Human-Centred Design in Aviation
Human-Centred Design in
Aviation
by
Mauro Pedrali
[email protected]
Politecnico di Milano - Dipartimento di Ingegneria Aerospaziale, 24 Maggio, 2001
Human-Centred Design in Aviation
Sommario
• Introduzione: I fattori Umani
• User-Centred Design: Concetti principali
• Applicazioni in aviazione
– Interfacce utente
– Automazione
• Conclusioni
Human-Centred Design in Aviation
Cosa sono ?
• I Fattori Umani (o Ergonomia) possono
essere definiti come quella Tecnologia
multidisciplinare che si preoccupa della
ottimizzazione delle relazioni tra l’uomo e le
sue attività attraverso la sistematica
applicazione delle scienze umane e
dell’ingegneria dei sistemi (Edwards, 1972)
Human-Centred Design in Aviation
Cosa comprendono ?
• L’approccio ‘Fattori Umani’ è basato su
varie discipline:
– psicologia cognitiva, clinica e sociale
– sociologia ed antropologia
– fisiologia, biologia e medicina
– ergonomia
– ingegneria
Human-Centred Design in Aviation
Caratteristiche
• Orientati alla
risoluzione di problemi
pratici
• Mirati all’utilizzo di
concetti scelti sulla
base della loro utilità
• Estesi oltre il posto di
lavoro
• Ottimizzare:
– benessere dell’uomo
» sicurezza, ma anche
appagamento come
risultato dell’attività
– efficienza del sistema
» raggiungimento
dell’obbiettivo tenendo
conto dei costi
Human-Centred Design in Aviation
Aree di Applicazione
• Addestramento
» Potenziamento Capacità ‘Non-Tecniche’
• Analisi ‘Ex-post’
» Eventi indesiderati ed Errori Umani
• Analisi ‘Ex-ante’
» Predizione delle Prestazioni Umane
• Progettazione
» Sistemi automatici, Interfacce utente, Procedure ...
Human-Centred Design in Aviation
Human-Centred Design
Progettazione Centrata sull’Uomo,
ovvero, applicazione dell’approccio
Human Factors alla Progettazione
Human-Centred Design in Aviation
Cos’è ?
L’esperienza maturata nel passato a seguito
di analisi di tipo ‘ex-post’ nell’interazione
uomo sistema ha portato ad elaborare un
approccio che ha come obbiettivo
principale guidare i progettisti nella
creazione di sistemi usabili
Human-Centred Design in Aviation
Modello concettuale SHEL
H
S
L
E
(Edwards, 1972)
Human-Centred Design in Aviation
Hardware
H
S
L
• La totalità delle entità fisiche inanimate,
come ad esempio edifici materiali, veicoli,
equipaggiamenti, materiale
– e.g., torre di controllo, aerostazione, radar,
aeromobile, cockpit, altimetro, radio, schermo
radar, impianto di condizionamento
E
Human-Centred Design in Aviation
Software
H
S
L
• Regole e regolamenti, sia scritti (come le
leggi e le procedure operative), sia
comportamentali (come le abitudini di ogni
individuo, di un gruppo o della società) che
governano il modo in cui il sistema opera e
in cui sono organizzate le informazioni
E
Human-Centred Design in Aviation
Liveware
H
S
• Tutto ciò che è umano, in altre parole gli
operatori di un sistema
– e.g.: piloti, assistenti di volo, tecnici della
manutenzione, controllori del traffico aereo,
agenti di scalo, portabagagli, etc.
L
E
Human-Centred Design in Aviation
Environment
H
S
L
• Tutto ciò su cui il progettista non può avere
nessun tipo di controllo
» caratterizzato non sono solo da condizioni fisiche,
ma anche economiche, politiche e sociali
E
Human-Centred Design in Aviation
Usabilità sistema = Facilità d’uso
• Dipende dalle
caratteristiche di
– Utente
– Compito
– Ambiente
• Requisiti fondamentali
– Efficacia
– Efficienza
– Soddisfazione
• International Standard
Organisation
» norma ISO CD 9241,
Part 11, Guidance on
the specification and
measures
Human-Centred Design in Aviation
Human-Centred Design
•
•
•
•
Caratteristiche
Coinvolgimento attivo
dell’utente
Accurata ripartizione
funzioni/compiti tra
utente e sistema
Iterazione
Progettazione
multidisciplinare
•
•
•
•
Fasi
Definizione del
contesto d’uso
Specificazione delle
esigenze dell’utente e
dell’organizzazione
Produzione di soluzioni
di progettazione
Valutazione
Human-Centred Design in Aviation
Coinvolgimento
• Natura ‘partecipativa’ approccio
– Inizialmente
» l'utente finale viene coinvolto per identificare:
– contesto d'uso
– compiti che dovranno essere eseguiti per mezzo
del sistema
– Successivamente
» per testare il prototipo messo a punto sulla base
delle informazioni raccolte
Human-Centred Design in Aviation
Ripartizione
funzioni/compiti
• Specificare compiti, attività e responsabilità
» spettanti all'utente
» eseguiti automaticamente dal sistema
– Errato attribuire tutto al sistema, assegnando
all’operatore le restanti funzioni
• Questa ripartizione deve basarsi su
– capacità, attitudini e le limitazioni degli utilizzatori rispetto
al sistema in termini di affidabilità, accuratezza, velocità,
flessibilità e costo economico
Human-Centred Design in Aviation
Iterazione
– Non è possibile stabilire con precisione fin
dall'inizio le esigenze dell'utente
– solo grazie a ripetuti aggiustamenti successivi si arriva a
capire esattamente quali necessità il sistema debba
soddisfare
– Si riduce al minimo il rischio che il sistema
finale non soddisfi le esigenze dei suoi
utilizzatori
– favorire l'emersione di quei bisogni che sono difficili da
esplicitare verbalmente per la apparente ovvietà
Human-Centred Design in Aviation
Multidisciplinare
• Utenti finali
• Acquirenti, manager degli
utenti
• Specialisti del dominio di
applicazione, analisti
commerciali
• Analisti di sistema,
ingegneri di sistema,
programmatori
• Venditori, rappresentanti
• Progettisti di interfaccia
utente, grafici
• Esperti di ergonomia e di
fattori umani, esperti di
interazione uomomacchina
• Autori tecnici, personale di
formazione e supporto
Human-Centred Design in Aviation
Definizione contesto d’uso
• Rappresentato da
– Utenti
» Caratteristiche: conoscenze, abilità, esperienza,
istruzione, attributi fisici, abitudini e preferenze
– Compiti
» Obiettivi per cui si usa il sistema
– Ambiente
» Attributi dal punto di vista tecnico, legislativo, fisico,
sociale, culturale e organizzativo
Human-Centred Design in Aviation
Specificazioni delle esigenze
•
•
•
•
•
•
•
•
•
Caratteristiche della prestazione attesa dal nuovo sistema in rapporto agli
obiettivi economici e finanziari
Vincoli legislativi, compresi quelli che riguardano la sicurezza e la salute degli
utenti diretti e indiretti
Caratteristiche dell'eventuale cooperazione tra gli utenti e altri attori rilevanti
Mansioni degli utenti, ovvero compiti specifici, attuale livello di benessere
complessivo e motivazione
Modalità di esecuzione del compito
Progettazione e organizzazione del processo produttivo
Gestione del cambiamento, ovvero caratteristiche della formazione e dei
dipendenti coinvolti
Fattibilità dell'utilizzo effettivo del prodotto e della manutenzione
Progettazione dell'interfaccia uomo-macchina e della postazione di lavoro
Human-Centred Design in Aviation
Produzione di soluzioni
• 3 attività previste
(a) Utilizzo della conoscenza già esistente in materia
(b) Realizzazione di modelli, prototipi o strumenti di
simulazione
• rendono più esplicite le decisioni di progettazione
• permettono di valutare diverse idee prima di scegliere
quella migliore
• consentono di apportare delle modifiche al progetto
durante le fasi iniziali
(c) Test dei prototipi
Human-Centred Design in Aviation
Valutazione
• Obbiettivo
• fornire delle informazioni di ritorno che possano
essere usate per migliorare il progetto
• valutare se gli obiettivi dell'utente e
dell'organizzazione sono stati raggiunti
• monitorare l'utilizzo di lungo termine del sistema
– Le tecniche si differenziano per il grado di
formalizzazione, rigore e coinvolgimento utente
– Non termina con la realizzazione del prodotto
finale
Human-Centred Design in Aviation
Analisi dell’utente, del compito, e dell’ambiente
Visualizzazione
Esigenze dell’utente
Prototipi di interfaccia
utente
Requisiti del sistema
Iterazione
Progettazione e sviluppo
Prototipi di sistema
Sistema pronto per l’uso
Valutazione
Human-Centred Design in Aviation
Un’altalena, o un ...
Human-Centred Design in Aviation
Applicazioni
•
•
•
•
•
Interfacce utente
Automazione
Controllo
Procedure
...
Human-Centred Design in Aviation
Principi e Regole
Progettazione ‘Human-Centred’
delle Interfacce utente
Human-Centred Design in Aviation
Principi
• Caratteristiche
» Indicazioni generali di alto livello, applicabili a molti
ambiti dell'interazione uomo-macchina
» Raccomandazioni di tipo trasversale, che devono
essere interpretate dal progettista in base al
particolare contesto d'uso
– Richiedono uno sforzo al designer che voglia servirsene
• "ridurre il carico mentale dell'utente”
• "adeguare il linguaggio del sistema alle esigenze
dell'operatore"
Human-Centred Design in Aviation
Regole
• Caratteristiche
» Indicazioni dettagliate di basso livello, applicabili ad
ambiti ristretti dell'interazione uomo-macchina
» Richiedono uno sforzo interpretativo minimo da
parte del progettista e possono derivare da teorie
psicologiche o dall'esperienza pratica
– "collocare il pulsante 'esci' in basso a destra dello
schermo”
– "cominciare la numerazione degli elementi di un insieme
con '1'"
Human-Centred Design in Aviation
Pro & Contro
Regole
• A volte contraddittorie
e sovrapponibili, e.g.,
– Presentazione
informazioni
» in base alla funzione
» rispettando l'ordine
alfabetico
» tenendo conto della
frequenza utilizzo o della
importanza per l'utente
Principi
– condensano in pochi
punti gli aspetti
rilevanti nella
progettazione di
un'interfaccia
– si applicano ad una
maggiore quantità di
casi
Human-Centred Design in Aviation
Interfaccia usabile
•
•
•
•
•
Consistenza dell'interfaccia
Feedback per l'utente
Carico mentale dell'operatore
Linguaggio dell'interfaccia
Prevenzione e correzione degli errori
Human-Centred Design in Aviation
Consistenza
– Un sistema consistente si comporta in modo
simile in situazioni simili
– La consistenza sollecita e favorisce l'uso di
ragionamenti basati sull'analogia
» sia a livello di interfaccia
» sia, soprattutto, a livello funzionale
– i vari procedimenti da seguire per portare a termine
compiti diversi si basano su una stessa logica per evitare
confusioni all'utente e consentirgli un più rapido sviluppo
di reazioni automatiche
Human-Centred Design in Aviation
Attributi
– Prevedibilità
– caratteristica per cui l'utente ritiene di poter prevedere
l'effetto delle sue azioni future basandosi sull'esperienza
maturata durante le interazioni passate
– Familiarità
– proprietà che misura la correlazione tra la conoscenza già
posseduta dall'utente e quella necessaria per procedere ad
un'effettiva interazione
– Generalizzabilità
– proprietà del sistema per cui l'utente può estendere la
conoscenza maturata in una specifica interazione ad altre
situazioni simili
Human-Centred Design in Aviation
Mapping naturale
• Ovvero compatibilità di risposta
» le modalità di azionamento dei comandi sono
progettate in analogia al tipo di risultati che questi
producono
– e.g., innalzare un cursore genera la naturale aspettativa di
incrementare la quantità di un qualcosa
» stereotipo:
– corrispondenza tra azionamento di un comando ed effetto
prodotto, percepita come naturale dalla stragrande
maggioranza dei soggetti di una data popolazione
Human-Centred Design in Aviation
Feedback
• Regola il rapporto comunicativo tra l'utente
e la macchina
– Grazie all'informazione di ritorno che l'operatore può
sapere se e come il suo comando è stato recepito e quindi
può stabilire il successivo passo da compiere.
• Informa costantemente l'utente circa
l'attività in corso
– non solo quando si presentano degli errori, ma anche
durante la regolare interazione
Human-Centred Design in Aviation
Carico mentale
• ‘Costo Psicologico’ che l’operatore sopporta
come conseguenza della sua occupazione
» Cause
– Situazione lavorativa (e.g. condizioni fisico ambientali,
orari, strumenti di lavoro ), Fattori legati all’individuo
(esperienza, salute, motivazione), Fattori sociali (grado di
inserimento, famiglia)
» Come alleviarlo
– recupero mnemonico; abbinamento comando/funzione;
pre-determinazione delle informazioni; riduzione delle
informazioni
Human-Centred Design in Aviation
Linguaggio interfaccia
• Adeguarsi alla caratteristiche dell’operatore
– la terminologia, gli elementi iconici e quelli grafici devono
tenere conto delle esigenze dell’utente sia fisiche, sia
psicologiche e devono ispirarsi alle convenzioni
dell'ambiente culturale cui egli fa riferimento
– Teoria della Gestalt
• tendenze organizzative innate, chiamate principi di
raggruppamento, predispongono naturalmente l'uomo
a considerare elementi di uno stesso gruppo quegli
stimoli che presentano tra loro un rapporto di
vicinanza, somiglianza, chiusura, continuità o
comunanza
Human-Centred Design in Aviation
Errori
"Se un errore è possibile, qualcuno prima o
poi lo farà" (Norman, 1990)
• Prevenzione
– Raggruppare comandi in base: Funzione, Sequenza e
Frequenza d’uso
– Evitare comandi troppo simili
– Ricorso a funzioni obbliganti
• Correzione
– “all’indietro”, “in avanti” (sforzo commisurato)
Human-Centred Design in Aviation
“Any task can be automated.
The question is whether it
should be ...”
Wiener & Curry (1980). Flight-deck
automation: Promises and Problems.
Ergonomics, 23, pp. 995-1011
Human-Centred Design in Aviation
Automazione
•
•
•
•
•
Posizionamento del problema
Panorama storico dell’automazione
Vantaggi e svantaggi
Ruolo dell’Uomo e della Macchina
Requisiti per un’automazione di tipo
‘human-centred’
Human-Centred Design in Aviation
Posizionamento del
problema
Human-Centred Design in Aviation
Perché automatizzare ?
• Più automazione, Meno errori umani
» Punto di vista dell’industria e delle compagnie aeree
• Problemi di interazione tra operatore
umano e automazione
» Risultati analisi di Incidenti ed Inconvenienti
“… Automation does not eliminate human errors, but rather
changes its nature and possibly increases the severity of
its consequences ...” (Wiener, 1993)
Human-Centred Design in Aviation
Complessità
– Rende più difficile all'uomo, la comprensione, la
modellazione (modello mentale) ed il richiamo alla
memoria dei dettagli dell'automazione
– Rende più difficile il ricordare ciò che serve per
spiegare il comportamento del sistema automatico
» Questo è specialmente vero quando una funzione automatica
è utilizzata o richiamata solo in rare occasioni
– “… Apparent simplicity, real complexity” (Woods, 1996)
Human-Centred Design in Aviation
‘Coupling’
– Relazioni, o interdipendenze interne, fra tutte le
funzioni eseguite in maniera automatica. Queste
interdipendenze sono raramente ovvie ...
– … molte non sono nemmeno trattate in manuali o in altre
pubblicazioni accessibili agli utenti dei sistemi automatici
 La possibile sorpresa che gli operatori potrebbero
mostrare per il comportamento del sistema
» in particolare modo se il modo di funzionamento del
dispositivo è determinato da fattori contingenti e quindi
appare, apparentemente, imprevedibile
Human-Centred Design in Aviation
Autonomia
– Comportamento autonomo, reale o apparente, della
macchina
– Quando il comportamento autonomo è inaspettato, il
controllore umano percepisce questo come animato ...
» … il sistema automatico appare guidato da una mente propria.
– L'essere umano deve decidere, talvolta velocemente,
se il comportamento osservato è corretto o meno
» Questa decisione può essere difficile, in parte a causa del
coupling e in parte perché può non esserci feedback adeguato
Human-Centred Design in Aviation
Assenza di feedback
– Situazione in cui l'automazione
» non comunica,
» o comunque comunica in maniera povera o ambigua
– sia quello che sta facendo, o perché lo sta facendo
– sia, in alcuni casi, perché sta per mutare il modo di operare
all'interno di una certa funzione
– Senza questo feedback, l'operatore umano deve capire,
facendo appello alla sua memoria o al modello che ha
del sistema automatico, la ragione del comportamento
osservato
Human-Centred Design in Aviation
Conseguenze
• Allontanamento dell’operatore umano
(pilota, controllore, …) dalla macchina
• Minore coinvolgimento nella missione
• Perdita della consapevolezza della
situazione spazio-temporale
 Non più ‘locus’ del controllo
Human-Centred Design in Aviation
Principi di Progettazione
• L’operatore deve ...
» avere la responsabilità
per la sicurezza
» avere la relativa autorità
di comando
» essere attivamente
coinvolto
» essere adeguatamente
informato
» essere in grado di
monitorare i sistemi
automatici che lo
assistono
• Il sistema automatico
deve …
» essere prevedibile
» controllare gli esseri
umani
» deve conoscere le
intenzioni degli altri
componenti del sistema
(operatori o sistemi che
siano)
Human-Centred Design in Aviation
Panorama storico
L’automazione in aviazione:
dal dopoguerra ad oggi
Human-Centred Design in Aviation
4 generazioni
Prima




de Havilland Comet
Boeing 707
Douglas DC-8
Douglas DC-9
Seconda





Boeing 727/737
Boeing 747-100, 200, 300
Douglas DC-10
Lockheed L-1011
Airbus A-300
Terza





Boeing767/757, 747-400
McDonnell-Douglas MD-80
Airbus A-310, 300-600
Fokker F-28-100
McDonnell-Douglas MD-11
Quarta
 Airbus A-319/320/321
 Airbus A-330, A-340
 Boeing 777
Human-Centred Design in Aviation
Evoluzione
• 1a Generazione
– sistemi automatici
semplici
– molti compiti manuali
– navigazione manuale
• 2a Generazione
– ridondanza dei sistemi
– navigazione automatica
• 3a Generazione
–
–
–
–
sistemi digitali
display grafici
FMS
allarmi integrati
• 4a Generazione
– fly-by-wire
– operazioni integrate dei
sistemi
Human-Centred Design in Aviation
1a Generazione
DC-9
B707
Comet
DC-8
Human-Centred Design in Aviation
2a Generazione
L-1011
DC-10
B727
B747
Human-Centred Design in Aviation
3a Generazione
F-28
MD-11
A310
Human-Centred Design in Aviation
4a Generazione
A330
B777
Human-Centred Design in Aviation
Caratteristiche
• 3 Strutture di controllo
» interna (Inner loops)
» intermedia (Intermediate loops)
» esterna (Outer loops)
• 3 Modelli di automazione
» Automazione nel controllo
» Automazione nell’informazione
» Automazione nella gestione
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… nel controllo
• Automazione che assiste o sostituisce
l’equipaggio nel controllo e nella direzione
dell’aeromobile
• Esempi:
Flight Directors, VHF Omnidirectional Range (VOR)
Distance Measuring Equipment (DME), Instrument
Landing System (ILS), Integrated Flight Control
Systems, Sidesticks, Full Authority Digital Engine
Controllers (FADECs)
Human-Centred Design in Aviation
Inner & Intermediate loops
FLT & PWR
DISPLAY
CONTROLLI
SISTEMA
SENSORI
COMPUTER
DI CONTROLLO
SOTTOSISTEMI
SOTTOSISTEMI
VELIVOLO
PILOTA
VELIVOLO
CONTROLLI
VOLO
DISPLAY
SISTEMI
MCP
DISPLAY
MODE
CONTROL PANEL
COMPUTER
DI CONTROLLO
VOLO & FADEC
SUP. CONTR.
E PROPULSIONE
SENSORI
PILOTA
AUTOMATICO
SENSORI
Human-Centred Design in Aviation
... nell’informazione
• Automazione mirata alla gestione e alla
presentazione delle informazioni rilevanti
all’equipaggio
• Esempi:
Primary Flight Display (PFD), Navigation Display
(NAV), Multi Function Display (MFD)
Human-Centred Design in Aviation
Glass cockpit
Human-Centred Design in Aviation
Primary Flight Display
Human-Centred Design in Aviation
Navigation Display
Human-Centred Design in Aviation
Multi Function Display
Human-Centred Design in Aviation
... nella gestione
• Automazione che permette il controllo
tattico e, soprattutto, strategico di
un'operazione
• Flight Management System
Human-Centred Design in Aviation
FMS - Funzioni
•
•
•
•
•
•
•
•
Navigazione
Valutazione prestazioni
Pilotaggio
Gestione strumenti
elettronici
Gestione unità di controllo
Gestione input-output
Esecuzione test
Gestione del sistema
operativo
Honeywell FMS MD-11
Human-Centred Design in Aviation
Outer loops
FLT & PWR
DISPLAY
Display
TCAS
CONTROLLI
SISTEMA
Display
tempo met.
SENSORI
COMPUTER
DI CONTROLLO
SOTTOSISTEMI
SOTTOSISTEMI
VELIVOLO
PILOTA
Display
Windshear
CONTROLLI
VOLO
Display
GPWS
Display
Data Link
VELIVOLO
COMPUTER
DI CONTROLLO
VOLO & FADEC
DISPLAY
SISTEMI
MCP
DISPLAY
Display
ACARS
SUP. CONTR.
E PROPULSIONE
SENSORI
MODE
CONTROL PANEL
PILOTA
AUTOMATICO
UNITA’
CONTROLLO
DISPLAY
FMS
DISPLAY
CDU
Struttura interna
Struttura intermedia
Struttura esterna
Fonti d’informazione
SENSORI
Human-Centred Design in Aviation
VELIVOLO
VELIVOLO
VELIVOLO
VELIVOLO
CONTROLLI
CONTROLLI
AUTOPILOTA
AUTOPILOTA
CONTROLLORE
(Aiuti alla
navigazione)
SISTEMI DI
CONTROLLO
AUTOPILOTA
CONTROLLORE
(Aiuti alla
navigazione)
FMS
CONTROLLI
PILOTA
1920s
PILOTA
1940s
PILOTA
1960s
CDU
PILOTA
1980s
COMPLESSITÀ CRESCENTE, CONTROLLO DIRETTO IN DIMINUZIONE
GPS
VOR
DME
ILS
IRS
Human-Centred Design in Aviation
Vantaggi e Svantaggi
Dell’Automazione in Aviazione
Human-Centred Design in Aviation
Luci ed Ombre
Vantaggi / Benefici
•
•
•
•
Sicurezza
Affidabilità
Economia
Comfort
Svantaggi / Costi
•
•
•
•
•
Complessità
Fragilità
Opacità
‘Alla lettera’
Addestramento
Human-Centred Design in Aviation
Complessità
• Diversi ‘modi’ di funzionamento
– Accoppiamento (coupling) controllo tattico e
gestione strategica del volo
– Grande flessibilità
 Interazione non chiara/ovvia all’operatore
 Modello mentale non corretto
 Uso improprio
Human-Centred Design in Aviation
L1011 vs A320
PITCH AXIS
• Control wheel
steering
• Altitude hold
• Vertical speed
hold
• IAS hold
• Mach hold
• Altitude capture
ROLL AXIS
• Control wheel
steering
• Heading select
• VOR hold
• R-nav coupling
• Localiser hold
DUAL AXIS
• Approach
• Approach/land
• Go-around
• Take-off
• Turbulence
Lockheed L-1011
Autothrust
Modes
•TOGA
• FLX 42
• MCT
• CLB
• IDLE
• THR
• SPD/MACH
• ALPHA FLOOR
• TOGA LK
Vertical
Modes
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
SRS
CLB
DES
OPEN CLB
OPEN DES
EXPEDITE
ALT
V/S-FPA
G/S-FINAL
FLARE
Airbus A-320
Lateral
Modes
•
•
•
•
•
•
•
RWY
NAV
HDG/TRK
LOC*
LOC/APP NAV
LAND
ROLLOUT
Human-Centred Design in Aviation
Autopilota - ‘climb modes’
27000
27000
26500
26500
26000
25000
24000
23000
27000
27000
26000
CAPTURE
ALT
VERTICAL
SPEED
24000
25000
24000
23000
26000
CAPTURE
VERTICAL
SPEED
Human-Centred Design in Aviation
Fragilità
• Funziona bene in condizioni normali ma
presenta dei comportamenti indesiderati in
prossimità di condizioni limiti
» Più un software è complesso più è difficile testarlo
in tutto lo spettro operativo
» Solo alcune delle condizioni limiti possono essere
valutate per la certificazione
» Ci possono essere situazioni che insorgono in
maniera del tutto imprevista
– (Mulhouse-Habsheim, 1988, Air France A320)
Human-Centred Design in Aviation
Opacità
– “Cosa sta facendo ?”, “Perché lo sta facendo?”,
“Cosa farà dopo?”
» Inadeguato modello mentale
– Complessità dell’automazione
– Addestramento inadeguato / insufficiente
» ‘Strong and silent” (Sarter and Woods, 1994)
– Complessità crescente  Difficoltà nel dare
informazioni ovvie / non ambigue
Human-Centred Design in Aviation
‘Alla lettera’
• L’automazione fa solo ed esattamente
quello che le si dice di fare
– L’operatore può ‘ingannare’ l’automazione, ma
lo fa a spese do un carico mentale maggiore e
con la possibilità di commettere errori
Human-Centred Design in Aviation
Addestramento
• “How they operate”  “How to operate”
• Cambio di paradigma?
– Se l’operatore non possiede un adeguato
modello mentale del sistema e su come il
sistema lavora (quando lavora correttamente)
a maggior ragione sarà più difficile capire
quando il sistema non funziona correttamente
Human-Centred Design in Aviation
Altri problemi
• Fiducia (eccessiva)
nell’automazione
• Automazione
insensibile (Clumsy)
• Digitale vs. Analogico
• Autonomia completa
dell’automazione
• Degrado delle capacità
• Coordinamento
equipaggio
• Requisiti di
monitoraggio
• Sistemi automatici e
navigazione
• Sovraccarico di dati
Human-Centred Design in Aviation
Ruoli Uomo e Macchina
Sostituibili ?
Complementari ?
Intercambiabili ?
Human-Centred Design in Aviation
Human-Centred Design in Aviation
Controllore o Manager ?
• I piloti
– possono giocare una varietà di ruoli
– preferiscono operare con più ruoli
 Un ragionevole spettro di opzioni
controllo/gestione deve essere fornito
 Maggior addestramento
 Più tempo per acquisire familiarità con le capacità
dell’automazione
 Maggiori costi per le attrezzature
Human-Centred Design in Aviation
Responsabilità - Autorità
• Autorità di comando: può essere delegata,
può essere limitata
• Responsabilità: non può essere delegata
» Se l’operatore ha la responsabilità, allora deve avere
la conoscenza e l’autorità necessaria per restare al
comando
Human-Centred Design in Aviation
Requisiti o Linee Guida
Progettazione ‘Human-Centred’
dell’Automazione in Aviazione
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Ricapitolazione
• Fattori comuni
riscontrati negli
incidenti
– Complessità
– Accoppiamento
(Coupling)
– Autonomia
– Feedback inadeguato
• Caratteristiche
associate all’utilizzo
–
–
–
–
–
–
Fragilità
Opacità
‘Alla lettera’
Insensibilità
Sovraccarico di dati
...
Human-Centred Design in Aviation
L’operatore qualche volta
non capisce ...
… Cosa sta facendo l’automatismo
… Perché lo sta facendo
… Cosa farà dopo
Human-Centred Design in Aviation
Peculiarità linee guida
• Considerare tali linee guida come ‘a whole’
non solo come ‘stand-alone ’
• ‘What to do (or not to do) ’ piuttosto che
‘how to do ’
• Tipologia
– Raccomandazioni generali
– Raccomandazioni specifiche
Human-Centred Design in Aviation
Raccomandazioni generali
• Operatore sempre ...
–
–
–
–
al comando
coinvolto
informato
informato sul sistema
• Automatismi
– prevedibili
– monitori
• Mutua conoscenza di
ogni agente
• Automazione, ma solo
se …
• Automazione facile da
– insegnare
– apprendere
– utilizzare
Human-Centred Design in Aviation
“The Human Operator Must
be in Command”
Human-Centred Design in Aviation
Al Comando
» Non affidare il comando all’automazione
– Autorità del comando legata alla Responsabilità
– Automazione non può gestire l’incertezza
» Autorità del comando compromessa se
– Ceduta, per indecisione, all’automazione o ad un altro
uomo quando una decisione è necessaria (Portland,
Oregon, 1978, United Airlines DC8)
– Piegata alle politiche e procedure di compagnia (Dryden,
Ontario, 1989, Air Ontario F28)
– Degradata da decisioni progettuali (Toulouse, 1994, Flight
Test A330)
Human-Centred Design in Aviation
“To Command Effectively,
the Human Operator Must
Be Involved”
Human-Centred Design in Aviation
Coinvolto
• Ruolo attivo nel controllo diretto
dell’aeromobile e nella gestione delle
risorse umane e tecniche
• Richiedere sempre dei compiti significativi
che coinvolgano almeno una componente
– percettiva
– cognitiva
– psicomotoria
Human-Centred Design in Aviation
“To Remain involved, the
Human Operator Must Be
Appropriately Informed”
Human-Centred Design in Aviation
Informato
• Informazione adeguata sull’operazione
automatica
 Maggiore coinvolgimento dell’operatore
 Decisioni prevedibili da parte dell’operatore
 Meno sorprese per l’operatore
• Contenuto e modalità di presentazione
rafforzano le priorità di un compito
Human-Centred Design in Aviation
“The Human Operator Must
Be Informed About
Automated Systems
Behaviour”
Human-Centred Design in Aviation
Informato sul sistema
• L’automatismo deve fornire informazioni
– sull’attività in corso, sulle attuali prestazioni e
potenziali degradi
• Operatore deve conoscere
– Funzionamenti e malfunzionamenti del sistema
per poter intervenire in tempo
Human-Centred Design in Aviation
“Automated Systems Must
Be Predictable”
Human-Centred Design in Aviation
Prevedibile
• Come manager, l’operatore deve essere in
grado di predire come le prestazioni dell’
aeromobile saranno influenzate da quel
tipo di automatismo
– Al momento della selezione
– Per tutto il volo
Human-Centred Design in Aviation
“Automated Systems Must
Also Monitor Human
Operators”
Human-Centred Design in Aviation
Monitore
• Poiché l’uomo può commettere errori, è
necessario che l’automazione li
– identifichi
– diagnostici
– gestisca
– corregga
• Arduo monitorare la presa di decisione
Human-Centred Design in Aviation
“Each Agent in an Intelligent
Human-Machine System
Must Have Knowledge of the
Intent of the Other Agents”
Human-Centred Design in Aviation
Conoscenza mutua
• Condivisione delle intenzioni sia da parte
dell’automazione sia da parte dell’uomo
• Agevolare la comunicazione delle intenzioni
e proteggere dai ‘qui-pro-quo’
– Strasbourg (1992), Air Inter - A320
– Nagoya (1994), China Airlines, A300
Human-Centred Design in Aviation
“Functions Should Be
Automated Only If There is a
Good Reason for Doing So”
Human-Centred Design in Aviation
Automazione, solo se ...
• “… Tecnicamente e economicamente
fattibile”
• “… Esiste la tecnologia per automatizzare
una funzione che impedirebbe al pilota di
superare, senza volerlo, i limiti di sicurezza”
• “… L’operatore può essere sempre in grado
di sostituirsi all’automatismo”
Human-Centred Design in Aviation
Prima di automatizzare ...
• … Chiedersi
– “Perché questa funzione deve essere
automatizzata?”
– “La nuova funzione automatizzata migliorerà le
capacità del sistema o la consapevolezza
dell’equipaggio?”
– “Non automatizzando, si migliorerebbero il
coinvolgimento o la capacità di restare al
comando ?”
Human-Centred Design in Aviation
“Automation Should Be
Designed to Be Simple to
Train, to Learn, and to
Operate”
Human-Centred Design in Aviation
Facile da ...
Insegnare, Apprendere, Utilizzare

Semplice, Trasparente e Intuitiva

Deve essere pensata per essere utilizzata
in condizioni difficili ed in un ambiente avverso
da operatori stanchi e distratti con abilità medie
Human-Centred Design in Aviation
Raccomandazioni specifiche
•
•
•
•
•
•
Comprensibile
Non rimuovere l’uomo dal comando
Mantenere/Aumentare consapevolezza
Mai silente
Facilitare interazione Uomo-Macchina
Fiducia e Affidabilità
Human-Centred Design in Aviation
Raccomandazioni specifiche
• Controllo
– Autorità limitata
– Non limitare l’azione
– Offrire ampio spettro di
possibilità
– Coinvolgere operatore
– Carico di lavoro
– Tollerante e resistente
all’errore
• Informazione
– Enfasi e Importanza
– Avvertimenti e Allarmi
– Integrazione
• Gestione
– Nei limiti delle capacità
umane
Human-Centred Design in Aviation
“Automated Systems must
be Comprehensible”
Human-Centred Design in Aviation
Comprensibile
• Mantenere le operazioni dei sistemi e degli
automatismi Semplici e Prevedibili
» limitando (in quantità) i modi di funzionamento
» riducendo la complessità ed il rischio di coupling
 Transizioni più veloci verso i nuovi sistemi
 Addestramento meno oneroso
 Accettazione utente
Human-Centred Design in Aviation
“Automation Must Insure
That Operators Are Not
Removed from the
Command Role”
Human-Centred Design in Aviation
Non rimuovere l’uomo dal
comando
• La crescente integrazione e coupling dei
sistemi automatici rischia di bypassare
l’operatore
» Mostrare le conseguenze di una scelta prima della
sua accettazione
» Assicurarsi che l’operatore acconsenta ad eventuali
cambiamenti prima di attuarli
» Permettere un minimo di negoziazione
Human-Centred Design in Aviation
“A Primary objective of
Automation is to Maintain
and Enhance Situation
Awareness. All Automation
Elements and Display Must
Contribute to this Objective”
Human-Centred Design in Aviation
Mantenere/Aumentare
Consapevolezza
• Elementi che concorrono:
» posizione, velocità, assetto, pericoli, stato di
funzionamento ausili, ‘cosa fare dopo’ …
– Stabilire quale sia la forma e la
rappresentazione migliore per rafforzare la
consapevolezza della situazione spazio
temporale
Human-Centred Design in Aviation
“Automation Must Never Be
Permitted to Perform, or
Fail, Silently”
Human-Centred Design in Aviation
Mai silente
• Se un’avaria di un automatismo non si
manifesta esplicitamente mette l’intero
sistema in pericolo
• Anche se si delega il controllo
all’automatismo, l’operatore deve essere
sempre a conoscenza
» Miami (1972), Eastern Air Lines L-1011
Human-Centred Design in Aviation
“Management Automation
Should Make HumanMachine Systems Easier to
Manage”
Human-Centred Design in Aviation
Facilitare HMI
• L’automatismo non deve rendere più
complesso un compito di per sé facile
– Programmazione del FMS
Human-Centred Design in Aviation
“Designers Must Assume
That Human Operators Will
Rely on Reliable Automation,
Because They Will”
Human-Centred Design in Aviation
Fiducia e Affidabilità
• La fiducia nei confronti di un sistema
automatico aumenta con l’aumentare della
sua affidabilità
» Tuttavia, se l’informazione è derivata o è il risultato
di un processo, il progettista deve assicurarsi che i
dati cui l’informazione è ricavata siano o visibili o
accessibili per una verifica
» raw data vs. processed data
Human-Centred Design in Aviation
“Control Automation Should
Be Limited in Its Authority.
It Must Not Be Permitted to
Become Insubordinate”
Human-Centred Design in Aviation
Autorità limitata
• L’automatismo non dovrebbe mai
permettere che il sistema giunga ad una
situazione ‘difficile’ (che comprometta la
sicurezza) da cui è difficile sottrarsi
» sia in modo automatico, perché potrebbe anche
fallire per causa di un’avaria (fragilità)
» sia in modo manuale, perché la situazione potrebbe
eccedere le capacità dell’operatore
Human-Centred Design in Aviation
“Designers Should Not
Foreclose Pilot Authority to
Override Normal Aircraft
Operating Limits When
Required for Safe Mission
Completion”
Human-Centred Design in Aviation
Non limitare l’azione
• 2 filosofie a confronto
– Costruttore ‘A’
“L’automazione deve impedire che l’operatore agisca
in modo da compromettere la sicurezza”
– Costruttore ‘B’
“L’operatore deve essere sempre in grado di sostituirsi
all’automatismo”
Human-Centred Design in Aviation
“Automation Should Provide
the Human Operator with an
Appropriate Range of
Control and Management
Options”
Human-Centred Design in Aviation
Ampio spettro di possibilità
• L’automazione deve essere
sufficientemente flessibile
» Gli operatori possono avere diverse esperienze
» Le condizioni operative possono variare
– Spettro non troppo ampio per non aumentare il
carico di lavoro dell’operatore e la complessità
del sistema
Human-Centred Design in Aviation
“Designers Should Keep
Human Operators Involved
in an Operation by Requiring
of Them Meaningful and
Relevant Tasks, Regardless
of the Level of Management
Being Utilised by Them”
Human-Centred Design in Aviation
Coinvolgere operatore
– Livelli di gestione strategica troppo spinti
possono diminuire il coinvolgimento
dell’operatore oltre limite desiderabile
– L’automazione deve essere progettata per
minimizzare questo distacco in modo che
l’operatore possa sempre reinserirsi nel loop in
caso di avaria
Human-Centred Design in Aviation
“Aircraft Control Automation
Should Be Designed to be of
Most Help During Times of
Highest Workload, and
Somewhat Less Help During
Times of Lowest Workload”
Human-Centred Design in Aviation
Carico di lavoro
• Il carico di lavoro varia
– in funzione delle fasi della missione
– in funzione delle caratteristiche dell’operatore
• L’automazione deve assecondare il carico di
lavoro
Human-Centred Design in Aviation
“Aircraft and ATC
Automation Should Be
Designed Both for Maximum
Error Resistance and
Maximum Error Tolerance”
Human-Centred Design in Aviation
Resistente e Tollerante
– Automatismi e relative interfacce devono
» avere architettura semplice
» essere dotati display chiari e intuitivi
» fornire risposte non ambigue ai comandi
– Il sistema dovrebbe
» essere dotato di capacità di monitoraggio
» prevedere dei dispositivi di riconoscimento
dell’errore e di correzione
Human-Centred Design in Aviation
“Emphasise Information in
Accordance with Its
Importance”
Human-Centred Design in Aviation
Enfasi e Importanza
– l’informazione più importante deve essere la
più ovvia e più localizzata centralmente
– cambi/transizioni vs. staticità
– ridondanza d’informazioni simboliche
• forma, dimensione, colore, luminosità …
– informazioni tattili e uditive per rafforzare o
sostituire quelle visive
– limitare uso di segnali acustici
Human-Centred Design in Aviation
“Alerting and Warning
Systems Should Be as Simple
and Foolproof as Possible”
Human-Centred Design in Aviation
Avvertimenti ed Allarmi
• Non devono essere ambigui
» l’operatore deve poterne identificare la causa
• Devono essere accompagnati, se possibile,
da informazioni di tendenza
» non deve giungere inaspettatamente
• Evitare il rischio di falsi allarmi
» cfr. fiducia ed affidabilità degli automatismi
Human-Centred Design in Aviation
“Integration of Information
Does Not Mean Simply
Adding More elements to a
Single Display”
Human-Centred Design in Aviation
Integrazione
1+12
• All’operatore deve essere facilitato il
compito di comprendere l’informazione
• In caso di cambiamento
» Preservare la familiarità con alcuni degli elementi
• Maggiore attenzione verso quei dati che
possono cambiare
Human-Centred Design in Aviation
“Future Automation Must
Insure That Control and
Management Remain Within
the Capabilities of the
Human Operators Who Must
Accomplish the Task if
Automation Fails”
Human-Centred Design in Aviation
Nei limiti delle capacità
umane
“… advances in technology lead to a
reduction in perceived risk, hence to
behaviour that is closer to the limits of
acceptable performance - thereby
effectively reducing the margin for safety”
(Hollnagel, 1993)
Human-Centred Design in Aviation
Per concludere ...
“ The modern airplane is the product of a program of
research, development, and refinement in detail that no
other structure or mechanism has ever matched. The
results have been so remarkable that there is always the
danger of forgetting that these extraordinary craft still
have to be operated by men, and that the most important
test they have to meet is still that of being operable
without imposing unreasonable demands or unnecessary
strains on the flight personnel ”
Edward P. Warner, citato da Ross McFarland, 1946
Human-Centred Design in Aviation
Riferimenti
• Billings, C. E. (1997). Aviation Automation: The
search for a Human-Centred Approach. Lawrence
Erlbaum Ass., New Jersey, USA
• http://www.airdisaster.com/
• http://aviation-safety.net/
• http://www.airliners.net/