Über den Tellerrand geschaut

Maschine motiviert Mensch: Gamification in der Industrie 4.0

Jörg Niesenhaus

Ist Gamification kompatibel mit Industrie 4.0? Eigentlich lässt sich diese Frage nur beantworten, indem man dies anhand eines möglichst realitätsnahen Beispiels überprüft. Wir hatten auf der Hannover Messe die Chance, genau das zu tun und berichten von einem außergewöhnlichen Projekt.

Quadropod SEW Industrie 4.0 Exponat

In zwei vorangegangenen Blogartikeln zu Gamification ging es um die Frage, wie ein Designprozess für spielerisch geprägte Interaktion idealerweise aussehen sollte und, darauf aufbauend, wie den besonderen Anforderungen des industriellen Anwendungsbereichs begegnet werden kann.

Dabei habe ich gezeigt, dass Gamification kein Spiel(en) im klassischen Sinne ist, sondern zielgerichtet einzelne spielmechanische und visuelle Elemente aus Spielen in einen spielfremden Kontext einsetzt, um beispielsweise die Mitarbeitermotivation zu steigern, den Wissensaustausch anzuregen oder Prozesse effizienter zu gestalten. Im Mittelpunkt steht dabei der Nutzer mit seinen Bedürfnissen und Interessen, der durch eine Kombination aus attraktiver Gestaltung des User Interfaces und substantieller Interaktionsmechanik gezielt in seinen Aktivitäten unterstützt wird.

SEW-EURODRIVE als Innovationsmotor für die Industrie 4.0

In diesem Blogartikel werde ich nicht nur das Thema Industrial Gamification vertiefen, sondern ein herausragendes Projekt der Firma SEW-EURODRIVE präsentieren, die eine Vorreiterrolle in der Ausgestaltung der Lean Industrie 4.0 einnimmt und die wir bei der Umsetzung ihrer Vision der Industrie 4.0 unterstützen durften.

Für die Hannover Messe 2015 entwickelte Centigrade die Benutzerschnittstellen mehrerer Applikationen im Kontext der automatisierten Produktion für das zukunftsweisende Messeexponat der Firma SEW-EURODRIVE – ihres Zeichens Weltmarktführer im Bereich industrieller Antriebstechnik mit 16.000 Mitarbeitern in 45 Ländern mit einem stark ausgeprägten Sinn für Qualität, Vielfalt, Zuverlässigkeit und Innovationskraft.

SEW Firmensitz

Das zentrale Exponat von SEW auf der Hannover Messe sollte nicht weniger als SEWs Vision der Industrie 4.0 transportieren und umfasste neben innovativen, autonomen Transport- und Montagefahrzeugen auch hochmoderne Automatisierungstechnologie wie beispielsweise Industrieroboter mit optischer Positionserkennung. Doch nicht nur bei der Hardware beschritt SEW neue Wege: Auch im Bereich der Softwareentwicklung bewies das Unternehmen Mut und setzte im Rahmen der Benutzerschnittstellen auf Gestensteuerung, 3D-Echtzeitvisualisierung und Augmented Reality (AR) Technologie. Auf diese Weise eröffnete SEW den Messebesuchern aus aller Welt den ersten umfassenden Einblick seiner Art in die Zukunft der Produktion und Logistik in der Industrie 4.0.

Besucher an SEW Industrie 4.0 Exponat Hannover Messe 2015

Industrial Gamification – gestützt durch Augmented Reality

Ein Kernstück des Messeexponats von SEW ist die indirekte Steuerung von autonomen Fahrzeugen (AGVs), die als mobile Montage- und Transportassistenten in Produktionshallen zum Einsatz kommen. Diese Anwendung kombiniert zukunftsweisende Augmented Reality Technologie mit spielerisch geprägter Interaktion. Doch warum in dem Kontext dieser Anwendung auf Gamification setzen? Auf den ersten Blick mag es überraschend erscheinen, aber tatsächlich stellen sich bei der Interaktion mit industriellen Anlagen zum Teil dieselben Probleme wie in digitalen Spielen – was dazu führt, dass die Lösungsansätze aus Spielen auch für die Herausforderungen industrieller Systeme herangezogen werden können. Deshalb möchte ich mit diesem Blogbeitrag derartige Analogien in den Problemstellungen und Lösungsansätzen aufzeigen und sie anhand ausgewählter Beispiele verdeutlichen.

Ein komplexes Szenario

Das auf der Messe gezeigte Szenario findet in einer fiktiven Produktionshalle der Zukunft statt, in der die Intralogistik zu einem großen Anteil über autonom-gesteuerte Fahrzeuge (AGVs) abgewickelt wird. Sie transportieren auf Anweisung von Maschinen oder Nutzern Güter von A nach B oder dienen in der Form des Montageassistenten als eine Art mobile Werkbank, die Mitarbeiter in ihrem Prozess begleitet oder selbstständig zu einem anderen Mitarbeiter fährt, der den nächsten Produktionsschritt übernimmt.

Nach Abschluss der Fertigung gelangen die Produkte zu einer Reihe von Transportkisten, welche die einzelnen Produkte, je nach Typ, an unterschiedliche Verpacker liefern. Dazu zeigt das User Interface dem Bediener mehrere nebeneinander positionierte Transportkisten aus der Vogelperspektive an. Die Anzeige erfolgt in Form einer Augmented Reality-Anwendung: Der Bediener sieht das reale Abbild der Halle, welches als Videostream von einer an der Decke der Halle befestigten Videokamera in Echtzeit in die Anwendung übertragen wird zusätzlich jedoch mit digitalen User Interface Elementen überlagert wird. Zu diesen überlagernden Elementen zählen beispielsweise Statusinformationen zu jeder Transportkiste, aber auch Bedienelemente, die es dem Nutzer erlauben Produkte per Drag & Drop in Kisten zu legen.

3D Augmented Reality (AR) HMI für SEW Industrie 4.0 Exponat

Die Interaktion des Nutzers beginnt mit der Auswahl eines Produkts per Touch-Eingabe. In dem Moment der Auswahl des Produkts wird eine der zur Verfügung stehenden Transportkisten durch eine farbliche Animation hervorgehoben, sodass der Nutzer einen intuitiven visuellen Hinweis erhält, welche Kiste sich für den Transport des Produkts am besten eignet. Die Information wird über einen Zugriff auf die Auftragsdaten ermittelt, welche u.a. die Zielposition für den nächsten Prozessschritt beinhalten.

Sobald ein Produkt in eine Kiste gelegt wird, übermittelt die Anwendung Informationen wie den Produkttyp und den Auftragsstatus an ein autonomes Fahrzeug. Das autonome Fahrzeug setzt sich nach der Auftragsübermittlung ohne weitere Nutzereingabe in Bewegung und fährt unter die mit dem Produkt versehene Kiste. Die Kiste wird durch das Fahrzeug angehoben und dann auf dem schnellsten Weg zu ihrem Zielort befördert.

Maschinen in der Industrieanalage dirigieren wie Einheiten in einem Spiel

Schauen wir uns die Anforderungen des Szenarios einmal genauer an: Die indirekte Kontrolle über zahlreiche mobile Fahrzeuge. Eine gute Übersicht über die laufenden Prozesse. Die Möglichkeit sich schnell und intuitiv weitere Informationen zu verschaffen und mit wenigen Interaktionsschritten den Prozess zu beeinflussen. Betrachtet man diese Anforderungen, so vermutet man Vorbilder und Inspirationsquellen vor allem im Bereich der Logistik und des Supply-Chain-Managements. Doch wir haben, wie bereits eingangs erwähnt, unseren Blick auf eine andere Inspirationsquelle gerichtet: digitale Spiele.

Um die Interaktion optimal zu gestalten, wurden bei der Konzeption des User Interface spielerische Lösungswege für die indirekte Steuerung der Prozesse und damit auch der Fahrzeuge betrachtet. Im Genre der Strategiespiele, die sich häufig auf das Ressourcenmanagement und die Kontrolle von mobilen Einheiten konzentrieren, gibt es zahlreiche gute Beispiele für die indirekte Steuerung von Fahrzeugen und Prozessen. Da ich persönlich nicht nur Strategiespiele seit jeher gerne spiele, sondern auch früher selbst an der Entwicklung von Spielen dieser Art beteiligt war, lag diese Analogie für mich auf der Hand.

Eine Aktion – viele Automatismen

Starcraft Auslösen von Prozessketten durch einfache Kommandos

Im Spiel Starcraft II initiiert der Spieler mit nur einem Klick komplexe Befehlsketten für das Erwirtschaften von Resourcen

Im Spiel Starcraft II erteilt man den Einheiten durch eine einfache Zielzuweisung einen komplexen Auftrag. Wenn der Spieler beispielsweise einem Arbeitsfahrzeug (SCV) eine Gasmine als Ziel zuweist, wird dem Fahrzeug die folgende Befehlskette übermittelt:

„Fahre zur Mine, betrete die Mine, lade Gasfässer auf, verlasse Mine, fahre zurück zur Basis, betrete Basis, liefere die Gasfässer dort ab, verlasse Basis und wiederhole den Prozess bis Du einen neuen Befehl erhältst.“

Ähnlich verhält sich auch das AGV in unserer Industrieanwendung: Eine Kiste wird mit einem Produkt beladen. Durch diese eine Handlung wird ein Fahrzeug gerufen, welches die Kiste auflädt, zu ihrem Ziel befördert und sich wieder zu einer möglichst optimalen Position für die Auftragsannahme positioniert. Im Spiel ist der Einheitenstatus erfahrbar, indem man auf das Fahrzeug klickt. Analog dazu wird in unserer Anwendung die Kiste mit dem aktuellen Produkt durch ein Infofenster überlagert, wenn man diese durch eine Touch-Interaktion berührt.

Sie haben Ihr Ziel erreicht

Im Spiel X-COM: Enemy Unknown erhält der Spieler bei der Auswahl einer Einheit verschiedene Handlungsoptionen als Bewegungspfade in der Spielwelt visualisiert.

Visualisierung der Handlungsoptionen als Bewegungspfade im Spiel X-Com: Enemy Unknown.

Visualisierung der Handlungsoptionen als Bewegungspfade im Spiel X-Com: Enemy Unknown.

Diese Pfade stellen die Wahlmöglichkeiten des Nutzers dar und zeigen durch Symbole und eine Unterteilung in Abschnitte bzw. Felder auch die Unterschiede in der Länge des Pfades sowie die Einflussbereiche von Hindernissen, Widersachern oder interaktiven Elementen an, welche dem Spieler die Entscheidung für einen Weg erleichtern.
In unserer Logistikanwendung kann der Nutzer auf Wunsch auch manuell einen Weg auswählen. Dies geschieht über variable Navigationspfade, die als Teil der Augmented Reality-Anwendung über das Kamerabild der realen Produktionshalle gelegt werden.

Die gläserne Maschine

Auch im Rahmen der Visualisierung komplexer, räumlich angeordneter Informationen findet man zahlreiche hervorragende Vorbilder in digitalen Spielen. Im Fall des Messeexponats lag eine der Herausforderungen darin, eine sehr komplexe und dadurch erklärungsbedürftige Technologie – nämlich die autonomen Fahrzeuge – visuell intuitiv verständlich zu machen. Dabei ist nicht nur die äußere Gestalt des Fahrzeugs von Bedeutung, sondern vor allem die im Inneren gelagerten Komponenten wie beispielsweise der Antrieb oder Drehkranz, welche dabei helfen, die Funktionsweise des Fahrzeugs besser nachvollziehen zu können.
Sucht man im Bereich der digitalen Spiele nach vergleichbaren Fragestellungen und Lösungsansätzen, landet man schnell bei einem Genre, welches die Darstellung von Fahrzeugen und ihrer Technik perfektioniert hat: Autorennspiele.

Transparente Fahrzeugverkleidung im Spiel The Crew

Transparente Fahrzeugverkleidung im Spiel The Crew

In Rennspielen dreht sich abseits der Rennstrecke fast alles um die Auswahl und Konfiguration des Fahrzeugs. Dabei spielt, neben rein äußerlichen Konfigurationsoptionen wie der Lackierung oder Bedruckung des Fahrzeugs, vor allem die Selektion von funktionalen Fahrzeugkomponenten, die nicht immer gänzlich von Außen sichtbar sind, eine entscheidende Rolle. Welche Reifen wähle ich? Welche Bremsen? Welchen Motorblock? Ein herausragendes Beispiel für eine gelungene Fahrzeugdarstellung findet sich im Rennspiel The Crew von Ubisoft, welches sowohl äußere als auch innere Fahrzeugkomponenten nicht nur intuitiv verständlich, sondern auch sehr attraktiv visualisiert. Durch die halbdurchsichtige Karosserie kann der Spieler deutlich besser nachvollziehen, wo im Fahrzeug beispielsweise die Antriebskomponenten liegen, wie viel Platz sie einnehmen und wie sie in einem bewegten Zustand aussehen.

Angelehnt an diese Darstellungsform wurde das autonome Fahrzeug (AGV) von SEW in einer attraktiven 3D-Echtzeitvisualisierung umgesetzt, welche es dem Nutzer erlaubt, durch Touch-Interaktion zwischen den innen und außen gelagerten Komponenten zu wechseln und diese in ihrer Position und ihrem Ausmaß als auch ihrer Dynamik zu betrachten. Dabei wird die Position der Komponente durch eine Kamerafahrt zusätzlich verdeutlicht, welche zudem einen flüssigen Wechsel der Kameraperspektive erlaubt.

Maschine unterstützt Mensch – nicht umgekehrt

Am Ende entstand eine Anwendung, die den Nutzer stets mit den relevanten Informationen durch ihre Repräsentation im User Interface versorgt. Tritt ein Problem auf oder besteht der Bedarf nach detaillierten Informationen, sind diese nur wenige Interaktionsschritte entfernt. Durch die automatisierte Übernahme von Prozessschritten wird der Nutzer zudem entlastet, kann sich aber, wenn er den Eindruck hat kognitiv unterfordert zu sein, mit mehr Informationen versorgen, um Aufträge anders zu priorisieren oder alternative Routen auszuwählen.

Diese freie Wahl der Interaktionstiefe und -häufigkeit hat ebenfalls Analogien im spielerischen Umfeld: Strategiespiele werden häufig so konzipiert, dass sie einfach zu erlernen sind, aber für erfahrene Spieler auch beliebig fordernd sein können.
Im Spiel Starcraft II kann der Spieler nahezu alle Interaktionen per Mausklick auslösen. Will er schneller sein, kann er beispielsweise über Tastaturmakros mächtigere Spezialfähigkeiten der Einheiten nutzen, die jedoch mehr zeitkritische Interaktionen mit der Einheit und der Umgebung erfordern. Dadurch fühlen sich sowohl Einsteiger als auch Experten kognitiv angemessen gefordert: Jeder kann die Komplexität seines Vorgehens selbst wählen. Allerdings bleibt ein wichtiger Unterschied: Wer in Starcraft II das Mikromanagement der Einheiten beherrscht, erhöht Effizienz und Effektivität. In unserer industriellen Anwendung hingegen garantiert die Maschinenintelligenz die grundlegende Effizienz und Effektivität – dennoch kann der Nutzer intervenieren, wenn er beispielsweise Prioritäten verändern will, die von den Standardprozessen abweichen oder wenn er manuell ein Fahrzeug warten möchte und es aus dem Prozess auskoppeln möchte.

Industrial Gamification: Mit Gamification und AR die Industrie 4.0 realisieren

Die obigen Beispiele zeigen, dass Spiele gute Inspirationsquellen für die Gestaltung intuitiv verständlicher und effizienter Benutzerschnittstellen sein können. Nicht immer muss es ein Blick in die Welt der digitalen Spiele sein – so können auch andere Anwendungsfelder gute Ideen liefern. Wir sind jedoch davon überzeugt, dass Spieleentwickler viele Probleme bereits sehr effizient gelöst haben und sich die Betrachtung spielerischer Beispiele im Sinne von Gamification häufig lohnt.

Das Industrie 4.0 Exponat von SEW-EURODRIVE machte durch die Vernetzung der Maschinen und Steuerungselemente die Industrie 4.0 auf der Hannover Messe nicht nur erleb- und begreifbar, sondern schaffte durch die Augmented Reality Technologie und spielerische Interaktionsmechanismen einen intuitiven und zukunftsweisenden Zugang zu komplexen Prozessen.

Trotz der technischen Risiken eines derart komplexen Technologieverbundes bewies SEW-EURODRIVE viel Mut dieses ambitionierte Projekt umzusetzen und wurde mit zahlreichen begeisterten Messegästen belohnt, die das Exponat über die gesamte Messedauer nicht zur Ruhe kommen ließen. Letztlich haben wir gemeinsam den Beweis geliefert: Ja, Gamification und Industrie 4.0 sind kompatibel. Wir sprechen von „Industrial Gamification“.

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