Kognitive Mensch-Technik-Interaktion: Entwicklung eines flexiblen Funktionsmodells zur Steuerung cyber-physischer Produktionssysteme

Diese Arbeit entwickelt eine Lösung zur Flexibilisierung cyber-physischer Produktionssysteme (CPPS) mittels einer adaptiven Mensch-Technik-Interaktion (MTI). Ziel ist eine anpassungsfähige und gegenüber Störungen widerstandsfähige Produktion durch die verbesserte Zusammenarbeit von Mensch und Maschine. Der zentrale Beitrag ist eine Methodik zur hierarchischen Zerlegung von Produktionsprozessen, die eine dynamische Aufgabenverteilung zwischen Mensch und Maschine ermöglicht. Darauf aufbauend wird eine Steuerung auf Basis des Digitalen Zwilling (Digital Twin, DT) entwickelt, die gezielte Eingriffe in automatisierte oder autonome Abläufe und die direkte Behebung von Störungen erlaubt.
Grundlage der Ergebnisse ist eine systematische Analyse hybrider Mensch-Maschine-Systeme, aus der allgemeine Rollen und Funktionen von Mensch und Maschine abgeleitet wurden. Der Mensch steht als kreativer Problemlöser im Mittelpunkt und wird durch die Prozesszerlegung sowie die Steuerung unterstützt. Tätigkeiten werden durch prozessbezogene und kognitive Schritte beschrieben, aufbauend auf der Entscheidungsleiter von Rasmussen.
Die Ergebnisse kombinieren die kognitiven Schritte der Informationsverarbeitung mit der Beschreibung prozessbezogener Tätigkeiten unter Einbindung wissenschaftlicher Ansätze, Normen und Verfahren wie MTM-UAS. Die resultierende hierarchische Beschreibung ermöglicht es Menschen und Maschinen, Prozesse vollständig oder in Teilen auszuführen und Tätigkeiten dynamisch zu verteilen.
Die technische Umsetzung erfolgt durch die Entwicklung einer Steuerung für hybride Systeme, die auf dem DT basiert. Dieser dient als zentrale Schnittstelle zwischen physischer und virtueller Welt, ermöglicht die Echtzeitsteuerung des Systems und erlaubt die mensch-zentrierte Informationsaufbereitung, die das Situationsbewusstsein stärkt. Der Mensch kann so unerwartete Störungen effektiv beheben.
Die Evaluation der Methodik und Steuerung erfolgt in Montage- und Handhabungsprozessen. Es zeigt sich, dass die hierarchische Tätigkeitsbeschreibung eine einfache Prozessbeschreibung ermöglicht und die MTI fördert. In Bedienstudien könnten Menschen mit der entwickelten Lösung effektiv in autonome und automatisierte Prozesse eingreifen und Fehler korrekt identifizieren und beheben. Die hierbei auftretende kognitive Belastung zeigt
Optimierungspotenziale bei der Gestaltung der Benutzeroberfläche auf.
Die Ergebnisse zeigen, dass die Lösung die Flexibilität und Resilienz industrieller Systeme steigern kann. Die Verknüpfung kognitiver und prozessbezogener Tätigkeitsbeschreibungen bietet einen ganzheitlichen Ansatz für die Steuerung hybrider Systeme. Die Arbeit veranschaulicht auch die vom DT bereitgestellten Möglichkeiten für zur Verbesserung der MTI im Sinne der Industrie 5.0. Dank ihrer allgemeinen Struktur ist die entwickelte Methodik
vielseitig einsetzbar und auf unterschiedliche Anwendungsszenarien übertragbar.