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Zukunftsorientierte Entwicklung und Bewertung eines integrierten fensterlosen Cockpitsystems
Berth, Christian
Inst. Luft- und Raumfahrt
Zunehmende Automatisierung und eine hohe Technologiequalität führten im Verlauf der vergangenen 25 Jahre zu einem kontinuierlichen Rückgang der Unfallrate trotz steigender Luftverkehrszahlen. Innerhalb dieses Zeitraums fand parallel eine quantitative Verschiebung bezüglich der betroffenen Unfallkategorien statt. Während Ausfälle auf Grund technischen Versagens rückläufig sind, führen heute Mensch Maschine Schnittstelle (MMS) induzierte Unfälle die Statistiken an. Ein großer Teil dieser Unfälle findet in Situationen beschränkter Automation und hoher Arbeitslast statt. Weiterführend ist vor allem schlechte Sicht als Hauptgrund für einen fatalen Ausgang genannter Situationen auszumachen. Zunehmender Luftverkehr und hohe Verkehrsdichten im Nahbereich von Flughäfen führen zusätzlich zu einem Anstieg der Beanspruchung des Mensch Maschine Systems in An- und Abflugphasen. Bezugnehmend auf funktionale und informationstechnische Einschränkungen heutiger Cockpitsysteme bei schlechten Sichtbedingungen, vor allem in Situationen hoher Arbeitslast und geringer Automation, wurde im Rahmen dieser Arbeit ein neues und vollständig integriertes Cockpitsystem entwickelt. Ziel war es, unabhängig von bestehenden Sicht- und Wetterverhältnissen ein hohes Situationsbewusstsein hinsichtlich der Erfüllung primärer Flugführungsaufgaben (Kontrollieren, Navigieren, Kommunizieren) zu ermöglichen. Im Verlauf des Auslegungsprozesses wurden iterativ mehrere technologische Ansätze diskutiert. Letztlich zielführend wurde die Einführung eines integrierten fensterlosen Sicht- und Flugführungssystems und damit die Abkehr von herkömmlichen Cockpitkonzepten erachtet. Dazu baut das entworfene Cockpitsystem auf einer Kollimationsvisualisierungstechnik mit großem peripherem Sichtfeld auf. Darüber hinaus zeichnet sich die hier nachhaltig verbesserte MMS durch eine flexible Integration in zukünftige Luftfahrzeuggenerationen aus. Die Anforderungen an das Enhanced Collimated Visual and Flight Information System (ECoVisFIS) genannte Cockpitsystem beruhen auf der Future Integrated Passenger Aircraft Cockpit (FIPAC) Konzeptbasis. Diese Basis stellt eine Grundlage der vorliegenden Arbeit dar und skizziert Anforderungen an ein modernes Cockpitlayout, das zukünftige Entwicklungen im Luftfahrzeugbau, den stetig wachsenden Luftverkehr, aktuelle Flugunfallstatistiken sowie menschliche Prozesse der Wahrnehmung berücksichtigt. Weiterführend wurden Schwachstellen der Automation sowie ökonomische und ökologische Aspekte bei der Konzepterstellung beachtet. Neben der theoretischen Auslegung des ECoVisFIS stand die praktische Umsetzung mit anschließender Versuchsreihe auf Basis eines zertifizierten Airbus A330/340 Convertible Full Flight Simulators im Vordergrund. Dazu wurde das theoretisch vorliegende Cockpitsystem auf die praktischen Beschränkungen der Versuchsumgebung sowie weitere administrative Randbedingungen angepasst. Nach erfolgreichem Testlauf wurde eine mehrwöchige Versuchsreihe mit 24 professionellen Piloten und Pilotinnen verschiedener Luftfahrtgesellschaften durchgeführt. Die Probanden bildeten einen Durchschnitt verschiedener Erfahrungsstufen, Musterberechtigungen und Senioritäten. Die Ergebnisse der Forschungsreihe zeigten deutlich die Vorteile des neuen Cockpitsystems in Bezug auf die fortschrittliche Adaption der MMS und entsprechen damit den Erwartungen sowie verschiedenen Beobachtungen bezüglich vorangegangener Experimente mit MMS Bezug. Die tiefgreifende Umstrukturierung des Cockpits verspricht dazu weitreichende Vorteile in betrieblicher Hinsicht.
Increasing automation and a high degree of technology led in the course of the past 25 years to a continuous decline in the overall air traffic accident rate in spite of increasing air traffic numbers. Within this period, a quantitative shift took place regarding the accident categories. While failure due to technical issues is on a decline, failures because of the Human Machine Interface (HMI) are increasing. So the majority of current air traffic accidents have been found in the category of Human Machine Interface Failure. A large portion of these accidents takes place in situations of restricted automation and high work load. Above all, poor visibility still remains as the main reason in this category. Increasing air traffic and high traffic density around airports cause additional stress on the man-machine system during takeoff and landing. In regard to the restrictions of today's cockpit systems, particularly in situations of high working load and little automation, a completely integrated cockpit system has been developed. The goal was to create an environment that allows high situation awareness to support the fulfillment of primary tasks of flight control (control, navigation, communication) totally independent of existing visibility and weather conditions. In the course of the interpretation process, several different technological approaches were discussed. In the end, an integrated windowless visual and flight guidance system and thus a break from conventional cockpit concepts has been introduced. The windowless cockpit system is based on a collimation visualization technology with large peripheral field of view. Beyond this improvement, the HMI is also characterized by a flexible integration into future aircraft generations. The requirements for the Enhanced Collimated Visual and Flight Information System (ECoVisFIS) cockpit system are based on the Future Integrated Passenger Aircraft Cockpit (FIPAC) concept defined earlier in this work. The latter outlines requirements for a modern cockpit layout, which will adapt to future developments in the design of aircrafts, considering constantly growing air traffic, current flight accident statistics as well as human processes of perception. In addition, weak points of automation as well as economic and ecological aspects were considered during this work. Beside the theoretical design of the ECoVisFIS stood the practical conversion with test series using a certified Airbus A330/340 Convertible Full Flight Simulator. In addition, it has been attempted to adapt the theoretically available cockpit system to the practical restricted simulation environment, including administrative boundaries. After a successful test run an experimental series lasting several weeks with 24 professional pilots from different Airlines has been started. The test person's background included different levels of experience and seniority. The results of the research series showed clearly the advantages of the new cockpit system regarding the progressive adaptation of the HMI and correspond therefore to earlier set expectations as well as different observations concerning preceding experiments with HMI. Finally the profound restructuring of the cockpit promises extensive advantages in the operational field.
