ENGINEER-COMPUTER INTERACTION FOR STRUCTURAL MONITORING

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1 ENGINEER-COMPUTER INTERACTION FOR STRUCTURAL MONITORING ÉCOLE POLYTECHNIQUE FÉDÉRALE DE LAUSANNE POUR L'OBTENTION DU GRADE DE DOCTEUR ÈS SCIENCES TECHNIQUES PAR Ruth April STALKER B.Sc.(Hons) in Cornputer Studies, Liverpool John Moores University, Royaume-Uni de nationalité britannique acceptée sur proposition du jury: Prof. 1. Smith, directeur de thèse Prof. C. Anumba, rapporteur Dr S. F. Bailey, rapporteur Prof. D. Brown, rapporteur Dr E. Gelle, rapporteur Prof. J. Royston, rapporteur Prof. P. Xirouchakis, rapporteur Lausanne, EPFL 2000

2 Abstract An increased availability of information technology (IT) is currently influencing decisions to monitor structures more frequently. IT is invariably used to interpret structural behaviour from monitoring data. However, engineers remain frustrated with IT results. Engineers work with incomplete knowledge, problem specific characteristics, and context dependency. Although such conditions require interactivity and multiple solutions, most structural monitoring software provides automatic data-analysis with one interpretation. The aim of this thesis is to determine appropriate computer support for engineers to consider multiple-interpretations so that they can converge upon better explanations of current structural behaviour. This is done through the presentation of an interactive space of solutions to which engineers can add contextual information and delete irrelevant knowledge as necessary. In order to do this successfully, compatible human-computer interaction (HCI) for engineers is needed with suitable visualisations of data and behavioural interpretations. The main contribution of this thesis is Engineer-Computer Interaction (ECI) which is a new sub-domain of HCI specifically tailored to engineers. ECI provides a generic blueprint which i) uses an information classification schema, ii) integrates standard engineer characteristics and working procedures into the software, and iii) provides a modular approach to task decomposition; for the development of software. A software toolkit for structural monitoring - Structural Monitoring Tool Kit (SMTK) - has been developed according to the ECI blueprint in order to illustrate ECI utility. SMTK was empirically evaluated through standard HCI techniques to illustrate its compatibility with engineers when performing structural monitoring data interpretation. Results show that engineers prefer software which has been developed following ECI than existing software because ECI software is tailored to their needs. A second prototype is suggested for in-service prediction to illustrate ECI generality. Finally, areas for future work have been highlighted. In conclusion, ECI is useful for the design and development of software for structural monitoring and has the potential to be applied to other engineering tasks. The ECI extensible foundation leads to revealing comparison between structural monitoring and other tasks such as analysis.

3 Resumé L'accroissement important du nombre d'outils informatiques disponibles influence actuellement les décisions concernant les auscultations des ouvrages. Invariablement, l'informatique est utilisée pour interpréter les données qui proviennent de la surveillance d'une structure, dans le but d'èxpliquer son comportement. Cependant, les ingénieurs en génie civil restent souvent frustrés par les résultats des outils informatiques traditionnels. En effet, les ingénieurs disposent en général d'une connaissance incomplète du problème, de caractéristiques qui sont spécifiques au problème et dépendent du contexte de la situation. Ces conditions rendent indispensable l'utilisation de traitements interactifs proposant des solutions multiples. Néanmoins, la plupart des logiciels pour l'interprétation de données de surveillance fournissent un analyse des données automatique aboutissant à une seule interprétation. L'objectif de cette thèse est d'apporter une aide informatique appropriée aux ingénieurs pendant la phase d'analyse d'interprétations multiples permettant de converger vers de meilleures explications du comportement effectif des structures. L'approche proposée ici est la présentation d'un espace interactif des solutions que les ingénieurs peuvent modifier par l'ajout d'informations contextuelles où la suppression de connaissances inadéquates. Cette approche nécessite une interaction homme-machine qui soit compatible avec les spécificités des ingénieurs, et qui offre des fonctionnalités de visualisation et des interprétations multiples. La contribution majeure de cette thèse est l'introduction de la notion d'interaction ingénieurmachine - Engineer Computer Interaction (ECI) - qui est un nouveau sous-domaine de l'interaction homme-machine conçu spécifiquement pour des ingénieurs. ECI fournit un modèle générique qui i) utilise une classification des différentes informations et des différents tâches, ii) intègre des caractéristiques standard des ingénieurs et de leurs procédures de travail, iii) fournit une approche modulaire pour la décomposition des tâches et pour le développement du logiciel. Pour illustrer l'utilité de la méthodologie ECI, une boite à outils - Structural Monitoring ToolKit (SMTK) - a été devéloppée pour l'interprétation des données provenant de la surveillance des structures. Cette boke à outils a été évaluée empiriquement en utilisant des techniques standard de l'interaction hoinme-machine afin de valider la compatibilité de ECI aux ingénieurs. Les résultats montrent que la plupart des ingénieurs préfèrent l'approche de ECI aux possibilités d'interaction offertes par les logiciels existants parce que ECI est spécifiquement conçue pour être adaptée à leurs besoins et à leurs exigences. Un deuxième prototype est présenté pour la prévoyance in-situ, ce qui met en évidence la nature générique de ECI. Finalement, des perspectives d'application de ECI à d'autres

4 domaines sont envisagées. En conclusion, la notion spécifique de ECI est utile à la conception et au devéloppement de logiciels pour l'interprétation des données provenant de l'ascultation des ouvrages. La méthodologie ECI peut également être appliquée aux autres tâches du génie civil. Egalement, ECI permet une comparaison pertinente entre la maintenance des structures et d'autres tâches telles que l'analyse des structures.

5 Contents 1 Introduction Evaluation of Structures In-Service Analysis and Monitoring Increasing Application of Structural Monitoring Comparison of Monitoring and Analysis Task Results Computer Support in Structural Evaluation Research Objectives Contributions Organisation of this document 10 Literature Survey 2.1 Introduction 2.2 Model-Based Reasoning. 2.3 A Function, Behaviour and Structure Schema Decision Support Visualisation Scientific and Graphic Visualisation Augmented Reality Annotated Graphics and Visual Aids Human-Computer Interaction Human-Computer Interaction Modelling Guidelines and Forma1 Methods IT Applications to Structural Monitoring...

6 CONTENTS Single Interpretations of Cursory Measurernents Compreheilsive Measurements and Single Interpretations Measurements and Multiple Interpretations Software Evaluation Techniques Conclusions 34 3 Engineer-Cornputer Interaction Introduction Definition of Engineer-Computer Interaction Organisational Schema Task Decomposition Data Management Mode1 Selection Mode1 Use Viewpoints Comparison A Forma1 Specification for Task Decomposition Engineer Identikit Computer Literacy Classification Task Objectives Procedures Graphical Representations Mat hemat ical Formulae Plans Symbols Engineers as Practitioners An ECI Blueprint Illustration of Blueprint Instantiation Conclusions 55

7 CONTENTS v 4 Structural Monitoring Tool Kit Introduction Structural Monitoring Toolkit ECI Instantiation SMTK Information Scliema SMTK Modules SMTK Engineer Characteristics SMTK for the Versoix Bridge The Versoix Bridge SOFO Equipping the Versoix Bridge SMTK for the Versoix Bridge Data Management Mode1 Selection Mode1 Use Viewpoints Comparison Book Keeping Critique of Implementation Conclusions 81 5 Evaluation of SMTK 5.1 Empirical Evaluation Stratified Sample Questionnaire Modification Questionnaire Objectives Results A SERVQUAL Analysis of Engineers using SMTK and Excel for... Monitoring Data Interpretation A SERVQUAL Analysis of Engineers and Non Engineers using... SMTK for Monitoring Data Interpretation 91

8 CONTENTS A Question-By-Question Analysis of Engineers and Non-Engineers using SMTK for Monitoring Data Interpretation Limitations of Approach Conclusions 95 6 Prediction Tool Kit Introduction PTK as an ECI Blueprint Instantiation PTK Information Schema PTK Modules PTK Characteristics PTK for the Lutrive Bridge The Lutrive Bridge Measureineilt System PTK Results Advantages Conclusions Future Work Complementary Engineer-Computer Interaction Studies Mode1 Development Similitude ECI Application to Other Engineering Tasks Performance Based Structural Engineering Intelligent Structures Fast track building Summary Conclusions Contributions Limitations of ECI 116

9 CONTENTS vii 8.3 Concluding Remarks A Forma1 Specification for ECI Task Decomposition 119 A.1 Introduction 119 A.2 State Space 119 A.3 Task Decomposition Modules A.3.1 Data Management (DM) A.3.2 Mode1 Selection (MS) A.3.3 Mode1 Use (MU). 121 A.3.4 Viewpoints (VP). 121 A. 3.5 Cornparison (CF). 121 A.4 Implicit Engineer Functions