Gestaltung von Automation Theorien und Modelle · Institute of Transportation Systems > Aerospace technology for road and railway Gestaltung von Automation Theorien und Modelle Martin

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Gestaltung von Automation Theorien und Modelle Martin Baumann Seminar Mensch-Computer-Interaktion 11.5.2012

Institute of Transportation Systems > Aerospace technology for road and railway Title > Mai 23, 2012 > 4

AUTOMATION UND MENSCHLICHE KONTROLLE


Level of Automation & Complexity

Baustellenassistent

Kreuzungsassistent

Überholassistent

Landstraßen- & Innenstadtassistent

Quelle:eurotransport.de

Quelle:volvocars.com

Quelle:forbes.com Quelle:atzonline.com

Quelle:motor-talk.de

Quelle:webreaders.de

Quelle:greencar.com Automation und menschliche Kontrolle Beispiel Fahrzeugautomation


Automation und menschliche Kontrolle

! Entscheidendes Problem: !  Automation handelt zum Teil eigenständig !  Mensch im System muss Handlungen der Automation verstehen !  Automation muss Menschen verstehen

! Schaffung eines geteilten wechselseitigen Verständnisses !  Common Frame of Reference (COFOR; Hoc, 2009)

!  Mensch-Maschine-Interaktion als Kooperation (Hoc, 2009) !  Mensch und Maschine als Partner in einem Team (Woods, 2001) ! Arbeiten gemeinsam an der Bewältigung gemeinsamer Aufgaben!


Automation und menschliche Kontrolle Geteilte und kooperative Kontrolle

perceives perc

eive

scontrol

guidance


Automation und menschliche Kontrolle Kooperative Kontrolle: Beispiele


Automation und menschliche Kontrolle Effekte der Automation

TNO, SMART 64


Automation und menschliche Kontrolle Effekte der Automation

!  Kritische Auswirkungen !  Mode Confusion !  Missbrauch ! Complacency/ Overtrust !  Fertigkeitsverlust !  Verlust von Situationsbewusstsein elektromania.net


!  Szenario: einem Fahrzeug mit unterschiedlicher Automation der Längsführung folgen

!  keine Automation !  mit Forward Collision Warning+ !  mit ACC+

!  kritische Situation: Vorderfahrzeug passiert Ampel, die gerade auf gelb umschaltet

!  è Fahrer muss eingreifen und Automation übersteuern! !  Hypothese: keine Automation < FCW+ < ACC+

Automation und menschliche Kontrolle Effekte der Automation – Verlust von Situationsbewusstsein


!  Ergebnisse


17

Bremsreaktionszeit nach dem Gelblicht der Ampel

0,0

0,5

1,0

1,5

2,0

Ohne FCW+ ACC+

[s]

Distanz zur Ampel bei Bremsbeginn

30

35

40

45

50

Ohne FCW+ ACC+

[m]

(Kassner, Baumann, 2011)

17


!  Schlussfolgerungen für Gestaltung !  Vor Übernahme / Wechsel des Automationsgrads

à Aktivierung der entsprechenden Aufgabenrepräsentation !  relevante Informationen !  relevante Handlungen

!  Voraussetzung: genaue Analyse der Aufgaben


18 18


Automation und menschliche Kontrolle Automationsgrade



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HAVEit





CityMobil-DLR

SARTRE




Automation und menschliche Kontrolle Transitionen

TNO, SMART 64





!  Schnittstelle für Transitionen zwischen Automationsgraden !  Schalter !  Fluide Transition (z.B. hands-off

Detektion am Lenkrad)

!  Adaptive automation

DLR


Automation und menschliche Kontrolle Transitionen: Übernahme-Aufforderung


Automation und menschliche Kontrolle Transitionen: Übernahme-Aufforderung

!  Gestalten Sie die Übernahme-Sequenz!


Automation und menschliche Kontrolle Transitionen: Übernahme-Aufforderung !  Explizite Transitionskonzepte notwendig

!  Beispiel: !  Fahrer wieder in Loop bringen !  Akustische & visuelle Alarme ! Mimimiere Ablenkung (à Internet, Telefonanrufe)

!  Prüfe, ob Fahrer übernimmt, wie intendiert !  Hands-on Prüfung !  Aufmerksamkeitsmonitor

!  Wenn Fahrer nicht reagiert à Minimum Risk Manöver

TAKE OVER!


Automation und menschliche Kontrolle Nebenaufgaben?

TNO, SMART 64


Automation und menschliche Kontrolle Nebenaufgaben?

!  „What would you like to do while driving highly automated?“

HAVEit Usability Assessment, 2009 8 participants, multiple answers were possible

Write emails Surf in the internet

Make phone calls

Eat something

Watch TV

Read something

Listen to music

Look out of the window


Driver State Assessment

drowsiness detection

distraction detection

Driver monitoring Driver monitoring













Automation und menschliche Kontrolle Interaktionskonzepte: Nebenaufgaben?

!  Fahrerzustandsbewertung !  Prüfe Fahrerzustand

!  Fähig zur Übernahme

!  Vermeidung von Missbrauch

!  Sensorik !  Kamera !  Erfassen von

Eingaben !  Hands-on-Sensor am

Lenkrad WIVW


THEORIEN UND MODELLE


Theorien und Modelle Zielstellung

!  Zielstellung / Motivation !  Richtlinien häufig zu spezifisch !  Prinzipien zu breit !  Ziel: Theorien, die validiert sind und zuverlässige Aussagen über

einen breiten Bereich von Anwendungsfällen machen

!  Beispiele: !  GOMS (Card, Moran, & Newell, 1983) !  Seven-Stages-Of-Action (Norman, 1988)


GOMS – EIN VERFAHREN DER KOGNITIVEN AUFGABENANALYSE


GOMS - Zielsetzung

!  Eine Methode, die als formale prädiktive Modellierungstechnik entwickelt wurde und auf kognitivem Problemlöseverhalten basiert

!  Entwickelt von Card, Moran und Newell (1983) in…

27.08.2008


GOMS Konzept

Goals

Operators

Selection Rules

Methods

G O M S


GOMS - Zielsetzung

!  Eine Methode, die als formale prädiktive Modellierungstechnik entwickelt wurde und auf kognitivem Problemlöseverhalten basiert

!  Entwickelt von Card, Moran und Newell (1983) in… !  Warum braucht man Methoden wie GOMS?

!  A-priori Vorraussagen !  „80/20 Regel“

!  Grundprinzip des Ansatzes: !  Ein GOMS-Modell soweit zu entwickeln,

dass es implementierbar und ausführbar wird.

!  GOMS-Aufgabenanalyse: !  Spezifiziert Ziele, Methoden, Aktionen

und die betreffenden Objekte.

27.08.2008


GOMS Konzept

!  Ziele sind, wonach der Nutzer strebt / was er erreichen will !  Werden oft in Subziele heruntergebrochen

!  Metapher eines Zielstapels (hierarchische Organisation von Zielen) !  Ein Subziel muss erreicht sein um darüberliegendes Ziel erreichen

zu können !  Bsp.: Textbearbeitung

!  Hauptziel: <bewege text> !  Subziele: <schneide-aus text> ; <füge-ein text>

!  Analyst versucht typische Ziele des Nutzers zu erkennen Æ modellieren

Goals


GOMS Konzept

!  Operatoren sind Handlungen, die der Nutzer ausführt !  Stehen im Dienst eines Ziels !  Elementare Akte der Wahrnehmung, Kognition, Motorik !  Die Operationen die Interface/Software erlaubt !  Unterschied Ziel vs. Operator:

!  Ziele werden angestrebt, Operatoren werden ausgeführt !  Bsp.:

!  Ziel: <lösche wort> !  Operatoren: <drücke taste> ; <bewege maus>; …

Operators


GOMS Konzept

!  Methoden sind Abfolgen von Operatoren, die auf ein Ziel hinstreben !  Gut gelernte/überlernte Abfolgen Æ Prozeduren !  Inhalt einer Methode hängt vom Set der möglichen Operatoren und der

Aufgabe ab: !  Bsp.:

!  Ziel: <lösche Satz> !  Eine Methode um Ziel zu erreichen: <bewege maus> zum Anfang

des Satzes; <klick maustaste>; <bewege maus> zum Ende des Satzes; <shift-klick Maustaste>; <drücke Löschtaste>

Methods


Selection Rules

GOMS Konzept

!  Auswahlregeln dienen der Wahl geeigneter Methoden in Abhängigkeit des Kontextes

!  Wenn mehr als eine Methode verfügbar um ein Ziel zu erreichen !  Persönliche Entscheidungsregeln !  Grundlegende Kontrollstruktur im Modell !  Bsp.:

!  Ziel <lösche satz> !  <IF satz länger als 8 zeichen THEN nutze markieren und löschen>


GOMS Zusammenfassung

!  Was ist eine GOMS Analyse? !  GOMS...

!  ist eine Beschreibung, oder ein Modell des Nutzerwissens das benötigt wird um bestimmte Aufgaben auszuführen.

!  ist eine Beschreibung des „how-to-do-it“-Wissens, das von Systemseite verlangt wird um ein Ziel zu erreichen.

!  Man beschreibt Ziele Operatoren, Methoden und Selection rules auf relativ formaler Ebene.

!  So kann man Aussagen treffen über die Performanz und über Lerngeschwindigkeit


Hintergrund: The Model Human Processor

!  MHP ist ein “engineering model” menschlicher Informationsverarbeitung

!  Grundlage der Vorhersage von Performanz in HCI situationen


GOMS Konzept

!  Output eines GOMS-Modells:

!  Quantitative Angabe der Ausführungszeit: ! Vorraussetzung:

!  jedem Operator muss ein Zeitwert zugeordnet werden !  Ausführzeit für Operator X unabhängig von

vorhergehenden Ereignissen !  Teilweise quantitative Angabe der „Methodenlernzeit“ ! Inferierte Schätzung zu Häufigkeiten von Fehlern


Anwendung von GOMS

!  Wann kann man GOMS anwenden? !  Nach der Implementierung existierender Systeme !  Nach der Spezifikation der Gestaltung !  Während der Gestaltung


Anwendung von GOMS !  Zieleingabe bei Navigationsgeräten (Jahn, Keinath, Krems, Gelau 2003)

B A


Anwendung von GOMS Navigationsgerät A

Method for goal: enter string <STRING>. Step 1. Retain that string is <STRING>. Step 2. Accomplish goal: proceed with entering. Step 3. Decide: If spelling screen is displayed, Then goto 2. Step 4. Press ok button and forget that string is <STRING>. Step 5: Return with goal accomplished. Selection rule set for goal: proceed with entering. If <ENTERED CHARS> is short, Then accomplish goal: enter character <NEXT CHAR>. If an entry in <DATABASE WINDOW> matches <STRING>, Then accomplish goal: select in database. If entries in <DATABASE WINDOW> are similar to <STRING>, Then accomplish goal: select in database. If <ENTERED CHARS> is not short and entries in <DATABASE WINDOW> are not similar to <STRING>, Then accomplish goal: enter character <NEXT CHAR>. Return with goal accomplished.


Anwendung von GOMS Navigationsgerät B

Method for goal: enter string <STRING>. Step 1. Retain that string is <STRING>. Step 2. Accomplish goal: enter characters. Step 3. Verify that <STRING> is displayed. Step 4. Press dial button and forget that string is <STRING>. Step 5. Return with goal accomplished. Method for goal: enter characters. Step 1. Accomplish goal: enter character <FIRST CHAR>. Step 2. Read <ENTERED CHARS> from screen. Step 3. Decide: If <ENTERED CHARS> match <STRING>, Then goto 5. Step 4. Accomplish goal: enter character <NEXT CHAR> and goto 2. Step 5. Return with goal accomplished.


Anwendung von GOMS !  Zieleingabe bei Navigationsgeräten (Jahn, Keinath, Krems, Gelau 2003)

!  System B benötigt keine Selection Rules bei Eingabe ! Selection Rule in System A muss oft angewendet werden und ist

ressourcenintensiv !  Eingabe bei B geradlinig, System gibt Feedback über Fortschritt in Bezug

auf Ziele !  Beschränkte Handlungsoptionen in B sind vorteilhaft

BA


Die Grenzen von GOMS / kritische Anmerkungen

!  Nur fehlerfreies Expertenverhalten modelliert !  Serielle Informationsverarbeitung !  Kognitive Prozesse kaum modelliert

!  Nützlichkeit und „Joy of use“ nicht einbezogen

!  Wenig quantitativer output (bzw. nur über Inferenzen)

!  Funktionalität des Systems nicht betrachtet

!  Hoher Aufwand


STAGES OF ACTION (NORMAN, 1983)


Stages-of-Action Modelle

! Ziel: Beschreibung der Stufen der Handlung, die Nutzer bei der Interaktion mit interaktiven System durchläuft

! Beispiel: Seven Stages-of-Action von Norman (1988)


Wie wir Dinge tun (Donald Norman)

!  Um etwas zu erledigen, starten wir mit Wissen darüber was gewollt wird – das Ziel das erreicht werden soll

!  Dann führen wir eine Handlung aus – wir bewegen uns, manipulieren etwas

!  Schließlich prüfen wir, ob Ziel erreicht

!  Menschliche Handlung hat 2 wesentliche Aspekte !  Ausführung: etwas tun !  Evaluation: Vergleich von dem was passiert ist, mit dem was

gewünscht war (dem Ziel)

76


Seven Stages-of-Action (Norman, 1988)

Nutzer-aktivität

Systemaktivität Physikalisches System

Ziel Absicht

Handlungs-ausführung

Evaluation

Wahrneh-mung

Handlungs-sequenz Interpreta

tion

Abb. 02: Die sieben Schritte der Handlungsausführung nach Norman (1988) mit Beispiel.



Nutzer-aktivität


Ziel Absicht Wort markieren

und kursiv formatieren

Bewege Mauszeiger auf Wort, Doppel-

klick, Auf „K“ klicken Handlungs-ausführung Ausführung der

Sequenz

Evaluation Wort ausreichend herforgehoben? Wurde Befehl ausgeführt?

Wahrneh-mung Ist Wort kursiv?


tion


Hebe Wort hervor


Handlungszyklus: Stufen der Ausführung

!  Ziele spezfizieren nicht genau, was zu tun ist !  Wo und wie bewegen, was aufnehmen

!  Um zu Aktionen zu kommen müssen Ziele in Intentionen übersetzt werden !  Ein Ziel ist etwas das erreicht werden muss !  Eine Intention is eine spezifische Menge von Aktionen, um Ziel zu

erreichen !  Aber Intentionen noch nicht spezifisch genug zur Kontrolle von

Handlungen !  Transformation in mentale Repräsentation der

Handlungsseqenz !  Ausführung

79


Handlungszyklus: Stufen der Evaluation

!  Evaluationsseite hat 3 Stufen !  Wahrnehmen, was in der Welt passiert ist !  Interpretation des Zustands der Welt !  Bewertung des Ergebnisses

80



Nutzer-aktivität


Ziel Absicht

Eingabe- geräte

Evaluation

Display

Handlungs- spezifikation Interpreta

tion


Activity Design

Interaktionsdesign

Informationsdesign



Nutzer-aktivität


Ziel Absicht

Eingabe- geräte

Evaluation

Display

Handlungs- spezifikation Interpreta

tion


Gulf of E

xecution

Gulf of E

valuation


Seven Stages-of-Action (Norman, 1988) Was ist “Gulf” (Kluft)

! Distanz zwischen der mentalen Repräsentation einer Person und den physikalischen Komponenten und Zuständen der Umwelt

! Illustriert Schwierigkeit in der Ableitung von Beziehungen zwischen mentalen Intentionen und Interpretationen und den psysikalischen Handlungen und Zuständen


Goals Physical System

gulf of execution


!  “Gulf of Execution” !  Bietet System Handlungen an, die Intentionen des Nutzers

entsprechen? !  Gulf of Execution: Differenz zwischen Intentionen und erlaubten

Handlungen !  Mass: wie leicht kann Nutzer ohne zusätzlichen Aufwand intendierte

Handlungen ausführen ! Gutes System: Direkte Beziehung (Mapping) zwischen

Intentionen und Handlungen

84


Goals Physical System

gulf of evaluation


!  “Gulf of Evaluation” !  Kann Feedback (wahrgenommener physikalischer Zustand) im

Rahmen der Intentionen und Erwartungen interpretiert werden? !  Gulf of Evaluation: notwendiger Aufwand, um Feedback zu

interpretieren und festzustellen, ob Intentionen und Erwartungen erreicht

! Gutes System: Zustandsinformation leicht zu erhalten, leicht zu interpretieren und entspricht dem Denken des Nutzers


Seven Stages-of-Action (Norman, 1988) Überbrücken der Gulf of Execution and Evaluation

Ziele Physikalisches System

execution bridge Absicht

Handlungs- spezifikation Interface

Mechanismen

evaluation bridge

Interpretation Interface Display

Evaluation

7-Stufen-Struktur liefert grundlegende Checkliste von zu stellenden Fragen, um sicherzugehen, dass Kluft überbrückt wird


Seven Stages-of-Action (Norman, 1988) Design-Hilfen

! Wie leicht kann jemand

Nutzer-aktivität


Ziel Absicht mögliche

Handlungen erkennen? Umsetzung am Gerät erkennen?

Handlungs-ausführung Handlung

ausführen?

Evaluation erkennen, ob System in

Zielzustand? Umsetzung am

Display erkennen? Wahrneh-mung Systemzustand

erkennen?


tion

Funktion des Geräts/Programms erkennen


Seven Stages-of-Action (Norman, 1988) Design-Empfehlungen - Visibility

!  der Systemzustand und Handlungsalternativen sollten erkennbar sein


Seven Stages-of-Action (Norman, 1988) Design-Empfehlungen – Visibility

!  der Systemzustand und Handlungsalternativen sollten erkennbar sein


Seven Stages-of-Action (Norman, 1988) Design-Empfehlungen – Conceptual Model

!  gutes konzeptuelles Modell mit konsistenter Systemerscheinung !  Konsistenz in Operationen und Ergebnissen


Seven Stages-of-Action (Norman, 1988) Design-Empfehlungen – Good Mapping

!  Schnittstelle sollte ein gutes Mapping beinhalten Beziehungen !  zwischen Handlungen und Ergebnissen !  zwischen Bedienelementen und Effekten !  zwischen Systemzustand und was man sieht !  sollten klar und verständlich sein


Seven Stages-of-Action (Norman, 1988) Design-Empfehlungen – Feedback

!  Nutzer sollten kontinuierliches Feedback erhalten


Seven Stages-of-Action (Norman, 1988) Design-Empfehlungen – Affordances

!  Design soll klarmachen, wie Objekte benutzt werden sollen


Danke für die Aufmerksamkeit! Fragen?

perceives perc

eive

scontrol

guidance Automation und Theorien

Nutzer-aktivität

Systemaktivität

Physikalisches System

Ziel

Absicht

Eingabe- geräte

Evaluation

Display

Handlungs- spezifikation Interpre

tation


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