Исследование алгоритмов управления технологическим процессом с применением методов ситуационного восприятия в интерфейсе АРМ оператора

За последние несколько десятилетий автоматизированные системы
управления технологическими процессами существенно изменились. Эти
изменения обусловлены потребностью в оптимизации использования ресурсов и
технических средств, управления процессом и обслуживания этих систем.
В течение ближайших десятилетий подобные изменения будут
продолжаться под давлением рынка в сочетании с технологическим прогрессом.
Количество единиц оборудования в современных АСУ ТП продолжает
увеличиваться по мере снижения стоимости подключаемых устройств. АСУ ТП
способны контролировать все больше оборудования, при этом растут
надежность и пропускная способность сетей. Но в то время как развитие
технологий позволяет подключать к системам все больше и больше единиц
оборудования, их пользовательские интерфейсы отстают в развитии и не
справляются с таким ростом.
Например, в прошлом один датчик мог генерировать только одно
значение, которое и поступало в систему мониторинга. Но современные датчики
также передают данные диагностики и встроенного контроля, а также множество
параметров отладки. Зачастую пользовательские интерфейсы, на которые
поступают эти данные, не способны отображать их оптимально для оператора, и
лишь еще больше повышают нагрузку на его восприятие. При этом численность
обслуживающего персонала современных АСУ ТП ниже, что также приводит к
увеличению зон ответственности операторов и объему обрабатываемых им
данных.
Ошибки операторов в промышленных системах вызывают до 42%
аварийных ситуаций1, имеющих непосредственное отношение к экономическим
потерям и угрозам безопасности.
Некачественное управление ТП становится причиной почти половины
всех аварий в перерабатывающих отраслях промышленности, потери от которых
оцениваются в 2 млрд. долл. в год только в нефтепереработке и нефтехимии. По
этой причине неслучайно стремление обеспечить снижение аварийности,
повысить надежность и качество управления всеми доступными методами – от
технических средств автоматизации до учета человеческого фактора (обучение
операторов, эргономика рабочих мест, пр.).
Для снижения вероятности человеческих ошибок все больше процессов
переводится на автоматические режимы управления. Это несколько облегчает
труд операторов, но имеет и нежелательные побочные эффекты – это ведет к
чрезмерной зависимости операторов от системы. Оператор начинает
действовать лишь в ответ на события с ее стороны, например, на сообщения о
нарушении работы процесса. Нередко приходится слышать о том, что функции
операторского персонала сводятся лишь к устранению неполадок или
реагированию на аварийные сигналы. В такой среде операторы действуют лишь
реактивно, т.е., неспособны предотвращать проблемы, а могут лишь реагировать
на них.
Продолжающееся развитие производственных систем на фоне
практической неизменности принципов дизайна пользовательских интерфейсов
заставляет тратить все больше времени на подбор и обучение нового персонала.
Часто на приобретение необходимых навыков операторы затрачивают не менее
двух лет, поскольку им необходимо стать настоящими экспертами, способными
компенсировать недостатки самих систем. Однако ситуация на рынке приводит
к сокращению средней продолжительности работы сотрудников на одном месте.
Средняя продолжительность работы на одном месте составляет лишь около 2
лет. Это означает, что оператор редко успевает достичь максимального уровня
профессионализма. Еще одной проблемой почти во всех сегментах рынка
является выход на пенсию наиболее квалифицированных сотрудников и
необходимость их скорейшей замены.
Целью данной магистерской работы является исследование результатов
применения ситуационного восприятия в интерфейсе АРМ оператора на
повышение качества управления технологическим процессом.
Для достижения цели необходимо решить следующие основные задачи:
1) Разработать имитационный тренажер технологического процесса:
­ определить математическую модель, отражающую физические
процессы, и имитирующую сигналы с устройств КИПиА;
­ разработать имитационную модель технологического процесса с
применением оборудования лабораторного стенда, которая включает в себя ПО
среднего и верхнего уровней АСУ ТП;
­ разработать несколько видов верхнего уровня (экранных форм)
имитационной модели;
2) Разработать методику проведения исследования;
3) Получить данные о взаимодействии с тренажером (с каждым из видов
интерфейсов) нескольких операторов;
4) Исследовать и проанализировать полученные данные.
Разрабатываемый тренажер применятся в качестве инструмета для
исследования взаимодействия операторов со стандартным интерфейсом и
интерфейсом построенным с применением ситуационного восприятия.
1 Проблематика
Безусловно, не следует отрицать множество удачных решений, уже давно
применяемых в ЧМИ. Однако нужно понимать, что далеко не все они
эффективно работают в современных условиях, так как имеется ряд проблем,
которые необходимо учитывать при разработке интерфейса АРМ оператора:
­ Проблема распределения функций между человеком и автоматикой;
­ Проблема поддержки когнитивной деятельности;
­ Проблема больших объемов данных;
­ Проблема вторичной деятельности и навигации,
­ проблема коммуникации и создания единой информационной модели,
­ проблема управления вниманием.
Можно выделить следующие особенности ТП как предмета деятельности
операторов:
­ сложная динамика в присутствии значительной инерционности: это
означает, что процесс легко «срывается» в случае непредвиденных возмущений
(или ошибок оператора), а восстановление рабочего состояния требует много
времени и усилий;
­ психологическая сторона вышеприведенной особенности – рутинность
работы в сочетании со стремительным развитием нештатных ситуаций. Иногда
говорят, что операторская работа состоит из «55 минут ничегонеделания,
сменяющегося пятью минутами настоящего ада». Поддержание боеготовности
на рутинных участках – ключевая проблема подготовки операторов;
­ огромная размерность и существенная связность процесса (многие
сотни взаимосвязанных управляющих входов, контролируемых выходов,
наблюдаемых и ненаблюдаемых возмущений). Выработка и совершенствование
концептуальной понятийной модели процесса – актуальная инженерно-
психологическая задача;
­ слишком высокая скорость развития ситуаций, чтобы полностью
просчитать последствия вмешательств;
­ зашумленность наблюдений, «невоспроизводимость» статических и
динамических состояний. Это не позволяет использовать технологические
эксперименты на объекте в задаче обучения операторов. Ничего повторить в
точности на реальном объекте невозможно; ИМ остается практически
единственным инструментом воспроизведения поведения процесса в
реалистических условиях;
­ разнообразие этапов операторской деятельности и разнородность
психических процессов, обеспечивающих эти этапы.
2 Анализ литературы
Согласно модели, предложенной в работе [1], деятельность оператора по
управлению сложными ТП представляет собой многостадийный процесс,
включающий обнаружение отклонений от нормального режима,
диагностирование причин этих отклонений, планирование и реализацию
компенсирующих действий. Цикл повторяется по мере появления новой
информации о развитии ситуации.
Можно выделить три основных направления усилий исследователей и
разработчиков, связанные с поддержкой операторской деятельности:
исследование ее специфики, определяющей риски управления ТП человеком;
проверка систем управления без ущерба для производства; создание среды
управления, обеспечивающей эффективную и безопасную работу оператора;
обучение персонала управлению в нештатных и аварийных ситуациях.
Считалось, что человек не очень надежен, зато может действовать в
трудноформализуемых ситуациях, в то время как автоматика – наоборот. Это
положение легло в основу принципа распределения функций,
сформулированного Полом Фиттсом в 1950-х гг. На основе данного принципа в
1960–70-х гг разными авторами были созданы таблицы [2], [3], описывающие
достоинства человека и автоматики.
Указанные задачи все чаще решаются на базе высокоточных
имитационных моделей ТП и высокоточного эмулирования операторской среды.
Так, мировой рынок компьютерных тренажеров для промышленности
углеводородов оценивается в 500 млн. долл. в год. Существенным компонентом
решения этих задач являются психологические и психолого-педагогические
исследования (включая экспериментальные с имитацией работы ТП). Обзор
применения тренажеров в нефтегазовой отрасли представлен в [4].
Также имитационные тренажеры технологических процессов применятся
в качестве инструментов исследования интерфейсов АРМ. Описание подобных
исследований представлены в [1], [6] и [7]. Авторы данных работ исследуют
экологичные интерфейсы АРМ, а также приводят методики проведения
подобных исследований и анализ полученных результатов. Однако в данных
работах не рассматриваются вопросы разработки и реализации тренажера.
Концепция ситуационного восприятия рассматривается в работах [9], [10].
Авторы приводят конкретные формы видеокадров мнемосхем, выполненные с
учетом подходов ситуационного восприятия, но не приводят данные
исследования, а также не приводят реализацию среднего уровня АСУТП.
В данной ВКР рассматриваются вопросы разработки имитационный
тренажера реальных технологических процессов ЦПС одного из Российских
месторождений и приводится описание реализованного тренажера. Для