Cesty k efektivní vizualizaci v průmyslových IŘS

Cesty k efektivní vizualizaci v průmyslových IŘS

Zobrazovací jednotka (displej) a vhodné ovládací prvky jsou v současné době standardní součástí dispečerských informačních a řídicích systémů (IŘS). Na displeji se zobrazují údaje o stavu řízené soustavy a ovládacími prvky se zasahuje do činnosti soustavy. V počátcích bylo brzy výhradně textové zobrazení doplněno pseudografikou a později plnohodnotnými grafickými prostředky. Vyvíjely se také metody návrhu vizuálních funkcí komunikace s operátorem a prostředky k jejich realizaci. V současnosti, po zhruba dvacetiletém vývoji, je k dispozici nepřeberné množství programových prostředků pro vývoj vizualizačních funkcí. Ve vhodném grafickém rámci jsou nyní umísťovány i informace předávané v čistě alfanumerické formě. Díky standardizaci, kterou přinesly zejména operační systémy Microsoft Windows a moderní databázové systémy, jsou vizualizace tohoto druhu dostatečně kvalitní. Dostatek výkonných nástrojů a především vhodných vzorů pro vývoj programových vizualizačních systémů mají i uživatelé a méně zkušení tvůrci programových systémů. Ovšem vytvořený vizualizační systém není vždy v provozu dostatečně efektivní.

Podstatný nárůst požadavků a „jednoduchá“ řešení

Se zavedením počítačů do IŘS velmi podstatně vzrostly požadavky na vizualizaci. Potřeba operativně a názorně poskytovat informace nutné k řízení a ovládaní automatizovaného systému nasměrovala vývoj k plnému využití grafiky. V cestě k rozumné unifikaci však stála různorodost automatizačních úloh. Bylo třeba znázorňovat schémata nejrůznějších technologických procesů a zobrazovat informace o nich, a to nejrůznějšími způsoby. Tak vznikly vizualizační systémy poskytující obecný rámec pro vývoj grafických vizualizačních modulů IŘS. Vlastní návrh způsobu vizualizace, mj. především vlastních „obrázků“ (zobrazení, obrazovek, snímků, masek atd.), je po právu předmětem projektu IŘS.

Tvůrci aplikačních programů pro automatizované IŘS tak stojí před úlohou navrhnout způsob zobrazení ve všech směrech vyhovující projektovanému systému jak z hlediska zvláštností příslušných řízenému technologickému procesu, tak i z hlediska operátora – dispečera. Úkol to není snadný. Řešení vizualizace může zásadně ovlivnit výkonnost a spolehlivost řídicího systému a následně i řízené soustavy. Aby zde uspěl, musí tvůrce IŘS disponovat znalostmi a zkušenostmi z oblasti právě automatizovaného technologického procesu. Další zakázka pro jiný technologický proces opět znamená sbírání znalostí a zkušeností z jiné oblasti atd. To vše v situaci, kdy nebývá dosti času na řádnou přípravu.

Vystaveni naznačené časové a ekonomické tísni, pracovníci se v praxi často uchylují k jednoduchému řešení, kdy projektant IŘS navrhne způsob komunikace ve vztahu k operátorovi, spočívající v návrhu hierarchie snímků, způsobu přechodu mezi jednotlivými snímky apod., a návrh vlastních snímků je svěřen uživateli IŘS. Ten má výhodu ve znalosti řízeného technologického procesu, znalosti způsobu jeho ovládání a zná zvyklosti zavedené ve firmě. Současné vizualizační systémy jsou natolik propracované a snadno použitelné, že se pracovník uživatele snadno a rychle naučí tyto snímky vytvářet.

Uvedený postup však má jeden nedostatek. Pracovník vytvářející snímky jen zřídka má všechny znalosti a zkušenosti k takové činnosti potřebné. V popředí těchto neznalostí nejčastěji stojí ergonomie a výtvarný cit. Vznikají tak dílka připomínající „rej kolibříků v tropickém pralese„.

Nejde totiž pouze o to, nějakým, libovolným způsobem zobrazit potřebné informace o stavu systému. Je nezbytné sledovat i ergonomická hlediska a podrobně se věnovat vztahu mezi člověkem a strojem. Správné použití ergonomických pravidel může významně ovlivnit výkonnost a především spolehlivost budovaného díla v době jeho následného provozu.

Bude proto užitečné poskytnout těmto příležitostným spolupracovníkům, a možná nejen jim, základní informace, které je v obecné rovině upozorní na problémy, jež se při návrhu vizualizace nevyplácí opomíjet.

Objektový princip a ergonomická hlediska

Snímek by měl být konstruován na objektovém principu. Operátor by měl mít k dispozici informace vždy o určitém objektu a jeho aktivitě, aby popř. mohl tyto aktivity ovládat. Mezi operátorem a systémem probíhá dialog. Průběh dialogu se navrhuje tak, aby ho vždy určoval operátor. Během dialogu se operátor na základě poskytnutých informací rozhoduje a realizuje řízení. K tomu, aby dialog probíhal rychle, bezchybně a se správným výsledkem, lze přispět tím, že při návrhu dialogu nejen budou prioritní ryze technická hlediska, ale stejně důsledně budou aplikovány ergonomické a estetické zásady.

Ergonomická hlediska týkající se vztahů mezi člověkem a strojem přispějí k větší spolehlivosti systému, výkonnosti člověka, a v důsledku toho i stroje. Estetická stránka komunikace mezi člověkem a strojem, do určité míry spadající i do sféry ergonomie, dále zlepšuje pohodu operátora, činí stroj přátelským k člověku.

Druh, počet a uspořádání prvků

Nejprve se projektant rozhoduje mezi alfanumerickým a grafickým zobrazením informace. Obecně platí, že grafické zobrazení, zvláště při využití barev, může nést podstatně větší množství informace než znakové, verbální vyjádření. Zde platí pravidlo zjištěné psychology, že člověk je schopen zpracovávat obrazovou informaci asi desetkrát efektivněji než text. Z psychologie je v tomto případě významné i zjištění, že člověk není schopen současně zaměřit pozornost na příliš velký počet prvků. Běžnou hranicí je sedm prvků a skutečně horní mezí je deset prvků. Každý si to může ověřit, když se pokusí stanovit počet kamínků nebo sirek na ploše velikosti dlaně krátkým, vteřinovým pohledem. Při vytváření dialogových snímků se na to však často zapomíná. Pro praxi z toho plyne poznatek, že plochu snímku nelze přeplnit různými prvky. Podle této zásady je především třeba na minimum omezit prvky, které nenesou informaci. Jako příklad lze uvést složitě strukturované tabulky: téměř vždy lze nalézt podobu tabulky jednodušší, a tím i přehlednější, aniž by ztrácela potřebný informační obsah.

Pravidlo „deseti prvků“ se uplatní i tak, že prvky budou seskupovány do přiměřeně velkých, a tím i přehledných celků, které se na snímku osamostatní vhodnou volbou jejich vzájemné vzdálenosti.

Uspořádání snímku by mělo být takové, aby usnadňovalo pochopení jeho obsahu. V jednom celku by měly být soustředěny informace ohledně jednoho objektu. Objektem se zde však rozumí nejen hmotný objekt, ale obecněji soubor informací reprezentující určitou znalost, např. soubor výkonnostních parametrů apod. Čitelnost snímku podporuje i uspořádání jeho prvků do přehledných útvarů, např. řádků a sloupců. Orientaci na snímku usnadní také symetrické a stejnolehlé uspořádání prvků. Informaci může nést i rovnoměrnost či uspořádání vybočující z rovnoměrnosti.

Na základě uvedených poznatků je možné formulovat základní pravidla tvorby snímků platná jak pro textovou, tak i grafickou formu zobrazení. Jsou to pravidla:

• uzavřenosti: reprezentuje objektové uspořádání a pravidlo „deseti prvků“,

• jednoduchosti: z možných struktur se volí vždy ta nejjednodušší,

• vzdálenosti (resp. blízkosti): pro slučování prvků do dílčích celků nebo odlišení těchto celků,

• symetrie: zvětšuje estetický účin, upozorňuje na symetrii v uspořádání sledovaného systému,

• pravidelnosti: naznačuje podobnost a rovnocennost prvků, vybočení z ní ukazuje na výjimečnost prvku,

• stejnorodosti: podobné objekty jsou na snímku prezentovány shodně nebo alespoň podobně.

Experimenty ukázaly, že důsledné použití uvedených pravidel může zkrátit dobu potřebnou pro „přečtení“ zobrazené informace a pro případné rozhodnutí až o 30 %.

Informace jsou operátorovi poskytovány ve formě pro něj obvyklé. Forma by měla podporovat operátorovy asociační schopnosti, jinak řečeno, operátor není nucen řešit vtipné hádanky a rébusy. Je-li informace kódována odchylně od běžných zvyklostí, volí se snadno a rychle rozpoznatelné symboly a zkratky. Rozsah informací by měl vyhovovat aktuálním funkčním požadavkům. Dává se tedy přednost nezbytným informacím a zbytné detaily jsou poskytovány na požádání. Obsah a zobrazení informací je třeba přizpůsobit schopnostem operátora.

Je také třeba se vyvarovat časté chyby spočívající v zobrazování číselných údajů s počtem číslic přesahujícím přesnost, s jakou byla zobrazovaná veličina zjištěna. Při volbě vhodného měřítka nebo jednotky se tedy většinou vystačí se třemi až čtyřmi platnými číslicemi. U grafů může být matoucí nevhodně zvolené měřítko nebo posun osy mimo obvyklou hodnotu, nejčastěji nulu – při potlačené nule může např. i nevýznamný šum působit děsivě.

Příkladem z této oblasti je sledování parametru v průběhu procesu. Je např. třeba zjistit, zda a na jak dlouho opouští sledovaný parametr přípustný rozsah. Pouhé zobrazení hodnoty parametru se signalizací vybočení z normy v reálném čase má pro tento účel zkreslující efekt. Operátor, pro kterého je toto vybočení nepříjemnou událostí, vnímá dobu překročení meze a dobu, kterou parametr setrvává v mezích, odlišně. Má dojem, že nepříznivý stav trvá mnohem déle, než je tomu ve skutečnosti. Je proto lepší sledování vybočení převést na relativní údaj doby vybočení vzhledem k celkové době trvání procesu. Jestliže je na operátorovi, aby v případě hrubého vybočení z mezí zasáhl, lze toto vybočení z mezí indikovat varovným signálem.

Jednotlivé prvky v obrázku se řadí do posloupností tak, jak spolu významově souvisejí v dané úloze a jak je také chápe operátor. Pokud možno je třeba dodržovat pořadí zleva doprava a shora dolů a prvky řadit do řádků a sloupců. V řádcích a sloupcích se vytvářejí skupiny významově shodných nebo podobných prvků, které se umísťují blíže k sobě a oddělují se větší mezerou od dalších skupin. Přitom je třeba se snažit vše uspořádat symetricky. V rámci celého systému se volí pokud možno shodné uspořádání podobných informací. Například tlačítka OK nebo storno se umísťují v jednotlivých snímcích pokud možno vždy na stejné místo.

Pozornost zasluhují také texty, které grafické zobrazení doprovázejí. Sdělení by měla být formulována tak, aby byla pro daného operátora snadno pochopitelná. Nepoužívají se proto neobvyklé výrazy a symboly. Úspornost v délce textu není na místě. Nutná je snadná čitelnost, jednoduchost a srozumitelnost. Použití zkratek je riskantní. Proto se používají jen zkratky operátorovi známé a v celém systému shodné. Porušení těchto zásad může být zdrojem chyb v činnosti operátora.

Barvy v zobrazení

Dosud bylo ponecháno stranou využití barev v zobrazení. Barevné zobrazení je v současnosti běžným standardem. Nejde „jen„ o vnější efekt. Barva nese další informaci a má významný ergonomický účinek.

Správné použití barev lze opřít o mnoho již dlouho známých a ověřených psychologických poznatků. Je tedy možné využívat barvy např. od velmi uklidňující zelené po až agresivně působící fialovou nebo prostřednictvím barev vyvolávat pocity tepla i chladu (tab. 1, tab. 2). Barvy také ovlivňují vnímání vzdálenosti objektu:

• nejvíce přibližují objekt barvy oranžová a fialová,
• dojem blízkosti vyvolávají červená a žlutá,
• vzdálenost zvětšují modrá a zelená.

Prvky obrazu, ať již texty nebo obecnější grafické symboly, jsou obvykle zobrazeny na pozadí v odlišné barvě. Obecně platí, že pro zobrazení pozadí a popředí se volí doplňkové barvy. Psychologické výzkumy ukázaly, že vliv kombinace barev není v těchto případech zanedbatelný. V tab. 3 je uvedena doba potřebná k přečtení dané barevné kombinace textu a pozadí v poměru k této době při kombinaci černých znaků na bílém pozadí. Všimněme si rozdílu mezi výsledky získanými při denním světle a při umělém osvětlení.

Vlastnosti barev je však třeba využívat s uvážením dalších souvislostí. Především je zapotřebí si uvědomit, že přílišná barevná pestrost snímku je spíše ke škodě než k užitku. Používá se tedy jen několik málo, nejvíce pět, různých barev. Volí se odstíny spíše pastelové něž syté, kontrastní. Zde může být vodítkem zkušenost z několika obecně rozšířených programových produktů. Nesmí se však z nich brát příklad příliš důsledně. Barevné efekty a oživování grafického zobrazení často mají především za cíl získat zákazníka. Operátor technologického procesu nemůže systém vypnout nebo opustit, když ho práce s ním unaví nebo přestane bavit. Obecně platí, že v době, kdy se systém nachází v běžném stavu, neměl by být operátor zbytečně aktivován, avšak také by ho činnost grafického komunikačního rozhraní neměla svou monotónností uspávat.

Barevný účinek obvykle doplňuje vhodná animace. Příklady jsou blikání, inverzní zobrazení (černý text na bílém pozadí a naopak), změna barvy či tvaru prvku v čase. To jsou prostředky, které spolu s aktivující barvou mají uvést operátora do stavu zvýšené pozornosti a aktivity. Je však velmi důležité, aby tyto prostředky nebyly zneužívány. Zbytečná aktivace operátora otupí jeho pozornost a využití barevných nástrojů se mine účinkem. Z praxe jsou známy případy velkých havárií, ke kterým porušení této zásady významně přispělo.

Závěr

V článku je poukázáno na jen základní problémy správného vytváření vizualizačních modulů průmyslových IŘS. Mnohým z projektantů neřekl mnoho nového, ačkoliv i zkušený pracovník zde může nalézt určitý podnět pro svou práci. Začátečníkům by článek mohl být impulsem k dalšímu vzdělávání.
[Methodenhandbuch zu case/4/0. Microtool GmbH, Berlin, 1994.]

Jiří Cendelín
(jcendelin@volny.cz)