简述人机界面和数据可视化UI的设计

由于工业数据量呈指数级增长，人机界面正在提供改进的数据可视化和叙事工具，以更好的支持智能自动化和战略决策的制定。

在很多行业，都可以听到这么一句话：“数据就是金钱”。据世界经济论坛称，到2025年，全球每天产生的数据量预计将达到483艾字节。

在我们的日常生活中，通过搜索引擎搜索信息或访问智能手机时，都会产生数据。据Global Market Insights估计，到2026年，在工业自动化领域，工业传感器的出货量将超过30亿个。工业传感器的日益普及，以及先进的控制器和数据采集平台，正在以惊人的速度实现实时数据收集，数据量呈现指数级的增长。

然而，单单收集数据是不够的，还需要通过情境将其可视化为有用信息，以便快速轻松地进行解释。有价值的信息可以让用户形成概念、发现模式和异常，并得出结论。如今，随着从传感器、控制器、IIoT设备和其它系统接收到的数据越来越多，先进的数据可视化变得至关重要。

相较于文本或其它类型的数据，人类大脑更擅长处理视觉数据，并且人类大脑也更擅长记住故事和视觉效果，而不是基于文本的信息，因此以这种格式提供的信息至关重要。

不断优化的界面设计

一些用户界面(UI)和数据可视化设计趋势，开始影响工业自动化，包括使用真实图片、美学极简主义和复杂的排版等概念。本地人机界面(HMI)、监控和数据采集(SCADA)系统以及整体设备效率(OEE)显示，这一切都需要有效的UI，并呈现高级分析和预测性维护的结果。这些UI需要吸引运行人员的注意力，因此需要直观并允许快速解释的数据，以便采取行动。

微软的一项研究表明，在2000年，人类的平均注意力持续时间为12秒，而到2013年，这一时间下降到8秒。因此，设计人员在创建数据可视化时，必须结合预先注意的属性，以便运行人员无需过度专注于屏幕信息。

前注意（Pre-attentive）属性是指我们的大脑以毫秒为单位处理的属性，例如颜色、形式、空间定位和运动。

**颜色。**颜色可以增强或分散数据可视化信息的注意力。HMI设计标准ISA-101建议谨慎使用颜色，主要用于表示异常或异常状态。情境意识方法（在设计屏幕和仪表盘时让用户意识到情境）也提倡谨慎使用颜色和形状，以确保运行人员将注意力放在可操作的数据上。

在使用颜色进行数据可视化时，专家们还主张在了解所选调色板的文化含义的情况下，保持一致、有效地使用颜色。颜色的含义，会随着文化的不同或颜色偏见而有所不同。例如，在西方文化中，红色常被用来表示警告或危险，而在中国，红色则代表好运和成功。因此，在设计数据可视化屏幕时，需要结合所传达信息的情境来考虑颜色的影响。应该有目的地使用颜色，来引起对部分数据的注意或用于突出显示，或者区分不同的数据点。

亮度与颜色有关，而深色数据仪表板（尤其是带有柔和色或霓虹色调色板的深色背景）越来越受欢迎，其灵感来自《星球大战》等未来派电影和Apple等主要品牌。深色数据仪表板可以延长显示设备的电池寿命，减少眼睛疲劳，并根据当前光线条件自动调整亮度，便于在黑暗环境中使用，更符合视觉人体工程学。由于这些和其他优势，现在深色数据仪表盘比浅色主题的仪表盘使用得更多（见图1）。

**▎**图1：深色HMI仪表板比浅色更流行，但应始终有目的地使用颜色，并考虑最终用户的期望。

形式。 形式适用于区分屏幕数据的属性。例如，动态增加对象、突出程度或屏幕区域的大小，以表明其重要性，并迅速引起操作人员的注意力。

**空间定位。**空间定位是用来表示数据的空间，它可能包括二维和三维表达的应用。大多数数据可视化是在二维空间中描绘的。但是，地理信息系统和三维表达对于地理上分散的资产是有效的。随着智能设备和传感器的部署无处不在，空间定位对于实现数据可视化运营效率变得越来越重要。

**动画。**动态画面一直是吸引操作人员注意力的常用方式。但是，必须谨慎使用以避免恼人或分散注意力的移动、闪烁和弹出窗口。想想那些网络广告商是如何试图用动态显示来吸引我们的注意力的，以及这些广告有多令人讨厌并促使用户使用广告拦截软件。

正确实施后，用户界面可以受益于数据仪表板上的动画按钮，作为一种强大的技术，它可以在需要采取行动时，向操作人员发出指示。这对于空间受限的移动设备尤其重要。

数据可视化的趋势

使用主动、持续的智能来自动处理实时和历史数据，也可以允许运行人员处理增加的数据量，从而发挥作用。通过检测异常并产生有效的UI指示、报警和事件，数据可视化成为提醒运行人员潜在问题的有效方式。以下是一些数据可视化的最新趋势。

**智能设备。**智能设备无处不在，无时无刻不在收集数据，这导致了数据激增。然而，数据的价值会随着时间的久远而减少，所以数据可视化必须发生在更接近数据来源的地方，同时提供企业层级的可视化。此外，跨分布式数据集的连接使企业能够在这些不同的设备之间识别有价值的连接、关系和洞察力。

根据IDC的数据，预计到2024年，70%的企业将其边缘生成的数据与基于云的企业系统集成，以实现基于物联网分析的实时行动。结合智能设备以提供实时数据分析，以及更接近数据生成位置的可视化，同时将这些数据集整合到企业架构中，为决策者提供他们需要的信息，在他们需要的地方和时间。

移动设备已成为我们生活中不可或缺的一部分，同样也将在企业数字化中发挥不可或缺的数据可视化作用。移动设备的界面图形空间有限，要求这些设备上的数据可视化必须清晰、简单、紧凑和简洁。随着注意力的降低，移动设备上的数据可视化必须在简化交互功能的同时提供感知。

**数据叙事。**传统HMI/SCADA和仪表板的数据可视化，可以向运行人员显示正在发生的事情，但不显示原因。数据叙事（data storytelling），是一种通过引人入胜的叙述来传达原因的方法。数据叙事将信息置于情境之中，减少了错误解释的可能性（见图2）。

**▎**图2：采用有效的数据可视化叙事，不仅可以传递前后的比较，还可以解释正在发生的事情和原因。

据Gartner预测，到2025年，数据叙事将成为用户使用分析数据的主要方式。数据叙事利用为运营商量身定制的数据、叙事和视觉效果，来有效传达可操作的见解。换句话说，数据可视化以图形方式表示数据，而数据叙事则给出数据背后的意义。这提供了一个以简单、简洁的方式，能够整合大量复杂数据的叙述，解释数据背后的方式和原因。

实时可视化。 对于工业自动化应用来说，实时可视化数据并不是什么新鲜事。然而，鉴于数据收集速度的加快，所涉及的智能设备和传感器的部署数量也在不断增加，需求不断扩大。实时可视化必须收集、汇总、关联并提供分析，以加速决策过程。为了帮助用户了解正在发生的事情，实时分析变得至关重要。由于设备变得越来越智能，通信的数据将包含更多信息（参见图3）。

**▎**图3：现代HMI将继续显示数据，但必须能够收集、聚合、关联和分析许多来源，以创建情境数据并加速用户决策。

实现有效的数据通信

据《福布斯》报道，2021年预计有350亿台智能设备上线，到2025年将增长到750亿台。随着数据量的增加，注意力时间的缩短，数据可视化变得越来越重要。随着数据可视化变得更直观以及数据叙事原则的应用，数据有效性将会提高。

随着认知框架的出现，数据可视化达到了新的高度。认知框架来自于心理学理论，定义人类如何处理数据元素。HMI、SCADA、OEE、高级分析和预测性维护的仪表板也必须与时俱进，以实现大量数据的可视化，同时提供最佳的视觉通信技术。有效的数据可视化是直观的，能提供简单的视觉识别，并能够快速理解所呈现的数据。

在工业仪表板中，数据叙事的应用将会更普遍，主要用于交流实时数据和分析。用于数据可视化的机器学习技术，将继续进入传统工业市场，以优化可执行的决策。

数据为智能自动化和战略决策提供动力。当简化了大量数据，并以吸引用户的方式传达情境信息时，数据可视化就有一种美感。合适的数据可视化软件与智能硬件相结合将带来诸多好处，有助于改善整个企业的运营效率。

“如今，从传感器、控制器、IIoT设备和其它系统接收到的数据越来越多，有效的数据可视化变得越来越重要。”