6. Informatorische Assistenzsysteme in der variantenreichen manuellen Montage

Je größer die Komplexität der manuellen Montageaufgabe aus Sicht der Beschäftigten ist, desto stärker ist der Fokus auf die informatorische Gestaltung des Montagesystems zu legen. Komplexität resultiert dabei aus einer hohen Anzahl an Produkt- bzw. Teilevarianten, aus kleinen Losgrößen und aus einer hohen Dynamik von Produktänderungen und -weiterentwicklungen [44]. Neben dem Trend zur Mehrproduktmontage [10] lassen sich weitere Entwicklungen beobachten, die zu einer steigenden Komplexität führen. Zu diesen zählt die Integration zusätzlicher Funktionen in Produkte, wodurch die Anzahl zu montierender Komponenten ansteigt [7]. Zudem werden mehr und mehr mechatronische Produkte entwickelt, sodass in der Montage zusätzliche Vorschriften, etwa zum ESD-Schutz, zu beachten sind. Zusätzlich sind diese Produkte vielfach mit einer Firmware zu versehen oder umfangreichen Funktionsprüfungen zu unterziehen [5].

Empirische Untersuchungen zur Informationsbereitstellung in der manuellen Montage zeigen, dass – in Ergänzung zu Hollnagel [26] – fünf Defizitkategorien unterschieden werden können [24]: 1) Benötigte Informationen fehlen im Montagesystem. 2) Es werden unnötige Informationen dargestellt. 3) Informationen werden zum falschen Zeitpunkt und in der falschen Menge bereitgestellt. 4) Informationen sind nicht aktuell und/oder 5) nicht so aufbereitet, dass diese einfach vom Beschäftigten aufgenommen und verarbeitet werden können. Konsequenzen sind beispielsweise Aufgabenunterbrechungen, Suchvorgänge, Rücksprachen mit Konstrukteuren oder Nacharbeiten, die zu einer geringen Akzeptanz des Informationsmanagements führen. Diese Defizite in Verbindung mit neuen technologischen Möglichkeiten haben dazu geführt, dass in den letzten Jahren unterschiedliche Assistenzsystemtechnologien für die Montage entwickelt und implementiert wurden.

Die informatorische Gestaltung eines manuellen Montagesystems ist gemäß Abb. 6.1 ein Teilgebiet der ergonomischen Montagesystemgestaltung [32]. In diesem Teilgebiet wird der Frage nachgegangen, wie Informationen darzustellen sind, damit die sensorische Aufnahme und Verarbeitung dieser Informationen effektiv und effizient erfolgen können. Effizienz bedeutet, dass der Prozess der Informationsaufnahme und -verarbeitung durch den Menschen eine möglichst kurze Zeit in Anspruch nehmen soll. Unter Effektivität wird verstanden, dass die aus der Informationsverarbeitung folgenden Montagehandlungen zu dem gewünschten Ergebnis, dem fehlerfrei montierten Produkt, führen. Zugleich soll die mentale Beanspruchung der Mitarbeiter, die infolge des Trends zu einer steigenden Komplexität zugenommen hat, auf ein angemessenes Maß reduziert werden [25].

Die informatorische Montagesystemgestaltung kann gemäß Abb. 6.1 explizit über Arbeitsanweisungen oder implizit über die Gestaltung von Montagesystemelementen erfolgen [25]. Eine implizite Gestaltung liegt etwa vor, wenn Teilebehälter, Werkzeuge und Vorrichtungen mit Farbcodes versehen werden [45]. Diese Farbcodes signalisieren dem Beschäftigten beispielsweise, dass die mit einer Farbe gekennzeichneten Objekte einem Bausatz oder Produkttyp zuzuordnen sind. Auch können über die Produktgestaltung informatorische Aspekte Berücksichtigung finden. Zum Beispiel kann das Risiko einer Verwechselung von Teilen, die in ihrer Geometrie sehr ähnlich sind, während der Montage reduziert werden, indem bei der Produktgestaltung besondere taktile oder optische Merkmale berücksichtigt werden [32].

Die explizite Informationsübermittlung kann über Arbeitspapiere [46] oder in digitaler Form vorgenommen werden. Die digitale Informationsbereitstellung wiederum kann im Hinblick auf die Menge an Informationen und den Zeitpunkt der Bereitstellung einzelner Informationen statisch oder dynamisch erfolgen [25]. Eine statische Informationsbereitstellung liegt vor, wenn zu einem Produkt eine Montageanleitung – zum Beispiel in Form eines PDF-Dokuments – existiert und diese in ihrer Gesamtheit – zum Beispiel an einem Bildschirm – ausgegeben wird. Eine dynamische Informationsbereitstellung liegt vor, wenn Informationen bedarfs- und situationsgerecht dem Beschäftigten übermittelt werden. Ein technisches System zur dynamischen Bereitstellung von Informationen wird als Assistenzsystem bezeichnet. Assistenzsysteme nehmen Daten über Sensoren und Eingaben auf und verarbeiten diese, um den Beschäftigten die richtigen Informationen („what“) zur richtigen Zeit („when“) in der gewünschten Form („how“) bereitzustellen [10, 22, 26].

Während die Automation darauf abzielt, menschliche Tätigkeiten durch Maschinen vollständig zu substituieren, kombinieren Assistenzsysteme die besonderen Fähigkeiten des Menschen mit den positiven Eigenschaften von technischen Systemen. Montageassistenzsysteme können dabei helfen, funktionale Einschränkungen des Menschen auszugleichen (Kompensation), die Gesundheit des Menschen zu erhalten (Prävention) und Lernprozesse des Menschen zu unterstützen (Befähigung) [1]. Darüber hinaus tragen informatorische Assistenzsysteme dazu bei, die Anlernzeiten von neuen Beschäftigten zu verkürzen, die Arbeitsproduktivität zu steigern, Montagefehler zu vermeiden und damit die Produktqualität zu sichern [47]. Zudem leisten informatorische Assistenzsysteme einen entscheidenden Beitrag zur Schaffung durchgängiger digitaler Wertschöpfungsketten in Betrieben. Sie steigern daher auch die Produktivität in administrativen Bereichen, da die Gestaltung und Verwaltung von Montageanleitungen vereinfacht wird [23].

Das in diesem Beitrag dargestellte Fallbeispiel beinhaltet die Montage von LKW-Aufbauten. Diese erfolgt sequenziell an einer Reihe von Arbeitsstationen. An einer Arbeitsstation sind zumeist jeweils ein oder zwei Beschäftigte tätig, die vielfach mehr als eine Stunde benötigen, um die Montageverrichtungen für ein Fahrzeug an der Station durchzuführen. Nachfolgend werden die Ergebnisse von Labor- und Felduntersuchungen zur Arbeitsstation Rahmenmontage dargestellt. Ein Rahmen besteht aus zwei Längsträgern und zumeist mehr als zehn Querträgern. Auf diesem Rahmen erfolgt an nachfolgenden Arbeitsstationen die Montage des LKW-Aufbaus.

Dieser Beitrag beinhaltet die Ergebnisse von Feld- und Laborstudien zur Arbeitsstation der Rahmenmontage eines Herstellers von LKW-Aufbauten. Eine Übersicht zur Struktur des Kapitels wird in Abb. 6.2 dargestellt. Im Rahmen der Feldstudie wird der Einführungs- und Gestaltungsprozess eines Montageassistenzsystems anhand des Fallbeispiels der Rahmenmontage aufgezeigt (Abschn. 6.3.1). Dieser Prozess orientiert sich dabei am REFA Standardprogramm Arbeitssystemgestaltung [38]. In einer ersten Phase wird die Ausgangssituation analysiert (Abschn. 6.3.1.1). Aufbauend auf dieser Analyse werden in einer zweiten Phase Anforderungen an das Assistenzsystem formuliert (Abschn. 6.3.1.2). In einer dritten Phase erfolgen die Grob- und Detailkonzeptionierung des Assistenzsystems (Abschn. 6.3.1.3). In einer vierten Phase wird das entwickelte Assistenzsystem testweise implementiert und evaluiert (Abschn. 6.3.1.4). In dieser Phase werden in einem iterativen Prozess Probleme identifiziert und anschließend eliminiert, sodass am Ende der Phase ein anforderungsgerecht gestaltetes Assistenzsystem vorliegt.

Ein weiteres Ziel dieses Beitrages ist es, zu dem Fallbeispiel der Montage von Fahrzeugaufbauten Laborergebnisse zur mentalen Beanspruchung darzustellen und zu erörtern (Abschn. 6.3.2). Dabei geht es um die Frage, wie sich die informatorische Gestaltung der manuellen Montage auf die Beanspruchung der Beschäftigten auswirkt. Dazu wird zunächst kurz ein kognitionstheoretisch basiertes Modell zur mentalen Beanspruchung vorgestellt, bevor objektive Messverfahren erörtert werden. Aus den beiden Studien (Abschn. 6.3.1 und Abschn. 6.3.2) werden abschließend Gestaltungsempfehlungen für informatorische Assistenzsysteme abgeleitet (Abschn. 6.4).

Die in Abschn. 6.3.2 kurz dargestellten Befunde sind zwar lediglich Ergebnis einer Einzelfallstudie, sie geben jedoch bereits erste Einblicke in die Problematik informatorischer Assistenzsysteme in der variantenreichen Montage. Wie gezeigt werden konnte, spielen informatorische Assistenzsysteme eine Rolle bei der Bewältigung informationsreicher Montagevorgänge – als informationsreich gilt dabei generell die Mehrproduktmontage – jedoch geben die Untersuchungen auch zu erkennen, dass dies nicht durchgängig über alle Modelle hinweg der Fall ist. Nur etwa 30 s (von 7:40 min, das entspricht etwa 7 % der Zeit) wandte sich der Proband dem Assistenzsystem zu, um daraus alle relevanten Informationen zur Montage des Rahmens zu erhalten. Die kognitive Beanspruchung war von daher nicht sehr groß, zumal auch der wiederholte Blick in die AR-Brille weitgehend ausblieb. Der Proband war offensichtlich aufgrund der Instruktion in der Lage, den gesamten Montageprozess bereits zu antizipieren, ohne sich informatorisch vergewissern zu müssen. Wenn dennoch eine höhere Beanspruchung zu registrieren war, so resultierte sie – abweichend gegenüber einer ursprünglich gemessenen Baseline – aus dem Hin- und Herlaufen entlang des Montagetischs, aus ruckartigen Bewegungen oder suboptimalem Montageverhalten, was sich im Verlauf der Zeit wieder verliert.

Zu Beginn der Untersuchung hatten die eingesetzten Assistenzsysteme und mit ihnen die vermittelte Bauinstruktion eine bedeutsame Funktion, um dem individuellen Montagehandeln Ausrichtung und Struktur zu geben, diese Funktion büßte das Assistenzsystem jedoch bereits nach kurzer Zeit und mit zunehmender Anzahl der Modelle ein. Die externe Information verlor an Bedeutung, die internen Informationen spielten von da an eine größere Bedeutung. Interne Information steht dabei für Wissen oder für den „gesunden Menschenverstand“, für Erfahrung und auch einen gewissen Grad an Kompetenz, selbst komplexere Modelle in relativ kurzer Zeit (etwa 8 min) und mit wenigen Fehlern (etwa 1,5 Fehler pro Modell) zu bearbeiten. Diese Verschiebung hängt – so die Annahme – vor allem mit der ausgefeilten Instruktion zusammen, die den Probanden zu Beginn der Untersuchung erteilt wurde. Diese führte bereits sehr detailliert vor Augen, wie der Montageprozess zu gestalten ist. Solch ausgefeilte Instruktionen liegen in der Praxis oftmals nicht vor. Ohne sie wäre es jedoch im Experiment nicht möglich gewesen, die montageunerfahrenen Probanden die Aufgabe bewältigen zu lassen. Diese ausführliche Instruktion und die Ähnlichkeit der Modelle schuf vermutlich ein hohes Maß an Redundanz, sodass trotz aller mehr oder weniger kniffligen Varianten die Aufgabe letztlich doch informationsärmer blieb als gedacht. Dies bedeutet gleichzeitig, dass der Komplexitätsgrad der Aufgabe geringer war als ursprünglich angenommen. D. h. die Komplexität wurde durch die ausführlichen Instruktionen vorab wieder reduziert. Dies lässt sich auch dahingehend interpretieren, dass dort, wo gute Instruktionen gegeben sind, die Komplexität schon sehr hoch sein muss, damit sie sich stark beanspruchend auswirken kann. Gute Instruktionen im Experiment – sie stehen für eine gute Arbeitseinweisung im Betrieb – erscheinen wie ein Gegenmittel zur Komplexität. Damit stellen sich die Fragen,

Auf der Basis des Modells von Wickens [49] liegt der zentrale Zweck der Einführung von informatorischen Assistenzsystemen darin, ein überbordendes Informationsangebot bewältigbar zu machen und so kognitive Überforderungen zu vermeiden. Es soll dadurch erreicht werden, die Komplexität des Gesamtvorgangs wieder ein Stück weit zu reduzieren, Unsicherheiten und hohe Aufmerksamkeit über längere Zeiträume hinweg zu vermeiden und dadurch den Ressourcenverbrauch bzw. die Beanspruchung des Arbeitsgedächtnisses wieder zu verringern [16]. Wer ständig visuell und fokal konzentriert sein muss, steht unter hoher Anspannung und erlebt eine starke kognitive Beanspruchung. Um Entlastung zu erreichen, müssen – so paradox es klingen mag – zusätzliche externe Informationen in das Montagesystem eingespielt werden, die in jedem einzelnen Fall aber zu einem relativ stärkeren Abbau an Unsicherheit und einem Aufbau von Redundanz beitragen, ähnlich wie beim Erlass eines zusätzlichen Gesetzes, welches aber zur Abschaffung von zwei anderen Gesetzen führt. Diese externen Informationen betreffen drei zentrale Aspekte [10, 26, 43]:

Aus diesen drei Aspekten ist abzuleiten, dass möglichst jedem Montagewerker in der komplexen variantenreichen Montage eine spezifische Konstellation von externen Informationen durch ein informatorisches Assistenzsystem zur Verfügung gestellt werden sollte. Ein Beispiel für eine solche Konstellation externer Information liefert das sog. OPDM (operational process dashboard of manufacturing) von Gröger et al. [19], welches auf unterschiedliche Weise auf Displays verschiedenster Assistenzsysteme realisiert werden kann. Das in Abschn. 6.3.1 erläuterte Fallbeispiel verdeutlicht, dass insbesondere das Eliminieren überflüssiger Informationen („Was“) und eine übersichtliche Darstellung der benötigten Informationen in bildlicher und textlicher Form („Wie“) bereits zu einer deutlichen Reduzierung der Tätigkeitszeiten führt. In Bezug auf den Aspekt „Wann“ war die Nutzeranforderung, möglichst alle relevanten Informationen für einen Montageauftrag über ein großes Display auf einmal – ohne ein Weiterschalten durch den Nutzer – zu erhalten. Der Vorteil dieser Art der Informationsausgabe ist, dass unterschiedliche Arbeitsmethoden bzw. Arbeitsweisen zur Anwendung kommen können, der Gesamtarbeitsablauf also nicht durch die sequenzielle Informationsausgabe (Schritt-für-Schritt-Anleitung) vorgegeben wird. Dafür muss der Nachteil in Kauf genommen werden, dass eine umfassende Informationsausgabe zwangsläufig zu kurzen, nicht-wertschöpfenden Orientierungszeiten führt.

Mit Überlegungen und Gestaltungsoptionen dieser Art befasst sich die sogenannte kognitive Ergonomie, die als Reaktion auf die Zunahme der Informationsmenge, auf veränderte Informationsstrukturen und die Menge und Geschwindigkeit von darauf basierenden Entscheidungen begründet wurde [28]. Sie bildet eine Teildisziplin der herkömmlichen Ergonomie, die sich vornehmlich auf körperliche Beanspruchungen und Gegenmaßnahmen konzentriert hat. Die kognitive Ergonomie zielt darauf ab, die Leistungsfähigkeit und Belastbarkeit mentaler Informationsverarbeitungsprozesse genauer zu analysieren und diese möglichst resilient zu gestalten. Ergonomische Gefährdungen resultieren dabei z. B. aus unklaren Handlungsanweisungen oder Arbeitsinstruktionen, unzureichender Anordnung von Anzeigemonitoren und Schaltbildern, zu starken Konzentrationserfordernissen auf selten auftretende Signale, schlechter visueller oder akustischer Gestaltung von Signalen oder unzureichender farblicher Differenzierung von Bauteilen. Hier sollen Assistenzsysteme helfen.

Dabei kann unterschieden werden zwischen solchen Assistenzsystemen, die automatisch Entscheidungen übernehmen und solchen Systemen, die lediglich Informationen bereitstellen, aber Entscheidungen überwiegend bei den Beschäftigten belassen. Fast-Berglund et al. [15] stellen aufgrund betrieblicher Studien generell in Aussicht, dass längerfristig durch technische Unterstützung im Sinne einer „cognitive automation“ ein „decrease of workload“ zu erreichen ist, sofern – und hier kommt wieder das Ausgangsthema ins Spiel – die Dosierung der Information auf die Beschäftigten hinreichend abgestimmt ist. Damit ist jedoch nicht allein ein logistisches Problem angesprochen, sondern auch ein differentiell-psychologisches Problem: Wer braucht eigentlich welche Information? Da reicht es nicht aus, nur auf die Komplexität zu verweisen, sondern man muss auch wissen, welche Erfahrung bzw. Kompetenz ein Werker einbringt und vor allem wie stark er kognitiv beansprucht ist. Assistenzsysteme können Sicherheit und Zutrauen vermitteln und die Performanz und Erfahrungsbildung unterstützen. Voraussetzung dafür ist allerdings, dass die Assistenzsysteme benutzerzentriert und kontextsensitiv gestaltet sind [50], indem sich die Systeme z. B. über eine Benutzerverwaltung individuell konfigurieren lassen, möglichst eine multimodale Interaktion unterstützen und Informationen anforderungsgerecht – z. B. unter Berücksichtigung des Übungsgrades – darstellen [27]. So ist es z. B. unter Einsatz von AR-Brillen möglich, dass der Beschäftigte durch Gesten oder ein akustisches Signal („Weiter“) selbst die Geschwindigkeit der Informationspräsentation steuert. Auf vergleichbare Art kann er auch zusätzliche Information in einem markierten Bild oder gar einem kurzen Video eingespielt bekommen, wenn eine Variante eine besondere Montagemethode erforderlich macht oder die Ausführung als besonders fehleranfällig und damit qualitätskritisch gilt. Umgekehrt kann ein erfahrener Beschäftigter auch bei einzelnen ausgewählten Varianten gänzlich auf eine Unterstützung verzichten (das unterstützt Befunde von Fast-Berglund et al. [15], wonach in 60 % der Fälle auf Unterstützung durch Assistenzsysteme verzichtet und allein auf der Basis von Erfahrung montiert wurde). Die individuelle Konfiguration kann dann in der Benutzerverwaltung der Software vorgenommen oder automatisch erfolgen, sie kann aber auch je nach Lernfortschritt oder aktuellem Befinden ad hoc vom Beschäftigten selbst erledigt werden. Langfristig wird dabei zu prüfen sein, ob zwischen der individuellen Auswahl der Konstellation und den objektiven Ausgängen eine hohe oder geringe Übereinstimmung besteht. Später könnten diese Erfahrungen in ein automatisches Machine Learning übergehen, welches dann Empfehlungen abgibt, wie die jeweilige Konstellation an externen Informationen ausfallen sollte.

Mit Blick auf die Gestaltung von informatorischen Assistenzsystemen seien abschließend sechs zentrale Empfehlungen für die Gestaltung von informatorischen Assistenzsystemen gegeben [5]: