Creación de guía ergonómica para el diseño de interfaz de

Creación de guía ergonómica para el diseño de interfaz de

Creación de guía ergonómica para el diseño de interfaz
de supervisión
Pere Ponsa, Marta Díaz, Andreu Català
GREC Grupo de Investigación en Ingeniería del Conocimiento
UPC Universitat Politècnica de Catalunya
EPSEVG, Escola Politècnica Superior d’Enginyeria de Vilanova i la Geltrú
Av. Víctor Balaguer s/n 08800 Vilanova i la Geltrú
{pedro.ponsa;marta.diaz;andreu.catala}@upc.edu
Abstract. En tareas de supervisión humana de sala de control industrial se
aplican de forma genérica disciplinas como la ingeniería del software y la
ergonomía física para el diseño de la interfaz computerizada y el diseño de la
sala de control. Desde el punto de vista de la interacción persona ordenador, a
estas disciplinas hay que añadir la ingeniería de la usabilidad y la ergonomía
cognitiva ya que aportan pautas para el diseño centrado en el usuario. Es en este
sentido en el que la guía ergonómica de diseño de interfaz de supervisión
GEDIS quiere intervenir. La guía recoge las pautas y las aplica a casos
industriales en los que se aprecian mejoras - constatadas tanto por diseñadores
como por usuarios -, en la eficacia del funcionamiento de sistemas personamáquina.
1 Introducción
En la tarea de supervisión humana del control de procesos en una sala de control
industrial es imprescindible el trabajo cooperativo para la toma de decisiones, la
integración de diversas disciplinas científicas en función del proceso a controlar, y la
vigilancia experta de los parámetros críticos del sistema que garantizan un
funcionamiento controlado a prueba de incidentes.
En sala de control industrial es necesario tener en cuenta el diseño centrado en el
usuario. Ello comporta la incorporación de disciplinas como la ergonomía, el diseño
de interfaz persona-máquina, y la ingeniería de sistemas. Empresas especializadas se
encargan de llevar a cabo estudios de ergonomía física para la adecuación del lugar de
trabajo. La ergonomía cognitiva aporta estudios respecto al procesamiento de la
información, la toma de decisiones en situaciones de riesgo, la carga mental de la
tarea, y la ejecución de acciones atendiendo a la presencia de error humano.
La propuesta principal de este trabajo es la creación de una guía ergonómica de
diseño de interfaz de supervisión, guía GEDIS, que ofrezca una metodología pautada
en esta área de conocimiento.
La sección 2 ofrece la recopilación de distintas metodologías existentes como
marco previo a la guía GEDIS de nueva creación. La sección 3 describe brevemente
los aspectos fundamentales de la guía. La sección 4 muestra la aplicación de la guía
16 – Ponsa, P., Díaz, M., Català, A.
GEDIS en situaciones industriales reales y por tanto se incide en la validación de la
guía como instrumento eficaz. La sección 5 concluye el trabajo y valora los resultados
obtenidos hasta el momento.
2 Metodologías previas
Durante años se han elaborado procedimientos para garantizar la seguridad de los
sistemas persona-máquina en diversos ámbitos. En esta sección destacamos aquellas
guías que tratan la problemática de la interacción compleja entre personas y máquinas
y que pueden aportar rasgos a considerar en la supervisión humana industrial.
2.1 ISO 11064
El estándar ISO 11064 establece unos principios, recomendaciones y requerimientos
para ser aplicados en el diseño de centros de control [1]. El estándar ISO 11064
propone aspectos de propósito general y en el caso particular de aplicación en sala de
control industrial, la ergonomía aparece prioritariamente en forma de ergonomía
física.
2.2 Human Factors Design Standards (HFDS)
La HFDS es una guía de requisitos sobre factores humanos aplicable a los sistemas
adquiridos y/o desarrollados para la Administración Federal de Aviación FAA de los
EE.UU [2]. Se hace hincapié en la relevancia del rol del operario y en la aplicación de
la automatización centrada en el humano (human centered automation).
2.3 Human Interface Design Review Guidelines (NUREG 0700)
El estándar NUREG 0700 desarrollado por la Comisión de Regulación Nuclear de los
EE.UU. para revisar el diseño desde el punto de vista de factores humanos de las
interfaces persona-sistema (Human System Interfaces, HSI) en general [3],[4]. La guía
NUREG establece unos requisitos de diseño para todos los tipos de interfaz personasistema de una sala de control de planta nuclear.
2.4 Safety Automation System NORSOK
El estándar SAS (Safety Automation System) forma parte de los estándares NORSOK
I-002 desarrollados por la industria petrolífera de Noruega para asegurar una
adecuada seguridad, valor añadido y un coste efectivo para todas las partes implicadas
en el desarrollo de sistemas petrolíferos [5]. El estándar define requerimientos sobre
diversas áreas cubriendo los requerimientos funcionales y técnicos y estableciendo
Creación de guía ergonómica para el diseño de interfaz de supervisión – 17
una base para la ingeniería de sistemas relacionados con la seguridad y
automatización de sistemas en plataformas petrolíferas en Noruega.
2.5 Man System Integration Standard (NASA-STD-3000)
Este documento generado por la agencia NASA proporciona información específica
para asegurar la integración apropiada de los requerimientos de interfaces personamáquina con los de otras disciplinas aeroespaciales [6]. Estos requerimientos se
aplican a los programas espaciales tripulados de los EE.UU. (lanzamiento, entrada, en
órbita, y extraterrestres).
3 GEDIS
La guía ergonómica de diseño de interfaz de supervisión GEDIS ofrece un método de
diseño especializado en sistemas de control supervisor industrial basado en niveles
donde se van concretando los diseños de los distintos tipos de pantalla y contenidos
[7]. La guía GEDIS puede convertirse en complemento para aquellos ingenieros
técnicos que desarrollan interfaces de supervisión mediante los sistemas comerciales
denominados de adquisición de datos y control supervisor SCADA.
La guía se estructura en 2 partes. La primera detalla un conjunto de indicadores
seleccionados en buena parte de las pautas de diseño de interfaces multimedia que
utilizan los ingenieros informáticos y los expertos en interacción persona ordenador
[8]. La segunda parte muestra la obtención de medidas cuantitativas de evaluación de
los indicadores para la obtención de un valor numérico final que permita al
diseñador/usuario valorar las posibles mejoras de la interfaz de supervisión, a la vez
que permite la comparación con otras interfaces.
3.1 Lista de indicadores
La guía GEDIS consta de 10 indicadores que pretenden cubrir todos los aspectos del
diseño de la interfaz. La Tabla 1 muestra la definición de cada indicador junto a qué
aspectos previos (entradas) son necesarios para la obtención del indicador y qué se
espera obtener (salidas) del indicador. En la tabla se mezclan aspectos de ergonomía
con aspectos de control de procesos industriales.
3.2 Evaluación
La evaluación expresada en forma numérica cuantitativa o bien en formato cualitativo
pretende promover la reflexión del usuario que rellena la guía GEDIS a modo de
cuestionario, de manera que recoja la experiencia de uso que en muchas ocasiones no
llega a verbalizarse.
18 – Ponsa, P., Díaz, M., Català, A.
Tabla 1. Lista de indicadores de la guía GEDIS.
Indicador
Arquitectura
Definición
Organización jerárquica de las
pantallas
Entradas
De la planta física a la
monitorización gráfica
Distribución
de pantallas
Plantillas de los diferentes tipos de
pantalla
Navegación
Modos de navegación entre
pantallas
Uso del color
Asociación de funcionalidades en
el ámbito del control de procesos
Uso de fuentes
e información
textual
Estatus de los
equipos y
eventos de
proceso
Información y
valores de
proceso
Gráficos de
tendencias y
tablas
Abanico de fuentes y asociación de
funcionalidades
Salidas
Mapa de relaciones
entre pantallas y sus
funciones
Diseño de los procesos
Clasificación de
físicos y subprocesos
tipos de pantallas y
tipos de plantillas
Controles de navegación Navegación
entre subprocesos
equilibrada en
anchura y
profundidad
Requisitos sobre
Uso del color
dispositivos de
adecuado en el
información visual
contexto
Fuentes y tamaños
Estándares de
legibles por el operario
fuentes, acrónimos y
abreviaturas
Estándares nacionales
Uso de símbolos e
y/o internacionales en
iconos reconocibles
control supervisor
por el operario
experto
Procesamiento de la
Lista clasificada de
información
las variables del
proceso
Procesamiento de la
Lista de
información
agrupaciones de
datos en gráficos y
tablas en los
sinópticos de
proceso
Estándares de diseño de Accesibilidad a la
comandos y entrada de
manipulación de
datos
parámetros y
consignas
Estimación del riesgo
Listado de alarmas,
clasificación por
prioridades
Símbolos e iconos gráficos para
representar el estado de la planta y
los cambios de estado
Presentación de los datos
analógicos/digitales en los gráficos
Presentación y agrupación de
valores en gráficos de tendencias
(históricos) y tablas
Comandos y
entradas de
datos
Modo de entrada de datos a la
interfaz
Alarmas
Características principales del
subsistema de alarmas
Medida del Indicador
Cada uno de los indicadores de la Tabla 1 puede descomponerse en diversos
subindicadores. Por ejemplo, el indicador Uso del Color puede detallarse en:
visibilidad (3), contraste con el fondo (4), número de colores (4), diferenciabilidad
entre colores (3), uso de colores típicos (rojo, verde, amarillo) (2), consistencia (4).
Para cada subindicador se recomienda se puntúe numéricamente en una escala de 1 a
5. En este ejemplo el número de subindicadores del indicador Uso del Color es J= 6.
J
¦ w Subind
j
Indicador =
j =1
J
¦w
j =1
j
j
(1)
Creación de guía ergonómica para el diseño de interfaz de supervisión – 19
El valor medio que se obtiene mediante la fórmula 1 con estos valores es de 2,83.
Si se redondea, el valor es 3, de manera que al indicador Uso del Color se le asigna el
valor 3 en este ejemplo, considerando que cada uno de los subindicadores tiene el
mismo peso (w1= w2 …=wJ= 1).
Medida de Evaluación Global
Cada uno de los indicadores de la Tabla 1 se mide en una escala de 1 a 5. El
experto dispone en este punto de información concreta sobre el indicador, de forma
que ya puede valorar las necesidades de mejora. Los valores de los indicadores
pueden agruparse de manera que la guía GEDIS ofrezca la evaluación global de la
interfaz y pueda ser comparada con otras. En una primera aproximación se ha
considerado el valor medio entre indicadores expresado en la fórmula 2. Es decir, a
cada indicador se le asigna un peso idéntico (p1= p2 …=p10= 1) aunque ello permitirá
en futuros estudios valorar la importancia de algunos indicadores por encima de otros.
La evaluación global se expresa en una escala de 1 a 5. Atendiendo a la complejidad
de los sistemas de supervisión industrial y al hecho de que un diseño ineficaz de la
interfaz puede provocar el error humano, la evaluación global de una interfaz de
supervisión debería situarse en un valor inicial de 3-4 y proponer medidas de mejora
para acercarse al 5.
10
¦ p ind
i
Eval _ global =
i
i =1
(2)
10
¦p
i
i =1
4 Estudio de casos
A modo de experiencia piloto la guía GEDIS se ha aplicado a dos entornos de
supervisión reales. En primer lugar a la interfaz de supervisión del simulador del
Centro de Tecnologías Azucareras (CTA), y en segundo lugar a la interfaz de
supervisión de sala de control de planta de gas natural.
4.1 Simulador del Centro de Tecnologías Azucareras (CTA)
La planta física se encuentra en la localidad de Benavente (Valladolid) y su finalidad
es el procesamiento y obtención de azúcar a partir de la remolacha.
20 – Ponsa, P., Díaz, M., Català, A.
Fig. 1. Detalle de pantalla de la interfaz de supervisión del simulador del CTA.
La sala de control real es reproducida con gran fidelidad en el Centro de
Tecnología Azucarera CTA de manera que se utiliza un simulador, fiel reflejo de la
interfaz de supervisión industrial, para el entrenamiento de operarios [9], [10].
En este caso práctico el diseñador ha generado un conjunto de pantallas de las
cuales ha facilitado una muestra. La guía GEDIS se ha aplicado a posteriori de forma
externa y sin la colaboración del diseñador. De forma genérica mediante el uso de la
guía GEDIS se han detectado un conjunto de anomalías, se han propuesto soluciones,
se ha cuantificado numéricamente cada uno de los indicadores y se ha obtenido la
valoración global de la guía para la interfaz estudiada. Finalmente se han propuesto
rediseños de algunas pantallas. Toda la información se ha enviado al CTA para que
valoren la posibilidad de rediseño de algunas partes de la interfaz con las mejoras
indicadas.
Respecto los tres primeros indicadores evaluados, se observa claramente una
arquitectura compuesta por 3 capas, de manera que en la interfaz de supervisión
predomina la navegación en anchura poco profunda, aspecto que es típico en el
contexto de diseño de interfaces industriales. En cuanto a los modos de navegación
entre pantallas se han realizado correcciones ya que en el paso de una pantalla a la
siguiente los submenús de navegación cambian de posición y de formato,
desorientado al usuario.
Respecto al uso del color se ha comentado la necesidad de resaltar mediante color
el estado de algunos componentes, como las válvulas distribuidoras, para que pueda
distinguirse con claridad y diferenciarse los estados abierta/cerrada. En algunas
pantallas se detecta un uso excesivo de colores rojo y verde en la parte periférica. La
guía GEDIS recomienda el uso del color rojo asociado al indicador alarma.
Respecto a los gráficos de tendencias y tablas, si bien se ha observado una clara
representación gráfica de cada una de las variables y la acción de control, se echa en
falta una representación de variables agrupadas en un único histórico que permita al
Creación de guía ergonómica para el diseño de interfaz de supervisión – 21
operario evaluar la tendencia futura de dichas variables y tomar alguna decisión
(cambio en la consigna, cambio en los parámetros del controlador).
La evaluación global que la guía GEDIS hace de la interfaz de supervisión del
simulador del CTA se sitúa en 3,5. Mediante las correcciones mencionadas, el índice
puede llegar sin problemas entre 4 y 5, es decir los valores máximos de la escala
numérica.
4.2 Interfaz de sala de control de planta de gas natural
La planta de gas se encuentra en el puerto de Barcelona y tiene como finalidad
principal el procesamiento de gas natural, desde su estado inicial a 163 grados bajo
cero, su transformación a estado líquido, y su distribución a la red de gas natural
estatal para el consumo doméstico [11].
La sala de control consta de diversas monitorizaciones (sobre ordenador, o
mediante cámaras de vigilancia de componentes de control). Los operarios se agrupan
por parejas y vigilan el funcionamiento de diversos subprocesos a lo largo de turnos
repartidos las 24 horas del día y de la semana.
En este caso práctico se ha contado con la colaboración de una operaría de sala de
control que ha facilitado su experiencia en el uso y manejo de la interfaz, realizándose
un seguimiento a lo largo de seis meses.
La guía GEDIS se ha aplicado como soporte para el rediseño de pantallas. Si bien
no se ha obtenido el valor numérico de los indicadores, se ha potenciado la
colaboración con la operaría para extraer el máximo de información de su
conocimiento sobre el funcionamiento de la planta, la toma de decisiones distribuida y
la solución a anomalías ante situaciones de riesgo. En el momento de realizar este
estudio, una empresa externa realizaba un estudio de ergonomía física para la mejora
de la eficacia del funcionamiento en la sala de control.
Por nuestra parte, además de propuestas de rediseño de algunas pantallas, se
procedió al estudio de la carga mental del conjunto de operarios mediante el
cuestionario adaptado NASA-TLX, siendo destacable que el conjunto de operarios
consideran que la exigencia mental, y la exigencia temporal son los factores
significativos que influyen claramente en su tarea, aspecto que es bien conocido en el
contexto de las tareas de los operarios/as de salas de control [12].
La figura 2 muestra algunas de las incidencias observadas con más frecuencia. La
operaria trabaja en una pantalla y en ella se aprecia 12,13 GRAD. Todas las
magnitudes físicas que aparecen en las pantallas están expresadas en mayúsculas, ello
es inusual en el sistema internacional SI de unidades de manera que se recomienda
expresar todas ellas en minúsculas. Siguiendo con este detalle, debe expresarse
claramente la variable Temperatura expresada en Celsius o Kelvin, en función de la
escala que se utilice en el proceso. La nomenclatura ºC es obsoleta de forma que
correctamente debería indicarse 12,13 C. Desde esta pantalla puede accederse a otras
subpantallas denominadas C3003-A, C3003-B y C2002-B; los enlaces se mezclan con
el indicador “C-2002-A marcha” que indica a la operaria que el compresor pertinente
está en marcha.
22 – Ponsa, P., Díaz, M., Català, A.
Fig. 2. Detalle de pantalla de la interfaz de supervisión de la sala de control de planta
de gas, en la que se indica que el compresor C-2002-A está en marcha.
Exigencia Mental
Valor
20
15
10
5
0
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
Operario
Fig. 3. Detalle de factor Exigencia Mental en la aplicación del método NASA-TLX
para la valoración de la carga mental sobre 10 operarios de la sala de control.
Los enlaces a otras pantallas deberían situarse por coherencia en el submenú de
navegación entre pantallas del que dispone la operaría en la parte inferior de la
interfaz. A destacar que la operaría consultó estos detalles con otro operario experto y
este le confirmó que hay equipos representados en esta pantalla que llevan tiempo
fuera de servicio, por lo que ambos recomendaban cambios para simplificar la
pantalla.
Previamente a la aplicación de la guía GEDIS, se aplicó el método NASA-TLX al
conjunto de operarios de la sala de control. La Figura 3 muestra el factor Exigencia
Mental, uno de los factores del método NASA-TLX aplicado sobre 10 operarios de la
Creación de guía ergonómica para el diseño de interfaz de supervisión – 23
sala de control. 8 de los 10 operarios coinciden en resaltar el valor alto de la exigencia
mental de la tarea que supone la vigilancia de la interfaz de supervisión.
La evaluación ergonómica llevada a cabo en este caso muestra que el rediseño de
pantallas de la interfaz es realmente eficaz si se constata cada uno de los cambios con
los operarios expertos que realizan la tarea (el operario novato que lleva menos
tiempo trabajando lleva 1 año, mientras que el operario experto que lleva más tiempo
trabajando lleva 18 años. La operaria considerada en el estudio lleva trabajando 2
años y medio). En fases posteriores de este estudio, debería procederse a las mejoras
de la interfaz sugeridas por la guía GEDIS, y volver a medir la carga mental mediante
el método NASA-TLX para constatar posibles variaciones de la misma.
5 Conclusiones
En tareas de supervisión humana en sala de control industrial es habitual que un
diseñador externo, - mediante los programas comerciales SCADA- , se encargue de
diseñar la interfaz de supervisión en función a los conocimientos sobre la planta física
y el conjunto de procesos fisico-químicos aportados por los ingenieros de proceso. Si
bien existen estándares sobre seguridad en los sistemas persona-máquina que inciden
en aspectos de ergonomía física, diseño de la interfaz mediante pautas de estilo, es
notable la ausencia del diseño de sistemas interactivos centrados en el usuario donde
la ingeniería de la usabilidad y la ergonomía cognitiva pueden aportar mejoras
significativas [13], [14], [15].
La guía GEDIS es una aproximación que intenta llenar un vacío metodológico que
aúna los esfuerzos de la ingeniería de sistemas y la ergonomía para la mejora de la
eficacia de los sistemas persona-máquina en sala de control industrial.
La aplicación de la guía GEDIS al estudio de casos aporta entre otros detalles la
medida en forma de indicadores de aspectos de diseño de la interfaz, la recomendac
ión de cambios para la mejora de la interfaz, un índice de evaluación global que
permite cuantificar el estado actual de la interfaz respecto al estado futuro después de
aplicar las medidas correctivas.
En los casos estudiados, en el primer caso se han generado recomendaciones para
el diseñador. En el segundo caso, y atendiendo al diseño centrado en el usuario, las
aportaciones deben presentarse al diseñador para que las valore adecuadamente.
En estos momentos se está analizando la posibilidad de simplificar el número de
indicadores de la guía, mejorar el método de evaluación, y promover el uso de la guía
dentro del ciclo de vida de la ingeniería del producto, en este caso en las primeras
fases del diseño de la interfaz de supervisión.
Agradecimientos
Los autores agradecen al Dr. César de Prada y al Dr. Felipe Acebes del Departamento
de Ingeniería de Sistemas y Automática de la Universidad de Valladolid, su
disponibilidad para el uso del simulador del Centro de Tecnología Azucarera CTA.
24 – Ponsa, P., Díaz, M., Català, A.
Los autores agradecen a Mireia Ferrándiz (operaria de sala de control) y a la
empresa ENAGAS (Barcelona) su disponibilidad para el estudio ergonómico
realizado.
Referencias
1. ISO International Organization for Standarization: Ergonomic design of control centres, parts
I, II, III, IV. En URL: http://www.iso.org, (2004)
2. Federal Aviation Administration: Human factors design guide for acquisition of commercialoff-the-shelf subsystems, non-developmental items, and developmental systems
(DOT/FAA/CT-96/01). Atlantic City International Airport, DOT/FAA Technical Center
(1996)
3. Holstom, C.: Human factors and control centre issues. What lessons we have learned.
Institute for Energy Tecnology, OECD Halden Reactor Project (2000)
4. U.S. Nuclear Rgulatory Commission: NUREG-0700, Human-system interface design review
guidelines. Office of Nuclear Regulatory Research, Washington DC 20555-0001. En URL:
http://www.nrc.gov/reading-rm/doc-collections/nuregs/staff/sr0700/nureg700.pdf (2002)
5. Norsok Standard: I-002 Safety automation system. Norwegian Technology Centre Oscarsgt.
20, Postbox 7072 Majorstua N-0306 Oslo. En URL: http://www.olf.no y
http://trends.risoe.dk/detail-organisation.php?id=52#corpus (2006)
6. NASA: Man system integration standards, NASA-STD-3000.
En URL: http://msis.jsc.nasa.gov/, (1995)
7. Gallareta, J. G., Ponsa, P.: La ergonomía cognitiva aplicada al diseño de interfaces
computerizadas persona-máquina en salas de control industriales. Documento interno del
Departamento ESAII de la Universidad Politécnica de Cataluña (2005)
8. Schneiderman, B.: Designing the user interface. Strategies for effective human-computer
interaction. Addison-Wesley, 3ª Edición, (1997)
9. Centro de Tecnología Azucarera: Simulador de sala de control de fábricas azucareras. En
URL:http://www.cta.uva.es/CTANEW/espanol/proyectos/Simuladores/Frame_Simuladores.
htm, (2006)
10. Merino, A., Pelayo, S., Rueda, A., Alves, R., García, A., Acebes, F., De Prada, C.,
Gutiérrez, G., García, M.: Un simulador de alcance total para la formación de los operarios
de sala de control de factorías azucareras. XXIV Jornadas de Automática, León. En URL:
http://www.cea-ifac.es/actividades/jornadas/XXIV/documentos/si/200.pdf (2003)
11. Ferrándiz, M.: Diseño ergonómico de una sala de control industrial. Memoria del proyecto
final
de
carrera.
Universidad
Politécnica
de
Cataluña.
En
URL:
http://bibliotecnica.upc.es/PFC/arxius/migrats/40473-1.pdf, (2005)
12. De Arquer, I., Nogareda, C.: NTP 544 Estimación de la carga mental de trabajo: el método
TLX. Instituto Nacional de Seguridad e Higiene en el Trabajo, En URL:
http://www.mtas.es/insht/ntp/ntp_544.htm, (2006)
13. Nimmo, I.: Designing control rooms for humans. Control Magazine, (2004)
14. Granollers, T., Lorés, J., Cañas, J.J.: Diseño de sistemas interactivos centrados en el
usuario. Editorial UOC, Colección Informática, nº 43, (2005)
15. Cañas, J.J.: Personas y máquinas. Editorial Pirámide, Colección Psicología (2004)