Ergonomie und Mensch-Maschine-Systeme (Arbeitswissenschaft II) Lehreinheit 7 Cognitive Engineering I Sommersemester 2016 Dr.-Ing. Dr. rer. medic. Dipl.-Inform. Alexander Mertens Lehrstuhl und Institut für Arbeitswissenschaft RWTH Aachen Bergdriesch 27 52062 Aachen Tel.: 0241 80 99 494 E-Mail: [email protected]

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Lernziele Ziel dieser Lehrveranstaltung ist es:  Engineering-Modelle menschlicher Informationsverarbeitung als Grundlage der

Gestaltung komplexer Mensch-Maschine Systeme kennen zu lernen,  Problemstellungen in Bezug auf menschliche Fehler zu erkennen,  Cognitive Engineering von verwandten Forschungsgebieten abgrenzen zu können,  Einblick in qualitative und quantitative Modelle menschlicher

Informationsverarbeitung zu erhalten.

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Problemstellung: Beispiele für menschliche Fehler

Mensch

Mensch unvorhersehbar

Maschine

Umwelt

Maschine

Zwischenwirkungen

Umwelt

Gefährdung

Atomare Störfälle in:

Ursache:

- Oyster Creek (1979)

Schließen von falschen Ventilen

- Three Mile Island (1979)

Fehlinterpretation von Kontrollanzeigen

- Davis Besse (1985)

Drücken von falschen Knöpfen auf Kontrolltafel

- Tschernobyl (1986)

Betrieb des Reaktors im falschen Betriebspunkt

- Tokaimura (1999)

Arbeiter füllen das sechsfache der zulässigen Menge in das Reaktionsgefäß

„Gemeinsam ist den bisherigen Großunfällen, dass sie durch menschliches Versagen ausgelöst wurden von Betriebsmannschaften, von Konstrukteuren oder von allen zusammen.“ [Faktor Mensch - Der Spiegel 4.10.99] © Lehrstuhl und Institut für Arbeitswissenschaft, RWTH Aachen

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V8-1

Definition „Cognitive Engineering“  Gegenstand von Cognitive Engineering ist die Entwicklung von Konzepten,

Methoden und Werkzeugen zur Analyse, Modellierung und Gestaltung von komplexen Mensch-Maschine Systemen, in denen die menschliche Informationsverarbeitung auf höheren kognitiven Ebenen im Sinne einer Engpassbetrachtung eine besondere Rolle spielt.  Dabei wird stets das Gesamtsystem betrachtet, indem „top-down“ die Gesamtziele und Randbedingungen durch entsprechende Funktionen abgebildet werden. Gegenstand empirischer Untersuchungen sind Problemlöse- und Entscheidungsprozesse in realen Arbeitssituationen.  Abgrenzung zur Mensch-Rechner-Interaktion:  Systemgestaltung eher technologiegeleitet mit separat optimierten Funktionalitäten (z. B. Textverarbeitung, Spreadsheet etc.)  Fokus eher auf syntaktischen, lexikalischen und physikalischen Aspekten  Abgrenzung zur künstlichen Intelligenz (KI):  Simulation kognitiver Leistungen in Laborumgebungen bzw. „Mikro-Welten“  Fokus auf kalkulierbare Aspekte menschlicher Informationsverarbeitung mit abgegrenzten kognitiven Subsystemen (Langzeit-, Kurzzeitgedächtnis etc.) Quelle: Rasmussen (1988, 1994) © Lehrstuhl und Institut für Arbeitswissenschaft, RWTH Aachen

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Modelle des Cognitive Engineering  Qualitative Modelle

    

Skills Rules Knowledge (Rasmussen, 1983) Decision Step Ladder (Rasmussen, 1994) Abstraktionshierarchie (Rasmussen, 1985) Hierarchische Handlungsregulation (Hacker, 1986) Recognition-Primed Decision (Klein, 1989)

Ermöglichen qualitatives Beschreiben von Verhalten auf Basis von theoretischen Grundannahmen

 Quantitative Modelle

 Model Human Processor (Card, Moran, Newell, 1983)  ACT-R (Anderson, 1993, 2003)  SOAR (Newell 1990)  Human Cognitive Reliability Model (HCR; Hannamann, 1988)  COSIMO (Cacciabue, 1993, 2003)

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Ermöglichen quantitative Vorhersagen von Verhalten auf Basis von Entscheidungsvariablen

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Regulationsebenen menschlicher Leistung: Das 3-Ebenen-Modell nach Rasmussen

Wissensbasiertes Verhalten

Ziele

Symbole

Identifizieren

Entscheiden

Planen

• Strukturiertes Mentalmodell für unbekannte Situationen • Vorwärts- u. Rückwärtsverkettung beim Schlussfolgern • Bewusste Handlungsregulation

Zeichen

Regelbasiertes Verhalten Erkennen

Merkmalsfunktion

Sensorischer Input

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Assoziieren

(Signale)

Regeln

Sensumotorische Muster

Signale Handlungen

• Heuristiken, „Kochrezepte“ für bekannte Situationen • Vorwärtsverkettung (WennDann) • Bewusste Handlungsregulation

Fertigkeitsbasiertes Verhalten • Erlernte oder intuitive sensumotorische Muster • Unbewusste Handlungsregulation

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Das 3-Ebenen-Modell nach Rasmussen Beispiel 1 Wissensbasiertes Verhalten

Symbole

Wenn der Zeiger nach der Kalibrierung

Wissensbasiertes immer noch in Position B ist, könnte ein Verhalten Leck vorliegen (funktional denken)

Ziele Identifizieren

Symbol

Entscheiden

Planen

• Strukturiertes Mentalmodell für unbekannte Situationen • Vorwärts- u. Rückwärtsverkettung beim Schlussfolgern • Bewusste Handlungsregulation

Regelbasiertes Verhalten

Zeichen (stereotype Handlung)

Erkennen

Merkmalsfunktion

Assoziieren

Regeln

WENN das Ventil offen ist UND ...WENN Position C, DANN ist Fluss o.k., Position D, DANN mindere Fluss • Heuristiken, „Kochrezepte“ ...WENN für bekannte Situationen WENN das Ventil geschlossen ist UND • Vorwärtsverkettung (WennDann) ...WENN Position A, DANN ist Fluss o.k., • Bewusste Handlungsregulation

...WENN Position B, DANN rekalibriere

(Signale)

Sensorischer Input

Sensumotorische Muster

Signale Handlungen

Fertigkeitsbasiertes Verhalten

Zeichen

Regelbasiertes Verhalten

Fertigkeitsbasiertes Signal Verhalten

- Flusspunkt (Set point) halten vom Flusspunkt

• Erlernte oder intuitive - Verwende Abweichung sensumotorische Muster als Fehlersignal • Unbewusste Handlungsregulation

- Führe kontinuierlich nach Quelle: Rasmussen (1983)

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Planen

• Strukturiertes Mentalmodell für unbekannte Situationen Hypothese: • Vorwärts- u. Rückwärtsverkettung beim Schlussfolgern Handlung: • Bewusste Handlungsregulation

Regelbasiertes Verhalten

Symbole

Entscheiden

Merkmalsfunktion

Assoziieren

(Signale)

Sensorischer Input

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Regeln

Sensumotorische Muster

Signale Handlungen

Gashebelstellung maximal Treibstoffzufuhr gehemmt auf anderen Tank umschalten

Steigwinkel proportional zur Fluggeschwindigkeit WENN Flugzeug sinkt DANN

• Heuristiken, „Kochrezepte“ für Geschwindigkeit steigern bekannte Situationen • Vorwärtsverkettung (WennDann)  Motordrehzahl erhöhen • Bewusste Handlungsregulation

Fertigkeitsbasiertes Verhalten

Zeichen

Regelbasiertes Verhalten

Erkennen

Für stabile Fluglage ist Motordrehzahl von ca. 3000 min-1 erforderlich.

Wissensbasiertes Verhalten Symptome: Motordrehzahl zu niedrig

Ziele Identifizieren

Wissensbasiertes Verhalten

Das 3-Ebenen-Modell nach Rasmussen Beispiel 2

(Regel).

Durch Bewegungen des Steuerhorns

Fertigkeitsbasiertes Steigratenanzeiger in Nulllage halten Verhalten (Sensumotorisches Muster). • Erlernte oder intuitive sensumotorische Muster (Ist die Geschwindigkeit zu niedrig, • Unbewusste Handlungsregulation es jedoch zum Überziehen (Stall)

kommen.)

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kann

Das 3-Ebenen-Modell nach Rasmussen: Berücksichtigung von Reaktionszeit und Lerneffekten Regulationsebenen menschlicher Leistung

Reaktionszeiten und Lernen

Ziele

Zeichen

Symbole

Identifizieren

Erkennen

Merkmalsfunktion

Entscheiden

Assoziieren

(Signale)

Sensorischer Input

Planen

Wissensbasiertes Verhalten

Regeln

Regelbasiertes Verhalten

Sensumotorische Muster

Fertigkeitsbasiertes Verhalten Reaktionszeit

Signale Handlungen nach Hannamann (1988)

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Das 3-Ebenen-Modell nach Rasmussen: Orientierung in der Stadt – Ein Beispiel für Lerneffekte Reaktionszeiten und Lernen

Beispiel Unterstützung durch einen Stadtplan: horizontale bzw. vertikale Koordinaten; Norden, Süden, Osten, Westen bzw. oben, unten, rechts, links; Straßennamen, Distanzabschätzungen

Wissensbasiertes Verhalten

ausgewählte Punkte bzw. Punktfolgen als Wegmarken auswählen, z.B. „nach dem Passieren des Bahnhofs rechts halten“ oder „an der nächsten Hauptverkehrsstrasse links“ etc.

Regelbasiertes Verhalten

Fertigkeitsbasiertes Verhalten Reaktionszeit

Die Angewiesenheit auf Hilfsmittel (extern bzw. intern), auf die kontrolliert und bewusst zugegriffen werden musste, entfällt

 Effekte sind abhängig von Nutzungserfahrung und -häufigkeit © Lehrstuhl und Institut für Arbeitswissenschaft, RWTH Aachen

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Entscheidungsleiter („Decision Step Ladder“) nach Rasmussen (1986) Formales Entscheidungsmodell und Operationalisierung: Welches Gesamtziel ist zu wählen?

Evaluieren

Mehrdeutigkeit Wie ist die Wirkung auf das Gesamtsystem?

Ultimatives Ziel

Interpretieren

Wie ist der Zielzustand der Anlage charakterisiert? Zielzustand

Systemzustand

Welche Ursachen Identifizieren sind möglich?

Definiere Aufgabe

Menge von Beobachtungen

Welche Störung liegt vor?

Welche Bedingungen sind zu ändern?

Aufgabe

Beobachten

Wie ist bei der Formuliere Prozedur Behebung vorzugehen?

Alarm

Prozedur

Aktivierung

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AktionsWie ist die Prozedur ausführung auszuführen?

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Entscheidungsleiter nach Rasmussen: Beispiel - Störfall in einem Wasserkraftwerk Im Fokus steht die Überlast bei Stromproduktion durch überhöhte Drehzahl der Laufradschaufeln unter Berücksichtigung von Kavitation (eine zu hohe Geschwindigkeit der Schaufeln führt nach Gesetz von Bernoulli zu so starkem Abfall des Wasserdrucks, dass der statische Druck unter den Verdampfungsdruck der Flüssigkeit fällt und sich Dampf- oder Gasblasen bilden).

Kavitation erzeugender Propeller

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Entscheidungsleiter nach Rasmussen: Beispiel - Störfall in einem Wasserkraftwerk Welches Gesamtziel ist zu wählen?

Evaluieren Sicherung der Anlage bei

Mehrdeutigkeit Wie ist die Wirkung auf das Gesamtsystem? Systemzustand

Ultimatives Ziel fortlaufender Stromproduktion

Interpretieren

Systemüberlastung

Drehzahl verringern durch (1) Änderung der Schaufelstellung oder (2) Druckreduktion

Definiere Aufgabe

Anzeigen prüfen auf Durchfluss, überhöhte Drehzahl der Laufradschaufeln, Probleme der Stellkörper in der Turbine o.ä.

Menge von Beobachtungen

ÜberwachungsBeobachten monitore kontrollieren

Aktivierung

(1) Optimaler Schaufelwinkel und nötige Bediensequenzen ermitteln, Produktionsausfall und Arbeitsschritte dokumentieren

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rot blinkendes Warnsignal bzw. Warnton wahrnehmen

Welche Bedingungen sind zu ändern?

Aufgabe

Wie ist bei der Formuliere Prozedur Behebung vorzugehen?

Operateur erkennt: reibungsloser Ablauf behindert

Alarm

**Quelle: Sanderson (1991)

Zielzustand

Drehzahl im idealen Bereich

Welche Ursachen Identifizieren überhöhte Drehzahl sind möglich? identifiziert

Welche Störung liegt vor?

Wie ist der Zielzustand der Anlage charakterisiert?

Prozedur

o.g. Prozeduren umsetzen

AktionsWie ist die Prozedur ausführung auszuführen?

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Entscheidungsleiter nach Rasmussen: Beispiel – Drohender Strömungsabriss im Steigflug Welches Gesamtziel ist zu wählen?

Evaluieren Ultimatives Ziel Sicherer Flug

Mehrdeutigkeit Wie ist die Wirkung auf das Gesamtsystem? Systemzustand

von A nach B

Interpretieren

Wie ist der Zielzustand der Anlage charakterisiert? Zielzustand

stabile Fluglage

Flugstabilität gefährdet

Geschwindigkeit Welche Ursachen Identifizieren im Steigflug zu sind möglich?

Geschwindigkeit erhöhen Definiere durch (1) Anpassung Aufgabe niedrig Vortrieb/Fluglage oder (2) Steigflug abbrechen Anzeigen prüfen auf GeschwindigAnpassung keit, Höhe, Kurs, Druck o.ä. Vortrieb/Fluglage

Menge von Beobachtungen

Welche Störung liegt vor?

Beobachten Überwachungsmonitore kontrollieren

**Quelle: Sanderson (1991)

- Stellung Luftbremsen prüfen Formuliere Prozedur - Schubhebel auf Volllast - Steigwinkel verringern - Geschwindigkeit einregeln

Pilot erkennt: Shaker aktiviert, Strömungsabriss droht

Alarm

Aktivierung

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Welche Bedingungen sind zu ändern?

akustisches/visuelles/haptisches Warnsignal wahrnehmen

Aufgabe

Wie ist bei der Behebung vorzugehen?

Prozedur

o.g. Prozeduren umsetzen

AktionsWie ist die Prozedur ausführung auszuführen?

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Entscheidungsleiter nach Rasmussen: Expertengeleitetes Entscheiden, Regulationsebenen Wissensbasiertes Verhalten • Strukturiertes Mentalmodell (Ziele, Funktionen, Ressourcen) für unbekannte Situationen • Bewusste Handlungsregulation • Vorwärts- u. Rückwärtsverkettung beim Schlussfolgern

Evaluieren Mehrdeutigkeit

Ultimatives Ziel

Interpretieren Systemzustand

Zielzustand

Regelbasiertes Verhalten

Identifizieren

Menge von Beobachtungen

• Heuristiken, „Kochrezepte“ für bekannte Situationen • Vorwärtsverkettung (WennDann) • Bewusste Handlungsregulation

Definiere Aufgabe

Erkennen im Sinne der Zustandsfeststellung

Aufgabe

Formuliere Prozedur

Beobachten

Fertigkeitsbasiertes Verhalten Alarm

Prozedur

• Erlernte oder intuitive sensumotorische Muster • Unbewusste Handlungsregulation Aktivierung

© Lehrstuhl und Institut für Arbeitswissenschaft, RWTH Aachen

Auslösen der vordefinierten Handlung zur Störungsbehebung

Aktionsausführung

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Entscheidungsleiter nach Rasmussen: Beispiel: Störungsbearbeitung mit Diagnoseunterstützung Anlagenhersteller Unterstützungssystem (z.B.) XPS

1. Anzeige der Störungsdaten

Betreiber

2. Identifikation der Störung

Menge von Beobachtungen

SystemZustand

Menge von Beobachtungen

Aufgabe

3. Behebungsorder an Computer Alarm

4. Ausführung der Befehlssequenz

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Prozedur

Prozedur

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Abstraktionshierarchie nach Rasmussen* Gesamt-Teil-Relation Aggregation

Mittel-Zweck-Relation Abstraktion Konkretisierung

Gesamtsystem

Subsystem

Dekomposition

Funktionale Einheit

Baugruppe

Funktionaler Zweck

Abstrakte Funktion

A

Generalisierte Funktion

B C

Physikalische Funktion

D

E F

Physische Form * Vicente & Rasmussen, 1992 © Lehrstuhl und Institut für Arbeitswissenschaft, RWTH Aachen

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Komponente

Abstraktionshierarchie nach Rasmussen* Gesamt-Teil-Relation Aggregation

Mittel-Zweck-Relation Abstraktion Konkretisierung

Gesamtsystem

Subsystem

Funktionaler Zweck

Abstrakte Funktion

Generalisierte Funktion

Physikalische Funktion

Physische Form

Dekomposition

Funktionale Einheit

Baugruppe

A ist Grund für B

A B dient dem Zweck A

B ist verbunden mit C (kausal etc.)

B C D

D besteht aus E und F

E F E und F sind Teile von D

* Vicente & Rasmussen, 1992 © Lehrstuhl und Institut für Arbeitswissenschaft, RWTH Aachen

Komponente

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Anwendungsbeispiel aus der Verfahrenstechnik Gesamt-Teil-Relation Aggregation

Gesamtsystem

Subsystem

Dekomposition

Funktionale Einheit

Baugruppe

Anlage zur Erzeugung von Vinylchlorid

Dekompositionshierarchie für die Verfahrensentwicklung (nach Foltz 2008)

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Komponente

Anwendungsbeispiel aus der Verfahrenstechnik Gesamt-Teil-Relation Aggregation

Mittel-Zweck-Relation Abstraktion Konkretisierung

Gesamtsystem

Funktionaler Zweck

Zielkatalog, Anforderungsliste

Abstrakte Funktion

Abstrakter Funktionszusammenhang

Generalisierte Funktion

Standardfunktionszusammenhang

Physikalische Funktion

Wirkzusammenhang, Organstruktur

Physische Form

Bauzusammenhang

Subsystem

Dekomposition

Funktionale Einheit

Baugruppe

(nach Foltz 2008) © Lehrstuhl und Institut für Arbeitswissenschaft, RWTH Aachen

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Komponente

Quantitative Beschreibung menschlichen Verhaltens: Model Human Processor Langzeitspeicher d = unendlich m = unendlich k = semantisch

Arbeitsspeicher Visueller Speicher

Auditiver Speicher

d = 200 [70-1000] ms m= 17 [7-17] Buchstaben k = physikalisch

d= 1500 [900-3000] ms m = 5 [4,4-6,2] Laute k = physikalisch

m = 3 [2,5-4,1]chunks m* = 7 [5-9] chunks d = 7 [5-226] s d (1 chunk) = 73 [73-226] s d (3 chunk) = 7 [5-34] s k = akustisch oder visuell

t : Zykluszeit

d : Verfallszeit m : Kapazität k : Kodierung

Perzeptiver Prozessor t = 100 [50-200] ms

Kognitiver Prozessor t = 70 [25-170] ms

Motorischer Prozessor t = 100 [50-200] ms

Blickbewegung= 230 [70-700] ms © Lehrstuhl und Institut für Arbeitswissenschaft, RWTH Aachen

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Quantitative Beschreibung menschlichen Verhaltens: GOMS und Keystroke Level Model (GOMS-KLM) KLM Operatoren

 K (Key)

- Taste oder Knopf drücken 0,12 – 0,28 s

 B (Button)

- Maustaste Drücken oder Loslassen: 0,10 s Klicken: 0,20 s

 P (Point)

- Mauszeiger auf eine bestimmte Stelle bewegen durchschnittlich 1,10 s

 H (Home)

- Hände in Ruhestellung (z.B. auf Tastatur oder Maus) bringen 0,40 s

 D (Draw)

- Liniensegment zeichnen variabel

 M (Mental)

- Mentale Vorbereitung einer Handlung 1,35 s

 R (Response) - Reaktionszeit des Systems; Benutzer wartet variabel © Lehrstuhl und Institut für Arbeitswissenschaft, RWTH Aachen

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Lernerfolgsfragen  Welche Modelle werden im Cognitive Engineering unterschieden?  Welche Arten des menschlichen Verhaltens differenziert Rasmussen?  In Welche Abstraktionsebenen ist die Abstraktionshierarchie nach Rasmussen gegliedert?  Welche unterschiedlichen Prozessoren unterscheidet der Model Human Processor?

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Weiterführende Literatur   

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Card, S.K., Moran, T.P. & Newell, A.L. (1983). The psychology of human computer interaction. Hillsdale, NJ: Erlbaum. Flach, J., Hancock, P., Caird, J. & Vicente, K.: Global Perspectives on the Ecology of Human-Machine Systems. New York: Erlbaum. Foltz, C. (2008): Ein Cognitive-Engineering-Konzept zur Analyse und Gestaltung von kreativinformatorischer Arbeit in der verfahrenstechnischen Entwicklung. Schriftenreihe Industrial Engineering and Ergonomics. Shaker Verlag, Aachen Helander, M. (1988): Handbook of Human-Computer Interaction. New York: Elsevier Science Publishers. Pahl, G., Beitz, W., Feldhusen, J., & Grote, K. H. (2007). Pahl/Beitz Konstruktionslehre. 7. Aufl. Berlin: Springer. Rasmussen, J. (1983): Skills, Rules, and Knowledges; Signals, Signs, and Symbols, and Other Distinctions in Human Performance Models. IEEE Transactions on Systems, Man, and Cybernetics, Vol. SMC-13, No. 3. Rasmussen, J. (1986): Information processing and Human-Machine Interaction: An Approach to Cognitive Engineering. Amsterdam: North-Holland. Rasmussen, J., Pejtersen, A.M. & Goodstein, L. (1994): Cognitive Systems Engineering. New York: Wiley. Rouse, W.B. (1984): Advances in Man-Machine Systems Research, Vol. 5. Greenwich, CT: JAI Press. Wickens, C.D. & Hollands, J. (1999): Engineering Psychology and Human Performance. 3rd ed. New Jersey: Prentice Hall.

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