Fakultät für Elektrotechnik, Informatik und Mathematik
Institut für Informatik
Mensch-Computer-Interaktion und Softwaretechnologie
Fürstenallee 11
33102 Paderborn
Methodik zur
Dokumentation und Analyse von
Kommunikationsschwachstellen in
sicherheitskritischen Systemen anhand
von hierarchischen Aufgabenmodellen
Genehmigte Dissertation
zur Erlangung des Grades
„Doktor der Naturwissenschaften“
(Dr. rer. nat.)
vorgelegt von
Dipl.-Wirt.-Inf. Tomasz Mistrzyk
Paderborn, im August 2010
Promotionskomission:
Vorsitzender: Prof. Dr. Gerd Szwillus (Universität Paderborn)
Koreferat: Prof. Dr. Gitte Domik (Universität Paderborn)
Beisitzer: Prof. Dr. Franz Rammig (Universität Paderborn)
Beisitzer: Dr. Theodor Lettmann (Universität Paderborn)
Beisitzer: Dr. Metthias Fischer (Universität Paderborn)
Die Dissertation wurde am 24.Juni 2010 bei der Fakultät für Elektrotechnik, Informatik
und Mathematik der Universität Paderborn eingereicht und am 31.August 2010 vor der
Promotionskommission verteidigt und durch die Fakultät angenommen.
ii
Danksagung
Die Vorliegende Dissertation entstand während meiner wissenschaftlicher Tätigkeit
innerhalb der Arbeitsgruppe des Fachgebiets „Mensch-Computer-Interaktion und
Softwaretechnologie“ von Prof. Dr. Gerd Szwillus an der Fakultät für Elektrotech-
nik, Informatik und Mathematik (EIM) der Universität Paderborn.
Allen voran bedanke ich mich an dieser Stelle herzlich bei meinem Doktorvater Prof.
Dr. Gerd Szwillus, der mich während der Dissertation mit viel Geduld, Engagement
und wertvollem Rat unterstützt hat. Die von ihm vermittelte Atmosphäre konstruk-
tiver Kritik und Zusammenarbeit hat mir die Chance gegeben mein Promotionsvor-
haben zu einem erfolgreichen Ende zu bringen. Ich danke den weiteren Mitgliedern
meiner Prüfungskommission Franz Josef Rammig, Michael Tauber, Theodor Lett-
mann, dass sie sich mit meiner Arbeit befasst haben. Gitta Domik, Gerd Szwillus
und Jean Vanderdonckt danke ich für die Anfertigung eines Gutachtens.
Mein Dank geht auch an Chris Johnson von der Universität Glasgow und Philippe
Palanque aus Toulouse, die während des Projektes ADVISES mir die Möglichkeit
gegeben haben aus ihrer Erfahrung zu schöpfen und Anregungen für meine Disser-
tation zu finden.
Auf diesem Wege bedanke ich mich ebenfalls bei der Projektgruppe AMBOSS für
ihre tatkräftige Unterstützung und Einsatzbereitschaft bei der Erstellung der Mo-
dellierungsumgebung. Ohne ihren Einsatz wäre die Arbeit so nicht möglich gewesen.
Darüber hinaus gilt mein besonderer Dank meiner Familie und meiner Freundin
für ihre Bereitschaft, mit der sie mir den Weg zu meiner Doktorarbeit während eini-
ger kritischer Momente geebnet haben und mit ihrem uneingeschränkten Rückhalt
und Verständnis zu einem gelungenem Ende beigetragen haben.
An all die guten Geister, die mich freundlicherweise bei den mühsamen sprachlichen
Korrekturen unterstützt haben und mich immer wieder motiviert haben Ausdrucks-
formen geschickter zu wählen und an meinen Gedankenwirrwarr nicht zu verzweifeln,
für deren namentliche Nennung der verfügbare Platz jedoch nicht reichen würde,
richte ich meinen Dank.
Mai 2010, Tomasz Mistrzyk
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Inhaltsverzeichnis
I. Einführung 2
1. Einleitung 3
1.1. Motivation und Ziele ........................... 3
1.2. Aufbau der Ausarbeitung ......................... 5
II. Theoretische Grundlagen 8
2. Aufgabenanalyse und Aufgabenmodellierung 9
2.1. Aufgabenanalyse ............................. 9
2.1.1. Ziele einer Aufgabenanalyse ................... 9
2.1.2. Ethnographische Methoden ................... 12
2.1.3. Fragenbasierte Aufgabenanalyse ................. 13
2.1.4. Hierarchische Aufgabenanalyse HTA .............. 15
2.1.5. Groupware Task Analysis GTA ................. 17
2.1.6. GOMS ............................... 21
2.1.7. Kognitive Aufgabenanalyse .................... 27
2.2. Aufgabenmodellierungsansätze ...................... 28
2.2.1. CTT ................................ 30
2.2.2. VTMB ............................... 34
2.2.3. KMAD ............................... 35
2.2.4. TOMBOLA ............................ 37
2.2.5. AMBOSS ............................. 40
2.3. Zusammenfassung ............................. 48
3. Soziotechnische Systeme 50
3.1. Charakterisierung soziotechnischer Systeme ............... 50
3.1.1. Komplexität ............................ 52
3.1.2. Systemkopplung .......................... 54
3.1.3. Latente Fehler ........................... 55
3.1.4. Sicherheitskritikalität ....................... 58
iv
Inhaltsverzeichnis
3.2. Sicherheitgestaltung in soziotechnischen Systemen ........... 60
3.2.1. Sicherheitsmanagement, Definitionen und Standards ...... 60
3.2.2. Integration des Sicherheitsmanagements ............ 62
3.2.3. Unternehmenskultur und Sicherheit ............... 64
3.2.4. Lernen aus Fehlern ........................ 66
3.3. Unfallkosten ................................ 69
3.4. Zusammenfassung ............................. 71
4. Menschliche Fehler 72
4.1. Definition des menschlichen Fehlers ................... 73
4.2. Fehlerklassifikation ............................ 74
4.2.1. Ereignisbasierte Sicht ....................... 74
4.2.2. Kognitionspsychologische Sicht ................. 77
4.2.3. Kommunikationsbasierte Sicht .................. 95
4.3. Zusammenfassung ............................. 99
5. Gefährdungs- und Unfallanalysetechniken 101
5.1. Gefährdungsanalysen ...........................102
5.1.1. HAZOP ..............................102
5.1.2. FTA ................................106
5.1.3. FMEA ...............................110
5.2. Unfallanalyse ...............................113
5.2.1. STAMP ..............................116
5.2.2. Why-Because Analyse ......................121
5.3. Zusammenfassung .............................125
III. Konzept 127
6. Methodik 128
6.1. Ziele der Untersuchung ..........................128
6.2. Kommunikation in soziotechnischen Systemen .............130
6.3. Basismodell der Kommunikation .....................133
6.3.1. Kommunikationsmodell von Shannon und Weaver .......134
6.3.2. Störquelle im Kommunikationsmodell ..............135
6.3.3. Kritik am Modell von Shannon und Weaver ..........136
6.4. Modellierung der Kommunikationsparameter ..............138
6.4.1. Information ............................138
6.4.2. Medium ..............................142
6.4.3. Kontrollprozess ..........................145
6.4.4. Trigger ...............................152
6.4.5. Zeit ................................156
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