Arbeitsbelastung von Piloten: Wie man sie objektiv misst

Was versteht man in der Luftfahrt unter Arbeitsbelastung?

Arbeitsbelastung bezeichnet die Gesamtheit der mentalen und körperlichen Anstrengungen, die eine Flugphase vom Piloten verlangt. Sie hängt von der Situation ab (Wetter, Verkehr, Ausfall), aber auch von der Erfahrung und dem Zustand des Piloten.

Die US-amerikanischen Zulassungsvorschriften für Transportflugzeuge beschreiben sie über die Funktionen der Besatzung: Bahnführung, Kollisionsvermeidung, Navigation, Kommunikation, Systemmanagement und Entscheidungsfindung. Berücksichtigt werden unter anderem Grad und Dauer konzentrierter mentaler und körperlicher Anstrengung ^[6]. Eine physiologische Messung schreiben sie hingegen nicht vor ^[6].

Subjektive Messungen: der NASA-TLX

Der NASA-TLX wurde von der NASA auf Grundlage von 16 Experimenten entwickelt, darunter Flugsimulationen. Er kombiniert sechs Dimensionen: geistige Anforderung, körperliche Anforderung, zeitliche Anforderung, wahrgenommene Leistung, Anstrengung und Frustration ^[1].

Er ist der Standard, weil er einfach, schnell und zwischen Studien vergleichbar ist. Seine Grenze liegt in seiner Natur: Er wird nach der Aufgabe ausgefüllt. Er hängt vom Gedächtnis des Piloten ab und zeigt nicht, zu welchem Zeitpunkt die Belastung ihren Höhepunkt erreichte.

Physiologische Messungen

Körpersignale erlauben es, die Belastung kontinuierlich zu erfassen, ohne den Flug zu unterbrechen. Eine systematische Übersichtsarbeit über 58 Studien hat kardiale, respiratorische, elektrodermale, Blutdruck- und okulare Messungen ausgewertet. Ihr Fazit ist eindeutig: Diese Messungen reagieren auf die Belastung, aber keine erlaubt es allein, sie klar zu unterscheiden ^[2].

Eine neuere Übersichtsarbeit zu Piloten auf Basis von 29 Studien zeigt, dass die Herzfrequenz deutlicher auf die Belastung reagiert als die Indizes der Herzfrequenzvariabilität, deren Ergebnisse uneinheitlich bleiben ^[3]. Viele dieser Studien hatten 10 oder weniger Teilnehmer, und die meisten wurden im Simulator durchgeführt ^[3].

Das EEG: was die Forschung sagt

Das EEG zeichnet die elektrische Aktivität des Gehirns direkt auf. Eine Übersichtsarbeit zu Piloten und Autofahrern berichtet, dass hohe mentale Belastung mit einem Anstieg der Theta-Aktivität und einem Rückgang der Alpha-Aktivität einhergeht ^[4]. Systeme zur Erkennung des mentalen Zustands erreichen in der nachträglichen Auswertung eine Genauigkeit in der Größenordnung von 90 %, die Erkennung in Echtzeit bleibt jedoch schwierig ^[4].

Eine Metaanalyse aus dem Jahr 2022, die auch Aufgaben aus der Flugsimulation einschließt, bestätigt, dass die Theta-Leistung im frontalen Bereich der robusteste EEG-Indikator für kognitive Belastung ist ^[5].

Warum man die Messungen kombinieren sollte

Jede Messung hat ihre blinden Flecken. Der Fragebogen sagt, was der Pilot empfunden hat, nicht wann. Das Herz reagiert auf die Belastung, aber auch auf körperliche Anstrengung, Stress und Atmung. Das EEG liegt nah an der mentalen Aktivität, ist aber anfällig für Artefakte.

Zwei unabhängige Signale, die sich im selben Moment gemeinsam verändern, sind weit schwerer zu bestreiten als eine einzelne Zahl. Das ist der Ansatz von SPARK AERO: die Arbeitsbelastung im Hirnsignal zu erfassen, zusammen mit den Scanbewegungen des Kopfes und den Flugereignissen, auf einer einzigen Zeitachse. Im Simulator, wo sich Szenarien und Ausfälle wiederholen lassen, können so Sessions verglichen und der Fortschritt eines Flugschülers verfolgt werden.

Grenzen und Vorsichtsmaßnahmen

• Die meisten Studien finden im Simulator statt, oft mit kleinen Stichproben ^[3].
• Die Indizes der Herzfrequenzvariabilität werden von der Atmung beeinflusst, was ihre Interpretation erschwert ^[3].
• Forschungsergebnisse beschreiben Gruppenmittelwerte: Einen Piloten zu begleiten setzt voraus, jede Messung auf seine eigene Referenz zu beziehen.
• Die Zulassungsvorschriften verlangen derzeit keine physiologische Messung ^[6].