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JARUS-Methodik zur Bewertung der Automatisierung
Verständnis der Automatisierungsstufen bei UAS-Operationen
Die Luftfahrtindustrie ist seit vielen Jahren kein Fremder für Automatisierung. Von Autopiloten in Flugzeugen bis hin zur automatisierten Gepäckabfertigung an Flughäfen hat die Technologie eine bedeutende Rolle bei der Optimierung von Betriebsabläufen und der Verbesserung der Sicherheit gespielt. Mit dem Aufkommen von unbemannten Luftfahrtsystemen (UAS) oder Drohnen wurde jedoch ein neuer Begriff in die Diskussion eingebracht: Autonomie. Leider hat dieser Begriff zu viel Verwirrung geführt, und deshalb hat die gemeinsame Behörde für Regelungen von unbemannten Systemen (JARUS) ein Dokument veröffentlicht, um einen gemeinsamen Rahmen für die Diskussion der Implementierung und Auswirkungen einer fortschreitenden Automatisierung von Funktionen bereitzustellen.
Automatisierung ist seit langem Teil der Luftfahrtindustrie, und ihre Vorteile sind in der Branche gut bekannt. Durch die Automatisierung bestimmter Aufgaben können Piloten sich auf kritischere Aspekte des Fluges konzentrieren, und Bodenoperationen können optimiert werden, um Kosten zu senken und die Effizienz zu verbessern. Mit UAS wird jedoch zunehmend der Begriff Autonomie verwendet, was zu Missverständnissen geführt hat.
Das Dokument von JARUS zielt darauf ab, den Begriff Autonomie zu klären und ein gemeinsames Verständnis für seine Bedeutung im Zusammenhang mit UAS-Operationen zu vermitteln. Das Dokument betont, dass der Begriff Autonomie für Systeme reserviert sein sollte, die vollständig unabhängig ohne menschliches Eingreifen betrieben werden können. Viele aktuelle UAS-Systeme erfüllen jedoch diese Definition nicht, und daher sollte der Begriff Autonomie nicht verwendet werden, um sie zu beschreiben.
Das Dokument erkennt auch an, dass die Technologie, die Betriebsverfahren und die Infrastruktur, die erforderlich sind, um eine vollständige Autonomie zu erreichen, möglicherweise noch nicht ausgereift genug sind. Daher zielt das Dokument nicht darauf ab, die Genehmigung bestimmter Operationen oder Systeme zu befürworten, sondern einen konsistenten Kontext für Regulierungsbehörden, Industrie und Standardisierung bereitzustellen.
Definition der Automatisierungsstufen
Die Integration von UAS in unseren Luftraum stellt aufgrund der Vielfalt der Systeme und ihrer Fähigkeiten komplexe Herausforderungen dar. Eine einzige Klassifizierung für Automatisierungsstufen in dieser komplexen und vielfältigen Umgebung bereitzustellen, ist schwierig. Durch die Entwicklung eines gemeinsamen Verständnisses der UAS-Fähigkeiten und -Einschränkungen können wir jedoch an einer sicheren und effizienten Integration von UAS in unseren Luftraum arbeiten.
Die Lösung für dieses Problem ist das operative Design-Domäne (ODD). OOD ist ein Mechanismus, der dazu beiträgt, die operative Grenze zu definieren, innerhalb derer ein bestimmtes System oder eine bestimmte Funktion entworfen wurde, um zu arbeiten. Das ODD ermöglicht Designern, Betreibern und Regulierungsbehörden, die Fähigkeiten eines Luftraumsystems, einer bestimmten UAS-Operation, einer bestimmten UAS oder sogar eines Subsystems oder einer Funktion innerhalb eines UAS zu bewerten. Es ist jedoch wichtig zu beachten, dass moderne Flugzeuge hoch integrierte Plattformen mit unterschiedlichen Betriebsmodi und -fähigkeiten je nach verfügbaren Informationssystemen sind, was zu unterschiedlichen Automatisierungsstufen führt, die für dieselbe Aufgabe in verschiedenen Kontexten verwendet werden.
Das ODD hilft dabei, komplexe funktionale Beziehungen zu vereinfachen. Eine Beschreibung der Automatisierungsstufe im „Folgemodus“ ist zum Beispiel herausfordernd, weil dies mehrere Funktionen auf verschiedenen Ebenen umfasst. Mit dem ODD können jede Komponente des Betriebs (wie die Erfassung des Menschen, die Steuerung der Flugdynamik und die Reaktion auf Hindernisse) auf ihren spezifischen Automatisierungsstufen beschrieben werden, während die Funktion „Folgemodus“ auf einer potenziell anderen Ebene der automatischen Steuerung arbeitet.
Bevor jede Automatisierungsstufe analysiert wird, ist es notwendig, die folgenden Konzepte zu verstehen:
Der Mensch-im-Loop (HITL)
Ist eine Systemsteuermethode, die eine direkte menschliche Beteiligung an der Bereitstellung von Eingaben und der Bewertung von Ausgaben zur Verwaltung von Systemparametern beinhaltet Dieser Ansatz ermöglicht es Menschen, ein integraler Bestandteil der Steuerschleife zu sein und eine aktive Rolle bei den Systemoperationen zu spielen.
Mensch-auf-dem-Loop (HOTL)
Ist eine Methode der Systemsteuerung, bei der ein Mensch an der Überwachung einer Maschine beteiligt ist, die Eingaben bereitstellt und Ausgaben bewertet, um Systemparameter zu verwalten. Dies unterscheidet sich von der Methode „Mensch-im-Loop“ (HITL), bei der ein Mensch direkt Eingaben bereitstellt und Ausgaben bewertet, um Systemparameter zu verwalten.
m HOTL-Verfahren hat der Mensch keine direkte Kontrolle über das System, sondern überwacht dessen Betrieb. Die Maschine ist für die Entscheidungsfindung und die Ausführung von Aufgaben verantwortlich, während der Mensch für die Sicherstellung verantwortlich ist, dass das System korrekt und sicher funktioniert.
Das HOTL-Verfahren bietet eine zusätzliche Schicht von Sicherheit und Zuverlässigkeit für das System, da der Mensch eingreifen und die Kontrolle übernehmen kann, wenn dies erforderlich ist. Dies ermöglicht die Entwicklung komplexerer und autonomer Systeme, während sichergestellt wird, dass ein Mensch am Entscheidungsprozess beteiligt ist.
Mensch-aus-dem-Loop
Bezieht sich auf eine Methode der Systemsteuerung, bei der keine menschliche Beteiligung bei der Überwachung oder Verwaltung von Systemparametern erfolgt. Stattdessen ist eine Maschine dafür verantwortlich, Eingaben bereitzustellen und Ausgaben zu bewerten, um sicherzustellen, dass das System ordnungsgemäß funktioniert. Diese Art der Steuerung wird häufig in hochautomatisierten Systemen eingesetzt, bei denen die Maschine in der Lage ist, unabhängig zu arbeiten, ohne dass menschliches Eingreifen erforderlich ist.
Definition der Automatisierungsstufen
Stufe 0 – Manuelle Bedienung
Der Mensch führt die Funktion manuell aus und erhält keine Unterstützung von der Maschine.
Stufe 1 – Unterstützte Bedienung
Funktionen auf dieser Automatisierungsstufe sind darauf ausgelegt, dem Menschen bei der Durchführung von Aufgaben zu helfen. Die Maschine arbeitet in einer unterstützenden Rolle außerhalb der Schleife der Handlungen des Menschen. Obwohl der Mensch immer noch die Ausführung der Funktion kontrolliert, kann die Maschine innerhalb des festgelegten ODD eine begrenzte Unterstützung bieten, wie die Bereitstellung relevanter Informationen.
Stufe 2 – Aufgabenreduzierung
Diese Automatisierungsstufe umfasst eine gemeinsame Steuerung und Überwachung zwischen Mensch und Maschine, bei der die Maschine eine in-the-loop-Managementrolle übernimmt, um die Arbeitsbelastung und / oder das erforderliche Fertigkeiteniveau des Menschen zur Durchführung der Aufgabe zu reduzieren. Obwohl der Mensch immer noch die Ausführung der Funktion leitet, bietet die Maschine jetzt innerhalb eines klar definierten ODD eine wesentlich höhere Unterstützungsstufe.
Stufe 3 – Überwachte Automatisierung
Auf dieser Automatisierungsstufe führt die Maschine die Funktion aus, während der Mensch überwacht und bei Bedarf eingreifen kann. Der Mensch ist sich nicht der internen Zustände der Maschine bewusst, überwacht jedoch die Ergebnisse aus Sicherheitsgründen. Die Maschine leitet die Ausführung innerhalb eines definierten ODD, aber der Mensch überwacht kontinuierlich und muss über die erforderlichen Informationen verfügen, um bei Bedarf eingreifen zu können. Eine sorgfältige Systemgestaltung der menschlichen Faktoren ist erforderlich, um sicherzustellen, dass der Mensch alle erforderlichen Informationen hat, um bei Bedarf von „im Loop“ zu „in Loop“ zu wechseln.
Stufe 4 – Management durch Ausnahme
Auf dieser Automatisierungsstufe führt die Maschine die Funktion unabhängig aus und alarmiert den Menschen nur dann, wenn ein Problem auftritt. Im Gegensatz zu niedrigeren Stufen ist der Mensch nicht erforderlich, um die Funktion in Echtzeit zu überwachen, muss jedoch verfügbar und in der Lage sein, bei Bedarf einzugreifen. Sobald die Maschine ihre Fähigkeit bewiesen hat, die gesamte Funktion effektiv auszuführen und auf die Umgebung zu reagieren, kann die Besatzung ihr vertrauen, ohne menschliche Aufsicht innerhalb eines festgelegten ODD zu arbeiten. Der Aufbau von Vertrauen erfordert die Gewährleistung der Vertrauenswürdigkeit des Systems, einschließlich der Erfüllung von Sicherheitserwartungen hinsichtlich Zuverlässigkeit, Integrität und Gewährleistung.
Ein Beispiel dafür ist die Erste Verwendbare Anleitung der EASA für Machine-Learning-Anwendungen der Stufe 1 – Ausgabe 1, die Anleitung für datengetriebene KI-basierte Methoden bietet. Ein Systembeispiel auf Systemebene dieser Automatisierungsstufe ist das autonome Überwachungssystem „Drohne-in-a-Box“.
Stufe 5 – Vollständige Automatisierung
In einer vollständig automatisierten Funktion übernimmt die Maschine die volle Verantwortung für die Ausführung der Aufgabe, während das Verständnis des Menschen für operative Parameter minimal oder nicht vorhanden ist. Die Interaktion des Menschen mit der Maschine beschränkt sich in der Regel auf die Bereitstellung strategischer Anweisungen wie der Vorflugplanung und der Beobachtung der Ergebnisse. Darüber hinaus kann der Mensch ohne besondere Genehmigung aufgrund praktischer Einschränkungen oder absichtlicher Ausschlüsse innerhalb des ODD nicht in Echtzeit eingreifen. Solche Operationen erfordern voraussichtlich fortgeschrittene Technologien wie künstliche Intelligenz oder strenge Einschränkungen des ODD, um den autonomen Betrieb zu beschränken.
Das Folgende ist ein Beispiel dafür, wie die Fluggeschwindigkeitsregelung bei einem UAS gemäß den angegebenen Stufen verwendet wird:
- Auf Stufe 0 hat der Pilot manuelle Kontrolle über den Gashebel ohne Messung der Fluggeschwindigkeit.
- Auf Stufe 1 liefert das System die aktuelle Fluggeschwindigkeit und Min / Max-Grenzen, damit der Pilot Gashebel / RPM anpassen kann.
- Auf Stufe 2 gibt der Pilot die Fluggeschwindigkeit direkt vor und die Maschine steuert RPM / Gashebel je nach Bedarf.
- Auf Stufe 3 definiert die Maschine den Fluggeschwindigkeitsbefehl unter Aufsicht des Piloten.
- Auf Stufe 4 definiert die Maschine den Fluggeschwindigkeitsbefehl und warnt den Piloten, wenn vordefinierte Grenzen überschritten werden.
- Auf Stufe 5 wird von keinem Zeitpunkt des Fluges erwartet, dass die Geschwindigkeitsregelung vom Piloten überwacht oder eingegriffen wird.