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Towards Single-Pilot Operations in Commercial Aviation : A Human-Centered Perspective

Due to the technological progress, increasingly sophisticated and highly automated systems have replaced human roles in the cockpit of commercial aircraft. Consequently, the crew size has been reduced from initially five to two cockpit crew members over the past decades. Nowadays, a captain and a first officer share the tasks throughout the flight by assuming the roles of pilot flying (PF) and pilot monitoring (PM). However, in light of the ongoing technological advancements, the logical next step seems to be a further de-crewing from two-crew operations (TCO) to single-pilot operations (SPO). To provide adequate support for the single pilot, a redesign of the cockpit is required.
The present study contributes to this research area by adopting a human-centered perspective and investigating how the PF is affected by the absence of the PM during commercial SPO. A study was conducted in a fixed-base Airbus A320 flight simulator. Fourteen professional pilots participated. Their task was to fly short approach and landing scenarios at Frankfurt Airport both with and without a PM. A 2x3 factorial within-subject design was used with the factors crew (TCO and SPO) and scenario (baseline, turbulence, and abnormal). A combination of quantitative and qualitative data was collected in the form of subjective workload ratings, eye-tracking data, simulator parameters, video recordings, and debriefing interviews.
The results showed that workload was not generally higher during SPO but particularly the temporal demand increased significantly. Additionally, checklist usage was less consistent and pilots handled the abnormal scenario differently when the PM was absent. The pilots’ scanning behavior was also significantly affected by the absence of the PM. Pilots had to spend considerably more time scanning secondary instruments at the expense of primary instruments. Moreover, transition behavior between the cockpit instruments and the external view was less efficient in SPO and was interpreted in terms of an overload on the pilots’ visual modality. This research will help inform the design of commercial SPO flight decks providing adequate support for the single pilot. Several implications for the design of SPO cockpits are discussed, such as headup displays, multisensory interfaces, augmented reality glasses,
advanced automation, and additional support from ground operators.

Das Cockpit kommerzieller Flugzeuge hat sich in den letzten Jahrzehnten maßgeblich verändert, was hauptsächlich auf den technischen Fortschritt zurückzuführen ist. Insbesondere die voranschreitende Automatisierung führte dazu, dass die Zahl der Crewmitglieder sich von anfänglich fünf auf zwei Personen reduzierte. Heutzutage teilen sich Captain und First Officer als Pilot Flying (PF) und Pilot Monitoring (PM) die Aufgaben während des Fluges. Ein Übergang von diesen Two-Crew-Operationen (TCO) zu sogenannten Single-Pilot-Operationen (SPO) scheint jedoch nur eine Frage der Zeit zu sein. Das erfordert allerdings eine Umgestaltung des Cockpits, um Pilot*innen in SPO adäquat zu unterstützen.
Die vorliegende Arbeit leistet einen Beitrag zu diesem Forschungsfeld und nimmt eine mensch-zentrierte Perspektive ein, um zu untersuchen, inwiefern sich in kommerziellen SPO die Abwesenheit des PM auf den PF auswirkt. Eine Flugsimulatorstudie wurde durchgeführt, an welcher 14 Pilot*innen teilnahmen. Ihre Aufgabe war, kurze Anflug- und Lande-Szenarien am Frankfurter Flughafen mit oder ohne PM zu fliegen. Ein 2x3-faktorielles Innersubjektdesign wurde verwendet mit den Faktoren Crew (TCO und SPO) und Szenario (Baseline, Turbulence, Abnormal). Eine Kombination von quantitativen und qualitativen Daten wurde erhoben in Form von subjektiven Bewertungen der Beanspruchung, Eye-Tracking-Daten, Simulatorparametern, Videoaufnahmen und Interviews.
Die Ergebnisse zeigen, dass die subjektive Beanspruchung in SPO nicht generell als höher bewertet wurde, aber besonders der Zeitdruck stieg signifikant an. Die Proband*innen arbeiteten Checklisten und Prozeduren weniger konsequent ab, vor allem im Abnormal-Szenario, in dem ein Triebwerksbrand simuliert wurde. Anhand der Blickbewegungen zeigte sich, dass die Pilot*innen in SPO mehr Zeit für sekundäre Instrumente benötigten, was auf Kosten der primären Instrumente ging. Auch Übergänge zwischen den Instrumenten und der Außensicht waren in SPO weniger effizient und deuteten auf eine visuelle Überlastung hin. Auf Basis der vorliegenden Forschungsergebnisse können Schlussfolgerungen für das adäquate Design von Single-Pilot-Cockpits gezogen werden. Verschiedene Optionen zur Unterstützung der Pilot*innen werden diskutiert, wie Head-up-Displays, multisensorische Schnittstellen, Augmented-Reality-Brillen, weiterentwickelte Automatisierung und zusätzliche Unterstützung durch Bodenpersonal.

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