Im Vortrag werden alle derzeit bestehenden Simulations-Werkzeuge im Überblick vorgestellt und deren Anwendung an einzelnen Beispielen verdeutlicht. Desweiteren beinhaltet der Beitrag die Vorstellung der wesentlichen Neuerungen der Pro/ENGINEER Version Wildfire 5 auf dem Gebiet Simulation. Dabei wird auf die Dynamische Analyse und die Erweiterungen in Mechanica besonders eingegangen.

Sind Senioren eine Zielgruppe, auf die Bibliotheken eingehen müssen? Und wie können spezielle Angebote für die älteren Bibliotheksnutzer aussehen? Diese Fragen stellten sich im Mai die Teilnehmer des 11. Bibliothekskongresses der Euroregion Neisse-Nisa-Nysa.

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Die Mensch-Computer-Interaktion wird dank neuer Eingabemöglichkeiten jenseits von Tastatur und Maus reicher, vielseitiger und intuitiver. Durch den Verzicht auf zusätzliche Geräte beim Umgang mit Computern geht seitens der Eingabeverarbeitung jedoch eine erhöhte Komplexität einher: Die Programmierung gestischer Eingabe für Multitouch-Systeme ist in derzeitigen Frameworks abgesehen von den verfügbaren Standard-Gesten mit hohem Aufwand verbunden. Die entwickelte Gestenformalisierung für Multitouch (GeForMT) definiert eine domänenspezifische Sprache zur Beschreibung von Multitouch-Gesten. Statt wie verwandte Formalisierungsansätze detaillierte Filter für die Rohdaten zu definieren, bedient sich GeForMT eines bildhaften Ansatzes, um Gesten zu beschreiben. Die Konzeption von Gesten wird unterstützt, indem beispielsweise in einem frühen Stadium der Entwicklung Konflikte zwischen ähnlichen Gesten aufgedeckt werden. Die formalisierten Gesten lassen sich direkt in den Code einbetten und vereinfachen damit die Programmierung. Das zugrundeliegende Framework sorgt für die Verbindung zu den Algorithmen der Gestenerkennung. Die Übertragung des semiotischen Ansatzes zur Formalisierung auf andere Formen gestischer Eingabe wird abschließend diskutiert.:1 Einleitung 1.1 Motivation 1.2 Zielstellung und Abgrenzung 1.3 Aufbau der Arbeit 2 Interdisziplinäre Grundlagenbetrachtung 2.1 Semiotik 2.1.1 Begriffe und Zeichenklassen 2.1.2 Linguistik 2.1.3 Graphische Semiologie 2.1.4 Formgestaltung und Produktsprache 2.1.5 Interfacegestaltung 2.2 Gestenforschung 2.2.1 Kendons Kontinuum für Gesten 2.2.2 Taxonomien 2.2.3 Einordnung 2.3 Gestische Eingabe in der Mensch-Computer-Interaktion 2.3.1 Historische Entwicklung von Ein- und Ausgabetechnologien 2.3.2 Begreifbare Interaktion 2.3.3 Domänenspezifische Modellierung 2.4 Zusammenfassung 3 Verwandte Formalisierungsansätze 3.1 Räumliche Gesten 3.1.1 XML-Beschreibung mit der Behaviour Markup Language 3.1.2 Detektornetze in multimodalen Umgebungen 3.1.3 Gestenvektoren zur Annotation von Videos 3.1.4 Vergleich 3.2 Gesten im Sketching 3.2.1 Gestenfunktionen für Korrekturzeichen 3.2.2 Sketch Language zur Beschreibung von Skizzen 3.2.3 Domänenspezifische Skizzen mit LADDER 3.2.4 Vergleich 3.3 Flächige Gesten 3.3.1 Regelbasierte Definition mit Midas 3.3.2 Gesture Definition Language als Beschreibungssprache 3.3.3 Reguläre Ausdrücke von Proton 3.3.4 Gesture Interface Specification Language 3.3.5 Logische Formeln mit Framous 3.3.6 Gesture Definition Markup Language 3.3.7 Vergleich 3.4 Zusammenfassung 4 Semiotisches Modell zur Formalisierung 4.1 Phasen gestischer Eingabe 4.2 Syntax gestischer Eingabe 4.3 Semantik gestischer Eingabe 4.4 Pragmatik gestischer Eingabe 4.5 Zusammenfassung 5 Gestenformalisierung für Multitouch 5.1 Ausgangslage für die Konzeption 5.1.1 Ikonographische Einordnung flächiger Gesten 5.1.2 Voruntersuchung zur Programmierung flächiger Gesten 5.1.3 Anforderungskatalog für die Formalisierung 5.2 Semiotische Analyse flächiger Gesten 5.2.1 Syntax flächiger Gesten 5.2.2 Semantik flächiger Gesten 5.2.3 Pragmatik flächiger Gesten 5.3 Präzedenzfälle für die Formalisierung 5.3.1 Geschicklichkeit bei der Multitouch-Interaktion 5.3.2 Präzision bei flächigen Gesten 5.3.3 Kooperation in Multitouch-Anwendungen 5.4 Evaluation und Diskussion 5.4.1 Vergleich der Zeichenanzahl 5.4.2 Evaluation der Beschreibungsfähigkeit 5.4.3 Limitierungen und Erweiterungen 6 Referenzarchitektur 6.1 Analyse existierender Multitouch-Frameworks 6.2 Grundlegende Architekturkomponenten 6.2.1 Parser 6.2.2 Datenmodell 6.2.3 Gestenerkennung und Matching 6.2.4 Programmierschnittstelle 6.3 Referenzimplementierung für JavaScript 6.3.1 Komponenten der Bibliothek 6.3.2 Praktischer Einsatz 6.3.3 Gesteneditor zur bildhaften Programmierung 7 Praxisbeispiele 7.1 Analyse prototypischer Anwendungen 7.1.1 Workshop zur schöpferischen Zerstörung 7.1.2 Workshop zu semantischen Dimensionen 7.1.3 Vergleich 7.2 Abbildung von Maus-Interaktion auf flächige Gesten in DelViz 7.2.1 Datengrundlage und Suchkonzept 7.2.2 Silverlight-Implementierung von GeForMT 7.3 Flächige Gesten im 3D-Framework Bildsprache LiveLab 7.3.1 Komponentenarchitektur 7.3.2 Implementierung von GeForMT mit C++ 7.4 Statistik und Zusammenfassung 8 Weiterentwicklung der Formalisierung 8.1 Räumliche Gesten 8.1.1 Verwandte Arbeiten 8.1.2 Prototypischer Aufbau 8.1.3 Formalisierungsansatz 8.2 Substanzen des Alltags 8.2.1 Verwandte Arbeiten 8.2.2 Experimente mit dem Explore Table 8.2.3 Formalisierungsansatz 8.3 Elastische Oberflächen 8.3.1 Verwandte Arbeiten 8.3.2 Der Prototyp DepthTouch 8.3.3 Formalisierungsansatz 9 Zusammenfassung 9.1 Kapitelzusammenfassungen und Beiträge der Arbeit 9.2 Diskussion und Bewertung 9.3 Ausblick und zukünftige Arbeiten Anhang Vergleichsmaterial Formalisierungsansätze Fragebogen Nachbefragung Ablaufplan studentischer Workshops Grammatikdefinitionen Statistische Auswertung Gestensets Literatur Webreferenzen Eigene Veröffentlichungen Betreute studentische Arbeiten Abbildungsverzeichnis Tabellen Verzeichnis der Code-Beispiele

Mit dem Aufkommen natürlicher Benutzerschnittstellen zum Erreichen einer möglichst intuitiven Interaktion mit Computern wird auch über die Bedeutung der Gestaltungsaspekte LOOK und FEEL der darzustellenden Benutzeroberflächen neu verhandelt. Dies bedeutet für den Entwurf und die Entwicklung neuer Anwendungen, die bisherigen Vorgehensmodelle, Werkzeuge und Interaktionen zu überdenken und hinsichtlich der neuen Herausforderungen zu überprüfen. Als Leitmotiv der vorliegenden Arbeit dient der Ansatz: Ähnliches wird durch Ähnliches entwickelt, der sich am Beispielfall der Multi-Touch-Technologie konkret mit dem Forschungsraum der natürlichen Benutzerschnittstellen auseinandersetzt. Anhand der drei aufeinander aufbauenden Aspekte Modell, Werkzeug und Interaktion wird die besondere Stellung des FEELs betont und diskutiert. Die Arbeit konzentriert sich dabei besonders auf die Phase des Prototypings, in der neue Ideen entworfen und später (weiter-) entwickelt werden. Die Arbeit nähert sich dabei dem Thema schrittweise an, vom Abstrakten hin zum Konkreten. Hierzu wird zunächst ein neu entwickeltes Vorgehensmodell vorgestellt, um auf die Besonderheiten des FEELs im Entwicklungsprozess natürlicher Benutzerschnittstellen eingehen zu können. Das Modell verbindet Ansätze agiler und klassischer Modelle, wobei die Iteration und die Entwicklung von Prototypen eine besondere Stellung einnehmen. Ausgehend vom neu vorgestellten Modell werden zwei Einsatzbereiche abgeleitet, die entsprechend des Leitmotivs der Arbeit mit zu konzipierenden Multi-Touch-Werkzeugen besetzt werden. Dabei wird besonderer Wert darauf gelegt, den Entwickler in die Rolle des Nutzers zu versetzen, indem die beiden Aktivitäten Umsetzung und Evaluation am selben Gerät stattfinden und fließend ineinander übergehen. Während das für den Entwurf erstellte Konzept TIQUID die Nachbildung von Verhalten und Abhängigkeiten mittels gestengesteuerter Animation ermöglicht, stellt das Konzept LIQUID dem Entwickler eine visuelle Programmiersprache zur Umsetzung des FEELs zur Verfügung. Die Bewertungen der beiden Werkzeuge erfolgte durch drei unabhängige Anwendungstests, welche die Einordnung im Entwicklungsprozess, den Vergleich mit alternativen Werkzeugen sowie die bevorzugte Interaktionsart untersuchten. Die Resultate der Evaluationen zeigen, dass die vorab gesteckten Zielstellungen einer einfachen Verwendung, der schnellen und umgehenden Darstellung des FEELs sowie die gute Bedienbarkeit mittels der Multi-Touch-Eingabe erfüllt und übertroffen werden konnten. Den Abschluss der Arbeit bildet die konkrete Auseinandersetzung mit der Multi-Touch-Interaktion, die für Entwickler und Nutzer die Schnittstelle zum FEEL der Anwendung ist. Die bisher auf die mittels Berührung beschränkte Interaktion mit dem Multi-Touch-Gerät wird im letzten Abschnitt der Arbeit mit Hilfe eines neuartigen Ansatzes um einen räumlichen Aspekt erweitert. Aus dieser Position heraus ergeben sich weitere Sichtweisen, die einen neuen Aspekt zum Verständnis von nutzerorientierten Aktivitäten beitragen. Diese, anhand einer technischen Umsetzung erprobte Vision neuer Interaktionskonzepte dient als Ansporn und Ausgangspunkt zur zukünftigen Erweiterung des zuvor entwickelten Vorgehensmodells und der konzipierten Werkzeuge. Der mit dieser Arbeit erreichte Stand bietet einen gesicherten Ausgangspunkt für die weitere Untersuchung des Fachgebietes natürlicher Benutzerschnittstellen. Neben zahlreichen Ansätzen, die zur vertiefenden Erforschung motivieren, bietet die Arbeit mit den sehr konkreten Umsetzungen TIQUID und LIQUID sowie der Erweiterung des Interaktionsraumes Schnittstellen an, um die erzielten Forschungsergebnisse in die Praxis zu übertragen. Eine fortführende Untersuchung des Forschungsraumes mit Hilfe alternativer Ansätze ist dabei ebenso denkbar wie der Einsatz einer zu Multi-Touch alternativen Eingabetechnologie.

In der vorliegenden Arbeit werden Visualisierungsmethoden für das interaktive Erfassen und Strukturieren von Informationen im Kontext der Wissensmodellierung konzipiert und untersucht. Motiviert ist das Vorhaben durch das Interesse von Wissensarbeitern an unterstützenden Werkzeugen sowie von Unternehmen und Institutionen, unstrukturiertes Prozesswissen zu erfassen, zu strukturieren und intern für Optimierungszwecke verfügbar zu machen. Diese Problematik tritt domänenunabhängig auf. Die Herausforderung dabei ist, diese branchenübergreifend zu lösen. Die zwei wesentlichen Nachteile des Wissensmodellierungsprozesses sind zum einen die aufwendige Dateneingabe durch Benutzer und zum anderen der komplizierte Prozess der Wissensformalisierung. In den frühen Phasen bisheriger Arbeitsprozesse der Wissensmodellierung verwenden Wissensarbeiter hauptsächlich Papier und Stift sowie Whiteboards, da digitale Systeme für diesen Zweck häufig zu inflexibel sind. Ziel der vorliegenden Arbeit ist es, einen digitalen Lösungsansatz zu präsentieren, welcher diese nachteiligen Aspekte verbessert. Das Thema wird dabei methodisch in drei Schritten bearbeitet. Zuerst werden aktuelle Arbeitsprozesse der Wissensmodellierung sowie dabei verwendete Hilfsmittel analysiert. Basierend auf diesen Untersuchungen wird als theoretische Lösung die Methode der Freiform-Wissensmodellierung vorgestellt, welche eine Alternative zur Papierform und zu bisherigen digitalen Systemen darstellt. Das erarbeitete Konzept umfasst eine digitale, stiftbasierte Tablet-Computer-Anwendung, welche die Art und Weise der Darstellungen mittels Papier und Stift mit den Vorteilen der Veränderbarkeit und Datenspeicherung digitaler Systeme kombiniert. Um die theoretischen Überlegungen zu untermauern, werden zwei aufeinander aufbauende, prototypische Softwareanwendungen in der vorliegenden Arbeit entwickelt und vorgestellt (Auf Implementierungsarbeiten betreuter Studenten wird an den entsprechenden Stellen im Text verwiesen). Im Rahmen einer Laborstudie wird die entwickelte Methode der Freiform-Wissensmodellierung, welche den Softwareanwendungen zugrunde liegt, mit der Verwendung von Stift und Papier verglichen. Da bis dato keine derartige Vergleichsstudie zwischen Papier und Tablet-Computer gefunden werden konnte, wird anforderungsgeleitet ein spezieller Studienaufbau entwickelt. Dieser kann zukünftig für andere Forschungsvorhaben verwendet werden. Die Ergebnisse belegen, dass die digitale Anwendung zur Freiform-Wissensmodellierung in ihren Möglichkeiten eine hohe Ähnlichkeit zur Verwendung von Papier und Stift aufweist. Sie eignet sich daher in besonderem Maße zur Unterstützung der frühen Phasen der Wissensmodellierung. Basierend auf den Erkenntnissen der Studie werden darüber hinaus Weiterentwicklungsmöglichkeiten aufgezeigt. Für die wichtigsten Kritikpunkte wird ein weiterentwickeltes Konzept vorgestellt. Das Ergebnis der vorliegenden Arbeit ist ein in der Praxis auf Tablet-Computern anwendbares Konzept zur Wissensmodellierung. Dieses steht als prototypische Umsetzung zur Verfügung. Das entwickelte Konzept der Freiform-Wissensmodellierung ermöglicht jedem Benutzer (egal ob Laie oder Experte in grafischer Gestaltung oder in technischer Repräsentation) Gedanken visuell zu strukturieren und diese synchron in einem passenden Datenmodell abzulegen. Durch die Visualisierungsmethode der Freiformen wird die Struktur der Daten und der Aufbau der Informationen bereits durch die visuelle Oberfläche für den Benutzer und das System gleichermaßen „ersichtlich”. Das System erkennt die hierarchische Verschachtelung und Gruppierung von Informationen. Der darunterliegende Aufbau sowie die Struktur der Daten werden vom System grafisch explizit gezeigt, sodass ein Anwender zu jederzeit sieht, welche Struktur das System „verstanden” hat. So kann diese „entindividualisierte” Struktur der Inhalte auch von anderen Benutzern nachvollzogen werden. Dies erlaubt ein grundlegendes kooperatives Arbeiten. Das Konzept der Freiform-Wissensmodellierung ist dabei (ähnlich wie Whiteboards oder Papier und Stift) vom Anwendungsfall unabhängig einsetzbar. Die vorliegende Arbeit bietet einen neuartigen Ansatz, temporäre Informationen bereits im Verlauf der Wissensmodellierung digital festzuhalten und schrittweise weiterzuentwickeln. In der durchgeführten Studie wurden sämtliche von Probanden erstellte Typen grafischer Objekte ermittelt. Zukünftige Forschungsarbeiten können darauf aufbauend die softwareseitige Erkennung und Verarbeitung von handgezeichneten Inhalten verbessern. Somit bietet die vorliegende Arbeit die Grundlage für eine neue Generation unterstützender digitaler Werkzeuge für Wissensarbeiter.:1 Einleitung 2 Grundlagen und Begriffe 2.1 Überblick der Einflussfaktoren 2.2 Der Wissensbegriff 2.2.1 Grenzen der Definierbarkeit 2.2.2 Theoretische Ansätze 2.2.3 Arbeitsdefinition von Wissensarten 2.2.4 Abgrenzung der Wissensarten 2.3 Wissensmodellierung 2.3.1 Sinnerschließung 2.3.2 Wissensformalisierung 2.3.3 Problem der semantischen Lücke 2.4 Wissensrepräsentation 2.4.1 Interne (mentale) Repräsentation 2.4.2 Externe Repräsentation 2.5 Zusammenfassung der Grundlagen und Begriffe 3 Praxisanalyse der Wissensmodellierung 3.1 Relevanz der Arbeit mit Wissen 3.2 Rollen von Wissensarbeitern 3.3 Arbeitsprozesse der Wissensmodellierung 3.3.1 Sinnerschließung als Arbeitsprozess 3.3.2 Wissensformalisierung als Arbeitsprozess 3.4 Stand der Forschung und Technik 3.4.1 Durchgeführte Befragungen von Wissensarbeitern 3.4.2 Werkzeuge zur Sinnerschließung 3.4.3 Werkzeuge zur Wissensformalisierung 3.5 Probleme und Herausforderungen aktueller digitaler Systeme 3.6 Lösungsansatz: Freiform-Wissensmodellierung 3.6.1 Formalästhetische Orientierung an der Praxis 3.6.2 Menschzentrierte Gestaltung der Prozesse und Systeme 3.6.3 Definition Freiform-Wissensmodellierung 3.6.4 Basis-Editor 3.6.5 Formalisierungs-Editor 3.7 Zusammenfassung der Praxisanalyse 4 Anforderungsspezifikation zum Basis-Editor 4.1 Anforderungen aus Benutzersicht 4.2 Anforderungen aus softwaretechnischer Sicht 4.3 Einordnung verwandter Arbeiten 4.3.1 Pinnwandsysteme mit planarer Anordnung 4.3.2 Systeme mit Netzwerkvisualisierungen 4.3.3 Systeme mit hierarchischer Repräsentation 4.3.4 Mischsysteme 4.3.5 Übersicht verwandter Arbeiten 5 SketchViz: ein Basis-Editor zur Sinnerschließung 5.1 Konzeption SketchViz 5.1.1 Paper Prototyping zur Konzeptentwicklung 5.1.2 Fokussierte Hardware: Tablet-Computer 5.1.3 Anforderungsbezogene Funktionen 5.1.4 Interaktionskonzept von SketchViz 5.1.5 Benutzeroberfläche von SketchViz 5.2 Umsetzung von SketchViz 5.2.1 Modularer Systemaufbau 5.2.2 Realisierung eines Prototyps 5.3 Fazit SektchViz 6 Vergleichsstudie zwischen SketchViz und Papier 6.1 Ziel der vorliegenden Untersuchung 6.1.1 Verwandte Studien 6.1.2 Zielsetzung der Studie 6.2 Untersuchungsaufgabe 6.2.1 Anforderungen an die Untersuchungsaufgabe 6.2.2 Verwandte Aufgabentypen 6.2.3 Aufbau der Untersuchungsaufgabe 6.3 Stichprobe 6.4 Studien-Design 6.4.1 Untersuchungsaufbau und Apparatur 6.4.2 Untersuchungsablauf 6.5 Fragestellungen der Laborstudie 6.5.1 Veränderungshandhabung 6.5.2 Übersichtlichkeit 6.5.3 Interaktion 6.5.4 Darstellungsformen 6.6 Ergebnisse 6.6.1 Ergebnisse bezüglich Veränderungshandhabung 6.6.2 Ergebnisse bezüglich Übersicht 6.6.3 Ergebnisse bezüglich Interaktion 6.6.4 Ergebnisse bezüglich Darstellungsformen 6.7 Zusammenfassung und Diskussion der Ergebnisse 6.7.1 Eignung zur Unterstützung von Sinnerschließungsprozessen 6.7.2 Erreichte Ähnlichkeit zwischen SketchViz und Papier 6.7.3 Studienkritik 7 Weiterentwicklung SketchViz 7.1 Anforderungen aus den Ergebnissen der Evaluation von SketchViz 7.2 Suche nach einer formalästhetisch orientierten Visualisierungsmethode 7.3 Methodenbeschreibung zur Exploration natürlicher Materialien 7.4 Analyse der Experimentergebnisse mit fluiden Materialien 7.4.1 Interaktion mit fluiden Materialien 7.4.2 Visuelle Eigenschaften fluider Materialien 7.5 Übertragung physischer Eigenschaften fluider Materialien ins Digitale 7.5.1 Themenzuordnung 7.5.2 Hierarchiebildung 7.5.3 Veränderbarkeit 7.6 Fazit des weiterentwickelten Konzepts 8 Formalisierungs-Editor 8.1 Analyse des Arbeitsablaufs der Wissensformalisierung 8.2 Ontologien und deren Herausforderungen 8.2.1 Beispiel einer formalisierten Organisationsstruktur 8.2.2 Herausforderungen bei der Verwendung von Ontologien 8.3 Ein Formalisierungs-Editor basierend auf SketchViz 8.3.1 Arbeitsablauf mit Formalisierungs-Editor 8.3.2 Systemaufbau Formalisierungs-Editor 8.4 Erweiterte Anforderungen bezüglich des Formalisierungs-Editors 8.4.1 Übersicht bestehender und erweiterter Anforderungen 8.4.2 Beschreibung der erweiterten Anforderungen 8.5 Verwandte Arbeiten zur Wissensformalisierung 8.6 Prototypische Umsetzung des Formalisierungs-Editors 8.6.1 Modularer Aufbau von OntoSketch 8.6.2 Anforderungen zur Umsetzung 8.6.3 Realisierung von OntoSketch durch Schneider 8.7 Fazit OntoSketch 8.7.1 Übergang zwischen Sinnerschließung und Wissensformalisierung 8.7.2 Gegenüberstellung von SketchViz und OntoSketch 8.7.3 Gegenüberstellung zwischen OntoSketch und bisherigen menügesteuerten Werkzeugen 9 Zusammenfassung und Ausblick 9.1 Zusammenfassung 9.2 Ausblick A Anhang A.1 Publikationsliste A.2 Preisauszeichnungen A.3 Dokumente und Fragebögen zur SketchViz Evaluation A.4 Handouts Natural Interface Exploration Abbildungsverzeichnis Tabellenverzeichnis Literaturverzeichnis Glossar Index

Die industrielle Instandhaltung ist ein erheblicher Kostenfaktor während der Betriebsphase einer verfahrenstechnischen Produktionsanlage. Insbesondere der Mangel an technischen Möglichkeiten zum Informationsaustausch des Instandhaltungspersonals mit der digitalen Anlage während der Arbeiten im Feld erzeugt hohe Kosten. Durch die entstehenden Medienbrüche sinkt die Qualität der Informationen in der Digitalen Anlage erheblich. Mobile Informationssysteme können diese Medienbrüche beseitigen und die Informationsqualität in der Digitalen Anlage entscheidend verbessern. Das Konzept der Distributed Wearable User Interfaces (DWUI) stellt einen integrierten Ansatz zur flexiblen Zusammenstellung gebrauchstauglicher Benutzungsschnittstellen für komplexe Arbeitsabläufe in widrigen Arbeitssituationen bereit. Diese setzen sich aus Interaktionsgeräten zusammen, die in einem kabellosen körpernahen Funknetzwerk miteinander verbunden sind und in ihrer Kombination die Benutzungsschnittstelle zu einem mobilen System bilden. Die Geräte sind ergonomisch und funktional optimal am Körper des Nutzers verteilt, wobei jedes Gerät eigenständig nutzbar und für eine bestimmte Aufgabe oder einen bestimmten Nutzungskontext optimiert ist. Die Ein- und Ausgaberäume der Geräte werden in einem integrierten Interaktionsraum harmonisiert. Im Rahmen dieser Arbeit wird zunächst der Nutzungskontext der mobilen IT-gestützten Instandhaltung verfahrenstechnischer Produktionsanlagen im Hinblick auf Nutzungsszenarien und Anwendungsfälle für mobile Informationssysteme festgelegt. Darauf aufbauend werden Anforderungen an derartige Systeme spezifiziert und Gestaltungsgrundlagen und Empfehlungen speziell für DWUI-basierte mobile Informationssysteme erarbeitet. Anschließend wird eine Reihe spezieller Interaktionsgeräte vorgestellt, die verschiedene Interaktionsprinzipien, Techniken und Modalitäten umsetzen. Um diese Geräte in einem kollaborativen DWUI organisieren zu können, wird ein spezielles Kommunikationsprotokoll entworfen und prototypisch umgesetzt. Eine mobile Anwendung zur Instandhaltungsunterstützung wird vorgestellt, welche das DWUI-Kommunikationsprotokoll unterstützt und mit verschiedenen DWUI-Konfigurationen vollständig bedienbar ist. Diese Anwendung wird integriert in ein komplexes Unternehmensnetzwerk, über das sie Zugriff auf industrietypische computergestützte Planungswerkzeuge erhält. Anhand des resultierenden Gesamtsystems werden die prinzipielle Tauglichkeit und die Vorteile des DWUI-Konzepts demonstriert.

Das Fahrrad ist ein attraktives Verkehrsmittel für Menschen jeden Alters. Es ermöglicht Mo-bilität und damit gesellschaftliche Teilhabe bis ins hohe Alter, ist preiswert, und die regel-mäßige Bewegung verbessert die Gesundheit und macht Spaß. Da allerdings Radfahrerinnen und Radfahrer ab 60 Jahren besonders von schweren Unfallfolgen betroffen sind, ist bei ihnen die Verhütung von Unfällen wichtig. Typische Unfälle älterer Radfahrender hängen mit körperlichen Schwierigkeiten zusammen, die mit zunehmendem Alter häufiger werden. Die Beweglichkeit nimmt ab, was das Auf- und Absteigen erschwert und auch den Schulterblick beim Linksabbiegen. Etwa jeder sechste Unfall, aufgrund dessen ältere Radfahrer im Kran-kenhaus behandelt werden, ist dadurch entstanden, dass der Radfahrer beim Auf- oder Ab-steigen von der Pedale gerutscht ist. Weitere typische Unfallursachen sind Schwierigkeiten mit der Oberfläche (Schlaglöcher, Bordsteinkanten u.ä.) aufgrund abnehmender Koordinati-onsfähigkeit und fehlendes Umschauen beim Linksabbiegen. Durch die körperlichen Verän-derungen wird das Radfahren im Alter nicht nur gefährlicher, sondern auch mühsamer und damit auch weniger attraktiv als in jüngeren Jahren. Kraft und Kondition nehmen ab, wodurch lange Touren und Anstiege weniger attraktiv sind. In Zusammenarbeit mit der Universität Leipzig wurde ein motorisches Training für ältere Radfahrerinnen und Radfahrer entwickelt, das die motorischen Schwierigkeiten beseitigen sollte. Dieses Training wurde in 14 mittleren und kleinen Städten in Sachsen und Sachsen-Anhalt experimentell geprüft. An dem Training nahmen ein halbes Jahr lang 147 Radfahrende ab 60 Jahren teil, die in 7 Orten oder deren Umgebung lebten. Sie wurden mit 167 un-trainierten Radfahrenden ab 60 Jahren verglichen, die in oder bei 7 anderen Orten lebten. Es fanden drei Testungen und Befragungen statt, vor dem Training, direkt danach und vier Mo-nate nach Abschluss des Trainings. Die Projektpartnerinnen der Technischen Universität Dresden waren zuständig für die Prüfung der Effekte hinsichtlich Intensität der Radnutzung, geschilderter körperlicher Beschwerden und darauf resultierender Beeinträchtigungen im Straßenverkehr, erlebte Schwierigkeiten beim Radfahren und die Leistung in einem Fahrradparcours. Es konnte kein Effekt des Trainings auf diese Maße gezeigt werden. Schon bei der ersten Testung berichteten die Teilnehmenden insgesamt keine bis wenig körperliche Beschwerden und nur geringe Schwierigkeiten beim Radfahren, so dass hier von einem Bodeneffekt auszugehen ist. Ähnliches galt für die Fahrleistung. Viele Teilnehmende wurden über Sportvereine rekrutiert, um nicht nur extrem aktive Radfahrende für die Untersuchung zu gewinnen. Allerdings zeigte sich, dass die Teilnehmenden das Fahrrad auch schon vorher für viele Wege nutzten. Ent-sprechend erhöhte das Training die Fahrleistung nicht. Auch die Leistung im Fahrrad-Parcours wurde durch das Training nicht verbessert, obwohl hier so viele Fehler gemacht wurden, dass Spielraum für eine Verbesserung gewesen wäre. Die Befragten wurden nach Alleinunfällen und Zusammenstößen mit anderen Verkehrsteil-nehmenden nach dem 59. Geburtstag gefragt; 81% dieser Unfälle waren Alleinunfälle. Das Fahrrad hatte viele Teilnehmende über ihr gesamtes Leben begleitet, wie die Mobilitätsbio-grafien zeigten. Die Wegetagebücher zeigten, dass die Gewohnheit den stärksten Einfluss bei der Verkehrsmittelwahl hatte. Das Rad, das Zu-Fuß-Gehen und das Auto waren für die Teilnehmenden sehr wichtig, öffentliche Verkehrsmittel im Nah- und Fernverkehr kaum. Die subjektive Bedeutung des Radfahrens zeigte sich in den Faktoren Praktischer Nutzen, Le-bensqualität, Kontakte/Aktivitäten und einem Faktor, der auch auch positive Folgen des Auf-hörens (Fahrrad nicht mehr reparieren müssen) beschreibt. Stärkere Auswirkungen des Auf-hörens erwarten Personen, die das Rad mehr nutzen und seltener Auto fahren. / Cycling is an attractive mode of transport for persons of any age. It offers mobility and there-fore participation in society up to old age and is inexpensive. Regular physical activity improves health and is fun. On the other hand, cyclists aged 60 and older tend to suffer severe consequences when they are involved in accidents. For this reason accident prevention is especially important for this group. Typical accidents involving older cyclists are related to physical difficulties which are more frequent in older persons. About one in six accidents requiring physical treatment in hospital is due to slipping from the foot pedal while mounting a bike or dismounting from it. Further typical causes of accidents are difficulties with the surface (potholes, curbs, etc.) and not turning round before an offside turn. Physical changes make cycling not only more dangerous for older persons but also more strenuous and for this reason also less attractive. Strength and fitness decrease, making longer cycling tours and hills less attractive. Physical flexibility decreases, making mounting and dismounting and turning round before an offside turn more difficult. As coordination decreases, dealing with bad surfaces becomes harder. In cooperation with Leipzig University, a motor training concept for older cyclists was devel-oped. The aim of this training program was to reduce the motor difficulties of older cyclists. The training program was tested in an experimental design in 14 medium and small cities in Saxony and Saxony-Anhalt. 147 cyclists aged 60 or older participated in a half-year training program. These subjects lived in or close to seven cities. They were compared to 167 cyclists aged 60 and older who lived in or close to 7 other cities. The participants took tests and answered questionnaires three times, before the training program, immediately after the training program and four months after the training program. The project partners from Technische Universität Dresden were responsible for testing the effects of the training on intensity of bike use, reported physical problems and their conse-quences in traffic, perceived difficulties in traffic situations and performance in a cycling course. No effect of the training on these measures could be shown. Already in the first test period the participants reported too few physical problems and resulting difficulties in traffic, and only few problems in traffic situations. Here a ceiling effect was found. A similar result was found for cycled distance. Many participants were recruited via sports clubs in order to ensure that not all participants were highly active cyclists. But the first survey shows that the participants already used their bike for many trips before the training program. For this reason the training program did not increase cycled distance. The training program did not improve performance in the cycling course, although so many mistakes were made that there was certainly plenty of scope for improvement. The participants were questioned about single bike crashes and crashes with other road users after their 59th birthday; 81 per cent of these crashes were single bike crashes. For many participants, their bike had been an accompanying feature during their whole life, as their mobility biographies showed. The trip diaries showed that habits had the most important influence on choice of transport mode. Cycling, walking and driving were very important for the participants, public transport was relatively unimportant for short as well as for long dis-tances. The subjective importance of cycling was evident in terms of the factors practical benefit, quality of life, contacts/activity and a factor which comprised positive consequences of giving up cycling as well (no more bike repair). Persons who use their bike more and drive less expect more severe consequences if they stop bicycling.

This thesis addresses the question of how to teach dynamic motor skills to synthetic humanoids. A general approach based on imitation learning is presented and evaluated on a number of synthetic humanoids, as well as a number of different motor skills. The approach allows for intuitive and natural specification of motor skills without the need for expert knowledge. Using this approach we show that various important problems in robotics and computer animation can be tackled, including the synthesis of natural grasping, the synthesis of locomotion behavior or the physical interaction between humans and robots.

Major accidents in the process industries occurred mostly as an outcome of multiple failures in different safety barriers and their interrelation with unsafe acts by frontline operators. This has become the reason why safety analyses in terms of plant technical aspects cannot be performed independently from analysing human response to the changing technology. Unsafe acts and errors by operators must be seen as a symptom of system insufficiencies and underlying problems, rather than as the cause of an accident. With this paradigm, the need to optimally configure the system and the whole working condition to understand human’s limitation and requirements becomes very evident. It is too naive to desire that human operators make zero error by asking them to change their behaviour and to perfectly adapt to the system. Human Factors (HF) attempts to cope with the need to understand the interrelation between human operators, the technology they are working with and the management system, with the aim to increase safety and efficiency. In achieving this goal, HF must be incorporated into the whole plant lifecycle, from the earliest design stage to plant operation and modifications. Moreover, HF analysis must comprise all kinds of operators’ activities and responsibilities in operating process plants, which can include manual works in field and supervisory control conducted remotely from a control centre/room. This work has developed techniques that provide systematic way to incorporate HF into process plant lifecycle. The new HF analysis technique, PITOPA-Design, in a combination with the classic PITOPA, is applicable for an implementation during design and operation of a plant. With the awareness that safety analysis and HF cannot be performed separately, an interconnection with HAZOPs is made possible by means of this new technique. Moreover, to provide a systematic analysis of operators’ work in control room, an additional technique, the PITOPA-CR was also developed. This HF technique can as well be integrated into a general HF analysis both during design phase and plant operation. In addition to it, results coming from PITOPA-CR will provide information required to optimally configure control and alarm system, as well as the whole alarm management system to better understand the limitation and requirements of control room operators. The structure of the development can be described as follows: i) Development of HAZOPA (the Hazards and Operator Actions Analysis), which provides the interconnection between HF analysis and HAZOPs, ii) Development of PITOPA-Design, a technique to incorporate HF consideration into design phase, which is differentiated into 3 stages to comprise the conceptual design, the basic engineering and the detail engineering phase, iii) Development of PITOPA-CR, a technique for HF analysis in control room, iv) Integration of PITOPA-CR into alarm management system, development of a technique for alarm prioritization.:ACKNOWLEDGEMENT i ABSTRACT iii ZUSAMMENFASSUNG iv CONTENTS v TABLE OF FIGURES viii LIST OF TABLES x NOMENCLATURE xi ACRONYMS AND ABBREVIATIONS xii CHAPTER 1 1 INTRODUCTION 1 1.1 Background 1 1.2 Objectives 2 1.3 Scope of Work 3 CHAPTER 2 5 THEORETICAL BACKGROUND 5 2.1 Fundamentals of Human Error 5 2.2 Human Factors (HF) 8 2.3 Motivations to Consider HF in Process Safety 9 2. 3. 1 Accidents that Address HF in Process Safety 11 2. 3. 2 Regulation and Legal Requirements 16 2. 3. 3 Business Value 19 2.4 Work of Operators in Complex Systems 19 2. 4. 1 Role of Operators in Complex Systems 20 2. 4. 2 Problems with Computerisation and Automation 24 2. 4. 3 Allocation of Functions and Levels of Automation 25 2.5 Performance Influencing Factors (PIFs) 27 2.6 Distributed Control System (DCS) and Alarm Systems 29 2. 6. 1 Alarm, Alarm System and Alarm Management 30 2. 6. 2 Most Common Alarm Problems 33 2. 6. 3 Improving Alarm Performance through Prioritization 34 2.7 Safety Analysis Methods 38 2.7.1 Qualitative Safety Analysis 39 2.7.2 Quantitative Safety Analysis 43 2.8 Mathematical Algorithms 44 2.8.1 Techniques for Multi-Criteria Decision Making (MCDM) 44 2.8.2 Classification Methods 47 CHAPTER 3 50 RECENT DEVELOPMENTS IN HF STUDIES 50 3. 1 Methods for HF analysis 50 A. Task Analysis 50 B. Techniques for Operators Actions Analysis 51 3. 2 Human Reliability Analyses (HRA) 52 3. 3 Consideration of Human Error in HAZOP 53 3. 4 HF in Process Plant Design 54 3. 5 HF in Alarm Management and DCS-Design 55 3. 6 The Need for Further Development of HF Methods 57 CHAPTER 4 58 MOTIVATION OF THE WORK 58 CHAPTER 5 61 PROCESS INDUSTRY TOOL FOR OPERATOR ACTIONS ANALYSIS (PITOPA) 61 5.1 The New Technique for Operator Actions Analysis (OAA) 64 5.2 Technique for Performance Influencing Factors (PIFs) Evaluation 65 5.3 Validation of PITOPA in the Process Industry 67 CHAPTER 6 71 EXTENDING HAZOP TO INTEGRATE HF INTO 71 GENERAL SAFETY ANALYSIS 71 6.1 Development of HAZOPA (The Hazard, Operability and Operator Actions Analysis) 72 6.2 Case Study 75 CHAPTER 7 85 APPROACH TO INCORPORATING HF CONSIDERATION 85 INTO PLANT DESIGN 85 7.1 Development of an Approach for HF Analysis in Design – The PITOPA-Design 85 7.1.1 HF Analysis in Conceptual Design Phase (HFAD–Conceptual) 88 7.1.2 HF Analysis in Basic Engineering (HFAD – Basic) 93 7.1.3 HF Analysis in Detail Engineering (HFAD-Detail) 107 7.2 Technique for HF-Design Parameters Evaluation 109 7.3 Intermediate Summary 114 CHAPTER 8 115 IMPLEMENTATION OF THE NEW PITOPA-DESIGN: 115 A CASE-STUDY 115 8.1 Conceptual Design 115 8.2 Basic Engineering 123 8.3 Detail Engineering 127 CHAPTER 9 132 APPROACH FOR IMPROVING OPERATOR PERFORMANCE 132 IN CONTROL ROOM 132 9.1 Performance Influencing Factors (PIFs) for Supervisory & Monitoring Tasks 134 9.2 Development of PITOPA-Control Room (PITOPA-CR) 140 9.2.1 Analysis of Normal Operation 142 9.2.2 Analysis of Abnormal Operation 150 9.3 Alarm Prioritization 156 9.3.1 A survey on Alarm Prioritization 156 9.3.2 Incorporation of CROAA into Alarm Prioritization 157 9.4 Intermediate Summary 165 CHAPTER 10 167 INCORPORATION OF OPERATOR ACTIONS ANALYSIS INTO ALARM MANAGEMENT 167 CHAPTER 11 171 RESULTS AND FUTURE WORKS 171 11. 1 Results 171 11. 2 Future Works 172 BIBLIOGRAPHY 174 APPENDIX A A-1 APPENDIX B B-1 / Schwere Unfälle in der Prozessindustrie erfolgen meist aus einem Zusammenspiel mehrerer verschiedener Fehler und der gleichzeitigen Wechselwirkung mit falschem menschlichem Handeln. Dabei sind diese Fehlhandlungen nicht als Unfallursache anzusehen, sondern sie resultieren aus Fehlern, die in dem System selbst zu finden sind. Aus diesem Grund kann bei der Sicherheitsanalyse die technische Analyse nicht unabhängig von der Betrachtung des Human Factors (HF) durchgeführt werden. Um eine Reduzierung der Fehlhandlungen zu erreichen, müssen das Anlagendesign, die Bedienbarkeit und die Arbeitsumgebung an die menschlichen Fähigkeiten angepasst werden. Human Factors (HF) betrachtet die Interaktion zwischen menschlichen, technischen und organisatorischen Aspekten einer Anlage, mit dem Ziel die Sicherheit und Effektivität der Anlage zu optimieren. Dafür ist eine Einbindung von HF in den gesamten Lebenszyklus einer Anlage notwendig. So müssen HF- Analysen nicht nur während des Betriebs einer Anlage und bei Prozessmodifikationen durchgeführt werden, sondern auch während des gesamten Design- Prozesses, da gerade in den frühen Design-Phasen das Optimierungspotential besonders hoch ist. Eine solche Analysemethode muss alle Aufgaben eines Operators erfassen, so dass zwischen manueller Arbeit und der Arbeit in der Leitwarte unterschieden werden muss. In dieser Arbeit wurden Analysentechniken entwickelt, die einen systematischen Ansatz zur Berücksichtigung des HF über den gesamten Lebenszyklus einer verfahrenstechnischen Anlage darstellen. Mit Hilfe der neuen Analysemethode, PITOPA-Design, können Untersuchungen sowohl während der Designphase als auch während des Betriebs einer Anlage durchgeführt werden. Da solche HF-Analyse immer in Verbindung mit einer klassischen Sicherheitsanalyse erfolgen muss, bindet die neue Methode die HAZOP-Analyse direkt ein. Darüber hinaus wurde ein weiterer Ansatz für die Analyse von Operatorhandlungen in einer Messwartenarbeit entwickelt. Diese neue Analysentechnik, PITOPA-CR, bildet die Grundlage für Verbesserungen im Alarmsystem und wird in das Alarmmanagementsystem eingebunden. Die Arbeit ist wie folgt strukturiert: i) Entwicklung von HAZOPA (the Hazards and Operator Actions Analysis). Diese Methode stellt die Einbindung der HF-Analyse in HAZOP dar. ii) Entwicklung von PITOPA-Design, zur HF-Analyse während des gesamten Designprozesses einer verfahrenstechnischen Anlage. Die Methode wurde in 3 Teile eingeteilt, um die drei Designsphasen Conceptual-, Basic-, und Detail-Design zu erfassen. iii) Entwicklung von PITOPA-CR, zur HF-Analyse in der Messwarte. iv) Einbindung von PITOPA-CR in das Alarmmanagementsystem und Entwicklung einer Technik zur Alarmpriorisierung.:ACKNOWLEDGEMENT i ABSTRACT iii ZUSAMMENFASSUNG iv CONTENTS v TABLE OF FIGURES viii LIST OF TABLES x NOMENCLATURE xi ACRONYMS AND ABBREVIATIONS xii CHAPTER 1 1 INTRODUCTION 1 1.1 Background 1 1.2 Objectives 2 1.3 Scope of Work 3 CHAPTER 2 5 THEORETICAL BACKGROUND 5 2.1 Fundamentals of Human Error 5 2.2 Human Factors (HF) 8 2.3 Motivations to Consider HF in Process Safety 9 2. 3. 1 Accidents that Address HF in Process Safety 11 2. 3. 2 Regulation and Legal Requirements 16 2. 3. 3 Business Value 19 2.4 Work of Operators in Complex Systems 19 2. 4. 1 Role of Operators in Complex Systems 20 2. 4. 2 Problems with Computerisation and Automation 24 2. 4. 3 Allocation of Functions and Levels of Automation 25 2.5 Performance Influencing Factors (PIFs) 27 2.6 Distributed Control System (DCS) and Alarm Systems 29 2. 6. 1 Alarm, Alarm System and Alarm Management 30 2. 6. 2 Most Common Alarm Problems 33 2. 6. 3 Improving Alarm Performance through Prioritization 34 2.7 Safety Analysis Methods 38 2.7.1 Qualitative Safety Analysis 39 2.7.2 Quantitative Safety Analysis 43 2.8 Mathematical Algorithms 44 2.8.1 Techniques for Multi-Criteria Decision Making (MCDM) 44 2.8.2 Classification Methods 47 CHAPTER 3 50 RECENT DEVELOPMENTS IN HF STUDIES 50 3. 1 Methods for HF analysis 50 A. Task Analysis 50 B. Techniques for Operators Actions Analysis 51 3. 2 Human Reliability Analyses (HRA) 52 3. 3 Consideration of Human Error in HAZOP 53 3. 4 HF in Process Plant Design 54 3. 5 HF in Alarm Management and DCS-Design 55 3. 6 The Need for Further Development of HF Methods 57 CHAPTER 4 58 MOTIVATION OF THE WORK 58 CHAPTER 5 61 PROCESS INDUSTRY TOOL FOR OPERATOR ACTIONS ANALYSIS (PITOPA) 61 5.1 The New Technique for Operator Actions Analysis (OAA) 64 5.2 Technique for Performance Influencing Factors (PIFs) Evaluation 65 5.3 Validation of PITOPA in the Process Industry 67 CHAPTER 6 71 EXTENDING HAZOP TO INTEGRATE HF INTO 71 GENERAL SAFETY ANALYSIS 71 6.1 Development of HAZOPA (The Hazard, Operability and Operator Actions Analysis) 72 6.2 Case Study 75 CHAPTER 7 85 APPROACH TO INCORPORATING HF CONSIDERATION 85 INTO PLANT DESIGN 85 7.1 Development of an Approach for HF Analysis in Design – The PITOPA-Design 85 7.1.1 HF Analysis in Conceptual Design Phase (HFAD–Conceptual) 88 7.1.2 HF Analysis in Basic Engineering (HFAD – Basic) 93 7.1.3 HF Analysis in Detail Engineering (HFAD-Detail) 107 7.2 Technique for HF-Design Parameters Evaluation 109 7.3 Intermediate Summary 114 CHAPTER 8 115 IMPLEMENTATION OF THE NEW PITOPA-DESIGN: 115 A CASE-STUDY 115 8.1 Conceptual Design 115 8.2 Basic Engineering 123 8.3 Detail Engineering 127 CHAPTER 9 132 APPROACH FOR IMPROVING OPERATOR PERFORMANCE 132 IN CONTROL ROOM 132 9.1 Performance Influencing Factors (PIFs) for Supervisory & Monitoring Tasks 134 9.2 Development of PITOPA-Control Room (PITOPA-CR) 140 9.2.1 Analysis of Normal Operation 142 9.2.2 Analysis of Abnormal Operation 150 9.3 Alarm Prioritization 156 9.3.1 A survey on Alarm Prioritization 156 9.3.2 Incorporation of CROAA into Alarm Prioritization 157 9.4 Intermediate Summary 165 CHAPTER 10 167 INCORPORATION OF OPERATOR ACTIONS ANALYSIS INTO ALARM MANAGEMENT 167 CHAPTER 11 171 RESULTS AND FUTURE WORKS 171 11. 1 Results 171 11. 2 Future Works 172 BIBLIOGRAPHY 174 APPENDIX A A-1 APPENDIX B B-1