LUFO3 Verbundvorhaben „Zweischwellenbetrieb“

„„2THOPS 2THOPS –– Auswirkungen des Auswirkungen des Betriebs zweier Landeschwellen Betriebs zweier Landeschwellen

auf einer Pisteauf einer Piste““

Dipl.-Inf. Bernhard KüpperDipl.-Psych. Juliane Reichenbach

Dipl.-Ing. Ekkehart Schubert

Projektleiter: Prof. Dr.-Ing. Manfred FrickeFachgebiet Flugführung und Luftverkehr

Institut für Luft- und Raumfahrt Technische Universität Berlin

Zentrum Mensch-Maschine-Systeme KolloquiumBerlin, den 17. November 2005

2

GliederungVortrag zur Simulatorstudie

Einleitung ZweischwellenbetriebBegriffsbestimmung - „Was bedeutet HALS/DTOP?“

Ziele des LUFO3 Verbundvorhabens „Auswirkungen des Betriebs zweier Landeschwellen auf einer Piste“

A330 Flugsimulatoruntersuchung mit PilotenA330/340 FFS / Datenerhebung / Szenarienmatrix / Ergebnisse

Realzeitsimulation mit Fluglotsen der DFSVersuchsbedingungen / Simulatoren / Geplante Kopplung

Ergebnisse der RealzeitsimulationSchwerpunkt: Belastungs- und Beanspruchungsmessung

Zusammenfassung und Ausblick

3

Einleitung ZweischwellenbetriebWas bedeutet „HALS/DTOP“ ?

26L

25R

518m

HALS = High Approach Landing SystemDTOP = Dual Threshold OPeration

2,5NM

© www.art-und-tec.de

1500m

290ft

25L

1.) HALS Probebetrieb I2.) HALS Probebetrieb II3.) HALS/DTOP3.) HALS/DTOP

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Lufo3 Verbundvorhaben„Zweischwellenbetrieb“ (2THOPS)

Finanzielle UnterstützungBundesministerium für Wirtschaft und ArbeitProjektträgerDLR „Luftfahrtforschung und –technologie“KooperationFraport AG und Technische Universität Berlin (TUB)

UnterauftragnehmerDeutsche Flugsicherung GmbH (DFS)HFC Human Factors Consult GmbH (HFC)Zentrum für Flugsimulation Berlin GmbH (ZFB)

Ziele des Vorhabens• Untersuchung der Arbeitssituation von Piloten & Lotsen• Entwicklung von Betriebsverfahren / Nutzkonzepten• Nachweis von Kapazitätseffekten• Sicherheitsnachweise• Lärmberechnung

5

Lufo3 Verbundvorhaben 2THOPS1. Simulatorstudie mit A330 Piloten

6

Prüfung der Auswirkung von HALS/DTOP auf die Arbeitssituation im Cockpit

•• Erkennbarkeit / UnterscheidbarkeitErkennbarkeit / Unterscheidbarkeitvisuelle Identifikation und Nutzung der Befeuerung

•• GenauigkeitGenauigkeitAufgabenerfüllung

•• BeanspruchungBeanspruchungEmpfundene Aufgabenschwierigkeit

Erprobung und Bewertung durch Piloten• Piloten als Experten• Prüfung von

Optimierungsmöglichkeiten

Lufo3 Verbundvorhaben 2THOPS Ziele der Untersuchung mit Piloten

7

VersuchsaufbauA330 Full Flight Simulator

ReferenzflugzeugA330-300 D-AERF LTUZulassung beim LBA nachJAR STD 1A (Level DG)Bewegungsplattform CAE 500 / 6 FreiheitsgradeSichtsystem RediffusionSPX 550 WIDE (150°x40°)Betreiber: Zentrum für Flugsimulation Berlin (ZFB)

ForschungserweiterungForschungserweiterungSScientific cientific RResearch esearch FFacilityacility

8

VersuchsaufbauScientific Research Facility (SRF)

Hostcomputer Training

Hostcomputer Research

„Stand-Alone“ vs. Training ModeVorbereitung und Tests aller Szenarien

DatenaufzeichnungZugriff auf über 80.000 Parameter

Video- und Audioaufzeichnung Kameras im Cockpit mit Zeitreferenz (Time-Code)

Anbindung über NetzwerkÜbermittlung ausgewählter Parameter und Synchronisation physiologischer Werte sowieBlickbewegungsmessequipment des HFC

SRF SRF ControlControl RoomRoom

A330 CockpitA330 Cockpit

9

VersuchsaufbauDatenerhebung (HFC)

Video- und AudioaufzeichnungZiel: Kontrolle der Versuchsabläufe und Beobachtung der Reaktionen der Crew

Blickbewegungsmessung (BBM)Ziel: Perspektive der Piloten einnehmen, objektive Daten über visuelle Erfassung der Befeuerung/Markierung

Elektrokardiogramm (EKG)Ziel: Analyse der Herzratenvariabilität als autonomer Beanspruchungsindikator

Elektrookulogramm (EOG)Ziel: Augenbewegung und Fixationen

bei Blickwendung werden alsBeanspruchungsindikatorenausgewertet

BBMBBM

EOGEOG EKGEKG

10

VersuchsaufbauDatenerhebung (TUB)

Cockpit A330Cockpit A330

Sidestick

Flight Control Unit

Schubhebel

Klappenstellungen

PFD

11

VersuchsteilnehmerPiloten (Demographics)

40 Airbus Piloten10 CPT, 2 SFO und 28 FO (davon 2 weiblich)davon 34 mit A330/340 Rating, 6 A320 Rating17 Lufthansa Crews2 LTU Crews und 1 Mix Crew (LTU und PrivatAir)

37,4 Jahre im Mittel

6.860 Flugstunden im Mittel

12

VersuchsdurchführungRandbedingungen

A330-300 mit Landegewicht von 175 t Schwerpunkt 26,5 % MAC / 10 t Kraftstoff / FUELFREEZE onWind für alle Szenarien: 210° mit 10 ktbei leichten Turbulenzen (15 %)ISA STD Bedingungen, Tageszeit (DAY)Flightdirector (FD) immer eingeschaltet Nutzung des Autopiloten und Autothrustnach AirlinestandardsFull Stop Landing mit Autobrake Mediumund Parking BrakeLufthansa Anflugkarten(ATLAS-Jeppesen, siehe Abbildung)Keine spezifische Information zu der HALS/DTOP Befeuerung (d.h. Doppelbefeuerung)

13

VersuchsdurchführungVariation der Befeuerung

DTOP HALS ICAO

14

0606

DTOP

CAVOK Minimal

VersuchsdurchführungSzenariendesign & Permutation

Wiederholungen

09090808

Sicht

0707DTOP26L26LILS/DME

0505040425L25LILS

0303HALS26L26LILS/DME

0202ICAO25L25LNDB/DMEReferenz 2„hohe Last“

0101ICAO25L25LILSReferenz 1„geringe Last“

Aufgabe (Anflug, Befeuerung)

VersucheHALS

VersucheDTOP

15

VersuchsdurchführungAblaufplan für eine Crew

Briefing• Fragebogen• Präsentation

(fliegerischer Rahmen)

• Kleben der Elektroden

Simulatorsession• Kalibrierung Blickbewegungsmessung• 9 Anflugszenarien je Pilot, 18 je Crew• Befragung nach jedem Anflug (NASA-TLX)• Beobachtung durch einen Psychologen

De-Briefing•• InterviewInterview mit der Crew

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Erster Eindruck• “Man hat das Gefühl, zu hoch zu sein” (24)• “Zunächst irritierend … besonders bei guter Sicht” (14)• “bei guter Sicht … kein Problem” (14)• “geringfügig anstrengender als normaler Anflug, NDB ist schwieriger” (4)

Probleme• “das Gewohnte (der Standard) ist uns lieber” (6)• “falscher Weg”, “gar nicht gefallen”, “nicht stimmig” (3)• “schwierig bei anderer Last” (Müdigkeit, Langstrecke, Ablenkung) (8)

Einzelne Elemente bei DTOP Befeuerung• “Verwirrung durch zwei PAPI in Sicht”

bzw. “Falsches PAPI zuerst in Sicht” (15)• “Touchdown Zone (26L) schlecht zu sehen”, “… zu dunkel” (14)• “durch Edge lights entsteht Eindruck,

man sei zu hoch” (5)

VersuchsauswertungInterviews – DTOP Bewertung allgemein

17

Mental vorbereiten (22)• “Visueller Eindruck”•• ““WelcheWelche SchwelleSchwelle istist meinemeine??””• “In Approach Briefing einbeziehen”• “Glideslope awareness”

Lange Lange automatischautomatisch fliegenfliegen (8)

Instrumente (7)• “… auf Instrumente schauen”• “… länger nach ILS fliegen”

VersuchsauswertungInterviews – DTOP Hinweise an Kollegen

18

0

500

1000

1500

2000

2500

3000

ILS 25

L ICAO C

AVOK (1)

NDB/DME 25

L ICAO (2

)ILS

26L H

ALS (3

)

ILS 25

L DTOP C

AVOK (4)

ILS 25

L DTOP (5

)

ILS 26

L DTOP C

AVOK (6)

ILS 26

L DTOP (7

)ILS

26L D

TOP (8)

ILS 26

L DTOP (9

)

Autopilot = OFF Autothrust = OFF

Versuchsauswertung (TUB)Abschalten Autopilot & Autothrust

Rad

iohöhe

[ft]

CAVOKCAVOK

19

0

200

400

600

800

1000

1200

25L 26L

CAVOK schlechte Sicht DH

Versuchsauswertung (TUB)Abschalten Autopilot (DTOP Befeuerung)

25L

26L

Rad

iohöhe

[ft]

25L25L 26L26L

DTOP DTOP -- CAVOKCAVOK

DTOP DTOP -- schlechte Sichtschlechte Sicht

20

Versuchsauswertung (TUB) Ansagen der Schwelle

0

2

4

6

8

10

12

14

16

ILS 26

L HALS

ILS 25

L DTOP C

AVOK

ILS 25

L DTOP

ILS 26

L DTOP C

AVOK

ILS 26

L DTOP

ILS 26

L DTOP

ILS 26

L DTOP

CAVOKCAVOK

Wie oft wurde die Schwelle angesagt bei welchem Szenario?

21

Versuchsauswertung (TUB) 3D Darstellung Szenario 01

22

Versuchsauswertung (TUB) 3D Darstellung Szenario 02

Side Stick InputsNDB-DME Approach

5 Go-Arounds !!!

23

Ergebnisse der 1. SimulatorstudieZusammenfassung (TUB & HFC)

Erkennbarkeit und Unterscheidbarkeit• Klare visuelle Trennung der beiden SchwellenTrennung der beiden Schwellen im Blickverhalten• Gleiche Blickstrategien für beide Schwellen• Keine Hinweise auf Verwirrung in der Blickanalyse• Bei Anflügen auf 26L dienen Befeuerungselemente der 25L zur

Orientierung

Genauigkeit• Aufsetzpunktablage bei Anflug auf 26L geringer• Nur geringe Glideslope-Abweichungen beim Anflug auf 26L

Beanspruchung• NDB-DME stellt mit Abstand die höchste Beanspruchung dar•• EinfluEinflußß der Sicht ist grder Sicht ist größößer als der Einfluer als der Einflußß der Schwelleder Schwelle• Leicht höhere Beanspruchung bei DTOP 26L Anflug zurückzuführen

auf größeres Bemühen, genau zu fliegen• Subjektive und physiologische Daten

unterstützen einander

24

2. Versuchsreihe - Realzeitsimulation Lotsenuntersuchung

25

AdvancedAdvanced FunctionFunction Simulator AFSSimulator AFS• Forschungssimulator für En-Route- und TMA-Bereich• Lotsenarbeitsplätze entsprechen weitgehend denen im

operationellen Bereich• Touch-Input-Device für Online- und NASA-TLX-

Befragungen

Towersimulator TOWSIM• nur zur Steigerung der Realitätsnähe, nicht Gegenstand

der Untersuchung• daher vereinfachte Simulation (Emulation)• ohne Darstellung der Außensicht

2. Versuchsreihe - Realzeitsimulation Simulatoren der DFS

26

2. Versuchsreihe - Realzeitsimulation Aufbau Simulatorkopplung

Kopplung des Airbus A330/340 Flugsimulator mit dem Advanced Function Simulator• Unterschiedliche Standorte Berlin und Langen/Hessen• Bandbreite Internet• Sicherheit IPSec & Gateway mit Firewall (PIX)

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2. Versuchsreihe - Realzeitsimulation Durchführung Simulatorkopplung

nicht realisiert nicht realisiert • offiziell zu teuer (DFS wollte zusätzlich Geld)

Nachteile/was wurde dadurch verpaNachteile/was wurde dadurch verpaßßtt• Simulationspiloten keine echten Piloten• kein Abgleich Radar-/Flugzeugdaten (Flaps/Gear)• zukünftige Projekte

DFS interne KopplungDFS interne Kopplung• nur zwischen Tower Simulator und AFS• hat nichts mit der im Projekt geplanten Kopplung zu tun!

ICAS Hamburg:ICAS Hamburg:• warum wurde 1. und 2. VR nicht gemeinsam durchgeführt?

28

2. Versuchsreihe - RealzeitsimulationSimulierter Luftraum TMA Frankfurt

OR1

OR3

OR5

NKR

KIR

RUD

TAU

NR1

NR3NR4NR2

APP EDDF

PFA

OR4

OR2

0 5 10 15 20 30 40 50 60 NM

PSA

GED

OSMAX

OTKUR

Vereinfachter LuftraumSimulierter Luftraum

An- und Abflüge bei Betriebsrichtung 25

Bahn 25R/25L/26Lincl. RWY 18

TMA = Terminal Manoeuvring Area

29

14 Arbeitspositionen• 4 Arbeitspositionen für Lotsen (Approachbereich)• 1 Arbeitsposition für Lotsen (Towerbereich, vereinfacht)• 5 Arbeitspositionen für Simulationspiloten

(Approachbereich)• 2 Arbeitspositionen für Simulationspiloten (Towerbereich)• 2 Arbeitspositionen für Simulationspiloten/Lotsen für

umgebenden Luftraum (in der Regel nur 1 Pos. besetzt)

4 gemessene Arbeitspositionen• Feeder• Pickup Nord• Pickup Süd• Departure

2. Versuchsreihe - Realzeitsimulation DFS-Simulationspersonal

30

2. Versuchsreihe - RealzeitsimulationGemessene Lotsenpositionen

Arbeitsteilungder Lotsen am AFS:

1 „Pickup Nord“1 „Pickup Süd“1 „Feeder“

1 Departure

PSACHA

MTRGED

ETARU

EPINO

ROKIM

EDDF APP RWY 25

ROLIS

31

2. Versuchsreihe - RealzeitsimulationDurchführung am AFS in Langen

32

2. Versuchsreihe - Realzeitsimulation Hypothesen

Bei gleicher Verkehrszusammensetzung ist die Belastung des Lotsen bei der Anwendung des DTOP Verfahrens höher. Die Sprechfunkbelastung steigt bei der Anwendung des DTOP Verfahrens. Die Koordinationsaufwände zwischen den Lotsenpositionen werden bei der Anwendung des DTOP Verfahrens größer. Bei gleicher Verkehrszusammensetzung ist die Beanspruchung des Lotsen bei der Anwendung des DTOP Verfahrens höher.

33

2. Versuchsreihe - Realzeitsimulation Methode

Versuchsteilnehmer• 11 Lotsen; 10,6 Jahre Erfahrung• Lotsenpositionen: Feeder, Pickup Nord, Pickup

Süd, Departure

Versuchsbedingungen • 10 heavies mit DTOP vs. ohne DTOP• 20 heavies mit DTOP vs. ohne DTOP

34

2. Versuchsreihe - Realzeitsimulation Methode

TätigkeitsanalyseHerzrate, HRVNasa TLXFragebogen, InterviewSimulatordaten

35

2. Versuchsreihe - Realzeitsimulation Tätigkeitsanalyse

Erfassung folgender Tätigkeiten:Kommunikation mit Piloten (r/t)Kommunikation mit angrenzenden Sektoren (Telefon)direkte Kommunikation zwischen Pickup Nord, Pickup Süd und Feeder (Ellenbogen)Kommunikation mit dem Tower-Arbeitsplatz (Gegensprechen)Eingabe RadarStripmarkingSonstiges

36

2. Versuchsreihe - Realzeitsimulation Tätigkeitsanalyse

Die Auswertung erfolgte einzeln für dieLotsenpositionen Feeder, Pickup Nord, Pickup Süd

aktive ZeitGesamtdauer pro Tätigkeit Dauer der Tätigkeiten pro Luftfahrzeug

37

2. Versuchsreihe - Realzeitsimulation Tätigkeitsanalyse

Feeder: Aktive Zeit

DTOP vs. no DTOP, 20 heavies

0 500 1000 1500 2000 2500

aktive Zeit

[s]

dtop nodtop

DTOP vs. no DTOP, 10 heavies

0 500 1000 1500 2000 2500

aktive Zeit

[s]

dtop nodtop

38

2. Versuchsreihe - Realzeitsimulation Tätigkeitsanalyse

Feeder: Dauer pro Tätigkeit

DTOP vs. no DTOP, 20 heavies

0 500 1000 1500 2000 2500

Kommunikation mit Piloten

Stripmarking

Ellbogen

Telefon

Gegensprechen

Radar

Sonstiges

[s]

dtop nodtop

DTOP vs. no DTOP, 10 heavies

0 500 1000 1500 2000 2500

Kommunikation mit Piloten

Stripmarking

Ellbogen

Telefon

Gegensprechen

Radar

Sonstiges

[s]

dtop nodtop

39

2. Versuchsreihe - Realzeitsimulation Tätigkeitsanalyse

Feeder: Dauer der Tätigkeiten pro LFZ

DTOP vs. no DTOP, 20 heavies

0 5 10 15 20 25 30 35 40 45

Kommunikation mit Piloten

Stripmarking

Ellbogen

Telefon

Gegensprechen

Radar

Sonstiges

[s/LFZ]

dtop nodtop

DTOP vs. no DTOP, 10 heavies

0 5 10 15 20 25 30 35 40 45

Kommunikation mit Piloten

Stripmarking

Ellbogen

Telefon

Gegensprechen

Radar

Sonstiges

[s/LFZ]

dtop nodtop

40

2. Versuchsreihe - Realzeitsimulation Tätigkeitsanalyse

Pickup Nord

DTOP vs. no DTOP, 10 heavies

0 500 1000 1500 2000 2500

Kommunikation mit Piloten

Stripmarking

Ellbogen

Telefon

Gegensprechen

Radar

Sonstiges

[s]

dtop nodtop

DTOP vs. no DTOP, 20 heavies

0 500 1000 1500 2000 2500

Kommunikation mit Piloten

Stripmarking

Ellbogen

Telefon

Gegensprechen

Radar

Sonstiges

[s]

dtop nodtop

41

2. Versuchsreihe - Realzeitsimulation Tätigkeitsanalyse

Pickup Süd

DTOP vs. no DTOP, 10 heavies

0 500 1000 1500 2000 2500

Kommunikation mit Piloten

Stripmarking

Ellbogen

Telefon

Gegensprechen

Radar

Sonstiges

[s]

dtop nodtop

DTOP vs. no DTOP, 20 heavies

0 500 1000 1500 2000 2500

Kommunikation mit Piloten

Stripmarking

Ellbogen

Telefon

Gegensprechen

Radar

Sonstiges

[s]

dtop nodtop

42

2. Versuchsreihe - Realzeitsimulation Physiologische Messungen

Messung erfolgt mittels Polar S810Nur IBI aufgezeichnet

43

2. Versuchsreihe - Realzeitsimulation Physiologische Messungen

HerzratermssdLow frequencyHigh frequencyHigh frequency/low frequency

44

2. Versuchsreihe - Realzeitsimulation Physiologische Messungen

Feeder

DTOP vs. no DTOP, 10 heavies

0 20 40 60 80

Herzrate

rMSSD [ms]

dtop nodtop

45

2. Versuchsreihe - Realzeitsimulation Zusammenfassung

Anzahl LFZ: DTOP > no DTOP Sprechfunkbelastung: DTOP > no DTOP insgesamt, aber nicht pro LFZ Koordinationsaufwand: DTOP > no DTOP HR, HRV: keine Unterschiede zwischen DTOP und no DTOPTLX: keine Unterschiede zwischen DTOP und no DTOP

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Lufo3 Verbundvorhaben Ausblick

In Bearbeitung:Sicherheitsbetrachtung • Wird durch die DFS und Fraport durchgeführt

Nutzkonzepte• Implementierung von HALS/DTOP weltweit

Lärmberechnung• Auswirkung von DTOP auf das Flughafenumfeld

in Frankfurt/Main