Människa-maskinsystem Hur skapas god interaktion mellan människa och maskin för ökad effektivitet och säkerhet? Anna-Lisa Osvalder Institutionen för Produkt- och produktionsutveckling Avdelning Design & Human Factors CHALMERS, Göteborg
Människa-maskinsystem
MÄNNISKA MASKINSYSTEM MÄNNNISKA MASKIN ORGANISATION Teamwork Kultur UPPGIFT Informationsprocess Perception Handlingar GRÄNSSNITT Informationsdon Manöverdon Maskinprocess MÅL MILJÖ Fysisk utformning Fysikaliska faktorer
Forskargruppen för Människa-maksinsystem Utveckla utvärderingsmetoder och kunskap om relationen mellan människa och teknik för att kunna: Utveckla ergonomiska, användarvänliga, effektiva och säkra produkter/system Värdera teknik och system Förutse teknikens konsekvenser för människan i systemet
PROJEKT KOMPLEXA TEKNISKA SYSTEM KONTROLLRUM Gränssnitt/ skärmdesign Automation Larmsystem Möblemang/ inredning KÄRNKRAFT Larmsystem Metoder för utvärdering av säkerhet Riskanalys MEDICINSK TEKNIK Utvärdering Dialysmaskiner Anestesiutrustning Insulinpump Infusionspump FLYG Gränssnittsdesign Head up Display HUD FARTYG Hur kan kunskap om ergonomi/ arbetsmiljö bidra till säker, effektiv & hållbar sjöfart? DESIGN & HUMAN FACTORS PRODUKT- OCH PRODUKTIONSUTVECKLING
PROJEKT ERGONOMI BILBÄLTEN Komfort, ergonomi & säkerhetförbarn & vuxna. Extrabälten baksäte. Beteende vid inbromsning och manövrar BIOMEKANIK Fysiska belastningar vid kite-surfing TUNNELBANETÅG Ergonomi i förarhytt ERGONOMISKA PRODUKTER Kontorsstolar Stallredskap Datormöss Dammsugare DESIGN & HUMAN FACTORS PRODUKT- OCH PRODUKTIONSUTVECKLING
Varför behövs kunskap om människa-maskinsystem? Arbetets karaktär har förändrats: Från (tungt) fysiskt kroppsarbete, till mental informationsöverlast Från utsliten kropp till utbränd själ Teknikbaserat arbete: Ökad användning av tekniska produkter/system Ofta skärmbaserade gränssnitt Svårare att förstå hur bakomliggande teknik fungerar Mycket information presenteras samtidigt Stora krav på uppmärksamhet och simultankapacitet Maskiner tar mer och mer över arbetet ökad automationsgrad Människan sysslar mer med styrning & övervakning DESIGN & HUMAN FACTORS PRODUKT- OCH PRODUKTIONSUTVECKLING
Varför behövs kunskap om människa-maskinsystem? Teoretisk insikt behövs om: Människans mentala möjligheter och begränsningar Hur människans informationsbearbetning fungerar (kognitiva processer) Hur interaktionen mellan människa och teknik fungerar Hur användarvänliga gränssnitt ska utformas Teknik utformad med hänsyn till människans förutsättningar leder till: minskad stress och osäkerhet ökad effektivitet, säkerhet, arbetstillfredsställelse och välbefinnande DESIGN & HUMAN FACTORS PRODUKT- OCH PRODUKTIONSUTVECKLING
MÅL med forskning inom MÄNNISKA-MASKINSYSTEM Utveckla kunskap om interaktionen mellan operatör och maskin i kontexter med avseende på kognitiva, fysiska och emotionella aspekter, som kan användas för att utveckla attraktiva och användaranpassade produkter och system för ökad effektivitet, säkerhet och tillfredsställelse Utveckla metoder för att utvärdera färdiga produkter/system samt koncept och prototyper i produktutvecklingsprocessen med avseende på användningsproblem, användningsfel, effektivitet och säkerhetsaspekter Både utvärdering och design (ANALYS och SYNTES) DESIGN & HUMAN FACTORS PRODUKT- OCH PRODUKTIONSUTVECKLING
KONTROLLRUMSUTFORMNING PROCESSINDUSTRI DESIGN & HUMAN FACTORS PRODUKT- OCH PRODUKTIONSUTVECKLING
EXEMPEL PÅ FRÅGESTÄLLNINGAR PROCESS-STYRNING Hur agerar operatörer med olika egenskaper och erfarenhet (novis/expert), vad skiljer dem åt i interaktionen i kontrollrummet, vad är deras behov, önskemål och förslag på förändringar? Hur påverkas uppmärksamhet, prestation och vakenhet av gränssnittets och miljöns utformning? Hur påverkas felanvänding(useerror) av gränssnittets och miljöns utformning? DESIGN & HUMAN FACTORS PRODUKT- OCH PRODUKTIONSUTVECKLING
Reason, 1990 Blunt End Sharp End TILLVERKARE OPERATÖR ORGANISATION Trubbig ände Faktorer som är fjärran i tid och rum Användarvänlighetsproblem initieras Latenta förutsättningar kontra aktiva handlingar Skarp ände Aktiva handlingar här och nu Användningsfel utförs
PROCESSINDUSTRI IGÅR
PROCESSINDUSTRI IDAG
Processindustri Styrning samlad i kontrollrum Hög grad av automation Hög komplexitet många ingående komponenter beroende av varandra
PROCESSINDUSTRI IDAG Ständig nyutveckling för ökad konkurrenskraft god driftekonomi, effektiv produktion, hög kvalitet och säkerhet effektivt utnyttjande av tekniska och mänskliga resurser krav på funktionalitet och användarvänlighet Tekniken idag mer svårförstålig och hanteringsmässigt komplicerad ökad komplexitet, samband & logik ej enkelt iakttagbara ökad automationsgrad och reducerad personalstyrka MMI viktig kvalitetsaspekt i teknikutvecklingen ökad transparens, reducering av information saknas ofta kunskap om MMI (förlitar sig på leverantörer, konsulter) utvärdering av användbarhet knapphändig potentialen hos systemen utnyttjas ej DESIGN & HUMAN FACTORS PRODUKT- OCH PRODUKTIONSUTVECKLING
PROCESSKONTROLL Nödvändiga förutsättningar Operatören måste ha tillgång till en kausal modell över systemet Existera ett mål för processen Möjligt att kontrollera och styra status för processen Feedback måste ges när något utförts med systemet Operatörerna måste vara kunniga och motiverade Designa för Situation awareness(perception, tolkning, predicering) Beslutsfattande (sidoeffekter, dynamik, icke-linjaritet, fördröjning) Feedback (action respons, kognitiv feedback, feed forward) DESIGN & HUMAN FACTORS PRODUKT- OCH PRODUKTIONSUTVECKLING
Att hålla operatören i loopen - informationspresentation viktig
Automation Kognitiva uppgifter Fysiska uppgifter
Effekter av ökande automatisering Out-of-the-loop problem svårt att upptäcka fel och återta kontrollen Förlust av färdigheter färdigheter försämras över tid om de inte används behov av träning Beteendeanpassning vet vad systemet kan (ABS bromsar) säkerhetsbuffert mindre Tillit balans mellan upplevd och verklig förmåga
GENOMFÖRDA STUDIER I KONTROLLRUM Utveckling av handbok för MMI design av kontrollrum Utveckling av innovativa skärmbilder för processövervakning med fokus på snabb upptäckt, igenkänning och förståelse Utveckling av nya larmfilosofer och visuella larmpresentations- former med lämplig automationsnivå för olika driftssituationer DESIGN & HUMAN FACTORS PRODUKT- OCH PRODUKTIONSUTVECKLING
PÅGÅENDE STUDIER I KONTROLLRUM Utvärdering av processoperatörers prestation komfort i modernt kontrollrum jämfört med traditionell kontrollrumsmiljö (ABB och CGM) Utveckling av adaptiva och lärande larmsystem (LKAB tillsammans med Luleå tekniska universitet) Utveckling av metoder för utvärdering/inspektion av säkerhet vid modernisering av kontrollrum i kärnkraftsindustrin (SSM) DESIGN & HUMAN FACTORS PRODUKT- OCH PRODUKTIONSUTVECKLING
DATAINSAMLINGS- och ANALYSMETODER Litteratur (forskningsartiklar, standarder, guidelines) Intervju och observation (omfattande företagsbesök) Diskussion kring processbilder Uppgiftsbeskrivningar; HTA, ACTA, Scenarioanalys Mental arbetsbelastning NASA-TLX Riskanalys; PHEA, HEART, mänskliga felhandlingar Stress-energiskattningar Komfortskattningar Emotionsskattningar Usability-test Simulatorkörningar DESIGN & HUMAN FACTORS PRODUKT- OCH PRODUKTIONSUTVECKLING
DESIGN & HUMAN FACTORS PRODUKT- OCH PRODUKTIONSUTVECKLING SIMULATOR: FÄRGFABRIKEN
PRESTATION & KOMFORT i traditionellt & modernt CR State of the art environment Ergonomic with high level of integration 12 operators 3 hours work during morning and afternoon sessions Crise scenario Basic environment that fulfill standard and traditional requirements Basic level of integration Subjective Objective Interviews Hypothesis: Analysis of operator ratings, performance measures and interviews are expected to show increased operator effectiveness Subjective Objective Interviews DESIGN & HUMAN FACTORS PRODUKT- OCH PRODUKTIONSUTVECKLING
SKATTNING AV PRESTATION STRESS ENERGI formuläret
SKATTNING AV DISKOMFORT
SKATTNING AV DISKOMFOR T
SKATTNING AV EMOTIONER
RESULTAT traditionellt & modernt CR State of the art environment Ergonomic with high level of integration Basic environment that fulfill standard and traditional requirements Basic level of integration Signifikant skillnad för fysisk diskomfort komforten bättre i modernt CR Överlag låga diskomfortvärden Ingen signifikant skillnad vad gäller prestation Ingen signifikant skillnad vad gäller emotioner Överlag neutrala operatörer Signifikant skillnad mellan förmiddags- och eftermiddagspass Intervjuer visade att 11 av 12 operatörer fördrar det moderna CR
The alarm system A possible way forward Anna-Lisa Osvalder Anna-Lisa Osvalder Division Design & Human Factors Chalmers University of Technology, Gothenburg, Sweden
The ideal alarm system To alert the operator of a deviation To inform the operator Guide the operator s response Confirm (in time) if the response corrected the deviation EEMUA, 1999
Problems with alarms Too many alarms Information alarms of system status Multiple alarms from the same initial alarm False and nuisance alarms Ambiguous or unspecified alarm messages Rigid alarm levels Lees, 1983; Mumaw et al., 2000
Empirical Studies Material & Methods 12 studies including; nuclear power, pulp & paper, oil refining, heat & power - Swedish facilities (2005-2010) Performed by HFE researchers from Chalmers Observations in control rooms and simulators (Studsvik, IFE/Halden) Interviews with operators, suppliers and system designers Focus group discussions about alarm designs
Empirical Studies Analysis Methods Task descriptions HTA ACTA Scenario analysis Mental workload NASA-TLX Risk analysis PHEA HEART
Results Alarm problems found today False, irrelevant and nuisance alarms many alarms are just information Ambiguous or unspecified alarm messages Too many alarms during a short period of time Lack of priorities and context sensitivity Thunberg & Osvalder, 2009 Information overload distress correct decision making efficiency & safety A display with alarms mixed with other information
Results Focus groups Prioritization is the most efficient function to enhance alarm handling Fast detection and interpretation of anomalies are significant The alarm system s ability to guide the operator s initial response to the deviation is crucial Pattern recognition and visual aids (e.g. object information in a frame, mass balances) enhance detection of process changes
Analysis Principle design ideas Integrate alarm information in the existing user interfaces Reduce distracting stimuli Support the operators mental model and situation awareness Focus the attention on the relevant part of the process Show side effects in other parts of the system
Ideas for improvement of Existing Alarm Design in the Traditional Process Display Nuclear Power Feed water system
Improvement of Existing Alarm Design Safety critical information has a dedicated spatial location
Improvement of Existing Alarm Design Visual aids facilitate early detection of deviations, provide overall process status Objects out of operation are faded Complementary information is lit up when anomalies occur
Improvement of Existing Alarm Design Alarms marked with frames; additional information added Mini alarm list for the specific system
Ideas for New Interface Alarm Design based on Ecological Design Ideas Generic display for overall process view, thermal power plant
New Interface Alarm Design Alarms marked with frames Overall system status information in bar Mini-trend facilitates interpretation
New Interface Alarm Design Deviating conditions indicated by ecological design features
New Interface Alarm Design Complementary information lit up when attention is needed
New Interface Alarm Design Graphs & trends for fast detection of anomalies
Summary Many ideas for improvement of existing alarm systems have been proposed Still much to do to help operators to increase efficiency and safety during process control Focus on situation awareness, decision making and cognitive feedback when operating non-linear dynamic systems with causal net structure and delayed feedback
Idea: Learning system An step in the evolution of alarm systems is to design a learning system, which learns from operator control actions and their success The system should be capable of storing operator solutions of different alarm situations solved Use previous mistakes to update recommended interventions A hierarchy of possible intervention available Ranked according to their success of solving problem