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

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

2 AUTOMATION UND MENSCHLICHE KONTROLLE Title > Mai 23, 2012 > 4

3 Automation und menschliche Kontrolle Beispiel Fahrzeugautomation Quelle:greencar.com Quelle:webreaders.de Quelle:volvocars.com Baustellenassistent Quelle:eurotransport.de Quelle:forbes.com Quelle:atzonline.com Kreuzungsassistent Überholassistent Quelle:motor-talk.de Landstraßen- & Innenstadtassistent Level of Automation & Complexity Title > Mai 23, 2012 > 5

4 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! Title > Mai 23, 2012 > 10

5 Automation und menschliche Kontrolle Geteilte und kooperative Kontrolle guidance perceives control perceives Title > Mai 23, 2012 > 11

6 Automation und menschliche Kontrolle Kooperative Kontrolle: Beispiele Title > Mai 23, 2012 > 12

7 Automation und menschliche Kontrolle Effekte der Automation TNO, SMART 64 Title > Mai 23, 2012 > 14

8 Automation und menschliche Kontrolle Effekte der Automation! Kritische Auswirkungen! Mode Confusion! Missbrauch! Complacency/ Overtrust! Fertigkeitsverlust! Verlust von Situationsbewusstsein elektromania.net Title > Mai 23, 2012 > 15

9 Automation und menschliche Kontrolle Effekte der Automation Verlust von Situationsbewusstsein! 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+ Title > Mai 23, 2012 > 16

10 Automation und menschliche Kontrolle Effekte der Automation Verlust von Situationsbewusstsein! Ergebnisse [s] Bremsreaktionszeit nach dem Gelblicht der Ampel 2,0 1,5 1,0 [m] Distanz zur Ampel bei Bremsbeginn 0,5 0,0 Ohne FCW+ ACC Ohne FCW+ ACC+ (Kassner, Baumann, 2011) Title > Mai 23, 2012 > 17

11 Automation und menschliche Kontrolle Effekte der Automation Verlust von Situationsbewusstsein! Schlussfolgerungen für Gestaltung! Vor Übernahme / Wechsel des Automationsgrads à Aktivierung der entsprechenden Aufgabenrepräsentation! relevante Informationen! relevante Handlungen! Voraussetzung: genaue Analyse der Aufgaben Title > Mai 23, 2012 > 18

12 Automation und menschliche Kontrolle Automationsgrade Title > Mai 23, 2012 > 19

13 Automation und menschliche Kontrolle Automationsgrade Title > Mai 23, 2012 > 20

14 Automation und menschliche Kontrolle Automationsgrade www. bester-beifahrer.de Title > Mai 23, 2012 > 21

15 Automation und menschliche Kontrolle Automationsgrade HAVEit Title > Mai 23, 2012 > 22

16 Automation und menschliche Kontrolle Automationsgrade Title > Mai 23, 2012 > 23

17 Automation und menschliche Kontrolle Automationsgrade CityMobil-DLR SARTRE Title > Mai 23, 2012 > 24

18 Automation und menschliche Kontrolle Automationsgrade Title > Mai 23, 2012 > 25

19 Automation und menschliche Kontrolle Transitionen TNO, SMART 64 Title > Mai 23, 2012 > 26

20 Automation und menschliche Kontrolle Transitionen Title > Mai 23, 2012 > 27

21 Automation und menschliche Kontrolle Transitionen! Schnittstelle für Transitionen zwischen Automationsgraden! Schalter! Fluide Transition (z.b. hands-off Detektion am Lenkrad)! Adaptive automation DLR Title > Mai 23, 2012 > 28

22 Automation und menschliche Kontrolle Transitionen: Übernahme-Aufforderung Title > Mai 23, 2012 > 29

23 Automation und menschliche Kontrolle Transitionen: Übernahme-Aufforderung! Gestalten Sie die Übernahme-Sequenz! Title > Mai 23, 2012 > 30

24 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! Title > Mai 23, 2012 > 31

25 Automation und menschliche Kontrolle Nebenaufgaben? TNO, SMART 64 Title > Mai 23, 2012 > 46

26 Automation und menschliche Kontrolle Nebenaufgaben?! What would you like to do while driving highly automated? Write s Surf in the internet Look out of the window Read something Make phone calls Listen to music Watch TV Eat something HAVEit Usability Assessment, participants, multiple answers were possible Title > Mai 23, 2012 > 47

27 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 drowsiness detection Driver monitoring Driver State Assessment distraction detection Driver monitoring WIVW Title > Mai 23, 2012 > 49

28 THEORIEN UND MODELLE Title > Mai 23, 2012 > 50

29 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) Title > Mai 23, 2012 > 51

30 GOMS EIN VERFAHREN DER KOGNITIVEN AUFGABENANALYSE Title > Mai 23, 2012 > 52

31 GOMS - Zielsetzung! Eine Methode, die als formale prädiktive Modellierungstechnik entwickelt wurde und auf kognitivem Problemlöseverhalten basiert! Entwickelt von Card, Moran und Newell (1983) in Title > Mai 23, 2012 > 53

32 GOMS Konzept G O M S Goals Selection Rules Operators Methods Title > Mai 23, 2012 > 54

33 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 Title > Mai 23, 2012 > 55

34 GOMS Konzept Goals! 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 Title > Mai 23, 2012 > 56

35 GOMS Konzept Operators! 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>; Title > Mai 23, 2012 > 57

36 GOMS Konzept Methods! 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> Title > Mai 23, 2012 > 58

37 GOMS Konzept Selection Rules! 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> Title > Mai 23, 2012 > 59

38 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 Title > Mai 23, 2012 > 60

39 Hintergrund: The Model Human Processor! MHP ist ein engineering model menschlicher Informationsverarbeitung! Grundlage der Vorhersage von Performanz in HCI situationen Title > Mai 23, 2012 > 61

40 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 Title > Mai 23, 2012 > 64

41 Anwendung von GOMS! Wann kann man GOMS anwenden?! Nach der Implementierung existierender Systeme! Nach der Spezifikation der Gestaltung! Während der Gestaltung Title > Mai 23, 2012 > 65

42 Anwendung von GOMS! Zieleingabe bei Navigationsgeräten (Jahn, Keinath, Krems, Gelau 2003) A B Title > Mai 23, 2012 > 67

43 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. Title > Mai 23, 2012 > 68

44 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. Title > Mai 23, 2012 > 69

45 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 A B Title > Mai 23, 2012 > 70

46 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 Title > Mai 23, 2012 > 72

47 STAGES OF ACTION (NORMAN, 1983) Title > Mai 23, 2012 > 74

48 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) Title > Mai 23, 2012 > 75

49 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) Title > Mai 23, 2012 >

50 Seven Stages-of-Action (Norman, 1988) Ziel Absicht Evaluation Wahrnehmung Handlungssequenz Physikalisches System Systemaktivität Interpreta tion Nutzeraktivität Handlungsausführung Abb. 02: Die sieben Schritte der Handlungsausführung nach Norman (1988) mit Beispiel. Title > Mai 23, 2012 > 77

51 Seven Stages-of-Action (Norman, 1988) Hebe Wort hervor Ziel Wort markieren und kursiv formatieren Absicht Evaluation Wort ausreichend herforgehoben? Bewege Mauszeiger auf Wort, Doppelklick, Auf K klicken Handlungssequenz Interpreta tion Wurde Befehl ausgeführt? Ausführung der Sequenz Nutzeraktivität Handlungsausführung Wahrnehmung Ist Wort kursiv? Physikalisches System Systemaktivität Abb. 02: Die sieben Schritte der Handlungsausführung nach Norman (1988) mit Beispiel. Title > Mai 23, 2012 > 78

52 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 Title > Mai 23, 2012 >

53 Handlungszyklus: Stufen der Evaluation! Evaluationsseite hat 3 Stufen! Wahrnehmen, was in der Welt passiert ist! Interpretation des Zustands der Welt! Bewertung des Ergebnisses Title > Mai 23, 2012 >

54 Seven Stages-of-Action (Norman, 1988) Activity Design Ziel Interaktionsdesign Absicht Handlungsspezifikation Eingabegeräte Nutzeraktivität Physikalisches System Evaluation Interpreta tion Display Informationsdesign Systemaktivität Abb. 02: Die sieben Schritte der Handlungsausführung nach Norman (1988) mit Beispiel. Title > Mai 23, 2012 > 81

55 Seven Stages-of-Action (Norman, 1988) Ziel Gulf of Execution Absicht Handlungsspezifikation Eingabegeräte Nutzeraktivität Evaluation Interpreta tion Display Gulf of Evaluation Physikalisches System Systemaktivität Abb. 02: Die sieben Schritte der Handlungsausführung nach Norman (1988) mit Beispiel. Title > Mai 23, 2012 > 82

56 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 Title > Mai 23, 2012 > 83

57 Seven Stages-of-Action (Norman, 1988)! 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 Physical System gulf of execution Goals Title > Mai 23, 2012 >

58 Seven Stages-of-Action (Norman, 1988)! 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 Physical System Goals gulf of evaluation Title > Mai 23, 2012 > 85

59 Seven Stages-of-Action (Norman, 1988) Überbrücken der Gulf of Execution and Evaluation Interface Mechanismen Handlungsspezifikation execution bridge Absicht Physikalisches System Interface Display Interpretation evaluation bridge Evaluation Ziele 7-Stufen-Struktur liefert grundlegende Checkliste von zu stellenden Fragen, um sicherzugehen, dass Kluft überbrückt wird Title > Mai 23, 2012 > 86

60 Seven Stages-of-Action (Norman, 1988) Design-Hilfen! Wie leicht kann jemand Funktion des Geräts/Programms erkennen Ziel mögliche Handlungen erkennen? Absicht Evaluation erkennen, ob System in Zielzustand? Umsetzung am Gerät erkennen? Handlungssequenz Interpreta tion Umsetzung am Display erkennen? Handlung ausführen? Nutzeraktivität Handlungsausführung Wahrnehmung Systemzustand erkennen? Physikalisches System Systemaktivität Title > Mai 23, 2012 > 91

61 Seven Stages-of-Action (Norman, 1988) Design-Empfehlungen - Visibility! der Systemzustand und Handlungsalternativen sollten erkennbar sein Title > Mai 23, 2012 > 92

62 Seven Stages-of-Action (Norman, 1988) Design-Empfehlungen Visibility! der Systemzustand und Handlungsalternativen sollten erkennbar sein Title > Mai 23, 2012 > 93

63 Seven Stages-of-Action (Norman, 1988) Design-Empfehlungen Conceptual Model! gutes konzeptuelles Modell mit konsistenter Systemerscheinung! Konsistenz in Operationen und Ergebnissen Title > Mai 23, 2012 > 94

64 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 Title > Mai 23, 2012 > 95

65 Seven Stages-of-Action (Norman, 1988) Design-Empfehlungen Feedback! Nutzer sollten kontinuierliches Feedback erhalten Title > Mai 23, 2012 > 96

66 Seven Stages-of-Action (Norman, 1988) Design-Empfehlungen Affordances! Design soll klarmachen, wie Objekte benutzt werden sollen Title > Mai 23, 2012 > 97

67 Danke für die Aufmerksamkeit! Fragen? Ziel Absicht Evaluation Handlungsspezifikation Eingabegeräte Nutzeraktivität Physikalisches System Systemaktivität Interpre tation Display Abb. 02: Die sieben Schritte der Handlungsausführung nach Norman (1988) mit Beispiel. guidance Automation und Theorien perceives control perceives Title > Mai 23, 2012 > 98