Humboldt-Universität zu Berlin - Lebenswissen­schaftliche Fakultät - Institut für Psychologie

ATEO - ein Beitrag zum Graduiertenkolleg prometei

Das Projekt „ArbeitsTeilung Entwickler-Operateur“ (ATEO) befasst sich mit der Ausweitung der Forschung zum Thema „Funktionsteilung zwischen Mensch und Maschine“.

Beschreibung und Download der ATEO-Software-Suite hier

 

Bis vor kurzem lag der Schwerpunkt darauf, eine gleichzeitige Interaktion zwischen Mensch und Maschine zu untersuchen. Stattdessen betrachten wir eine asynchrone Arbeitsteilung zwischen zwei verschiedenen Gruppen:

 

1. Menschen, die Systeme planen und antizipieren: Entwickler/Designer

2. Menschen, welche die implementierten Systeme benutzen: Operateure/Anwender

Genauere Informationen zu den verschiedenen Teilaspekten des Projektes finden Sie hier:

  1. Organisatorische Einordnung
  2. Inhaltliche Einordnung
  3. Projektziel
  4. Forschungsparadigma
  5. Studien zum Operateurverhalten
  6. Studien zu Entwicklern
  7. Arbeitsmittel
  8. Aktueller Stand der Arbeit
  9. Studien- und Diplomarbeiten
  10. Mitarbeiter, Kontakt
  11. Publikationen

 

1. Organisatorische Einordnung

 

Am 01. Oktober 2004 startete das interdisziplinäre Graduiertenkolleg prometei. Das Graduiertenkolleg ist organisatorisch am Zentrum Mensch-Maschine-Systeme der Technischen Universität Berlin angesiedelt. Das Portfolio der Wissenschaftler der Technischen Universität wird ergänzt durch Partner aus der Humboldt-Universität zu Berlin und aus dem Fraunhofer Institut für Produktionsanlagen und Konstruktionstechnik

. Der Lehrstuhl für Ingenieurpsychologie und Kognitive Ergonomie der Humboldt-Universität zu Berlin beteiligt sich im Rahmen des Projekts ATEO am Graduiertenkolleg.

 

2. Inhaltliche Einordnung

 

Die Fortschritte der Informations- und Kommunikationstechnik führen bei der Funktionsteilung in Mensch-Maschine-Systemen (MMS) zu einer immer stärkeren Übernahme von Funktionen der Steuerung und Überwachung durch Maschinen, unter anderem in Form von automatisierten Systemen und in Form von Assistenzfunktionen, die in Mensch-Maschine-Systeme integriert werden. Die bestehenden Lösungsansätze wie „Men Are Better At – Machines Are Better At“-Listen (Fitts, 1951), Besinnung auf „menschliche Stärken“ im Rahmen von human-centered automation (Billings, 1991) und adaptiv-dynamische Funktionsteilung (Rouse, 1988) reichen allein noch nicht aus, um eine prospektive Optimierung der Funktionsteilung in frühen Phasen der Entwicklung zu erreichen. In der Literatur gibt es sehr viele konzeptuelle Arbeiten zur Funktionsteilung in Mensch-Maschine-Systemen und zu Automatisierungsstrategien und ihren Auswirkungen auf den Menschen. Weiterhin findet man häufig Einzelfallanalysen zu Unfällen. Diese beziehen sich allerdings auf sehr seltene und schwer zu generalisierende Ereignisse. Es gibt nur wenig Berichte über empirische oder experimentelle Forschung, in denen zum Beispiel die Funktionsteilung experimentell variiert wurde. Die wenigen Ausnahmen stammen aus speziellen Technikbereichen, zum Beispiel Air Traffic Control. Sie fokussieren jedoch fast ausschließlich auf die Betriebsphase von MMS und thematisieren Funktionsteilung vor allem unter dem Gesichtspunkt, ob es angemessener ist, eine bestimmte Funktion durch den Operateur oder durch eine Automatik realisieren zu lassen.

3. Projektziel

 

Durch experimentelle Untersuchungen soll eine Lücke geschlossen werden:

  • zwischen den konzeptionelle Arbeiten zu human-centered automation und
  • den Analysen von selten auftretenden und schwer zu verallgemeinernden Unfällen

Das Konzept einer synchronen Funktionsteilung  zwischen Mensch und Maschine soll ergänzt werden durch das einer asynchronen Arbeitsteilung zwischen Entwickler und Operateur. Die Untersuchungsreihe vergleicht die Antizipation von Ereignissen in komplexen Systemen (Entwickler) mit der Reaktion auf Ereignisse (Operateur).

 Entwickler vs Operateur SW


Das Projekt soll auf der Basis verschiedener Laboruntersuchungen Erkenntnisse liefern, die ermöglichen sollen, zukünftig eine kompetenzförderliche und zuverlässige Funktionsteilung Mensch-Maschine auf der Grundlage einer verbesserten Arbeitsteilung zwischen Entwicklern und Operateuren zu erreichen.

4. Forschungsparadigma

 

Ein Dilemma empirischer Forschung zu komplexen Systemen besteht im Spannungsfeld zwischen Realitätsnähe und Handhabbarkeit einer Untersuchung. Eine Brücke schlagen Mikrowelten, die technisch-physikalische Prozesse in verschiedenen Formen von computerbasierten Simulationen abbilden. Doch auch diese stoßen an Grenzen, wenn es um die Einbeziehung von Zufallsvariablen geht. Entweder sind die Funktionen deterministisch und Ereignisse können prinzipiell von Menschen vorhergesehen werden – auch wenn sie hochgradig komplex und interdependent sind. Oder sie enthalten stochastische Anteile, was Vorhersehbarkeit naturgemäß unmöglich macht.

 

Vielversprechend erscheint der Ansatz, für empirische Untersuchungen Mikrowelten um eine lebendige Komponente zu erweitern – reale Mikroweltbewohner. Menschen als wichtiger Faktor für Komplexität in einem System werden dabei nicht simuliert, sondern in festgelegten Rollen als Teil der Versuchsumgebung eingesetzt.

 

5. Studien zum Operateurverhalten

 

In der ersten Phase dieses Projektteiles wird an den experimentellen Grundlagen der geplanten Untersuchungen gearbeitet. Eine eigene Versuchsumgebung zur Analyse und Gestaltung von Funktionsteilung und Automatisierungsgraden in Mensch-Maschine Systemen wird entwickelt und erprobt.

 

Untersuchungsparadigma zum Gewinnen von Erkenntnissen über Operateurverhalten ist supervidiertes kooperatives Tracking.

 

Die Grundsituation der Experimente zum Operateurverhalten wird beschrieben durch die Aufgabe, in der Mikrowelt einer Straßenlandschaft ein kleines Objekt auf einer vorgegebenen Strecke entlang zu steuern – Tracking.

strecke

 

Das System wird als offenes System gestaltet. Prinzipiell nicht vorhersehbare Komponenten im Sinne Sheridans „the unseen unseen“ werden durch den Einsatz der Mikroweltbewohner realisiert. Zum Tragen kommen hier zum Beispiel die Manipulation von Konfliktpotential durch den Einsatz verschiedener Kommunikations- und Interaktionsformen, Persönlichkeitsfaktoren der Mikroweltbewohner, sowie zusätzliche zu bewältigende Aufgaben.

 

Grundidee der Versuchsreihe ist es, eine prinzipiell einfache Aufgabe auf verschiedenen Ebenen sukzessive anzureichern und damit die Komplexität des Systems zu beeinflussen.

 

Die Untersuchung verläuft in drei Stufen. Die Wirkungen der manipulierten Faktoren werden schrittweise ermittelt:

 

stufenweise Ermittlung der Faktorenwirkung SW

 

In einem ersten Schritt werden Faktoren der Aufgabensituation im engeren Sinne ausgewählt und untersucht. Im zweiten Schritt kommen Kooperation und Kommunikation als Faktoren hinzu. Der Untersuchungsgegenstand wird auf kooperatives Tracking erweitert. Eine gute Leistung im Tracking kann dabei nur erreicht werden, wenn beide Mikroweltbewohner ihre Leistungen optimal aufeinander abstimmen.

Im letzten Schritt beobachtet ein Operateur (i.S. eines Supervisors) in Echtzeit das Ergebnis des kooperativen Trackings und kann auf verschiedenartige Weise eingreifen, so wie auch eine Automatik oder ein Assistenzsystem eingreifen würde. Er kann z. B. bestimmte Aktionen der Mikroweltbewohner blockieren, begrenzen, verstärken oder informative Warnungen, Hinweise und Rückmeldungen geben.

 

Der Grundaufbau des Experiments entspricht dem Wizard of Oz Prinzip, wobei abweichend von der üblichen Realisierung dieses Prinzips der Zugang des Wizards zu Informationen gesondert variiert werden kann, indem z. B. nur Informationen dargeboten werden, die auch für eine Automatik (z. B. über Sensoren) zugänglich wären.

 

Diese Eingriffe sollen mit denen verglichen werden, die in den konzipierten und teilweise implementierten Unterstützungssystemen realisiert werden.

6. Studien zu Entwicklern

 

Die Thematik wird im Rahmen von insgesamt drei empirischen Studien untersucht. Die erste Studie, eine Pilotuntersuchung, wurde im Juli 2005 durchgeführt. Hier wurden Entwickler mit einer offenen Aufgabenstellung konfrontiert. Zuerst wurde ihnen ein einfaches technisches System – die kooperative Trackingsituation – vorgestellt. Für dieses System sollten sie eine Konzeption eines technischen Assistenzsystems entwickeln. Zweck dieser Pilotstudie war unter anderem die Überprüfung der angewandten Forschungsmethodik; genauere Angaben sind zu ersehen in Krinner (2005, 2006). Ein Beispiel für die Konzeption eines Assistenzsystems kann der folgenden Abbildung entnommen werden:

 

beispiel konzeption von assistenzsystemen

 

In einer umfangreichen quasi-experimentellen Studie, die im Mai 2006 durchgeführt wurde, wurden Entwickler abermals mit der Entwicklung eines technischen Assistenzkonzepts betraut. Hier wurde die Entwicklung von Assistenzsystemen aber unter einer von drei möglichen Bedingungen durchgeführt. Variiert wurde der Grad des Vorwissens der entwickelnden Personen. Dies geschah, indem verschiedene Grade an Benutzerpartizipation im Entwicklungsprozess eingeführt wurden (Krinner & Wandke, angenommen). Die in dieser Studie aufgezeichneten Videomaterialien werden momentan inhaltsanalytisch ausgewertet und in ein Kategoriensystem für Assistenzsysteme eingeordnet.

Die am häufigsten auftretenden Assistenzvorschläge werden in einem folgenden Arbeitsschritt prototypisch implementiert. Diese Assistenzsysteme werden in einer dritten Studie jeweils Paaren von kooperativ trackenden Versuchsteilnehmern zur Seite gestellt. Die Leistungen der kooperativ trackenden Personen mit Unterstützung durch die verschiedenen Systeme werden erhoben und miteinander verglichen. Dies ermöglicht eine quantitative Bewertung der vorgebrachten Assistenzvorschläge.

 

Ziel dieser Arbeit ist eine Zusammenstellung der Aspekte, die Entwickler in eine Arbeitsteilung zwischen Entwickler und Operateur einbringen können. Das Spektrum dieser Aspekte umfasst z. B. Vorwissen, Planungsleistungen, Strategien und Entscheidungen, die während des Entwicklungsprozesses zum Tragen kommen.

 

Letztendlich wird eine Zusammenstellung von Leistungen und Beitragsmöglichkeiten von Entwicklern und Operateuren in Mensch-Maschine-Systemen ermöglicht. Eine Anwendungsmöglichkeit dieser Arbeiten besteht auf dem Gebiet des partizipativen Designs. Wie kann die Zusammenarbeit zwischen Entwicklern und Operateuren so gestaltet werden, dass die kognitive Umgebung von Entwicklern optimal angereichert wird, indem Operateure an entsprechenden Stellen in den Entwicklungsprozess miteinbezogen werden? Mit einer Bestimmung, welche Variationen von Benutzerpartizipation sich hierzu optimal eignen, wird eine kompetenzerhaltende und -fördernde Gestaltung technischer Systeme ermöglicht.

7. Arbeitsmittel

 

a) Entwicklungsumgebung SQUEAK

Die Versuchsumgebung wird auf der Basis der multimedialen Entwicklungsumgebung Squeak realisiert. Dieses maßgeblich von Alan Kay begründete Open-Source-Projekt wird von einer stetig wachsenden Community ständig weiterentwickelt. Es ist via Internet frei zugänglich und steht kostenlos zur Verfügung. Squeak basiert auf der Programmiersprache Smalltalk, der ersten vollständig objektorientierten Programmiersprache.

 

Im Rahmen des Projektes entstanden die vier Softwareprodukte SAM (Socially Augmented Microworld), AMD (ATEO Master Display), AAF (ATEO Automation Framework) und MW (Mental Workload), welche mit Squeak und in der Programmiersprache Smalltalk realisiert wurden. Hier geht es zur genaueren Beschreibung und zum Download der ATEO-Software-Suite.

 

b) Videoaufzeichung- und Auswertung

Jede Sitzung der Studien zum Entwicklerverhalten wurde in digitalen Video-Dateien festgehalten. Dies geschah, um eine möglichst vollständige Erfassung des gezeigten Verhaltens zu ermöglichen. Die Videos einer Pilotuntersuchung wurden transkribiert und mittels des Verfahrens der Inhaltsanalyse (Mayring, 2000) ausgewertet. Als Kategoriensystem kam die von Wandke (2005) vorgestellte Taxonomie für Assistenzsysteme zum Einsatz.

8. Aktueller Stand der Arbeit

 

Auf Operateurseite wird gegenwärtig an der Entwicklung und Erprobung der Versuchsumgebung gearbeitet.

Bereits untersucht wurden Streckenmerkmale der Versuchsumgebung, Variationen der Versuchsdurchführung und Faktoren der Aufgabensituation, wie der Einfluss verschiedener Instruktionen. Baselineuntersuchung 1 wurde abgeschlossen und befindet sich in der letzten Phase der Auswertung, Baselineuntersuchung 2 wird gerade vorbereitet.

Darüber hinaus konnten - unter Bezugnahme auf ein eigens entwickeltes Kausalmodell sowie Befunde zu Zusammenhängen zwischen Personenmerkmalen und Leistungsmaßen im Tracking - zentrale Merkmale von Mikroweltbewohnern identifiziert werden, nach welchen sich die Teams im kooperativen Tracking zusammensetzen lassen, um die Komplexität des Systems zu beeinflussen [vgl. Diplomarbeit Nachtwei, J. (2006)].

 

Zwei qualitative Studien wurden Juli 2005 und im Mai 2006 durchgeführt. Die umfangreiche Studie, die im Mai diesen Jahres durchgeführt wurde, wird momentan ausgewertet. Die im Rahmen der Studie aufgezeichneten Videomaterialien werden von zwei Beobachtern geratet. Die von den Teilnehmern vorgebrachten Assistenzvorschläge werden in ein Kategoriensystem für Assistenzsysteme eingeordnet (Wandke, 2005).

 

9. Studien- und Diplomarbeiten

 

a) laufende Diplomarbeit

Steffi Henkel: Wie können Entwickler sinnvolle Unterstützungssysteme gestalten? Vergleich veschiedener Bedingungen bei der Entwicklung von Assistenzsystemen

 

b) abgeschlossene Diplomarbeit

Jens Nachtwei: Personenmerkmale als Kodeterminanten der Komplexität einer belebten Mikrowelt

 

c) abgeschlossene Studienprojekte

Wenke Burde: Vergleich von vier visuellen Feedbackmöglichkeiten

Bianka Feldmann und Konrad Rychlewski: Steuerungs- und Umgebungsvariablen bei Fahrsimulation im Rahmen des ATEO-Projekts

 

10. Mitarbeiter/ Kontakt

 

 

Dipl.-Psych. Jens Nachtwei

 

Dipl.-Psych. Saskia Kain

 

11. Publikationen

2008

Gérard, N. , Huber, S., Nachtwei, J., Pape, N. & Schubert, U. (submitted). Influences on Operator Performance in Supervisory Control - An Integrative Approach. Proceedings of NordiCHI 2008.

Kain, S. (accepted). Entwickler in komplexen Mensch-Maschine-Systemen: Analyse der Antizipationsgüte von Konflikten. Beitrag zur Doktorandenwerkstatt der Gesellschaft für Arbeitswissenschaft e.V., GFA-Press.

Kain, S. & Nachtwei, J. (accepted). Die Rolle von Kontrollvariablen in der Human Factors Forschung - Ein bewährtes Konzept in einem modernen Anwendungsfeld. In: Krause, B. und Metzler, P. (Hrsg.). Empirische Evaluationsmethoden Band 12, ZeE Verlag: Berlin.

Huber, S., Kain, S. & Nachtwei, J. (accepted). Effekte sicherer nachweisen: Persönlichkeitsmerkmale als Kontrollvariablen in der Human Factors Forschung. Beiträge der Ergonomie zur Mensch-System-Integration. Grandt & A. Bauch (Hrsg.). Bonn: Deutsche Gesellschaft für Luft- und Raumfahrt e. V. (DGLR-Bericht 2008).

Wandke, H. & Nachtwei, J. (2008). The different human factor in automation: the developer behind vs. the operator in action. In: D. de Waard, F. O. Flemisch, B. Lorenz, H. Oberheid, and K. A. Brookhuis (Eds.), Human factors for assistance and automation (pp. 493-502). Maastricht, the Netherlands: Shaker Publishing.

Nachtwei, J. (2008). Operateure in komplexen Mensch-Maschine-Systemen: Theorie und Empirie zum Trias "Ressource, Diagnose- und Prozessführungsleistungen", 805-808. Beitrag zur Doktorandenwerkstatt der Gesellschaft für Arbeitswissenschaft e. V., GfA-Press (2008).

Nachtwei, J. (2008). Ein experimenteller Ansatz in der kognitiven Ergonomie – Personenmerkmale als Kodeterminanten der Komplexität einer belebten Mikrowelt. VDM Verlag Dr. Müller: Saarbrücken.

Nachtwei, J. (2008). Handlungsstrategie als Kontrollvariable in Laborexperimenten: Konstruktion und Evaluation des Fragebogeninstrumentes FESE-R, 177. Vortrag im Rahmen der 50. Tagung experimentell arbeitender Psychologen (TEAP 2008).

 

2007

Gross, B. & Nachtwei, J. (2007). How to develop and use assistance systems efficiently - Using the microworld as a method to acquire knowledge for developers and operators. In D. de Waard, B. Hockey, P. Nickel, and K. Brookhuis (Eds.), Human Factors Issues in Complex System Performance (pp. 345-350). Maastricht, the Netherlands: Shaker Publishing.

Bruder, C. & Nachtwei, J. (2007). Zwischen Effekt und Effizienz: Die Stichprobengröße pragmatisch planen. Grandt & A. Bauch (Hrsg.) Stand und Perspektiven der simulatorgestützten Systemgestaltung, 173-188. Bonn: Deutsche Gesellschaft für Luft- und Raumfahrt e.V. (DGLR-Bericht 2007).

 

2006

Gross, B. & Nachtwei, J. (2006). Assistenzsysteme effizient entwickeln und nutzen - Die Mikrowelt als Methode zur Wissensakquisition für Entwickler und Operateure. In: M. Grandt & A. Bauch (Hrsg.) Cognitive Systems Engineering in der Fahrzeug- und Prozessführung. Bonn: Deutsche Gesellschaft für Luft- und Raumfahrt e.V. (DGLR-Bericht 2006-02/07).

Krinner, C. (2006). Division of labour between developers/designers and operators: A new perspective on function allocation in human-machine systems. In Design process and human factors integration: Optimising company performance. Proceedings of the Ninth International Symposium of the ISSA Research Section. Nizza: INRS.

Krinner, C. & Polkehn, K. (angenommen). Squeak als Simulationswerkzeug in Forschung und Lehre zur MCI. In A. M. Heinecke & H. Paul (Hrsg.), Mensch & Computer 2006: Mensch und Computer im StrukturWandel. München: Oldenburg.

Krinner, C. & Wandke, H. (angenommen). Entwicklung von Assistenzsystemen - Beiträge von Entwicklern zu einer Arbeitsteilung zwischen Entwickler und Operateur. Vortrag auf der Tagung Humane Zukunft gestalten. 45. Kongress der Deutschen Gesellschaft für Psychologie.

 

2005 

Gross, B.-U. (2005). Operationalisierung von Komplexität im Experiment. In L. Urbas & C. Steffens (Hrsg.), Zustandserkennung und Systemgestaltung. 6. Berliner Werkstatt Mensch-Maschine-Systeme (S. 211-214). Düsseldorf: VDI.

Krinner, C. (2005). Arbeitsteilung Entwickler-Operateur: Eine Studie zum Entwicklerverhalten in Konzeptionsphasen. In L. Urbas & C. Steffens (Hrsg.), Zustandserkennung und Systemgestaltung. 6. Berliner Werkstatt Mensch-Maschine-Systeme (S. 247-250). Düsseldorf: VDI.

Krinner, C. & Groß, B.-U. (2005). Arbeitsteilung zwischen Entwicklern und Operateuren von Mensch-Maschine-Systemen: Eine neue Perspektive auf Funktionsteilung in Mensch-Maschine-Systemen. In C. Steffens (Hrsg.), Frühjahrsschule des ZMMS (Forschungsbericht, S. 13-14). Technische Universität Berlin, Zentrum Mensch-Maschine-