Einführung in die Mensch-Maschine-Systemtechnik
Einführung in die Mensch-Maschine-Systemtechnik
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<strong>E<strong>in</strong>führung</strong> <strong>in</strong> <strong>die</strong> <strong>Mensch</strong>-Masch<strong>in</strong>e-<br />
<strong>Systemtechnik</strong><br />
VL MMS<br />
W<strong>in</strong>tersemester 2012/13<br />
Professur für Prozessleittechnik<br />
L. Urbas; M. Graube, J. Pfeffer, J. Ziegler
Luftfahrt<br />
Prozess- &<br />
Anlagen-<br />
technik<br />
Beispiele für <strong>Mensch</strong>-Masch<strong>in</strong>e-Systeme<br />
Kraftfahrzeugführung<br />
Produktions-<br />
Technik<br />
& Robotik<br />
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Struktur e<strong>in</strong>es <strong>Mensch</strong>-Masch<strong>in</strong>e-Systems<br />
(nach Timpe et al. 2000, S.12)<br />
Masch<strong>in</strong>e<br />
• Technischer Prozess<br />
• Prozessautomatik<br />
• Hilfesysteme<br />
Benutzungsschnittstelle<br />
• Stellteile, Anzeigen<br />
Sensorik Motorik<br />
Wissensbasis, Motivationsbasis, Ziele<br />
Anlagenfahrer, Schichtleiter, Betriebsleiter<br />
<strong>Mensch</strong><br />
UMGEBUNG<br />
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Nahtstellen e<strong>in</strong>es <strong>Mensch</strong>-Masch<strong>in</strong>e-Systems<br />
Versorgung <br />
E<strong>in</strong>satzstoff,<br />
Energie,<br />
Information.<br />
Physikalische Umwelt<br />
Masch<strong>in</strong>e<br />
Wissens- & Motivationsbasis, Ziele<br />
<strong>Mensch</strong><br />
Benutzungs-<br />
schnittstelle<br />
Organisation<br />
Kunde<br />
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Zielsystem für <strong>die</strong> Gestaltung von MMS<br />
(Bildquelle: Manzey 2005)<br />
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Zielsystem MMS mit exemplarischen Teilzielen<br />
(nach Timpe et. al, S.31)<br />
• Förderung der Kompetenz<br />
– Optimale Beanspruchung (weder Stress noch Monotonie)<br />
– Aufbau von Wissen<br />
• Hohe Verlässlichkeit<br />
– Hohe technische Zuverlässigkeit<br />
– Angemessener Ausbildungs- und Tra<strong>in</strong><strong>in</strong>gszustand<br />
• Hohe Umweltverträglichkeit<br />
– Ger<strong>in</strong>ger Energieverbrauch, Ger<strong>in</strong>ge Emissionen, …<br />
• Gute Systembeherrschbarkeit<br />
– Gute Be<strong>die</strong>nbarkeit (z.B. Verstärkung, Dynamik)<br />
• Angemessene Gebrauchstauglichkeit<br />
– Nutzungsfreundliche Dialogschnittstelle<br />
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Aufgaben <strong>in</strong> MMS<br />
(nach Timpe et al., 2000)<br />
Hauptaufgaben<br />
Planung<br />
Kommunikation<br />
Management<br />
Navigation<br />
Kurzcharakteristik<br />
Erarbeitung e<strong>in</strong>es zielorientierten optimalen<br />
Weges <strong>in</strong>nerhalb unterschiedlicher<br />
Lösungswege<br />
Aufgabenabhängiger Informationsaustausch<br />
zwischen unterschiedlichen Teilsystemen (...)<br />
Auswahl, Koord<strong>in</strong>ation, Durchführung und<br />
Kontrolle von Maßnahmen zur (...)<br />
Zielerreichung (...) des Gesamtsystems<br />
Kont<strong>in</strong>uierlicher oder diskreter Prozess der<br />
Überwachung und Lenkung e<strong>in</strong>es Objekts<br />
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Kognitive Prozesse <strong>in</strong> MMS<br />
Kognitive Prozesse<br />
Situationswahrnehmung<br />
Entscheiden<br />
Problemlösen<br />
Bewertung<br />
Antizipation<br />
Lernen<br />
Sensomotorische Regelung<br />
Kurzcharakteristik<br />
S<strong>in</strong>nlich vermittelte System- und<br />
Ungebungszustände<br />
Auswahl von Alternativen<br />
Überführen unerwünschter Ausgangs-zustände<br />
<strong>in</strong> erwünschte Zielzustände<br />
Beurteilen von Objekten <strong>in</strong>nerhalb e<strong>in</strong>es<br />
Bezugssystems<br />
Gedankliche Vorwegnahme künftiger<br />
Sachverhalte<br />
Ausbildung oder Korrektur von Gedächtnisbesitz<br />
Vergleich von Soll und Ist mit manueller<br />
Korrektur<br />
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E<strong>in</strong>ige MMST-Fragen<br />
• Funktionsallokation:<br />
– Welche Tätigkeiten sollen automatisiert werden?<br />
• Human Factors:<br />
– Welche Leistung kann schädigungsfrei erreicht werden / wird<br />
erreicht?<br />
– Welche kognitiven Ressourcen werden benötigt?<br />
– Wieviele <strong>Mensch</strong>en s<strong>in</strong>d zur Bewältigung der Aufgabe nötig?<br />
• System- und Nahtstellendesign:<br />
– Wie soll Informationsaustausch gestaltet werden?<br />
– Über welche S<strong>in</strong>ne wird Information aufgenommen?<br />
– Wie und wo s<strong>in</strong>d Beobachtungs- und Be<strong>die</strong>nelemente<br />
anzuordnen?<br />
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Entwicklung der MMST-Forschung<br />
(nach Sheridan, 1985)<br />
• 1940-1955: <strong>Mensch</strong> als Regler<br />
– Sensomotorische Koord<strong>in</strong>ation, Anzeigen, Be<strong>die</strong>nelemente<br />
• 1955-1970: <strong>Mensch</strong> als Überwacher<br />
– Auslegung von Cockpits, Leitwarten, Führerständen<br />
• 1970-1985: <strong>Mensch</strong> als Dialogpartner<br />
– Schnittstellengestaltung, Fehlervermeidung,<br />
Anforderungssimulation<br />
• 1985-2000: <strong>Mensch</strong> als <strong>in</strong>teraktiver Problemlöser<br />
– Unterstützungssysteme, CAx, AR-MR-VR, Telemetrie<br />
• 2000-2015: Masch<strong>in</strong>e als kognitiver Partner<br />
– Autonome Agenten, “<strong>in</strong>telligente“ Netze, semantische<br />
Technologien<br />
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MMS = rückgekoppeltes System<br />
(Bildquelle: Timpe et al. 2000, S.22)<br />
M = <strong>Mensch</strong>, M: Masch<strong>in</strong>e<br />
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Automatisierung & MMST<br />
• Automatisierung: Übertragung von Tätigkeiten, <strong>die</strong> vormals<br />
dem <strong>Mensch</strong>en vorbehalten waren, an e<strong>in</strong>e Masch<strong>in</strong>e:<br />
– „Automation can be thought of as the process of allocat<strong>in</strong>g activities<br />
to a mach<strong>in</strong>e or system to perform“ (Parsons, 1985)<br />
– „Die Mechanisierung und <strong>die</strong> Automatisierung übertragen bisher vom<br />
<strong>Mensch</strong>en ausgeführte Tätigkeiten an Masch<strong>in</strong>en“ (Hacker, 1998)<br />
• Notwendige und wichtige Entscheidung für <strong>die</strong> Gestaltung<br />
von MMS:<br />
– Welche Tätigkeiten sollen übertragen werden?<br />
– Wie soll Informationsaustausch gestaltet werden?<br />
…um e<strong>in</strong> optimumnahes MMS zu erreichen.<br />
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Automatisierungsmotive<br />
• Evolutionärer Druck durch Technik<br />
– Anforderungen aus dem Markt an Kapazität und/oder Qualität<br />
steigen.<br />
– Verfügbare neue (IT-)Technik wird früher oder später<br />
implementiert.<br />
– Wenn erfolgreich (= wirtschaftlich) müssen Wettbewerber<br />
nachziehen.<br />
• Evolutionärer Druck durch Fehler<br />
– Wir haben alles getan, um e<strong>in</strong>en Wiederholung<br />
auszuschließen<br />
– Bild der technischen Machbarkeit<br />
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Automatisierungsgrad<br />
• Automatisierungsgrad<br />
– Anteil selbständig [sic] ablaufender Programmschritte an der<br />
Gesamtmenge der <strong>in</strong> dem System ablaufenden<br />
Programmschritte (Bröder 1969)<br />
– Anteil automatischer Funktionen an der Gesamtmenge von<br />
Funktionen (Kraiss 1998)<br />
• Probleme<br />
– Gesamtmenge oft nur schwer zu def<strong>in</strong>ieren<br />
– Auflösungsgrad<br />
– Gleichwertigkeit von Programmschritten oder Funktionen<br />
bzw. bei <strong>Mensch</strong> als „Funktionsausüber“ und Masch<strong>in</strong>e<br />
� Gestaltung und Bewertung anhand von Modellen<br />
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Abstufungsversuche<br />
• Automatisierungsstufen (Oschan<strong>in</strong> & Wenda 1963)<br />
– Automatischer Regler, <strong>Mensch</strong> nur noch bei Störung<br />
– Prozessrechner zur Unterstützung<br />
– <strong>Mensch</strong> überwacht „nur noch“ Prozessrechner<br />
– Prozessrechner lernt<br />
• Art der Führung (Hollnagel 1990)<br />
– Manuelle Führung<br />
– Überwachungstätigkeit<br />
– Kognitive Führung<br />
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Automatisierungsstufen<br />
(nach Endsley 1997)<br />
• Vier Gruppen von Funktionen/Aufgaben:<br />
– Monitor<strong>in</strong>g: Überwachen von Anzeigen<br />
– Generat<strong>in</strong>g: Generierung von Wahlmöglichkeiten u.<br />
Strategien zur Zielerreichung<br />
– Select<strong>in</strong>g: Auswählen e<strong>in</strong>er Alternative bzw. Strategie<br />
– Implement<strong>in</strong>g: Durchführen bzw. Umsetzen der getroffenen<br />
Wahl<br />
• Zuordnung zu Operator, Masch<strong>in</strong>e oder beiden<br />
• 3^4 = 81 komb<strong>in</strong>atorische Möglichkeiten<br />
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Häufige Automatisierungsstufen<br />
Level of Control<br />
Manual Control<br />
Action Support<br />
Batch Process<strong>in</strong>g<br />
Shared Control<br />
Decision Support<br />
Blended DS<br />
Rigid System<br />
Automated Decision Mak<strong>in</strong>g<br />
Full Automation<br />
Monitor<strong>in</strong>g<br />
Human<br />
both<br />
both<br />
both<br />
both<br />
both<br />
both<br />
both<br />
Computer<br />
Generat<strong>in</strong>g<br />
Human<br />
Human<br />
Human<br />
both<br />
both<br />
both<br />
Computer<br />
both<br />
Computer<br />
Select<strong>in</strong>g<br />
Human<br />
Human<br />
Human<br />
Human<br />
Human<br />
Human<br />
Computer<br />
Computer<br />
Computer<br />
Computer<br />
Computer<br />
Computer<br />
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both<br />
Implement<strong>in</strong>g<br />
Human<br />
both<br />
Computer<br />
both<br />
Computer
Übertragung kognitiver Prozesse <strong>in</strong> kognitive<br />
technische Systeme?<br />
Kognitive Prozesse<br />
Situationswahrnehmung<br />
Entscheiden<br />
Problemlösen<br />
Bewertung<br />
Antizipation<br />
Lernen<br />
Sensomotorische Regelung<br />
Automatisierbarkeit<br />
für spezielle Teilbereiche, z.B.<br />
H<strong>in</strong>derniserkennung<br />
für WBS bei vorgegebenen Entscheidungsregeln<br />
<strong>in</strong> ausgewählten Teilbereichen, z.B.<br />
automatische Beweisführung<br />
bei vorgegebenen Algorithmen<br />
für elementare Komponenten bei vorgegebenen<br />
Modellen<br />
<strong>in</strong> ausgewählten Teilbereichen, z.B.<br />
Mustererkennung durch kNN u.a.<br />
Nahezu vollständig<br />
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Automatisierungsphilosophien<br />
• Left-Over<br />
– Automatisiere was Du kannst, den Rest überlasse dem<br />
Operator<br />
– Problem: Kompetenzverlust, Take-over, Über/Unterforderung<br />
• Compensatory (z.B. Fitts, 1951)<br />
– Jeder macht das, was er am besten kann<br />
– Problem: Statische (a priori) Zuweisung<br />
• Complementary (z.B. Grote, 1999)<br />
– Betrachtung von <strong>Mensch</strong> und Masch<strong>in</strong>e als mite<strong>in</strong>ander<br />
arbeitende „kognitive“ Systeme<br />
– Problem: Beschreibung, Modelle und Methoden?<br />
09.10.2012 MMS ©Urbas, 2009-2012 Folie 24
MABA-MABA-Listen 1/3<br />
• Men Are Better At – <strong>Mensch</strong>en s<strong>in</strong>d besser im Bereich<br />
– Signaldetektion bei ger<strong>in</strong>ger Energiedichte<br />
– Mustererkennung<br />
– Improvisation und Flexibilität<br />
– Langzeitige Informationsspeicherung und Zugriff<br />
– Induktives Schließen<br />
– Beurteilung<br />
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MABA-MABA-Listen 2/3<br />
• Mach<strong>in</strong>es Are Better At – Masch<strong>in</strong>en s<strong>in</strong>d besser im Bereich<br />
– Rasche Antwort auf Signale<br />
– Aufbr<strong>in</strong>gen großer Kräfte, langsam und präzise<br />
– Kurzzeitige Informationsspeicherung<br />
– Deduktives Schließen<br />
– Ausführen vieler gleichzeitigen komplexer Operationen<br />
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MABA-MABA-Listen 3/3<br />
• Schon besser als Left-Over, aber „Ironies of Automation“<br />
bleiben bestehen:<br />
– (...) das automatische Kontrollsystem ist e<strong>in</strong>geführt worden,<br />
weil es <strong>die</strong> Aufgaben besser erfüllen kann als der Operateur,<br />
und doch wird vom Operateur verlangt, dass er das richtige<br />
Funktionieren des Systems überwacht (Ba<strong>in</strong>bridge, 1982)<br />
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Komplementäre Gestaltung<br />
(nach Grote et al., 1999)<br />
• <strong>Mensch</strong> & Masch<strong>in</strong>e s<strong>in</strong>d wertvolle Ressourcen<br />
• Situationsangepasste Flexibilität<br />
• Funktionen s<strong>in</strong>d redundant bei M&M vorhanden<br />
• Flexible Funktionszuweisung durch <strong>Mensch</strong>en anhand der<br />
Situation<br />
• Problembereich: Nachweis der<br />
– Stabilität des Gesamtsystems<br />
– Effektivität der gewählten Mittel<br />
– Transparenz des Systems<br />
09.10.2012 MMS ©Urbas, 2009-2012 Folie 28
Grenzen der Automatisierung<br />
• Fließende Grenze<br />
– Akzeptanz durch Kunden<br />
– Technisch-ökonomische Grenzen<br />
• Welche Leistungen s<strong>in</strong>d von MMS gefordert?<br />
• Welche können ökonomisch implementiert werden?<br />
• Harte Grenzen<br />
– Systemziele s<strong>in</strong>d immer von <strong>Mensch</strong>en<br />
vorzugeben.<br />
– Verantwortung kann pr<strong>in</strong>zipiell nicht an<br />
Hard- und Software übertragen werden.<br />
• <strong>Mensch</strong>-Masch<strong>in</strong>e-<strong>Systemtechnik</strong><br />
– Methoden und Methodik zur zielgerichteten<br />
Gestaltung von MMS<br />
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Zusammenfassung<br />
• Struktur von <strong>Mensch</strong>-Masch<strong>in</strong>e-Systemen<br />
– Komponenten e<strong>in</strong>es MMS<br />
– MMS als rückgekoppeltes System<br />
– Zielsystem für <strong>die</strong> Gestaltung e<strong>in</strong>es MMS<br />
• Automatisierung<br />
– Übertragung von Tätigkeiten, <strong>die</strong> vormals dem <strong>Mensch</strong>en<br />
vorbehalten waren, an e<strong>in</strong>e Masch<strong>in</strong>e<br />
– Automatisierungsgrade und -philosopien<br />
– Grenzen der Automatisierung<br />
09.10.2012 MMS ©Urbas, 2009-2012 Folie 30
Literaturh<strong>in</strong>weise<br />
• Ba<strong>in</strong>bridge, L. (1983). Ironies of Automation. Automatica, 19 775-779.<br />
http://www.ba<strong>in</strong>brdg.demon.co.uk/Papers/Ironies.html<br />
• Fitts, P. (1951). Eng<strong>in</strong>eer<strong>in</strong>g psychology and equipment design. In S. Stevens<br />
(Eds.), Handbook of Experimental Psychology (pp. 1287-1340). New York, NY: Wiley<br />
http://arjournals.annualreviews.org/doi/abs/10.1146/annurev.ps.09.020158.001411<br />
• Grote, G., Ryser, C., Wäfler, T., W<strong>in</strong>discher, A., & Weik, St. (2000). KOMPASS: a<br />
method for complementary function allocation <strong>in</strong> automated work systems. Int. J.<br />
Hum.-Comput. Stud. 52 (2), p 267-287.<br />
• Hacker, W. (1986-2004) Arbeitspsychologie. Verlag Hans Huber.<br />
• Johannsen, G. (1993). <strong>Mensch</strong>-Masch<strong>in</strong>e-Systeme. Berl<strong>in</strong>: Spr<strong>in</strong>ger<br />
• Klix, F. (1992) Kybernetik. In R. Asanger & G. Wenn<strong>in</strong>ger (Hrsg.) Handwörterbuch<br />
Psychologie. 4. Auflage, S. 389-392, We<strong>in</strong>heim: Psychologie Verlagsunion<br />
• Sheridan, T.B. (1985) 45 years of man-mach<strong>in</strong>e systems - review and projection. In<br />
Manic<strong>in</strong>i, Johannson, Martensson (Hrsg.) ANALYSIS, DESIGN & EVALUATION OF<br />
MAN-MACHINE SYSTEMS. Elsevier.<br />
• Timpe, K., Jürgensohn, T. & Kolrep, H. (2000). <strong>Mensch</strong>-Masch<strong>in</strong>e-<strong>Systemtechnik</strong>.<br />
Konzepte, Modellierung, Gestaltung, Evaluation. Düsseldorf: Symposion Publish<strong>in</strong>g.<br />
• Wickens, Ch.D. & Hollands, J.G. (1999) Eng<strong>in</strong>eer<strong>in</strong>g Psychology and Human<br />
Performance. Pearson.<br />
• Wickens, Ch.D. (2003) Introduction to Human Factors Eng<strong>in</strong>eer<strong>in</strong>g. Pearson.<br />
09.10.2012 MMS ©Urbas, 2009-2012 Folie 31
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