监控系统用户界面设计与认知特征

监控系统用户界面设计与认知特征

谢振文

(湖南省东江水力发电厂湖南资兴423403)

摘要：集中监控越来越普遍，但电力系统的监控系统用户界面设计还没有完整和统一的标准。本文将认知心理学运用于监盘过程中，发现知觉阈值、知觉容量、选择注意、错觉和感觉适应五种认知特征对监盘人员的影响非常巨大。而我们在监控系统用户界面设计中，一般考虑的是各种规范和标准，没有将监盘人员这个关键因素考虑在内，用户界面缺乏人性。或简单地让运维人员参与设计，因为每个人要求各不相同，最后用户界面变成了大杂烩。我认为监控界面设计既要考虑设计规范，也要考虑监盘人员，只有在两者之间取得平衡才能设计出有效传递信息的用户界面。

关键字：集中监控，监控系统，知觉阈值，知觉容量，选择注意，错觉，感觉适应。

在集控中心，监盘人员通过监控系统实现对现场设备的监视和控制，实现了现场的少人、或无人值班，减少了人力成本和提高了工作效率。但监盘人员与监控系统之间存在隔阂，监控系统瞬间能传递大量信息，但人类同一时间只能处理一组信息，并且容易被干扰。当然人类的主观能动性可以弥补之间的差距，监盘人员注意部分重要的信息，运用已知的知识和能力，掌握设备状态和变化，从而实现有效监盘。

1、监盘过程分析

上图是监盘过程中监盘人员的心理示意图。监控系统时刻向外传递大量信息，以及集控中心的各种环境信息刺激监盘人员的感官，部分信息的能量大于知觉阈值，才能被他们感知。连续重复的信息会发生感觉适应，适应后信息被屏蔽。感觉器官将这些信息传递到大脑，因其加工容量的限制，只有有限的信息才能进入大脑。大脑会进行信息关联和匹配，获得其直接的意义，这个过程中可能会产生错觉。匹配后的信息符合心理期望，才能被大脑注意。这之前都是感觉器官和大脑的无意识加工阶段，我们无法感觉到，只有被注意的信息才能进入有意识处理阶段，这时候我们才知道自己在干什么。有意识阶段的处理结论决定于主观能动性，即个人的知识和能力。而无意识阶段，大脑的认知特征决定了我们注意什么内容。本文主要研究无意识阶段的认知特征对监控系统传递信息的形式的要求。[1]

监控系统传递的信息符合监盘人员的认知特征，才能被其注意。否则，监控传递再多信息，监盘人员也无动于衷。那个这个责任在监控系统，还是监盘人员？前面提到，有意识过程可以避免认知特征的部分影响，大脑保持持续的注意力可以防止信息的遗漏。我们常常说监盘人员注意力不集中，导致监控系统的重要信息被遗漏。这都是假设注意力是可以长时间保持的，但心理学研究表明成人的注意力最多可以保持30分钟左右，随后注意力越来越差，需要足够的时间休息才能恢复。所以在监盘过程中，保持长时间的注意力是不现实的。那么就要求监控系统传递信息的形式符合认知特征，监控信息可以唤醒监盘人员的注意，监盘人员才能有效地监盘。若监盘人员从事监盘无关的事情，将注意力放在其他方面，而没有注意到监控信息，这才是监盘人员的责任。也就是说，监控系统传递信息的形式必须符合认知特征，同时监盘人员保持警惕，随时注意监控信息，才能有效地监盘。

2、认知特征对监控系统传递信息的形式的要求

一般人的认知特征包括知觉阈值、知觉容量、选择注意、错觉和感觉适应，这些特征对监控系统传递信息的形式提出了不同的要求。若监控系统符合这些特征，监盘人员可以更加容易接受监控信息，并且能将更多精力投入到信息后期处理中。

2.1、知觉阈值——监控信息要有提醒作用

监控系统传递信息的形式包括界面信息和报警信息两种，界面信息传递设备的状态和参数等静态信息，报警信息传递设备的告知和告警等动态信息。它们传递监控信息的不同内容（部分信息重复），以不同的形式完成信息传递。界面信息提醒效果低，但形象和直观，能同时传递一组信息；报警信息提醒效果好，但独立和抽象，需要监盘人员有意识地处理才能知道其结果。

这两种监控信息要符合知觉阈值才能有效地传递到监盘人员大脑中。感觉器官能获得的最小外界刺激能量，即为感觉阈值。也就是说，监控信息刺激感官的能力足够大，才能被知觉感知。信息的能量超过知觉阈值越大其提醒效果越好，越能唤醒沉睡的感官。参考相关规范，总结出知觉阈值对的要求如下：

A、界面信息在监控系统中数据和图例有明显的颜色变化；

B、报警信息在颜色上有明显的不同，或灯光闪烁；重要的报警信息能自动跳转到该界面，或有语音提示等。[2][3]

C、监控信息之间、监控信息与背景之间要有足够的区分度。

在《变电站监控系统图形界面规范》中对监控信息的设计有较明确的要求，但在设计过程中容易出现监控信息之间（以及与背景）的区分度不足的现象。虽然红色提醒效果好，但若整个画面全是或大部分红色，那么监盘人员依然难以注意其中的监控信息。监控信息的知觉阈值与其背景是相关联的，区分度越小，阈值越大。区分度太小，监盘人员难以获得有效的提醒。

2.2、知觉容量——限制监控信息的数量

关于知觉的研究表明，大脑接收感觉器官的容量是有限的。如果监控系统一次传递太多信息，监盘人员容易遗漏重要信息，或者把注意力放在收集信息过程而忽略后续处理。若忽略设备故障信息，监盘人员无法及时处理故障，导致设备损坏等严重后果。若监盘人员只收集信息，会增加其他工作人员负担，并养成偷懒和不思考的坏习惯。因此监控系统传递信息的数量应该控制在知觉容量的范围内。

监控界面信息一般通过巡屏来获得，及监盘人员有意识地查询界面信息。虽然查询信息是一个有意识过程，但若一个画面包含太多信息会增加查询的难度，也容易遗漏信息。

报警信息主要是起提醒作用，唤醒保持警惕的监盘人员的注意力。那么一段时间内报警信息的数量更应该严格限制。国际标准EEMUA191-2007中对制造业报警规定如下：平均每天报警值144个，平均长期报警值9个，每10分钟最大报警值10个，每个10分钟平均报警值1个[4]。我没有找到电力系统关于报警信息数量的规定，但可以肯定其数量是有限的。

2.3、选择注意——监控信息的分级

大脑的选择性比较复杂，最基本的选择标准是信息的刺激能量的大小，以及主体对信息的预期或意义的大小等。一般说来，引起和保持注意的因素主要是外界的刺激能量和心理的优先级，它们共同影响注意力。例如：我们在看一部扣人心弦的电影，如果外面出现巨大的爆炸声，我们马上就会被吸引，此时爆炸的刺激能量大于我们对电影的预期。我们在火车站等嘈杂的环境下，很容易听到自己熟悉人的声音，而屏蔽其他无关人的说话声，这是因为熟悉人的声音的优先级远远大于其他人的声音。

在监盘过程中选择注意表现在两个方面，一是监控系统传递信息的提醒效果，二是监控信息的内容的在监盘人员大脑中的优先级。只有提醒效果与信息的优先级相匹配，让外界和心理的选择保持统一，大脑才不会出现前面讨论的冲突的情况，监控信息才能有效地传递给及监盘人员。

界面信息主要用于有意识过程中，而报警信息用于提醒监盘人员，引起其注意。H9000系列计算机监控系统的报警信息有报警一览表、光字牌和语音报警三种，它们的提醒效果依次增强。不同报警形式之间的提醒效果应层次分明、有足够的区分度，监盘人员才能将其更好与心理的优先级相匹配。

监控告警是监控信息在调度控制系统、变电站监控系统对设备监控信息处理后在告警窗口出现的告警条文，是监控运行的主要关注对象，按对电网和设备影响的轻重缓急程度分为：事故、异常、越限、变位和告知五级[5]。我觉得这种分级方式仍存在问题，事故、异常和告知是从报警的严重性来划分的，越限和变位是报警内容的类型，其严重性难以确定。报警信息的优先级确定需要人为地划分，应该根据报警信息的严重性和故障处理的紧迫性来确定。首先应根据报警内容的严重性划分报警信息的风险级，然后根据报警信息处理的紧迫性来划分报警处理时间的阶段，综合考虑两者来决定报警信息的优先级，具体方法见下表。

如表所示，报警的严重性划分为大、中、小三种风险，报警的紧迫性划分为：立即、迅速和尽快三个时间段，从而得出报警的优先级为：紧急、高、中和低四个级别。当然不同电站可以根据自己的情况适当修改，但报警优先级的划分的框架应保持不变。

2.4、错觉——监控信息的区分度

前文已经几次提到区分度，区分度除了上述影响外，当信息的区分度太低时也会引起错觉。或者说监控信息模糊不清和相似程度高，就越容易产生错觉。任何监控信息应通过字体、颜色、图例及声音等区分，每一种类型的监控信息都应有唯一的颜色或界面，不同级别的异常信息的提示（报警信息）设置唯一的报警界面或声音。其中报警信息未被确认前，报警信息的提示应一直存在，直到被确认才消失[6]。

监控界面和报警信息设计时，除了要遵守相关规定，还要考虑其整体效果。如果监控信息之间容易产生错觉，就应该考虑重新布局，而不是生搬硬套规定。监控信息的内容应该明确定义，并保持其唯一性。对字体形状和发音存在相似的监控信息，应进行区分、或者进行调整，使它们之间有足够的区分度。对于一些已复归的信息，其未被确认前应一直保持。监控系统存在同一时间出现几个报警信息的情况，监盘人员无法同时处理。这些报警信息只有保持下来，监盘人员才能在处理完优先级高的报警后，处理优先级较低的报警信息。

2.5、感觉适应——监控信息的管理

集中监控的信息量是非常巨大的，想一次就设计出完美的监控系统用户界面是不可能的，监控系统投运以后还需要不断发现问题和完善用户界面。感觉适应在监盘过程中的影响非常大，当一个报警信息长期存在而未被处理时，再次出现该报警后监盘人员可能无动于衷。感觉适应是监盘过程中遗漏报警信息的罪魁祸首，但我们常常将该责任推给监盘人员。认为监盘人员没有注意到该报警信息，实际上监盘人员把该信息当成正常报警信息。感觉适应包括长时间适应和高刺激能量适应两种，长时间适应是知觉会忽略长期重复出现的信息，高刺激能量适应是知觉会提高该信息的知觉阈值。

监控信息一个常见的难题就是报警信息的跳变（相同报警信息重复出现），而这个设备异常难以处理、或正常的现象（如开关做实验时的开关动作报警等），针对这些报警信息应该制定相应的措施处理或屏蔽。如设备处理检修期或试验时，应暂时将其屏蔽，并做好记录，当设备转备用是在开放相关报警。这样可以避免长时间适应，也可以避免这些报警信息干扰重要的报警信息。另外，对长期无法处理的报警应限制其数量（参考国际标准），或者缩短设备缺陷处理时间。

高刺激能量适应是选择注意标准的提高，或者说优先级的退化。例如：一些水电站将大部分报警信息都设置为高提醒作用的语音报警，他们认为这样能更好地引起监盘人员的注意。开始时确实是这样，监盘人员面对语音报警都很重视，积极采取行动。当他们发现部分报警不重要后，开始放松警惕。连续出现一段时间优先级低的报警后，监盘人员已经将语音报警匹配为优先级低的报警，再次出现优先级高的报警时，监盘人员还以为是一般报警，错过事故处理的最佳时机。只有严格限制各个优先级的报警的数量，并且优先级越高的报警信息数量越少。国际标准EEMUA191-2007中制造业对报警优先级规定如下：低、高、紧急报警的分布是80%、15%、5%。[4]

3、总结

前四个认知特征是针对监控系统用户界面设计，要求监控信息有提醒作用、信息量不应太多、监控信息应分级和信息之间要有区分度等。而感觉适应对用户界面设计要求报警信息按照优先级分布应合理，同时对监控投运后进行不断完善管理的要求。考虑认知特征的目的是让监控系统用户界面的设计更加人性化，并提高其传递信息的有效性。

参考文献:

1．[美]罗伯特•L﹒索尔所等著﹒邵志芳等译《认知心理学（第7版）》上海人民出版社2008。

2．葛晓强李荣李欣《DCS报警系统存在问题分析及整改措施》新疆克拉玛依石化公司。

3．变电站监控系统图形界面规范，国家电网公司，2014。

4．EEMUAAlarmsystems,aguidetodesign,managementandprocurement,Publication191。

5、变电站设备监控信息规范，国家电网公司，2015。

6、报警管理原则，神华宁夏煤炭集团有限公司，2012。

作者简介：谢振文，男，（1983-）热能与动力工程本科、工程师；从事水电站运行值班；908279595@qq.com.