簡述人機界面和數(shù)據(jù)可視化UI的設(shè)計

由于工業(yè)數(shù)據(jù)量呈指數(shù)級增長，人機界面正在提供改進的數(shù)據(jù)可視化和敘事工具，以更好的支持智能自動化和戰(zhàn)略決策的制定。

在很多行業(yè)，都可以聽到這么一句話：“數(shù)據(jù)就是金錢”。據(jù)世界經(jīng)濟論壇稱，到2025年，全球每天產(chǎn)生的數(shù)據(jù)量預(yù)計將達到483艾字節(jié)。

在我們的日常生活中，通過搜索引擎搜索信息或訪問智能手機時，都會產(chǎn)生數(shù)據(jù)。據(jù)Global Market Insights估計，到2026年，在工業(yè)自動化領(lǐng)域，工業(yè)傳感器的出貨量將超過30億個。工業(yè)傳感器的日益普及，以及先進的控制器和數(shù)據(jù)采集平臺，正在以驚人的速度實現(xiàn)實時數(shù)據(jù)收集，數(shù)據(jù)量呈現(xiàn)指數(shù)級的增長。

然而，單單收集數(shù)據(jù)是不夠的，還需要通過情境將其可視化為有用信息，以便快速輕松地進行解釋。有價值的信息可以讓用戶形成概念、發(fā)現(xiàn)模式和異常，并得出結(jié)論。如今，隨著從傳感器、控制器、IIoT設(shè)備和其它系統(tǒng)接收到的數(shù)據(jù)越來越多，先進的數(shù)據(jù)可視化變得至關(guān)重要。

相較于文本或其它類型的數(shù)據(jù)，人類大腦更擅長處理視覺數(shù)據(jù)，并且人類大腦也更擅長記住故事和視覺效果，而不是基于文本的信息，因此以這種格式提供的信息至關(guān)重要。

不斷優(yōu)化的界面設(shè)計

一些用戶界面(UI)和數(shù)據(jù)可視化設(shè)計趨勢，開始影響工業(yè)自動化，包括使用真實圖片、美學(xué)極簡主義和復(fù)雜的排版等概念。本地人機界面(HMI)、監(jiān)控和數(shù)據(jù)采集(SCADA)系統(tǒng)以及整體設(shè)備效率(OEE)顯示，這一切都需要有效的UI，并呈現(xiàn)高級分析和預(yù)測性維護的結(jié)果。這些UI需要吸引運行人員的注意力，因此需要直觀并允許快速解釋的數(shù)據(jù)，以便采取行動。

微軟的一項研究表明，在2000年，人類的平均注意力持續(xù)時間為12秒，而到2013年，這一時間下降到8秒。因此，設(shè)計人員在創(chuàng)建數(shù)據(jù)可視化時，必須結(jié)合預(yù)先注意的屬性，以便運行人員無需過度專注于屏幕信息。

前注意（Pre-attentive）屬性是指我們的大腦以毫秒為單位處理的屬性，例如顏色、形式、空間定位和運動。

**顏色。**顏色可以增強或分散數(shù)據(jù)可視化信息的注意力。HMI設(shè)計標準ISA-101建議謹慎使用顏色，主要用于表示異?；虍惓顟B(tài)。情境意識方法（在設(shè)計屏幕和儀表盤時讓用戶意識到情境）也提倡謹慎使用顏色和形狀，以確保運行人員將注意力放在可操作的數(shù)據(jù)上。

在使用顏色進行數(shù)據(jù)可視化時，專家們還主張在了解所選調(diào)色板的文化含義的情況下，保持一致、有效地使用顏色。顏色的含義，會隨著文化的不同或顏色偏見而有所不同。例如，在西方文化中，紅色常被用來表示警告或危險，而在中國，紅色則代表好運和成功。因此，在設(shè)計數(shù)據(jù)可視化屏幕時，需要結(jié)合所傳達信息的情境來考慮顏色的影響。應(yīng)該有目的地使用顏色，來引起對部分數(shù)據(jù)的注意或用于突出顯示，或者區(qū)分不同的數(shù)據(jù)點。

亮度與顏色有關(guān)，而深色數(shù)據(jù)儀表板（尤其是帶有柔和色或霓虹色調(diào)色板的深色背景）越來越受歡迎，其靈感來自《星球大戰(zhàn)》等未來派電影和Apple等主要品牌。深色數(shù)據(jù)儀表板可以延長顯示設(shè)備的電池壽命，減少眼睛疲勞，并根據(jù)當前光線條件自動調(diào)整亮度，便于在黑暗環(huán)境中使用，更符合視覺人體工程學(xué)。由于這些和其他優(yōu)勢，現(xiàn)在深色數(shù)據(jù)儀表盤比淺色主題的儀表盤使用得更多（見圖1）。

**▎**圖1：深色HMI儀表板比淺色更流行，但應(yīng)始終有目的地使用顏色，并考慮最終用戶的期望。

形式。 形式適用于區(qū)分屏幕數(shù)據(jù)的屬性。例如，動態(tài)增加對象、突出程度或屏幕區(qū)域的大小，以表明其重要性，并迅速引起操作人員的注意力。

**空間定位。**空間定位是用來表示數(shù)據(jù)的空間，它可能包括二維和三維表達的應(yīng)用。大多數(shù)數(shù)據(jù)可視化是在二維空間中描繪的。但是，地理信息系統(tǒng)和三維表達對于地理上分散的資產(chǎn)是有效的。隨著智能設(shè)備和傳感器的部署無處不在，空間定位對于實現(xiàn)數(shù)據(jù)可視化運營效率變得越來越重要。

**動畫。**動態(tài)畫面一直是吸引操作人員注意力的常用方式。但是，必須謹慎使用以避免惱人或分散注意力的移動、閃爍和彈出窗口。想想那些網(wǎng)絡(luò)廣告商是如何試圖用動態(tài)顯示來吸引我們的注意力的，以及這些廣告有多令人討厭并促使用戶使用廣告攔截軟件。

正確實施后，用戶界面可以受益于數(shù)據(jù)儀表板上的動畫按鈕，作為一種強大的技術(shù)，它可以在需要采取行動時，向操作人員發(fā)出指示。這對于空間受限的移動設(shè)備尤其重要。

數(shù)據(jù)可視化的趨勢

使用主動、持續(xù)的智能來自動處理實時和歷史數(shù)據(jù)，也可以允許運行人員處理增加的數(shù)據(jù)量，從而發(fā)揮作用。通過檢測異常并產(chǎn)生有效的UI指示、報警和事件，數(shù)據(jù)可視化成為提醒運行人員潛在問題的有效方式。以下是一些數(shù)據(jù)可視化的最新趨勢。

**智能設(shè)備。**智能設(shè)備無處不在，無時無刻不在收集數(shù)據(jù)，這導(dǎo)致了數(shù)據(jù)激增。然而，數(shù)據(jù)的價值會隨著時間的久遠而減少，所以數(shù)據(jù)可視化必須發(fā)生在更接近數(shù)據(jù)來源的地方，同時提供企業(yè)層級的可視化。此外，跨分布式數(shù)據(jù)集的連接使企業(yè)能夠在這些不同的設(shè)備之間識別有價值的連接、關(guān)系和洞察力。

根據(jù)IDC的數(shù)據(jù)，預(yù)計到2024年，70%的企業(yè)將其邊緣生成的數(shù)據(jù)與基于云的企業(yè)系統(tǒng)集成，以實現(xiàn)基于物聯(lián)網(wǎng)分析的實時行動。結(jié)合智能設(shè)備以提供實時數(shù)據(jù)分析，以及更接近數(shù)據(jù)生成位置的可視化，同時將這些數(shù)據(jù)集整合到企業(yè)架構(gòu)中，為決策者提供他們需要的信息，在他們需要的地方和時間。

移動設(shè)備已成為我們生活中不可或缺的一部分，同樣也將在企業(yè)數(shù)字化中發(fā)揮不可或缺的數(shù)據(jù)可視化作用。移動設(shè)備的界面圖形空間有限，要求這些設(shè)備上的數(shù)據(jù)可視化必須清晰、簡單、緊湊和簡潔。隨著注意力的降低，移動設(shè)備上的數(shù)據(jù)可視化必須在簡化交互功能的同時提供感知。

**數(shù)據(jù)敘事。**傳統(tǒng)HMI/SCADA和儀表板的數(shù)據(jù)可視化，可以向運行人員顯示正在發(fā)生的事情，但不顯示原因。數(shù)據(jù)敘事（data storytelling），是一種通過引人入勝的敘述來傳達原因的方法。數(shù)據(jù)敘事將信息置于情境之中，減少了錯誤解釋的可能性（見圖2）。

**▎**圖2：采用有效的數(shù)據(jù)可視化敘事，不僅可以傳遞前后的比較，還可以解釋正在發(fā)生的事情和原因。

據(jù)Gartner預(yù)測，到2025年，數(shù)據(jù)敘事將成為用戶使用分析數(shù)據(jù)的主要方式。數(shù)據(jù)敘事利用為運營商量身定制的數(shù)據(jù)、敘事和視覺效果，來有效傳達可操作的見解。換句話說，數(shù)據(jù)可視化以圖形方式表示數(shù)據(jù)，而數(shù)據(jù)敘事則給出數(shù)據(jù)背后的意義。這提供了一個以簡單、簡潔的方式，能夠整合大量復(fù)雜數(shù)據(jù)的敘述，解釋數(shù)據(jù)背后的方式和原因。

實時可視化。 對于工業(yè)自動化應(yīng)用來說，實時可視化數(shù)據(jù)并不是什么新鮮事。然而，鑒于數(shù)據(jù)收集速度的加快，所涉及的智能設(shè)備和傳感器的部署數(shù)量也在不斷增加，需求不斷擴大。實時可視化必須收集、匯總、關(guān)聯(lián)并提供分析，以加速決策過程。為了幫助用戶了解正在發(fā)生的事情，實時分析變得至關(guān)重要。由于設(shè)備變得越來越智能，通信的數(shù)據(jù)將包含更多信息（參見圖3）。

**▎**圖3：現(xiàn)代HMI將繼續(xù)顯示數(shù)據(jù)，但必須能夠收集、聚合、關(guān)聯(lián)和分析許多來源，以創(chuàng)建情境數(shù)據(jù)并加速用戶決策。

實現(xiàn)有效的數(shù)據(jù)通信

據(jù)《福布斯》報道，2021年預(yù)計有350億臺智能設(shè)備上線，到2025年將增長到750億臺。隨著數(shù)據(jù)量的增加，注意力時間的縮短，數(shù)據(jù)可視化變得越來越重要。隨著數(shù)據(jù)可視化變得更直觀以及數(shù)據(jù)敘事原則的應(yīng)用，數(shù)據(jù)有效性將會提高。

隨著認知框架的出現(xiàn)，數(shù)據(jù)可視化達到了新的高度。認知框架來自于心理學(xué)理論，定義人類如何處理數(shù)據(jù)元素。HMI、SCADA、OEE、高級分析和預(yù)測性維護的儀表板也必須與時俱進，以實現(xiàn)大量數(shù)據(jù)的可視化，同時提供最佳的視覺通信技術(shù)。有效的數(shù)據(jù)可視化是直觀的，能提供簡單的視覺識別，并能夠快速理解所呈現(xiàn)的數(shù)據(jù)。

在工業(yè)儀表板中，數(shù)據(jù)敘事的應(yīng)用將會更普遍，主要用于交流實時數(shù)據(jù)和分析。用于數(shù)據(jù)可視化的機器學(xué)習(xí)技術(shù)，將繼續(xù)進入傳統(tǒng)工業(yè)市場，以優(yōu)化可執(zhí)行的決策。

數(shù)據(jù)為智能自動化和戰(zhàn)略決策提供動力。當簡化了大量數(shù)據(jù)，并以吸引用戶的方式傳達情境信息時，數(shù)據(jù)可視化就有一種美感。合適的數(shù)據(jù)可視化軟件與智能硬件相結(jié)合將帶來諸多好處，有助于改善整個企業(yè)的運營效率。

“如今，從傳感器、控制器、IIoT設(shè)備和其它系統(tǒng)接收到的數(shù)據(jù)越來越多，有效的數(shù)據(jù)可視化變得越來越重要。”