Bewertung der Flugleistung und der Augenbewegungsmuster mit dem Virtual Reality Flight Simulator

Die Europäische Agentur für Flugsicherheit (2012) kategorisiert Flugsimulatoren als Schulungseinrichtungen, Flug- und Navigationsprogrammtrainer, Flugtrainingsgeräte und komplette Flugsimulatoren¹. Bisher steht eine Reihe von Flugsimulatoren für die Ausbildung zur Verfügung, von Low-Level-Tischsystemen bis hin zu hochkomplizierten, bewegungsbasierten Vollflugsimulatoren². Der traditionelle Simulator umfasst ein Flugdynamikmodell, eine Systemsimulation, ein Hardware-Cockpit, eine externe Visualisierung und eine optionale Bewegungssimulation³.

Diese traditionellen Flugsimulatoren haben einige Vorteile als effektive Flugtrainingsgeräte. Ihre Kosten sind jedoch hoch und umweltschädlich, da der Antrieb jedes Systems erhebliche elektrische Energie erfordert, insbesondere ein vollständiger Flugsimulator, der hohe Temperaturen und Hochdruckflüssigkeit oder Luftdruck benötigt, viel Strom verbraucht und viel Lärm erzeugt⁴.

Ein einfaches Desktop-Simulatorsystem ist jedoch flexibel und kostengünstig, mit geringerer Immersion und weniger Interaktionen als ein vollständiger Flugsimulator². Daher ist es unerlässlich, neue Flugsimulatoren zu entwickeln, die die Vorteile von Desktop-Systemen und Full-Flight-Simulatoren kombinieren (mit anderen Worten, die Flexibilität einer Tabletop-Simulation und die Immersions- und Interaktionsebene nahe an einem Full-Flight-Simulator).

Mit der Entwicklung der Computertechnologie, insbesondere der Virtual-Reality-Technologie (VR), wird eine neue Art von Flugsimulator, die auf der aufkommenden VR-Technologie basiert, Realität. Der VR-basierte Flugsimulator ist flexibel, portabel, kostengünstig und hat einen geringeren Platzbedarf als herkömmliche Flugsimulatoren⁵. Forscher haben in den letzten 20 Jahren Flugsimulatoren auf Basis der VR-Technologie entwickelt 6,7,8,9,10,11; Diese VR-Flugsimulatoren dienen jedoch hauptsächlich der Flugausbildung, und es gibt nur wenige für die Pilotenauswahl. Mit der Kostensenkung und der technologischen Verbesserung verändern sich VR-basierte Simulatoren jedoch und werden für die persönliche Auswahl machbar. In einigen Studien wurden VR-basierte Simulatoren für die persönliche Auswahl in verschiedenen Bereichen eingesetzt: Schijven et ^al.12 wählten chirurgische Auszubildende mit einem Virtual-Reality-Simulator aus. Huang et ^al.13 entwickelten ein psychologisches Auswahlinstrument auf Basis von Virtual-Reality-Technologie für die Rekrutierung von Luftwaffenpiloten. Wojciechowski und Wojtowicz¹⁴ bewerteten die Fähigkeiten eines Kandidaten als Pilot eines unbemannten Luftfahrzeugs (UAV) auf Basis der VR-Technologie. Angesichts der Tatsache, dass die Pilotenauswahl für die Luftfahrtindustrie von entscheidender Bedeutung ist, ist es dringend erforderlich, einen neuen VR-basierten Flugsimulator zu entwickeln, der sich auf die Pilotenauswahl konzentriert, da die Auswahl von Piloten in großem Maßstab anfällig für die Kosten des Simulators und die Anforderungen an das Portabilitätssimulatorsystem ist.

Augenbewegungen geben Hinweise auf die Leistung eines Piloten. Verschiedene Studien haben ergeben, dass der Eye-Scanning-Modus die Leistung zwischen erfahrenen und unerfahrenen Piloten unterscheidet. Durch den Vergleich des Scanmusters zwischen Experten und Anfängern konnte das effiziente und strukturelle Augenbewegungsverhalten der Experten und die unzureichenden Scanmethoden von Anfängern unterschieden werden. Mehrere Luftfahrtstudien haben ergeben, dass die Augenscan-Strategie von Piloten stark mit dem Kenntnisstand^{zusammenhängt} 15,16,17,18,19,20,21,22,23,24. Laut Bellenkes et ^al.25 ist die Dauer der Fixierungen bei Experten kürzer und die Häufigkeit ihrer Fixierungen auf Instrumente höher als bei Anfängern. Fast die gleiche Schlussfolgerung zogen Kasarskis et ^al.26, die entdeckten, dass erfahrene Piloten mehr Fixierungen in Kombination mit kürzeren Dauern als Anfänger haben, was darauf hindeutet, dass erfahrene Piloten einen besseren visuellen Modus haben als Anfänger. In einer weiteren Studie haben Lorenz et al.²⁷ fanden heraus, dass Experten mehr Zeit damit verbringen, aus dem Cockpit zu schauen als Anfänger. Diese Ergebnisse haben einen großen praktischen Wert bei der Auswahl von Neueinsteigern.

Die Bewertung der Flugleistung ist ein weiterer kritischer Faktor für die Auswahl des Piloten. Bei der Bewertung der Flugleistung von Piloten gibt es jedoch folgende Probleme: widersprüchliche Expertenmeinungen, mehr Auswahlnormen und eine einheitliche Auswahltheorie. Im Fahrfeld verglichen Horrey et ^al.28 den absoluten Wert des Spurverlassens von der Mittellinie für verschiedene experimentelle Bedingungen, um die Fahrleistung zu bewerten. Zurück zum Bereich der Luftfahrt: Der Flight Quick Access Recorder (QAR) zeichnet alle Arten von Manipulationsparametern für Piloten, Flugzeugparameter, Umgebungen und Warninformationen während des^{Fluges 29} auf. Genauer gesagt, wie bei den QAR-Indikatoren, ist der Nickwinkel der Rotationswinkel um die linke und rechte Achse des Flugzeugs³⁰, und die Referenzlinie (oder die mittlere Referenzlinie) befindet sich genau in der Mitte der roten und grünen Linien²⁸; Diese beiden Flugparameter werden verwendet, um die Flugleistung von Teilnehmern mit oder ohne Erfahrung in der aktuellen Studie zu bewerten. Diese QAR-Daten können zur Bewertung der Flugleistung verwendet werden, aber nach unserem besten Wissen wurden sie in der wissenschaftlichen Forschung selten für das persönliche Training und die Auswahl verwendet^31,32.

Messungen von Augenbewegungsmustern können verwendet werden, um die Flugleistung zu beurteilen und vorherzusagen und die Ausbildung und Auswahl von Piloten zu leiten. Gerathewohl³³ erklärte, dass das Auge das wichtigste Sinnesorgan des Piloten ist und 80% der Fluginformationen verarbeitet. Der Pilot muss visuelle Informationen von Instrumenten im Cockpit erfassen und in ein kohärentes Bild integrieren, um den Flug²² zu bewältigen. Darüber hinaus ist ein optimales Scanverhalten unerlässlich, um eine bessere Flugleistung^{zu erzielen 15}. Allerdings gibt es derzeit keinen erschwinglichen Flugsimulator, der einen Eyetracker integriert, um quantitative Studien über den Zusammenhang zwischen Augenbewegungen und Flugleistung zu ermöglichen.

In der aktuellen Studie wurde ein neuer VR-Flugsimulator entwickelt, um zu beurteilen, ob Teilnehmer mit Flugerfahrung eine bessere Flugleistung aufwiesen als solche ohne Flugerfahrung. Der VR-Flugsimulator integriert Eye-Tracking und ein Flugdynamiksystem, das die Analyse von Augenbewegungsmustern und die Bewertung der Flugleistung ermöglicht. Insbesondere ist es erwähnenswert, dass der VR-Flugsimulator einen VR-Eyetracker³⁴ und keinen glasartigen oder Desktop-Eyetracker verwendet, um die auf dem Interessengebiet (AOI) basierende Augenbewegung ohne zeitaufwändige Frame-Zählung zu analysieren.

Schließlich kann die vorliegende Arbeit zu einer Omnibus-Messung für die Pilotenauswahl in der Zukunft führen, von der Augenscanbahn bis hin zu objektiven Flugleistungsdaten. Mit Hilfe des virtuellen Flugsimulators werden die Kosten für die Flugauswahl erheblich gesenkt und die Norm der Piloten kann auf der Grundlage umfangreicher Datenerfassung gebildet werden. Die Arbeit schließt eine Lücke zwischen konventionellen und Desktop-Simulatoren für die Flugauswahl.