Industrielle Prozessführung

Mentale Modelle komplexer Prozesse: Möglichkeiten zur Qualifikationsförderung und -erhaltung in Prozessleitwarten durch Simulation und Hypertext-Handbücher

Die Arbeitsbedingungen in der Industrie haben sich aufgrund schnell voranschreitender Technisierung und der Einführung von Computer­technologien dramatisch verändert. Der Fortschritt in der qualitativen und quantitativen Effizienz industrieller Prozesse erhöht auch die Anforderungen an den und die Verantwortung des einzelnen Mitarbeiters.

Diese Arbeit identifiziert die leistungsbestimmenden Bestandteile des Wissens von Prozessbedienern. Deren Basis sind die mentalen Modelle, die sich Menschen über einen komplexen Prozess bilden. Solche Modelle ermöglichen die mentale Simulation von Situationen und Eingriffen und sind damit die Grund­lage für eine erfolgreiche Prozesssteuerung.

Zur Überprüfung der Vermittlung mentaler Modelle wurde ein System entwickelt, dass eine Prozesssimulation mit drei verschiedenen Benutzungs­oberflächen und einem Hilfesystem verknüpft. Mit diesem System war es möglich, verschiedene Einflussgrößen auf die Bildung mentaler Modelle beim Erlernen des simulierten Systems zu erfassen.

Doktorand

Dr. rer. pol. Dipl.-Psych. Jens Heuer, 2002

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International Workshop on
Human Supervision and Control in Engineering and Music

Engineering and Music meint Transdisziplinarität, ein Forschungs­trend – weg vom singulären Spezialistentum hin zum gründlichen Verständnis von fach­übergreifenden Zusammen­hängen.

Das Symposium "Human Supervision and Control in Engineering and Music" war eine internationale Arbeitstagung mit einer derartigen zukunfts­weisenden trans­disziplinären Ziel­setzung. Die Tagung fand im September 2001 zusammen mit einem eingebetteten Orchester­konzert in Kassel statt. Zum Work­shop waren etwa 60 Wissenschaftler vor allem aus Europa, Nord- und Südamerika und Fernost (besonders Japan) eingeladen worden.

Zudem gab es zwei Ensemblekonzerte mit Japanischer Musik: eines in Kassel und eines in Hamburg.

Der transdisziplinäre Ansatz des Workshops sollte dabei über die bereits existierende Multidisziplinarität innerhalb der beiden Bereiche des Ingenieur­wesens und der Musik weit hinausgehen. Der Workshop erschloss daraus wissenschaftliches Neuland für multi- und transdisziplinäre Frage­stellungen.

Das Programm des Orchesterkonzerts umfasste Musikrichtungen der letzten 200 Jahre von drei Kontinenten und wurde entsprechend dem internationalen und transdisziplinären Charakter des Workshops konzipiert. Der Vergleich und die Entstehung der Japanischen Musik gegenüber der Europäischen und Nord Amerikanischen Musik wurden besonders herausgestellt. Die Bereiche der Computer-Musik mit Computer-Live Performance und traditionellen Instrumenten wurden gezeigt.

Workshop und Konzerte wurden von der Volkswagenstiftung und vielen Firmenspenden unterstützt.

Am Projekt beteiligte Wissenschaftler

Univ.-Prof. Dr.-Ing. Dr. h.c. Gunnar Johannsen
Dr.-Ing. Bernd-Burkhard Borys
Natascha Feder
Dr.-Ing. Thomas C. Gudehus
Dipl.-Ing. Gerd Strätz
Dr.-Ing. Andreas Völkel
Dr.-Ing. Ingo Wagner
Dipl.-Des. Philip Zerweck

Förderung und Laufzeit

Volkswagen-Stiftung, Hannover und viele Einzelspenden, 1 / 2001 - 12 / 2001

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Leitwarten-Bild mit Symbolen für Pumpe, Wärmetauscher, Behälter
Leitwartenanzeige, topologische Darstellung

Evolutionäre Optimierung

Optimierung Ziel-Mittel basierter Mensch-Maschine-Schnittstellen durch evolutionäre Algorithmen

Mit dieser Arbeit wurde der Ansatz verfolgt, die Optimierung der Mensch-Maschine-Schnittstellen hinsichtlich der Bedürfnisse der menschlichen Informationsverarbeitung über die Verwendung kognitionsbezogener Prozessvisualisierungen hinaus um einen Schritt zu erweitern.

Die Modellbildungstechniken des Multilevel Flow Modeling (MFM) und des Ecological Interface Designs (EID) leisten die Anpassung der Informationsdarstellung an die allgemeingültigen Bedürfnisse des Menschen. Zusätzlich zu dieser allgemeingültigen kognitionsbezogenen Wiedergabe optimiert der weitergehende Ansatz die Darstellung der Information an die Bedürfnisse des einzelnen individuellen Bedieners durch den Einsatz evolutionärer Mechanismen, die mittels evolutionärer Algorithmen realisiert werden.

Die evolutionären Algorithmen wurden als Optimierungsmethode ausgewählt, da sie der Problemstellung am besten gerecht werden und im Gegensatz zu anderen Optimierungsverfahren (z.B. Gradientenverfahren) keinerlei mathematische Ableitungen benötigen. Für die Bearbeitung der beschriebenen Problemstellung wurden adäquate Verfahren der evolutionären Optimierung ausgewählt und eigene Abstrahierungen evolutionärer Mechanismen und deren Umsetzung in Algorithmen entwickelt.

Im konkreten Fall wurden aus vier unterschiedlichen Bedienoberflächen MFM, EID, TOP (Topologische Darstellung) und Virt3D (Virtuelle 3D Prozessvisualisierung) durch evolutionäre Mechanismen die Objekte ausgewählt, die den einzelnen Bediener bei der Prozessführung am besten unterstützen. Diese Objekte wurden in einer gemeinsamen Oberfläche zusammengefasst und bildeten so die für den Probanden günstigste Visualisierung. Mit anderen Worten: die Individuen der vier Populationen (Bedienoberflächen) „kämpften” um die Aufnahme in die neu zu generierende Oberfläche. Die Entscheidung, welche Individuen „überlebten" und welche nicht, orientierten sich an den Handlungen und Bewertungen durch den Bediener. Die Handlungen waren dabei objektive Kriterien für die Bestimmung der auszuwählenden Individuen, wogegen die Bewertungen durch den Bediener subjektiv waren.

Am Projekt beteiligter Wissenschaftler

Dr.-Ing. Andreas Völkel

Förderung und Laufzeit

Deutsche Forschungsgemeinschaft, 2 / 2001 - 1 / 2003

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Destillationskolonne

Virtuelle Prozessvisualisierung am Beispiel eines verfahrens­technischen Prozesses

Veränderungen in der Prozess­leit­technik sind häufig von Zentrali­sierung und Entfremdung geprägt. Immer weniger Operateure überwachen und kontrollieren immer mehr und immer komplexere Prozesse.

In dieser Arbeit wurde ein Konzept entwickelt, in dem der oben an­ge­sprochenen Problematik mit speziellen Visualisierungstechniken der virtuellen Realität begegnet wird. Die einzelnen Prozesseinheiten werden als sogenannte virtuelle Prozesselemente implementiert. Basierend auf einer für die jeweilige Elementgruppe typischen Erscheinungsform wird ein grafisches Objekt modelliert. Durch die starke Bildhaftigkeit wird die Entstehung eines korrekten mentalen Modells unterstützt, auf dem die richtige Handlungsplanung des Operateurs beruht.

Ein weiterer Schwerpunkt dieser Arbeit lag in der Visualisierung von Prozess­größen und Relationen zwischen den Prozesselementen. Die Relationen zwischen den Elementen, wie beispielsweise Zeitabhängigkeiten, haben eine große Bedeutung für die korrekte Prozessführung. Neben der realitätsnahen Darstellung von visuellen Größen wie Füllständen wurden nicht-visuelle Größen wie Temperatur oder Druck durch Farb- und Formkodierungen dargestellt. Besonderer Wert wurde auf die Verwendung von Kodierungen gelegt, die im allgemeinen Verständnis weit verbreitet sind und so einen geringen Lern­aufwand erfordern.

Als exemplarische Anwendung wurde eine Schnittstelle zur Führung eines Destillations­prozesses zur thermischen Trennung von Benzol und Toluol imple­mentiert. Am Ende des Projektes wurde die erstellte Prozessvisualisierung im Vergleich mit abstrakten Darstellungsformen bewertet.

Doktorand

Dr.-Ing. Carsten Wittenberg, 2000

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Phantomschallquelle zwischen zwei Lautsprechern
Phantomschallquelle zwischen zwei Lautsprechern

Auditive Anzeigen

Erfahrene Kraftwerksangestellte haben uns berichtet, dass sie die Schicht mit einem Gang durch das Werk beginnen, um zu hören, zu riechen und zu fühlen, bevor sie den Kontrollraum betreten. Ein erfahrener Anlagen­bediener beobachtet nicht nur Instrumente und Anzeigen im Kontrollraum, sondern benutzt alle Eindrücke, die ihm die Anlage vermittelt. Geräusche und Vibrationen vermitteln einen Eindruck über den Anlagenzustand – solange sie noch zur Verfügung stehen.

Moderne Kontrollräume aber sind sauber, leise, sicher und entfernt von der Anlage untergebracht. Anlagenfahrer kontrollieren einen Prozess reduziert auf Diagramme, analoge und digitale Messwerte, Textmeldungen und Signal­lampen.

Multimedia-Anzeigen können die Informationen zurückbringen, die in sicherer Entfernung von der Anlage nicht mehr zur Verfügung stehen. Die Anlagenbediener sind dem Prozess wieder näher, wenn sie auch Geräusche und Vibrationen erleben können.

Seit 1999 untersuchen wir die Anwendung auditiver Anzeigen in Mensch-Maschine-Schnittstellen.

Am Projekt beteiligter Wissenschaftler

Univ.-Prof. Dr.-Ing. Dr. h.c. Gunnar Johannsen
Dr.-Ing. Bernd-Burkhard Borys
Dipl.-Ing. Vitalij Laubach
Dipl.-Ing. Gerd Strätz

Förderung und Laufzeit

DFG (Großgeräteförderung), Industriespenden, Land Hessen, Volkswagen-Stiftung, 1999 - 2008

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Computerbenutzer in Multimedia-Umgebung
Vision des multimedialen, interaktiven Arbeitsplatzes

Multimedia-Prozessleitwarte

Die zentralen Leitwarten großer industrieller Anlagen haben die Menschen von den zu führenden Prozessen getrennt. Die Wahrnehmung ist vornehmlich auf den visuellen Sinn beschränkt. Allein Telefon- oder Funk­verbindungen ermöglichen eine schmalbandige Sprachkommunikation mit dem Wartungspersonal in der Anlage.

Multimedia-Erweiterungen können den Operateur wahrnehmungsmäßig zurück in die Anlage bringen, während er körperlich komfortabel und sicher in der Leitwarte bleibt. Dies schließt Ansichten und Geräusche von Prozess­kompo­nenten durch Video- und Audioübertragungen genau so ein wie Ansichten und Geräusche, die künstlich aus Messungen erzeugt werden.

Mit Unterstützung durch die Bundesrepublik Deutschland und das Land Hessen durch Mittel aus dem Hochschul­bau­förderungs­gesetz und durch Spenden von Industriefirmen begannen wir, eine experimentelle Multimedia-Prozessleitwarte aufzubauen. Der Kern dieses Experimentierstands bestand aus zwei Hoch­leis­tungs­grafik-Arbeits­stationen. Multimedia-Peripherie, hauptsächlich Video- und Audio-Einrichtungen für Vibra­tionen und dreidimensionale Geräusche, ergänzen die Einrichtung. Diese wurde in der Folgezeit in unterschiedlichen Forschungsprojekten eingesetzt.

Am Projekt beteiligte Wissenschaftler

Univ.-Prof. Dr.-Ing. Dr. h.c. Gunnar Johannsen
Dr.-Ing. Bernd-Burkhard Borys
Dipl.-Ing. Gerd Strätz
Dr.-Ing. Carsten Wittenberg

Förderung und Laufzeit

Bundesrepublik Deutschland und Land Hessen (Hochschulbauförderungsgesetz)
Industriespenden
1997 - 2009

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Robuste Mensch-Machine-Interaktion

Robust Human-Machine Interaction (RoHMI)

RoHMI war ein von der Europäischen Union innerhalb des Programms Human Capital and Mobility unterstütztes kooperatives Forschungsprojekt. RoHMI brachte Wissenschaftler aus sechs europäischen Ländern zusammen, deren gemeinsames Interesse Fragestellungen zum Entwurf von Mensch-Machine-Systemen war. Ideen und Forschungsergebnisse sowie, besonders auch jüngere, Wissenschaftler wurden innerhalb des Netzwerks ausgetauscht.

Am Projekt beteiligte Wissenschaftler

Univ.-Prof. Dr.-Ing. Dr. h.c. Gunnar Johannsen
Dr. rer. pol. Dipl.-Psych. Jens Heuer
Dipl.-Ing. Falk Mletzko
dr. ir. M. M. (René) van Paassen
Dr.-Ing. Carsten Wittenberg

Kooperationspartner

University of Salford, Salford, Greater Manchester, Großbritannien
University of Strathclyde, Scotish HCI Centre, Glasgow, Schottland, Großbritannien
Universität Bonn, Bonn
University of Reading, Reading, Berkshire, Großbritannien
Delft University of Technology, Delft, Niederlande
European Institute for Cognitive Science (EURISCO), Toulouse, Frankreich
Human Reliability Associates (HRA), Wigan, Lancashire, Großbritannien
Technical University of Denmark (DTU), Lyngby, Dänemark
EC Joint Research Centre, Institute for Systems Engineering and Informatics, Ispra (VA), Italien
University of Valenciennes, Valenciennes, Frankreich

Förderung und Laufzeit

Human Capital and Mobility-Programm der Europäischen Union, 1994 - 1996

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Mensch-Maschine-Schnittstellen für die Prozessführung

Advanced Man-Machine Interfaces for Industrial Process Control Applications (AMPCA)

In diesem Projekt wurden wissensbasierte Mensch-Maschine-Schnittstellen für die Überwachung, Führung und Steuerung dynamischer technischer Systeme in Kraftwerken und Zementwerken entwickelt.

Ausgehend von einer intensiven Aufgabenanalyse wurden detaillierte Benutzeranforderungen formuliert. Danach wurden die Softwareanforderungen, der konzeptuelle Entwurf im Hinblick auf ein logisches Modell, die Softwarearchitektur, der detaillierte Entwurf und die Implementierung unter Berücksichtigung internationaler Softwareentwicklungsstandards bearbeitet. Die auf diese Weise entwickelten Mensch-Maschine-Schnittstellen enthielten grafische Benutzungsoberflächen, wissensbasierte Dialog-, Protokollierungs- und Erklärungskomponenten sowie Modelle des technischen Systems und der Benutzer. Die Prototypen wurden getestet und bewertet, zunächst mit Laborsimulatoren, die ebenfalls im Projekt entwickelt wurden, und später unter realen Bedingungen in Feldstudien.

Die Beispielanwendung A war die Benutzerschnittstelle für ein fossilbefeuertes Kraftwerk. Die Beispielanwendung B war die Benutzerschnittstelle für Zementmühlen zum Verkleinern von Klinkern.

Am Projekt beteiligte Wissenschaftler

Univ.-Prof. Dr.-Ing. Dr. h.c. Gunnar Johannsen
Dr.-Ing. habil. Elena A. Averbukh
Dipl.-Ing. Falk Mletzko
Dipl.-Inform. Jörg Rudewig
Dipl.-Ing. Gerd Strätz
dr. ir. M. M. (René) van Paassen
Dr.-Ing. Carsten Wittenberg

Kooperationspartner

CISE S.p.A., Segrate (MI), Italien
Marconi Simulation and Training, Dunfermline, Schottland, Großbritannien
ENEL S.p.A., Cologno Monzese (MI), Italien
FLS Automation A/S, Valby, Dänemark
Aalborg Portland Cement Plant, Aalborg, Dänemark 

Förderung und Laufzeit

BRITE-Programm (Basic Research in Industrial Technologies in Europe) der Europäischen Union, 1 / 1993 - 3 / 1996

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Logo mit rotem G und Pfeil nach oben

Grafik- und wissensbasierter Dialog in Kraftwerksleitwarten

Graphics and Knowledge Based Dialogue (GRADIENT)

Ausgehend vom Pilotprojekt Esprit P600 wurde GRADIENT in den Jahren 1985 bis 1990 im Bereich Advanced Information Processing des ESPRIT-Programms der Europäischen Union gefördert. Das einhundert Personen-Jahre umfassenden Projekt untersuchte die Möglichkeiten, Bediener industrieller Prozesse durch den Einsatz von wissensbasierten Systemen zu unterstützen und durch ein grafisches Expertensystem die Möglichkeit zu geben, mit dem System einen intelligenten grafischen Dialog zu führen.

In der industriellen Prozessführung müssen die richtigen Inhalte zur richtigen Zeit auf die richtige Weise dar­gestellt werden. Ausgangspunkt für GRADIENT war eine Analyse der dazu notwendigen Funktionalität. Ver­schiedene wissensbasierte Systeme stellen die Inhalte des Dialogs zur Verfügung, das grafische Experten­system bringt sie in die richtige Form, ein Dialogsystem überwacht den zeitlichen Ablauf des Dialogs.

GRADIENT unterscheidet zwei Gruppen von Benutzern: Den Entwickler, der eine Anwendung erstellt und den Bediener, der diese zur Prozessführung verwendet. Unterstützung für beide Benutzergruppen wurde in GRADIENT vorgesehen.

Mit Simulationen von zwei Anwendungsbeispielen – einem Kohlekraftwerk und einem paket-orienterten Datennetz – wurde demonstriert, dass die von GRADIENT gesteckten Ziele erreicht werden können.

In unserer Gruppe an der Universität Kassel wurde eine Methode für ausführliche Aufgaben- und Wissens­analysen entwickelt und in Kohlekraftwerken erprobt sowie drei Module für GRADIENT entwickelt:

  • Das unterstützende Expertensystem (Support Expert System SES) besteht aus drei getrennten Modulen. Sie unterstützen drei verschiedene Tätigkeiten der Prozessbediener in Fehlersituationen: Die Stabilisierung des laufenden Prozesses (SES – Procedural Support, prozedurale Unterstützung), die Abschätzung der Folgen (SES – Consequence Prediction) und die Suche nach den Ursachen (SES – State Based Diagnosis, zustands­basierte Diagnose).
  • Das Präsentationssystem (Presentation System PRES) bildet die Schnittstelle zwischen Bediener und dynamischem Prozess. Gesteuert durch das Dialogsystem stellt es grafisch die Informationen für den Bediener dar. Es greift dabei auf die im grafischen Editor erstellten Bilder und Bildelemente zurück. PRES nimmt auch die Eingaben des Bedieners zur Prozesssteuerung an.
  • Der Intelligente Grafische Editor (Intelligent Graphical Editor IGE) unterstützt Designer und Prozessingenieure bei der Gestaltung von Leitwartenbildern. Es wurden ein grafischer Editor und wissensbasierte Module zur Entwurfsunterstützung entwickelt. IGE überwacht die Einhaltung ergonomischer Regeln und stellt die Über­ein­stimmung zwischen technischem Prozess und dessen grafischer Darstellung sicher. Ein Modell des Prozess­bedieners (User Model UM) vermittelt kontextabhängige Sichtweisen.

GRADIENT führte zu neuen Erkenntnissen auf den Gebieten

  • der Analyse- und Beschreibungsmethoden zur Dialoggestaltung,
  • der Trennung zwischen Dialog und Darstellung,
  • der interaktiven, dynamischen Bilderstellung,
  • der Verfahren zur Modellierung von Bediener- und Systemverhalten,
  • der Erkennung des vom Bediener verfolgten Plans und der Entdeckung von Fehlhandlungen,
  • der Verfahren zum Wissenserwerb und zur Wissensbeschreibung und 
  • der Wartung von Wissensbasen

Am Projekt beteiligte Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler

Univ.-Prof. Dr.-Ing. Dr. h.c. Gunnar Johannsen
Dr.-Ing. Dipl.-Inform. Sabine Borndorff-Eccarius
Dr.-Ing. Bernd-Burkhard Borys
Dr.-Ing. Dipl.-Math. Lajos Fejes
Dipl.-Ing. Hans-G. Hansel-Geisert
Dipl.-Ing. Joachim Schmidt
Dr. phil. Dipl.-Psych. Gunilla A. Sundström
Dipl.-Ing. Gerd Strätz

Kooperationspartner

Computer Resources International (CRI) A/S, Dänemark
ABB Research Center, Heidelberg
University of Strathclyde, Scotish HCI Centre, Glasgow, Schottland, Großbritannien
Katholieke Universiteit Leuven, Expert Systems Applications Development Group, Heverlee, Belgien

Förderung und Laufzeit

ESPRIT-Programm der Europäischen Union, 1985 - 1990

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Pilotstudie Prozessleitwarten

ESPRIT P600 war eine einjährige Pilotstudie in 1984/85, in der Benutzerbefragungen und Literaturstudien durchgeführt wurden. Es sollten die Probleme bestimmt werden, welche Bediener in der Praxis mit Prozess­leit­systemen haben und Lösungen dazu gefunden werden.

Die befragten Benutzer waren im Allgemeinen zufrieden mit den Prozessleitsystemen. Die Gestaltung des Dialogs zwischen Mensch und Maschine wurde dennoch als zu stark eingeschränkt und abhängig von vor­ge­gebenen Prozeduren empfunden. Dadurch wird der Dialog unflexibel und schlecht an das Aufgaben­spektrum angepasst.

Die Literaturstudien zeigten, dass Lösungsmöglichkeiten aus dem Gebiet der Wissensverarbeitung, Mensch-Rechner-Interaktion und kognitiver Modellierung kommen können. Wissensbasierte Methoden können zur intelligenten Unterstützung der Bediener während der Überwachung des Prozesses, einer Fehlerdiagnose oder bei notwendigen Eingriffen in den Prozess eingesetzt werden. Forschungsergebnisse aus dem Bereich der Mensch-Rechner-Interaktion stellen verbesserte Verfahren zur Beschreibung des Dialogs zwischen Mensch und Maschine zur Verfügung und besser angepasste Zuordnungen von Funktionen. Neue Modellierungstechniken erhöhen die Flexibilität des Dialogs. In Verbindung mit grafischen Expertensystemen bereichern sie die Informations­darstellung und verbessern das Verständnis des Bedieners für den Prozess.

Am Projekt beteiligter Wissenschaftler

Univ.-Prof. Dr.-Ing. Dr. h.c. G. Johannsen

Kooperationspartner

Computer Resources International A/S, Dänemark
ABB Research Center, Heidelberg
University of Strathclyde, Scotish HCI Centre, Glasgow, Schottland, Großbritannien
Siemens Nixdorf Informationssysteme AG, Paderborn

Förderung und Laufzeit

ESPRIT-Programm der Europäischen Union, 1984 - 1985

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