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El factor humano en el proceso El operador humano es una figura básica en el diseño y funcionamiento de los sistemas de automatización industrial John Pretlove, Charlotte Skourup

Desde la llegada de los procesos de automatización industrial basados en el control informático, a mediados de los años sesenta, los ingenieros han intentado reducir al mínimo las discrepancias entre el modelo cognitivo humano de intenciones y objetivos y la comprensión de la tarea por parte del sistema de control. Un éxito continuado tiene lugar en forma de mejoras de rendimiento y seguridad y de una mayor fiabilidad. Estas mejoras han dado como resultado la eliminación gradual de tareas rutinarias de los operadores, permitiendo así al ”ser humano en el proceso“ ocuparse de tareas más complejas, como la supervisión, el control de anomalías, las tareas de optimización y los servicios de mantenimiento. En resumen, durante los últimos cincuenta años ha evolucionado claramente la división del trabajo entre el ser humano y la máquina, que se ha basado en las capacidades óptimas de cada uno. Mejorar hasta el límite esta colaboración hombre-máquina depende, sin embargo, de los avances de desarrollo tecnológico en tres áreas importantes; las herramientas de ayuda para la toma de decisiones, la ergonomía y las tecnologías de visualización y, finalmente, la facilidad de uso de sistemas complejos. Una óptima síntesis de estos tres campos constituye el entorno avanzado de operador de los modernos sistemas de automatización.

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urante los últimos cincuenta años aproximadamente, el aumento de rendimiento y fiabilidad de los sistemas de automatización industrial han liberado a los operadores de tareas tediosas, repetitivas o peligrosas. En su lugar, los operadores humanos de sistemas muy complejos de automatización industrial, como redes eléctricas, fábricas de pulpa y papel, centrales eléctricas y refinerías, desempeñan hoy día un papel básico en tareas como supervisión, detección de anomalías, mantenimiento y optimización de procesos. A pesar de esta aparente paradoja, es evidente que el operador humano es parte integrante de cualquier circuito de control de automatización en casi todas las aplicaciones industriales de cualquier dimensión. Así pues, entender y maximizar la colaboración entre el sistema de control y el operador humano es esencial. Adoptar un método de diseño sistemático es crucial por razones de seguridad y de óptimo rendimiento del sistema. El ser humano como parte del sistema de automatización

En los albores de la automatización industrial, los diseñadores de sistemas intentaban automatizarlo todo y suprimir por completo al operador humano del proceso, pues lo consideraban el eslabón más débil del control. Este planteamiento se demostró erróneo y se empezó a asignar al hombre aquellas tareas que el diseñador no podía automatizar.

ticos. La tendencia actual se dirige hacia una importante participación humana1), en lugar de suprimir a las personas de la automatización de procesos industriales. Las razones son las siguientes: El grado de control en un proceso es función de la previsibilidad del comportamiento del proceso y del grado de complejidad del mismo. En general resulta imposible modelar una planta completamente o con suficiente precisión, a no ser que se trate de un componente simple. Tampoco es posible considerar la forma en que las influencias externas pueden afectar al sistema de control. Desde el punto de vista técnico, algunos procesos podrían automatizarse por completo pero con unos costes prohibitivos. En cualquier caso, es muy improbable que la opinión pública llegue a aceptar un sistema de alto riesgo sin una persona al frente del mismo. Por ejemplo, los sistemas de automatización de un moderno avión de reacción de pasajeros podrían controlar tanto el despegue como el aterrizaje sin intervención de un piloto, pero casi nadie aceptaría volar sin un piloto responsable a bordo. Éstas son algunas características importantes de procesos, que es necesa-

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rio considerar en el diseño de un sistema con seres humanos en el proceso: Tamaño y complejidad del proceso Velocidad de cambio del proceso Variabilidad del plan de producción Impacto medioambiental del proceso Coste económico de las paradas Problema de la seguridad de personas, equipos y medio ambiente Los seres humanos son en buena medida capaces de tratar las consecuencias de muchos de estos factores. Por ejemplo, tienen capacidad para identificar pautas y sucesos anormales entre un gran conjunto de datos, proyectar procedimientos que se ajusten a una nueva situación, memorizar una gran cantidad de conocimientos durante largos períodos de tiempo, así como razonar y enjuiciar. Para realizar estas tareas eficientemente, el operador humano ha de conocer en todo momento la situación actual. Necesita información “correcta” en el momento “adecuado” para poder entender la situación actual y tomar la decisión “correcta”. Para ello ha de contar con un buen soporte visual. La ciencia del conocimiento ha investigado la forma más eficiente de presentar grandes cantidades de información de modo que se puedan captar los aspectos más destacados en situaciones críticas.

Cabina del A380, por cortesía de Airbus

En la década de 1960 ya se comprendían bien las capacidades de las personas en comparación con las de las máquinas. Los principios básicos fueron descritos por primera vez por Paul Fitts en 1951 [1]. Aunque este modelo ayudó a determinar la asignación de funciones entre hombres y máquinas, no consideraba la integración de las capacidades de ambos, ni la forma de hacer más eficiente al operador humano a través del soporte y la cooperación de sistemas informáNotas 1)

Dividir el trabajo entre grandes, complejos y dinámicos sistemas de automatización industrial y operadores humanos expertos es una cosa. Otra distinta, y más importante, es alcanzar el equilibrio correcto.

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Además es necesario aplicar adecuadamente la ergonomía y el diseño para garantizar la facilidad de uso. Los conejillos de indias en estos campos han sido la cabina de un avión militar y los paneles de instrumentos de los automóviles 1 . Soporte a las decisiones

“Los sistemas de soporte de decisiones son sistemas informáticos o sistemas basados en el conocimiento que ayudan a decidir por las vías más diversas” [2]. Un sistema eficiente de soporte de decisiones en las complejas industrias modernas tiene que considerar tanto el grado de automatización como el comportamiento humano. Muchos de los procesos industriales son perfectamente conocidos y relativamente fáciles de modelar y, por tanto, de automatizar. Por otro lado, la conducta humana es mucho más compleja e imprevisible, y por tanto casi imposible de modelar. La ayuda a la toma de decisiones en sistemas de automatización tan amplios no tiene como finalidad modelar al ser humano (con vistas a sustituirlo), sino añadir valor al operador humano asistiéndole en el proceso de decidir en una situación concreta o sobre un problema grave. No obstante, es esencial que el operador humano siga estando al mando de la situación 2 . El sistema de ayuda a la toma de decisiones no debe intentar definir lo que se debe hacer. Antes bien, debe proporcionar al usuario información suficiente para que este pueda comprender mejor la situación real y prever las consecuencias de sus posibles decisiones. Al fin y al cabo,

el operador humano en el proceso es quien ha de decidir la mejor línea de acción. Una gran instalación con 10.000 o más circuitos de control funcionaría durante horas, en condiciones normales de estado continuo, sin interacción humana ninguna. El problema actual es cómo conseguir la atención del operador cuando súbitamente sucede algo anormal y crucial. De nuevo se puede establecer el paralelismo entre la reacción humana en este caso y la de los pilotos de líneas aéreas. En un vuelo internacional, los pilotos pasan horas sin intervenir. Sin embargo, si ocurre algo inusual, los pilotos entran de inmediato en acción para resolver rápidamente cualquier problema que se haya presentado. Este es uno de los aspectos más esenciales de los sistemas en los que interviene el ser humano en el proceso. Por un lado, el operador supervisa el sistema, pero sin necesidad de intervenir sino unas pocas veces. Por otro lado, si se produce una desviación de lo normal, el operador no sólo deberá conocer perfectamente el estado (actual y reciente) del proceso, sino que tendrá que actuar manualmente para controlar la situación. La investigación ha puesto en evidencia que un área muy importante de ayuda al operador es cómo se concentra y presenta la información para darle una visión general inmediata y completa de la situación. En una planta de procesos, por ejemplo, se trata de informaciones críticas como las siguientes: Las alarmas iniciales (no la secuen-

cia de alarmas consecuentes) deben ser identificables fácil y rápidamente. Los datos de funcionamiento deben reducirse a los datos estadísticos clave para una rápida evaluación, en vez de mostrar grandes tablas de puntos de datos. La situación actual debe compararse con situaciones similares anteriores e incluir cualquier medida tomada anteriormente para resolver la tarea. Antes que nada, se debe prever el resultado o las consecuencias de la decisión del operador para que éste tenga más posibilidades de tomar la decisión “correcta”. La ayuda a la toma de decisiones puede abarcar desde las recomendaciones directas que el sistema proporciona automáticamente hasta las posibilidades buscadas manualmente, expresadas en forma de tendencias, información estadística y priorización de alarmas. Por ejemplo, para ayudar al operador en situaciones complejas de gestión de alarmas, éstas se filtran y codifican en color en el software de soporte de decisiones, para dirigir la atención del operador hacia las alarmas más importantes, ya que la mayoría de ellas a menudo son alarmas complementarias. Otro caso se refiere a la identificación de las causas originales de una situación en que las alarmas se evalúan automáticamente y sólo se presenta la causa real del problema. Cada vez es más común proporcionar un historial de casos similares ocurridos, incluyendo sus soluciones, que el operador utilizará para ampliar su experiencia personal. Ergonomía y visualización de la información

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Una sala de control de los años cincuenta

El término ergonomía procede de la palabra griega “ergon”, que significa trabajo. Cuando se aplica a la automatización de procesos se refiere al entorno operativo en el que trabaja el ser humano. Algunos factores variables de este entorno están el espacio disponible, el colorido, el mobiliario y, por supuesto, la visualización de la información producida por los sistemas. Muchos estudios han ayudado a definir los requisitos mínimos para el buen rendimiento del operador, como son las mesas y sillas ajustables, las pantallas con información dedicada y Revista ABB 1/2007

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de visión general, el uso de colores definidos en visualizaciones y fondos de pantalla, los métodos recomendados en la búsqueda de información y los cambios de parámetros. Estos requisitos se deben definir claramente y su uso ha de ser coherente en todo el sistema. Las complicaciones surgen cuando se usan diferentes sistemas en la misma sala, cada uno de ellos con distintas definiciones ergonómicas. Diversas normas internacionales como ISO 92412) y 110643) y las buenas prácticas industriales contribuyen a armonizar estos sistemas, lo que conduce a una mayor eficiencia global. La visualización de la información se refiere a la forma en que se presenta al operador humano. Una definición concisa la describe como “una rama de los gráficos de ordenador e interfaces de usuario que están relacionados con la presentación de imágenes digitales interactivas o animadas, para que el usuario pueda comprender los datos” [3]. El sistema de control es para el operador una de las fuentes principales de datos de entrada que reflejan el estado del proceso industrial. Por consiguiente, es esencial que la presentación de la información permita al operador conocer y comprender perfectamente la situación actual. Es imposible modelar y prever con exactitud el comportamiento humano y eso hace aún más importante conocer el poder de una presentación correcta.

para la colaboración remota. Tradicionalmente, los puestos de operador de la sala de control utilizan diagramas de tuberías e instrumentación (P&IDs)4) como una vista general del proceso industrial automatizado. Las alarmas se suelen presentar en un sistema aparte. Sin embargo, rediseñar la presentación de la vista general para enfocar y visualizar cambios en el proceso, y combinarla con alarmas, permite a los operadores obtener una imagen inmediata de la relación entre cambios y alarmas. Tal visualización puede incluso evitar que salten las alarmas, ya que el operador observará si el proceso se va acercando al límite fijado para que salte la alarma. La visualización de datos espaciales –como, por ejemplo, un modelo 3D de un proceso industrial– es otra forma de presentar a los operadores una vista general del sistema. Tal visualización representa las localizaciones geográficas del equipo y las interrelaciones especiales entre los componentes del mismo. Además, este modelo de proceso 3D puede integrar información de otros sistemas para proporcionar una sola interfaz completa para

varios procesos industriales o segmentos de proceso. El proceso de diseño: facilidad de uso

“Se entiende que un producto u objeto es fácil de utilizar si el usuario puede operar con él sin necesidad de un trabajoso aprendizaje. Un artículo de este tipo será utilizado intuitivamente por el usuario medio del mercado a que está destinado el producto. El término se usa frecuentemente como objetivo durante el diseño de un producto, pero también con fines de marketing.” [4] El operador humano es la clave del éxito en las aplicaciones de tecnología de automatización para el control de procesos. La colaboración entre el operador humano en el proceso y el avanzado sistema de automatización industrial depende de lo sencillo que sea usar la funcionalidad de las múltiples facetas de los modernos sistemas de control. En algunos casos, bastante más de la mitad de los circuitos de control se manejan manualmente, simplemente porque resulta demasiado

Una planta moderna y compleja de proceso de petróleo y gas

La visualización de la información incorpora una gran variedad de técnicas diferentes, desde el diseño convencional de interfaces gráficas de usuario hasta las interfaces de realidad virtual y modelos 3D/4D. En el campo de la automatización, la visualización de la información cubre todos los aspectos, desde la presentación de datos sin tratar (abstractos) en las pantallas del operador y el diseño de la interfaz de las interacciones hombre-máquina, hasta las salas especiales equipadas

Notas 2)

Requisitos ergonómicos para el trabajo de oficina con terminales de presentación visual. ISO 9241 proporciona los requisitos y recomendaciones sobre las

3)

Diseño ergonómico de los centros de control. Esta norma, que consta de ocho partes, contiene principios, recomendaciones y directrices ergonómicas.

4)

Diagrama esquemático con las relaciones funcionales entre tuberías, equipos e instrumentación en el interior de unidades de proceso en plantas químicas, centrales

características del hardware, el software y el entorno que contribuyen a la facilidad de uso, y los principios ergonómicos en que se basan.

eléctricas, plantas de tratamiento de aguas e instalaciones similares. Véase http://en.wikipedia.org/wiki/Piping_and_instrumentation_diagram – 10/20/2006

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Los sistemas de control actuales incluyen proyecciones en grandes pantallas y zonas individuales de trabajo para los operadores.

cir consecuencias graves para el proceso industrial y para las personas presentes en el lugar. Resumen

complejo ajustar los reguladores para obtener el rendimiento óptimo. Por tanto, es esencial enfocar hacia el usuario cada uno de los aspectos de las capacidades del sistema de control y diseñar y desarrollar todo el sistema en función del operador humano 3 . Los principios básicos de diseño son los siguientes [5]: Organizar la tecnología en función de los objetivos, tareas y capacidades del usuario. Organizar la tecnología en función del procesamiento de información y de la toma de decisiones por parte del usuario. Mantener al usuario al mando, informado en todo momento del estado del sistema por medio de la tecnología. Simplificar los pasos necesarios para realizar una acción es fundamental si se han de aprovechar eficazmente las capacidades del sistema de control. La facilidad de uso de un sistema complejo de automatización empieza con

un profundo conocimiento de cómo interviene el operador humano en el proceso. En todo momento, los diseñadores han de conocer sistemáticamente las actividades del usuario, independientemente de que éste sea supervisor, operador o técnico de mantenimiento. El conocimiento del comportamiento humano ayuda a perfilar la arquitectura básica del sistema de automatización de acuerdo con los objetivos, tareas y expectativas de los usuarios. Cuando se produce un suceso imprevisto y desconocido en la planta, el operador busca activamente información para obtener una imagen del estado del proceso. El operador depende por completo de la información a la que accede desde el sistema de control y ha de confiar en ella. Así pues, es esencial que el diseño de todo el sistema de automatización impida por completo cualquier mala interpretación de los datos, que pudiera dar lugar a acciones erróneas y produ-

Es un error muy extendido considerar la automatización como algo totalmente manual o totalmente automático. La situación raras veces es tan simple o tan definida. La realidad es que para casi todos los sistemas de automatización industrial se adopta una secuencia continua de control que oscila entre lo completamente manual hasta lo completamente automático. Puede haber también distintos modos de operación, automatizables en distinta medida. Los operadores humanos desempeñan un papel central en los modernos sistemas de automatización industrial y en el futuro este papel será más importante que nunca. El operador humano representa también el elemento más vulnerable del sistema y el que más fácilmente se pasa por alto. Conocer y optimizar el funcionamiento global de los sistemas de control de los procesos industriales depende de un planteamiento sistemático y holístico, que se ocupe tanto del rápido desarrollo de la tecnología como del papel esencial del operador humano.

John Pretlove Charlotte Skourup ABB Strategic R&D Group for Oil & Gas Oslo, Noruega [email protected] [email protected]

Bibliografía [1] P. Fitts, “Human Engineering for an Effective Air Navigation and Traffic Control System.” National Academy of Sciences, Washington D.C. 1951. [2] http://en.wikipedia.org/wiki/Decision_support_systems, retrieved 20th October 2006. [3] http://en.wikipedia.org/wiki/Information_visualization, retrieved 20th October 2006. [4] http://en.wikipedia.org/wiki/Ease_of_use, retrieved 20th October 2006. [5] M. R. Endsley, B. Bolté, D. G. Jones, Designing for situation awareness – An approach to user-centered design. Taylor & Francis, London, 2003. Para seguir leyendo L. Bainbridge, Ironies of Automation. Automatica 19 (1983) 6, 775–779. T. B. Sheridan, Telerobotics, Automation, and Human Supervisory Control. The MIT Press, Massachusetts, 1992.

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