| License: Publishing license for publications including print on demand (13MB) |
- URN to cite this document:
- urn:nbn:de:bvb:355-epub-290152
- DOI to cite this document:
- 10.5283/epub.29015
| Item type: | Thesis of the University of Regensburg (PhD) |
|---|---|
| Date: | 12 December 2013 |
| Referee: | Prof. Dr. Dr. Alf Zimmer and Prof. Dr. Hans Gruber and Prof. Dr. Andreas Mühlberger |
| Date of exam: | 25 October 2013 |
| Institutions: | Human Sciences > Institut für Psychologie > Alumni or Retired Professors > Lehrstuhl für Psychologie (Allgemeine und Angewandte Psychologie) - Prof. Dr. Alf Zimmer Human Sciences > Institut für Psychologie > Alumni or Retired Professors |
| Keywords: | Stereoskopie, Flugsicherung, air traffic control, 3D, ROC Analyse, conflict detection |
| Dewey Decimal Classification: | 100 Philosophy & psychology > 150 Psychology |
| Status: | Published |
| Refereed: | Yes, this version has been refereed |
| Created at the University of Regensburg: | Yes |
| Item ID: | 29015 |
Abstract (German)
Durch die fortwährende Zunahme des Luftverkehrsaufkommens wird das Flugsicherungssystem mit stetig wachsenden Sicherheits- und Effizienzanforderungen konfrontiert. Aufgrund ihrer Verantwortung für eine sichere, geordnete und rasche Luftverkehrsabwicklung sind vor allem die Fluglotsen von den steigenden Anforderungen betroffen. Grenzen der menschlichen Informationsverarbeitungskapazität bilden ...
Abstract (German)
Durch die fortwährende Zunahme des Luftverkehrsaufkommens wird das Flugsicherungssystem mit stetig wachsenden Sicherheits- und Effizienzanforderungen konfrontiert. Aufgrund ihrer Verantwortung für eine sichere, geordnete und rasche Luftverkehrsabwicklung sind vor allem die Fluglotsen von den steigenden Anforderungen betroffen. Grenzen der menschlichen Informationsverarbeitungskapazität bilden hierbei eine der zentralen leistungsbestimmenden Größen. Kognitiven Modellen zufolge lässt sich die Effizienz, mit der sich menschliche Informationsverarbeitungsressourcen nutzen lassen, durch die Auslegung der Mensch-Maschine-Schnittstelle gezielt beeinflussen.
Aufgrund der räumlichen Natur der Fluglotsenaufgabe wurde in der vorliegenden Arbeit die Verwendung stereoskopischer 3D Anzeigen als zielführende Gestaltungsoption identifiziert, da sie wesentliche Grundlagen für eine ökologische und damit sowohl effektive als auch effiziente Situationswahrnehmung mit sich bringen. Gleichzeitig erzeugen sie Wahrnehmungsambiguitäten, die zu Unsicherheiten über räumliche Objektpositionen führen, und sich dadurch negativ auf die erforderlichen Informationsverarbeitungsressourcen auswirken können. Aus dem aktuellen Forschungs- und Entwicklungsstand zum Einsatz von 3D in der Flugsicherung wurde herausgearbeitet, dass für eine Bewertung deren Potentials nicht nur ihre Anzeigeeigenschaften, sondern auch die auszuführenden Aufgaben, die vorherrschende auditorische Belastungssituation, sowie die Expertise, Einstellung und Persönlichkeit der Zielgruppe einzubeziehen sind. Der Grund dafür liegt darin, dass auch diese Aspekte einen Einfluss auf die Evaluationsergebnisse ausüben und die Ergebnisinterpretation aufgrund von Wechselwirkungen beeinträchtigen können. Daher wurde zunächst die Kernaufgabe herausgearbeitet sowie das gegenwärtige Anzeigekonzept und die Belastungsstruktur beschrieben. Anschließend wurde die aktuelle Befundlage auf die o.g. Aspekte hin analysiert, und davon ausgehend die relevanten Forschungsbedarfe identifiziert. Aufbauend darauf wurden sowohl ein das Referenzsystem repräsentierendes und als Vergleichsgrundlage dienendes 2D Anzeigekonzept entworfen, als auch drei stereoskopische 3D Anzeigekonzepte entwickelt, die jeweils spezifische Stärken und Schwächen erwarten lassen. Als Evaluationsgrundlage wurden repräsentative Konfliktszenarien auf Basis zweier Luftfahrzeuge ausgearbeitet, die eine systematische Variation und experimentelle Kontrolle der relevanten Aufgabenmerkmale erlauben. Die auditive Belastungssituation zur Abbildung der Sprechfunkbelastung wurde durch eine parallel zur Szenarienbeobachtung auszuführende und standardisierte auditorische Zusatzaufgabe erzeugt. Die Einflüsse von Expertise und kognitiver Leistungsfähigkeit wurden durch die Rekrutierung von Fluglotsen, Piloten und Laien ermittelt. Von letzteren erhielt eine Teilgruppe ein eigens hierfür entwickeltes Konfliktbeurteilungstraining. Der Einsatz etablierter kognitiver Leistungstests und Verfahren zur Einstellungsmessung und Persönlichkeitsbeschreibung diente der Identifikation kognitiver Aspekte, die einen Einfluss auf die Leistung mit einem jeweiligen Anzeigekonzept ausüben, sowie der Analyse von Zusammenhängen zwischen Einstellung bzw. Persönlichkeit und der Leistung bei der Aufgabenausführung.
Die stereoskopischen 3D Anzeigen führen sowohl zu Effektivitäts- als auch zu Effizienzvorteilen. Mit ihnen wird eine höhere Konflikterkennungsrate bei einer gleichzeitig geringeren Anzahl an Falschalarmen erzielt. Ihr Vorteil gegenüber der 2D Referenzanzeige liegt vor allem in einer verbesserten Einschätzbarkeit vertikaler Bewegungsverläufe, der sich bei Vorliegen der auditorischen Zusatzbeanspruchung verstärkt. Zur Einschätzung horizontaler Bewegungsverläufe erweisen sie sich weniger gut geeignet als 2D. Das Vorhandensein von Konfliktbeurteilungsexpertise führt zu einer generellen Erhöhung der Entscheidungssicherheit. Außerdem resultiert die 2D Referenzanzeige in einer geringeren Einschätzung der körperlichen Beanspruchung. Darüber hinaus lassen Zusammenhangsanalysen den Schluss zu, dass 2D weniger hohe Anforderungen an die räumliche Orientierungs- und Aufmerksamkeitsleistung der Operateure stellt als die stereoskopischen 3D Anzeigen. Nichts desto trotz präferieren die Probanden, mit Ausnahme der Fluglotsen, stets eine der stereoskopischen 3D Varianten mit Lotdarstellung. Persönlichkeits- und Einstellungsmerkmale üben keinen Einfluss auf die Evaluationsergebnisse aus.
Die abschließende Diskussion erörtert den Beitrag dieser Arbeit zum Forschungs- und Entwicklungsstand, liefert eine Beurteilung der gewählten Vorgehensweise, und bewertet die Befunde hinsichtlich der wachsenden Sicherheits- und Effizienzanforderungen. Der Ausblick dient als Anregung für weiterführende Arbeiten.
Translation of the abstract (English)
The continuous increase in air traffic leads to growing demands on safety and efficiency for the air traffic control system. Because of their responsibility for a safe, orderly and expeditious flow of air traffic, air traffic controllers are especially affected by this development. Capacity constraints in human information processing constitute central performance restricting factors. According ...
Translation of the abstract (English)
The continuous increase in air traffic leads to growing demands on safety and efficiency for the air traffic control system. Because of their responsibility for a safe, orderly and expeditious flow of air traffic, air traffic controllers are especially affected by this development. Capacity constraints in human information processing constitute central performance restricting factors. According to cognitive models, the efficiency with which the limited mental resources required for information processing are used can be systematically influenced by the layout of the men-machine-interface.
Due to the spatial quality of the air traffic controllers' task, in this work stereoscopic displays were identified as a promising approach to represent the air space. They possess substantial characteristics for an ecological and therewith effective as well as efficient perception of spatial settings. At the same time, they create projective ambiguities causing uncertainty regarding precise spatial positions. This phenomenon can cause negative effects on the required mental resources for information processing. Besides display features, further aspects were identified to be relevant for the evaluation of different display concepts: These are the tasks to be conducted, the auditory workload caused by the required perception of incoming radio messages, as well as the expertise, attitude and personality of the operators. They also impact on the results and hence can compromise the interpretation of the findings in consequence of interaction effects. Therefore, the core task of the air traffic controller was carved out at first, followed by a description of the current display concept and the auditory workload situation. Subsequently, the current state of research regarding 3D displays for air traffic control was analysed to identify relevant aspects for this work. Hereon, a 2D display was designed, representing the reference system, and serving as the baseline for the evaluation. Furthermore, three stereoscopic 3D display concepts were developed, each of it possessing specific benefits. As the basis for the evaluation, representative conflict scenarios always consisting two converging aircraft were elaborated, and allowed for a systematic variation and experimental control of all relevant task attributes. The cognitive load caused by an incoming radio message while observing the airspace was simulated by a standardised auditory task that had to be conducted at the same time as the main task. The impacts of expertise and cognitive ability were determined by the recruitment of air traffic controllers, pilots, and laymen. The latter were split into two groups, from which one undertook specifically developed conflict judgment training. The application of established performance tests and questionnaires for attitude and personality assessment were used to identify cognitive aspects as well as attitude and personality attributes that are related to task performance.
The results show advantages of the stereoscopic displays regarding both effectivity and efficiency. They lead to a higher conflict detection rate as well as a smaller number of false alarms. Their advantages compared to the reference display particularly appear in situations, where the decisions can be taken on the base of altitude estimations, and is amplified when the additional auditory task has to be conducted at the same time. In contrast, the reference is advantageous when decisions are possible by assessing the lateral movements. Furthermore, certainty in conflict judgments generally is uprated with 2D. In addition, expertise supplementary boosts certainty in conflict judgments with 2D, but to a lesser extend with stereoscopic displays. Besides, subjects perceive physical demands to be lower with the reference. Correlation analysis show a lesser request for high abilities by 2D regarding spatial orientation and selective attention to achieve a high task performance compared to the stereoscopic displays. Nonetheless, and except for the air traffic controllers, who prefer the reference, subjects always rank one of the stereoscopic displays featuring drop lines as first choice. Attitude and personality attributes do not influence the results of this evaluation.
The concluding discussions illustrate the contribution of this thesis to the state of research and development. Furthermore, the structural and methodological approach is evaluated, and the potential of stereoscopic displays for the increasing demands on safety and efficiency is considered. Suggestions for future research intent to encourage further research in this field.
Metadata last modified: 25 Nov 2020 15:32
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