Ein mentalisierendesassistenzsystem zur Unterstützung von RPAS-Piloten bei der Missionsführung

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Werner Schulz
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1 Ein mentalisierendesassistenzsystem zur Unterstützung von RPAS-Piloten bei der Missionsführung Dipl.-Ing. Nikolaus Theißing, Prof. Dr.-Ing. Axel Schulte Institut für Flugsysteme, Universität der Bundeswehr München DGLR Fachausschuss-Workshop Pilotenunterstützungssysteme Manching, Universität der Bundeswehr München

2 Sicherheit in der Luftfahrt (Boeing) (1001crash.com) (Boeing) Zunehmende Automation und gesteigerte Effizienz, aber Kein Gewinn an Sicherheit Hauptursache: Human Factors Universität der Bundeswehr München 2

Zunehmende Automation und Bedienfehler Aufgaben des Piloten Aviate Manage Systems Navigate Communicate Zunahme an Automation Manage Systems

(Brüchigkeit, Wortwörtlichkeit, Clumsiness) Fehler durch Verlust an Situationsbewusstsein Fehler durch herabgesetzte Aufmerksamkeit Fehler

3 Zunehmende Automation und Bedienfehler Aufgaben des Piloten Aviate Manage Systems Navigate Communicate Zunahme an Automation Manage Systems Aviate Plan Navigate Teach Communicate Monitor Neue Fehlerquellen (Automation-induced error) Fehler durch ungünstig ausgelegte Systeme (Brüchigkeit, Wortwörtlichkeit, Clumsiness) Fehler durch Verlust an Situationsbewusstsein Fehler durch herabgesetzte Aufmerksamkeit Fehler durch Complacency Funktionen der überwachendenkontrolle (Supervisory Control) delegierter Aufgaben Universität der Bundeswehr München 3

4 Ausweg: Kooperation im Assistenzverhältnis Kooperation Pilot Delegation Komplexe Bord- Automation Fluggerät Assistenzsystem Partner Operating Force Operation-Supporting Means Kooperation im Assistenzverhältnis: Zusammenarbeit von Pilot und Assistent auf hierarchisch gleicher Ebene Ziel: Technische Implementierung als Assistenzsystem Universität der Bundeswehr München 4

Rolle und Funktion des Piloten-Assistenzsystems Adaption an

wenig, dann zunehmend mehr Pilot Bedien- Interface Eingriff

Was sollte er tun? Wie kann ihm das vermittelt werden?

Unterstützung zum passenden Zeitpunkt Unterstützung zur

5 Rolle und Funktion des Piloten-Assistenzsystems Adaption an Situation und Pilotenzustand Eskalierende Eingriffe: Erst wenig, dann zunehmend mehr Pilot Bedien- Interface Eingriff Bord- Automation Fluggerät Was tut der Pilot? Was sollte er tun? Wie kann ihm das vermittelt werden? Assistenz- System Unterstützung mit passender Information Unterstützung zum passenden Zeitpunkt Unterstützung zur aktuellen Aufgabe Gefährdungserkennung Lösungsvorschlag Universität der Bundeswehr München 5

6 Anwendungsfall: Missionsführung eines RPAS Delegation von Flug-und Sensorführung an kognitiven Agenten Kognitiver Agent Bodenkontroll- Station mit Assistenzsystem Sensor - Management Flug- Management Pilot Kooperative Unterstützung durch Assistenzsystem Universität der Bundeswehr München 6

7 Anforderungen an das Assistenzverhalten, Fall 1 Zeit t UAV Abdrehen Operateur Monitoring Relevante Änderung erkennen Gefahr erkennen Schwachstelle ermitteln Aufträge umplanen Geänderte Aufträge erteilen Eingriff Assistent Zeitpunkt, bis zu dem der Operateur noch allein handeln kann Gegenwart Scheitern der Mission Universität der Bundeswehr München 7

8 Anforderungen an das Assistenzverhalten, Fall 2 Zeit t UAV Abdrehen Operateur Monitoring Relevante Änderung erkennen Gefahr erkennen Schwachstelle ermitteln Aufträge umplanen Geänderte Aufträge erteilen Eingriff Assistent Hinweis Gegenwart Eingriff des Assistenzsystems Scheitern der Mission Universität der Bundeswehr München 8

9 Anforderungen an das Assistenzverhalten, Fall 3 Zeit t UAV Abdrehen Operateur Monitoring Analyse Umplanung Aufträge umplanen Geänderte Aufträge erteilen Eingriff Assistent Hinweis Vorschlag Gegenwart Eingriff des Assistenzsystems Scheitern der Mission Universität der Bundeswehr München 9

10 Definition der Assistenzsystemleistung Zeit Zeitpunkt des Eingriffs: Gemäß Zeitplan t UAV Eingriffsentscheidung: Eingriff, falls Operateur nicht mehr in der Lage Abdrehen Operateur Monitoring Analyse Umplanung Geänderte Aufträge erteilen Eingriff Assistent Hinweis Vorschlag Art des Eingriffs: Herbeiführender Übergangsbedingungen Eingriff des Assistenzsystems Gegenwart Scheitern der Mission Universität der Bundeswehr München 10

11 Notwendige Fähigkeiten des Systems Erkennung kritischer Situationen Zeit Finden t einer Lösung UAV Erkennung des gegenwärtigen Zustands Bestimmung des Soll- Zustands des Operateurs Abdrehen Operateur Monitoring Analyse Planung (temporal, optimierend, means-ends) Umplanung Geänderte Aufträge erteilen Eingriff Assistent Ausführung der Intervention Gegenwart Hinweis Vorschlag Eingriff des Assistenzsystems Scheitern der Mission Universität der Bundeswehr München 11

12 Systemarchitektur des Assistenzsystems Ausführung der Eingriffe direkt im Bedien-Interface Monitoring von Bedien- Interaktionen mit Touchscreen, Joystick, Keyboard. Nddl-basiertes temporales means-ends Planning& Schedulingmit dem NASA Europa-Planner Akquise von Befehlen, Systemzustand, Flugdaten, Umwelt Analyse der taktischen Lage: Pattern Matchingnach verschiedenen Fehlertypen, Zeitabschätzung, Analyse von Gegenmaßnahmen Modellbasierte Inferenzdes aktuellen Bedienprozesses in einem ColoredPetri Net (CPN) Universität der Bundeswehr München 12

Einschränkungen: Flugabwehrstellungen, Treibstofflimit

13 Aufklärungsmission: Gebietssuche und optionale Gebäudeaufklärung jenseits des kontrollierten Gebietes Einschränkungen: Flugabwehrstellungen, Treibstofflimit Beispielhafter Anwendungsfall Universität der Bundeswehr München 13

14 Example Use Case Auftragsliste Navigation Agenten-Feedback 07/31/2014 Institute of Flight Systems, University Bundeswehr Munich 14

15 Beispielhafter Anwendungsfall Lageänderung: Flugabwehrstellung bedroht Auftrag Durchquere Korridor Lösung: Operateur korrigiert Auftrag Situation: Operateur übersieht Lageänderung Assistenz-Strategie: Führung des Operateurs gemäß Modell Universität der Bundeswehr München 15

16 Example Use Case 07/31/2014 Institute of Flight Systems, University Bundeswehr Munich 16

Experimentalaufbau: Nachweis im Mensch-Maschine-Experiment 13 Probanden

von RPAS-Aufklärungsmissionen in Simulationsumgebung und mit simulierten

ohne Assistenzsystem (Prototyp) Erkenntnisse: Einbrüche der Missionsleistung

Fluggeräts Mit Assistenz: 1 Verlust, 6 Eingriffe Keine signifikante

17 Experimentalaufbau: Nachweis im Mensch-Maschine-Experiment 13 Probanden (Offiziere der Luftwaffe) als Piloten in der Bodenkontrollstation Durchführung von RPAS-Aufklärungsmissionen in Simulationsumgebung und mit simulierten Bordsystemen bei hohem Schwierigkeitsgrad Vergleichder Konfigurationen mit und ohne Assistenzsystem (Prototyp) Erkenntnisse: Einbrüche der Missionsleistung in kritischen Situationen stark vermindert Ohne Assistenz: 5 Verluste des Fluggeräts Mit Assistenz: 1 Verlust, 6 Eingriffe Keine signifikante Verschlechterung von Beanspruchung oder Situationsbewusstsein Universität der Bundeswehr München 17

18 Zusammenfassung Modellierung der Bedienprozesse des Piloten Entwicklung eines Assistenzsystems, das sich an die kognitiven Prozesse des Piloten adaptiert Unterstützungdes Piloten in Abhängigkeit der taktischen Lage und seines Zustands Fehlerreduktiondurch funktionale Redundanz: Wegbereitung für Crew-Reduction-Konzepte Nächste Schritte: Umfangreichere Experimentalkampagne Universität der Bundeswehr München 18

19 Piloten gesucht! Welcher (Test-)Pilot möchte sich an unseren Systemen beweisen? Universität der Bundeswehr München 19

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