Head-Up-Guidance-Systeme und Mensch-Maschine - Zeitschrift für ...

Daniel Bandowdbs systems engineering GmbHHead-Up-Guidance-Systeme und Mensch-Maschine-Interaktion· Head-Up-Guidance-Systeme · Autopilot-Systeme · Belastung und Beanspruchung ·Situationsbewußtsein · BlickbewegungsanalyseZusammenfassungBasierend auf dem integrierten Belastungs- undBeanspruchungskonzept nach Rohmert wurde evaluiert, inwiefernsich der Einsatz des „Head-Up-Guidance-Systems“(HGS) 2100 auf die Mensch-Maschine-Interaktion im Vergleichzum automatischen System des Flugzeugtyps BombardierCRJ200 während der Landeanflugphasen auswirkt. Dazu wurdeeinem polygraphischen Meßkonzept folgend eine kognitiveTätigkeitsanalyse und eine Blickbewegungsanalyse basierendauf einer Systemanalyse durchgeführt. Besonders scheinensich beim Einsatz des HGS die Belastungsniveauunterschiedeund -steigungen kurz vor dem Aufsetzen, bei Eintretendes Systemfehlers und beim Einleiten des Go-Around-Manövers zu vermindern. Die Beanspruchungen und die Qualifikationder Piloten korrelieren nur bei Einsatz des Autopilot-Systems und erreichen erst ab einem mittleren Erfahrungsgraddas Beanspruchungsniveau für HGS-Landeanflüge. DasSituationsbewußtsein wird bei HGS-Einsatz höher eingestuft.Praktische Relevanz„Head-Up-Guidance-Systeme“, manuelle Flugführungssystememit vermindertem Automationsgrad und permanenterSicht aus dem Cockpitfenster, erweitern die Systemfähigkeitender Autopilot-Systeme während des gesamten Fluges. Nebender operationellen Erweiterung und flugtechnischenVerbesserung wird in diesem Beitrag erörtert, wie dieseSysteme durch Optimierung der Mensch-Maschine-Interaktionbesonders während der Landeanflugphasen und unterSchlechtwettersichtbedingungen zur Verringerung derProblembereiche der Automation und letztendlich zurFlugsicherheit beitragen können.Head-Up Guidance Systems et Interaction d’Homme-Machine· Head-Up Guidance Systems · Pilote automatique ·Charge et effort · Conscience de la situation · Analyse demouvement d’oeilRésuméBasé sur le brouillon intégré de charge et effort de Rohmert ilsoit évalué, dans quelle mesure l’emploi de «Head-Up GuidanceSystem» (HGS) Modèle 2100 influe sur l’interaction d’hommemachineen comparaison de la système automatique du modèled’avion Bombardier CRJ200 pendant les approches. Pour celaon a conduit d’après un mesurage polygraphique une analysed’activité cognitive et une analyse de mouvement de regardbasé sur une analyse de la système. Avec l’emploi de l’«Head-Up Guidance System» particulièrement les differences et lesmontées du niveau de la charge semblent (à ce qu’il paraît) dediminuer. Les efforts et la qualification des pilotes ne corrélentqu’avec l’emploi de la système pilotage automatique. Ilségalent le niveau d’effort des approches avec le HGS d’abordun niveau de la qualification moyenne des pilotes. Laconscience de la situation est appréciée plus haute avecl’emploi de l’«Head-Up Guidance System».Importance Pratique«Head-Up Guidance Systems», des appareils indicateur depilotage semi-automatique avec une vue permanente par lesfenêtres de cockpit, élargent les capacités (capabilités) de lasystème pilotage automatique pendant tout le vol. Entre unélargissement opérationnel et une amélioration aérotechniqueen ce rapport on a discuté, comme ces systèmes peuventdiminuer les problèmes de l’automation et améliorer la sécuritédu vol par l’optimisation de l’interaction homme-machinesurtout pendant les phases des approches et les procéduresde la visibilité restreinte (low-visibility).(60) 2006/2 Z. ARB. WISS. Head-Up-Guidance-Systeme und Mensch-Maschine-Interaktion 107Bandow.pmd 10731.05.2006, 23:02

Head-Up Guidance Systems and Human-Machine Interaction· Head-Up Guidance Systems · Autopilot-Systems · Workload, stress and strain · Situational awareness · Eye movementanalysisSummaryBased on Rohmert’s integrated stress-strain concept this thesisanalyzes how the semi-automatic flight guidance display system“Head-Up Guidance System“ (HGS) Model 2100 affects thehuman-machine interaction and in particular the stress, strain,situational awareness and the pilot’s attention compared to theautolandsystem of the Bombardier CRJ200 during the approachin different flight situations. Based on a systems analysis theseindicators were determined within a cognitive task analysis andby an eye movement analysis following a polygraphic measuringconcept.For HGS approaches, the differences and increases of the stresslevels seem to be lower shortly before touchdown, during theoccurrence of a system error and while initiating a go-around.The strain and the increasing pilots’ qualification correlate duringautoland approaches only. Only for pilots with an intermediatelevel of qualifications does the level of strain during autolandapproaches adapt to the level of strain during HGS approaches.According to the pilots’ rating, the use of the HGS improves thesituational awareness. Based on these results the design of theHGS was optimized by integrating system status informationand improved energy state awareness.The semi-automatic flight guidance display system “Head-UpGuidance System“ (HGS) Model 2100 was developed to minimizethe „ironies of automation“ and to enhance flight safety,especially during the critical final approach. Systems like thiswere designed to keep pilots „in the loop“ through a lower levelof automation and to improve situational awareness through the“head-up“-flight guidance.In this thesis, written at the Institute of Ergonomics of the DarmstadtUniversity of Technology, both flight guidance systems ofthe Bombardier Canadair Regional Jet CRJ200 are evaluatedunder normal, abnormal and go-around flight situations. Basedon Rohmert’s integrated stress-strain concept, the humanmachineinteraction and in particular the stress, strain, situationalawareness and pilot’s attention are analyzed.The system model, developed from a systems analysis, is usedas the basis of the following measuring concept: within acognitive task analysis seven measured quantities of stress (taskelements, fligth path, design, illumination, complexity, levels ofcontrol of human actions and the change between the levels)and the environment are determined. The behavioral data isgathered by a systematic observation in a simulator environment.The flight data is collected with the simulator’s data system.Two physical measured quantities of strain are simultaneouslygathered by physiological (heart rate and eye blink rate) andsubjective methods of measurements (interview, NASA-TLX).Through questionnaires and interviews physical (height, weight,gender, age, eyesight, circadian rhythm) and psychical(motivation and qualification through numbers of hours flown,years of duty and rank) influences of strain are collected.The complexity of the flight deck displays is calculated by ananalysis of interdependence. The situational awareness isdetermined through interviews and by SART, whereas the pilot’sattention is measured by an eye movement analysis. In a fullflight-simulatorenvironment of the Lufthansa CityLine CanadairSimulator und Training GmbH, 141 approaches of 60 LufthansaCityLine crews were recorded during their recurrent training forthe stress-strain analysis. For the eye movement analysis, 18approaches of three flight crews were done during experimentalsessions.With deployment of the Head-Up Guidance System a tendencyto stress reduction can be observed particularly during abnormalflight situations and the final approach. For Head-UpGuidance System approaches the differences and slopes of thestress level are lower shortly before touchdown, at the abnormals’occurrence, and while initiating the go-around-maneuver. Duringautoland approaches a combination of these events increasesthe stress even further.Moreover the strain and the stress correlate. During Head-UpGuidance System approaches the heart rate’s slope decreasesmainly for normal and abnormal flight situations and the eyeblink rate decreases for go-around scenarios. Also the strain ofinexperienced pilots seems to be lower during Head-Up GuidanceSystem approaches compared to autoland approaches.The strain and the increasing pilots’ qualification correlate duringautoland approaches only. Only for pilots with an intermediatelevel of qualifications does the level of strain during autolandapproaches adapt to the level of strain during Head-Up GuidanceSystem approaches. Furthermore - according to the pilots’ SARTrating - the Head-Up Guidance System improves the situationalawareness.Based on these results the design of the Head-Up GuidanceSystem is optimized by integrating system status information(thrust reverser, gear and flaps) and through improved energystate awareness.Practical Relevance“Head-Up Guidance Systems“, semi-automatic flight guidancedisplay systems with a lower level of automation and a permanentview out of the cockpit, expand the systems capabilitiesof Autoland systems during all flight phases. Among anoperational enhancement and an improvement in flightguidance it will be discussed in this report, how these systemscan minimize the problems of automation and ultimatelyenhance flight safety through optimisation of the humanmachineinteraction especially during the final approach andlow visibility procedures.108 D. Bandow(60) 2006/2 Z. ARB. WISS.Bandow.pmd 10831.05.2006, 23:02

1 EinführungDie Federal Aviation Administration(FAA) geht in ihrem Bericht „AviationForecast Fiscal Years 2003-2014“ beieinem optimistischen Szenario der Entwicklungdes Passagieraufkommensder kommerziellen Luftfahrt von durchschnittlich4,6 % p. a. bis zum Jahr 2014aus. Der Anteil der Unfälle in Abhängigkeitvon den Flugphasen verteiltsich im Zeitraum 1993 bis 2002 zu 54 %auf die Landeanflugphasen. Dabei werdenZusammenbrüche menschlicherVerhaltensweisen mit bis zu 75 % alsHauptfehlerursache genannt (Boeing2003).Dieser Befund ist im Kontext der seitAnfang der achtziger Jahre des vorigenJahrhunderts steigenden Automationsgradesdes Flugdecks durch Einführungneuer Technologien zu sehen.Allerdings nimmt mit höherer Systemkomplexitätauch der Umfang des mentalenModells zu, das sich der Pilot vomSystemzustand erstellen muss, um„künftige Ereignisse vorherzusagen,Ursachen für beobachtete Ereignissezu finden und geeignete Maßnahmenzum Zustandswechsel einzuleiten“(Rasmussen 1979. In: Sarter 1994).Zudem entfernt sich der Pilot zunehmendvon der direkten Einflussnahmeauf die Flugführungsaufgabe (Billings1989). Viele Ausprägungen desSituationsbewusstseins („situationawareness“) werden ebenfalls durchAutomatisierung im Cockpit beeinflusst.Die Auswirkungen dieses neuenArbeitsumfelds auf den Menschen, wieErmüdung, Vigilanzverlust oder überhöhtesVertrauen sind weitreichend.Problembereiche der AutomationBild 1:Figure 1:Illustration 1:Wechsel des AufgabenanforderungsgradChange of WorkloadlevelsChangement des niveaus de charge de travailBeispielhaft wird auf folgende dreiProblembereiche der Automation nähereingegangen. Durch den deutlichenAnstieg der Komplexität, Autorität undAutonomie gegenüber älteren Flugführungssystemenhat das Flight ManagementSystem (FMS), bestehendaus verschiedenen Subsystemen, mehrerenBetriebsmodi und vielfachenSystemmodi die Zahl zwischengeschalteterSysteme zwischen Pilotund Flugzeugsteuerflächen erhöht unddie direkte Einflussnahme durch denPiloten auf das Flugzeug verringert.Dadurch nimmt der Pilot eher die Rolleeines Systemmanagers und -beobachtersein. Er wird „peripherisiert“(„pilot-out-of-the-loop“; Wickens1997). Entdeckt der menschlicheBediener einen Unterschied zwischenerwartetem und aktuellem Ergebnis seinerEingaben, spricht Sarter (1998) vonden „Überraschungen der Automation“.Dazu führen vor allem ein unvollständigesmentales Modell der verschiedenenModi und Funktionen automatischerSysteme, unbewussteWissenslücken des Anwenders, eigenständigeHandlungen der Automatikund die mangelhafte Rückmeldung automatischerSysteme.Schließlich ist gemäß dem Gesetz vonYerkes und Dodson (1908) der Menschin einem Bereich mittlerer Aufgabenanforderungam leistungsfähigsten. UnterliegenSystembenutzer automatisierterSysteme einer Unterforderung, entstehtnach Roscoe (1984) bei einemWechsel zu einem höheren Aufgabenanforderungsgraddurch ein Systemereignis,wie unerwartete Aufgabenoder Systemfehler, eine höhere Belastungals bei zuvor nicht unterfordertenAnwendern. Das Situationsbewusstseindes Piloten ist bei Flugzeugen mitgeringerem Automationsgrad nach Last(1988) höher, da der Pilot aktiv an derFlugführung teilnimmt und aufmerksamergegenüber Systemzustandswechselnseiner Umgebung ist. Dieswirkt sich vorteilhaft bei einemSituationswechsel zu einem abnormalenoder Notfall-Zustand bei Problemlösungsprozessenaus. Die Differenzder Arbeitslastniveaus und die Steigungfallen geringer aus, so dass demSystemnutzer mehr Zeit verbleibt, sicheinem ähnlicheren Aufgabenanforderungsgradanzupassen (Bild 1).Systemlösungsansatz „Head-Up-Guidance-System 2100“Das Flugführungssystem „Head-Up-Guidance-System“ (HGS) des Modelltyps2100 stellt eine mögliche Systemlösungdar, die die Problembereiche derAutomation im Cockpit minimieren undsomit zur Flugsicherheit besonderswährend der kritischen Landeanflugphasenund unter Schlechtwettersichtbedingungen(bis zur Kategorie CATIIIa) beitragen soll. Es dient als beispielhafteAusführung für diese Flugführungs-Anzeigesysteme,die dieSystemfähigkeiten der Autoland-Systemeerweitern, mittels eines vermindertenAutomationsgrads („intermediatelevel“) die manuelle Flugführung alsHauptbetriebsmodus fördern („pilot-inthe-loop“),wodurch der Umfang desmentalen Modells der Piloten verringertwerden soll. Durch eine permanenteSicht aus dem Cockpitfenster („headup“)soll während der Landung dasSituationsbewusstsein gesteigert werden.Der Einsatz während des gesamtenFluges („all-phases-of-flight“) istseit 2005 zugelassen. Die manuelle Flugführungerfolgt durch Verfolgen derFlugführungssymbole auf dem(60) 2006/2 Z. ARB. WISS. Head-Up-Guidance-Systeme und Mensch-Maschine-Interaktion 109Bandow.pmd 10931.05.2006, 23:02

Eine Verbesserung der Flugführungsgenauigkeitdurch Einsatz des HGS istfür die Landephase bereits mehrfachanhand einer Verkleinerung der Aufsetzzoneauf der Landebahn („TDZ-Area“) und der Flugwegablagen nachgewiesenworden (Desmond 1986). Indieser Arbeit ist jedoch vielmehr evaluiertworden, ob und inwiefern sich derEinsatz dieses Systems optimierend aufdie Belastung, Beanspruchung unddas Situationsbewusstsein der Pilotenund letztendlich auf die Flugsicherheitim Vergleich zum automatisierten Flugführungssystem(Autopilot-System(AP)) im Flugzeugtyp BombardierCanadair Regional Jet CRJ200 auswirkt.Weiterhin sollte festgestellt werden, obdie obigen Parameter durch die Flugführungmittels des HGS nicht nur unternormalen Systemumweltbedingungen,sondern auch währendabnormaler Flugsituationen und bei Go-Around-Manövern positiv beeinflusstwerden. Die Informationsaufnahme, -verarbeitung und -abgabe des Menschenist dazu in Zusammenhang mitdem HGS untersucht worden. AufGrundlage der Befunde ist ein Gestaltungsvorschlagzur Systemoptimierungerstellt worden.Bild 2:Figure 2:Illustration 2:Ansicht des Canadair Jet-Flightdecks mit HGS 2100 (Quelle: CST GmbH)View of the Canadair Jet-Flightdeck including the HGS 2100 (Source: CST GmbH)Vue de la cockpit du Canadair Jet avec l’HGS 2100 (source (de): CST GmbH)3 Methodik und DurchführungDie Flugführungsaufgabe beim Landeanflugentspricht einer vorwiegend informatorisch-mentalenArbeitsform miteinem Anteil körperlicher Tätigkeiten inAbhängigkeit des gewählten Automationsgrads.Combiner. Dabei ist der Blickwechselauf interne Cockpitanzeigen prozeduralnicht zugelassen (Bild 2).Das elektrooptische System besteht imWesentlichen aus folgenden Komponenten:Head-Up Guidance Computer(HGC), HGS Control Panel (HCP),OverHead Unit (OHU) und Combiner.Daten von den Sensoren und anderenFlugzeugsystemen speisen den HGC,der diese in Symbole umwandelt.Ebenso werden die System- und Anflugleistungberechnet. Über das HCP,das im Lower Centre Pedestal eingebautist, können die Piloten Daten, wieGleitpfadwinkel und Landebahnhöhe,eingeben und die HGS-Modi selektierenund aktivieren. Im holografischenCombiner wird die von der OHU projizierteFlugführungssymbologiewellenlängenselektiv teilreflektiert, optischim Unendlichen fokussiert undkonform mit der vom Piloten wahrgenommenenAußenweltansicht überlagert.Die OHU ist über dem Sitz desFlugkapitäns (CM1) installiert undstrahlt nach vorn auf den oberhalb desbackbordseitigen Cockpitfenstersmontierten Combiner.Das für den Flugzeugtyp BombardierCanadair Regional Jet (CRJ) ausgelegteHGS 2100 wird derzeit in mehr als 40Flugzeugen dieses Baumusters von derLufthansa CityLine GmbH eingesetzt.2 FragestellungDie Vorgehensweise bei Analyse undBewertung dieser Flugführungsaufgabefolgt dem erweiterten Belastungs-Beanspruchungs-Konzept.Ein theoretisches Systemmodell, dasdurch eine dekompositorische, funktionalabstrahierende Systemanalysegebildet worden ist, stellt wiederum dieGrundlage für das polygraphischeMesskonzept der Arbeit dar.Insgesamt sind für die Belastungs-Beanspruchungs-Analyse141 Landeanflügevon 60 Flugbesatzungen währendihrer Trainings- und Checkflügein einer Full-Flight-Simulatorumgebungder Lufthansa CityLine Canadair Simulatorund Training GmbH analysiertund mit einer Auflösung von 0,1 s kodiertworden. Für die Blickbewegungsanalysesind 18 Landeanflüge von dreiFlugbesatzungen in einer Experimentalreiheuntersucht und mit einer Auflösungvon 0,001 s kodiert worden. Diesstellt einen statistisch, optimalenStichprobenumfang dar.Um den Echtheitsgrad zu maximieren,sind die Messungen einerseits im Full-110 D. Bandow(60) 2006/2 Z. ARB. WISS.Bandow.pmd 11031.05.2006, 23:02

Flight-Simulator mit den alltäglichenSystemanwendern, den Linienpilotenwährend ihrer Trainings- und Checkflüge,durchgeführt worden. Die bei derCST GmbH seit 1992 in Betrieb genommenenCAE Full-Flight-Simulatorenzeichnen sich durch ein 180°-Sichtsystem,ein Steuerkraft-, ein Flugdynamik-,ein Rauch-, ein Geräuschundein hydraulisches Bewegungs-Simulationssystem mit sechs Freiheitsgradenaus, die durch ein IBM RISCSystem Rechnersystem gesteuert werden.Das Flugabteil besteht aus demCockpit für eine Flugbesatzung, einemLeitstand für den Trainingskapitän, einemBeobachtersitz und einem JumpSeat.Um andererseits die Variabilität derLandeanflüge zu maximieren, wurdenkeine Szenarien vorgegeben. Diedaraus resultierenden erhöhten Normierungs-und Synchronisierungsanforderungenwurden durch die Erstellungeines visual-basic-orientiertenDatenintegrations- und Belastungs-Beanspruchungs-Analyseprogrammserfüllt.3.1 Ermittlung der BelastungsgrößenMittels einer Kognitiven Tätigkeitsanalyse(CTA; Shepherd 1998), wodurchmentale Prozesse und Fertigkeitenbei der Erfüllung kognitiv komplexerAufgaben erfasst werden können,wurden sieben Belastungsmessgrößenerfasst:1. TätigkeitsartenDie möglichen Basis-Interaktionen desMenschen im CRJ-Flightdeck wurdenfür Perzeption (visuelles und auditivesWahrnehmungssystem) und Motorik(Hand-, Arm-, Fuß- und Beinsystem,Sprechorgan) bestimmt und mit denSystemelementen der Maschine verknüpft.2. Beleuchtung der CockpitelementePer Definition der Leuchtdichtenebenendes Flightdecks wurden Hell-Dunkel-Adaptationen erfasst.3. Räumlicher GestaltungszustandDurch Bestimmung von Entfernungsebenenwurde auf Akkomodationsvorgängedes Piloten geschlossen.4. Informatorische ArbeitsschwierigkeitZur Messung der Belastungsgröße „informatorischeArbeitsschwierigkeit (einerTätigkeit für den Menschen)“ wurdeim Zusammenhang mit der Interaktionmit den Systemelementen der Maschinedie „Ebene der Steuerung dermenschlichen Handlungen“ nach Rasmussen(1986) bestimmt. Der Grad derkognitiven Inanspruchnahme währendder Ausübung der Tätigkeiten kannnach Rasmussen durch drei VerhaltensoderFertigkeitsebenen differenziertwerden: fertigkeitsbasiertes („skillbasedbehaviour“), regelbasiertes(„rule-based b.“) und wissensbasiertesVerhalten („know-ledge-based b.“).5. Wechsel der VerhaltenssteuerungsebenenZwischen diesen Verhaltenssteuerungsebenenkann durch stereotypischeReaktionen der Entscheidungsfindungsprozessabgekürzt werden.Somit wurden diese Wechselebenfalls berücksichtigt.6. Informatorischer GestaltungszustandDie Belastungsgröße „InformatorischerGestaltungszustand“ wurde über denKomplexitätsgrad der Anzeigen undBedienelemente erfasst.7. FlugsituationSystemumwelteinflüsse wie Windböenkennzeichnen die Flugsituation. Daherwurde die Gleitpfadablage als Indikatorfür die Flugsituation ermittelt.Diese Verhaltensdaten wurden durcheine verdeckte, nicht teilnehmende,systematische Fremdbeobachtungstechnikin einer Simulatorumgebung erfasst.Die Flugdaten wurden über dasRechnersystem des Simulators ermittelt.Zur Belastungsmessung wurden dieBild- und Tondaten während der gesamtenTrainingssitzung im Simulatorüber Kamera- und Videorecordersystemeaufgezeichnet und perVerhaltensbeobachtungssoftware„Noldus Observer V5.1“ kodiert. DieGleitpfadablage wurde im Simulatordatensystemgespeichert. Der Versuchspersonwurden die oben gewähltenBelastungsgrößen, die Wechsel derVerhaltenssteuerungsebenen, die informatorischeArbeitsschwierigkeit, dieBeleuchtung, der räumliche Gestaltungszustandund der informatorischeGestaltungszustand des Cockpitelementesder aktuellen Interaktion zugeordnet.Die Dauer des Verhaltenswurde automatisch von der Verhaltensbeobachtungssoftwareberechnet undgespeichert.Zur Messung der Belastungsgröße„Informatorischer Gestaltungszustand“sind innerhalb der Systemanalyse80 Systemeinheiten des Flightdecksdes Canadair Jets definiert worden.Das Komplexitätsmaß der Anzeigenund Bedienelemente ist durch eineInterdependenzanalyse bestimmt worden.Dabei wurde analysiert, ob und inwelchem Maße die Interaktion desMenschen mit einem Systemelementder Maschine die anderen Systemelementehinsichtlich ihrer Systemzuständebeeinflusst. Dazu wurde auchdas Ausmaß der Beeinflussung einesSystemelements bei Benutzung auf alleanderen Systemelemente bestimmt.3.2 Ermittlung der Einflussgrößen derBeanspruchungAcht physiologische Einflussgrößender Beanspruchung wurden durch dieIndikatoren für die physiologische Leistungsfähigkeit(Körpergröße und -gewicht, Geschlecht, Alter, Träger vonKorrektur- und Sammellinsen), dieLeistungsbereitschaft (Tageszeit), dieQualifikation (geleisteten Flugstunden,Dienstjahre in der Luftfahrt und Rang)und die psychische Leistungsbereitschaft(Motivation) erfasst.Mittels Fragebogen mit standardisiertenFragen und nicht-standardisiertenAntworten wurden diese Indikatorenerfasst. Die Daten wurden anschließendkodiert und gespeichert.3.3 Ermittlung der Meß- und Beschreibungsgrößender BeanspruchungParallel wurden mit „Herzschlagfrequenz“(per Pulsoxymetrie) und Lidschlussfrequenz(per Bilddaten-(60) 2006/2 Z. ARB. WISS. Head-Up-Guidance-Systeme und Mensch-Maschine-Interaktion 111Bandow.pmd 11131.05.2006, 23:02

Bild 3: Blickbewegungsanalysesystem „SMI iView X HED“Figure 3: Eye movement analysis system „SMI iView X HED“Illustration 3: Systéme de capture de la vision «SMI iView X HED»analyse) zwei Beanspruchungsmessgrößenerfasst. Während der experimentellenSitzungen wurde eine subjektiveBeanspruchungsskalierunganhand des „NASA Task Load Index“durchgeführt.3.4 Ermittlung der SituationsbewusstseinsgrößenDas Situationsbewusstsein (Sarter1993) wurde durch eine subjektiveBeschreibungsgröße erfasst. Dazuwurden von den Probanden durchInterviewtechnik vor dem Trainingsbetriebsubjektive Bewertungen derÄnderung des Situationsbewusstseinsbei Einsatz des HGS abgegeben. Bei derExperimentalbetriebsversuchsreihe gabder Proband direkt nach jedem Landeanflugeine subjektive Einschätzungdes Situationsbewusstseins in einemSART-Fragebogen an (Endsley 2000).Diese Daten wurden ebenfalls kodiertund gespeichert.3.5 Ermittlung der AufmerksamkeitsverteilungZwei Aufmerksamkeitsverteilungsmessgrößen(Sakkaden und Fixationsdauerund -häufigkeit) ermöglichtenRückschlüsse auf die Aufmerksamkeitsverteilungbei der visuellenBeobachtung während der Landeanflüge.Diese Blickbewegungsdaten wurdenmittels des kopfgebundenen Blickbewegungsanalysesystem„SMI iViewX HED“ gewonnen (Bild 3). Die Erfassungder Kopfposition zur automatischenAuswertung über ein Head-Tracking-System war aus Platzgründennicht durchführbar. Die Blickdatenkonnten daher nicht automatisch kodiertwerden, so dass eine manuelleAuswertung der Blickbewegungenobligatorisch war. Dazu wurden dieBlickbewegungsanalysefilme mittelsder Verhaltensbeobachtungssoftwareim „frame-by-frame“-Verfahren (tr =0,001 s) nach Areas of Interest (80 Cockpit-und 40 HGS-Systemelemente) kodiert.Zur Analyse der Aufmerksamkeitsverteilungwurden dann dieSakkaden, die Fixationsdauer und -anzahlherangezogen.4 ErgebnisseDas Probandenkollektiv besteht aus120 Linienpiloten und 60 Nutzern desHead-Up-Guidance-Systems, da dasSystem nur backbordseitig installiert ist.Das Lebensalter des Probandenkollektivsbeträgt zwischen 27 und 60Jahren (Durchschnitt 42). Die Probandenweisen eine Körpergröße von 165bis 193 cm normalverteilt aus. Während37 Probanden (63,8 %) normalgewichtigsind, weisen 19 Piloten (32,8 %) Übergewichtauf. Nur zwei Probanden (3,5%) zählen zur BMI-Kategorie AdipositasGI bzw. GII. Jeweils zwölf Piloten(20,7 %) haben unter 5.000 und zwischen5.000 und 7.500 Flugstundengeleistet. Nur acht Piloten (13,8 %) weisenzwischen 7.500 und 10.000 Flugstundenauf, jedoch haben über 26 Piloten(44,8 %) bereits über 10.000 Flugstundenabsolviert. Die Dienstjahre derProbanden in der Luftfahrt verteilensich relativ normal auf die Intervalle bis10, 20 und 30 Jahre. Neun der 58 teilnehmendenFlugkapitäne (15,5 %) habenüberdies den Rang einesTrainingskapitäns. Während neun (15,5%) bzw. zehn (17,2 %) Piloten den Einsatzdes HGS in der zivilen Luftfahrtschlecht oder neutral bewerten, sind 15(25,9 %) bzw. 24 (41,4 %) Probandenmotiviert oder sehr motiviert, diesesMMS zu nutzen. Da eine Pilotin dieTeilnahme an der Tätigkeitsanalyseablehnte, zählen nur sechs Probandinnen(10,4 %) im Vergleich zu 52 Probandenzum Versuchskollektiv. Von deninsgesamt 58 Piloten mussten 22 (37,9%) beim Landeanflug Korrektur- bzw.Sammellinsen tragen.4.1 BelastungsdokumentationDer für die Mehrzahl der Versuchspersonencharakteristische Verlauf derBelastung für die gesamte Landeanflugdauerzeigt für abnormale Situationen(Landeanflüge mit Auftreten vonSystemfehlern) beim AP-System-Einsatzein niedrigeres mittleres Belastungsniveaubei höheren Belastungsniveauunterschiedenund -steigungen im Vergleichzum HGS-Einsatz.Wird die letzte Landeanflugphase vont = 25 s untersucht, verringern sich dieBelastungen während der HGS-Anflügegegenüber den Belastungen der AP-Anflüge schwach signifikant für normaleSzenarios ( Δ Ν= -24,5 %; α < 5 %;t-Test). Für abnormale Situationen verringertsich der Unterschied signifikantum Δ Α= -28,3 % (α < 5 %; t-Test). DieBelastungen während der Go-Around-Manöver nehmen leicht beim HGS-Einsatzab (Δ GA= -0,5 %; t-Test) (Bild 4).Der Unterschied der Belastungsniveausder Endanflug- und der Auf-112 D. Bandow(60) 2006/2 Z. ARB. WISS.Bandow.pmd 11231.05.2006, 23:02

Bild 4:Änderung der Belastung [-] für den Landeanflugmit einer Anflugdauer von t = 25 s vor demTouchdown (in Abhängigkeit der MMSe [HGS;AP] und der Landeanflugszenarien [N: normal; A:abnormal; GA: Go-Around] (Fehlerbalken mitMittelwert, Standardabweichung undStichprobenumfang des direkten Vergleichs; t-Test) (***: höchst signifikant auf α= 0,5%-Niveau; **: hoch signifikant auf α= 1%-Niveau; *: signifikant auf α= 5%-Niveau)Figure 4:Difference of stress [-] for the approach with aduration of t = 25 s before touchdown(depending on MMS [HGS; AP] and the flightscenarios [N: normal; A: abnormal; GA: Go-Around] (error bar with average, standarddeviation and sample size in direct comparison;t-test) (***: highly significant on α= 0.5%-level; **: significant on α= 1%-level; *:slightly significant on α= 5%-level)Illustration 4:Différence de la charge [-] pour l’approche avecune durée de t = 25 s avant de touchdown(dépendant de la MMS [HGS; AP] et desscénarios [N: normal; A: abnormal; GA: Go-Around] (barre d’erreur avec la moyenne, l’écarttype et le nombre d’échantillon en comparaisondirecte; t-test) (***: significant le plus haut enniveau α= 0.5%; **: significant haut enniveau α= 1%; *: significant en niveau α=5%)setzphase nimmt für normale HGS-Landeanflüge um Δ Ν= -55,1 % höchstsignifikant ab (α < 0,5 %; t-Test). DerBelastungsniveauunterschied verringertsich ebenfalls bei abnormalen Flugsituationenhöchst signifikant um Δ Α=-65,7 % (α < 0,5 %; t-Test). Auch dieBild 5:Änderung der Belastung [-] für den Landeanflugmit einer Anflugdauer von t = 25 s vor demTouchdown (in Abhängigkeit der MMSe [HGS;AP] und der Landeanflugszenarien [N: normal; A:abnormal; GA: Go-Around] (Fehlerbalken mitMittelwert, Standardabweichung undStichprobenumfang des direkten Vergleichs; t-Test) (***: höchst signifikant auf α= 0,5%-Niveau; **: hoch signifikant auf α= 1%-Niveau; *: signifikant auf α= 5%-Niveau)Figure 5:Difference of stress [-] for the approach with aduration of t = 25 s before touchdown(depending on MMS [HGS; AP] and the flightscenarios [N: normal; A: abnormal; GA: Go-Around] (error bar with average, standarddeviation and sample size in direct comparison;t-test) (***: highly significant on α= 0.5%-level; **: significant on α= 1%-level; *:slightly significant on α= 5%-level)Illustration 5:Différence de la charge [-] pour l’approche avecune durée de t = 25 s avant de touchdown(dépendant de la MMS [HGS; AP] et desscénarios [N: normal; A: abnormal; GA: Go-Around] (barre d’erreur avec la moyenne, l’écarttype et le nombre d’échantillon en comparaisondirecte; t-test) (***: significant le plus haut enniveau α= 0.5%; **: significant haut enniveau α= 1%; *: significant en niveau α=5%)Differenz der Belastungsniveaus beiden Go-Around-Szenarien sinkthöchst signifikant um Δ GA= -46,6 %(α< 0,5 %; t-Test) (Bild 5).Die Steigung der Belastung verringertsich bei HGS-Anflügen unter normalenFlugbedingungen höchst signifikantum Δ Ν= -45 % (α < 0,5 %; t-Test)und unter abnormalen Bedingungensignifikant um Δ Α= -64,4 % (α < 5 %; t-Test). Bei den Go-Around-Szenariennimmt die Steigung der Belastung signifikantum Δ GA= -39,6 % (α < 5 %; t-Test) ab (Bild 6).Werden die Belastungen für die Landeanflügemit dem Auftreten des Systemfehlersinnerhalb einer Zeitspanne vont AB-TD< 30 s getrennt dargestellt, wirdder Unterschied der Erhöhung der Belastungenbei AP-System-Landeanflügenfür dieses Szenario deutlich. DerMedian der Belastungen für AP-System-Anflügeim Vergleich zu HGS-Anflügennimmt bei Auftreten des Fehlersinnerhalb eines Zeitraumes bis zumAufsetzen von t AB-TD< 30 s um denBetrag Δ AP-HGS= +66,3 % zu.Non-prozedurales VerhaltenInnerhalb des Probandenkollektivs interagieren30 Piloten (54,6 %) mit demMMS „Head-Up-Guidance-System“nicht prozedural (vorgeschriebene Prozedurenwährend des Landeanflugswerden teilweise nicht befolgt). 25 Piloten(45,4 %) verbleiben während desLandeanfluges mit ihren Blickzuwendungennicht nur innerhalb desCombiners des HGS, sondern interagierenauch mit dem Primary Flight Display(PFD), obwohl alle Flugführungsinformationenim HGS-Combiner in einerdem PFD entsprechendenSymbologie dargestellt werden. 15 Piloten(27,3 %) verhalten sich auch inder Endphase (t = 25 s) non-prozedural.Eine noch größere Anzahl der Piloten(n = 34; 61,8 %) nutzt eine Energiestatusanzeige,die so genannte N1-Anzeige (≅ Umdrehungen des LowSpeed Rotors [% RPM]) des EICAS(Primary Page), um den Energiestatusdes Luftfahrzeugs zu überprüfen, obwohlzwei Energiestatusanzeigen imHGS-Combiner angezeigt werden. BeimDurchführen der HGS-Landeanflügesehen 17 Piloten (31 %) sowohl auf dasPFD als auch auf die N1-Anzeige. Diesführt insgesamt zu zusätzlichen undvom Systementwurf nicht vorgesehenenBlickzuwendungen, Kopfbewegungen,Akkomodationen und Hell-Dunkel-Adaptationen. Nur 13 Piloten(23,6 %) verhalten sich bei den HGS-Landeanflügen prozedural (Bild 7).(60) 2006/2 Z. ARB. WISS. Head-Up-Guidance-Systeme und Mensch-Maschine-Interaktion 113Bandow.pmd 11331.05.2006, 23:02

4.2 BeanspruchungsdokumentationDer nicht signifikante Unterschied derSteigung der prämaximalen HSF (dasMaximum der HSF wird während desAufsetzens (Touchdown) auf der Landbahnerreicht) beträgt bei HGS-Anflügenunter normalen Bedingungen Δ Ν= -47,2 % und unter abnormalen BedingungenΔ Α= -133,1 % (t-Test). Bei denGo-Around-Szenarien erhöhen sich dieWerte der Steigung der normierten HSFbei HGS-Anflügen nicht signifikant aufΔ GA= +2,2 % (t-Test) (Bild 8).Die zweite Beanspruchungsgröße, diemittlere Lidschlussfrequenz, nimmt beiHGS-Landeanflügen bei normalen Szenariosum Δ Ν= -18,3 % und unter abnormalenFlugbedingungen um Δ A=-12,8 % nicht signifikant ab (t-Test). Jedochsinkt die mittlere Lidschlussfrequenzbei HGS-Anflügen höchst signifikantbei Go-Around-Manövernum Δ GA= -20,5 % (α < 0,5 %; t-Test)(Bild 9).Dagegen weist die während desExperimentalbetriebs (N VPN= 3) durchden NASA-TLX ermittelte subjektiverlebte Beanspruchung während derAP-System-Anflüge deutlich höhereWerte auf als die subjektiv erlebte Beanspruchungwährend der HGS-Anflü-Bild 6:Änderung der Steigung der Belastung [-] für denLandeanflug mit einer Anflugdauer von t = 25 svor dem Touchdown (in Abhängigkeit der MMSe[HGS; AP] und der Landeanflugszenarien [N:normal; A: abnormal; GA: Go-Around] (Fehlerbalkenmit Mittelwert, Standardabweichungund Stichprobenumfang des direkten Vergleichs;t-Test) (***: höchst signifikant auf α= 0,5%-Niveau; **: hoch signifikant auf α= 1%-Niveau; *: signifikant auf α= 5%-Niveau)Figure 6:Difference of slope of stress [-] for theapproach with a duration of t = 25 s beforetouchdown (depending on MMS [HGS; AP] andthe flight scenarios [N: normal; A: abnormal; GA:Go-Around] (error bar with average, standarddeviation and sample size in direct comparison;t-test) (***: highly significant on α= 0.5%-level; **: significant on α= 1%-level; *:slightly significant on α= 5%-level)Illustration 6:Différence de la montée de la charge [-] pourl’approche avec une durée de t = 25 s avantde touchdown (dépendant de la MMS [HGS;AP] et des scénarios [N: normal; A: abnormal;GA: Go-Around] (barre d’erreur avec lamoyenne, l’écart type et le nombred’échantillon en comparaison directe; t-test)(***: significant le plus haut en niveau α=0.5%; **: significant haut en niveau α= 1%;*: significant en niveau α= 5%)Bild 7:Häufigkeitsverteilung non-prozeduralerInteraktion mit dem HGS für den Landeanflugmit einer Dauer von t = 25 s vor demTouchdown nach Blickzuwendungen auf dasPFD und auf die N1-Anzeige des EICAS-1 desProbandenkollektivs [-]Figure 7:Number (percentage) of pilots with nonproceduralinteraction with the HGS for theapproach with a duration of t = 25 s beforetouchdown after fixations at the PFD and theN1-indicator of the EICAS-1 [-]Illustration 7:Nombre (pourcentage) des pilotes avecl’interaction non-procédurale avec l’emploi del’HGS pour l’approche avec une durée de t =25 s avant de touchdown après des fixationssur le PFD et l’indicator N1 de l’EICAS-1 [-]Bild 8:Änderung der Steigung der HSF vor Erreichender maximalen HSF für den Landeanflug miteiner Dauer von t = 25 s vor dem Touchdown(in Abhängigkeit der MMSe [HGS; AP] und derLandeanflugszenarien [N: normal; A: abnormal;GA: Go-Around] (Fehlerbalken mit Mittelwert,Standardabweichung und Stichprobenumfangdes direkten Vergleichs; t-Test) (***: höchstsignifikant auf α= 0,5%-Niveau; **: hochsignifikant auf α= 1%-Niveau; *: signifikantauf α= 5%-Niveau)Figure 8:Change of slope of the premaximal heart ratefor the approach with a duration of t = 25 sbefore touchdown (depending on MMS [HGS;AP] and the flight scenarios [N: normal; A:abnormal; GA: Go-Around] (error bar withaverage, standard deviation and sample size indirect comparison; t-test) (***: highlysignificant on α= 0.5%-level; **: significanton α= 1%-level; *: slightly significant on α=5%-level)Illustration 8:Changement de la montée de la fréquence del’attaque d’apoplexie (pouls) prémaximale pourl’approche avec une durée de t = 25 s avantde touchdown (dépendant de la MMS [HGS;AP] et des scénarios [N: normal; A: abnormal;GA: Go-Around] (barre d’erreur avec lamoyenne, l’écart type et le nombred’échantillon en comparaison directe; t-test)(***: significant le plus haut en niveau α=0.5%; **: significant haut en niveau α= 1%;*: significant en niveau α= 5%)114 D. Bandow(60) 2006/2 Z. ARB. WISS.Bandow.pmd 11431.05.2006, 23:02

Bild 9:Änderung der mittleren Lidschlußfrequenz [Hz]für den Landeanflug mit der gesamtenLandeanflugdauer vor dem Touchdown [t appr](in Abhängigkeit der MMSe [HGS; AP] und derLandeanflugszenarien [N: normal; A: abnormal;GA: Go-Around] (Fehlerbalken mit Mittelwert,Standardabweichung und Stichprobenumfangdes direkten Vergleichs; t-Test) (***: höchstsignifikant auf α= 0,5%-Niveau; **: hochsignifikant auf α= 1%-Niveau; *: signifikantauf α= 5%-Niveau)Figure 9:Change of mean eye blink rate [Hz] for theapproach before touchdown [t appr] (dependingon MMS [HGS; AP] and the flight scenarios [N:normal; A: abnormal; GA: Go-Around] (error barwith average, standard deviation and samplesize in direct comparison; t-test) (***: highlysignificant on α= 0.5%-level; **: significanton α= 1%-level; *: slightly significant on α=5%-level)Illustration 9:Changement de la fréquence moyenne du clind’œil [Hz] pour l’approche avant de touchdown[t appr] (dépendant de la MMS [HGS; AP] etdes scénarios [N: normal; A: abnormal; GA: Go-Around] (barre d’erreur avec la moyenne, l’écarttype et le nombre d’échantillon en comparaisondirecte; t-test) (***: significant le plus haut enniveau α= 0.5%; **: significant haut enniveau α= 1%; *: significant en niveau α=5%)Die qualifikationsbezogenen Parameter„Lebensalter“, „geleistete Flugstunden“und „Dienstjahre in der Luftfahrt“und die Beanspruchungsgrößen (HSF,LSF) korrelieren ausschließlich bei AP-System-Landeanflügen.Mit Zunahme der von den Piloten geleistetenFlugstunden erhöhen sich dieWerte der Beanspruchungsgrößen beiAP-System-Landeanflügen für eineuntersuchte Landeanflugdauer von t =3 min unter Go-Around-Bedingungen(Pearsonkoeffizient r = -0,455; α < 5 %)und für eine Anflugdauer von t = 25 sunter normalen Flugbedingungen (r =-0,510; α< 5 %).Die Dienstjahre in der Luftfahrt und dieBeanspruchungsgrößen korrelierennegativ bei AP-System-Landeanflügenfür eine untersuchte Landeanflugdauervon t = 3 min unter Go-Around-Bedingungen(r = -0,452; α < 5 %), für eineAnflugdauer von t = 25 s unter normalenFlugbedingungen (r = -0,553;α < 5 %) und unter Go-Around-Bedingungen(r = -0,450; α < 5 %).In einer Gegenüberstellung der beidenMensch-Maschine-Systeme „HGS“und „AP-System“ zeigen sich insgesamthöhere mittlere Werte derBeanspruchungsgrößen bei geringerQualifikation der Piloten bei AP-System-Landeanflügengegenüber HGS-Landeanflügen (Bild 10). Die mittlerenWerte der Beanspruchungsgrößennehmen bei AP-System-Landeanflügenmit zunehmendem Lebensalter kontinuierlichab und erreichen bei Piloten miteinem Alter von ungefähr 45 Jahren dasNiveau der Beanspruchungen bei HGS-Landeanflügen. Danach sinken dieWerte der Beanspruchungsgrößen beiAP-System-Landeanflügen unterhalbdes Beanspruchungsgrads bei HGS-Anflügen. Die Werte der Beanspruchungsgrößender Piloten mit einergeringen Anzahl an geleistetenFlugstunden und Dienstjahren sind beiAP-System-Anflügen unter allen Flugbedingungenhöher als bei HGS-Anflügen.Bei diesen beiden Einflussgrößensteigt das Beanspruchungsniveaubei AP-Landeanflügen bis zueinem gewissen Erfahrungsgrad (geleisteteFlugstunden (NHF) ≈ 9.000 h;Dienstjahre (YoD) ≈ 15 a) im Gegensatzzum Lebensalter an. Mit weiter zunehmenderQualifikation sinken dieBeanspruchungswerte bei AP-Lande-ge (Δ Ν= +17 %; Δ Α= +21 %; Δ GA= +12%).4.3 Beanspruchungsdokumentation -Individuelle EinflüsseBild 10: Mittlere Beanspruchung (Beanspruchungsgröße HSF und LSF) der MMSe (HGS; AP) alsFunktion der Qualifikation (Indikator: Lebensalter [a]) für den Landeanflug mit einer Anflugdauervon t = 25 s vor dem Touchdown und der Flugszenarien [N: normal; A: abnormal; GA:Go-Around]Figure 10: Mean strain (HR and EBR) of the MMS (HGS; AP) as a function of qualification (indicator:age [a]) for the approach with a duration of t = 25 s before touchdown and the flightscenarios [N: normal; A: abnormal; GA: Go-Around]Illustration 10: Effort moyen (HR et EBR) de la MMS (HGS; AP) dépendant de la qualification (indicateur:âge [a]) pour l’approche avec une durée de t = 25 s avant de touchdown et des scénarios[N: normal; A: abnormal; GA: Go-Around](60) 2006/2 Z. ARB. WISS. Head-Up-Guidance-Systeme und Mensch-Maschine-Interaktion 115Bandow.pmd 11531.05.2006, 23:02

anflügen auf das Beanspruchungsniveaubei HGS-Anflügen. Sehr erfahrenePiloten (geleistete Flugstunden(NHF) > ca. 10.000 h; Dienstjahre (YoD)> ca. 20 a) werden bei AP-Landeanflügenetwas geringer beansprucht alsbei HGS-Anflügen. Wird dasProbandenkollektiv auf Piloten mit einemHöchstalter von 44 Jahren beschränkt,verringern sich die Beanspruchungswertefür die letzte Landeanflugphasevon t = 25 s während derHGS-Anflüge gegenüber den Beanspruchungender AP-Anflüge für normaleFlugbedingungen um Δ Ν= -7,1 %und für abnormale Situationen um Δ Α=-6 %. Die Beanspruchungswerte fürGo-Around-Manöver Flugsituationennehmen um Δ GA= -7,6 % ab.4.4 Dokumentation des SituationsbewusstseinsInsgesamt wurde von den Piloten dasSituationsbewusstsein bei Einsatz desHead-Up-Guidance-Systems höher eingestuft.45 Piloten geben in den währendder Interviews gewonnenen Einschätzungen(77,6 %) eine Verbesserungdes Situationsbewusstseins beiHGS-Landeanflügen (Verbesserung:N VPN= 34 (58,6 %); erhebliche Verbesserung:N VPN= 11 (19 %)) gegenüberfünf Piloten (8,6 %) mit der Nennungeiner Verschlechterung an. Acht Piloten(13,8 %) nehmen keine Unterschiededes Situationsbewusstseins beiHGS-Einsatz wahr.Das während des Experimentalbetriebs(N VPN= 3) durch die SART-Analyseermittelte Situationsbewusstsein verringertsich während der AP-System-Anflüge im Vergleich zu den HGS-Landeanflügen um Δ Ν= -37 % unternormalen Bedingungen, um Δ Α= -27 %unter abnormalen Bedingungen undum Δ GA= -38 % unter Go-Around-Bedingungen.Bild 11: Sakkaden für das Probandenkollektiv der Experimentalversuchsreihe der Landeanflüge mit Einsatz des HGS im PRI-Mode bei normalen Flugszenarien(Linienbreite = Sakkadenanzahl)Figure 11: Saccades of the subjects measured during the experimental sessions for the approaches with deployment of the HGS in PRI-Mode under normal flightconditions (width of lines = number of saccades)Illustration 11: Saccades des sujets d’expérience mesurée pendant les séances expérimentales pour les approches avec l’emploi de l’HGS en PRI-Mode en conditionsde vol normales (largeur des lignes = nombre des saccades)116 D. Bandow(60) 2006/2 Z. ARB. WISS.Bandow.pmd 11631.05.2006, 23:02

Bei AP-System-Landeanflügen findenBlickbewegungen hauptsächlich zwischenden primären Flugführungsinstrumentenstatt. Diese Informationsgewinnungerfordert sowohl zusätzlicheBlick- als auch Kopfbewegungen.Diese Kopfbewegungen entfallen beimHGS aufgrund der integriertenInformationsdarstellung vollständig.Unter derartigen Flugbedingungen tretenzudem bei der Informationsgewinnungaus verschieden entferntenund beleuchteten Cockpitinstrumentenbei AP-System-Anflügen simultaneVergenzbewegungen und konjugierteAugenbewegungen beim Blick vonrechts fern nach links vorn und Hell-Dunkel-Adaptationen auf (Bild12).Bild 12: Sakkaden für das Probandenkollektiv der Experimentalversuchsreihe der Landeanflüge mitEinsatz des AP-Systems bei normalen Flugszenarien (Linienbreite = Sakkadenanzahl)Figure 12: Saccades of the subjects measured during the experimental sessions for the approacheswith deployment of the AP-system under normal flight conditions (width of lines = numberof saccades)Illustration 12: Saccades des sujets d’expérience mesurée pendant les séances expérimentales pour lesapproches avec l’emploi de la système pilotage automatique en conditions de vol normales(largeur des lignes = nombre des saccades)4.5 Dokumentation der AufmerksamkeitDie aus den während des Trainingsbetriebs(N appr= 141) innerhalb derVerhaltensanalyse erfassten Daten ergebeneinen Anteil der Blickzuwendungenauf Combiner und Cockpitscheiben(Head-Up-Anteil; gemessenfür die gesamte untersuchte Landeanflugdauer(t appr)) von 96 % für dieHGS-Landeanflüge im Vergleich zu 5bis 16 % bei AP-System-Anflügen. Derwährend der Blickbewegungsanalysegemessene zeitliche Head-Up-Anteilbeträgt für HGS-Landeanflüge unternormalen Flugbedingungen für beideHGS-Flugmodi im Mittel 86,3 % im Gegensatzzu einem Anteil von 54,2 % beiAP-System-Anflügen. Bei abnormalenFlugbedingungen erhöht sich der Unterschieddes Head-Up-Anteils vonHGS-Anflügen (88,4 %) zu AP-Anflügen(30,4 %). Bei den Go-Around-Szenariosnimmt der Anteil der Blickzuwendungenauf die Außenwelt bei AP-System-Landeanflügen weiter bis auf22,2 % ab. Der Head-Up-Anteil bei HGS-Anflügen verbleibt bei Go-Around-Bedingungen bei 87,6 %.Besonders im PRI-Modus des HGSwendet sich der Blick der Piloten kaumvom Combiner ab (durchschnittlicheBlickzuwendung: 91,3 %). Blickzuwendungenin das Cockpit finden nuraufgrund des Eindrehens der Referenzgeschwindigkeitenund des Entsichernsdes Approach Modes am FlightControl Panel (FCP) und aufgrund vonÜberprüfungen innerhalb des EICAS(Primary Page) statt. Bei der Nutzungdes Head-Up-Guidance-Systems wirdebenfalls das erlernte Standardinstrumenten-Suchmuster„T-scanpattern“ als Suchpfad („scan path“)zwischen den zentralen Flugführungssymbolenangewendet.In der Darstellung der Sakkaden innerhalbdes HGS-Combiners (vergrößertdargestellt) und zum Cockpit werdendiese Blickzuwendungen deutlich (Bild11).5 Diskussion5.1 Einfluss des HGS-Einsatzes auf dieBelastungDie Steigungen der Belastung halbierensich bei HGS-Anflügen unter normalen,abnormalen Flugbedingungenund bei Go-Around-Szenarien teilweisehöchst signifikant. Ebenso halbierensich die Unterschiede der Belastungsniveausder Endanflugphase und derAufsetzphase für HGS-Landeanflügebei normalen, abnormalen und Go-Around-Szenarien höchst signifikant.Dies bestätigt die von Roscoe (1984)beschriebene (und gemäß dem NPAHFzu verringernde) höhere Belastung beieinem Wechsel von einem vergleichsweiseniedrigeren zu einem höherenAufgabenanforderungsgraddurch ein abnormales Systemereignisbei zuvor unterforderten Anwendernwährend automatisierter Landeanflüge(Roscoe 1984; Lofaro 1991). Ebensoweist diese Beobachtung auf die nachLast (1988) ermittelte höhere Differenzder Belastungsniveaus von normalenzu abnormalen Situationen bei Einsatzautomatisierter Systeme hin (Last1988). Die von Ewell und Chidester(1994) beobachteten hohen und häufigenBelastungswechsel innerhalb derFlugphasen bei automatischen Flugführungssystemenkönnen gleichermaßennachgewiesen werden.Die psycho-physischen Beanspruchungendes muskulären Apparatesund des visuellen Wahrnehmungs-(60) 2006/2 Z. ARB. WISS. Head-Up-Guidance-Systeme und Mensch-Maschine-Interaktion 117Bandow.pmd 11731.05.2006, 23:02

systems des Piloten nehmen bei Landeanflügenmittels automatisierter Flugführungssystemeauch durch die erhöhteAnzahl an Kopfbewegungen,durch vermehrte simultane Vergenzbewegungenund konjugierte Augenbewegungenbeim Blick von rechts fernnach links vorn und durch vermehrteHell-Dunkel-Adaptationen auf verschiedenentfernte und beleuchteteCockpitinstrumente zu. Dies bewirktinsgesamt eine höhere muskuläre undnervöse Belastung des visuellen Wahrnehmungssystems(Converse 1989).5.2 Einfluss des HGS-Einsatzes auf dieBeanspruchungDie durch Skalierungsmethoden ermittelten,subjektiv erlebten Beanspruchungensinken um bis zu einem Fünftelbei Einsatz des HGS während derLandeanflüge.5.3 Einfluss des HGS-Einsatzes auf dieBeanspruchungsgröße HerzschlagfrequenzBei Einsatz des HGS ist eine vor demAufsetzpunkt vorangegangene, geringereBeanspruchung besonders beiabnormalen Flugszenarien aufgrund dergeringeren Steigung der Mittelwerteder normierten HSF zu verzeichnen.Ebenfalls liegen niedrigere Steigungender normierten HSF bei normalen Flugbedingungengegenüber AP-System-Landeanflügen vor. Eine nach demAufsetzen vorangegangene leicht niedrigereBeanspruchung tritt ebenso beiHGS-Einsatz auf, da die HSF schnellerzur Ruhe-Herzschlagfrequenz zurückkehrt,welches geringere postmaximaleHSF-Verzögerungswerte belegen. In gewissemMaße trifft dies auch für abnormaleund Go-Around-Bedingungen zu.5.4 Einfluss des HGS-Einsatzes auf dieBeanspruchungsgröße LidschlussfrequenzDie Beanspruchungsgröße Lidschlussfrequenznimmt bei HGS-Landeanflügenunter normalen und abnormalenFlugbedingungen und besondersbei Go-Around-Manövern über diegesamte Landeanflugdauer höchst signifikantab. Daraus kann zumindestbei Go-Around-Manövern auf eine geringereBeanspruchung bei Einsatz desHGS geschlossen werden.5.5 Einfluss der Qualifikation auf dieBeanspruchungsgrößenDer Erfahrungsstand, indiziert durchdas Lebensalter, die geleisteten Flugstundenund Dienstjahre, scheint sichnur bei AP-System-Anflügen auf dieBeanspruchung auszuwirken. Nachdembei unerfahreneren Piloten die Beanspruchungerhöht ist, wird das Niveauder Beanspruchungen von HGS-Landeanflügen erst bei Piloten mit einemLebensalter von ungefähr 45 Jahrenerreicht.Wird das Probandenkollektiv mit einemLebensalter von unter 45 Jahren betrachtet,nehmen die Werte der Beanspruchungsmessgrößenbei Landeanflügenmit Einsatz des Head-Up-Guidance-Systems um ungefähr 7 % beiallen Flugbedingungen ab.Werden aus dem Probandenkollektivmit einem Lebensalter von unter 45 Jahrennur Piloten mit einer maximalenAnzahl an geleisteten Flugstunden vonNHF < 5.500 h untersucht, erhöhen sichinsbesondere bei normalen Flugbedingungenund auch bei Go-Around-Manövern die Beanspruchungen währendder AP-System-Anflüge. Diescheinbare Abhängigkeit der Beanspruchungenausschließlich bei Einsatzvon Flugführungssystemen höherenAutomationsgrads von der Qualifikationder Anwender könnte auf wirkendeKonditionierungseffekte bei komplexerenSystemen gemäß Rasmussen(1986) zurückzuführen sein. Nach erlebtenerfolgreichen Problemlösungsprozessenfindet die Informationsverarbeitungvermehrt auf regelbasierterstatt auf wissensbasierterEbene statt. Durch Handlungsroutinenwerden Interaktionen von der regelbasiertenauf die fertigkeitsbasierteEbene verlagert.Ebenso unterstützen diese BeobachtungErgebnisse der Studie nachBesnard (2003), in der auf dieFehlbarkeit und die Genauigkeit mentalerModelle in Verbindung mit automatisiertenSystemen hingewiesenwird. Das Vertrauen in das eigene mentaleModell des automatisierten Systemskann zum Zurückweisen unerklärlicherDaten oder zum Übersehen wichtigerInformationen besonders bei unerfahrenerenPiloten führen. Billings(1997) verweist in diesem Zusammenhangauf eine Zunahme der Komplexitätdes mentalen Modells des Pilotenbei fortschreitendem Automationsgradder Flugführungssysteme. Die bei unerfahrenerenPiloten gemessenen geringerenBeanspruchungen bei HGS-Landeanflügen unterstreicht ebenfallsdie Forderung nach Roscoe (1980),wonach sich ein optimales AnzeigeundSteuerungssystem durch eine einfacheund präzise Steuerung mit ausreichendermanueller Steuerungsautoritätauszeichnet, um auf wechselndeBedingungen flexibel antwortenzu können.5.6 Korrelation der Belastungen undBeanspruchungenDie Beanspruchungs- und die Belastungswertekorrelieren insgesamt gemäßdem Belastungs-Beanspruchungs-Konzept,was auf die Validitätdes Systemmodells hinweist.5.7 Steigerung des SituationsbewusstseinsDas durch subjektive Befragungsmethodenermittelte Situationsbewusstseinder Piloten ist, wie vonLast (1988) beobachtet, bei der Flugführungmit geringerem Automationsgradaufgrund seiner aktiven Teilnahmean der Flugführung höher. Dies gehtauch mit dem von Sarter und Woods(1993, 1994), Ewell und Chidester (1994)und im NPAHF beobachteten vermindertenSituationsbewusstsein bei automatisiertenCockpitsystemen einher,bei denen zudem Einbußen desModusbewusstseins und des Systembewusstseinsnachgewiesen wurden.5.8 TunneleffekteNach Williams (1982, 1985) verkleinertsich die Ausdehnung des visuellen118 D. Bandow(60) 2006/2 Z. ARB. WISS.Bandow.pmd 11831.05.2006, 23:02

die Problematik des Ebenenwechselszwischen virtueller und realer Ebene(oder „mental tunneling“; nach Faddenet al 2000: „attention switching strategybetween far and near domain“) und resultierenderkognitiver Beanspruchung(Brickner 1989) während der Landeanflugphase.6 Systemoptimierung durchGestaltungBild 13: Mittlere Fixationshäufigkeit [-] für das Probandenkollektiv der Experimentalversuchsreiheder HGS-Landeanflüge im AIII-Mode bei normalen, abnormalen und Go-Around-Flugszenarien[N, A und GA]Figure 13: Mean fixation frequency [-] of the pilots measured during the experimental sessions for theapproaches with deployment of the HGS in PRI-Mode under normal, abnormal and goaroundflight conditions [N, A and GA]Illustration 13: Fréquence des fixations moyenne [-] des pilotes mesurée pendant les séances expérimentalespour les approches avec l’emploi de l’HGS en PRI-Mode en conditions de vol normales,abnormales et go-around [N, A et GA]Anhand der ermittelten Ergebnisse istein Gestaltungsvorschlag zur Optimierungdes Systems durch Integrationbestimmter Systemstatusanzeigen unddurch eine veränderte Energiestatusdarstellungentwickelt worden. Dabeiempfiehlt sich eine analoge Informationsdarstellung,da eine Verringerungder mittleren Fixationsdauer umca. 100 ms bei der Informationsverarbeitunganaloger Symbole gegenüberder Informationsverarbeitung digitalerund hybrider Symbole festgestelltworden ist.Feldes bei einer Steigerung der Mengeund der Schwierigkeit foveal zu verarbeitenderInformationen („tunnelvision“ oder „cognitive tunneling“ bzw.„attentional narrowing“ nach Ververs& Wickens 1998). Zwar verkleinert sichdie Sakkadenausdehnung unter abnormalenFlugbedingungen und bei Go-Around-Manövern nicht, jedochnimmt die prozentuale Fixationshäufigkeitund -dauer äußerer Symboleund Anzeigen ab. Bei einer für dieverschiedenen Flugbedingungenvergleichsweise konstanten mittlerenFixationsdauer der Guidance Cue desHGS von t f N= 2,36 s (t f A= 2,082 s undt f GA= 1,061 s) und einer zunehmendenmittleren Fixationshäufigkeit vonn fN = 58,5 (n f A= 82 und n f GA= 128)sind daher insbesondere bei Go-Around-Manövern Tunneleffektenicht auszuschließen. Lediglich die derGuidance Cue lokal nahen SymboleFlight Path Acceleration und SpeedError Tape und die entfernt angeordnetendigitalen Anzeigen DigitalAirspeed, Digital Altitude und RadioAltitude and DH werden durchschnittlichmit nf N = 7 bis 49mal (n f A= 10 bis42 und n f GA= 13,5 bis 43,5) fixiert (Bild13).Während der HGS-Landeanflüge unternormalen Flugbedingungen wurdenBlickwechsel zwischen Combiner- undAußenweltebene nur durchschnittlichdreimal kurz vor dem Touchdown festgestellt(n C76-C80(HGS-A) = 9; n C76-C80(HGS-GA) = 5). Diese Wechsel sindprozedural vorgeschrieben, da im AIII-Modus kurz vor dem Aufsetzen die realeLandebahn mit dem Landebahnsymbol(„runway edgelines“) imCombiner auf Kongruenz überprüftwerden müssen. Diese geringe Anzahlan mentalen Ebenenwechseln bei Head-Up-Guidance Systemen mindert nachFoyle (1993, 1999) und McCann (1993)Das Flight Path Symbol wird daher umeine analoge Darstellung des Landeklappen-,Landefahrwerk- und Schubumkehrsystemzustands(FLAPS,GEAR und T/R) erweitert, der währendder Final Checklist bisher nur durchzusätzliche Kopf- und Blickbewegungenverbunden mit weiterenAkkomodations- und Adaptationsvorgängender EICAS Primary Page bzw.EICAS Secondary Page entnommenwerden kann. Dazu werden die Landeklappenin 45°-Stellung als Linien linksund rechts unterhalb der symbolischenFlügeldarstellung des Flight Path Symbolspräsentiert. Dadurch wird der Forderungeiner möglichst geringenSymbolüberdeckung der Außenweltentsprochen. Bei vollständig ausgefahrenemHauptlande- und Bugfahrwerkwerden Reifensymbole unterhalbdes Flight Path Symbols eingeblendet.Das entsicherte Schubumkehrsystemwird seitlich des Kreises desFlight Path Symbols in Form zweierViertelkreislinien eingeblendet. Dadurchsollen die ausgefahrenen T/R-Klappen bei Aktivierung symbolisiertwerden. Diese Symbole können zumDecluttern des zentralen Blickfelds unterhalbeiner gewissen Flughöhe (RA< 500 ft) langsam (mindestens t = 10 s)(60) 2006/2 Z. ARB. WISS. Head-Up-Guidance-Systeme und Mensch-Maschine-Interaktion 119Bandow.pmd 11931.05.2006, 23:02

ausgeblendet werden, um nicht denAusfall der Systeme zu suggerieren. Umdie Wahrnehmung der Zusammengehörigkeitdieser Elemente zu fördern, istdem Gesetz der nahen Anordnung gefolgtworden (Wickens 2000). Ebensowird der Forderung nach Kompatibilitätzu AP-System-Prozeduren und -Kontrollstrategien entsprochen (Newman1995).Die Guidance Cue wird durch eine Vollkreisskalader N1-Anzeige ergänzt.Dabei sollte die niedrigere Umdrehungszahlder beiden Low Speed-Rotorenin einem Bereich von 50 bis 100[% RPM] angezeigt werden. Das nonprozeduraleVerhalten der Hälfte derPiloten bei der Überwachung desEnergiestatus’ trotz technisch ausreichenderInformationsdarstellung durchdas Speed Error Tape und das FlightPath Acceleration Symbol weist auf einebisherige, nicht anwendergerechte Darstellunghin. Die oben beschriebenenzusätzlichen Belastungen entstehenhierbei gegenüber der FLAPS-, GEARundT/R-Überwachung nicht nur währenddes Verlesens der Final Checklist,sondern während des gesamten Anflugesdurch Überwachung der N1-Anzeigeder EICAS Primary Page. Fällt dieUmdrehungszahl unter 50 [% RPM],verringert sich simultan auch der visuelleStimulus der Guidance Cue. Somitwird auf einen bevorstehenden Verlustder Landekonfiguration (mit Auswirkungauf die Flugführung) hingewiesen.Die Rollführungssymbolik derGuidance Cue des HGS 4200 verbessertdurch Integration zweier, äußerer,lateraler Linienansätze die Rollflugführung.Die digital dargestellten Anzeigen fürdie Fluggeschwindigkeit und -höhe(Digital Airspeed; Digital Altitude) werdenaufgrund ihrer hohen Verarbeitungsdauerum eine analoge Vollkreisskalaergänzt. Aus Konsistenzgründenlehnt sich die Gestaltung unddie Richtung bei Parameteränderung andie N1-Vollkreisskala der Guidance Cuean. Eine Banddarstellung wie im PrimaryMode könnte zu unbewußten Rollsteuerungseingabenführen. Grenzbereiche(V NE, V S0; DH) sind schraffierthervorgehoben. Aufgrund der hohenFixationshäufigkeit und Sakkadenausdehnungwird das Selected AirSpeed Mark Symbol (V REF) der AirspeedScale in Form eines äußeren, dreieckigenUmrisses in die analoge Vollkreisskalaintegriert. Bei Übereinstimmungder Digital Airspeed mit der Referenzgeschwindigkeitbilden das innen dargestellte,solide Dreieckssymbol derDigital Airspeed mit dem äußerenReferenzgeschwindigkeitssymbol eingeschlossenes, umgekehrtes Dreieckund damit einen höheren visuellenReiz, der auch peripher wahrgenommenwerden kann. Die Richtung derParameteränderung soll durch stetigdurchlaufende Endzahlen der digitalenDarstellung und durch einen zeitlichnachlaufenden Halbstrich eindeutigerpräsentiert werden. Die Radio Altitudesollte aus Übersichtlichkeitsgründennur unterhalb einer gewissen Höhe (RA< 200 [ft]) um eine analoge Vollkreisskalaergänzt werden. Die Vollkreisskalader Digital Airspeed sollte dann simultanausgeblendet werden.In der monochromatischen Darstellungsollten Meldungen und Warnungen,wie beispielsweise eine ApproachWarning, weiterhin im zentralen Blickfelddargestellt werden. Aufgrund dergeringen Häufigkeit dieser Informationenwird dieser Bereich nur zeitweiseüberladen dargestellt („clutter“).Im optimierten HGS Control Panel kanndie Dateneingabe über einen zweiachsigenDreh-Drücksteller und einenHGS-Modus-Aktivierungsschalterreichweitengerecht im Flight ControlPanel erfolgen. Die Informationsdarstellungerfolgt im HGS-Combiner.Im Zuge der künftigen Fortschritte undTechnologien und besonders mit Rücksichtauf die Zunahme des Luftverkehrsaufkommensund der Unfallzahlenwährend der Landeanflugphasenist die Weiterentwicklung undder Einsatz von Head-Up-Guidance-Systemen im Bereich der zivilen Luftfahrtaus arbeitswissenschaftlicherSicht zur Optimierung der Belastungenund Beanspruchungen und desSituationsbewusstseins während derFlugführung empfehlenswert.LiteraturBesnard, D.; Greathead, D.; Baxter, G.: When mental modelsgo wrong: co-occurrences in dynamic, critical systems. pp. 117– 128. In: International Journal of Human-Computer Studies,Vol. 60, Issue 1, University of Newcastle upon Tyne, U.K. 2003Billings, C. E.: Toward a Human-Centered Aircraft AutomationPhilosophy. pp. 1 – 8. In: Proceedings of the Fifth InternationalSymposium On Aviation Psychology, The Ohio State University,Department of Aviation. Columbus, OH 1989Billings, C. 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