Entwurf und Evaluation einer kollaborativen, simulationsbasierten Lernumgebung für das Flughafenmanagement

Schier-Morgenthal, Sebastian

Der Luftverkehr in Europa steht vor der Herausforderung, dass steigende Verkehrszahlen und limitierte Ressourcen zu höheren Verspätungen führen. Die Engpässe im System sind schwer vorherzusagen und die Auswahl geeigneter Gegenmaßnahmen ist für die Operateure eine Herausforderung. Diese Herausforderung wird durch die Covid19 Hygiene- und Einreiseregelungen des Jahres 2020 verstärkt, da hier spontane Kapazitäts- und Nachfrageeinschränkungen auftreten. In diesem Zusammenhang spielen die Flughäfen eine zentrale Rolle: Durch einen effektiven Einsatz der hier vorhandenen Ressourcen können die Auswirkungen von Störungen minimiert und die Übertragung von Verspätungen auf andere Flüge verhindert werden. Flughafenbetrieb, Flugsicherung, Fluglinien, Bodenabfertiger und europäisches Netzwerkmanagement stimmen im Flughafenmanagement den Ressourceneinsatz ab. Verschiedene Studien zeigen, dass es in dieser Abstimmung noch Defizite gibt, so dass betriebliche Potentiale ungenutzt bleiben. Ein Ansatz, um die Abstimmung zu optimieren, ist die Schulungen der Akteure im Flughafenmanagement. Eine solche Schulung muss den folgenden Anforderungen genügen: • Realitätsnahe Schulung: Die Schulung muss die Flughafenprozesse in ihrer Komplexität, mit den zugehörigen Abhängigkeiten und den lokalen Besonderheiten, abbilden. • Sichere Schulung: Die Schulung darf Passagieren und Personal nicht gefährden. • Umfassende Schulung: Die Schulung muss wiederholbar alltägliche Situationen und seltene, nicht beeinflussbare Ereignisse abbilden. • Kollaborative Schulung: Die Schulung muss alle beteiligten Organisationen, trotz unterschiedlicher Personaleinsatzplanung und Konkurrenzen, integrieren. Die vorliegende Dissertation adressiert diese vier Herausforderungen durch die Kombination eines problemorientierten Lernansatzes mit dem Konzept der Human-In-The-Loop Simulation und dem zusätzlichen Einsatz eines virtuellen Agenten. Mit diesem Ansatz können risikobehaftete und seltene Ereignisse in der Simulation abgebildet werden, ohne dass eine Gefahr für den operationellen Betrieb oder die Schulungsteilnehmer besteht. Über die Arbeitsplätze und die Simulationsdynamik wird ein realitätsnaher Eindruck vermittelt. Der virtuelle Agent CLAUDI modelliert das Verhalten von Akteuren, die nicht an der Schulung teilnehmen. Die erstellte Schulung wurde im Rahmen von zwei Vorstudien und einer Hauptstudie evaluiert. Die Vorstudien überprüften die Benutzungsschnittstellen und den virtuellen Agenten. In der Hauptstudie erlernte eine Gruppe operationeller Experten des Flughafens Oslo die Handhabung neuer Werkzeuge zur verbesserten Planung ihres Schneebetriebs. Die erwartete Reduzierung der Wiederherstellungszeit konnte zwar nicht belegt werden, die Wirksamkeit des Trainingskonzepts wird aber durch die Absage von Flügen gezeigt. Zum Ende der Schulung waren die Teilnehmer in der Lage 50% der Flüge frühzeitig abzusagen (gegenüber 3% zum Schulungsbeginn). Frühe Flugabsagen reduzieren die Kosten der Fluglinie und erhöhen den Passagierkomfort. Die Passagiere werden rechtzeitig informiert und können auf andere Flüge umgebucht werden.

The European air traffic system is facing the challenge of increasing traffic volume and limited resources. Bottlenecks can hardly be identified in advance and choosing appropriate countermeasures is a challenge to the operators. This challenge is increased by the covid19 hygiene and entry rules of the year 2020, due to spontaneous changes of capacity and demand. At this point airports play a major role in the air traffic system as they have capabilities to minimize the effect of disruptions as well as to prevent delay propagation to connecting flights by careful deployment of their resources in critical conditions. The control of airport resources is within the responsibility of the airport management. Due to the European standard airport operations, air traffic control, airlines, ground handling and European network management participate in airport management and agree upon resource assignment. As multiple studies point out, this agreement shows deficiencies in operation leading to unexploited airport potentials. One approach to optimize the collaborative work of airport management is the conduction of training courses for the operators. These training courses must satisfy the following requirements: • Close to reality training: The course must train the airport processes in their full complexity including local dependencies and characteristics. • Safe training: The course must not put a risk on airport passengers and staff. • Comprehensive training: The course must address repeatable daily situations as well as rare events, which occurrence might not be open to human influence. • Collaborative training: The course must integrate all participators of airport management, despite the fact that availability and the will to participate might not be given for all. The current thesis addresses these four challenges by combining a problem-oriented learning approach with the concept of human-in-the-loop simulations and the capabilities of a virtual agent. With this approach, risky and rare events can be trained without endangering real airport operations. User interfaces and simulation dynamics follow the current situation and offer the possibility of adaptions to the local airport environment. Thus, a close to reality training is provided. The virtual agent CLAUDI completes the learning environment. With its possibilities to fulfill multiple roles, non-participating human actors can be replaced by CLAUDI. The training concept defined was evaluated in two preliminary studies regarding the usability of the user interfaces and the virtual agent. Concluding the thesis, an expert study was conducted where operational experts from the airport of Oslo were trained in the application of advanced airport management tools in snow operations. Although expected, recovery times did not decrease throughout the training sessions. Nevertheless, the efficiency of the developed training concept and environment could be proven by showing that the participants were able to cancel 50% of the flights early when being trained (without training only 3%). These early cancellations reduce costs for the airlines and increase comfort for the passengers as they can be informed early and rebooked onto other flights.

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Schier-Morgenthal, Sebastian: Entwurf und Evaluation einer kollaborativen, simulationsbasierten Lernumgebung für das Flughafenmanagement. Hagen 2021. FernUniversität in Hagen.

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