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Ecological Interface Design

Ecological Interface Design (EID) ist eine Methode zur Modellierung von Arbeitsdomänen (Vicente und Rasmussen 1992; Vicente 2002; Burns und Hajdukiewicz 2004). Bei der Entwicklung von MMTs zur Überwachung und Steuerung industrieller Prozesse ist zunächst der Prozess ein wesentliches Element der Arbeitsdomäne, darüber hinaus gehören aus Sicht der Operateure auch die Automatisierungssysteme dazu. Während mit Aufgabenmodellen das Verhalten in wohldefinierten Situationen festgelegt wird, werden Arbeitsdomänenmodelle zur Unterstützung der Prozessüberwachung- und Steuerung in unerwarteten Situationen, wie z. B. bei unerwarteten Prozessstörungen, erstellt. In so einem Fall müssen die Operateure ein klares Verständnis des Prozesses haben, um den oder die Fehler zu detektieren, zu diagnostizieren und Reparaturmaßnahmen einzuleiten. Innerhalb des Vorgehensmodells (Tab. 1) eignet sich EID insbesondere, um Anforderungen für die MMT Schnittstellen abzuleiten. Dabei wird folgende Frage adressiert: Welche Informationen über die Arbeitsdomäne brauchen die Operateure und in welcher strukturellen Form sollten diese dargestellt werden? Hierbei wird dem Automatisierungsdilemma durch explizite Unterstützung eines adäquaten Situationsbewusstseins entgegengewirkt. Das Arbeitsdomänenmodell kann darüber hinaus im Rahmen der MMT Komposition als gemeinsame Grundlage für die Entwicklung sowohl der Automatisierungssysteme als auch des Trainingsmaterials für die Operateure verwendet werden. Damit wird ein weiterer wesentlicher Aspekt des Automatisierungsdilemmas adressiert: wenn Operateure die Systeme überwachen sollen (oder besser, innerhalb eines MMTs mit ihnen kooperieren sollen), dann müssen Mensch und Maschine auf demselben Verständnis des Prozesses aufbauen. Die Operateure werden dann die Vorgehensweise der Maschinen besser nachvollziehen können, was eine wesentliche Voraussetzung für die Realisierung eines funktionierenden MMTs ist.

Zur Modellierung der Arbeitsdomäne werden die Rahmenbedingungen und Prinzipien, auf denen der Prozess beruht, identifiziert und unter Verwendung spezifischer Strukturen beschrieben. Rahmenbedingungen und Prinzipien sind beispielsweise Naturgesetze, auf denen das System beruht, funktionale Zusammenhänge und organisatorische oder rechtliche Vorschriften. Das entstehende Modell beschreibt den Prozess aus einer zielorientieren Perspektive und wird von Anfang an so gedacht, dass es für Operateure nachvollziehbar ist und für das Ziel der Detektion und Analyse unerwarteter Ereignisse verwendet werden kann. EID basiert auf der Annahme, dass Operateure ein mentales Modell des Prozesses bilden. Aus der Analyse einer Vielzahl von Problemlöseprotokollen erfahrener Operateure wurde abgeleitet, dass die Struktur des mentalen Modells oft mehrere Abstraktionsebenen umfasst (Rasmussen 1985). Dabei werden auf höheren Abstraktionsebenen generische funktionale Zusammenhänge und auf unteren Ebenen deren konkrete Umsetzung durch physikalische Komponenten abgebildet. Mittels EID kann ein derart hierarchisches mentales Modell explizit modelliert und mittels geeigneter grafischer Darstellungsformen kommuniziert werden.

Im Folgenden wird zunächst die Abstraktionshierarchie detaillierter vorgestellt und anschließend aufgezeigt, wie sie sich nutzen lässt, um den Entwurf der Mensch–Maschine Schnittstelle anzuleiten.

Abstraktionshierarie als mentales Modell der Arbeitsdomäne Als durchgängiges Beispiel zur Vorstellung der Abstraktionshierarchie wird die grobe Strukturierung eines Flugzeugs verwendet. Der zu überwachende und zu steuernde Prozess ist das Fliegen von Flughafen A zum Flughafen B. Dieser Prozess wird von Maschinenagenten, z. B. Autopilot, Flight Management Systeme, und den beiden Piloten durchgeführt. Im Folgenden ist mit dem Begriff System das Flugzeug mit den Automatisierungssubsystemen gemeint. Die Abstraktionshierarie umfasst fünf Stufen:

1. Funktionaler Zweck: Dies ist der Zweck, für den das System entwickelt wurde. Der Zweck eines Flugzeugs ist, Passagiere von A nach B zu transportieren. Zusätzlich werden Kriterien definiert, um einzuschätzen, ob das System korrekt arbeitet: Die Passagiere sollen sicher und ohne Zeitverlust transportiert werden.

2. Abstrakte Funktion: Dies sind die grundlegenden Gesetze, auf denen das System beruht. In den meisten Fällen handelt es sich um physikalische Gesetze zur Berechnung von Masse, Energie und Informationen. Weitere Gesetze zur Beschreibung der abstrakten Funktion sind organisatorische Prinzipien und rechtliche Rahmenbedingungen. Für das Flugzeug gelten u. a. die physikalischen Gesetze der Bewegung von Masse, der Erzeugung von Kraft und der Energieerhaltung. Beispielsweise geht Energie grundsätzlich nicht verloren, sondern wird lediglich umgewandelt, z. B. von potentieller in kinetische Energie (und umgekehrt).

3. Generalisierte Funktion: Dies sind die Grundfunktionen, welche die physikalischen Gesetze der abstrakten Funktion realisieren. Beim Flugzeug sind dies die Grundfunktionen, die genutzt werden, um beim Landen kinetische Energie und Höhe abzubauen, um schließlich sicher auf der Landebahn aufzusetzen. Während die abstrakte Funktion lediglich die Gesetze nennt, wird hier beschrieben, welche Funktionen in welcher Abfolge zur Anwendung kommen. Hier wird also über die gesetzmäßigen Zusammenhänge hinaus der Fluss von Masse, Energie und/oder Informationen berücksichtigt. Das Flugzeug besitzt potentielle Energie, die beim Landeanflug abgebaut werden muss. Das Flugzeug hat Vorrichtungen zur Verringerung der Höhe, zur Verringerung der Geschwindigkeit und zur Aufrechterhaltung des Auftriebs. Diese Vorrichtungen müssen zum richtigen Zeitpunkt adäquat koordiniert werden, sodass potentielle Energie abgebaut wird, ohne dass der Auftrieb verloren geht. Auf der Ebene der generalisierten Funktion wird die zeitliche Abfolge mit den herrschenden Input–Output-Beziehungen beschrieben: Potentielle Energie wird durch Sinken des Flugzeugs abgebaut, dabei steigt die Geschwindigkeit. Der Geschwindigkeitsanstieg muss durch Vorrichtungen zur Drosselung der Treibstoffzufuhr und Veränderung der Luftströmung kompensiert werden; Geschwindigkeitsverlust muss durch Vorrichtungen zur Aufrechterhaltung des Auftriebs kompensiert werden; etc. In einem industriellen Fertigungsprozess wird auf dieser Ebene der Fluss und die Umformung der Rohlinge durch generische Funktionen wie erhitzen, kühlen, formen, schleifen, pressen und walzen beschrieben.

4. Physikalische Funktion: Hier werden die physikalischen Systemkomponenten eingeführt und hinsichtlich ihrer Charakteristika beschrieben. Während im Rahmen der generischen Funktion lediglich von Vorrichtungen zur Verringerung der Höhe gesprochen wird, wird hier beschrieben, wie diese Vorrichtungen konkret realisiert sind. Die Verringerung der Höhe wird beispielsweise durch Bewegen des Höhenruders erreicht. Die physikalische Funktion des Höhenruders besteht in der Rotation nach oben und unten.

5. Physikalische Form: Hier werden die physikalischen Systemkomponenten bzgl. ihrer physikalischen Erscheinung beschrieben: Form, Größe, Farbe, Position und Material.

Z.B. befindet sich das Höheruder am Heckleitwerk. Welche weiteren Informationen modelliert werden sollen, hängt davon ab, ob sie für das Modellierungsziel – Unterstützung der Detektion und Analyse unerwarteter Ereignisse – relevant sind.

Anders als bei einer klassischen Teil-Ganzes-Hierarchie sind die Ebenen durch eine ZielMittel Relation aufeinander bezogen: der funktionale Zweck wird unter Ausnutzung der physikalischen Gesetze (abstrakte Funktion) realisiert; hierzu müssen diese Gesetze durch bestimmte generalisierte Funktionen in einer bestimmten Reihenfolge zur Anwendung gebracht werden; diese Funktionen werden realisiert durch physikalischen Systemkomponenten, die zunächst bzgl. ihrer physikalischen Funktionen und dann hinsichtlich ihrer physikalischen Eigenschaften, welche die Funktionen hervorbringen, beschrieben werden. Diese Art der Strukturierung soll die Operateure bei der Problemlösung unterstützen. Wenn ein System korrekt funktioniert, sind die Prinzipien und Rahmenbedingungen auf allen Ebenen und die Beziehungen zwischen den Ebenen erfüllt. Im Fehlerfall sind einige verletzt. Eine wesentliche Komponente der Fehlerdetektion besteht in der Identifikation solcher Verletzungen. Die Abstraktionshierarchie erlaubt auf Basis der Ziel-MittelRelation ein systematisches „hineinzoomen“ in das System. Ein Fehler zeigt sich meist an der Oberfläche darin, dass ein bestimmter Systemzweck nicht mehr vollständig erfüllt ist. Von dort können auf der nächsten Ebene die physikalischen Gesetze ermittelt werden, welche verletzt sind, weil bestimmte Grundfunktionen nicht korrekt erfüllt werden, was z. B. auf den Ausfall einer physikalischen Funktion und damit auf eine oder mehrere Komponenten zurückzuführen ist. Aufgrund des „hineinzoomens“ von abstrakten zu konkreten Ebenen, müssen lediglich die physikalischen Komponenten betrachtet werden, die zu den nicht mehr erfüllten Grundfunktionen beitragen. Auf diese Weise ermöglicht das Modell ein zielorientiertes und effizientes Problemlösen und damit eine schnellere Einleitung von Reparaturmaßnahmen.

Informationsdarstellung unter Berücksichtigung der menschlichen Informationsverarbeitung Wie lassen sich die innerhalb der Abstraktionshierarchie repräsentierten Zusammenhänge über die MMT Schnittstelle kommunizieren? Diese Frage betrifft die Präsentationsform. Zur Herleitung der Form stützt sich EID auf die drei von Rasmussen definierten Ebenen der Informationsverarbeitung (Rasmussen 1983): Fähigkeits(Skill), Regel(Rule) und Wissens(Knowledge)basierte Informationsverarbeitung. Es handelt sich um eine Taxonomie, welche Informationsverarbeitung anhand der verarbeiteten Informationstypen, der involvierten Wissensstrukturen und der involvierten mentalen Ressourcen klassifiziert.

Die Fähigkeits-basierte Ebene wird aktiviert, wenn die aus der Umgebung wahrgenommenen Informationen als Signale (Signals) innerhalb eines Raum-Zeit Kontinuums interpretiert werden. Dann werden unbewusst motorische Muster angewendet, die in der Vergangenheit gelernt wurden und in „Fleisch und Blut“ übergegangen sind. Dabei handelt es sich meist um Regulierungsprozesse, bei denen ein räumliches Ziel über die Zeit erreicht und beibehalten werden muss, z. B. das Lenken eines Autos innerhalb der Fahrbahnmarkierungen. Räumliche Abweichungen werden wahrgenommen und es wird regelnd gegengesteuert. Die verwendeten Wissensstrukturen stellen eine enge Kopplung zwischen Wahrnehmung und Motorik her. Die Regel-basierte Ebene wird aktiviert, wenn die wahrgenommenen Informationen als Zeichen (Signs) interpretiert werden. Die Zeichen weisen darauf hin, dass die aktuelle Situation bereits in der Vergangenheit (mehrmals) erfolgreich bewältigt wurde. Die erfolgreiche Bearbeitung wurde als rezeptartige Handlungsanleitung mental gespeichert und kann nun abgerufen und erneut Schritt für Schritt angewendet werden. Die Abarbeitung der Handlungsanleitung wird zumindest teilweise bewusst durchgeführt, weil es Entscheidungspunkte geben kann, an denen auf Basis der aktuellen Situationsvarianz zwischen mehreren Möglichkeiten gewählt werden muss. Die Wissensbasierte-Ebene wird aktiviert, wenn die aktuelle Situation neu ist und die wahrgenommen Informationen als Symbole (Symbols) interpretiert werden. Es sind keine fertigen Lösungen mental gespeichert und deshalb muss die Situation analysiert und Lösungen z. B. mittels mentaler Simulation oder durch Analogie erfunden werden. Hierbei wird bewusstes, analytisches Problemlösen auf Basis einer mentalen Repräsentation der Arbeitsumgebung betrieben.

Die Fähigkeits-basierte Ebene erfordert wenig kognitive Ressourcen. Während auf der Wissens-basierten Ebene auf einen reichhaltigen Wissensbackground zurückgegriffen wird. Welche Ebene in einer konkreten Situation aktiviert wird, hängt von den Eigenschaften der durchzuführenden Aufgabe, der Erfahrung des Operateurs und von der Form der Informationen ab. Die Mensch–Maschine Schnittstelle sollte es dem Operateur erlauben, Aufgaben auf einer unteren Informationsverarbeitungsebene zu bearbeiten. Andererseits müssen auch höhere Ebenen unterstützt werden, da die mentale Verarbeitungsebene eben nicht nur von der Informationspräsentation abhängt. Folglich sollte die Schnittstelle so gestaltet werden, dass beim Operateur jeweils die mentale Ebene angesprochen wird, die für die aktuelle Aufgabe unter den gegebenen Kenntnissen und Fähigkeiten der handelnden Person angemessen ist. Folgende Leitlinien für den Schnittstellenentwurf (im Folgenden Displayentwurf) lassen sich aus der Rasmussen Taxonomie ableiten (vgl. Vicente und Rasmussen 1992).

Unterstützung Fähigkeits-basierter Verarbeitung Der Operateur muss die Möglichkeit haben, Objekte auf dem Display zu manipulieren, als würde sie/er direkt mit dem realen Objekt arbeiten. Dabei werden reale Objekte durch das Bewegen angezeigter Icons räumlich und zeitlich bewegt. Die dargestellte Information muss die räumliche und zeitliche Anordnung realer Objekte widerspiegeln, sodass motorische Verhaltensmuster auf der Fähigkeits-basierten Ebene aktiviert werden können. Damit mit zunehmender Übung, Einzelbewegungen zu komplexen Bewegungsabfolgen integriert werden können, muss die angezeigte Struktur isomorph zu Elementarbewegungen und deren Zusammenfassung zu komplexen Handlungsmustern sein. Dies kann durch einen hierarchischen Aufbau des Displays erreicht werden, bei dem angezeigt wird, wie sich Informationen auf höheren Aggregationsebenen durch Einzelinformationen auf niedrigeren Aggregationsebenen zusammensetzen (Flach und Vicente 1989). Auf diese Weise sind unterschiedlich Aggregationsstufen zur selben Zeit sichtbar und der Operateur kann seine Aufmerksamkeit auf die Ebene richten, die seinem Erfahrungsgrad entspricht.

Unterstützung Regel-basierten Verhaltens Das Display sollte ein konsistentes ein-zueins Mapping zwischen angezeigten Zeichen und den Prinzipien und Rahmenbedingungen der Arbeitsdomäne zeigen. D.h. die angezeigten Zeichen müssen zu jedem Zeitpunkt eindeutig den Systemzustand reflektieren. Hier eignet sich in vielen Fällen eine Darstellung des Zustands auf der Ebene der abstrakten oder generalisierten Funktion (siehe z. B. Amelink et al. 2005). Überwachungs- und Steuerungsregeln werden in der Praxis jedoch oft auf einer physikalischen Ebene definiert. Das kann dazu führen, dass die Operateure nicht verstehen, wie diese Regeln mit den Systemfunktionen bzw. mit dem Systemzweck verbunden sind. Deshalb sollten Regeln auf unterschiedlichen Ebenen sowie deren Zusammenhang entlang der Abstraktionshierarchie unterstützt werden. Wichtig ist, dass in Abhängigkeit der gewählten Abstraktionsebenen die Einflussfaktoren vollständig dargestellt werden. Wenn hier relevante Faktoren nicht angezeigt werden, ist es dem Operateur nicht möglich, ein vollständiges und unverfälschtes Bild der Arbeitsdomäne zu gewinnen.

Unterstützung Wissens-basierten Verhaltens Das Display sollte die Zusammenhänge der Arbeitsdomäne so anzeigen, dass sie direkt zur Problemlösung angewendet werden können. Das Display sollte die Abstraktionshierarchie vollständig zur Verfügung stellen (siehe z. B. Burns 2000). Die Schnittstelle sollte das „Hineinzoomen“ in die Arbeitsdomäne durch geeignete Verlinkungsstrukturen zwischen den Abstraktionsebenen unterstützen. Auf diese Weise kann der Operateur zielorientiert die komplexitätsreduzierende Eigenschaft der Hierarchie nutzen, um Fehlerhypothesen zu explorieren.

Diese Richtlinien liefern Grundlagen zur Gestaltung des Inhalts und der Struktur der MMT Schnittstelle auf Basis eines Verständnisses der menschlichen Informationsverarbeitung. EID bietet keine Unterstützung zur grafischen Gestaltung wie der Auswahl der Farben, der Größe der Formen oder grafischer Effekte. Wichtige Anforderungen an diese grafische Gestaltung z. B. im Hinblick auf die Salienz der angezeigten Informationen lassen sich aus Aufgabenmodellen ableiten, da diese etwas zur Wichtigkeit der Informationen aussagen. Zusammen mit einem grundsätzlichen Verständnis der menschlichen Wahrnehmung lässt sich die Wichtigkeit übersetzen in eine grafische Salienzgestaltung.

Die Ausführungen in den beiden vorangehenden Abschnitten sollten grundsätzlich aufzeigen, dass modellbasierte Verfahren angewendet werden können, um den Faktor Mensch systematisch bei der Entwicklung von Mensch–Maschine Systemen, insbesondere MMTs, zu berücksichtigen und entsprechende Anforderungen in das System „hinein zu entwickeln“ statt erst zum Schluss „draufzusetzen“.

 
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