TU Darmstadt / ULB / TUprints

Evaluation of Pilot Vigilance during Cruise towards the Implementation of Reduced Crew Operations

Neis, Stefan Manuel (2020):
Evaluation of Pilot Vigilance during Cruise towards the Implementation of Reduced Crew Operations.
Darmstadt, Technische Universität,
DOI: 10.25534/tuprints-00011376,
[Ph.D. Thesis]

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Item Type: Ph.D. Thesis
Title: Evaluation of Pilot Vigilance during Cruise towards the Implementation of Reduced Crew Operations
Language: English
Abstract:

Airlines operate in a highly competitive economic environment and hence seek to reduce cost. This thesis examines effects of a proposed reduction of flight crew to one pilot during cruise flight. It is hypothesized that the barrier to implementing Single Pilot Operations is the failure to consider the socio-technical system. Research to date focuses on high workload phases. A literature research reveals that no concept exists that addresses flight phases of low workload and their related challenges, such as reduced vigilance. A task analysis was conducted to identify those tasks that pilots execute during the cruise phase. It was assessed that under normal operations, workload is minimal, and pilots keep themselves engaged and thus vigilant through operations-unrelated tasks. An experiment was then designed to estimate vigilance levels during a simulated cruise flight in a realistic, non-laboratory environment. 10 engineering students acted as pilots and executed a 4 hour cruise flight under realistic conditions including communication and check tasks. For comparison, both Single and Dual Pilot Operation conditions were simulated. Subject’s vigilance was estimated through Psychomotor Vigilance Tasks, subjective assessments, and changes in physiological parameters over time. These include Engagement Indices obtained through Electroencephalogram, concentration of oxygenated hemoglobin and heart rate through near infrared spectroscopy, and eye blink frequencies and durations. Results were inconsistent, as vigilance is very dependent on personal characteristics. Nevertheless, based on 3 physiological parameters, the experiment confirmed that vigilance decreased significantly when no critical events occurred. An objective performance decrement was not detected. With the onset of a simulated critical event, vigilance increased significantly. No significant differences were found in the vigilance decrement between operating regime conditions. It was concluded that not the crew complement is the underlying cause of the vigilance decrement, but the nature of the cruise phase and lacking opportunities for meaningful engagement. To close the research gap, a new human centric single pilot concept of operations was developed. An on-board mission manager is assigned mission management tasks. Mission planning and airline operations support functions keep the mission manager engaged and vigilant during the flight. Following this thesis, the new concept of operations should be implemented and validated with regards to vigilance levels.

Alternative Abstract:
Alternative AbstractLanguage
Fluggesellschaften operieren in einem wettbewerbsintensiven wirtschaftlichen Umfeld und versuchen, Kosten zu senken. Diese Arbeit untersucht Auswirkungen der vorgeschlagenen Reduzierung der Crew auf einen Piloten im Reiseflug. Es wird vermutet, dass die Hürde zur Einführung von Single Pilot Operations darin liegt, dass das sozio-technische System nicht berücksichtigt wird. Bisherige Forschung konzentriert sich auf Phasen mit hoher Arbeitsbelastung. Eine Literaturrecherche zeigt, dass kein Konzept existiert, das Flugphasen mit geringer Arbeitsbelastung und damit verbundene Herausforderungen, z.B. verminderte Vigilanz, adressiert. Eine Aufgabenanalyse wurde zur Identifikation aller Aufgaben durchgeführt, die Piloten während des Reiseflugs ausführen. Die Arbeitsbelastung im Normalbetrieb ist dabei minimal und Piloten beschäftigen sich während des Flugs mit anderen Tätigkeiten. Ein Experiment wurde entwickelt, um die Vigilanz während eines simulierten Reisefluges in einer realistischen Umgebung abzuschätzen. 10 Ingenieursstudenten agierten als Piloten und führten einen vierstündigen Reiseflug unter realistischen Bedingungen einschließlich Kommunikations- und Checkaufgaben durch. Zum Vergleich wurden sowohl Single als auch Dual Pilot Operations simuliert. Die Vigilanz der Probanden wurde anhand Psychomotor Vigilance Tasks, subjektiver Beurteilungen und Änderungen physiologischer Parameter im Zeitverlauf geschätzt. Dazu gehören Engagement Indizes mittels Elektroenzephalogramm, Konzentration von oxygeniertem Hämoglobin und Herzfrequenz mittels Nahinfrarotspektroskopie sowie Augenblinzelfrequenzen und -dauern. Die Ergebnisse waren inkonsistent, da Vigilanz stark von persönlichen Eigenschaften abhängt. Basierend auf 3 physiologischen Parametern bestätigte das Experiment jedoch, dass die Vigilanz signifikant abnahm, wenn keine kritischen Ereignisse eintraten. Ein objektiver Leistungsabfall wurde nicht gemessen. Mit einem simulierten kritischen Ereignis nahm die Vigilanz signifikant zu. Es wurden keine signifikanten Unterschiede in der Vigilanzabnahme zwischen den operationellen Systemen festgestellt. Daraus wurde geschlossen, dass nicht die Anzahl der Piloten sondern die geringe Einbeziehung des Menschen hauptursächlich für Vigilanzabnahme ist. Um die Forschungslücke zu schließen, wurde ein neues menschzentriertes Single Pilot Konzept entwickelt. Einem Missionsmanager werden Aufgaben des Missionsmanagements zugewiesen. Missionsplanungs- und Flugbetriebsunterstützungsfunktionen sorgen dafür, dass der Missionsmanager aufmerksam bleibt. Im Anschluss an diese Arbeit sollte das neue Konzept validiert werden.German
Place of Publication: Darmstadt
Classification DDC: 600 Technik, Medizin, angewandte Wissenschaften > 620 Ingenieurwissenschaften
Divisions: 16 Department of Mechanical Engineering > Institute of Flight Systems and Automatic Control (FSR)
16 Department of Mechanical Engineering > Institute of Flight Systems and Automatic Control (FSR) > Pilot Assistance Systems
Date Deposited: 04 May 2020 11:07
Last Modified: 09 Jul 2020 06:24
DOI: 10.25534/tuprints-00011376
URN: urn:nbn:de:tuda-tuprints-113769
Referees: Klingauf, Prof. Dr. Uwe and Bruder, Prof. Dr. Ralph
Refereed: 3 December 2019
URI: https://tuprints.ulb.tu-darmstadt.de/id/eprint/11376
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