Modeling of Complex Human-Process-Interaction as Framework for Assistance and Supervisory Control of Technical Processes

Interactive processes are omnipresent in research fields dealing with automation of complex technical processes. Such research fields allow a wide range of application scenarios of assistance systems to support human operators. However, the definition and description of the interaction itself strongly depends on the application. The description of Human-Process-Interaction (HPI) in most cases is the key for the development of interaction models leading to a framework for the development of assistance systems. The goal of such assistance systems is to support the human operator, or more general to consider human factors, on the one hand and thereby improving the considered process in parallel on the other hand. A suitable description of HPI allows further the analysis, assessment, and supervision of human operators in fulfilling their role in complexity gaining technical applications. For the purpose of creating a framework for the development of assistance systems, the Situation-Operator-Model (SOM) approach is applied. The SOM approach is capable of modeling HPI in a net-like structure representing the complex environment (or process) and human interactions. This formal modeling of HPI for the development of human-centered assistance systems based on the underlying modeled interaction is available. In this contribution illustrative examples of different applications for the proposed approach are given by a cognitive, individualized driver assistance system for lane changing maneuvers, by the assessment of operator decisions in air traffic control as well as the operator supervision in semiautomated production processes

Model-based operator guidance in interactive, semi-automated production processes

This contribution focuses on the task of guiding and supervision of technical processes realized by human operators. The review of publications of the last decades discloses that especially technical processes with strong interconnection of human operator and manufacturing process are not adequately addressed by the evolved automation approaches. Integrating human process knowledge and experience into the resulting automation system is still a major concern. Besides the introduction of automation in a handcrafting process that is increasing the overall system complexity, the design of the human-machine interface to the automation system is of central importance. Within this thesis, the trade-off between manual manufacturing and automation is addressed by a semi-automation approach. The application example is the no-bake molding process, a mold manufacturing process for casts that is traditionally handmade. Within this process the human operator plays a central role (i.e. knowledge and expertise), whereas the (intelligent) automation is carrying out physical operation, which is guided and supervised by the human operator. This is achieved by experimentally identified quality representing process variables that allow for in-process feedback to the human operator. Process guiding assistance is given using a formalization approach of the human-automation-interaction. By deducing situative information of interest from the resulting human-automation-system model with respect to the current process goal, the established process model is used for supervision and assistance of the overall process. The design of the human-machine-interface is based on a detailed analysis of the handcrafted process and is realized as a direct, intuitively usable, marker-based interaction technique. The integrated human-automation-system and the corresponding human-machine-interface with process guidance assistance functionality is initially evaluated. The results are discussed for the future work with respect to the individual, human operator-specific process understanding and process reproducibility.Diese Arbeit befasst sich mit Fachkraftaufgaben in der Führung und Überwachung von technischen Prozessen. Die Übersicht der Publikationen der letzten Jahrzehnte eröffnet, dass insbesondere technische Prozesse mit enger Verknüpfung von Mensch und Herstellungsprozess bei den entwickelten Automatisierungsansätzen nicht hinreichend berücksichtigt werden. Die Integration von Prozesswissen und -erfahrung in das resultierende Automatisierungssystem bleibt eine offene Fragestellung. Neben der Einführung von Automation in Handarbeitsprozesse, die die Komplexität des Gesamtsystems erhöhen, ist die Gestaltung der Mensch-Maschine-Schnittstelle zum Automatisierungssystem von zentraler Bedeutung. Der Konflikt zwischen Handarbeit und Automatisierung wird in dieser Arbeit durch die Einführung einer Teilautomatisierung gelöst. Das Anwendungsbeispiel ist das Kaltharzverfahren, ein traditionell in Handarbeit bewältigter Herstellungsprozess für Gussformen. In diesem Prozess spielt die Fachkraft eine zentrale Rolle (z. B. durch ihr Prozesswissen und ihre Expertise), während die (intelligente) Automatisierung –geführt und überwacht durch die Fachkraft– anfallende physische Aktionen ausführt. Dies wird durch experimentell ermit- telte qualitäts-beschreibende Prozessgrößen erreicht, die eine in-prozess Rückführung zum Bedienpersonal ermöglichen. Prozessführungsassistenz ist basierend auf die Formalisierung der Mensch-Automation-Interaktion gegeben. Durch die Bestimmung von situativen Informationen hoher Wichtigkeit aus dem resultierenden Mensch-Automation-System Modell bezogen auf das aktuelle Prozessziel, wird das bestehende Prozessmodell zur Überwachung und Prozessführungsassistenz des Gesamtprozesses genutzt. Die Gestaltung der Mensch-Maschine-Schnittstelle basiert auf einer detaillierten Analyse des Handarbeitsprozesses und ist als direkte, intuitiv bedienbare, markerbasierte Interaktionstechnik realisiert. Das integrierte Mensch-Automation-System sowie die zugehörige Mensch-Maschine-Schnittstelle inklusive Prozessführungsassistenzfunktionen wurden initial evaluiert. Die erzielten Ergebnisse werden hinsichtlich des individuellen, fachkraftabhängigen Prozesswissens und der Reproduzierbarkeit für den Ausblick diskutiert