Project Information at a glance Mehr Operationelle FlugSicherheit durch Erhöhung des Situationsbewusstseins (Juli 2001 - April 2005) Beteiligte Institute Systemergonomie Institut für Flugführung Flugphysiologie Institut für Luft- und Raumfahrtmedizin Luft- und Raumfahrtpsychologie Institut für Luft- und Raumfahrtmedizin With collaboration of: Bundesstelle für Flugunfalluntersuchung Luftfahrt-Bundesamt Vereinigung Cockpit e.V.Situationsbewusstsein: ein häufig verwendeter Begriff in Zusammenhang mit Flugsicherheit.
Project Information at a glance
Mehr Operationelle FlugSicherheit durch Erhöhung des Situationsbewusstseins
Systemergonomie
Flugphysiologie
Luft- und Raumfahrtpsychologie
Im Rahmen des DLR-internen Projekts MOSES wurde an der Beantwortung dieser Fragen gearbeitet.
Hierbei kam die Human Factors-Expertise der drei DLR-Fachabteilungen Systemergonomie (FL, Braunschweig), Luft- und Raumfahrtphysiologie (ME KP, Köln Porz) und Luft- und Raumfahrtpsychologie (ME HH, Hamburg) in einem interdisziplinären Team aus Ingenieuren, Psychologen und Medizinern zum Tragen.
Inhalte:
Überblick
Operationelle Definition des Begriffs Situationsbewusstsein
Multimodale Messbatterie zur Erfassung von Situationsbewusstsein
Gestaltung von Szenarien, die einen Mangel an Situationsbewusstsein beobachtbar machen
Versuchsdurchführung
Datenauswertung und Analyse
Gestaltungs- und Umsetzungsvorschläge
Literatur
Im Mittelpunkt stand die Erfassung des Situationsbewusstseins von Piloten. Dazu wurde ein messtechnischer Ansatz zur Erfassung des Phänomens in Versuchen mit über achtzig Piloten im Simulatorcockpit des DLR-Instituts für Flugführung erprobt.
Gleichzeitig wurden mögliche Verbesserungen des Situationsbewusstseins durch die folgenden, neuartigen Assistenzsysteme untersucht, die erstmals unter experimenteller Kontrolle eingesetzt wurden:
A-HMI: Planung des Fluges mit Vorlaufzeit über ein interaktives Navigationsdisplay.
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Aufbereitet wurde die Fachliteratur, wobei die Definition von Endsley (1988) zum Konstrukt Situation Awareness (SA) von zentraler Bedeutung waren. Die Definition orientiert sich am Ansatz der Informationsverarbeitung und unterteilt drei Stufen:
Level 1: Perception, die „serielle“ Wahrnehmung einzelner Elemente aus der Umgebung,
Level 2: Comprehension, das Verständnis der zuvor wahrgenommenen Elemente,
Level 3: Projection, der aus Level 1 und 2 resultierende, vorausschauende Blick in die nahe Zukunft.
Endsleys Modell grenzt Situationsbewusstsein von Entscheidungsverhalten (Decision Making) und von der Ausführung einer Handlung (Performance) ab.
Die multimodale Messbatterie, die für das Projekt MOSES zusammengestellt wurde, ist eng verzahnt mit der vorangestellten operationellen Definition nach Endsley.
In einem weitgehend automatisierten Umfeld sind die Eingaben des Menschen in das System auf ein Minimum reduziert. Es ist daher notwendig, das Verhalten des Menschen bei der Informationsaufnahme, d.h. sein Blickbewegungsverhalten sowie physiologische Zustandsparameter zu erfassen. Ferner sollen psychologische Daten zur Selbst- und Fremdeinschätzung herangezogen werden, um sie in Beziehung zu den spezifischen Bedingungen des Szenarios, zu den Systemanforderungen und zum Systemzustand zu setzen.
Durch die Methodenkompetenz der drei Fachabteilungen Systemergonomie, Luft- und Raumfahrtphysiologie und Luft- und Raumfahrtpsychologie konnte eine entsprechende Messbatterie zusammengestellt werden, die unter anderem eine gleichzeitige Messung von Blickbewegungs- und EEG-Daten ermöglicht.
Die Bestandteile der Messbatterie im Einzelnen:
Je nach Aufgabenstellung ist die multimodale Messbatterie modifizierbar für künftige Versuche.
Messung der Blickbewegung: Die Befestigung des halbdurchlässigen Spiegels und der Infrarotlichtquelle an der hier gezeigten Messvorrichtung erlaubt die zusätzliche Applikation von Elektroden zur Messung des EEG. Beispiel aus einem Blickbewegungsvideo: Der Focus of Attention (oranger Kreis) ist hier auf den künstlichen Horizont gerichtet. Oben links die Zahl der aufgenommenen Frames, unten rechts die Angabe der Zeit. Positionierung der Elektroden zur Messung von EEG, EOG und EKG.
Erfassung von Selbsteinschätzung über Notebook mit Touchscreen.
Bei den im Rahmen von MOSES eingesetzten Verfahren zur Messung von SA wurde auf die Technik der direkten Informationsabfrage (SAGAT, SPAM) verzichtet, weil befürchtet wurde, dass die Anwendung dieser Technik den operationellen Ablauf der Simulation stören könnte und die Aussagekraft der Ergebnisse dadurch beeinträchtigt würde. Stattdessen wurde ein Ansatz der Messung von SA verfolgt, der in der Literatur als ‚implizite Messung’ (Durso, 1999) bezeichnet wird. Dieser Ansatz setzt bei der Gestaltung der Simulationsszenarien an.
Darstellung der Flugsegemente, die für die MOSES-Versuche mit TARMAC-AS definiert und untersucht wurden (initial, approach, intermediate approach, final approach, taxiing on runway, taxiing on exit, taxiing on apron). high-res JPEG.
Grundsätzlich wird dabei angestrebt, Ereignisse in der Simulation auftreten zu lassen, die
vom Piloten eine eindeutige und hoch geübte Verhaltensreaktion erfordern. Erfolgt diese nicht oder verzögert, kann dies implizit als Hinweis auf einen Mangel an SA gewertet werden. Befindet sich z.B. ein Hindernis auf der Lande- bzw. Rollbahn, und der Pilot bricht den Landevorgang zur Vermeidung einer Kollision nicht ab, bzw. bremst nicht, kann dieses Verhalten als Indikator mangelnden Situationsbewusstseins gewertet werden, d.h. das kritische Ereignis wurde vom Piloten nicht oder zu spät erkannt.
Eine zweite Methode, über die Gestaltung der Simulationsszenarien Aufschluss über den Grad an SA zu gewinnen, kann über die systematische Variation von SA-limitierenden Umgebungsbedingungen erfolgen. Hierzu zählen
unterschiedliche Wind-,
bzw. Sichtbedingungen bis zu CAT II,
verschiedene Ausprägungen von Verkehr,
kooperative / unkooperative Hindernisse beim Rollen (Flugzeuge / übrige Fahrzeuge wie z.B. Tankfahrzeuge),
wodurch die Extraktion flugführungsrelevanter Information zur Aufrechterhaltung von SA erschwert wird.
Ein Beitrag zur Gestaltung von Szenarien findet sich in [14].
Vier Kampagnen mit über achtzig Versuchspersonen fanden statt, darunter sowohl Pilotenschüler als auch erfahrene Piloten.
Die Versuche fanden im GECO (Generisches Experimental Cockpit des DLR-Instituts für Flugführung) statt, dem modular aufgebauten Festsitz-Cockpitsimulator zur Bewertung und Demonstration von Flugführungsfunktionen. Zur Erhöhung der Realitätsnähe besitzt der GECO ist eine kollimierte Außensicht.
Eine synchronisierte Aufzeichnung der Simulator-, Blickbewegungs- und physiologischen Daten ist im Rahmen der Versuche gewährleistet.
Im Rahmen des Projekts MOSES wurde eine automatische Auswertung der Blickbewegung entwickelt, die Verweildauern und Zuwendungshäufigkeiten auf areas of interest je Segment errechnet (siehe Abbildung unter „Gestaltung von Szenarien“). Damit wird eine weitaus effektivere Methode bereitgestellt als das häufig verwendete, „manuelle“ Auszählen von Blickzielen.
Die Blickbewegungsdaten können anschließend in Zusammenhang mit Simulator- und physiologischen Daten gesetzt werden.
Erste Ergebnisse belegen, dass die Head-Down-Variante von TARMAC-AS kein attentional capture beim Piloten bewirkt.
Aus den Untersuchungsergebnissen sollen Hilfen bei der Auswahl von Display- und Eingabealternativen und Cockpitprozeduren abgeleitet werden. Ergonomisch sinnvolle Varianten von Assistenzsystemen werden definiert, um menschgerechte Automatisierung zu realisieren.
Einsatz und Bewertung von Head-Up Displays (HUD) im GECO.
[1] Biella, M. (2001). Mehr operationelle Flugsicherheit durch Erhöhung des Situationsbewusstseins (Projektplan MOSES). DLR-IB, 112-2001/19, (2001)
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[3] Biella, M.: (2003). Situationsbewusstsein messen und verbessern. VC Info, 03-04/2003, (2003), S. 29-30,
[4] Biella, M.: (2003). Situationsbewusstsein im Cockpit: Erfassung in kritischen Flugphasen. 5. Berliner Werkstatt Mensch-Maschine-Systeme, Berlin, 08.-10.10.2003, Zentrum Mensch Maschine Systeme, (2003)
[5] Biella, M.: (2004). Human Factors im Cockpit: Situationsbewusstsein in kritischen Flugphasen. 5. Braunschweiger Symposium "Automatisierungs- und Assistenzsysteme für Transportmittel", Braunschweig, 18.02.2004, Gesamtzentrum für Verkehr Braunschweig (GZVB), (2004)
[6] Biella, M.: (2004). Situationsbewusstsein messen und verbessern: Das DLR-Projekt MOSES. Institutsüberprüfung, 20. Januar 2004, DLR-Institut für Flugführung, (2004)
[7] Biella, M. (2008). Pilot gaze performance in critical flight phases and during taxiing: Results from the DLR-Project MOSES. ISAP'7 Proceedings (in press)
[8] Biella, M., Hörmann, H.J., Meier, B.A., Radke, H., Samel, A., et al.: (2002). MOSES: Arbeitshypothesen und Methoden. DLR-IB, 112-2002/01, (2002)
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[10] Biella, M., Teegen, U.: (2002). Human Factors im Cockpit: Situationsbewusstsein messen und verbessern. 43. Kongress der Deutschen Gesellschaft für Psychologie; Humboldt-Universität zu Berlin; 22.-26. September 2002, Deutsche Gesellschaft für Psychologie
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[13] Lorenz, B., Biella, M., Jakobi, J.: (2004). Enhancing pilot situation awareness by using an onboard taxi guidance system: an empirical study. Enhanced and Synthetic Vision 2004, Orlando, FL, USA, 12.4.2004, SPIE, SPIE, Enhanced and Synthetic Vision 2004, S. 125-133, SPIE - The International Society for Optical Engineering, (2004)
[14] Lorenz, B. , Biella, M., Schmerwitz, S. , Többen, H.: (2004). Verlässlichkeit der Interaktion zwischen Pilot und Assistenzsystem: Erfahrungen mit seltenen kritischen Ereignissen in Simulationsszenarien. 46. Fachausschusssitzung Anthropotechnik, Warnemünde, 12.-13.10., 2004, Deutsche Gesellschaft für Luft- und Raumfahrt (DGLR) e.V., Verlässlichkeit der Mensch-Maschine-Interaktion, S. 271-294, (2004)
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[16] Lorenz, B., Többen, H., Schmerwitz, S.: (2005). Human performance evaluation of a pathway HMD. SPIE Defense & Security Symposium, Orlando, FL, 28.03.-01.04.2005, The International Society for Optical Engineering, (2005)
[17] Rovira, E., Lorenz, B., Edinger, C., Becker, H., Kuenz, A., et al.: (2004). Pilot conflict resolution planning: effects of levels of automation and traffic density. Human Performance, Situation Awareness, and Automation Technology Conference (HPSAA II), Daytona Beach, 22. - 25. März, 2004, Embry-Riddle Aeronautical University, Daytona Beach, FL, USA, (2004)
[18] Schmerwitz, S.: Entwurf und Implementierung einer Mensch-Maschine Schnittstelle für ein Enhanced and Synthetic Vision System. DLR-IB, 112-2005/12, (2005)
[19] Többen H., Lorenz B., Schmerwitz S.: (2005). Design of a pathway display for a retinal scanning HMD. Defense & Security, Orlando, 28.03.2005, SPIE, (2005)