Autonomes Fahren und Fliegen

und das menschliche Gehirn.

Simone Siedler im Fahrsimulator. Foto (c): flugundzeit!

Pirouetten und Mehrfach-Sprünge auf dem Eis sind angewandte Physik*. Während die Washington Post in einem Beitrag darüber rätselt, warum den Eisläufern “bei so schnellen Drehungen nicht schlecht wird”, ist die Antwort aus Sicht des Eisläufers ganz einfach: Für ihn oder sie ist es kein relativ langsam drehendes Ringelspiel, auf dem sich der Mensch gegenüber dem Boden dreht, sondern für den Eisläufer verschwimmt die Umwelt bei seiner schnellen Fortbewegung – egal ob geradeaus oder in einer Drehung.

Das Eigenleben des menschlichen Gehirns

Für den Eisläufer sieht aus, als würde der Rest der Welt, das Gebäude, die Zuschauer, und auch die Preisrichter in einem “Universum” verharren, das in der Ruhe zurückbleibt, während er/sie selber “lebt”, schnell übers Eis schwebt und sich dabei anstrengt. Die Welt rundum verschwimmt, wird schemenhaft und existiert optisch nicht wirklich.

Zwei Sichtweisen. Die nur versteht, der beide selber erleben kann.

Ähnlich bei Fallschirmspringern. Wer beim Headdown mit dem Kopf zuerst nach unten fällt/fliegt, dem wird auch nicht übel. Die Welt in der Sicht des Springers verändert sich analog seiner Fortbewegung.

Das menschliche Gehirn hat halt so sein Eigenleben. Nicht alles, was physikalisch real ist, nimmt der Mensch auch genauso objektiv wahr.

The Washington Post

Das Gehirn (eines Eisläufers) lernt, die Information aus dem Innenohr besser zu interpretieren. Es erkennt, dass das Gefühl des Drehens falsch ist, wenn der Körper tatsächlich aufgehört hat sich zu drehen. Die Gehirne von Großathleten müssen vorhersagen können, was passieren wird, und sich schnell anpassen…

Seit rund einem Jahrhundert ist die Rolle des Menschen beim Bewegen eines Fahrzeugs aktiv, er/ sie ist der Initiator der Bewegung. Das könnte sich nun zunächst am Boden gravierend ändern.


Platoons (wir haben bereits Ende letzten Sommers aus England darüber berichtet) haben es nun auch auf deutsche Autobahnen geschafft. Zumindest versuchsweise sollen die LKW-Züge (zunächst zwei Trucks im digital vernetzten Konvoi) ab April 2018 auf der A9 zwischen München und Nürnberg unterwegs sein. Der Fahrer im ersten Truck steuert den nachfolgenden Lkw mit; der zweite Fahrer überwacht seine Technik und greift nur mehr im Notfall ein. Die LKWs sind über Funk automatisch gekoppelt – sie fahren in einem Abstand von zwölf bis 15 Metern hintereinander.

EDDI nennt sich das vom BMVI (Bundesministerium für Verkehr und digitale Infrastruktur) geförderte Projekt, das autonomes Fahren unter die Lupe nimmt. Industrielle Partner sind Hersteller MAN und die Logistikfirma DB Schenker.

Was passiert im Gehirn der Fahrer?

Abgesehen von den untersuchten rechtlichen und technischen Aspekten, sehen sich Christoph Dietz und Sarah-Maria Goerlitz, Wissenschaftler der Hochschule Fresenius, an, wie sich die Schnittstelle Mensch-Maschine im Vergleich zum herkömmlichen Fahren verändert.

Komplett entspannt fährt die verkabelte Testperson der Straße lang…

Denn die Akzeptanz der Fahrer der Automatisierung ist das eine. Die Forscher gucken noch detaillierter: Was passiert im Gehirn der Fahrer, wenn sie vom aktiven Fahrer zum Beobachter eines Automatismus werden? Wie ändert sich das soziale Bild der Fahrer dabei und wie reagieren andere Verkehrsteilnehmer auf den Platoon?

Sarah-Maria Goerlitz: „Nach der Ruhe zeigen die Gehirnströme der Testperson gesteigerte Aktivität – im Straßenverkehr des Fahrsimulators tauchen unvermutet Verkehrsteilnehemer dort auf, wo sie nicht erwartet werden.“

Die Aufzeichnung der elektrischen Aktivität des Gehirns (EEG) kann die Fragen nicht alleine beantworten. Um das Verhalten der Fahrer besser beurteilen zu können, kommen zur Beurteilung noch die Augenbewegungen und das Blickverhalten mittels Eye-Tracking dazu. So lässt sich nachvollziehen, wie der menschliche Fahrer gefährliche Situationen löst, wo er/sie hinblickt und über die Blinzelanzahl wie müde er/sie ist. Dies wird zur quantitativen Bewertung der Fahrsituation in Relation gesetzt zu den Fahrdaten wie etwa der Spurhaltung.

Neulernen eines Aktionsmusters

Menschen sind aktive “Handler”, die sich auch in einer Umgebung, die sich ständig ändert, schnell auf neue Situationen einstellen können. Das auf die Fahrbahn laufende Kind, ein Tier aus dem Dickicht oder andere maschinelle Verkehrsteilnehmer können wir im Normalfall ganz gut in unsere Fahrsituation einpassen.

Im autonomen Fahrbetrieb sitzt der Mensch in einem computergesteuerten Fahrzeug, das diese Fähigkeit (noch) nicht ausreichend besitzt. Der ehemals steuernde Mensch mutiert zum Überwacher der Maschine. Die Aufgabe verändert sich: In einer kritischen Situation wird die Aktion nun zum Verhindern eines fast reflexartig antrainierten Eingreifens.

Laut den Wissenschaftlern ist dazu ein Lernen eines neuen Aktionsmusters notwendig, das sich neurologisch vom vorhergehenden unterscheidet. Das Gehirns sträubt sich gegen das Neulernen aufgrund der ähnlichen Umgebungssituation: What fires together, wires together.** Weiteres Problem ist, dass vermutlich lange Zeit kein Eingreifen des Menschen notwendig ist. Dann aber schnell und perfekt.

Wieweit Linienpiloten nachvollziehen können, dass automatisiertes Fahren neue neurophysiologische Anforderungen für den Menschen bedeuten, sei dahingestellt. Auf Linienflügen ist die Überwachung der Bordcomputer über lange Strecken normal, die Computer “fliegen” – das Flugzeug fliegt über lange Strecken mehr oder minder automatisch und die Piloten haben schon heute mehr Überwachungsfunktion dabei als die Funktion der permanent steuernden Hand. Die menschlichen Piloten müssen allerdings stets komplett im Bilde sein, was da vor ihren Augen abläuft und die automatische Steuerung gerade macht und setzt.

Zur Praxis der automatisierten Bewegung heute

Im US-Bundesstaat Kalifornien benötigen selbstfahrende Autos seit letztem April weder Lenkrad noch Pedale. Selbst der Mensch als Absicherung am Steuer ist nicht mehr vorgeschrieben. Die Firma Waymo testete dabei in Phoenix, Arizona, einen selbstfahrenden Autoservice, bei dem Passagiere ihre Fahrgelegenheit ähnlich wie bei Uber durch eine App herbeirufen können. Nach einer Meldung von Waymo im November fahren einige dieser Autos im völlig autonomem Modus – das entspricht in der Fachsprache Autonomie der Stufe 4. Ebenso sind fahrerlose Traktoren, die gemeinsam von einem Tablet gesteuert werden, bei der Pistazienernte in Kalifornien bereits im Einsatz.

Wie weit das alles aufs Fliegen übertragbar ist, ist umstritten. MidAir-Collisions, also Zusammenstöße in der Luft, werden durch die zunehmende Genauigkeit automatisierter Navigationssysteme wahrscheinlicher als bei der Steuerung von Fluggeräten durch Menschen.

Piloten überwachen nicht nur den Autopiloten, wenn dieser „fliegt“, sondern als Pilot Monitoring (PM) auch immer den Pilot Flying (PF), wenn dieser von Hand fliegt. Für Piloten ist es also nicht ungewöhnlich den eigenen Tatendrang zu unterdrücken, aber dennoch jederzeit einzugreifen, wenn es gefährlich werden sollte.

Im Fahrsimulator: Sieht für den Fahrer auf den ersten Blick aus wie ein normaler Audi.

Dies trifft im besonderen Maße auf Fluglehrer und Ausbilder zu, die natürlich – wie auch Fahrlehrer im Auto – nicht bei jeder Kleinigkeit, die sie anders gemacht hätten, sofort eingreifen. Denn dann würden die Schüler nicht aus ihrem Verhalten lernen und eigene Erfahrung sammeln können.

Wer heute ein Auto mit Abstandstempomat und Spurhalte-Assistenten fährt, der fährt genauso, wie der zweite LKW im Platoon – einfach im gleichen Abstand hinter dem Vordermann her. Dabei muss er ständig darauf aufpassen, ob sich ein anderes Auto dazwischen drängt und ob dass vom Abstandstempomat auch rechtzeitig erkannt und gebremst wird, oder ob er eingreifen muss. Solang keine Erfahrung vorliegt – also auf den ersten Fahrten – wird der Fahrer eher sehr früh eingreifen. Sobald man die Reaktionen des Autos einige Male gesehen hat, kann man das besser abschätzen und greift dann nur noch ein, wenn es wirklich nötig ist. Das alles passiert auf deutschen Autobahnen schon jetzt jederzeit tausendfach.

Bei der Überwachung des Autopiloten wissen die Piloten genau, was er machen wird, oder auch nicht und greifen entsprechend zielgerichtet ein. Wenn ein Pilot als Pilot Monitoring (PM) den Pilot Flying (PF ) überwacht, dann kann er sich da nicht so sicher sein. Deshalb liegt die Eingriffsschwelle eventuell niedriger.

Andererseits kann der PF aber vorab dem PM mitteilen, dass er bewusst gleich etwas anders machen wird, als der PM erwarten würde. So kann bewusst die Eingriffsschwelle verschoben werden.

Die Automation kann – bisher – nicht in dieser Weise mit der Crew kommunizieren. Würde in einer speziellen Situation die Automation also etwas machen, das so nicht in der Beschreibung steht – es kommt leider in der Praxis immer wieder vor, dass das Handbuch nicht zum Softwarestand passt –, dann greift der Pilot womöglich ein, obwohl das nicht nötig war. Oder, noch schlimmer, er greift nicht oder erst zu spät ein, weil die Automation etwas nicht macht, was sie laut Handbuch hätte tun sollen.

Und wie sieht ihr Favorit fürs autonom fahrende Fahrzeug aus?

Das lässt sich zumindest in einer Umfrage der Hochschule Bonn-Rhein-Sieg zurzeit ermitteln: Melanie Reiz sucht im Rahmen eines Praxisprojektes die Gestaltung eines autonom fahrenden Fahrzeuges. Hier geht es zur Umfrage für ihren potentiellen künftigen Traumwagen.

Probleme, die durch die (komplette) Autonomie beim Fliegen entstehen

  • Erhöhung des Kollisionsrisikos in der Luft durch die zunehmende Genauigkeit automatisierter Navigationssysteme.
  • Regelbasierte Verhaltensweisen einer Maschine würden heute immer gleich entscheiden, bei gleichen Regeln. Ein Mensch würde unkonventionell vielleicht durch eine „Eingebung“ trotz dem Stand der Regeln etwas komplett Verrücktes ausprobieren – die Wasserlandung eines Airbus im Hudson River…
  • Maschinen mit heutiger künstlicher Intelligenz sind starrere System als menschliches Denken.***

*    Derselbe physikalische Vorgang wird von verschiedenen Beobachtern unterschiedlich beschrieben. Beispiel:
Für einen Beobachter auf der Erde dreht sich die Sonne um die Erde und die Planeten bewegen sich auf manchmal schleifenförmigen Bahnen, während ein Beobachter auf der Sonne sieht, dass sich die Erde wie die Planeten um die Sonne bewegt. Die Bewegung lässt sich daher nur relativ zu einem Bezugssystem, also zum Standpunkt eines Beobachters, beschreiben.
Wenn die Bewegungen verschieden erscheinen, würden Beobachter, die den Einfluss der Wahl des Bezugssystem nicht berücksichtigen, denselben Vorgang durch verschiedene physikalische Ursachen zu erklären haben. (Wikipedia)

**  Hebbsche Lernregel
Je häufiger ein Neuron A gleichzeitig mit Neuron B aktiv ist, umso bevorzugter werden die beiden Neuronen aufeinander reagieren

*** Das ist eine These, die vielleicht nicht stets so zutreffen wird. Denkt man an gedruckte Wälzer-Lexika des 20. Jahrhunderts wie den Brockhaus, so war die These, dass man im Netz beim googlen nicht so leicht zum Weiterdenken angeregt wird, wie möglicherweise durchs Lesen der alphabetisch folgenden Wörter, die inhaltlich so gar nicht passen.
In den Anfängen des Internets stimmte diese Lexikon-Kreativ-These sicher nicht. Auch die Suchmaschinen spuckten unzusammenhängende Ergebnisse aus, erst recht, wenn man auf Folgeseiten weiterblätterte. Mittlerweile, mit der „intelligenten“ personenabhängigen Suche, trifft diese These leider wieder zu.

5 Gedanken zu “Autonomes Fahren und Fliegen

  1. 2xhinschauen 5. März 2018 / 22:26

    Liebe Helga,
    danke für diesen Grundlagenbeitrag. Wie Du sehe ich allerlei „Probleme, die durch die (komplette) Autonomie beim Fliegen entstehen“, aber andernorts als Du. Aber vorweg: Autonomes Fahren und autonomes Fliegen sind m.E. kaum vergleichbar, jedenfalls nicht, wenn man den „normalen“ Individualverkehr und den ohnehin stark regulierten Linienluftverkehr hernimmt (tust Du ja). Automatisierter Individualverkehr ist um Größenordnungen komplexer als automatisierter Linienluftverkehr, was sich schon allein darin zeigt, dass ersterer gerade erst aus der Garage rollt, während letzterer zu großen Teilen schon seit Jahrzehnten Routine ist. Nicht zu 100%, isklar.

    Zu Deinen drei Punkten:
    – den mit der erhöhten Navigationsgenauigkeit habe ich nicht verstanden. Macht das die Sache nicht sicherer?
    – Punkt 2 und 3 gehen vom heute möglich Erscheinenden aus. Was morgen erfunden oder entdeckt wird, wissen wir heute nicht. Was gestern erfunden wurde, wussten wir vorgestern auch nicht (privatfinanzierte Raumfahrt? WTH?). Man soll keineswegs zu optimistisch sein, aber auch nicht zu pessimistisch. Manchmal ändern sich nämlich die Parameter, und dann ist plötzlich sowieso alles ganz anders. Frag die Dinos, die sind dutzende Millionen Jahren lang optimiert worden. Oder Kodak.

    Die Landung im Hudson war singulär, in jeder Hinsicht. In Summe ist das Fliegen durch Automatisierung /und/ steigende technische Zuverlässigkeit um einiges sicherer geworden, während der Mensch als biologisches System sich nicht im gleichen Maße weiterentwickelt hat.

    Mein Hauptproblem bei der Sache ist nicht die Fähigkeit der Systeme, sondern deren Sicherheit (security). Wenn wir komplett automatisiert fliegen (also ohne Piloten an Bord), geht es m.E. nicht ohne ein gewisses Maß an Beeinflussbarkeit von außen, das geht vom GPS-Signal bis zur Veranlassung des Triebwerksstarts am Boden. Was von außen beeinflussbar ist, ist auch von außen manipulierbar ( = kann gehackt werden ), und das Rennen zwischen Schlossern und Einbrechern gewinnen die Einbrecher. Immer.

    Nun sind Linienpiloten heute schon, so seh ich das, zunehmend Verhinderer des Allerschlimmsten und immer weniger Möglichmacher. Das erfordert höchste Kompetenz, aber andere als früher. Das wird sich fortsetzen, aber meine frühere Annahme, dass es irgendwann mal ohne Piloten gehen wird, habe ich aufgegeben.

    Auf die automatisierte Fahrt zur Schule (ohne die Mama am Lenker) oder zur Arbeit oder in den Urlaub ist das nicht übertragbar, aber da ist auch das Risiko ein ganz anderes. Die aktuell gültige Regelung (der „Fahrer“ muss jederzeit eingreifen können und haftet für das Verhalten seines Fahrzeugs) ist, pardon, vollkommen idiotisch. Der Hersteller wird unbeschränkt haften müssen, Lenkrad und Pedale verschwinden, die Frontscheibe und die vorderen Seitenscheiben werden wg. Beifahrerstress verklebt sein müssen, und die Fahrzeuge werden untereinander kommunizieren müssen.

    Und einiges mehr, aber das Thema hier ist ja fliegen 🙂

    • flugundzeit 6. März 2018 / 21:52

      Danke für Deinen ausführlichen Kommentar.

      …den mit der erhöhten Navigationsgenauigkeit…

      Wenn heute Sichtflieger – die oft so schön beschimpften Hobbypiloten – (ohne Autopilot) auf sagnwirmal 2000 Fuß fliegen, dann frag mal einen Lotsen, wie zufrieden er mit dem Einhalten der Höhe ist. 🙂
      (Oder wie berechenbar, dass der/die nicht um einige Grade vom Kurs abweicht im Luftraum Delta.)
      So gibt es auch auf Strecken (etwa Einflug/Ausflug EDFE), wo jeder aus Luftraumgründen (EDDF) maximal 1500 Fuß hoch fliegen darf trotzdem oft eine geringfügige Höhenseparation, die vermutlich schon so manchen Near miss verhindert hat.
      Denn jeder versucht die 1500 auch zu fliegen, weil in „case of“ die Luft darüber weniger nützt als die darunter.

      Und ein Computer fliegt die Höhe auf Strich und die Strecke genauso, wie man sie ihm beigebracht hat. Bei Fehlern sind Kollisionen dann treffgenau.

      Ich finde, wir sollten die Entwicklung bei der Level 4 Automatisation von erdgebundender Fortbewegung als Flieger sehr genau beobachten, denn vieles, was da in der Mache ist (bei Gesetzen, bei rechtlichen Belangen) wird uns irgendwann auch in der Luft betreffen. Und nach meiner Einschätzung eher früher, als die meisten annehmen.

  2. Flugkapitän 8. März 2018 / 19:19

    Irgendwann wird es die autonomen Flieger geben. Davon bin auch ich überzeugt. Sie werden in Standard Situationen auch keine Fehler machen. Wenn der Wind mit einem halben Knoten über der zugelassenen Seitenwindkomponente liegt, dann fliegen sie direkt zum Ausweichplatz. Dort angekommen werden sie sich geduldig mit allen anderen Fliegern im Holding „anstellen“. Wenn nur noch für eine halbe Stunde Spritt da ist, dann werden sie – wie 5 andere gleichzeitig – Luftnotlage erklären und weiter geduldig warten. Wenn der Spritt dann im Final zu Ende geht, dann werden die mit störrischer Ruhe ganz unaufgeregt geradeaus weiter gleiten und mitten im Baumarkt, der halt leider im 3 Meilen Endanflug gebaut wurde, landen; anstatt auf der Wiese daneben. Sie werden auch nicht auf den Gedanken kommen vor Ausfall aller Triebwerke parallel mit anderem Verkehr auf den parallelen Taxi-Way anzufliegen, denn auf Taxi-Ways landet man ja nicht.
    Wenn sie morgens mit 25 min Verspätung den Tag beginnen, dann werden sie auch keine kreativen Lösungen finden diese Verspätung wieder aufzuholen. Sie werden auch nicht zum Wohle der Passagiere auf ihre Pause verzichten. Denn sie brauchen – und haben damit – ja auch keine.

    Nein, der erste Satz war nicht ironisch gemeint. Ich bin wirklich davon überzeugt, dass es so kommt. Ich bin allerdings auch davon überzeugt, dass ich das nicht mehr erlebe. Gott sei Dank!

    • flugundzeit 8. März 2018 / 21:58

      mitten im Baumarkt, der halt leider im 3 Meilen Endanflug gebaut wurde, landen; anstatt auf der Wiese daneben.

      Solche Sachen wird es sicher anfangs geben. (Und das ist schlimm!) Aber es ist eine Sache der Programmierung, was ich dem System vorgebe, was es als was berücksichtigen soll.
      Auch der Anfang der Jettriebwerke war sehr unfallintensiv. Heute sind sie sehr zuverlässig.

  3. 2xhinschauen 9. März 2018 / 2:07

    @Helga
    Danke für die nachgeschobene Erklärung. Ist schlüssig.

    @Flugkapitän
    Ich fürchte, dass die Entwicklung bereits weiter ist, als Du annimmst, denn Du beschreibst vorhersehbare Szenarien. Wenn Du sie vorausahnen kannst, können Softwareentwickler das auch und sich also damit auseinandersetzen. Es geht heute schon längst darum, Methoden zu entwickeln, die mit unvorhergesehenen Situationen umgehen können.

    „Unvorhergesehen“ ist nicht dasselbe wie „unvorhersehbar“, schon klar, und nicht jede Problemkategorie ist analytisch beherrschbar – auch von menschlichen Akteuren nicht.

    Helga hat recht, wenn sie zur Beobachtung des Geschehens beim autonomen Fahren rät, denn hierbei sind die Herausforderungen um einiges größer als beim autonomen Fliegen – das ja schon heute weitestgehend gelebte Praxis ist (ich rede dabei weiterhin nur vom Linienluftverkehr unter IFR).

    Fliegende Computer in Linienjets bewegen sich koordiniert und mit großen Abständen zueinander, fast alle Bedrohungen des Normalbetriebs sind bekannt und schon vorgekommen, und in (fast) allen Situationen fliegt so ein Flugzeug erstmal geradeaus weiter bzw. kann mit Gasgeben aus vielen gefährlichen Lagen befreit werden (ich vereinfache). Nur rechts ranfahren und anhalten geht nicht.

    Fahrende Computer können das meist, stimmt. Aber sie haben keine Koordination, bewegen sich in grundsätzlich unbekannten Umgebungen, in denen Gefährdungen und Gefährdete aus dem Nichts auftauchen und auf die in Sekundenbruchteilen reagiert werden muss. Und sie müssen absichtliche Regelverletzungen vornehmen können, wenn es anders nicht weitergeht (z.B. durchgezogene Linien überfahren, „hineintasten“ in unübersichtliche Einmündungen usw.)

    Viele dieser Herausforderungen könnte man durch eine Koordination á la ATC lösen, aber deren Reichweite erstreckt sich nicht auf allgegenwärtige „Probleme“ wie Radfahrer, Fußgänger, spielende Kinder und Tiere. Die gibt es zwar im Linienluftverkehr im übertragenen Sinne auch (Kleinflieger, Drohnen…), aber um Größenordnungen seltener, und der regulatorische Umgang mit diesen ist um einiges robuster, als dies am Boden möglich wäre.

    So seh ich die Lage. Das menschliche Potential in schwierigen Entscheidungssituationen sollte man nicht unterschätzen (Sully hier, Lubitz dort), aber die Möglichkeiten zukünftiger(!) technischer Entwicklungen eben auch nicht.

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