Makro- und mikroskopisch kombinierte Risikoanalyseverfahren im Luftverkehr auf Basis technischer, verfahrensbedingter und menschlicher Leistungsmerkmale mit minimiertem Parameterraum
Sicherheit genießt in der zivilen Luftfahrt hohe Priorität. Die uneingeschränkte Gewährleistung derselben war, ist und bleibt eine beständige Herausforderung denn die fortschreitende Technologieentwicklung sowie in Wandlung befindliche Zielsetzungen (siehe Forschungsprojekt MEFUL) verlangen nach einer kontinuierlichen Optimierung. Während die klassischen Zielfunktionen (Wirtschaftlichkeit, Durchsatz, etc.) vergleichsweise einfach zu bemessen sind, ist die Sicherheitsbewertung anspruchsvolle Expertenarbeit. Trotz langfristig gewachsenen und entsprechend gut standardisierten Methoden und Techniken sind Sicherheitsbewertungen immer noch stark von den ausführenden Experten geprägt und damit nur begrenzt objektiv. Dies betrifft insbesondere den Bereich bisher unvorstellbarer und unbekannter Gefahren und Versagensmodi.
ATM Safety im Kontext
In der ersten, 3-jährigen Projektphase ("Quantitative, simulationsgestützte Risikoanalyseverfahren") wurde ein Risikobewertungsmodell konzipiert, welches diese Lücke mittels agentenbasierter (Schnellzeit-)Simulation schließen soll. Hierzu wurden technische, verfahrensbedingte und menschliche Leistungsmerkmale des Luftverkehrssystems speziell für den komplexen Flughafennahbereich (TMA) auf ihre Sicherheitswirkung hin untersucht und in Modelle überführt, deren komplexes Zusammenwirken eine graduelle Verschlechterung der erzielten Sicherheit erklären und vorhersagen kann (emergentes Verhalten agentenbasierter Modelle).
In der jetzigen, ebenfalls 3-jährigen Projektphase ("Makro- und mikroskopisch kombinierte Risikoanalyseverfahren mit minimiertem Parameterraum") wird untersucht, wie die Vorhersage von sehr seltenen Sicherheitsereignissen zielgerichteter gestaltet und damit beschleunigt werden kann. Hierfür wurden verschiedene Ansätze identifiziert:
- Zerlegung des Modells in eine agentenbasierte mikroskopische Komponente, welche sozio-technisches Versagen mittels Emergenz nach Monte-Carlo Ansatz aufzeigt und eine probabilistische makroskopische Komponente, welches technisches und verfahrensbedingtes Versagen mittels Integrationsrechnungen determiniert,
- Eingrenzung des Parameterraums durch Sensitivitätsanalysen und Expertenurteile,
- Weiterentwicklung und Anwendung von Sampling-Heuristiken auf das Monte-Carlo Problem (z.B. Stratified Sampling) und
- Optimierung für und Berechnung auf Hochleistungsrechentechnik des Zentrums für Informationsdienste und Hochleistungsrechnen (ZIH) der TU Dresden.
Unabhängig von der numerisch notwendigen Eingrenzung des Parameterraums werden die Modelle der hoch sensitiven Einflussfaktoren weiter präzisiert und schrittweise validiert um eine praxisgerecht belastbare Ergebnisqualität zu erreichen. Dies betrifft im Wesentlichen
- die Bestimmung tatsächlicher Navigationsgenauigkeiten unter dem Einfluss von technischen und verfahrensbedingten Parametern (z.B. Flugleistung, Atmosphäre, Ortungs- und Steuerungsverfahren sowie ?Technologie),
- Quantifizierung der Zeitaufwände für menschliche Planungs- und Bedienhandlungen sowohl cockpit- als auch bodenseitig und
- Abbildung der systemimmanenten Kausalitäten im Bereich der Sequenzbildung von Verkehrsströmen als Resultat von Koordinationshandlungen.
Based on the quantitative safety assessment method focusing technical aspects previously developed at our chair, the system is improved to accommodate various features of technical performance characteristics. By means of empirical analysis of flight performance and navigation characteristics of current aircraft types (radar data), deterministic and stochastic dependencies were derived, allowing the prediction of collision probabilities (air-air, air-ground, see Thiel, 2010). Questions regarding flight guidance, e.g. the impact of state-of-the-art navigational equipment or changed route structure can thus be effectively analyzed and discussed (Vogel, 2010). As a project activity, a software tool for calculating and visualizing the distribution of local collision risk was implemented. It enables us to identify risky manoeuvres and to discuss our findings with experts.
Methodology in the field of ANP-determination of flight progress data (1st selection of relevant radar plots, 2.Measured Deviations from nominal track, 3. Determination of a distribution function, 4. function approximation)
Specific modeling of heavy tailed distributions
Presentation of the resulting collision risks (heat map) in the approach area of a (generic) airport
To evaluate the impact of procedural factors, agent based modelling and simulation (ABMS) of the current processes in the terminal area (TMA) is undertaken and iteratively expanded towards more and more complex and realistic scenarios. The focus of ABMS is on establishing and maintaining sequence and separation of arriving aircraft (staggering) and on detection, prevention, or resolution of conflicts with departing aircraft. Our implementation is based on the AGlobe Agent Middleware Platform created at the Agent Technology Centers at CTU Prague. The proprietary extensions AGlobeX simulation support and AgentFly multi agent system were kindly licensed out to us.
Simulated trajectories - RNAV Approach Trombone (left), Point-Merge option 1 (middle), Point-Merge option 2 (right)
Human Performance is currently summatively evaluated by means of complexity factors that try to provide and estimate of controllers' mental workload coping with a given traffic situation. Insight is possible through performance metrics captured in real-time ATC simulations performed by our project partner EUROCONTROL. First results suggest that correlation to controller workload does indeed exist but that the connection to the resulting system safety (collision probability) is rather dominated by work-psychological effects. Analyses with a higher level of detail will soon be tackled by means of integrating rule-based or cognitive systems into the agent simulation.
Investigation of reaction times at the FCU of modern aircrafts within the scope of real-time simulations on an A320 flight simulator
Zur Bestimmung eines reduzierten und damit bezüglich des bestehenden Sampling-Problems (Kombinatorik des Ereignisbaums) optimierten Parameterraums sind folgende Aktivitäten, teils in Ergänzung zur Erforschung und Modellierung der Risiko-Einflussfaktoren (oben) vorgesehen:
- Experten- und literaturgestützte Analyse risikorelevanter Parameter
- Durchführung und Auswertung von Sensitivitätsanalysen
- Validierung mit Hilfe von Realdaten (echte oder simulierte Flugspuren) und Expertenurteil
- Interdependanzanalyse zwischen Makro- und Mikro-Modellkomponente
Die Schritte zielen auf eine signifikante Reduktion des zu untersuchenden Parameterraum bei gleichzeitiger Aufrechterhaltung der Validität des Modells zur der Vorhersage von Sicherheitsereignissen ab. Dies zieht eine Quantifizierung des Fehlers bei jeder Reduktion nach sich, welche vor allem mittels Sensitivitätsanalysen gewährleistet werden soll.
Die Durchführung von Monte-Carlo Simulationen auf Hochleistungsrechentechnik wird derzeit methodisch und inhaltlich vorbereitet. Der derzeitige Stand der Erkenntnisse beläuft sich auf:
- Implementierung hoch effizienter Software für die Berechnung einer Replikation (Single Thread Implementierung)
- Implementierung eines Monte-Carlo Frameworks welches mit der Berechnung von Replikationen je einen Rechenknoten voll auslastet
- Entwicklung von Szenarien und Implementierung einer automatischen Arbeitslastverteilung auf N Rechenknoten, welche mit dem Batch Job Scheduler des ZIH integriert wird
- Anwendung von Simulationsheuristiken und Sampling-Strategien
- Implementierung von Ergebnismetriken und Methoden zur teil-automatisierten Aggregation aller berechneten Replikationen
- Abschätzung der inhaltlich benötigten Anzahl von Replikationen zur Bestimmung praxisgerechter Sicherheitsaussagen (Problem der Rechts-Zensierung)
Vogel, M., Thiel, C. und Fricke, H. (2015)
Experimental Quantification of Times Needed to Comply With Air Traffic Control Advisories (FCU & MCDU Interaction), SESAR Innovation Days, Bologna
Vogel, M. und Fricke, H. (2015)
Ermittlung von Bedienreaktionszeiten bei der Umsetzung von Flugsicherungsanweisungen – Probandenversuche am A320 Forschungssimulator, Dresdner Transferbrief 1.15; 22. Jahrgang, E-Journal
Vogel, M., K. Schelbert, H. Fricke und T. Kistan (2013)
Analysis of Airspace Complexity Factors Capability to Predict Workload and Safety Levels in the TMA, USA/Europe Air Traffic Management Research and Development Seminar (ATM Seminar), Chicago
Vogel, M., C. Thiel und H. Fricke (2012)
Simulative Assessment of Reduced Lateral Separation Minima for the Terminal Airspace, International Conference on Research in Air Transportation (ICRAT), Berkeley
Schelbert, K., M. Vogel, C. Thiel und H. Fricke (2012)
Adapting Enroute ATM Complexity Metrics for Terminal Airspace Safety Assessments, International Conference on Research in Air Transportation (ICRAT), Berkeley
Thiel, C., C. Seiss, M. Vogel und H. Fricke (2012)
Safety Monitoring of New Implemented Approach Procedures by Means of Radar Data Analysis, International Conference on Research in Air Transportation (ICRAT), Berkeley
M. Vogel und H. Fricke (2012)
Investigating the safety impact of time buffers in current TMA arrival operations, Congress of the International Council of the Aeronautical Sciences (ICAS), Brisbane
Vogel, M., C. Thiel und H. Fricke (2012)
Assessing the Air Traffic Control Safety Impact of Airline Pilot induced Latencies, International Conference on Application and Theory of Automation in Command and Control Systems (ATACCS), London
Vogel, M., C. Thiel und H. Fricke (2010)
A Quantitative Safety Assessment Tool Based on Aircraft Actual Navigation Performance, International Conference on Research in Air Transportation (ICRAT), Budapest
C. Thiel und H. Fricke (2010)
Collision Risk on Final Approach – A Radar Data Based Evaluation Method to Assess Safety, International Conference on Research in Air Transportation (ICRAT), Budapest
C. Thiel und H. Fricke (2008)
Assessment of local aircraft crash risk, International Conference on Research in Air Transportation (ICRAT), Fairfax