Bild 2: Wirkungsebenen von HMIs und deren Entsprechung im HMI-Design: Neben dem „Design for Error“ und der „Usability“ kommt zusehends die „User Experience“ mit ins Spiel.

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Die Feststellung, dass der Nutzer im Zentrum aller Überlegungen bei der Entwicklung eines neuen HMI-Systems stehen soll, ist eine wesentliche Einsicht vieler Industrieunternehmen in den letzten Jahren. Die ISO-Norm 9241-210 „Human-Centred Design for Interactive Systems“ beschreibt Prinzipien und Vorgehensweise einer menschzentrierten Technikentwicklung. Neben der aktiven Einbeziehung zukünftiger Nutzer in allen Phasen der Entwicklung sieht dieser Standard insbesondere eine iterative Verfeinerung und Optimierung von Gestaltungsentwürfen vor, um schließlich mit einer hohen Wahrscheinlichkeit ein effizient nutzbares Produktdesign zu erreichen.

Die meisten HMI-Entwicklungswerkzeuge sind jedoch heute nicht in der Lage, einen derartigen Prozess effektiv zu unterstützen. Anstatt lediglich eine Plattform für die Definition des Endprodukts eines HMI-Designprozesses zu bieten, sollten fortschrittliche HMI-Werkzeuge in der Zukunft Schritt für Schritt zu den richtigen Aktivitäten und Zwischenergebnissen anleiten. Angefangen bei der Definition einer Informations- und Navigationsstruktur, über Layout-Templates und der Erstellung eines einfachen Klick-Prototypen bis hin zur fertigen Dokumentation. Da­rüber hinaus könnte die iterative Optimierung des HMI unterstützt werden, etwa durch Möglichkeiten zum Kommentieren von Entwürfen und zum Dokumentieren und Überarbeiten von Design-Entscheidungen.

Klassische Ansätze der HMI-Gestaltung zielen heute insbesondere auf eine hohe Sicherheit und Produktivität.

Bild 3: User Experience ist ein bewertendes Gefühl das bei der Interaktion mit einem Produkt entsteht. Diese Bewertung entsteht durch das Erfüllen oder Frustrieren menschlicher Grundbedürfnisse.

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Neben diesen beiden Faktoren wird zukünftig die User Experience – das Nutzungserleben – einen hohen Stellenwert für den Erfolg eines HMI einnehmen (siehe Bild 2). Im Gegensatz zu klassischen Design-Ansätzen, die insbesondere auf das Vermeiden von Fehlern und Problemen abzielen, stehen bei der User Experience positive Gefühle bei der Nutzung von technischen Systemen im Vordergrund. Positive Gefühle wie Engagement, Begeisterung, Freude und Vertrauen.

Wissenschaftliche Studien zeigen, dass HMIs mit einer hohen User Experience in der Lage sind, die Arbeitsweise der Mitarbeiter positiv zu beeinflussen. Dies zeigt sich insbesondere in der kreativen Problemlösung und in der Motivation, sich über die eigentlichen Arbeitsaufgaben hinaus zu engagieren.

In dem von Fraunhofer IAO entwickelten Rahmenmodell „Uxellence“ wird ein positives Nutzungserleben direkt mit dem Erfüllen von menschlichen Grundbedürfnissen wie beispielsweise Wettbewerb (besser sein als andere) oder Kompetenz (etwas gut können und sich darin noch verbessern) verbunden (siehe Bild 3). Wenn also ein HMI Gelegenheiten bietet, grundlegende Bedürfnisse des Nutzers zu erfüllen, lassen sich darüber positive Nutzungserlebnisse erzeugen. Diese werden mittelfristig zu einer stärkeren Bindung und Akzeptanz zwischen Nutzer und Produkt führen und zu einer höheren Mitarbeitermotivation.

Neue Aufgaben des HMI

Bild 4: Das HMI muss die Mitarbeiter in Zukunft noch stärker in seinen Aufgaben als Sensor, Entscheider und Akteur unterstützen als bislang.

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Durch die Entwicklungen, die unter dem Schlagwort „Industrie 4.0“ laufen, kommen der menschlichen Arbeitskraft in der Produktion neue Aufgaben und Funktionen zu (siehe Bild 4). Die zentrale Herausforderung zukünftiger HMI-Lösungen wird sein, diese neuen Nutzerrollen effektiv zu unterstützen.

Der Mensch als Sensor

Mit dem Ziel, ein möglichst vollständiges und zuverlässiges Echtzeit-Abbild des Produktionsstatus zu erhalten, werden zunehmend Sensoren eingesetzt, zum Beispiel zur automatischen Erkennung und Erfassung von Material, Ort, korrekter Funktion und Prozessfortschritten. Doch der Sensorleistung sind natürliche Grenzen gesetzt. Einerseits in der Komplexität der zu erfassenden Informationen, andererseits in ihrer Erkennungszuverlässigkeit. Damit werden effektive Produktionssysteme auch zukünftig auf den Menschen als zusätzlichen „Sensor“ angewiesen sein. Er kann einen aktiven Beitrag zur Situationserfassung leisten und so die Gesamtsensorleistung optimieren und – wo nötig – korrigieren. Zukunftsweisende HMIs sollten diese neuen Aufgaben des Bedieners bestmöglich unterstützen, etwa durch die Anzeige der erfassten Sensor-Informationen in einer für den Bediener bedeutsamen und übersichtlichen Weise. Oder aber auch durch die Unterstützung von Nutzerbeiträgen und Korrekturen des erkannten Systemstatus.

Der Mensch als Entscheider

Echtzeitfähige, vernetzte Systeme werden eine dynamische Produktions- und Ressourcenplanung und schnelle Reak­tionen auf Veränderungen ermöglichen. Trotz des Anspruchs einer hohen System­intelligenz und weitgehender Auto­matisierung wird der Mensch in cyberphysischen Systemen in besonderem Maße als Entscheider gefordert sein. So kann er zum Beispiel zur Lösung von Konflikten bei der Situationserfassung oder der Produktionsplanung beitragen. In echtzeitfähigen Systemen werden dabei sehr schnelle Reaktionen gefragt sein. Um die damit verbundenen komplexen Entscheidungen optimal zu unterstützen, erfordern sie eine passgenaue Aggrega­tion und Visualisierung der verfügbaren Informationen. Darüber hinaus kann das HMI Entscheidungsprozesse unterstützen, indem es Absprachen mit Kollegen ermöglicht – etwa über Social Media – oder Entscheidungs-Alternativen in einer Simulation durchgespielt werden können, bevor sie auszuführen sind.

Der Mensch als Akteur

Mit der zunehmenden Automatisierung werden Routine-Arbeiten seltener, die Komplexität der Aufgaben nimmt zu. Ebenso der Unterstützungsbedarf, da in vielen Fällen ein breiteres Aufgabenspektrum zu bedienen ist. Zusätzlich steigt der Bedarf, sich mit anderen abzustimmen und als koordiniertes Team zu agieren, um dynamische Veränderungen und die erhöhte Komplexität im Produktionsgeschäft abbilden zu können. Neben den genannten Kommunikationsanforderungen ergeben sich die folgenden Herausforderungen für die HMIs:

• Sie müssen anschauliche Anleitungen bieten, die auch ungeübte Nutzer schrittweise durch die Bearbeitung wichtiger Aufgaben führen.
• Die Visualisierungssysteme müssen gesamtheitlich gestaltet sein. Sprich: das HMI und die physische Umgebung integrieren und so die Ausführung manueller Tätigkeiten optimal unterstützen. Beispiele hierfür sind eine realitätsnahe Abbildung von Maschinenteilen auf dem Display, die Kennzeichnung von Maschinen oder Format-Teilen durch Icons, die auch im HMI verwendet werden oder die gleiche Farbcodierung von Flüssigkeiten zum zugehörigen Einfüllbehälter.
• Das HMI muss eine ortsunabhängige Darstellung wesentlicher Informationen einer gesamten Produktionslinie auf allen Bedienpanels und mobilen Geräten ermöglichen.

Neue HMI-Technologien

Multitouch, Spracherkennung und Gestensteuerung – in immer schnelleren Zyklen bieten sich neue, interessante Interaktionstechnologien an. Alternative Eingabemechanismen können den Komfort und die Sicherheit der Bedienung erhöhen, insbesondere wenn mehrere Eingabemöglichkeiten zur Auswahl stehen. Es ist abzusehen, dass insbesondere berührungslose Eingabetechnologien wie Gestensteuerung und Blicksteuerung an Bedeutung gewinnen. Ihre Vorteile im Produktionsumfeld liegen einerseits in ihrer Hygiene, die sie auch für Reinraumsituationen oder stark verschmutzte Hände einsetzbar macht. Andererseits darin, dass sie unter Umständen eine gleich­zeitige HMI-Bedienung ermöglichen, während eine andere manuelle Tätigkeit ausgeübt wird. So lässt sich zum Beispiel während manueller Wartungsar­beiten gleichzeitig mit Blickbewegungen am HMI navigieren, ohne das Werkzeug aus der Hand legen zu müssen.

Darüber hinaus werden Technologien zunehmend interessant, die es ermöglichen, dass sich ein und dasselbe HMI für unterschiedliche Nutzer, auf unterschiedlichen Geräten und in unterschiedlichen Situationen in unterschiedlicher Weise darstellt. Derartige adaptive und adaptierbare User Interfaces basieren in der Regel auf einem Modell des HMI, das die Interaktionslogik unabhängig von den Darstellungs- und Eingabemechanismen beschreibt. Ein Transfer derartiger Ansätze aus der Forschung in die Praxis scheint für die kommenden Jahre hoch wahrscheinlich. Mit dem „Responsive Design“ ist derzeit in der Internetgestaltung bereits ein vielversprechender und sehr pragmatischer Ansatz im Vormarsch, der ein dynamisch veränderliches Layout für Webseiten ermöglicht.

Intelligenz des Systems effektiv einsetzen

Mensch-Technik-Schnittstellen werden einen wesentlichen Beitrag leisten, um die Potenziale einer vernetzten und intelligenten Produktion voll auszuschöpfen. Denn komplett autonome Produktionssysteme, die kein menschliches Eingreifen und Entscheiden mehr erfordern, sind auch in der Zukunft weder realistisch noch wünschenswert:

Einerseits wird es um eine optimale Bündelung, Nutzung und Aufbereitung der im System verfügbaren Daten gehen. Dazu sind zunächst Schnittstellen der HMI-Umgebung zu anderen Systemen wie MES, ERP, DMS und Scada notwendig. Durch eine aufgabenbezogene Aufbereitung der daraus gewonnen Informationen kann der Nutzer effektiv unterstützt und entlastet werden.

Andererseits müssen Systemintelligenz und Automatismen für den Nutzer nachvollziehbar und kontrollierbar sein, um die Eskalation von Systemfehlern zu unterbinden und um ein hohes Maß an Nutzer-Akzeptanz zu sichern. Ein Beispiel-Szenario, in dem das Zusammenspiel von Systemintelligenz und Nutzer besonders einleuchtet, ist die automatische Delega­tion anstehender Arbeitsaufgaben an Mitarbeiter, die aufgrund ihrer Rolle, ihrer Erfahrung, ihrer aktuellen Aktivität und ihres Ortes als geeignet gelten. Wenn die benachrichtigten Personen nun Arbeitsaufträge auch an andere Kollegen weiterlei­ten können oder über entsprechende Kommunikationsmöglichkeiten die optimale Aufgabenbesetzung im Team aushandeln können, dann können die Vorschläge des Systems im Sinne einer optimalen Produktivität und Ressourcennutzung verfeinert oder korrigiert werden.

Autor: Matthias Peissner ist Mitarbeiter des Fraunhofer Instituts für Arbeitswirtschaft und Organisation (IAO).