Entwicklung einer Wissensakquisitionsmethode zur Ermittlung der Zielstellung von Flugführungsaufgaben

Inhaltsverzeichnis

1 Einleitung

2 Einführung: CASSY und CAMA

3 Die „Group Elicitation Method“
3.1 Allgemeine Beschreibung der GEM
3.2 Aufstellen einer These
3.3 Brainstorming; Sammlung von Statements
3.4 Reformulierung und Zusammenfassung
3.5 Bewertung
3.6 Priorisierung
3.7 Zusammenfassung der GEM

4 GEM in Verbindung mit CAMA
4.1 Vorbetrachtungen
4.2 Durchführung
4.3 Auswertung

5 Zusammenfassung

6 Verwendete Unterlagen

7 Abbildungen

8 Anhang

1 Einleitung

Am Institut für Flugmechanik und Systemdynamik der Universität der Bundeswehr München wurde das Cockpit-Assistenz-System CASSY (Cockpit Assistance System) entwickelt.

Eine Weiterentwicklung dieses Systems ist das Assistenz-System CAMA (Cockpit Assistant Military Aircraft), das speziell für militärische Transportflugzeuge und militärische Transportmissionen vorgesehen ist.

Eine wichtige Grundlage für Expertensysteme dieser Art ist ein Zielemodell, in der Ziele und Aufgaben eines Piloten während einer Transportmission modelliert sind.

Aus der Literaturrecherche (siehe Ref. /1/) geht hervor, daß es verschiedene Wissensakquisitionsmethoden gibt, wie z.B. Shared Task Model oder Group Elicitation Method, mit denen man die notwendigen Informationen erhalten kann, die für ein Zielemodell benötigt werden. Hierbei hat sich herausgestellt, das eine Expertenbefragung die geeignetste Methode ist, um an die benötigten Informationen zu gelangen.

Die Group Elicitation Method ist eine Methode der Expertenbefragung, bei der mehrere Experten (hier: Transportpiloten) befragt werden und so eine gegenseitig objektive Ergänzung statt findet.

Eine Einführung in die Group Elicitation Method und eine genaue Beschreibung der Vorbereitung und Durchführung sowie der Auswertung der GEM werden in dieser Studienarbeit vorgenommen.

Bei dieser Arbeit wurde besonders Wert auf Praxisnähe und Operationabilität gelegt.

2 Einführung: CASSY und CAMA

Sowohl bei zivilen als auch bei militärischen Missionen ist das oberste Gebot die Durchführung der Flugmission ohne Verlust von Mensch und Gerät. Es kommt allerdings immer wieder vor, daß in den unterschiedlichsten Missionsabschnitten Verluste zu beklagen sind.

Unfalluntersuchungen belegen eindeutig, daß der Mensch, d.h. die Cockpitbesatzung, in ca. 75 % aller Unfälle der wesentlich verursachende Faktor ist (siehe Ref. /2/). Der Hauptgrund dafür ist in den meisten Fällen Überforderung. Dies führte dazu, das viele Aufgaben und Arbeitsvorgänge im Cockpit automatisiert wurden. Hierbei wurde das Hauptaugenmerk auf diejenigen Arbeitsvorgänge gelegt, bei denen der Mensch natürliche Schwächen zeigte. (z.B.: Vigilanz, Stress, etc.)

Die Automatisierung im Cockpit basierte bisher weitgehend auf dem Prinzip der Funktionsteilung zwischen Mensch und Maschine. Diese Funktionsteilung sieht vor, daß die Ausführung einzelner Cockpit-Funktionen entweder nur von der Maschine oder nur von dem Menschen vorgenommen werden konnten. Hierbei kam es oft zu Problemsituationen, da das Teilsystem Mensch (also der Pilot) die Entscheidungen bzw. die Arbeitsabläufe des Teilsystems Maschine nicht nachvollziehen konnte. So wurden die Piloten im Rahmen des bisherigen Automatisierungskonzeptes mit Fragen wie z.B.

„Was macht die Maschine?“

„Warum macht sie das?“

„Was wird sie als nächstes machen?“

„Wie bin ich da jetzt hingekommen?“

häufig vom Automaten alleingelassen. Ein weiteres Problem bestand darin, daß die maschinelle Unterstützung weitgehend situationsunabhängig war und somit der Pilot in Situationen, in denen die Belastung extrem hoch war, nicht weiter entlastet wurde bzw. in Situationen, in denen eine Unterforderung der Cockpitbesatzung auftrat, keine Aufgaben zusätzlich an die Piloten abgegeben wurden.

Es mußte also ein System entwickelt werden, das selbständig sowohl die aktuelle Flugsituation als auch die Situation der Besatzung überwacht, erkennt und in geeignetem Umfang auf die vorhandenen Umstände reagiert. So sollte dieses System im Rahmen der Flugsicherheit Überforderungen der Cockpitbesatzung vermeiden, indem es den Grad der Anforderungen an die Besatzung und deren Arbeitsbelastung bei allen Situationen und den entsprechenden Aufgaben auf normalem Niveau hält.

Hierbei sind die beiden folgenden Grundforderungen von essentieller Bedeutung (siehe Ref. /3/):

Grundforderung (1):

Die Aufmerksamkeit der Cockpitbesatzung ist im Rahmen der Präsentation des Gesamtbildes der Flugsituation auf die situationsgemäß objektiv dringlichste Aufgabe bzw. Teilaufgabe zu lenken.

Grundforderung (2):

Ist Grundforderung (1) erfüllt und tritt eine Situation mit Überforderung der Cockpitbesatzung ein, dann ist diese Situation mit technischen Mitteln auf eine normale, handhabbare Situation zurückzuführen.

Auf Grund dieser Vorgaben ist es notwendig, daß von der „ursprünglichen Funktionsteilung“ zu einer „situationsabhängig veränderlichen, partnerschaftlichen Funktionsverteilung“ übergegangen wird.

Diese neue, kooperative Arbeitsweise stützt sich im wesentlichen auf

n ein umfassendes Situationswissen, einschließlich des Wissens über Zustand und Verhalten der Cockpitbesatzung und n effiziente Kommunikation zwischen Besatzung und Unterstützungssystem auf der Basis neuer Interaktionsmodalitäten und Dialogmodelle.

Ausgehend von diesen Vorgaben und Überlegungen wurde zuerst das Cockpitassistenzsystem CASSY (Cockpit Assistant System) für den zivilen IFR-Flug entwickelt. Die Weiterentwicklung mit dem Namen CAMA (Cockpit Assistant Military Aircraft), die speziell für den militärischen Transportflug ausgelegt wird, ist zur Zeit an der Universität der Bundeswehr München in Arbeit.

CASSY besteht aus unterschiedlichen Modulen, die ständig Daten der Luftfahrzeugsysteme (Aircraft Systems), der Umwelt (Wetter, etc.), der Luftverkehrskontrollstelle (Air Traffic Control) und der Cockpitbesatzung verarbeiten und abgleichen. Der Besatzung werden z.B. bei Routenumplanungen neue Routenvorschläge unter Berücksichtigung des Flugauftrages gemacht.

Der Aufbau des Assitenzsystems ist in Abbildung 2.1 (Abb. 2.1) dargestellt. Insgesamt sind in dieser Abbildung sechs verschiedene Module aufgeführt.

Das Automatic Flight Planner Modul (AFP; Automatisches-Flugplanungs-Modul) erstellt komplette Flugpläne unter Zuhilfenahme der Informationen über Missionsziel, ATC-Anweisungen, Flugzeugsysteme und Umgebungsdaten. Hierbei werden die ATC-Anweisungen, die Systeminformationen und die Umgebungsdaten ständig über Schnittstellen aufgearbeitet. Die Informationen dagegen, die das Missionsziel betreffen sind, in einem Shared Memory (Zentralen Situationsdatenbank) abgespeichert. Die exakte Vorgehensweise zur Bestimmung der Ziele und Aufgaben während einer Mission wird in dieser Studienarbeit an anderer Stelle noch erläutert. Der vom AFP generierte Flugplan (oder auch die Flugpläne) wird der Crew über eine Dialogschnittstelle präsentiert. Einer der vorgeschlagenen Flugpläne kann akzeptiert oder modifiziert werden. Ist einmal ein Plan ausgewählt, dient er CASSY als Arbeitsgrundlage für alle weiteren Module.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 2.1 - Aufbau des Assistenzsystems CASSY/CAMA

Ein weiteres wichtiges Modul ist der Piloting Expert (PE), der auf der Basis des gültigen Flugplans das erwartete Verhalten der Besatzung bereitstellt. Dieses Verhaltensmodell orientiert sich an den Pilotenhandbüchern und den Luftverkehrsregeln. Es beinhaltet Informationen über die Flugführung, wie z.B. Handlungsabläufe bei Missed Approach Procedures, usw. .

Das Pilot Intent and Error Recognition Modul (PIER) vergleicht das vom Piloting Expert erwartete Verhaltensmodell mit dem tatsächlichen Verhalten der Crew. Sollten dabei Abweichungen festgestellt werden, wird die Besatzung informiert und aufgetretene Fehler werden der Crew mitgeteilt.

Zahlreiche weitere Module dienen der Situationsanalyse. Sie liefern Daten über den momentanen Flugzustand, über das Wetter, den Verkehr und über die Luftfahrzeugsysteme. Mit Hilfe der so gewonnenen Informationen arbeiten die oben angeführten Module und errechnen so z.B. einen neuen Flugplan.

Das Wichtigste an CASSY ist die Kommunikation mit der Cockpitbesatzung. Sie wird durch den Dialogue Manager (DM) abgewickelt. Die Informationsausgabe erfolgt entweder über einen Sprachsynthesizer, wenn es sich um Warnungen oder Hinweise handelt oder über einen Bildschirm, wenn es sich um komplexe Informationen, wie z.B. einen neu errechneten Flugplan handelt. Der Dialogue Manager muß selbständig eine Rangfolge der Nachrichten erstellen und diese der Priorität entsprechend ausgeben.

3 Die „Group Elicitation Method“

Das Assistenzsysteme CAMA benötigen zur Unterstützung der Besatzung eine umfangreiche Wissensbasis. Diese Wissensbasis wird von Fachleuten bezogen, also von Piloten (z.B. von Transportflugzeugführern der Luftwaffe im Fall von CAMA). Mit Methoden zur Wissensakquisition wird die Wissensbasis erstellt. Für das geplante Zielemodell soll die „Group Elicitation Method“ (GEM) (siehe Ref /4/) angewandt werden .

3.1 Allgemeine Beschreibung der GEM

Die GEM basiert im wesentlichen auf einer Gruppenbefragung. Diese Statements werden dann anschließend aufgrund von Diskussion in Relationen zueinander gesetzt. So ergibt sich nach der Auswertung eine Priorisierung der gesammelten Ergebnisse.

Um eine GEM - Sitzung durchzuführen sind einige Vorbereitungen zu treffen.

Die Erfahrung hat gezeigt, das die Anzahl der Teilnehmer pro Gruppe aus Gründen der Übersichtlichkeit nicht größer als 8 sein sollte. Die Frage- und Auswertungsbögen sind vor der Befragung zu erstellen. Einen Anhalt dazu geben die im Anhang beigefügten Muster. Die Vorbereitungen vereinfachen und verkürzen den Ablauf der Methode.

Zur Durchführung einer typischen GEM - Sitzung sollte ein zeitlicher Rahmen von ungefähr einem Tag veranschlaget werden. Die Sitzung besteht im allgemeinen aus sechs verschiedenen Phasen:

- Aufstellen einer These
- Brainstorming
- Reformulierung und Zusammenfassung der gesammelten Ergebnisse
- Bewertung
- Priorisierung
- Analyse

3.2 Aufstellen einer These

Der erste und wichtigste Punkt für die Durchführung der GEM ist das Aufstellen einer These. Im Rahmen dieser These soll eine Einführung in das System gegeben werden. Desweiteren müssen den Teilnehmern Rahmenbedingungen vorgegeben werden, von denen ausgehend diese versuchen ihre Meinungen oder Ansichten zum vorgestellten System zu bilden. Der Inhalt dieser Rahmenbedingungen ist variabel und hängt von dem erforderlichen Fachwissen ab.

3.3 Brainstorming: Sammeln von Statements

Nachdem den Teilnehmern die aufgestellte These bekanntgegeben worden ist beginnt die Phase der Meinungsbildung. Diese Phase kann sehr allgemein gehalten werden, es können auch spezielle Fragen gestellt werden, z.B. kann die Frage gestellt werden, ob mit dem System Probleme auftreten könnten oder, wenn spezielle Dinge interessieren, kann nach Vorsätzen oder Intentionen des Teilnehmers gefragt werden.

Wie in Abbildung 3.1 dargestellt, beginnt jeder Teilnehmer damit seine Statements auf ein Blatt Papier zu schreiben. Nach einer festgesetzten Zeit wird dieses Blatt an den Nachbarn weitergereicht. Dieser liest sich die Liste durch und kann die bereits vorhandenen Punkte kommentieren. Es ist auch möglich neue Punkte hinzuzufügen.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 3.1 - Ablauf des Meinungsbildungsprozesses

Stimmt ein Teilnehmer einem Gesichtspunkt nicht zu, fügt er die Gründe dazu bei. Diese Phase dauert solange, bis alle Teilnehmer alle Blätter durchgearbeitet haben.

Der Vorteil dieser Methode liegt darin, daß die Teilnehmer nicht durch die Argumente von anderen beeinflußt werden können, wie es häufig bei Diskussionen geschieht.

3.4 Reformulierung und Zusammenfassung

Die nächste Phase dient dazu die gesammelten Aspekte, die in der zweiten Phase gewonnen wurden, zu strukturieren.

Dies geschieht in offener Diskussion. Die in Phase zwei herausgearbeiteten Punkte werden den Teilnehmern präsentiert und sollen anschließend von ihnen bearbeitet werden. Es gibt verschiedene Bearbeitungsmöglichkeiten:

- bereits existierende Punkte können zusammengefaßt werden
- neue Punkte können hinzugefügt werden
- bestehende Punkte können aufgesplittet werden

Nach Abschluß dieser Phase werden die Gesichtspunkte numeriert und für alle sichtbar dargestellt (z.B. auf einer Tafel).

Der Zeitansatz für die dritte Phase beträgt zwischen 2 und 3 Stunden.

3.5 Bewertung

Die Bewertung ergibt die Prioritäten mit der das Zielemodell arbeiten wird.

Ausgehend von den in Phase drei klassifizierten Gesichtspunkten bildet jeder Teilnehmer eine Prioritätenmatrix, ähnlich der in Abbildung 3.2.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 3.2 - Beispiel einer Prioritätenmatrix

Die Matrix wird wie folgt erstellt:

In der ersten Spalte und Zeile stehen die Nummern der an der Tafel aufgelisteten Gesichtspunkte. In die Kästchen darunter werden die Bewertungen der Konzepte in Relation zueinander eingetragen. Der Teilnehmer beginnt in Zeile 1, zweites Kästchen. Wenn der Gesichtspunkt 1 wichtiger als / genauso wichtig wie / weniger wichtig als Gesichtspunkt 2 ist, dann trägt er in das Kästchen eine + 1 / 0 / -1 ein. Dasselbe wird mit allen nachfolgende Kästchen durchgeführt.

Der Zeitansatz für diese Phase beträgt ungefähr 30 Minuten.

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