User involvement in safety-critical system design

Abstract

Designing tools for performing safety-critical work tasks is demanding engineering discipline. Numerous highly specialized engineering knowledge needs to be integrated to create a well-functioning design solution that appropriately serves carrying out the work and fulfilling the goals of the activity. The design task of this magnitude goes easily beyond the capabilities of an individual designer. Consequently, representing a considerable collaboration challenge to the design process.

Expert users (e.g., process control operators) are a group of specialists that could potentially contribute much to developing the appropriate solutions. Many industrial standards also demand acknowledging the end user perspective in design. However, the expert users' role in the context of safety-critical design, have conventionally been restricted to involving the users in the later evaluation phases. At the same time, at these later stages, there may only be remote possibilities to make any radical changes to the design regarding the identified needs by the expert users. Yet, the tools are an integral part of the safety-critical system and the sensitivity that relates to the ability of expert users to operatively master their tools should not be forgotten. From the overall safety perspective, it is also highly relevant how the expert users know and use their tools.

Therefore, this thesis aims to promote early expert user involvement in design of safety-critical systems and thus enable better inclusion of their hands-on experience and wealth of operative knowledge in design. The expert users should be involved in at the early stage of the design and the participation of the expert users should continue throughout the design process and the lifecycle of the system.

This thesis presents the development of method which facilitates participative processes and enables involving the expert users in safety-critical system design. The functional modeling of Tools-in-Use (TiU) is introduced in the thesis to facilitate constructive designer – user interaction and discussion about the different aspects of the emerging design solution. Within the TiU model both the functional content of work (i.e., the core task functions) and the design solution (regarding to its abstract concept as well as the concrete interface levels) are explicated. The TiU model provides, in a condensed form, a demonstration of how the different characteristics of the design solution may contribute to achieving the objectives of the activity. In addition, the TiU model emphasizes the meaning of understanding the work activity as a basis for forming the design rationale and aids reflecting the different design decisions against that rationale throughout the iterative maturation of the design solution.

The contribution this thesis makes is in the intersection of the research fields of human factors and ergonomics, human-centered design (including participatory processes) and usability engineering. The empirical work in this thesis has been conducted in several safety-critical work domains such as nuclear power process control and pesticide spraying activity in arable farming.

Turvallisuuskriittisten työtehtävien suorittamiseen tarvittavien järjestelmien ja työvälineiden suunnittelu on vaativa insinööritehtävä. Hyvin toimivan ja tarkoituksenmukaisen suunnitteluratkaisun luominen vaatii monenlaisen tekniikan- ja tieteenalan ammattilaisen erityisosaamisen yhdistämistä. Tällaisen kokonaisuuden rakentaminen on tehtävä, joka helposti ylittää yksittäisen suunnittelijan osaamisen rajat.

Turvallisuuskriittisten järjestelmien loppukäyttäjät (esim. prosessinohjaajat) voisivat omalla operatiivisella kokemuksellaan osallistua toimivien suunnitteluratkaisuiden määrittämiseen ja löytämiseen. Useat teollisuuden standardit myös edellyttävät käyttäjänäkökulman huomioimista suunnittelussa. Tästä huolimatta käyttäjien osallistuminen turvallisuuskriittisten järjestelmien suunnittelussa on perinteisesti rajoittunut lähinnä loppuvaiheen käyttäjätestaukseen. Samanaikaisesti tiedetään, että suunnittelun edettyä pitkälle, testauksessa mahdollisesti havaittuja käyttäjä- ja muutostarpeita voi olla vaikeaa ja kallista enää toteuttaa. Teknologiset työvälineet ovat oleellinen osa nykypäivän moderneja turvallisuuskriittisiä järjestelmiä ja se, miten hyvin käyttäjät hallitsevat ja ymmärtävät näiden työvälineiden käytön on ammatillisesti hyvin sensitiivistä ja sitä ei tulisi suunnittelussakaan jättää huomioimatta.

Väitöskirjan keskeinen tavoite on edistää ammattikäyttäjien aikaista osallistamista turvallisuuskriittisten järjestelmien suunnitteluun niin, että heidän käytännönkokemuksensa ja runsas operatiivinen tietämyksensä tulisi hyödynnetyksi ratkaisuita kehittäessä. Käyttäjät tulisi osallistaa suunnitteluun alusta asti aina läpi koko suunnitteluprosessin ja järjestelmän elinkaaren.

Väitöskirjassa esitellään menetelmä, joka tukee osallistavan suunnitteluprosessin kehittymistä ja ammattikäyttäjien osallistumista turvallisuuskriittisten järjestelmien suunnitteluun. Funktionaalinen mallinnusmenetelmä 'Tools-in-Use' (TiU) esitellään keinona fasilitoida rakentavaa suunnittelija – käyttäjä vuorovaikutusta sekä keskustella kehitettävän suunnitteluratkaisun eri piirteistä. TiU mallin avulla sekä työ (perustehtävä) että suunnitteluratkaisu (abstrakti konsepti- ja konkreettinen käyttöliittymä taso) tulevat sisällöllisesti analysoiduksi ja käsitellyksi. TiU malli avulla voidaan tiivistetyssä muodossa tarkastella miten kehitettävän suunnitteluratkaisun eri osat myötävaikuttavat toiminnalle asetettujen tavoitteiden saavuttamisessa. Lisäksi TiU malli korostaa työn perustehtävän ymmärtämisen tärkeyttä suunnitteluperusteiden määrittämisen lähtökohtana sekä mahdollistaa yksittäisten suunnittelupäätösten peilaamisen tätä vasten.

Väitöskirjan kontribuutio sijoittuu human factors suunnittelun, käyttäjäkeskeisen suunnittelun sekä käytettävyys suunnittelun leikkauspisteeseen. Väitöskirjassa esitelty empiirinen työ sijoittuu erilaisiin turvallisuuskriittisiin toimintaympäristöihin kuten ydinvoimalan prosessinohjaukseen sekä kasvinsuojeluaineiden ruiskuttamiseen pellonviljelyssä.