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Software Engineering Methoden für die Bedienermodellierung in dynamischen Mensch-Maschine-Systemen
Leuchter, Sandro
In der vorliegenden Arbeit werden softwaretechnische Methoden zur Bedienermodellierung in dynamischen Mensch-Maschine-Systemen untersucht und zu einem anwendungsorientierten Einsatz weiterentwickelt. Ziel ist die praktische Verwendung von Bedienermodellierung zur Unterstützung der Analyse und Gestaltung von Mensch-Maschine-Interaktion im Entwicklungsprozess. Die Annahme ist, dass durch die Simulation von Benutzungstests mit Bedienermodellen anstatt der Durchführung von realen Versuchen mit Probanden Human Factors-bezogene Gestaltungsprobleme bei geringeren Kosten und früher im Entwicklungsprozess als bei herkömmlichen Benutzertests aufgedeckt werden können. Durch softwaretechnische Methoden sollte im Rahmen dieser Arbeit die praktische Anwendbarkeit dieser Methode verbessert werden. Auf der Basis des Standes der Forschung in Bezug auf die Bedienermodellierung, bisher modellierte Phänomene, Anwendungsfelder und ihre Anforderungen wurden ACT-R/PM als kognitive Architektur und NGOMSL zur Aufgabenmodellierung in diesem Bereich ausgewählt. Anhand von Fallstudien, die so ausgewählt wurden, dass sie einen breiten Bereich potenzieller Anforderungen an die Bedienermodellierung in dynamischen Mensch-Maschine-Systemen abdecken, wurden die vorhandenen Lücken der bestehenden Theorien und Werkzeuge identifiziert und gleichzeitig neue Werkzeuge und Erweiterungen der Theorien entwickelt und im Einsatz getestet. Es hat sich gezeigt, dass Neuentwicklungen in Form von Frameworks und Architekturerweiterungen in folgenden Bereichen notwendig waren: Kontrollstrukturen für Multitasking und SOPs, Zeitwahrnehmung und Interaktion mit externen Aufgabenumgebungen. Weiterhin konnte die Bedienermodellierung durch die Entwicklung und Bereitstellung von Werkzeugen zur Unterstützung der konzeptuellen Modellbildung, der Formalisierung, der Modellprogrammerstellung und der Durchführung von Simulationsexperimenten unterstützt werden. Ergebnis dieser Arbeit sind somit in den Fallstudien erprobte neue Werkzeuge und Erweiterungen von Bedienermodellierungsmethoden auf den Analyseebenen Kognition und Aufgabe in den folgenden Bereichen: Guideline (Modellierungsrationale ACT-R/PM und NGOMSL), Modellierungswerkzeug (Visualisierung, Agimap, ACT-R Shell, MT-GOMS), Framework (ACT-Com, Agimap, Planex) und Erweiterung (Timer, MT-GOMS). Alle diese neuen Entwicklungen haben Eigenschaften, die sie von anderweitig verfügbaren Arbeiten abheben und die die Bedienermodellierung in dynamischen Mensch-Maschine-Systemen effizienter und effektiver machen. Mit ACT-R/PM, KLM-GOMS und NGOMSL wurden nützliche Architekturen bzw. Formalismen für die Bedienermodellierung identifiziert und durch neue Erweiterungen für Fragestellungen der Mensch-Maschine-Interaktion zugänglich gemacht. Durch neue Werkzeuge ist der praktische Einsatz effizienter geworden. Eine zukünftig stärkere Anwendungsorientierung beim Einsatz von kognitiven Architekturen ist abzusehen, da sie zunehmend Verbreitung außerhalb der erkenntnisorientierten Kognitionswissenschaft finden. Durch die Entwicklungen in dieser Arbeit können die Kosten eines Einsatzes reduziert werden.
The topic of this thesis is the development of software engineering methods for user-modeling in dynamic human-machine systems and how to apply them in cognitive systems engineering. The aim of this is the practical application of user modeling for supporting analysis and design of human-machine interaction in development processes. The assumption for this approach is that through simulation tests with user models instead of conducting experiments with real subjects, human factors-related design problems could be discovered at lower cost and earlier in development. The practical applicability of this method was to be improved through new software-engineering methods. Based on a survey of previous related work on human performance modeling in safety critical systems ACT-R/PM and NGOMSL were selected as the basis for further work. Gaps in these existing theories and tools were identified with case studies. New tools and enhancements to the theories were developed and tested also within the case studies. Work on these case studies showed that new developments in the form of frameworks and architectural enhancements were necessary in the following areas: control structures for multitasking and standard operating procedures, time perception and interaction with external task environments. It was also necessary to develop new tools for supporting conceptual modeling, formalization, simulation program creation and conducting of simulation experiments. Results are case study tested new tools and enhancements of user modeling methods in the following areas: guideline (modeling ACT-R/PM rational and NGOMSL), modeling tool (visualization, Agimap, ACT-R Shell, MT-GOMS), frame-work (ACT-Com, Agimap, Planex) and extension (Timer, MT-GOMS). All these new developments are unique and make user modeling in dynamic human-machine systems more efficient and effective. ACT-R/PM, KLM-GOMS and NGOMSL are feasable architectures and formalisms that were extended for the practical application in user modeling for dynamic human-machine systems. Their use is now more efficient because of the newly developed tools. Cognitive architectures are not only used in fundamental cognitive science but also more and more in application oriented research. The results of this work will help reducing the cost of their application.
