Modularer digitaler Zwilling für adaptive Systeme - Mensch-Technik-Interaktion zur Steuerung semi-autonomer Systeme am Beispiel der Containerentladung

Jasper Wilhelm, Christoph Petzoldt, Thies Beinke und Michael Freitag

Der Einsatz vollautonomer Systeme ist aufgrund variabler Systemumgebungen oder geringer Stückzahlen nicht in allen Anwendungsfeldern wirtschaftlich. Semi-autonome Systeme können hier helfen, den Menschen zu entlasten, da ein Bediener jederzeit die Kontrolle über das System übernehmen kann. Dieser Beitrag stellt einen neuartigen, auf dem digitalen Zwilling aufbauenden, Ansatz für die Mensch-Technik-Interaktion (MTI) mittels adaptiver Automation vor. An einem Fallbeispiel wird gezeigt, wie der Bediener eines Cyber-Physischen Systems (CPS) in spezifischen Aufgaben durch einen modularen digitalen Zwilling (mDT) unterstützt werden kann. Dies erlaubt die Unterscheidung zwischen kurzfristigen Signaländerungen und langfristiger Verhaltensmodifikation. Mit dem vorgestellten Konzept können semi-autonome Systeme für Anwendungsgebiete entwickelt werden, in denen der Einsatz autonomer Systeme aufgrund komplexer und variabler Systemumgebungen oder geringer Stückzahlen bisher nicht gegeben war.

Die zunehmende Globalisierung führt zu einem starken Anstieg des Seehandelsvolumens [1]. Ein Großteil der Seecontainer wird per Bahn oder LKW ins Hinterland transportiert und am Bestimmungsort manuell entladen [2]. Aufgrund der körperlich anstrengenden Aufgabe, der rauen Arbeitsumgebung und der monotonen Tätigkeit stellt diese Tätigkeit hohe physische und psychische Anforderungen an das Personal [3]. Konkurrenzdruck in der Logistikbranche sowie steigender Wettbewerb um Personal führen zu einem Bedarf an Systemen für die (semi-)autonome Containerentleerung [4].

Dieser Beitrag stellt einen neuartigen Interaktionsansatz vor, in dem der Bediener das System nach dem Prinzip der adaptiven Automatisierung (AA) unterstützt. Auf diese Weise lässt sich die Verfügbarkeit autonomer mit der Robustheit semi-autonomer Systeme kombinieren. Ziel ist es, die Mitarbeiter von körperlich anstrengenden Aktivitäten zu befreien, jedoch gleichzeitig deren kognitiven Fähigkeiten zur Lösung komplexer Situationen zu nutzen. Dabei ist es dem Mitarbeiter möglich, sowohl einen Eingriff mit kurzfristiger Wirkung auf Steuerungsebene als auch langfristige Änderung des Maschinenverhaltens durch Änderung von Regelungs- und Planungsalgorithmen vorzunehmen. Die aus dieser Arbeitsteilung resultierenden Möglichkeiten, insbesondere für die MTI, werden im Folgenden genauer dargestellt. Zunächst werden hierzu grundlegende Konzepte bezüglich autonomer Systeme und des digitalen Zwillings vorgestellt. Darauf aufbauend wird eine Methodik für die Anwendung von adaptiver Automation in komplexen Umgebungen definiert und im Rahmen einer Fallstudie vorgestellt. Ein Ausblick schließt diesen Beitrag ab und stellt sowohl kommende Arbeiten als auch weitere Perspektiven vor.
 

Grundlegende Konzepte

Hinsichtlich der Unterteilung des Autonomiegrads (engl. Levels of Autonomy: LOA) existieren verschiedene Ansätze und Definitionen [5]. Diese haben gemein, dass mit steigendem LOA die Maschine dem Menschen eine größere Anzahl von Aufgaben und damit auch Kontrolle abnimmt. Eine Klassifizierung [6] nutzt die Informationsverarbeitung entsprechend dem in Bild 1 dargestellten Vier-Stufen-Modell von [7]. Sämtliche Eigenschaften der Klassifikation lassen sich sowohl auf den Menschen als auch auf die Maschine anwenden [8]. Dies erlaubt die Beurteilung generischer Tätigkeiten und die Berücksichtigung eines Wechsels der Aufgabe zwischen Mensch und Maschine. Der Zusammenhang zwischen dem LOA und der Aufgabenverteilung der verschiedenen Prozessschritte ist in Bild 1 dargestellt. Es ist zu erkennen, dass Systeme niedrigen Autonomiegrads den Menschen insbesondere bei der Ausführung unterstützen. Die Entscheidungsfindung wird über weite Bereiche hinweg vom Menschen gefällt. Gebiete geteilter Kontrolle (Mensch/System) beschreiben Tätigkeiten, in die das System bereits eingreift, der Mensch jedoch die Kontrolle behält.


Bild 1: Vier-Stufen-Modell der Informationsverarbeitung sowie schematischer Zusammenhang zwischen LOA und Aufgabenkontrolle in der MTI (in Anlehnung an [6, 7]).

AA wird seit den 1970er Jahren für eine effiziente Arbeitsteilung zwischen einem automatisierten System und seinem menschlichen Bediener genutzt [9]. Ziel ist die Belastungsminderung und Leistungssteigerung des Bedieners durch die dynamische Anpassung des LOA. Diese Änderung kann durch unerwartete Ereignisse, eine Leistungsänderung oder die physiologische Beurteilung des Bedieners, Modelle oder eine Kombination aus diesen Ereignissen ausgelöst werden [7]. Es wurde zunächst in der Luftfahrt eingesetzt, wo Piloten automatisiert nur relevante Informationen zur Verfügung gestellt werden sollten [10]. Weitere Beispiele sind nutzerspezifische Software-Hilfen [11], Flugraumüberwachung [12] und Fahrerassistenzsysteme [13]. In jüngerer Zeit wird der Einsatz von AA auch in der Fertigung und Prozesskontrolle untersucht [14, 15]. All diese Anwendungen nutzen Adaption als Unterstützung des menschlichen Bedieners, indem das System den für den Menschen optimalen Autonomiegrad wählt. Dabei wurde gezeigt, dass dies Produktivität und die Mitarbeiterzufriedenheit steigert [16, 17].

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