A design pattern language to assist the design of alarm visualizations for operating control systems

Mención Internacional en el título de doctorWith the growing emphasis on visualization as a mechanism for analysing and exploring large and complex data sets, visualization research has recognized the need of reusing prior design knowledge instead of starting from scratch. This fact is especially relevant in designing control systems in which alarm visualizations are key artefacts for human operators to maintain an awareness of the state of the process under control. In this context, designers are required to face two fundamental recurrent design challenges related to visual scalability and sense making issues, which involve having design knowledge from different knowledge areas including Alarm Management, Human Factors, and Visualization Design. Nevertheless, no single designer can be an expert in every relevant knowledge area, and becoming proficient may require years of experience. One relevant approach to assist in such multi-dimensional design process is to reuse prior design knowledge, which supports and amplifies designers’ abilities of design generation. However, existing design knowledge reuse approaches for alarm visualization design can be too abstract, not comprehensive enough, and loosely coupled, being difficult to be applied by non-experienced designers. In this research work, such limitations are addressed by developing a design pattern language as a fitting design knowledge reuse approach to disseminate reusable alarm visualization design knowledge. Derived from both a review of descriptive models and design rules for Alarm Management, Human Factors, and Visualization Design and two case studies framed within the context of two different projects, Energos and Emercien, this research work describes the design space for alarm visualization design. Then, taking such characterization of the design space into account and after an extensive review of relevant sources in the aforementioned knowledge areas, this research work systematizes reusable design knowledge for alarm visualization design through the definition of the design pattern language. The structure and elements of this design pattern language have been, respectively, analytically analized and evaluated by expert designers. This design pattern language has been also applied in different contexts. It demonstrates the feasibility of this design pattern language to be used across application domains. Finally, it has been successfully used by non-experienced designers. It demonstrates the utility of the design pattern language to provide non-experienced designers with an easy access to the existing body of knowledge of recognized alarm visualization design solutions for operating control systems and open up interesting lines for future research.Con la creciente relevancia de la visualización como mecanismo para el análisis y exploración de grandes y complejos volúmenes de datos, la investigación en visualización ha puesto de manifiesto la necesidad de reutilizar conocimiento previo de diseño en lugar de comenzar desde cero. Esta necesidad es especialmente importante en el diseño de sistemas de control, en los cuales las visualizaciones de alarmas se han convertido en artefactos clave para los operadores humanos a la hora de adquirir una consciencia del estado del proceso controlado. En este contexto, los diseñadores de visualizaciones de alarmas tienen que hacer frente a dos desafíos de diseño recurrentes y fundamentales relacionados con cuestiones de escalabilidad visual y el proceso de dar sentido a la información. En particular, enfrentarse a tales desafíos por parte de estos diseñadores requiere poseer conocimiento de diseño relacionado con diversas áreas de conocimiento tales como la Gestión de Alarmas, Factores Humanos y el Diseño de Visualización. Sin embargo, es difícil que un diseñador sea un experto en cada una de las áreas de conocimiento involucradas en un problema de diseño, lo cual requiere años de experiencia. Ante esta situación, un enfoque adecuado a seguir es la reutilización de conocimiento de diseño previo, lo cual posibilita la amplificación de las capacidades de los diseñadores a la hora de generar diseños. No obstante, los actuales mecanismos existentes para la reutilización de conocimiento previo de diseño de visualizaciones de alarmas son demasiado abstractos, no son lo suficientemente exhaustivos en la cobertura de factores claves para el diseño de visualizaciones de alarmas, ni se encuentran adecuadamente acoplados, lo cual dificulta su utilización por parte de diseñadores no experimentados. En este trabajo de investigación, tales limitaciones han sido cubiertas mediante el desarrollo de un lenguaje de patrones de diseño para visualizaciones de alarmas. Un lenguaje de patrones de diseño puede caracterizarse como un enfoque adecuado de reutilización de conocimiento de diseño previo que facilita su diseminación a diseñadores no experimentados. Derivado de una revisión de modelos descriptivos y reglas de diseño para la Gestión de Alarmas, Factores Humanos y el Diseño de Visualización, así como de la realización de dos casos de estudio enmarcados en el contexto de dos proyectos de investigación, Energos y Emercien, el presente trabajo de investigación describe el espacio de diseño de visualizaciones de alarmas. A continuación, guiado por dicha caracterización del espacio de diseño y como resultado de una revisión extensiva de recursos relevantes pertenecientes a las anteriormente mencionadas áreas de conocimiento, este trabajo de investigación sistematiza el conocimiento de diseño reutilizable para el diseño de visualizaciones de alarmas a través de la definición del lenguaje de patrones de diseño. La estructura del lenguaje de patrones de diseño ha sido analizada de manera analítica y sus elementos constitutivos, los patrones de diseño, han sido evaluados por diseñadores expertos. Asimismo, este lenguaje de patrones se ha aplicado en diferentes contextos, lo cual demuestra su factibilidad de uso para crear visualizaciones de alarmas en diversos dominios. Finalmente, este lenguaje de patrones ha sido utilizado por diseñadores no experimentados. Su utilización por parte de los mismos demuestra la utilidad del lenguaje de patrones para proveer un acceso sencillo al cuerpo de conocimiento de diseño existente sobre visualizaciones de alarmas y abre futuras líneas de investigación de interés.Programa Oficial de Doctorado en Ciencia y Tecnología InformáticaPresidente: Jesús Ángel Velázquez Iturbide.- Secretario: Andrea Bellucci.- Vocal: Steffen Lohma