Visual analysis of in-car communication networks [Elektronische Ressource] / vorgelegt von Michael Sedlmair

Michael Sedlmair

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• Publié par: ludwig-maximilians-universitat_munchen
• Publié le: 01 janvier 2010
• Nombre de lectures: 31
• Langue: English
• Poids de l'ouvrage: 15 Mo

Extrait

VisualAnalysisof
In-CarCommunicationNetworks
Michael Sedlmair
Dissertation
an der Fakultät für Mathematik, Informatik und Statistik
der Ludwig-Maximilians-Universität München
vorgelegt von
Michael Sedlmair
aus München
München, den 16. Juli 2010ii
Erstgutachter: Prof. Dr.-Ing. Andreas Butz
Zweitgutachter: Prof. Dr. Tamara Munzner
Tag der mündlichen Prüfung: 21. Oktober 2010Abstract iii
Abstract
Analyzing, understanding and working with complex systems and large datasets has become a
familiar challenge in the information era. The explosion of data worldwide affects nearly every
part of society, particularly the science, engineering, health, and financial domains. Looking,
for instance at the automotive industry, engineers are confronted with the enormously increased
complexity of vehicle electronics. Over the years, a large number of advanced functions, such as
ACC (adaptive cruise control), rear seat entertainment systems or automatic start/stop engines,
has been integrated into the vehicle. Thereby, the functions have been more and more distributed
over the vehicle, leading to the introduction of several communication networks. Overlooking all
relevant data facets, understanding dependencies, analyzing the flow of messages and tracking
down problems in these networks has become a major challenge for automotive engineers.
Promising approaches to overcome information overload and to provide insight into complex data
are Information Visualization (InfoVis) and Visual Analytics (VA). Over the last decades, these
research communities spent much effort on developing new methods to help users obtain insight
into complex data. However, few of these solutions have yet reached end users, and moving
research into practice remains one of the great challenges in visual data analysis. This situation
is particularly true for large company settings, where very little is known about additional chal-
lenges, obstacles and requirements in InfoVis/VA development and evaluation. Users have to
be better integrated into our research processes in terms of adequate requirements analysis, un-
derstanding practices and challenges, developing well-directed, user-centered technologies and
evaluating their value within a realistic context.
This dissertation explores a novel InfoVis/VA application area, namely in-car communication
networks, and demonstrates how information visualization methods and techniques can help en-
gineers to work with and better understand these networks. Based on a three-year internship
with a large automotive company and the close cooperation with domain experts, I grounded a
profound understanding of specific challenges, requirements and obstacles for InfoVis/VA appli-
cation in this area and learned that “designing with not for the people” is highly important for
successful solutions. The three main contributions of this dissertation are: (1) An empirical an-
alysis of current working practices of automotive engineers and the derivation of specific design
requirements for InfoVis/VA tools; (2) the successful application and evaluation of nine proto-
types, including the deployment of five systems; and (3) based on the three-year experience, a set
of recommendations for developing and evaluating InfoVis systems in large company settings.
I present ethnographic studies with more than 150 automotive engineers. These studies helped us
to understand currently used tools, the underlying data, tasks as well as user groups and to cate-
gorize the field into application sub-domains. Based on these findings, we propose implications
and recommendations for designing tools to support current practices of automotive network en-
gineers with InfoVis/VA technologies. I also present nine InfoVis design studies that we built
and evaluated with automotive domain experts and use them to systematically explore the design
space of applying InfoVis to in-car communication networks. Each prototype was developed
in a user-centered, participatory process, respectively with a focus on a specific sub-domain ofiv Abstract
target users with specific data and tasks. Experimental results from studies with real users are
presented, that show that the visualization prototypes can improve the engineers’ work in terms
of working efficiency, better understanding and novel insights. Based on lessons learned from
repeatedly designing and evaluating our tools together with domain experts at a large automo-
tive company, I discuss challenges and present recommendations for deploying and evaluating
VA/InfoVis tools in large company settings. I hope that these recommendations can guide other
InfoVis researchers and practitioners in similar projects by providing them with new insights,
such as the necessity for close integration with current tools and given processes, distributed
knowledge and high degree of specialization, and the importance of addressing prevailing mental
models and time restrictions. In general, I think that large company settings are a promising and
fruitful field for novel InfoVis applications and expect our recommendations to be useful tools
for other researchers and tool designers.Abstract v
Zusammenfassung
Die weltweit ständig steigende Verfügbarkeit großer Datenmenge hat in den letzten Jahren zu
immer neuen Herausforderungen in den Bereichen der Wissenschaft, aber auch im Ingenieurs-,
Gesundheits- und Finanzwesen geführt. Beispielsweise sind Fahrzeugentwickler in der Auto-
mobilbranche mit einer immensen Datenkomplexität konfrontiert, welche durch die Integration
immer neuer elektronischer Komponenten hervorgerufen wird. So enthalten moderne Fahrzeuge
bis zu 100 verschiedene Steuergeräte, die miteinander in einem sogenannten Bordnetz vernetz
sind und auf unterschiedlichen Wegen kommunizieren. Im Zuge dieser Entwicklung
sind herkömmliche textuelle Beschreibungen der Kommunikationsarchitektur immer mehr an
ihre Grenzen gestoßen, so dass aktuell viel Zeit und Erfahrung benötigt wird um beispielswei-
se Auswirkungen von Änderungen an einzelnen Komponenten auf die Gesamtarchitektur abzu-
schätzen, um mögliche Engpässe zu erkennen oder um Fehler in der Bordnetzkommunikation zu
finden.
Methoden der Informationsvisualisierung und der Visuellen Analyse versprechen hierbei mögli-
che Ansätze um diese Herausforderungen zu bewältigen. In beiden Forschungsbereichen wurden
in den vergangenen Jahren eine Vielzahl von neuartigen Visualisierungsmethoden und -techniken
präsentiert, mit denen es möglich ist Verständnis über komplexe und große Datensätze zu erlan-
gen. Aktuell sind jedoch noch wenige dieser Lösungen in praktische Anwendungen integriert
worden und eine der größten Herausforderungen ist immer noch diese Forschungsergebnisse in
die Praxis zu transferieren. Dies gilt vor allem für große Firmen, bei denen spezielle Anforde-
rungen zusätzliche Hindernisse und Herausforderungen an die Entwicklung und Evaluierung von
Visualisierungstools stellen.
Im Rahmen dieser Dissertation wird untersucht wie Methoden der Informationsvisualisierung da-
zu beitragen können die Entwicklung und Analyse von automobilen Bordnetzen zu unterstützen
und wie diese in die Praxis integriert werden können. Die Arbeit wurde in enger Kooperati-
on mit BMW, einem großen Automobilhersteller, durchgeführt und bot daher die Möglichkeit
Visualisierungsanwendung unter realen Bedingungen zu entwickeln und zu testen. Es wurde
klar, dass vor allem eine konstante und enge Zusammenarbeit mit den Endanwender, d. h. mit
Entwicklungs- und Testingenieuren, eine zentrale Rolle für den Erfolg von Visualisierungsan-
wendung in diesem Bereich spielt.
Der wissenschaftliche Beitrag der vorliegenden Arbeit kann in drei Aspekte unterteilt werden: (1)
Eine empirische Feldanalyse des Bereichs Bordnetzentwicklung und -absicherung, sowie Desi-
gnanforderungen, die daraus abgeleitet wurde; (2) die Vorstellung und Evaluierung von neun
Visualisierungsprototypen, von denen fünf in die aktuelle Arbeitsprozesse der Ingenieure inte-
griert wurden; und (3) basierend auf den Erfahrungen, die über drei Jahre gesammelt wurden,
eine Zusammenfassung von Herausforderungen und Empfehlungen zur Durchführung von Infor-
mationsvisualisierungsprojekten in großen Unternehmen.
In der Arbeit werden hierzu ethnografische Studien mit mehr als 150 Ingenieuren vorgestellt.
Diese Studien wurden dazu genutzt aktuelle Werkzeuge besser zu verstehen, Arbeitsweisen zuvi Abstract
analysieren aber auch um Nutzergruppen zu kategorisieren und Herausforderungen zu erkennen.
Basierend auf diesen Studien wurden anwendungsgebiet-spezifische Anforderungen abgeleitet
und als Grundlagen für die Entwicklung der Prototypen verwendet. Mit den Prototypen wur-
den dann schrittweise verschiedene Detailaspekte des Anwendungsgebietes untersucht. Hierbei
wurden insbesondere Lösungen zur Unterstützung von Netzwerkarchitekten, Visualisierungsme-
thoden zur Trace-Analyse sowie die Verwendung von 3d Modellen für ein besseres Verständnis
von Zusammenhängen von Elektronik und Mechanik untersucht. Die Tools wurden in einem
benutzer-zentrierten Ansatz entwickelt und mit Endanwender evaluiert um Erkenntnisse über
deren realen Einsatz zu erlangen. Di