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Main Title: Makrokognitive Modellierung mentaler Beanspruchung von Towerlotsen mit farbigen Petrinetzen
Translated Title: Macro-cognitive modelling of mental workload of aerodrome air traffic controlers using colored petri nets
Author(s): Smieszek, Hardy
Advisor(s): Rußwinkel, Nele
Referee(s): Jürgensohn, Thomas
Granting Institution: Technische Universität Berlin, Fakultät V - Verkehrs- und Maschinensysteme
Type: Doctoral Thesis
Language: German
Language Code: de
Abstract: In den vergangenen Jahren hat der Flugverkehr weltweit stark zugenommen und wird auch in den kommenden Jahren weiter zunehmen. Hauptaufgabe der Lotsen am Flughafen ist die sichere und flüssige Abwicklung des Boden- und Luftverkehrs innerhalb ihrer Kontrollzone. Dabei sind die Lotsen einem ständigen trade-off zwischen Effizienz und Gründlichkeit ausgesetzt, welcher bei steigendem Flugverkehrsaufkommen Richtung Effizienz verschoben werden muss, wodurch das Risiko erhöht wird, dass vom Lotsen Fehler gemacht werden und es damit zu kritischen Situationen auf dem Rollfeld kommt. Ist bekannt, zu welchen Zeitpunkten ein Lotse Gefahr läuft überlastet zu werden, kann gegengesteuert werden, um beispielsweise kognitive Kapazitäten freizugeben und das Risiko für Fehler zu senken. Es ist daher von größter Wichtigkeit, den Verlauf der mentalen Beanspruchung des Lotsen über die Zeit zu untersuchen, zu beobachten und im Idealfall sogar vorhersagen zu können. Die zur Aufnahme mentaler Beanspruchung vorhandenen Methoden sind allerdings für deren Erfassung und Vorhersage nicht vollständig geeignet. Auch der Versuch mentale Beanspruchung von Fluglotsen mittels mathematischer Indizes vorherzusagen ist unzureichend, da lediglich objektive Belastungsfaktoren, wie das Verkehrsaufkommen, nicht aber subjektive Faktoren der Person, wie bspw. Erfahrung und Training, berücksichtigt werden. Mit Hilfe der kognitiven Modellierung soll diese Lücke geschlossen werden, wobei zur Lösung dieses Problems ein innovativer Modellierungsansatz erforderlich ist, welcher nicht nur die Umgebungsfaktoren in Betracht zieht, sondern auch das menschliche Handeln und die kognitiven Prozesse betrachtet. Durch die Simulation von Modellen ist dann eine Antizipation zukünftiger Situationen möglich. Anhand der Richtlinien für die Entwicklung kognitiver Simulationen nach Cacciabue wurden einschlägige Analysen des Flugverkehrskontrollsystems sowie kognitionspsychologischer Theorien der Informationsverarbeitung und mentaler Beanspruchung durchgeführt, die als Grundlage für die Implementierung eines makrokognitiven Modells der Flughafenverkehrskontrolle (MATriCS; Model of Airport Traffic Control System) auf der Basis farbiger Petrinetze dienen, welches zur Vorhersage der mentalen Beanspruchung von Towerlotsen verwendet wird. Die Validierung des Modells erfolgte in einer realitätsnahen Computersimulation der Towerlotsentätigkeit, wobei verschiedene Beanspruchungsmaße erhoben wurden (subjektive, physiologische, Leistungsmaße). Die Ergebnisse konnten zeigen, dass das Modell mentale Beanspruchung hinreichend diagnostisch abbildet und in der Lage ist sowohl den Trend der individuellen Beanspruchungsverläufe mit mittlerer Güte als auch die mittlere Beanspruchungshöhe zu replizieren.
In recent years air traffic has increased rapidly and will continue to increase in the next years. The main task of air traffic controllers at airports is the safe and efficient handling of aircraft of air and ground traffic within their designated control zone. In doing so they have to reach a tradeoff between efficiency and thoroughness which under the condition of growing air traffic has to be shifted towards efficiency whereby the risk of controller errors and critical situations on the airfield raises. It is therefore necessary to know at which point in time the controller is likely to get overloaded to be able to efficiently counteract in order to release cognitive capacity and therefore to reduce the risk of error. It is of great importance to investigate, observe and ideally to predict the distribution of mental workload of the controller over time. The available methods for capturing mental workload are, however, not fully appropriate for its detection and prediction. The attempt to predict mental workload of air traffic controllers by using mathematical indices is insufficient as well, since solely objective factors of load like traffic amount but not subjective factors like training or experience are taken into account. With the help of cognitive modelling this gap shall be closed. In order to solve this problem an innovative approach to modelling is needed which not only takes environmental factors but also human behaviour and cognitive processes into account. Due to simulation of models an anticipation of future situations is possible. Following basic guidelines for the development of cognitive simulation according to Cacciabue relevant analyses of the air traffic control system as well as theories of information processing and mental workload from cognitive psychology were conducted which serve as a foundation for implementing of a macro-cognitive model of airport traffic control system (MATriCS; Model of Airport Traffic Control System) based on coloured petri nets which is used for prediction of mental workload of tower controllers. The validation of the model took place within a realistic computer simulation of the tasks of tower controllers while different measures of mental workload were gathered (subjective, physiological, performance measures). Results show that the model illustrates mental workload with sufficient diagnosticity and is able to replicate both the trend of the individual distribution of mental workload over time with average goodness as well as the mean workload level.
URI: urn:nbn:de:kobv:83-opus4-58649
http://depositonce.tu-berlin.de/handle/11303/4540
http://dx.doi.org/10.14279/depositonce-4243
Exam Date: 24-Oct-2014
Issue Date: 10-Nov-2014
Date Available: 10-Nov-2014
DDC Class: 006 Spezielle Computerverfahren
158 Angewandte Psychologie
Subject(s): Farbige Petrinetze
Flugverkehrskontrolle
Kognitive Modellierung
Makrokognition
Mentale Beanspruchung
Air traffic control
Cognitive modelling
Colored petri nets
Human factors
Mental workload
Usage rights: Terms of German Copyright Law
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