Kurzbeschreibung des Projekts

 

Laufzeit: 2004 - 2013

Träger: Durch die DFG finanziertes Graduiertenkolleg PROMETEI

Ausgangspunkt:

„Sie sich vor, Sie sitzen im Flieger Richtung Urlaub. Es kommt zu Problemen, das Flugzeug trudelt, Sie werden unruhig. Sie holen stark auf die Kunst der Piloten. Doch Unfälle sind häufg auf menschliches Versagen zurückzuführen. Menschen sind zuwei- len unkonzentriert, überfordert und schätzen Situationen falsch ein. Sie vertrauen auf den Bordcomputer? Doch auch Technik funktioniert nicht immer einwandfrei und verhindert zuweilen richtige Reaktionen von Menschen.“

So beschreibt der Artikel in der HU Wissen aus dem Jahr 2011 eines der Kernthemen der Ingenieurpsychologie, nämlich die Funktionsallokation: Die Frage nach der Aufteilung der Aufgaben zwischen Mensch und Maschine – bekannte Beispiele sind komplexe technische Systeme wie sie z.B. in Kernkraftwerken, Flugzeugen, Autos, Zügen, Krankenhäusern sowie Luft- und Raumfahrt zu finden sind.

 

Ziel: Als Erweiterung des klassischen Ansatzes der Funktionsallokation beschäftigt sich das ATEO-Projekt erstmals mit der Perspektive des Entwicklers von Maschinen und Automatiken. Seine Antizipationsleistung während der Entwicklung von Automatiken wird verglichen mit der Leistung von Operateuren während der Interaktion mit Maschinen in Echtzeit, in unserem Fall komplexe dynamische Systeme.

 

 

Software

 

Die vier Softwareprodukte SAM (Socially Augmented Microworld), AMD (ATEO Master Display), AAF (ATEO Automation Framework) und MW (Mental Workload) sind alle in Smalltalk mit Hilfe der Entwicklungsumgebung squeak programmiert worden. Im Folgenden sollen diese einzeln vorgestellt werden. Dabei sollen die Funktionsweise sowie Möglichkeiten der Konfiguration aufgezeigt werden. In jedem Abschnitt kann man die entsprechenden Programme herunterladen. Die bereitgestellten Zip-Dateien können mit allen gängigen Zip-Programmen ausgepackt werden. Die Softwareprodukte müssen dann nicht mehr installiert werden, sondern können sofort mit einem Klick auf die Datei squeak.exe gestartet werden.

 

SAM

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Die Socially Augmented Microworld (SAM) ist eine Abstraktion realer komplexer dynamischer Prozesse für empirische Untersuchungen unter kontrollierten Bedingungen eines Labors. Beispiele für solche Prozesse sind Kernkraftwerke, chemische Anlagen, der Prozess des Fliegens eines Flugzeuges oder das Regeln des Luftraums, wie es Fluglotsen im Tower tun.

Um die Komplexität in SAM zu erzeugen, wurden zwei Menschen in die Mikrowelt integriert. Diese haben als Aufgabe, ein Fahrobjekt eine Strecke entlang von Start bis Ziel zu steuern. Diese einfache Tracking-, Navigations- und Manöveraufgabe wird kooperativ von beiden Personen gleichzeitig bewältigt, indem der Einfluss auf das Fahrobjekt zu gleichen Teilen über zwei Joysticks aufgeteilt wird. Auf der Strecke kommt es in der Standardkonfiguration von SAM zu Entscheidungssituationen an Gabelungen, wo entweder ein langer aber breiter erscheinender Abzweig oder ein kurzer aber schmaler gewählt werden muss. Ebenfalls auf der Strecke befinden sich statische Hindernisse, welche entweder zu 25% oder zu 50% die Strecke abdecken. Eine Kollision mit diesen gilt als Fehler und wird mit einer Zeitstrafe sowie einem Setzen des Fahrobjektes neben die Strecke bestraft. Dynamische Hindernisse kreuzen die Strecke von links nach rechts und passen die Geschwindigkeit einmalig vor Erscheinen an das Verhalten der Personen im System an. Die dann unveränderte Geschwindigkeit führt bei gleichbleibender Geschwindigkeit des Fahrobjektes beim Kreuzen des dynamischen Hindernisses mit der Fahrbahn zur Kollision. Die Fahrer müssen sich also entscheiden, entweder zu bremsen oder wenn noch möglich zu beschleunigen.

 

In den Experimenten des ATEO-Projekts, und so auch in der Standardkonfiguration der Instruktionstafeln zu finden, wurden die beiden Personen unterschiedlich instruiert. Eine der beiden Versuchspersonen bekam die Anweisung, schnell aber vor allem genau zu fahren, die andere sollte genau aber vor allem schnell fahren. Dies erhöhte die Komplexität der Entscheidungen in den oben angesprochenen Situationen weiter.

Im Abstand von 40ms wird der Systemzustand von SAM in der Logdatei festgehalten, so dass es im Anschluss für den Versuchsleiter oder andere Personengruppen wie den Entwicklern von Automatiken oder den Operateuren möglich ist, das Verhalten der Personen von SAM zu analysieren und zu verstehen.

 

Die beiden entscheidenen Leistungsmaße sind dabei die Geschwindigkeit, welche durch die benötigte Zeit gemessen wird, und die Genauigkeit, welche durch die Abweichung des Fahrobjektes von der Mittellinie der Fahrbahn berechnet wird. Beide können durch das Logfile Analyse Tool (LFA) berechnet oder im Falle der benötigten Zeit direkt aus der Logdatei abgelesen werden. Dieses wird als csv-Datei für jede erfolgreich absolvierte Strecke nach dem Versuch gespeichert.Die Socially Augmented Microworld (SAM) ist eine Abstraktion realer komplexer dynamischer 

 

Konfigurationsmöglichkeiten von SAM:

• Die Strecke kann ersetzt werden
• Die Instruktionstexte können über Textdateien angepasst werden
• Die Anzahl der Streckendurchläufe kann verändert werden
• es kann eine einzelne Person mit einem Joystick und 100% Einfluss steuern oder 2 Personen kooperativ mit variablen Einfluss auf die Steuerung
• die Anzahl und Position von Hindernissen kann angepasst werden

 

AMD

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Mit dem ATEO Master Display (AMD) werden dem Operateur die Möglichkeiten der Überwachung und Beeinflussung von SAM gegeben. Überwacht werden können die Anstrengung der Versuchspersonen, das Verhalten über ein Live-Video, die Bewegungen des Fahrobjektes über eine Streckenansicht, welche auch eine Vorschau auf kommende Streckenteile gibt. Statische Informationen wie die Nummer der aktuellen Fahrt und die Anzahl verbleibender sowie die spezifischen Instruktionen werden in der Standardkonfiguration angezeigt. Die Eingriffsmöglichkeiten umfassen visuelle und auditive Hinweise wie schneller, langsamer, links, rechts fahren oder Warnungen vor Gabelungen und Hindernisse. auditive Hinweise zur Führung (Führung übernehmen oder überlassen) sowie Kurven schneiden oder genauer fahren können ebenfalls gegeben werden. Auditive Hinweise können entweder an einen von beiden oder an beide gleichzeitig gegeben werden. Visuelle Hinweise werden beiden Personen auf dem Bildschirm angezeigt.

 

Eingriffe in die Steuerung des Fahrobjektes beinhalten das Regulieren der möglichen Gesamtgeschwindigkeit von 100% - 0%, das Blockieren des links oder rechts Steuerns sowie das Verändern des initial auf 50%-50% eingestellten Einflusses der beiden Personen auf das Fahrobjekt. Hier kann auch 100% für einen der beiden Personen eingestellt werden, so dass die andere nicht mehr mitfahren kann.

 

 

Das AMD kann insofern konfiguriert werden, als dass die einzelnen Anzeigeelemente vor dem Versuch ein oder ausgeblendet werden können. So kann ein reduzierter AMD getestet werden, wo bspw. einzelne Informationen wie die Anstrengung nicht für den Operateur verfügbar sind oder nur Hinweise gegeben werden können, wenn die Eingriffe in die Steuerung des Fahrobjektes ausgeblendet sind.

 

Weitere Veränderungen am AMD können nur durch Neuentwicklungen hinzugefügt werden.

 

AAF

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Das ATEO Automatik Framework bietet die Möglichkeit, Automatiken für SAM zu programmieren. Hierfür sind Programmierkenntnisse in Smalltalk Voraussetzung. Zu dem AAF wurde auch eine GUI entwickelt, das sogenannte AAFGT (AAF Grapfical Tool). Mit diesem ist es möglich, bereits fertige Automatikfunktionen zu komplexen Automatiken zu verbinden und diese Autoamtikfunktionen in vielen Parametern zu konfigurieren. Durch die Zusammenstellung und die individuelle Konfiguration der Automatiken ist es möglich, sehr viele Automatiken zu erstellen und im Labor zu testen. Folgende Automatiken stehen momentan zu Verfügung und sind Teil des AAF:

 

Adaptives Lenken:	Je höher die Geschwindigkeit, desto größer die Lenkeinschränkung durch diese Automatik. Man kann eine kleinste Geschwindigkeit angeben, ab der die Lenkeinschränkung aktiv werden soll. Weiterhin besteht die Möglichkeit, die Einschränkung nach rechts bzw. links unterschiedlich einzustellen.
Einflussmanagement	Reguliert die Einflussverteilung der MWB auf die Steuerung des Fahrobjektes in Abhängigkeit von der Entfernung zur Strecke und vom jeweils zugrunde liegenden Streckenereignis.
Einflussverteilung	Gibt eine feste Einflussverteilung für die MWB vor. Bisherige Einflussänderungen werden damit unwirksam und überschrieben.
Farbänderung Objekt	Einfärbung des Fahrobjektes abhängig von seiner Abweichung von der Ideallinie.
Fahrlinie hervorheben	Erlaubt das Färben der Mittel(Optimal)- oder Ideallinie.
Gabelungshinweis (auditiv)	auditiver Hinweis vor Gabelungen.
Gabelungshinweis (visuell)	visueller Hinweis vor Gabelungen.
Geschwindigkeitskontrolle	Regulierung der Geschwindigkeit des Fahrobjektes je nach Streckensituation.
Geschwindigkeitsregulierung (Pfeil)	Anzeige der Abweichung der vertikalen Fahrobjektgeschwindigkeit von der optimalen vertikalen Streckengeschwindigkeit in Form eines Pfeils an.
Geschwindigkeitsregulierung (Kästchen)	Anzeige der Abweichung der vertikalen Fahrobjektgeschwindigkeit von der optimalen vertikalen Geschwindigkeit in Form von farbigen Kästchen.
Hindernis-Kollisionswarnhinweis (dynamisch)	Warnung vor einer Kollision mit dem dynamischen Hindernis.
Hindernis-Notbremse (dynamisch)	Verhindert Kollisionen mit dynamischen Hindernissen durch eine Notbremsung (Stillstand). Die Option "ABS" lässt ein Lenken zu, "Standard" nicht.
Hindernis-Notumfahrung (statisch)	Verhindert Kollisionen mit statischen Hindernissen.
Hindernisslalom (visuell)	visuelle Anzeige einer Umfahrung bei statischen Hindernissen.
Hinweis (auditiv)	allgemeine Automatikfunktion für jede Art von auditiven Hinweisen.
Hinweis (visuell)	allgemeine Automatikfunktion für visuelle Hinweisschilder.
Joystickanzeige im Objekt	Anzeige der optimalen Joystickauslenkung im Fahrobjekt.
Joystick-Navigationsanzeige	konfigurierbare Visualisierung der aktuellen Joystickposition, der Joystick-Sollposition und/oder der Summe der Joystickpositionen für jeden MWB.
Leitplanken	Verhindert das Verlassen der Strecke auf zwei Arten: entweder das Fahrobjekt bleibt am Rand hängen oder es rutscht am Rand entlang.
Optimale Steuerung	Stellt anderen Automatikfunktionen Informationen zur optimalen Rückführung und Steuerung zur Verfügung.
Pfeile am Objekt	Anzeige der individuellen Joystick-Auslenkung beider MWB, deren Summe und der optimalen Joystick-Auslenkung als Pfeile am Fahrobjekt.
Steuerungsregulierung	Anzeige der Abweichung der MWB-Joystick-Auslenkung von der optimalen Joystick-Auslenkung beider MWB.
Steuerungsregulierung am Objekt	Anzeige der Abweichung der aktuellen Fahrobjektrichtung und -geschwindigkeit von der optimalen Fahrobjektrichtung und -geschwindigkeit.
Steuerungsvorgabenanzeige	Anzeige der optimalen Joystick-Auslenkung des Fahrobjektes.
Streckenrückführung	Führt das Fahrobjekt mit der eingestellten Stärke zurück zur Strecke.
Streckenvorschau (visuell)	Einblenden einer Streckenvorschau.
Tachometer-Anzeige	Anzeige der Ist-Geschwindigkeit des Fahrobjektes in Form eines Tachometers unter dem Fahrobjekt. Der Tachometer wird abhängig von der Abweichung der Fahrobjektgeschwindigkeit von der optimalen Streckengeschwindigkeit zusätzlich noch gefärbt.
Tempomat-Anzeige	Diese Funktion zeigt Pfeile über dem Fahrobjekt, die die optimale Fahrobjektrichtung zeigen. Die Farbe der Pfeile gibt an, dass die MWB entweder Gas geben oder bremsen sollen.
Toleranzbereich	Diese Funktion zeigt den Toleranzbereich links und rechts außerhalb der Strecke an.

 

MW

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Das Programm zur Erhebung der Anstrengung der Versuchspersonen wird zur Zeit auf Laptops ausgeführt und die Versuchspersonen, welche in SAM das Fahrobjekt steuern, stellen auf dieser Skala per Schieberegler ihre subjektiv empfundene Anstrengung nach jeder Fahrt ein. Dieser Wert kann bei Bedarf und Labor-Setup an den Operateur über eine Netzwerkschnittstelle weitergeleitet werden, so dass dieser ebenfalls die Information über die Anstrengung erhält, für die er unter Umständen direkt verantwortlich ist. Die ermittelten Werte nach jeder Fahrt werden in einer Logdatei festgehalten und können später in eine statistische Auswertung einfliessen.

 

Konfigurationsmöglichkeiten von MW

Einstellungsmöglichkeiten bestehen bei diesem kleinen Programm nicht. Die Anstrengung wird über eine angepasste RSME-Skala (Rating Scale Mental Effort) von Zijlstra & van Doorn (1985) gemessen.

 

 

Literatur

Bothe, K., Hildebrandt, M. & Niestroj, N. (2010). ATEO-System Komponente: SAM (Software-Spezifikation). Humboldt-Universität zu Berlin.

 

Engelbrecht, A. (2007). Interaktionsstrategien beim Kooperativen Tracking. Diplomarbeit, Humboldt-Universität zu Berlin.

 

Fuhrmann, E. (2010). Entwicklung eines GUI für die Konfiguration der Software-Komponente zur Systemprozessüberwachung und -kontrolle in einer psychologischen Versuchsumgebung. Diplomarbeit, Humboldt-Universität zu Berlin.

 

Gross, B. (2004). Bestimmung von Schwierigkeitsgraden in einer zu entwickelnden Versuchsumgebung. Diplomarbeit, Humboldt-Universität zu Berlin.

 

Gross, B. & Nachtwei, J. (2006). Assistenzsysteme effizient entwickeln und nutzen – Die Mikrowelt als Methode zur Wissensakquisition für Entwickler und Operateure. DGLR-Bericht.

 

Hampel, T. (2012). Weiterentwicklung und Verbesserung einer Analysesoftware für dynamische Versuchsumgebungen. Diplomarbeit, Humboldt-Universität zu Berlin.

 

Kosjar, N. (2011). Die Gebrauchstauglichkeit des Automatiken-GUI im Projekt Arbeitsteilung Entwickler Operateur (ATEO). Studienarbeit, Humboldt-Universität zu Berlin.

 

Kosjar, N. (2012). Ein Ereignis System für das ATEO Automation Framework sowie die Implementierung und Testung von auditiven und visuellen Hinweisen. Diplomarbeit, Humboldt-Universität zu Berlin.

 

Krinner, C. (2008). Design von Assistenz: Einfluss verschiedener Determinanten auf Assistenzkonzepte von Entwicklern. Dissertation, Humboldt-Universität zu Berlin. 

 

Leonhard, C. (2010). Fenster zum Prozess Weiterentwicklung eines Operateurarbeitsplatzes im Projekt Arbeitsteilung Entwickler Operateur (ATEO). Studienarbeit, Humboldt-Universität zu Berlin.

 

Leonhard, C. (2013). Fenster zum Prozess Weiterentwicklung eines Operateursarbeitsplatzes im Projekt Arbeitsteilung Entwickler Operateur (ATEO). Diplomarbeit, Humboldt-Universität zu Berlin.

 

Nachtwei, J. (2010). Design and evaluation of a supervisory control lab sys- tem for automation research - a theoretical and empirical contribution to the discussion on function allocation. Dissertation, Humboldt- Universität zu Berlin.

 

Niestroj, N. (2008). Erweiterung des ATEO-Systems zur Komplexitätserhöhung von SAM. Studienarbeit, Humboldt-Universität zu Berlin.

 

Niestroj, N. (2009). Vernetzung im ATEO Projekt aus inhaltlicher und technischer Sicht. Diplomarbeit, Humboldt-Universität zu Berlin.

 

Niestroj, N. (2014). Entwicklung von Automatiken für Mensch-Maschine-Systeme und Ergebnisse ihres Einsatzes. Dissertation, Humboldt-Universität zu Berlin.

 

Nikolic, L. (2011). Der Mensch denkt, die Maschine lenkt. HU Wissen 2. 

 

Schulze, S. (2012). Die Integration von Automatiken in das ATEO-Master Display (AMD). Diplomarbeit, Humboldt-Universität zu Berlin.

 

Schwarz, H. (2009). Fenster zum Prozess ein Operateursarbeitsplatz zur Überwachung und Kontrolle von kooperativem Tracking. Diplomarbeit, Humboldt-Universität zu Berlin.

 

Seid, A. (2012). Entwicklung und Konfiguration von visuellen Anzeigen im Projekt ArbeitsTeilung Entwickler-Operateur (ATEO). Diplomarbeit, Humboldt-Universität zu Berlin.

 

Stade, M. (2012). Verhaltensindikatoren von Operateuren zur Evaluation der Prozessüberwachungs- und -führungsgüte am Beispiel einer simulierten Leitwarte im ATEO Projekt. Diplomarbeit, Humboldt- Universität zu Berlin.

 

von Bernstorff, C. (2014) Effekte automatischer Unterstützung auf die Prozessüberwachungs- und - führungsleistung von Operateuren / Theoretischer und empirischer Beitrag auf dem Weg zur Kooperativen Automation. Dissertation, Humboldt-Universität zu Berlin.

 

Wickert, A. (2012). Fehler und deren Vermeidung bei der Programmierung und Konfiguration von Automatiken im ATEO-Projekt. Studienarbeit, Humboldt-Universität zu Berlin.

 

Wickert, A. (2013). Klassifizierung und Entwicklung von Automatiken für Eingriffe in der Socially Augmented Microworld (SAM). Diplomarbeit, Humboldt-Universität zu Berlin.

 

Weidner-Kim, H. (2014). Konzeption und Implementation einer optimalen Rückführung in ATEO SAM. Studienarbeit, Humboldt- Universität zu Berlin.

 

Zijlstra, F. R. H. (1993). Efficiency in work behavior: a design approach for modern tools. Dissertation, Delft University of Technology.