Hierarchical Task Analysis Mapper: Mustergestützte Erstellung kognitiver Modelle zur Evaluation von Mensch-Maschine-Systemen

Hierarchical Task Analysis Mapper: Pattern-based cognitive modeling for the evaluation of human-machine systems

  • In der Entwicklung von Bedienschnittstellen – als verbindendes Element zwischen Mensch und dem technischen System – sind eine Vielzahl von Faktoren zu berücksichtigen, um eine erfolgreiche Gestaltung im Sinne einer hohen Gebrauchstauglichkeit des Produkts zu erzielen. Hat sich in frühen Entwicklungsphasen die Simulation technischer Komponenten bereits etabliert, führt die Simulation des Faktors Mensch im ingenieurwissenschaftlichen Umfeld noch immer ein Schattendasein. Die Ursachen hierfür liegeIn der Entwicklung von Bedienschnittstellen – als verbindendes Element zwischen Mensch und dem technischen System – sind eine Vielzahl von Faktoren zu berücksichtigen, um eine erfolgreiche Gestaltung im Sinne einer hohen Gebrauchstauglichkeit des Produkts zu erzielen. Hat sich in frühen Entwicklungsphasen die Simulation technischer Komponenten bereits etabliert, führt die Simulation des Faktors Mensch im ingenieurwissenschaftlichen Umfeld noch immer ein Schattendasein. Die Ursachen hierfür liegen gerade im Bereich integrativer Modelle menschlicher Kognition im immensen Aufwand, ein Bedienermodell bereitzustellen, das alle als relevant erachteten Aspekte der Mensch-Technik-Interaktion abbilden kann und sich adäquat in Produktentwicklungsprozesse integrieren lässt. Der hohe Aufwand der kognitiven Modellerstellung manifestiert sich hierbei maßgeblich in einer mangelnden Systematik der Modellentwicklung, dem Fehlen von geeigneten Entwicklungs- und Analysewerkzeugen sowie einer limitierten Kommunizierbarkeit und Wiederverwendung der Modelle. Zur Verringerung des Modellierungsaufwandes wurde im Rahmen dieser Arbeit der Ansatz des Hierarchical Task Analysis Mapper (HTAmap) konzeptionell erarbeitet und prototypisch umgesetzt. HTAmap erlaubt eine systematische und werkzeuggestützte Modellierung sowie teilautomatisierte Generierung kognitiver Modelle für die kognitive Architektur ACT-R auf Basis von hierarchisch-strukturierten Aufgabenmodellen. Der sehr komplexe kognitive Modellbildungsprozess wird mittels HTAmap in einen vereinfachten Auswahl- und Spezifikationsprozess überführt. Zentraler Ansatz ist die Modellerstellung auf höherem Abstraktionsniveau sowie die Bereitstellung und Wiederverwendung von Modellbausteinen in Form kognitiver Aktivitätsmuster. Das Fundament des HTAmap-Ansatzes wird dabei durch den HTAmap-Basisprozess gelegt, der eine strukturierte und formalisierte Überführung von High-Level Aufgabenmodellen in kognitive Low-Level ACT-R Simulationsmodelle beschreibt. Die sich hierbei ergebende Kluft zwischen Modellbeschreibungsebenen wird durch die HTAmap-Modellbeschreibungssprache überbrückt. Der Bogen zur praktischen Anwendung des Ansatzes in Form einer mustergestützten Erstellung und teilautomatisierten Erzeugung kognitiver ACT-R Modelle wird über das HTAmap-Modellierungswerkzeug realisiert, das sich in bestehende Werkzeugketten zur Modellierung einfügt, wodurch die Eintrittsschwelle zur kognitiven Modellierung verringert und der Austausch von Modellen vereinfacht wird. Der Nachweis der kognitiven Adäquatheit der HTAmap-Modellbausteine und resultierender Modelle sowie der Praktikabilität des Ansatzes wird anhand von zwei Validierungsstudien zur Bedienermodellierung im Kontext komplexer dynamischer Mensch-Maschine-Systeme erbracht. Der HTAmap-Ansatz liefert einen wichtigen Beitrag zur Erhöhung der Effizienz der kognitiven Modellierung in ACT-R und trägt dazu bei, zukünftig die Methode der formalen Systemevaluation stärker in Entwicklungsprozessen von Mensch-Maschine-Systemen zu verankern.show moreshow less
  • During the development of user interfaces - as connecting element between a human and a technical system - a large number of factors have to be taken into account to ensure a successful design and a high usability of the user interface. In contrast to the development of technical aspects of human machine systems, at which modeling and simulation methods are indispensable utilities in early development stages for evaluation and analysis, methods for model-based evaluation in general and for cogniDuring the development of user interfaces - as connecting element between a human and a technical system - a large number of factors have to be taken into account to ensure a successful design and a high usability of the user interface. In contrast to the development of technical aspects of human machine systems, at which modeling and simulation methods are indispensable utilities in early development stages for evaluation and analysis, methods for model-based evaluation in general and for cognitive modeling in particular are seldom used in industrial environments. This is due to the high cost/low benefit ratio to develop integrated human performance models that provide all relevant aspects of the human-machine interaction and that can be integrated in engineering processes. The high modeling effort is caused by a widely less structured modeling systematic, the lack of suitable development and analysis tools as well as limited capabilities to communicate and reuse cognitive models. To simplify the development of cognitive models and to reduce the modeling effort the Hierarchical Task Analysis Mapper approach (HTAmap) has been conceptually developed and prototypically implemented. The concept, the implementation and an application study of the HTAmap approach are presented in this dissertation. HTAmap allows a systematic and tool-based modeling as well as a semi-automated generation of cognitive models - for the cognitive architecture ACT-R – on the basis of hierarchical task models. By using HTAmap the complex modeling process is transferred into a simplified selection and specification process. The main idea of HTAmap is to model on a higher level of abstraction as well as the provision and the reuse of model components, in terms of cognitive activity patterns. The foundation of the HTAmap approach is determined by the HTAmap modeling process that provides the basis for a structured and formalized transfer of high-level task models into low-level ACT-R models. The transformation gap between both levels of description is closed by the HTAmap modeling language. To proof the concept, to reduce the entry level into cognitive modeling and to simplify the model exchange and reuse, a HTAmap modeling tool has been implemented. This editor allows tool-based and semi-automated modeling in ACT-R and is part of an existing tool-chain for cognitive modeling. The cognitive adequacy of the predefined HTAmap model building blocks and the resulting HTAmap models, as well as the practicability of the approach is shown by two validation studies in the context of complex dynamic human-machine systems. The results of this dissertation show that the HTAmap approach is an important contribution in the fields of cognitive modeling to increase the effectiveness, the application and the reuse of cognitive user models in ACT-R. In future HTAmap will help to establish formal system evaluation in an increased manner within the development process of human-machine systems.show moreshow less

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Metadaten
Author: Marcus Heinath
URN:urn:nbn:de:kobv:83-opus-23298
Advisor:Prof. Dr.-Ing. Leon Urbas
Document Type:Doctoral Thesis
Language:German
Date of Publication (online):2009/09/16
Publishing Institution:Technische Universität Berlin
Granting Institution:Technische Universität Berlin, Fakultät V - Verkehrs- und Maschinensysteme
Date of final exam:2009/07/10
Release Date:2009/09/16
Tag:ACT-R; Kognitive Modellierung; Modellgestützte Systemevaluation
ACT-R; cognitive modeling; model-based evaluation
Institutes:Fakultät V - Verkehrs- und Maschinensysteme -ohne Zuordnung zu einem Institut-
Dewey Decimal Classification:004 Datenverarbeitung; Informatik
Licence (German):License Logo CC BY-NC-ND: Creative Commons-Lizenz: Namensnennung, nicht kommerziell, keine Bearbeitung