador y el proceso. En el modelo, la información del proceso es detectada por los instrumentos, estos son los que el operador selecciono para visualizar. Una vez visualizados, los datos que los instrumentos brindan pasan al operador y a su sistema de percepción, se genera una respuesta la cual alimenta el proceso a través de los controles. Todo esto ocurre en un ambiente en donde se combinan una serie de factores tales como, luz, sonido, gente, etc. Figura 12. Modelo de interacción Operador/Proceso Aunque todos los aspectos del sistema hombre maquina son importantes, es el entendimiento de la activada que tiene lugar en el sub sistema del operador quien juega el papel mas importante al momento de prevenir los errores introducidos por un mal diseño. El sistema de procesamiento de información del operador, compuesto de su memoria a corto y largo plazo, tiene el papel mas importante en el entendimientos de cómo una persona interactúa con un sistema complejo. - 15 - La información que el operador recibe del ambiente (displays) entra en memoria a corto plazo o lo que comúnmente se conoce como conciencia. La memoria a corto plazo es un sistema limitado en su capacidad. La memoria a corto plazo de los humanos solo puede almacenar siete (± dos) grupos de información al mismo tiempo. Si mas información arriba a la memoria de corto plazo, o bien se elimina información de la memoria para dar lugar a la nueva o esta es ignorada. El objetivo de un buen diseño de interfaces es el de prevenir la sobrecarga de la memoria a corto plazo, esto se logra colocando tantos datos como sean posibles en cada uno de los grupos de información que se almacenan. Una vez que la información entra en la memoria a corto plazo, se debe contar con recursos mentales para poder utilizar esta información. Los recursos mentales o “mental workload capacity” también son limitados, pero solo en la memoria a corto plazo. A medida que una persona intenta resolver un problema o procesar cierta información, utiliza recursos mentales. Mientras más complejo sea el proceso, mas recursos son utilizados. El stress también consume recursos, reduciendo la disponibilidad de estos para el procesamiento de información. Existe un fenómeno conocido como “cocktail party phenomenon”, esto fenómeno ocurre cuando, al estar con un grupo de personas conversando, y alguien alrededor pronuncia nuestro nombre automáticamente nuestro foco de atención cambia de la conversación a la persona que pronuncio nuestro nombre. Esto evento consumió recursos mentales, en particular consumió un recurso mental reservado para el reconocimiento de nombres. De la misma forma que un recurso mental se puede reservar para el reconocimiento de nombres, también se lo puede hacer para otro tipo de procesamiento de información. En el caso de ser necesario resolver problemas o procesar información de alta complejidad, en lugar de utilizarse la memoria a corto plazo, se utiliza la memoria a largo plazo. La memoria a largo plazo es lo que comúnmente se asocia con memoria, es decir, una recopilación de nuestro conocimiento, entrenamiento y experiencia. La capacidad de una persona para utilizar la información en su memoria de largo plazo depende en parte de cómo fue estructurada. Si la información se almaceno bajo un modelo erróneo o en una forma distinta de la que se utiliza para accederla, entonces obtener dicha información será una tarea difícil. - 16 - Figura 13. Representación grafica de un proceso. La presentación de información de procesos usualmente tiene problemas en tres áreas: consistencia, codificación y contenido. La figura 13 es un ejemplo en donde se ve como se presenta la información de un proceso industrial, dicha presentación tiene problemas en las tres áreas definidas. Consistencia: La información no siempre es presentada en forma consistente. La repetición de un estimulo que genera una respuesta crea un vínculo entre el estimulo (el display) y al respuesta (su significado). En la figura de ejemplo se puede apreciar como el identificador de las válvulas y su salida (%) a veces se encuentra ubicado arriba de la válvula, otras veces abajo, a la derecha, etc. Codificación: La codificación de información es una forma de agrupar información con el objetivo de poder identificar el mismo dato de muchas formas. En los sistemas de control distribuido se tiene un gran campo para aplicar la codificación de información. En la figura de ejemplo la información tiene una codificación rudimentaria, la única codificación que se ve es el color, aunque no se entiende claramente cual es su significado. - 17 - Contenido: El contenido de los “displays” usualmente están orientados hacia los datos y no la información. Elaborar mejor lo que sigue, no estoy seguro… La disposición de los elementos en la pantalla Evite el detalle innecesario. Por ejemplo, es innecesario dibujar el bypass de una válvula de control, a menos que éste esté automatizado. El bypass ocupa espacio en la pantalla, y distrae al operador, sin agregar información útil. El nivel de detalle de una pantalla está también relacionado con su objetivo. También puede ser necesario mostrar en algunas pantallas cada bomba de un conjunto, mientras que en otra bastará mostrar una sola bomba en representación del conjunto. Use una grilla de referencia, común a todas las pantallas. El espacio disponible en la pantalla se divide en áreas para el título de la pantalla, mensajes, mímicos, zonas sensibles para el acceso a otras pantallas, fecha y hora. Esta grilla debe ser utilizada para todas las pantallas. Si esto no es posible, debe diseñarse otra grilla. En tablas de números, alinee el punto decimal. En tablas de palabras, alinee a la izquierda. Esta regla aumenta la legibilidad de la información. Agrupe los elementos asociados. Para el ser humano es más fácil recordar un conjunto de equipos asociados, que esos mismos equipos individualmente. Del mismo modo, resulta más fácil recordar la secuencia de letras “recordar”, que la secuencia de legras “gkdosmee”, aún cuando ambas tengan la misma cantidad de letras y de vocales. Ubique las cosas en forma lógica. Por ejemplo, si se agrupan eventos por su orden de aparición, los más recientes deben estar al comienzo de la lista (arriba), y los más antiguos al final (abajo). En forma similar, si los ordenamos por importancia, los más importantes deben estar arriba, y los menos importantes abajo. Por otra parte, los eventos de igual importancia deben estar juntos. Diseñe una pantalla balanceada. Una pantalla balanceada tiene la mitad del peso de cada lado. El “peso” se refiere al hecho que algunos objetos parecen pesar más que otros, en virtud de su tamaño, forma, color, grosor, etc. Sea consistente. Los elementos dentro de una pantalla deben ser consistentes. También debe haber consistencia entre elementos de distintas pantallas. Por ejemplo, utilice siempre las mismas unidades para la misma variable. - 18 - Detalle de la pantalla No usar más de siete colores. Un estudio psicológico sugiere que la máxima cantidad de información que el ser humano puede recibir en forma cómoda y eficiente, utilizando una codificación de un elemento (por ejemplo, el color), es de 7 valores diferentes. Usando con moderación, el color se puede utilizar para llamar la atención sobre datos específicos, reducir los errores de interpretación, ayudar a absorber más información, y facilitar el recuerdo de una pantalla. Utilizada en exceso o inapropiadamente, la abundancia de colores provocará confusión, cansancio, y aumentará la posibilidad de error. No utilizar el negro como color de fondo. EL uso de otro color oscuro, como el azul o el gris oscuro requerirán menor adaptación del ojo humano a los contrastes entre la iluminación de la sala y el CRT, y entre la información mostrada (foreground) y el fondo (background) de la pantalla. No utilizar colores que combinados luzcan mal. El color suele ser afectado por su ambiente. Por lo tanto, los colores a utilizar deben ser elegidos considerándolos no solo individualmente, sino también en su conjunto. Por ejemplo, caracteres compuestos por líneas finas pueden parecer de un color distinto que una superficie grande y uniforme del mismo color. Estas combinaciones deben chequearse en el sistema mismo, y no mediante tablas impresas de colores. Utilice el color en forma efectiva. Evite utilizar únicamente colores básicos; rojos, verdes, azules, magenta, cian, amarillos, blancos y negros. Pruebe, por ejemplo, utilizar dos o tres tonos de marrón. Reserve el rojo para alarmas importantes. Una vez más, sea consistente. Cuando codifique información utilizando tamaños o formas, no utilice más de 7 diferentes formatos. Evite utilizar el parpadeo, excepto para llamar la atención sobre algo importante. Este recurso debe usarse con moderación, ya que la atracción sobre el elemento parpadeante es muy fuerte, y neutraliza otras informaciones, no importa su color o formato. La frecuencia de parpadeo debe ser de 1 a 4 Hz, ya que frecuencias mayores pueden traer trastornos físicos. Los textos parpadeantes son muy difíciles de leer. Use un tipo de font que sea fácil de leer. - 19 - Use efectivo del color El color es un aspecto atractivo y poderoso, define nuestra percepción, interpretación y memoria de las cosas que vemos. El color es una dimensión muy importante en la comunicación visual; Cuando se lo utiliza en forma correcta amplifica la efectividad de nuestro mensaje, pero, utilizado incorrectamente, puede perjudicar ampliamente el mensaje. Comunicación visual significa transferir información de una entidad a una persona por una vía visual. Los gráficos e imágenes generados por computadoras son uno de los medios en una larga lista de ellos. Para cada uno de estos medios el uso efectivo del color depende no solo de las características propias del medio pero sino también de factores humanos y del contexto en el que se recibe el mensaje (el ambiente). La elección de la paleta de colores y el manejo de los colores debe ser una decisión basada en un diseño centrado en el usuario, un diseño que también considere todos los aspectos específicos a la comunicación. El color en un display no se debe especificar en forma aislada, se debe considerer como un aspecto, en un diseño centrado en el usuario. El análisis y las decisiones de diseño deben tener lugar a diferentes niveles: Aplicación. Necesidades del usuario. Requerimientos. Nivel de educación. Experiencia. Etc. Interacción. Diseño de diálogos. Controles. Menús. Links. Etc. Presentación. Capas. Formas. Tonos. Color. Tipografía. El color, usado en forma correcta, aumenta la efectividad de la comunicación visual, y a su vez, la comunicación visual, utilizada en forma correcta, contribuye a la satisfacción del usuario al utilizar una aplicación. Para obtener un buen diseño, el color se debe - 20 - combinar con otras variables visuales, tales como brillo, formas, orientación y texturas. Así, una persona con problemas para percibir los colores podrá interpretar la información aunque no pueda distinguir los colores. Un buen principio de diseño es asegurarse que la visualización es efectiva en un sistema de colores monocromático y luego agregar el color para reforzar la información que se quiere presentar. La ausencia de color aumenta la percepción en otras áreas visuales, como los tonos, las formas y las texturas. En el diseño de una interface grafica, es importante distinguir entre los colores decorativos y los funcionales. Los colores decorativos mejorar la presentación en un display de forma estética, estableciendo estilos. Los colores funcionales brindan información y buscan generar beneficios en el usuario. - 21 - Capítulo 5 Diseño de Interfaces Industriales Interfaces industriales El diseño cuidadoso es una constante al momento de diseñar interfaces industriales, ya que no debemos olvidar, que a través de estas interfaces el operador deberá interactuar con procesos, quizás críticos para la planta. Para aquellos casos en donde los procesos se desarrollan en períodos largos en donde la constante es un estado estacionario y en donde la interacción del operador es mínima, se requiere que el diseño de las interfaces logre mantener al operador alerta de las condiciones normales de operación. Como contraparte, para aquellos estados de emergencia, se debe tener especial cuidado de que la información que se brinde no sobrecargue la atención del operador. Una Industria es un “conjunto de operaciones” por lo tanto una Planta Industrial es el lugar físico en donde reside este “conjunto de operaciones”. Los elementos que forman parte de este conjunto pueden ser analizados en distintos niveles de abstracción. En el nivel más bajo poder ver los elementos indivisibles, como válvulas, motores o turbinas. El agrupamiento de varios elementos de acuerdo a la función en conjunto que realizan generaría un nuevo nivel, por ejemplo, filtrado orgánico, filtrado químico o recolección. Cada uno de estos grupos de elementos interactúa con otros, formando cadenas de grupos, los cuales pueden ser agrupados de acuerdo a la semántica del trabajo. - 22 - Figura 14. Diferentes niveles de abstracción de un mismo proceso Estas cadenas de grupos se basan en que los elementos de entrada de uno son los elementos de salida de otros. De esta forma podemos ver una relación horizontal entre los grupos. Cada grupo envía su salida a otros y recibe su entrada de otros. Al analizar la relación entre los distintos grupos o elementos indivisibles es evidente el mapeo directo que existe entre ellos y un grafo dirigido. También al analizar la relación entre los elementos indivisibles y su agrupamiento es fácil ver el mapeo con una estructura de árbol. A continuación se describirán técnicas que facilitarán la visualización de información en las interfaces industriales. Problemas de las Interfaces Industriales: Muchos de los problemas de los que adolecen este tipo de sistemas se deben al gran volumen de información a mostrar, lo cual nos lleva al campo de la Visualización de Información. Es por esto que abordajes a su solución pueden provenir precisamente desde esta disciplina. - 23 - Algunos de los desafíos planteados son: Cantidad de elementos a mostrar. El tamaño de los templates puede ser considerablemente grande en relación al espacio disponible en los monitores para su mostrado. Cantidad de variables asociadas a cada elemento que necesitan ser visualizadas. Diversidad de instrumentos/elementos representados en las visualizaciones Falta de estándares homogéneos en la manera de mostrar la información. Convivencia de información de distinta naturaleza en una misma visualización. Lo que determina la visualización de elementos codificados según sus propios estándares, los cuales pueden llegar a ser confusos o directamente contradictorios. Restricciones en cuanto a la ubicación relativa de los elementos del template. Conveniencia de respetar la disposición física de los elementos. Falta de consistencia entre las distintas visualizaciones. En el próximo capítulo analizaremos las diferentes técnicas de visualización que pueden aplicarse al campo de las interfaces industriales. Aplicación de las técnicas de visualización Todas las técnicas vistas pueden ser aplicables a la visualización de una planta industrial. Sin embargo existen restricciones propias del área en la cual se desarrolla esta investigación. El grafo que represente a la planta en el display debe reflejas la posición física de los elementos. Esto significa que no será posible aplicar algoritmos que minimicen los cruces, ya que se prioriza la mímica de la planta en el display. Sin embargo, se debe tener en cuenta que al momento de definir el diagrama físico de la planta ya se tuvieron en cuenta todas las minimizaciones posibles para lograr una mayor eficiencia. Cada nodo hoja en la estructura jerárquica representa un elemento físico de la planta, bomba, válvula, motor, etc. Una planta se compone de diferentes procesos, cada uno de estos procesos puede ser representado por una estructura jerárquica distinta. Los agrupamientos de elementos, es decir, la relación padre-hijo en las jerarquías no dependerá de un algoritmo de agrupamiento sino que, al igual que en el caso del layout de la planta, responderá a - 24 - relaciones predefinida físicamente en la planta. Esta información se deberá proveer al momento de implementar el software de visualización. Al formar parte de una jerarquía, los elementos hojas de los árboles se encontrar ocultos a la vista del usuario, a menos que éste realice las explosiones necesarias. Sin embargo bajo ningún motivo se le debe ocular al operador el estado de cada uno de estos elementos. Por esta razón, es necesario propagar la información de los hijos a sus padres hasta llegar al nivel visible por el operador. De la misma forma que un nodo es una abstracción física de un conjunto de elementos, también lo será semánticamente. La información que se visualice en un nodo representara la información de sus hijos. Sin embargo, mostrar toda la información de todos sus hijos generaría un volumen de información que seria imposible de manejar por el operador. Figura 15a. El nodo padre no muestra información de sus hijos. Figura 15b. El nodo padre muestra toda la información de sus hijos Figura 15c. El nodo padre solo muestra la información necesaria sobre sus hijos. - 25 - Se deberán definir funciones que extraigan de un conjunto de elementos los datos relevantes y necesarios por el operador. Dichas funciones serán definidas por los expertos en el área industrial. La técnica vista de Bubble Tree se aplicará a la visualización de las estructuras jerárquicas, de esta forma el operador podrá explotar un nodo para ver su contenido e implorarlo para ocultarlo. Se utilizará la técnica de FishEye View para poder dar foco a los elementos que el operador seleccione sin perder el contexto que lo rodea. Esta relación foco + contexto no es solamente una modificación gráfica de los elementos, sino una transformación semántica. Al realizar un foco en un objeto se brindara mayor información del mismo, acompañado de una modificación gráfica, pero no necesaria. Sobre los elementos que conformen el contexto se reducirla la cantidad de información a mostrar y se realizara una transformación grafica, esto se realiza con el objetivo de disminuir el espacio ocupado. La decisión de que información se visualizara cuando un objeto esta en foco, contexto o en vista normal no esta a cargo del diseñador del software, sino que son los especialistas en el área industrial quienes deben hacerla. Dado la gran cantidad de elementos a visualizar, seria imposible tener todos los nodos hojas de las estructuras jerárquicas en pantalla al mismo tiempo, para controlar esto y mantener un nivel de legibilidad aceptable se define una constante c que identificará la máxima cantidad de elementos a visualizar posible, tanto nodos hojas como padres. Cuando el número de elementos en pantalla supera la constante c, automáticamente se producen implosiones de un nivel de magnitud en la periferia del grafo, buscando crear la menor desorientación posible en el usuario y ganar el espacio suficiente para mantener la legibilidad del grafo. Al momento de hablar del espacio ocupado por un nodo no solamente estamos hablando del espacio que ocupa su diagrama o dibujo, sino también el espacio que ocupa la información a visualizar sobre el objeto, es decir: espacio( objeto e ) = Tamaño_Dibujo( e ) + Area_Para_La_Informacion( e, e.EstadoVis ) Como dijimos antes, la información que se muestra por pantalla de un objeto dependerá de si el mismo se encuentra en foco, en contexto o en una vista normal, es por esto que en la función Area_Para_La_Informacion() toma como parámetro, además del objeto, su estado, el cual se define como un atributo del elemento mismo. Cuando un elemento de la planta entre en un estado de alarma la atención del operador se debe dirigir inmediatamente a éste y comenzar a trabajar en una solución al problema - 26 - generado. Existe la posibilidad de que mas de un elemento entre en alarma al mismo tiempo, pero tal posibilidad de ha dejado para futuras investigaciones, actualmente solo se considera el caso de un solo elemento en alarma. Como se dijo antes, cada elemento se encuentra asociado con un gran conjunto de otros elementos, ya sea porque las salidas de ellos forman parte de su entrada o viceversa. El estado de alarma de un nodo puede no responder a un problema en el mismo, sino a una situación generada en otros elementos que se encuentran relacionados en forma directa o no, con el objeto actual. Es por esta razón que al momento de visualizar un objeto en alarma también se desea visualizar aquellos elementos que podrían haber generado dicha situación. Esta información, al igual que antes, no proviene del diseñador de software sino de los expertos en la materia. Para cada nodo hoja se define un grafo de emergencia asociado, el cual estará compuesto por aquellos nodos que se desean visualizar cuando el elemento en cuestión entra en un estado de alarma. Aquellos elementos que no formen parte del grafo de emergencia serán implotados para ganar espacio. Cuando un nodo hoja entra en alarma su estado se propaga por la estructura jerárquica hasta el nodo visible por el operador. Cuando el operador reconoce la alarma, (un click sobre el nodo padre), automáticamente se explota hasta llegar al nivel del nodo hoja, se realiza un FishEye View sobre este elemento y se muestra su grafo de emergencia. - 27 - Bibliografía 1. Christopher S. Connelly, Beville Engineering, Inc. Towars An Upset Response Task Workload Assessment Technique For Chemical Processing Plants. 2. Christopher S. Connelly, Beville Engineering, Inc. Towars An Understanding Of DCs Control Operator Workload. 3. Hauser, H., Maktovik, K., Sianitzer, R., Gröller, E., Process Visualization with Level of Details, Proceedings of the Conference on Visualization 2002. IEEE Computer Society Press. 4. A. Martin, A., Ward, M.O., High dimensional brushing for interactive exploration of multivariate data, Proceedings of the Conference on Visualization 1995, pages 271– 278. IEEE Computer Society Press 5. Meter Martin, Dynamic Performance management, The Path To World Class Manufacturing, Van Nostrand Reinhold, 1993. 6. Robertson, G., Card, S., Mackinlay, J., Information Visualization Using 3D Interactive Animation, Communications of the ACM, 36(4), pp. 56-71, 1993. 7. Richard Shirley, A fog Index For CRT Displays (How Good Is Tour CRT Display?), Advances In Instrumentation, ISA Proceedings, Volumen 40, Part 2, 1985. 8. David A. Strohbar, Belville Engineering, Inc. Human Factors In Distributed Process Control 9. David A. Strohbar, Belville Engineering, Inc. Human Factors In Alarm System, Information Versus Data. 10. Sergio Szklanny y Carlos Behrends, Sistemas Digitales de Control de Procesos, Capitulo 9 11. T. Alan Keahey, Nonlinear Magnification, Indiana University. 12. Manojit Sarkar and Marc h. Brown, Graphical Fisheye Views. Communications Of The ACM, December 1994/Vol.37, No.12. 13. Emanuel G. Noik, Layout-independet Fisheye Views of Nested Graph, Computer Systems Research Institute, University of Toronto, Toronto, Canada. 14. Richard Boardman, Bubble trees, The Visualization of hierarchical information structures. 15. Ivan Herman, Guy Melançon and M. Scott Marshall, Graph Visualization and Navigation in Information Visualization: A Survey. IEEE Transactions On Visualization And Computer Graphics, Vol. 6, NO. 1, January-March 2000. 16. Derek Gerstmann, Advanced Visual Interfaces, Human Computer Interaction, March 8, 2000 - 28 - 17. Y. K. Leung and M. D. Apperley, A Review and Taxonomy of Distortion-Oriented presentation Techniques. 18. Computer Generated Colour, Capítulo 5 Designing Coloured Text. 19. Linda W. MacDonald, Using Color Effectively in Computer Graphics, University of Derby, UK. 20. Christopher G. Healey, Perceptual Color and Textures for Scientific Visualization, University of California, Berkeley. - 29 - Índice Capítulo 1.............................................................................................................................1 Introducción..................................................................................................................... 1 Visualización................................................................................................................1 Interfaces Gráficas.......................................................................................................2 Interfaces Industriales.................................................................................................. 2 Técnicas de visualización............................................................................................ 2 Diseño y Desarrollo de Interfaces Industriales............................................................2 Capítulo 2.............................................................................................................................3 Evolución de las interfaces industriales...........................................................................3 La evolución de la industria.........................................................................................3 Formatos para la presentación de información............................................................7 Pantallas predefinidas.................................................................................................. 7 Pantalla tipo mímico.................................................................................................... 9 Capítulo 3...........................................................................................................................10 Técnicas de visualización.............................................................................................. 10 Sin Distorsión ............................................................................................................10 Paginado (paging).................................................................................................. 10 ...............................................................................................................................10 Scrolling.................................................................................................................11 Con Distorsión........................................................................................................... 11 Magnificaciones No Continuas..............................................................................11 Magnificaciones Continuas....................................................................................12 Otras técnicas.............................................................................................................13 Estructuras jerárquicas...............................................................................................14 Estructuras de grafos..................................................................................................14 Capítulo 4...........................................................................................................................15 Diseño de interfaces.......................................................................................................15 Factores humanos en el diseño de sistemas de control distribuido............................15 Consistencia:..........................................................................................................17 Codificación:..........................................................................................................17 Contenido:..............................................................................................................18 La disposición de los elementos en la pantalla..........................................................18 Detalle de la pantalla..................................................................................................19 Use efectivo del color................................................................................................ 20 Capítulo 5...........................................................................................................................22 Diseño de Interfaces Industriales...................................................................................22 Interfaces industriales................................................................................................ 22 Problemas de las Interfaces Industriales:...................................................................23 Aplicación de las técnicas de visualización...............................................................24 Bibliografía........................................................................................................................ 28 Índice..................................................................................................................................30 - 30 - - 31 -
