Data: 15/12/2010Local: Relatório preparado pela Divisão de Alerta Tecnológico (DWO-4) da DIA, Washington, D.C., EUA
DIA, 2010: estudo do AAWSAP calcula quantas naves não tripuladas um único piloto consegue controlar
O DIRD de 15 de dezembro de 2010 revisa pesquisas sobre controle de tráfego aéreo e de drones para estimar quantas espaçonaves não tripuladas um único piloto remoto conseguiria acompanhar numa missão futura ao espaço profundo. Chega a 16, 7 e 4 naves, conforme a complexidade da tarefa, e não menciona UAPs.
- Data do evento
- 15/12/2010
- Local
- Relatório preparado pela Divisão de Alerta Tecnológico (DWO-4) da DIA, Washington, D.C., EUA
- Tema
- História da investigação
- Órgãos das fontes
- DOW
- Documentos
- 1 documento · 31 páginas
- Leitura
- 72 min
Capa de documentoPágina física 1FONTES DOCUMENTAIS · DOW
O que os registros contam
Este é um estudo de fatores humanos, não um relato de avistamento. O Defense Intelligence Reference Document "Cognitive Limits on Simultaneous Control of Multiple Unmanned Spacecraft", de 15 de dezembro de 2010, foi preparado pela Divisão de Alerta Tecnológico (DWO-4) do Escritório de Alerta de Defesa, na Diretoria de Análise da Agência de Inteligência de Defesa dos Estados Unidos (DIA). O autor aparece apenas como "AAP Person 73", código que substitui o nome. A capa traz o número DIA-08-1101-001, a data de corte de 8 de setembro de 2010 (ICOD) e o rótulo "Defense Futures". São 31 páginas, contando capa, página em branco, folha de rosto, sumário, texto e referências.
A folha de rosto diz que o DIRD fornece "informação de referência não substantiva, mas com autoridade" e que o produto integra uma série de relatórios de tecnologia avançada do ano fiscal de 2010, feita no Programa de Aplicações de Sistemas de Armas Aeroespaciais Avançados (AAWSA) da DIA. É o único vínculo explícito do documento com o programa. O texto não explica por que o AAWSAP encomendou este trabalho e não menciona UFOs, UAPs, engenharia reversa nem tecnologia de origem desconhecida. O que o documento declara é seu próprio objeto: os limites cognitivos de um operador humano que controlasse várias naves de uma frota futura.
O cenário que motiva o estudo é futuro e espacial. O resumo imagina que, daqui a 40 anos, missões tripuladas possam chegar a partes do sistema solar exterior acompanhadas de uma pequena frota de naves de funções diferentes: uma nave de retaguarda com eletroímãs de propulsão nuclear para proteger a parte tripulada da radiação solar, naves de halo com radares potentes para vigiar objetos que se aproximam, e naves de exploração e de mineração. As naves viajariam fora do alcance visual umas das outras e se reuniriam para manutenção ou troca de combustível. Pilotá-las seria barato se bastasse um piloto remoto de plantão por vez, e a pergunta do estudo é se um ser humano consegue fazer isso.
Para responder, o autor revisa duas áreas de pesquisa que usa como analogias: o controle de tráfego aéreo, em que um operador acompanha muitas aeronaves, e o comando de vários veículos aéreos e terrestres não tripulados. Ele afirma que, nos últimos 30 anos, não houve nenhum artigo revisado por pares nos principais periódicos sobre pilotagem remota de várias espaçonaves. O conceito central é o do "quadro geral", a representação mental de identidade, posição, missão e direção de cada objeto rastreado, também chamada de consciência situacional. A pergunta principal é se existe um limite para o número de objetos mantidos nesse quadro e se um sinal fisiológico pode avisar quando o piloto está perto do limite.
O capítulo 2 resume as formas de medir a carga mental de trabalho: autorrelato (como o NASA-TLX e o SWAT), medidas de desempenho em tarefa principal e secundária, e medidas fisiológicas, que incluem batimentos cardíacos, atividade cerebral por EEG, movimentos e pupilas dos olhos, condutância da pele e hormônios. O capítulo 3 revisa estudos com controladores de tráfego aéreo, como a simulação de Brookings com oito controladores e o estudo de Collet com 25 controladores em serviço no aeroporto de Lyon. O capítulo 4 trata de simulações com drones militares, entre elas a de Dixon com os UAVs Hunter e Shadow do Exército dos EUA. As conclusões vêm desses estudos de terceiros, citados com as referências do próprio documento.
As conclusões do documento são numéricas. Segundo o resumo e o capítulo 6, o limite cognitivo do número de naves controladas ao mesmo tempo seria 16 para a simples escolha de destino, 7 para pilotagem ou missão de complexidade moderada e 4 para naves heterogêneas complexas. O autor vê coerência entre o número quatro e as estimativas de que a memória de trabalho humana lida com três a cinco objetos díspares, e relata que alertas devem conter 20 a 25% de falsos alarmes para evitar excesso de confiança na automação. Esses valores são resultado dos estudos revisados, não medições feitas pelo autor.
O documento também diz o que não está provado. Afirma que não há evidência atual de que um quadro mental completo possa ser mantido para mais de cerca de 16 objetos, nem mesmo com ampliação externa da memória, e que a classificação de estados fisiológicos próximos da sobrecarga teve só "sucesso modesto". As previsões de futuro são do autor: estudos de simulador específicos para espaçonaves em periódicos científicos em cerca de cinco anos e precisão quase perfeita na detecção de sobrecarga cinco anos depois de iniciados estudos específicos. São expectativas, não resultados, e o texto não traz testes com naves reais.
O horizonte tecnológico é o da exploração tripulada do espaço profundo daqui a cerca de 40 anos, ou seja, por volta de 2050, com automação, drones e monitoramento fisiológico em tempo real, e não o de tecnologias de ruptura em física. O texto termina com 52 referências a periódicos de fatores humanos, medicina aeroespacial e engenharia de sistemas, que na tradução ficam no original em inglês. Para quem pesquisa o programa AAWSAP, o documento mostra a variedade temática dos estudos reunidos pela DIA em 2010: aqui, psicologia aplicada e operação de veículos não tripulados.
LEITURA DIRETA DO ARQUIVO
O documento, em português
Traduzidas na íntegra as 31 páginas do documento: capa, página em branco, folha de rosto, sumário, resumo, capítulos 1 a 6, lista de figuras e tabelas e páginas de referências. As tabelas 1 e 2 foram reproduzidas em linhas e o texto interno das figuras 1, 2, 4 e 5 foi traduzido junto com as legendas; as figuras 3 e 6 são fotografias e ilustrações, descritas pelas legendas. Nas referências bibliográficas, os títulos de obras em inglês ficam como "[referências bibliográficas no original]" e só os elementos descritivos foram traduzidos.
TRECHO 1 · PÁGINA FÍSICA 1
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Defense Intelligence Reference Document (Documento de Referência de Inteligência de Defesa)
Defense Futures (Futuros da Defesa)
15 de dezembro de 2010
ICOD: 8 de setembro de 2010
DIA-08-1101-001
Limites cognitivos no controle simultâneo de múltiplas espaçonaves não tripuladas
NÃO CLASSIFICADO // [riscado: SOMENTE PARA USO OFICIAL]Nota editorial: Capa do documento de referência da DIA, de 15 de dezembro de 2010.
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UNCLASSIFIED/ ,<FOR QFFI&il.t.k WSli 8,.kY
Defense
Intelligence
Reference
Document
Defense Futures
15 December 2010
ICOD: 8 September 2010
DIA-08-1101-001
Cognitive Limits on
Simultaneous Control of
Multiple Unmanned Spacecraft
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TRECHO 2 · PÁGINA FÍSICA 10
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O sistema entérico executa o controle dos músculos lisos. Embora o SNC e o SNP sejam anatomicamente distintos, eles são funcionalmente interligados. Ao discutir a função da divisão autônoma, é costume chamá-la de Sistema Nervoso Autônomo, ou SNA [7].
Mudanças na excitação ou ativação global, por meio de mudanças na carga de trabalho, podem resultar em mudanças na atividade fisiológica. Essas medidas são vantajosas porque as mudanças são mensuráveis continuamente, em tempo real e, em geral, sem interferir na tarefa em um ambiente naturalista. A desvantagem de usar apenas a fisiologia é que não há medida direta do desempenho na tarefa principal.
Função cardíaca
O batimento normal do coração humano produz um padrão distinto e repetitivo de atividade elétrica, mensurável em todo o corpo para quaisquer dois pontos de amostragem que atravessem o peito [c]. O sinal típico de eletrocardiograma é mostrado na Figura 2.
[Desenho do traçado, com os pontos marcados P, Q, R, S e T.]
Figura 2. Sinal típico de EKG para um batimento cardíaco normal. As partes da forma de onda são rotuladas P, Q, R, S e T.
A detecção da onda R permite medir frequência, tempo [d] e amplitude. Na monitorização contínua, as medidas de frequência cardíaca variam bastante e de modo não linear; por isso, a medição do intervalo entre batimentos (IBI), o tempo entre picos R, tem distribuição mais normal na ausência de sinal, o que reduz o ruído da medição [8]. Calcular a média da frequência cardíaca ao longo de minutos de execução da tarefa e compará-la com a linha de base produz uma estimativa confiável do aumento da função metabólica [9]. Uma medida adicional é a variabilidade da frequência cardíaca (VFC), calculada dividindo o desvio padrão do IBI por um valor médio do IBI dentro de um período de amostragem. Podem-se fazer medições adicionais decompondo o espectro da VFC em componentes de baixa, média e
[c] Na verdade, um curso introdutório típico de física para estudantes de ciências da vida inclui um experimento de laboratório em que o ritmo cardíaco é medido entre eletrodos colocados no pulso direito e no tornozelo esquerdo.
[d] Essa medida de tempo é, propriamente, uma medida de fase, com a fase relativa a algum evento de referência.
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5Nota editorial: Capítulo 2, página 5: função cardíaca como indicador de carga de trabalho, com desenho do traçado do eletrocardiograma.
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UNCLASSIFIED/ /FAR AEEICl.'1.k W8f! er•tt
The enteric system executes control of smooth muscle. Although the CNS and PNS are
anatom ically dist inct, they are functiona lly intertwined. When discussing the funct ion of
the autonomic division, it is customary to refer to it as the Autonomic Nervous System,
or ANS.7
Changes in global arousal or activation through changing workload can result in
changes in physiological activity. These measures are advantageous as changes are
measurable continuously, in real-time, and usually unobtrusively in a naturalistic
setting. The drawback of using physiology alone is that there is no direct measure of
primary task performance.
Cardiac Function
Normal beating of the human heart produces a distinct and repeating pattern of
electrical activity measurable throughout the body for any two sample points that cross
the chest.c The typical electrocard iogram signal is shown in Figure 2.
R
Tp
Q
s
Figure 2. Typical EKG Signal for a Normal Heartbeat. Portions of the wavefo rm are labeled P, Q,
R, S, and T.
Detection of the R-wave allows measurement of frequency, time,d and amplitude. For
continuous monitoring, heart rate measurements will vary considerably and in a non
linear fashion; therefore, the measurement of inter-beat- interval (IBI), the time
between R peaks, is more normally distributed in the absence of signal, reducing noise
in the measurement. 8 Averaging the heart rate over minutes of task performance and
comparing to baseline yields a reliable estimate of increased metabolic function. 9 An
additional measure is the heart rate var iability (HRV), calculated by dividing the
standard deviation of IBI by an average value of IBI within a sample period. Additional
measurements can be made by decompos ing the spectra of HRV into low, mid, and
c In fact, a typical introductory physics course for life science students will include a laboratory experiment where
the heart rhythm is measured between electrodes located on the right wrist and left ankle.
d This time measurement is properly a phase measurement , with the phase relat ive to some reference event .
UNCLASSIFIED/ /POI\ OfflelAL WS& €OIL¥
5Consultar a ficha do documento ↗ · Página física 10, contando a capa.
TRECHO 3 · PÁGINA FÍSICA 11
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alta frequência, que têm contribuições de ruído diferentes (por exemplo, mudanças de temperatura central, pressão arterial ou fala, e respiração, respectivamente) [10]. A pressão arterial e sua variabilidade também podem ser medidas. Para a monitorização contínua, um manguito de dedo cheio de água acompanha a pressão interna da artéria e pode ser usado para monitorar a variabilidade [11].
Medidas do sistema nervoso central
A atividade cerebral pode ser registrada sem interferir na tarefa por meio de eletroencefalografia (EEG) de poucos canais [e], ou pelas técnicas minimamente intrusivas de EEG, espectrometria no infravermelho próximo (NIRS) e sonografia Doppler transcraniana (TCDS), ou pelas técnicas laboratoriais não invasivas de ressonância magnética funcional (fMRI), magnetoencefalografia (MEG) ou tomografia por emissão de pósitrons (PET). As três últimas técnicas servem apenas à pesquisa do cérebro e não têm estudos naturalistas atuais (embora se veja Genik [12] para um prognóstico sobre tecnologias da geração seguinte à próxima, incluindo NIRS, PET, fMRI e MEG).
As medições de EEG costumam ser divididas em espectros e na potência relativa nas bandas de 0 a 4 Hz (δ), 4 a 8 Hz (θ), 8 a 13 Hz (α), 13 a 30 Hz (β) e 30 a 100 Hz (γ). A NIRS mede o efeito BOLD [f] e está relacionada à atividade γ localizada. A TCDS mede o CO2 como subproduto do aumento localizado do metabolismo e também é uma medida indireta da atividade neural, que se mostrou relacionada à vigilância [13]. Em experimentos de EEG sobre carga mental de trabalho, as mudanças costumam ser relatadas nas bandas θ e α, embora mais recentemente as bandas β e γ tenham mostrado sensibilidade [14].
Os potenciais relacionados a eventos (ERP) são picos de atividade medidos na pele que indicam várias dezenas de milhares de neurônios disparando de forma coerente por um curto tempo. Por exemplo, um ERP cognitivo bem estudado é o P300, uma elevação de dezenas de milissegundos de largura no sinal de EEG, que ocorre 200 a 400 ms após um evento. Mostrou-se algum sucesso no uso de uma estimulação sonora secundária irrelevante para a tarefa e do N100 [15], mas não se encontrou muito desenvolvimento adicional dessa abordagem nos últimos 15 anos.
Medidas oculares
Medições que envolvem fixações do olhar, tempo de permanência (duração temporal de uma fixação) e mudanças na pupila são métricas bem estabelecidas de carga de trabalho em tarefas de busca visual [16]. Outras medidas de mudanças oculares incluem frequência, duração e latência do piscar e movimento dos olhos. Elas são registradas com um de vários tipos de rastreamento ocular (ET) ou com eletrodos para medir um eletro-oculograma (EOG). Os dados de ET incluem a posição de uma fixação e o momento de cada movimento ocular (ou sacada), enquanto o EOG identifica apenas o momento em que o músculo que controla o piscar ou a posição dos olhos foi ativado.
[e] EEG de poucos canais é, em geral, o que usa menos de 10 eletrodos, e normalmente 3 ou 5.
[f] O efeito dependente do nível de oxigênio no sangue (BOLD) é uma mudança local na razão de saturação de oxigênio perto da atividade neural, devida à ação metabólica e vascular. Essa mudança é detectável no espectro infravermelho.
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6Nota editorial: Capítulo 2, página 6: medidas de atividade cerebral (EEG, NIRS, Doppler transcraniano, potenciais relacionados a eventos) e medidas oculares.
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UNCLASSIFIED/ /FOR QFFl&IAL l:ISI!!! Brit I
high frequency components which have different noise contributions (for examp le, core
temperatu re changes, blood pressure or speech, and respiration, respective ly) .10
Blood pressure and its variability can also be measured. For continuous monitoring, a
finger cuff filled with water match the inner-arterial pressure and can be used to
monitor variability .11
CNS Measurements
Measurement of brain activity can be unobtrusively recorded using low-cou nt
electroencephalography (EEG),e or the minimally obtrusive techniques of EEG, near
infrared spectrometry (NIRS), trans-cranial Doppler sonography (TCDS), or the non
invasive laboratory techniques of functional MRI (fMRI), magnetoencephalography
(MEG), or positron emission tomography (PET). The latter three techniques are for
brain research only and do not have any current naturalist ic research studies (although
see Genik12 for a prognosis on generation-after-next technologies including NIRS, PET,
fMRI, and MEG).
EEG measurements are typically divided into spectra and the relative power in the
bands 0-4 Hz(!\), 4-8 Hz (0), 8-13 Hz (a), 13-30 Hz(~), and 30-100 Hz (y). NIRS
measures the BOLD effect t and is related to localized y activi ty . TCDS measures CO2 as
the byproduct of localized increased metabolism and is also an indirect measure of
neura l activity which has been shown to be related to vigilance. 13 For EEG experiments
in mental workload, changes are typ ically reported in the 0 and a bands, though more
recently ~ and y bands have shown sensitivity .14
Event-related potentials (ERP) are peaks of activity measured at the skin indicative of
several tens of thousands of neurons firing coherently for a short time. For example, a
well-studied cognitive ERP is P300, a lO's-of-msec-wide bump in the EEG signal
occurring 200-400 msec after an event. Some success in utilizing a task-irrelevant
secondary audio stimulation and NlOO has been shown, 15 but little further development
to this approach has been found in the last 15 years.
Ocular Measurements
Measurements involving eye fixations, dwell time (temporal length of a fixation), and
pupillary changes are well established metrics of workload in visual searching tasks. 16
Additional measures of ocular changes include blink rate, blink duration, blink late ncy,
and eye movement. These are recorded using one of various types of eye-tracking (ET)
or electrodes to measure an electrooculogram (EOG). ET data will include position of a
fixation and the time of each eye movement (or saccade), whereas an EOG only
identifies the time that the muscle controlling eye blinks or eye position activated.
• Low-count EEG is generally less than 10 electrodes, and usually 3 or 5.
r The Blood Oxygen Level Dependent (BOLD) effect is a local change in the oxygen saturation ratio near neural
activity due to metabolic and vascular action . This change is detect lble in the infrared spectra .
UNCLASSIFIED/ j FOR OPPICI.AL l:ISlii &PU,¥
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TRECHO 4 · PÁGINA FÍSICA 12
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Medidas da pele
O SNA controla a abertura e o fechamento das glândulas sudoríparas em resposta ao estresse e à ansiedade. Essas mudanças podem ser observadas medindo a atividade eletrodérmica, tipicamente a resposta de condutância da pele (SCR) [17], mas também os potenciais da pele (SP) e a temperatura da pele (ST). Pode-se calcular uma pontuação padrão dessas medidas coletando dados em estado de repouso antes do intervalo da tarefa.
Níveis séricos de hormônios
Os níveis hormonais são resultados diretos da atividade do SNA. É natural querer monitorar continuamente certos hormônios do estresse, como adrenalina ou cortisol. A dificuldade está no tempo de medição: os ensaios rápidos típicos de cortisol salivar ainda exigem cerca de 15 minutos [18]. Até que haja monitoramento confiável no local, os níveis séricos de hormônios terão apenas um papel de apoio, para estabelecer capacidades de linha de base ou para análise posterior a incidentes.
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7Nota editorial: Capítulo 2, página 7: medidas da pele e níveis de hormônios como indicadores de carga de trabalho.
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UNCLASSIFIED/ /FOR 8FFI@IAL tt.!l! 014Ei
Skin Measurements
The ANS controls the opening and closing of sweat glands in response to stress and
anxiety. These changes can be observed by measuring electrodermal activity, typically
skin conductance response (SCR), 17 but also skin potentials (SP) and skin temperature
(ST). A standard score of these measures can be calculated by collecting resting state
data prior to the task interval.
Serum Levels of Hormones
Hormone levels are direct results of activity in the ANS. It is natural to want to
continuously monitor certain stress hormones such as adrenaline or cortisol. The
difficulty lies in measurement time - typical fast assays of salivary cortisol still require
about 15 minutes. 18 Until reliable in-situ monitoring is available, serum levels of
hormo nes will only play a supporting role in establishing baseline capacities or post
incident analysis.
UNCLASSIFIED/ /FOR OFFICIAL OSI! or•tv
7Consultar a ficha do documento ↗ · Página física 12, contando a capa.
TRECHO 5 · PÁGINA FÍSICA 13
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Capítulo 3: Estudos sobre carga cognitiva de trabalho de controladores de tráfego aéreo
Há algumas áreas de pesquisa aplicáveis como analogia à pilotagem de várias aeronaves. A maior delas analisa as funções de supervisão dos controladores de tráfego aéreo (ATC). Num ambiente típico de serviço de ATC, um único operador é responsável por muitas aeronaves totalmente autônomas. O ATC é baseado em aeroporto ou em rota. As instalações baseadas em aeroporto incluem o controle de solo, o controle local para pistas ativas (controle de torre) e o controle de aproximação, que nos EUA se chama Terminal Radar Approach Control, ou TRACON. Uma zona de espaço aéreo controlado atribuída a um centro de controle específico é o setor desse centro; do mesmo modo, um dado controlador é responsável por um setor do espaço aéreo. Entre setores controlados por aeroportos, as aeronaves são monitoradas por uma instalação em rota.
O TRACON é a função cognitivamente mais exigente dessa cadeia. Os controladores de terminal, como são chamados os ATC das instalações TRACON, são responsáveis pelas partidas após a decolagem e pelas aproximações e sobrevoos num raio de cerca de 50 milhas do aeroporto [g]. As aeronaves em aproximação precisam ser guiadas pelo controlador até uma trajetória de voo adequada para o pouso, evitando todas as outras aeronaves no ar ou que logo estarão no ar, e depois passadas ao controlador da torre para o pouso e as instruções em solo. Os voos de partida e o tráfego de sobrevoo precisam, sobretudo, ser monitorados quanto a conflitos. As aeronaves em aproximação são de longe o que há de mais desafiador cognitivamente na tarefa do ATC. Imagens do ambiente e dos monitores do controlador de tráfego aéreo são mostradas na Figura 3 [h].
Erros no controle de voo são chamados de anomalias no setor. A anomalia de aeronave mais comum é o desvio da trajetória de voo em setores em rota. Essa anomalia é corrigida pelos próprios pilotos ou após instrução do ATC competente. O erro de ATC mais comum é a falha de comunicação entre controladores na passagem de uma aeronave entre setores [19]. Um estudo de 1997 das Academias Nacionais mostrou que erros de ATC ocorreram tanto em condições de carga de trabalho alta quanto baixa, como previsto pela sobrecarga e pelo desengajamento [20].
Ao examinar os limites cognitivos no ATC, devemos procurar onde os controladores típicos entram na região B da carga de trabalho. A carga de tráfego definida simplesmente como o número de aeronaves não mostra, por si só, o quadro completo da carga de trabalho do ATC. Num estudo com controladores profissionais em 2006, Boag registrou medidas subjetivas de carga de trabalho e tempo de reação quando se apresentavam telas estáticas de tráfego aéreo. As telas incluíam conflitos de tráfego aéreo de complexidade diferente que exigiam resolução. A complexidade na tela foi classificada objetivamente pelo Método de Análise de Complexidade Relacional (MARC) [21]. Os resultados mostraram que um número relativamente pequeno de aeronaves pode aumentar muito a carga de trabalho percebida. Boag conclui que a complexidade percebida é o fator número um na determinação da carga de trabalho e que, embora os conflitos sejam a principal fonte de complexidade na tarefa do ATC e possam ser modelados de certo modo por uma combinação de variáveis de separação de aeronaves e de transição [i], as diferenças individuais ainda têm impacto significativo sobre quando um controlador pode chegar à sobrecarga [22].
[g] Cada instalação varia no raio do setor TRACON. Em aeroportos menores, as funções de TRACON podem ser exercidas por uma instalação em rota próxima.
[h] Como nota histórica da indústria de controle de tráfego aéreo dos EUA, houve a greve de todo o setor iniciada em 3 de agosto de 1981 por quase 13.000 especialistas de ATC. Somente 1.300 obedeceram a uma ordem presidencial de voltar ao trabalho sob a cláusula de "perigo para a segurança nacional" da Lei Taft-Hartley de 1947. Em 5 de agosto de 1981, os 11.345 controladores restantes foram demitidos e impedidos para sempre de servir ao governo federal. A FAA reconstruiu o efetivo aos níveis anteriores à greve durante o resto da década de 1980. Esse evento resultou em escassez de pesquisas durante a década de 1980 sobre profissionais de controle de tráfego aéreo.
[i] Uma transição de aeronave é um evento como pouso, passagem a outro controlador ou entrada ou saída de um setor, em que setor é definido como o espaço aéreo de responsabilidade de um controlador.
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8Nota editorial: Capítulo 3, página 8: o controle de tráfego aéreo como analogia à pilotagem de várias naves; estudo de Boag sobre complexidade percebida.
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UNCLASSIFIED/ /FOA QFFI@IAL l:l!H! 9HLY
Chapter 3: Studies in Cognitive Workload for Air Traffic
Controllers
There are a few areas of research applicable as analogues to the piloting of several
aircraft. The largest of these areas analyzes the supervisory functions of air traffic
controllers (ATC). In a typical ATC duty environment, a single operator is responsible
for many fully-autonomous aircraft. ATC is either airport -based or en-route. Airport
based facilities include ground control, local control for active runways (Tower control),
and approach control, which in the US is called Terminal Radar Approach Control, or
TRACON. A zone of air-controlled space assigned to a specific control center is that
center's sector; similarly, a given controller is responsible for a sector of airspace.
Between airport-controlled sectors, aircraft are monitored by an en-route facility.
TRACON is the most cognitively demanding function in this chain. Terminal controllers,
as ATCs are called at TRACON facilities, are responsible for departures after take-off,
and approaches and flyovers within about a SO-mile radius of the airport.9 Approaching
aircraft need to be vectored by the controller into an appropriate flight path for landing,
avoiding all other aircraft in the air or soon to be in the air, and then handed off to the
Tower controller for landing and ground instruction. Departing flights and flyover traffic
mainly need to be monitored for conflicts. Approaching aircraft are by far the most
cognitively challenging in the ATC task. Images of air traffic controller environment and
displays are shown in Figure 3.h
Errors in flight control are called anomalies in the industry. The most common aircraft
anomaly is deviation from flightpath in en-route sectors. This anomaly is corrected by
pilots themselves or after instruction from the appropriate ATC. The most common ATC
error is miscommunication between controllers in an aircraft handoff between sectors. 19
A study in 1997 by the National Academies showed that ATC errors occurred in both
high and low workload conditions, as predicted by overload and disengagement. 20
In looking at the cognitive limits in ATC, we should seek where typical controllers enter
the B region of workload. Traffic load defined as simply the number of aircraft does not
by itself show the complete picture of ATC workload. In a study of professional
controllers in 2006, Boag recorded subjective measures of workload and reaction time
when static air traffic displays were presented. Displays included air traffic conflicts of
differing complexity that required resolution. Complexity in the display was objectively
ranked using the Method of Analysis of Relational Complexity (MARC).21 Results showed
that a relatively small number of aircraft can greatly increase the perceived workload.
Boag concludes that perceived complexity is the number one factor in determining
workload, and that although conflicts are the major source of complexity in the ATC
task, and these can be modeled somewhat using a combination of aircraft separation
and trans ition1 variables, individual differences still have significant impact on when a
controller may reach overload. 22
9 Each facility will vary in TRACON sector radius. For smaller airports, TRACON functions may be performed by a
nearby en-route facility.
h Of historical note in the US Air traffic Control industry was the industry -wide strike begun on August 3, 1981, by
the nearly 13,000 ATC specialists. Only 1300 obeyed a Presidential order to return to work under the "peril to
national safety" prov ision of the 1947 Taft-Hartley Act. On August 5, 1981 the remaining 11,345 controllers were
fired and banned for life from federal service. The FAA rebuilt the force to pre-strike levels during the rest of the
1980s . This event resulted in a dearth of research during the 1980s on air traffic control professionals.
1 An aircraft transition is an event such as landing, hand-off to another controller, or entering/leaving a sector,
where a sector is defined as a controller's airspace of responsibility.
UNCLASSIFIED/ /FAR AEEICl\k W&li 8HLY
8Consultar a ficha do documento ↗ · Página física 13, contando a capa.
TRECHO 6 · PÁGINA FÍSICA 14
página inteira
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Numa análise posterior de fontes de erro humano em dados gravados de controladores, Chang desenvolveu um modelo conceitual da tarefa de ATC dentro de um sistema de humano, software, hardware e ambiente, usando a abordagem SHEL [23] da ergonomia. Esse estudo também examinou vários aspectos da gestão de pessoal, mas, quando a sobrecarga foi examinada como fonte de erro, mostrou-se que todos os fatores precisam ser considerados junto com sua interação. Ou seja, o humano e a tarefa externa não podem ser considerados isoladamente do ambiente dos demais humanos, e as capacidades de apoio do software, do hardware e do ambiente de desempenho afetam significativamente as taxas de erro [24].
A sobrecarga do operador pode resultar em erros subsequentes se não for concedido tempo de recuperação suficiente. Di Nocera examinou taxas específicas de erro após curtos períodos de sobrecarga. A primeira parte do estudo provou com sucesso que esses chamados erros pós-conclusão existiam nos momentos imediatamente após picos de carga de trabalho. A segunda parte examinou se uma ferramenta de apoio à detecção de conflitos de médio prazo poderia reduzir esses erros. A população de sujeitos incluía 18 ATC militares de experiência variada. A carga de trabalho foi baseada no NASA-TLX autorrelatado. Os resultados mostraram que os processos de apoio ajudaram os controladores juniores, mas os seniores não foram afetados pela assistência [25].
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9Nota editorial: Capítulo 3, página 9: estudos sobre erros de controladores após sobrecarga e sobre ferramentas de apoio.
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UNCLASSIFIED//EOR QfiFIQl.lik 1!181! er•t I
In a post-hoc examination of sources of human error in taped controller data, Chang
developed a conceptual model of ATC task within a system of human, software,
hardware, and environment using the SHEL23 approach of ergonomics. This study also
examined several aspects of personnel management, but when over load was exam ined
as the source of error, it was shown that all factors need to be considered along with
their interaction. That is, the human and the external task cannot be considered in
isolation of the environment of the other humans, and the augmentation capabilities of
software, hardware, and the performance environment significantly affect error rates. 24
Operator overload can result in subsequent errors if sufficient recovery time is not
allotted. Di Nocera examined specific error rates after short periods of overload. The
first part of the study successfully proved that these so-called post -completion errors
existed in times immediately after peaks in workload. The second part of the study
examined whether an augmentat ion tool to assist in medium term confl ict detection
could reduce these errors. The subject population included 18 military ATC of varying
exper ience. Workload was based on self-reported NASA-TLX. Results showed that
augmentation processes helped junior controllers, but senior controllers were
unaffected by the assistance. 25
UNCLASSIFIED/ j POI\ OP"flCIJltt 1:181!! 8Hk\S
9Consultar a ficha do documento ↗ · Página física 14, contando a capa.
TRECHO 7 · PÁGINA FÍSICA 15
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[Figura com três imagens, rotuladas a, b e c.]
Figura 3. Controle de tráfego aéreo: a) visão geral de uma grande instalação TRACON; na foto, Potomac. b) Uma única estação de ATC em TRACON. Ao lado do monitor de radar há uma pilha de blocos de apoio à memória, nos quais o controlador escreve as informações essenciais da aeronave; enquanto houver um bloco físico à direita, deve haver um "ponto" correspondente na tela. c) Monitor de TRACON de Minneapolis-St. Paul. Nesse monitor aparecem as aeronaves sob controle (sem designação), bem como as de outros 3 controladores: Leste (E), Norte (N) e Solo (G). Abaixo do nome de cada aeronave estão a designação do controlador, a altitude em centenas de pés e a velocidade em dezenas de nós.
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10Nota editorial: Capítulo 3, página 10: Figura 3, fotos de uma sala de controle de aproximação, de uma estação de controlador e de um monitor de radar com etiquetas das aeronaves.
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UNCLASSIFIED/ /iOR QFFl&IAL YSI!!! t>flt I
a b
C
Figure 3. Air Traffic Control: a) overview of a large TRACON facility . Potomac is pictured . b) A
single ATC TRACON station . Beside the radar display is a stack of memory aid blocks when the
controller writes essential aircraft information - as long as there is a physical block to the right,
there should be a corresponding "blip" on the screen. c) TRACON display from Minneapolis -St. Paul.
On this display are aircraft under control (undesignated), as well as craft from 3 other controllers,
East (E), North (N), and Ground (G). Below each aircraft name is controller designation, altitude in
hundreds of feet , and airspeed in tens of knots .
UNCLASSIFIED/ /FOlil OFFl&IAk Ulili Ql'lk¥
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TRECHO 8 · PÁGINA FÍSICA 16
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Lamoureaux pesquisou, em 1999, se um sistema de apoio ao ATC proposto poderia permitir, com segurança, distâncias menores entre aeronaves e assim aumentar a capacidade de tráfego sem construir novos aeroportos ou pistas. Pares de aeronaves foram caracterizados com base na direção de deslocamento e na separação, como mostra a Tabela 1. Durante a tarefa, os operadores avaliaram sua carga de trabalho percebida no instante, numa escala de cinco pontos que corresponde aproximadamente a D, A1, A2, A3/B e B/C [j]. Os operadores eram solicitados a fazer sua autoavaliação uma vez a cada dois minutos. O experimento conseguiu gerar valores de autoavaliação entre 1 e 4; nenhuma condição de sobrecarga foi gerada nesse estudo. Usando um modelo baseado na variância da tarefa e na complexidade das aeronaves sob controle no momento, os pesquisadores conseguiram prever a carga de trabalho percebida em 74% das vezes e, mais importante, conseguiram prever uma autoavaliação de 4 em 80% dos casos. Prever o valor 1, de tédio, teve menos sucesso, cerca de 60%. Além das previsões numéricas, os autores concluem que a complexidade da tarefa determina a carga de trabalho percebida [26].
Tabela 1. Variáveis usadas para determinar a complexidade da relação de tráfego entre pares de aeronaves. O uso de quatro variáveis com três limiares dá classes diferentes de complexidade. Por exemplo, um par de aeronaves poderia estar a 5 milhas de distância (limiar de 3 a 7), deslocando-se na mesma direção lateral, voando com 2.500 pés de separação vertical (> 2.000 pés), ambas em voo reto e nivelado. Há 81 combinações desse tipo.
Variável | Baixa | Média | Alta
Separação lateral | < 3 milhas | 3 a 7 milhas | > 7 milhas
Direção lateral | Mesma direção | Direção oposta | Cruzamento
Separação vertical | < 800 pés | 800 a 2.000 pés | > 2.000 pés
Direção vertical | Ambas em voo reto e nivelado | Uma em voo reto, outra subindo ou descendo | Ambas subindo ou descendo
Indicadores fisiológicos de estresse foram medidos em dois centros de controle de pouco tráfego (Fayetteville, AR, e Roswell, NM) e em um centro de maior tráfego (Oklahoma City). A frequência cardíaca foi medida junto com os níveis de secreção de hormônios na urina. As amostras de urina foram reunidas antes da análise em dois grupos ao longo de uma semana de trabalho de 5 dias: durante a jornada de 8 horas e à noite, após o trabalho. Além disso, os controladores preencheram o Inventário de Ansiedade Estado-Traço antes e depois de cada dia de trabalho. Os resultados mostraram que os centros de menor tráfego apresentaram níveis de estresse mais baixos e que o melhor indicador biológico de estresse foram os níveis de epinefrina na urina, e não a frequência cardíaca. Os autores concluíram que a carga e a complexidade do tráfego eram as principais fontes de estresse na tarefa de ATC, e não a natureza do trabalho em si [27].
Um experimento direto para examinar respostas fisiológicas, com EEG e EOG, a lapsos de atenção durante tarefas de ATC foi realizado por Peiris em 2005. O objetivo do estudo era categorizar a análise de especialistas de dados de EEG/EOG para desenvolver um programa de análise automatizada que pudesse ler os dados em tempo real, sem intervenção humana, para alertar os operadores sobre lapsos de atenção e baixos níveis de alerta. Operadores profissionais de ATC receberam intervalos de 10 minutos da tarefa psicomotora de vigilância (PVT). Os dados registrados foram avaliados por vários analistas humanos especialistas em EEG e EOG. Esses especialistas não conseguiram identificar corretamente o estado de alerta ou os lapsos de atenção (o EEG identificou apenas 6 de 101
[j] Nesse estudo, a classificação A3/B descrevia "tarefas não essenciais sofrendo, não seria possível trabalhar nesse nível por muito tempo", enquanto B/C descrevia ficar para trás e perder a consciência situacional.
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11Nota editorial: Capítulo 3, página 11: estudos de Lamoureaux, de centros de controle de pouco e muito tráfego e de Peiris; tabela de variáveis de complexidade.
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UNCLASSIFIED/ /FOA QFFI&ilsT.tk WSE 8HLV
Lamoureaux researched in 1999 whether a proposed ATC augmentation system could
safely allow smaller distances between aircraft and thus increase traffic capacity
without building new airports or runways. Pairs of aircraft were characterized based on
their direction of travel and separation as shown in Table 1. During the task, operators
rated their instantaneous perceived workload on a five -point scale roughly
correspond ing to D, Al, A2, A3/B, and B/C.i Operators were prompted for their self
assessment once every two minutes. The experiment was able to generate self
assessment values between 1 and 4; no overload conditions were generated in this
study. Using a model based on task variance and complexity of current aircraft under
control, the researchers were able to predict perceived workload 74% of the time, but
more importantly, were able to predict a self-rating of 4 for 80% of the cases.
Predicting the boredom value of 1 was less successful, at about 60% . Besides the
numerical predictions, the authors conclude that complexity of the task drives perceived
workload . 26
Table 1. Variables used in Determining Complexity of the Traffic relationship between pairs of aircraft. Using
four variables with three thres holds gives different classes of complexity . For example, an aircraft pair could be 5
miles apart (3 to 7 threshold), traveling in the same lateral direction, flying with 2500 ft of vertical separation (>
2000ft), and both straight and level. There are 81 such combinations .
Variable
Threshold Low Mid High
Lateral separation < 3 miles 3 to 7 miles > 7 miles
Lateral direction Same direction Opposite direction Crossing
Vertical separation < 800 ft 800 to 2000 ft > 2000 ft
Vertical direction Both straight and level One straight, one climbing
or descending
Both climbing or
descending
Physiological indicators of stress were measured at two low-traffic control centers
(Fayetteville, AR and Roswell, NM) and one higher traffic center (Oklahoma City). Heart
rates were measures along with hormone secretion levels in urine. The urine specimens
were pooled before analysis into two groups throughout a 5-day workweek: during the
8-hour workday, night time after work. Additionally, controllers completed the State
Trait Anxiety Index before and after each workday. Results showed that lower traffic
centers exhibited lower stress levels, and that the best biological indicator of stress was
epinephrine levels from urine rather than HR. The authors concluded that traffic load
and complexity were the main sources of stress in the ATC task rather than the nature
of the job itself. 27
A straightforward experiment to look at physiological responses using EEG and EOG to
lapses in attention during ATC tasks was performed by Peiris in 2005. The goal of the
study was to categorize expert analysis of EEG/EOG data to develop an automated
analysis program that could read the data online without human intervention to alert
operators to attention lapses and low levels of alertness. Professional ATC operators
were given 10 minute intervals of the psychomotor vigilance task (PVT). Recorded data
was evaluated by several human expert EEG and EOG analyzers . These experts were
not able to correctly identify alertness or attention lapses (EEG identified only 6 of 101
J In this study, the A3/B rating described "Non -essential tasks suffering, could not work at this level for long, " while
8/C described getting behind and losing situational awareness.
UNCLASSIFIED/ /FOR OFFICIAL tJ!H! 8Hklf
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TRECHO 9 · PÁGINA FÍSICA 17
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lapsos). Peiris concluiu que é necessário um sistema automatizado construído do zero para identificar características sutis, especialmente no EEG de poucos eletrodos (5 eletrodos) [28].
Na definição de complexidade, é importante notar que não se deve concentrar inteiramente num único aspecto da tarefa de ATC em laboratório. Donald define a complexidade em dois aspectos: a complexidade da tarefa independente da taxa de eventos e os aspectos auxiliares do trabalho num ambiente naturalista. É preciso considerar a complexidade da tarefa como um todo, em vez de se concentrar num único aspecto, como monitorar e detectar e a taxa com que essa tarefa pode ser concluída [29].
O ambiente naturalista foi de fato utilizado por Brookings em 1996 [30]. Além disso, medições no local foram realizadas por Collet em 2009 [31]. Os dois estudos examinaram avaliações TLX, bem como várias variáveis do SNA. Brookings utilizou também EEG.
No estudo de Brookings, foram conduzidas três sessões simuladas de TRACON. A primeira sessão variou o volume de tráfego entre níveis baixo, médio e alto, enquanto a segunda variou a complexidade da tarefa com taxa constante de aeronaves. O terceiro cenário foi conduzido com um número esmagador de aeronaves, com o objetivo de obter dados fisiológicos na condição em que a consciência situacional se perde [k].
A sessão de variação da carga de tráfego durou 45 minutos, com três sessões de 15 minutos em que o controlador devia atender 6, 12 e 18 aeronaves; a ordem de apresentação foi contrabalançada entre os sujeitos. Outros fatores de complexidade, como a proporção entre sobrevoos, chegadas e partidas, foram mantidos constantes.
Na sessão de variação de complexidade, o número de aeronaves foi mantido constante em 12, enquanto vários fatores complicadores eram modulados. Os fatores de complexidade alterados incluíam:
• Alterar a proporção entre tráfego de chegada, de partida e de sobrevoo.
• Mudar a probabilidade de um piloto não ouvir ou deixar de executar uma instrução do controlador.
• Aumentar ou diminuir a heterogeneidade dos tipos de aeronave.
Na sessão de sobrecarga, 15 aeronaves foram apresentadas em 5 minutos.
As variáveis fisiológicas monitoradas incluíam a atividade cardíaca, com dois eletrodos no peito; o EOG, com eletrodos em volta dos olhos [l]; a respiração, com bandas elásticas transdutoras; e 19 canais de EEG, com uma touca equipada com a configuração padrão 10-20 [m].
Pontos de desempenho na tarefa eram concedidos pelo manejo bem-sucedido de aeronaves, menos quaisquer pontos por erros operacionais, como conflitos de separação, erros de passagem entre controladores e aproximações perdidas. As avaliações TLX foram registradas entre as condições de carga de trabalho, durante uma pausa planejada de 1 minuto no tráfego. A simulação foi considerada bastante difícil, mesmo para ATC profissionais da Força Aérea, e os participantes tiveram de praticar até não
[k] Em linguagem coloquial, os ATC chamam isso de "perder a imagem".
[l] Os eletrodos são apontados aqui porque metodologias mais recentes poderiam usar dispositivos ópticos infravermelhos para registrar a atividade cardíaca e ocular.
[m] A configuração padrão 10-20 refere-se a eletrodos a cada 10% ou 20% da distância total entre marcos anatômicos direito-esquerdo e anterior-posterior. Uma configuração 10-10 incluiria o dobro de eletrodos, e assim por diante.
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12Nota editorial: Capítulo 3, página 12: a simulação de Brookings com controladores profissionais, em três cenários de volume, complexidade e sobrecarga.
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lapses). Peiris concluded that a built-from-scratch automated system is needed to
identify subtle features, especially in the low-count electrode EEG (5 electrodes). 28
In the defin ition of complexity, it is important to note that one should not focus entirely
on a single aspect of the ATC task in the laboratory . Donald defines complexity in two
aspects: task complexity independent of the event rate, and ancillary aspects of the job
in a naturalistic environment. The complexity of the task as a whole needs to be
considered instead of focusing on a single aspect such as monitor and detect and the
rate at which this task can be completed. 29
The naturalistic environment was in fact utilized by Brookings in 1996. 30 Moreover, in
situ measurements were conducted by Collet in 2009. 31 Both studies examined TLX
ratings, as well as several ANS variables. Brookings additionally utilized EEG.
In the Brookings study, three simulated TRACON sessions were conducted. The first
session varied traffic volume between low, medium and high levels, while the second
session varied task complexity at a constant rate of aircraft. The third scenario was
conducted with an overwhelming number of aircraft, the goal being to take
physiological data in the condition where situational awareness is lost. k
The traffic load variance session lasted 45 minutes with three 15-minute sessions where
the controller was required to handle 6, 12, and 18 aircraft; the order of presentation
was counterbalanced across subjects. Other complexity factors, such as the ratio of
overflights, arrivals, and departures, were kept constant.
In the complexity variation session, the number of aircraft was kept constant at 12,
while various complicating factors were modulated. Changing complexity factors
included:
• Altering the ratio of arriving to departing and flyover traffic.
• Changing the probability that a pilot didn't hear or failed to execute a controller's
instruction.
• Increasing or decreasing the heterogeneity of aircraft type.
In the overload session, 15 aircraft were presented in 5 minutes.
Physiological variables monitored included heart activity using two electrodes on the
chest, EOG using electrodes around the eyes,1 respiration using elastic transducer bands,
and 19 channels of EEG using a cap outfitted with a standard 10-20 configuration.m
Task performance points were awarded for successfully handing aircraft, minus any
points for operational errors such as separation conflicts, hand-off errors, and missed
approaches. TLX ratings were recorded between workload conditions during a designed
1-minute lull in traffic. The simulation was considered quite difficult, even for
professional Air Force ATC, and participants were required to practice until they didn't
k I n colloqu ial terms, ATC call this "losing the picture."
1 Electrodes are pointed out here as more recent methodology could use infra-red optical devices to record heart
and ocular activ ity.
m The standard 10-20 configuration refers to electrodes every 10%/20% of the total distance between right
left/anter ior-poster ior anatom ical markers. A 10-10 configuration would include twice the electrodes, etc.
UNCLASSIFIED/ /FOA 8FFI&IAL l::ISI!! 8HLY
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TRECHO 10 · PÁGINA FÍSICA 18
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derrubar nenhum avião em nenhum dos cenários; isso exigiu cerca de 6 horas de prática por participante antes do experimento.
Apenas um dos oito controladores do estudo de Brookings classificou a condição de sobrecarga como perda de consciência situacional. Os resultados compararam o TLX, o desempenho na tarefa principal e as medidas fisiológicas com as condições de carga de trabalho baixa, média e alta, bem como com a condição máxima ou de sobrecarga. O desempenho na tarefa principal está representado na Figura 4 (este gráfico foi recriado visualmente a partir do gráfico da fonte, para representar com precisão todas as tendências), mostrando um efeito de tendência para a complexidade, mas não para o volume. Resultados adicionais mostraram que mudanças na dificuldade da tarefa (volume ou complexidade) produziram mudanças no TLX, na frequência de piscar, na frequência respiratória e nos espectros de potência do EEG. Os espectros de potência do EEG foram diferentes para mudanças de volume e para mudanças de complexidade. Não se observaram correlações significativas com a frequência cardíaca nem com a variabilidade da frequência cardíaca. Os autores concluem que dados psicofisiológicos podem ser usados para medir com precisão a carga de trabalho em tempo real, observação que, segundo eles, confirma trabalho anterior com tripulantes de F4 executando tarefas de voo de complexidade modulada [32].
Os dados de Brookings foram reanalisados por Wilson em 2003, com uma abordagem de rede neural artificial e com uma análise discriminante por etapas, para classificar um estado fisiológico como operacional ou sobrecarregado. Wilson classificou com sucesso a condição de sobrecarga de modo consistente em mais de 98% dos casos. Os autores admitem um problema de variação psicofisiológica (de um dia para o outro) que precisaria ser normalizada e que são necessárias mais pesquisas [33].
[Gráfico de barras: eixo vertical de 20 a 100, "Desempenho na tarefa principal"; eixo horizontal "Carga de trabalho", com Baixa, Média, Alta e Máx.; legenda: Volume, Complexidade, Sobrecarga.]
Figura 4. Representação dos resultados de desempenho do estudo de Brookings [30]. Mostram-se os três cenários, com modulação do volume de tráfego, da complexidade e a condição de sobrecarga. Note que a entrada de carga de trabalho Baixa para o desempenho na modulação de volume (6 aviões) já era de 80%, e isso foi semelhante ao desempenho de complexidade média com 12 aviões. Somente o cenário de baixa complexidade com 12 aviões mostrou desempenho na tarefa principal próximo de 100%.
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13Nota editorial: Capítulo 3, página 13: resultados do estudo de Brookings e reanálise por rede neural artificial; Figura 4, gráfico de desempenho.
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UNCLASSIFIED/ /FOR 8FFl@IAL li!H!! 8HL I
crash any planes in any of the scenarios - this required approximately 6 hours of
practice per participant before the experiment was conducted .
Only one of the eight controllers in the Brookings study rated the overload condit ion as
a loss of situational awareness. The results compared the TLX, primary task
performance, and physiological measures to low, medium, and high workload conditions,
as well as the max or over load condition. Primary task perfo rmance is represented in
Figure 4 (this chart was recreated visually from the source chart to accurately represent
all trends), showing a trending effect for complexity but not volume. Additional results
showed that changes in task difficulty (volume or complexity) produced changes in TLX,
eye blink rate, respiration rate, and the EEG power spectra. The EEG power spectra
were different for changes in volume versus changes in complexity. There were no
observed significant correlations with heart rate or heart rate var iability. The authors
conclude that psychophysiological data can be used to accurately measure work load in
real-time, an observation they note confirms earlier work on F4 crew members
performing flight tasks of modu lated complexity. 32
The Brookings data was reanalyzed by Wilson in 2003 using an artificial neura l network
approach as well as a stepwise discriminate analys is to classify a physiological state as
either operational or overloaded. Wilson successfully classified the overload condition
consistently in more than 98% of the cases. The authors admit an issue with
psychophys iological variation (day -to -day) that would need to be normalized and
further research is required. 33
100
□ Volume
■ Complexity
80 □ Overload
Ill
-C
·o a.
G)
60(J
C
ca
E
~
0
-
~
G)
40C.
-C
G)
(J
~
G)
C.
20
Low Medium High Max
Workload
Figure 4. Representation of Performance Results from Brookings Study. 30 Shown are the three scenarios
with modulat ion of traffi c volume , complexity, and the overload condition . Note that the Low workload entry for
the volume modulation performance (6 planes) was already 80% and this was similar to the 12-plane medium
complexity performance . Only the low complexity, 12-plane scenario showed near 100% primary task
performance .
UNCLASSIFIED/ JFOR OFFICIAL 091! er•tY
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TRECHO 11 · PÁGINA FÍSICA 19
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O estudo mais recente, de Collet, registrou 5 variáveis do SNA de 25 participantes durante operações reais de ATC. A população, com idade média de 44 anos, incluía apenas operadores plenamente qualificados, monitorados durante uma hora de serviço em TRACON no Aeroporto Internacional Saint Exupéry (Lyon, França). Foram feitas análises de correlação com o número de aeronaves que o operador controlava naquele momento. Não se fez ajuste para a complexidade da tarefa; no entanto, os dados foram obtidos entre 18h e 21h, horário local, para coletar dados de carga de trabalho média e alta. Cada participante atendeu entre 1 e 10 aeronaves durante o estudo. Os resultados da análise de correlação aparecem na Tabela 2. Os autores concluem que a mudança do número de aeronaves para ATC profissionais produziu correlações nas medidas fisiológicas SC, SBF e IHR [31].
Tabela 2. Correlações entre variáveis fisiológicas num estudo da modulação da carga de trabalho de controladores de tráfego aéreo com número variável de aeronaves. NA: número de aeronaves; TLX: medida de carga de trabalho autorrelatada da NASA; Std SC: condutância da pele normalizada; Std SP: potencial da pele normalizado; Std SBF: fluxo sanguíneo capilar normalizado, medido pela pele; Std ST: temperatura da pele normalizada; Std IHR: frequência cardíaca instantânea normalizada. Os valores em negrito mostram correlação significativa. SC, SBF e IHR mostram correlação significativa com mudanças em NA. As normalizações (padronizações) foram feitas em relação aos dados de linha de base de cada sujeito, para diminuir o ruído entre sujeitos [31].
Linha NA: 1
Linha TLX: NA 0,98 (p<0,001); TLX 1
Linha Std SC: NA 0,93 (p=0,002); TLX 0,89 (p=0,008); Std SC 1
Linha Std SP: NA 0,77 (NS); TLX 0,67 (NS); Std SC 0,91 (p=0,005); Std SP 1
Linha Std SBF: NA -0,97 (p<0,0001); TLX -0,94 (p=0,001); Std SC -0,87 (p=0,02); Std SP -0,75 (NS); Std SBF 1
Linha Std ST: NA -0,79 (NS); TLX -0,80 (NS); Std SC -0,62 (NS); Std SP -0,43 (NS); Std SBF 0,82 (NS); Std ST 1
Linha Std IHR: NA 0,98 (p<0,0001); TLX 0,95 (p<0,0001); Std SC 0,97 (p<0,0001); Std SP 0,85 (p=0,03); Std SBF -0,93 (p=0,002); Std ST -0,88 (p=0,005)
(NS: não significativo.)
A automação adaptativa (AA) é o reequilíbrio da carga de trabalho entre o computador e o humano. Níveis baixos de carga de trabalho podem ser complementados com tarefas em geral rotineiras que mantenham o operador atento, ao mesmo tempo que fornecem ao sujeito informação adicional da missão. Essa "informação extra" pode não ser crítica, mas impede que o sujeito se desengaje da tarefa como um todo. O objetivo da AA é manter o desempenho máximo do sistema, nas regiões A1 a A3. Kaber estudou a AA em termos de uma tarefa simulada de ATC em 2005. Quarenta participantes não profissionais foram monitorados quanto ao desempenho nas tarefas principal e secundária de sondagem. Os resultados mostraram que o desempenho na tarefa principal foi maior quando se acrescentou AA ao sistema [34].
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14Nota editorial: Capítulo 3, página 14: estudo de Collet com 25 controladores em Lyon, tabela de correlações fisiológicas e automação adaptativa.
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UNCLASSIFIED/ lfQR OEFICitk W&li 8HLY
The more recent Collet study recorded 5 ANS variables from 25 participants during real
ATC operat ions. The population, mean age of 44, included only fully qualified operators,
who were monitored for one hour during TRACON duty at Saint Exupery International
Airport (Lyon, France) . Correlation analyses were performed with the number of aircraft
the operator was currently controlling . No adjustment was made for task complexity;
however, data were acquired between 6 and 9 PM local time to collect medium and high
workload data . Each participant handled between 1 and 10 aircraft during the study.
The results of the correlation analysis are shown in Table 2. The authors conclude that
changing the number of aircraft for professional ATCs produced correlations in
physiological measures for SC, SBF, and IHR.31
Table 2. Correlations among Physiological Variables in a study of air traffic controller workload
modulation with variable number of aircraft. NA: number of aircraft; TLX: NASA self-report workload
metric; Std SC: normalized skin conductance; Std SP: normalized skin potential; Std SBF: normalized
capillary blood flow measured through the skin; Std ST: normalized skin temperature; Std IHR:
normalized instantaneous heart rate. Bold values show significant correlation. SC, SBF, and IHR show
significant correlation with changes in NA. Normalizations (standardizations) were performed against
baseline data per subject to decrease inter-subject noise. 31
NA TLX Std SC Std SP Std SBF Std ST
NA 1
TLX .98 1
p<.001
Std SC .93 .89 1
p=.002 p= .008
Std SP .77 .67 .91 1
NS NS p=.005
Std SBF -.97 -.94 -.87 -.7 5 1
p<.0001 p= .001 P=.02 NS
Std ST -.79 -.80 -.62 -.43 .82 1
NS NS NS NS NS
Std IHR .98 .95 .97 .85 -.93 -.88
p<.0001 p<.0001 p<.0001 p= .03 p=.002 p= .005
Adaptive automation (AA) is the rebalancing of workload between the computer and
human . Low workload levels can be supplemented with usually routine tasks that will
keep the operator attentive, while providing the subject with additional mission
informat ion. This "extra information" may not be crit ical, but it will keep the subject
from disengaging from the overall task. The goal of AA is to maintain peak performance
of the system, in the Al to A3 regions. Kaber studied AA in terms of a simulated ATC
task in 2005. Forty non-professional participants were monitored for primary and a
probe secondary task performances. Results showed that primary task performance
was greatest when AA was added to the system. 34
UNCLASSIFIED/ }Fdk OFFICIAL 091!! 8HLY
14Consultar a ficha do documento ↗ · Página física 19, contando a capa.
TRECHO 12 · PÁGINA FÍSICA 2
página inteira
[Página em branco.]Nota editorial: Verso da capa, sem texto.
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[p. 2: sem texto datilografado legível]Consultar a ficha do documento ↗ · Página física 2, contando a capa.
TRECHO 13 · PÁGINA FÍSICA 20
página inteira
NÃO CLASSIFICADO // [riscado: SOMENTE PARA USO OFICIAL]
MODELAGEM DA TAREFA DE CONTROLE DE TRÁFEGO AÉREO
Como em qualquer profissão, o pessoal de ATC tem variação de desempenho de um dia para o outro, e há variações naturais entre controladores. Para estudar essas diferenças, mencionadas na maioria dos estudos detalhados acima, é preciso construir um modelo do controlador, do ambiente e da tarefa, com o objetivo de localizar onde pode estar ocorrendo a maior parte das mudanças e onde qualquer apoio pode ser mais bem aplicado para ajudar o desempenho.
Especificamente para os controladores de tráfego aéreo, a principal fonte de variação encontrada ao estudar grandes variações de desempenho foi a perturbação do ritmo circadiano, que leva a uma condição de desequilíbrio descrita como instabilidade biológica. Felizmente, não foi necessário nenhum sistema tecnológico sofisticado para resolver esse problema específico, apenas uma boa gestão de recursos humanos, para evitar trocas frequentes de turno [35].
Loft propôs que modelar a complexidade e a carga de trabalho da tarefa de ATC é insuficiente para prever o desempenho, devido ao efeito predominante da estratégia de decisão do operador. Os operadores de ATC podem escolher prioridades, gerenciar seus próprios recursos cognitivos e, assim, regular o próprio desempenho. O principal alívio para o operador de ATC é passar tráfego a outro operador local [36]. O nosso tema geral trata de um único piloto num ambiente espacial, onde não existe uma sala cheia de colegas para cobrir a folga; portanto, essas técnicas de modelagem de grupo estão fora do escopo deste tratado. Registramos que Loft desenvolve excelentes descrições de tarefa única para pressão de tempo, detecção de conflitos, resolução de conflitos, etc.
Como mostrado várias vezes na seção anterior, o tempo de processamento e a intensidade (dificuldade ou complexidade) de uma tarefa única são os principais determinantes da carga de trabalho. Ao desenvolver um modelo que liga tempo, intensidade e esforço, Hendy mostra como o tempo de decisão se liga a um ciclo de tempo, intensidade e esforço (Figura 5). Hendy sustenta que o tempo de decisão é a variável isolada dominante na carga de trabalho. Dentro desse modelo de ciclo, aumentar a taxa de eventos equivale a aumentar a dificuldade da tarefa. As estratégias de adaptação são desenvolvidas com treinamento e experiência, uma possível explicação para a diferença de desempenho entre juniores e seniores com ferramentas de apoio.
Averty sustenta que a carga de trabalho do ATC não pode ser medida diretamente, mas deve ser inferida de uma mistura quantificável que inclui medidas objetivas e subjetivas. Ele divide a tarefa do controlador em monitoramento, orientação por vetores e resolução de conflitos, e desenvolve um refinamento do NASA-TLX chamado TLI. O Índice de Carga de Tráfego de Averty se baseia no número de aeronaves, mas cada aeronave recebe um peso adicional conforme as exigências de processamento sobre o controlador, incluindo peso cognitivo e emocional: por exemplo, aeronaves com conflitos de trajetória a resolver recebem o maior peso, enquanto o tráfego de sobrevoo isolado recebe peso baixo. Os autores concluem que o TLI precisa incluir também entradas fisiológicas para modelar plenamente a interação entre a tarefa e o controlador.
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15Nota editorial: Capítulo 3, página 15: modelagem da tarefa de controle de tráfego aéreo (ritmo circadiano, estratégia do operador, tempo de decisão e índice de carga de tráfego).
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UNCLASSIFIED/ }FOR 8FFI@IAL tt91!! Dfltt
MODELING THE AIR TRAFFIC CONTROL TASK
Like any profession, ATC personnel experience day-to-day variation in performance,
and there are nat ural variations between controllers. In order to study these differences,
mentioned in most of the studies detailed above, a model needs to be built of the
controller, the environment, and the task, with the goal of locating where the majority
of changes may be occurring, and where any augmentation may be best suited to assist
in performance.
Specific to the air traffic controllers, the major variation source found when study ing
large var iations in performance was disruption of the circadian rhythm leading to a
disequ ilibrium condit ion described as a biological instab ility. Fortunately, no fancy
technology system was required to solve this particular problem, just proper human
resource management to avoid frequent shift switching. 35
Loft proposed that model ing the ATC task complexity and workload is insuffic ient to
predict performance due to the overriding effect of operator decision strategy . ATC
operators can select priorit ies, manage the ir own cognitive resources, and thus regulate
their own performance . The primary relief for the ATC operator is handing off traffic to
another local operator. 36 Our overall top ic is concerned with a single pilot in a space
environment, where no room full of colleagues exists to take up the slack; therefore,
such group modeling techn iques are outside the scope of the current treat ise.
We do note that Loft develops excellent single -task descriptions of time pressure,
conflict detection, conflict resolut ion, etc.
As shown multip le times in the preceding section, single-task processing time and
intensity (difficu lty or complexity) are the primary drivers of workload. Developing a
model connect ing time, intensity, and effort, Hendy shows how decision time connects
a time-intensity-effort loop {Figure 5). Hendy contends decision time is the single
variable dominant in workload. Within this loop model, increasing the event rate is akin
to increasing task difficulty . The adaptation strateg ies are developed with traini ng and
experience, a possible explanation of the difference in junior and senior performance
with augmentat ion aids.
Averty contends that ATC work load cannot be directly measured, but must be inferred
from a quant ifiable mixture of includ ing object ive and subjective measures . He breaks
down the controller task into monitoring, vectoring, and conflict solving, and develops a
refinement of the NASA-TLX called TU. Averty's Traffic Load Index is based on number
of aircraft, but each aircraft is given additional weight according to processing
requirements on the controller, including both cognitive and emotional weight: for
example, aircraft with path confl icts to resolve are given the highest weight, while
isolated flyover traffic is given low weight. The authors conclude that TLI needs to
include physiological inputs as well to fully model the task-controller i nteract ion.
UNCLASSIFIED/ /FOR QfifilGilJ.k YSI!! f>Ht'I"
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TRECHO 14 · PÁGINA FÍSICA 21
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[Diagrama.] Estados: fadiga, motivo, ansiedade, etc.
Intensidade: Tempo de decisão (s) ⇐ Carga da tarefa (bits) ÷ Taxa de processamento (bits·s⁻¹). Associados à dificuldade da tarefa e à capacidade/recursos.
Esforço: a adaptação diminui a dificuldade da tarefa, aumenta a capacidade/recursos e aumenta o tempo disponível. O esforço modula a capacidade/recursos e é impulsionado pelos estados.
Tempo: Tempo de decisão (s) ÷ Tempo disponível (s) ⇒ Pressão de tempo.
Figura 5. Modelo de processamento de informação de um operador humano [37].
Ao modelar os próprios controladores, pode-se recorrer aos esforços de seleção e descobrir quais habilidades dos candidatos são os melhores previsores do sucesso no treinamento. Dados anteriores à greve (ver a nota h da página 9) sobre o treinamento de ATC mostraram que os candidatos fortes tinham habilidades em relações espaciais, raciocínio abstrato e matemática, além de tomada de decisão oral [38].
Ao desenhar um modelo, é tentador recorrer a especialistas no assunto (SME) para estimar a demanda de vários recursos dentro de um modelo de múltiplos recursos do ATC. Cohen estudou previsões de SMEs sobre carga de trabalho dentro de um modelo de 7 canais (percepção visual, percepção auditiva, processamento de informação espacial, processamento de informação analítica, processamento de informação verbal, atividade manual e fala). Os autores concluíram que usar o modelo de múltiplos recursos de 7 canais com a abordagem dos SMEs não funciona para prever a carga de trabalho na tarefa de ATC [39].
Hancock escreveu extensamente sobre o modelo de múltiplos recursos do desempenho de tarefas cognitivas sob estresse. Ele aponta que estudos de imagem funcional do cérebro mostram claramente que os recursos são separados anatomicamente, o que fornece evidência de que o modelo de múltiplos recursos não deve ser abandonado em pesquisas futuras [40].
Um modelo que foi proposto era o de que distrações visuais locais interferiam nas tarefas de ATC na cabine. O modelo tem atrativo, dada a incrível complexidade dos monitores de cabine e a noção popular de que a distração dentro do veículo é a raiz de todos os males ao dirigir automóveis. Iona propôs que um monitor em túnel para as informações de ATC na cabine reduziria o efeito da distração visual externa e aumentaria as medidas de desempenho na tarefa principal. Os autores concluíram que esse tipo de apoio tem pouco efeito sobre pilotos profissionais treinados no desempenho de suas funções [41].
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16Nota editorial: Capítulo 3, página 16: Figura 5, modelo de processamento de informação de um operador; seleção de controladores e modelos de múltiplos recursos.
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UNCLASSIFIED/ j FOR OFFICl,CL tl.!l!! 8HL'&'
States:
Fatigue
II Intensity f
Decision Time <= Task load +Processing Rate Motive
sec) (bits) (bits•sec 1) Anxiety ...
etc.
increases
Decision Time + Time available ⇒ Time pressure
(sec) (sec)
ITime I
Figure 5. Information Processing Model for a Human Operator. 37
In modeling the controllers themselves, one can look to selection efforts and find which
candidate skills are the best predictors of training success. Pre-strike data (see footnote
h on page 9) of ATC training showed that strong candidates had skills in spatial
relations, abstract reasoning, and math as well as oral decision-mak ing.38
In designing a model, it is tempting to engage subject matter experts (SME) to
estimate the demand of vari ous resources within a multiple resource model of ATC.
Cohen studied SME predictions of workload within a model of 7 channels (visual
perception, auditory perception, spatial information processing, analytical information
processing, verbal information processing, manual activity and speech). The authors
concluded that using the 7-channel multiple resource model with the SME approach
doesn't work for predicting workload in the ATC task. 39
Hancock has written extensively on the multiple-resource model of cognitive task
performance under stress. He points out that functional brain imaging studies clearly
show resources are separated anatomically, providing evidence that the multiple
resource model should not be abandoned in future research. 40
One model that was proposed was that local visual distractions interfered with cockpit
ATC tasks. The model has attractiveness given the incredible complexity of cockpit
displays and the popular notion that in-vehicle distraction is the root of all evil for
automobile driving. Iona proposed that a tu nnel display for in-cockpit ATC informat ion
would reduce the effect of outside visual distraction and increase primary task
performance measures. The authors concluded that this type of augmentation has litt le
effect on trained professional pilots in performance of their duties. 41
UNCLASSIFIED/ /EOA OFFl&l.t.l:: Y!U! 8HLY
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TRECHO 15 · PÁGINA FÍSICA 22
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Num estudo de base essencial para introduzir formas de apoio à tarefa de ATC, Wickens modelou o ambiente de tarefa dupla de pilotos que evitam tráfego, usando alarmes para ajudar a detectar conflitos. A tarefa principal era manter a trajetória de voo da aeronave usando um monitor simulado de cabine, com uma mira dentro de uma caixa: a mira indicava a direção da aeronave e se deslocava para os lados da caixa se o piloto não a corrigisse com um joystick. A taxa de deriva era variável e podia aumentar ou diminuir a dificuldade da tarefa principal. O computador monitorava possíveis colisões e avisava os pilotos se outra aeronave estivesse a menos de 3 milhas.
Os pilotos foram instruídos a manter primeiro a trajetória de voo da própria aeronave e depois detectar conflitos. Ao soar o alarme, o piloto devia examinar um monitor de ATC e recomendar o desvio de rota da aeronave em conflito. Os pilotos foram informados de que o sistema de detecção automática podia classificar erroneamente algumas situações como conflitos; portanto, o piloto precisava realmente executar várias funções cognitivas de ATC para confirmar o conflito antes de recomendar uma ação. Os participantes do estudo eram 12 pilotos estudantes.
Os resultados desse experimento mostraram que, quando o apoio estava correto em mais de cerca de 80% das vezes, o desempenho diminuía por causa da menor vigilância na confirmação correta dos alarmes no monitor de ATC. Além disso, com alta precisão da taxa de alarmes, os pilotos não verificavam regularmente o monitor de ATC para garantir que o apoio não deixasse passar possíveis conflitos. Foram apresentados alarmes binários auditivos e visuais, e os alarmes auditivos foram mais eficazes e não interferiram na tarefa principal (acompanhamento visual). Os autores concluíram que uma taxa de falsos alarmes de 20 a 25% era ótima [n] quando se pretende que o piloto trabalhe ao lado da automação, e não que dependa dela [42].
O estudo de Wickens foi feito com o plano de passar o ATC a uma responsabilidade compartilhada entre controlador e piloto: o objetivo era aumentar a capacidade do espaço aéreo, retirando algumas das funções mais banais, como a correção de rumo em rota e a detecção de conflitos em rota, para o controle sobretudo da cabine. Essa situação seria análoga à de um piloto de espaçonave que opera manualmente seu veículo principal enquanto cuida de muitos veículos auxiliares semiautomatizados. Embora não seja exatamente igual, Landsdown estudou medidas de carga de trabalho TLX em motoristas que executavam várias tarefas dentro do veículo. Os autores concluíram aqui que as tarefas secundárias aumentaram significativamente a carga de trabalho percebida nesse arranjo de controle de tarefas [43].
[n] Esse ruído no sinal é análogo a ajustar o nível de silenciamento (squelch) de um rádio PX: com o ajuste alto demais, perde-se tráfego; com o ajuste baixo demais, tudo o que se ouve é ruído aleatório.
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17Nota editorial: Capítulo 3, página 17: experimento de Wickens sobre alarmes de conflito de tráfego e taxa de falsos alarmes; estudo de Landsdown sobre motoristas.
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UNCLASSIFIED/ /FOR OFFICIAL tt.!! 8HL>f
In an essential foundation study for introducing forms of augmentation to the ATC task,
Wickens modeled the dual task environment of pilot traffic avoidance using alarms to
augment detect ion of conflicts. The primary task was maintaining aircraft flightpath
using a simulated cockpit display of a crosshair inside a box: the crosshair indicated
aircraft direction and drifted toward the sides of the box if not corrected by the pilot
using a joystick control. The drift rate was variable and could increase or decrease the
difficulty of the primary task. The computer monitored for potential collisions and
warned pilots if another aircraft was within 3 miles.
Pilots were instructed to maintain their own aircraft flightpath first, and then detect
conflicts. Upon alarm, the pilot was to examine an ATC display and recommend re
routing of the conflicting aircraft. Pilots were informed that the automated detection
system may erroneously label some situations as conflicts; therefore the pilot needed to
actually perform several ATC cognitive task functions to confirm the conflict before
recommending action. Participants in the study were 12 student pilots.
The results of this experiment showed that when augmentation was correct more than
about 80% of the time, performance decreased due to decreased vigilance in
confirming alarms properly on the ATC display. Additionally, with a high accuracy in the
alarm rate, pilots did not regularly check the ATC display to ensure that the
augmentation didn't miss possible conflicts. Auditory and visual binary alarms were
presented and the auditory alarms were more effective and did not interfere with the
primary task (visual tracking). The authors concluded that a 20-25% false alarm rate
was optimal " when it is intended for the pilot to work alongside the automation rather
than rely on it.42
The Wickens study was undertaken with the plan of moving ATC to a shared
responsibility of the controller and pilot: the goal being to increase airspace capacity by
removing some of the more mundane functions like en-route course correction and en
route conflict detection to primarily cockpit control. This situation would be analogous to
a spacecraft pilot operating their primary vehicle manually while attending many semi
automated ancillary vehicles. Although not exactly the same,
Landsdown studied TLX workload measures on drivers performing multiple in-vehicle
tasks. The authors here concluded that secondary tasks significantly increased
perceived workload in this arrangement of task control. 43
n This noise in the signal is analogous to adjust ing the squelch level on a CB radio : too high a setting and you miss
traff ic; too low a sett ing and all you hear is random noise.
UNCLASSIFIED/ /FOR OFFICl\l W&E 8HL'I
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TRECHO 16 · PÁGINA FÍSICA 23
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Capítulo 4: Estudos sobre o comando de múltiplos veículos semiautomatizados
Outra analogia ao comando remoto de várias espaçonaves é pilotar ou supervisionar a operação de vários veículos terrestres e aéreos não tripulados (UGVs e UAVs). O principal uso desses cenários é em operações militares, que impõem critérios adicionais ao sistema de controle. Exemplos de vários UAVs e suas missões principais aparecem na Figura 6. O controle dos veículos pode ser no teatro de operações, a distâncias de jardas a dezenas de milhas, ou a partir de um centro de comando e controle de longo alcance, como o reconhecimento por Predator nos teatros do Iraque e do Afeganistão, executado a partir de bases dentro dos Estados Unidos continentais.
Além dos sistemas de controle de um único veículo, estão sendo desenvolvidos enxames de UAVs. Nesse cenário, um piloto remoto dá um comando ao enxame, que se comunica internamente para estabelecer, por exemplo, a localização de um alvo emissor de radiofrequência [44]. Num sistema de controle desse tipo, o número bruto de veículos sob o controle de um piloto pode aumentar drasticamente, mas o número de enxames passa a ocupar o lugar do número de veículos ao desenvolver os limites cognitivos do quadro geral. Sistemas assim também estão em desenvolvimento para a exploração espacial [45].
Em 2005, o Exército dos EUA operava dois UAVs táticos de vigilância: o Hunter e seu substituto mais novo, o Shadow. Cada UAV exige uma equipe de dois operadores. Dixon estudou a carga de trabalho dos operadores de Hunter e Shadow e, com a ajuda de SMEs, projetou uma simulação para determinar se sistemas de apoio poderiam aumentar o número de aeronaves controladas por piloto de meia para duas. Os pilotos eram responsáveis por cumprir a missão (reconhecimento de uma área-alvo de comando), localizar alvos de oportunidade (TOO) e monitorar os sistemas de bordo. Havia três níveis de controle da aeronave pelo piloto: básico, alerta automático e piloto automático. Nas duas primeiras condições, os operadores controlavam o voo da aeronave usando um joystick para indicar a direção; a altitude e a velocidade no ar eram mantidas constantes, enquanto um computador controlava os demais parâmetros de voo (arfagem, inclinação lateral, etc.). Ocasionalmente os pilotos precisavam compensar mudanças de vento. Na condição de piloto automático, os operadores inseriam as coordenadas finais do alvo de comando seguinte e a aeronave seguia em linha reta, compensando automaticamente as mudanças de vento.
Os pilotos voaram 10 trechos de voo em linha reta. No início de cada trecho, o alvo de comando era identificado e eram dadas instruções sobre o que localizar. Se o piloto esquecesse as instruções, podia apertar um botão de "repetir". No fim de cada trecho, eram executadas as tarefas de alta carga de trabalho de orbitar e de aproximar e mover a câmera de bordo para visualizar todo o alvo de comando. Ao longo de cada trecho entre alvos de comando, os pilotos eram instruídos a procurar TOOs. A conclusão da tarefa principal incluía localizar todas as informações relevantes sobre o alvo de comando. A conclusão da tarefa secundária incluía a identificação de TOOs e o monitoramento de uma falha de sistema de bordo. A condição de alerta automático detectava falhas de sistema e produzia um alerta sonoro quando o alvo de comando era alcançado.
Os resultados mostraram que o apoio de alerta automático diminuiu drasticamente o tempo para localizar falhas de sistema, além de diminuir significativamente o número de repetições de instruções solicitadas. Também o apoio de piloto automático diminuiu drasticamente tanto o desvio de trajetória quanto o número de repetições solicitadas, e aumentou drasticamente o número de detecções de TOO. Os resultados foram semelhantes nos cenários de uma e de duas aeronaves, embora algum desempenho, notadamente a detecção de TOO (de 92% para 79%), tenha
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18Nota editorial: Capítulo 4, página 18: o comando de múltiplos veículos não tripulados terrestres e aéreos como analogia; simulação de Dixon com UAVs Hunter e Shadow.
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UNCLASSIFIED/ /FOR OFFICl"L 891!! er~tY
Chapter 4: Studies in Command of Multiple Semi
Automated Vehicles
Another analogue to remotely commanding several spacecraft is piloting or supervising
operation of several unmanned ground or air vehicles (UGVs and UAVs). The primary
use of these scenarios is in military operations which imposed additional criteria on the
control system. Examples of several UAVs and their primary missions are shown in
Figure 6. Control of vehicles can be either in-theater, at a range of yards to 10's of
miles, or from a long-range command and control center, such as the Predator
reconnaissance in the Iraq or Afghan Theater executed from bases within the
continental United States.
In addition to single vehicle control systems, UAV swarms are being developed. In this
scenario a remote pilot executes a command to the swarm which communicates
amongst itself to establish, for example, an RF emitter target location. 44 In this type of
a control system the raw number of vehicles under one pilot's control can dramatically
increase, but the number of swarms then takes the place of the number of vehicles in
developing big picture cognitive limits. Such systems are also under development for
space exploration. 45
In 2005, the US Army was operating two tactical surveillance UAVs: the Hunter and its
newer replacement, the Shadow. Each UAV requires a team of two operators. Dixon
studied the workload of Hunter/Shadow operators and with the help of SMEs designed a
simulation to determine if augmentation systems could increase the number of aircraft
controlled per pilot from one-half to two. Pilots were responsible for mission completion
(reconnaissance of a command target area), locating targets of opportunity (TOO), and
on-board system monitoring. There were three levels of pilot aircraft control: baseline,
autoalert, and autopilot. In the first two conditions, operators controlled the flight of the
aircraft using a joystick to indicate direction; altitude and airspeed were help constant,
while a computer controlled the remaining flight parameters (pitch, bank, etc.).
Occasionally pilots needed to compensate for wind changes. In the autopilot condition,
operators entered the final coordinates of the next command target and the aircraft
proceeded in a straight line, compensating automatically for wind changes.
Pilots flew 10 straight flight legs. At the beginning of each leg, the command target was
identified and instructions on what to locate were given. If the pilot forgot the
instructions, they could hit a "repeat" button. At the end of each leg, high-workload
tasks of loitering and zoom/pan the onboard camera to visualize the entire command
target were executed. Along each leg between command targets, pilots were instructed
to search for TOOs. Primary task completion included locating all relevant information
about the command target. Secondary task completion included TOO identification and
monitoring for an on-board system failure. The autoalert condition detected system
failures and produced an audio alert when the command target was reached.
Results showed that the autoalert augmentation dramatically decreased the time to
locate system failures, as well as significantly decreasing the numbe r of requested
inst ructio n repeats. Also, the autopilot augmentation dramatically decreased both
flightpath deviation and the requested number of repeats, and also dramatically
increased the number of TOO detections. Results were similar for the single and dual
aircraft scenarios, though some performance, notably TOO detection (92% to 79%), did
UNCLASSIFIED/ /EOR OFFICiI.\k W&li 8Ptl¥
18Consultar a ficha do documento ↗ · Página física 23, contando a capa.
TRECHO 17 · PÁGINA FÍSICA 24
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diminuído entre os casos de controle de uma e de duas aeronaves. Os autores atribuem isso à complexidade da interface dos UAVs, de 4 telas por veículo. Os autores concluem que é necessário mais estudo sobre estratégias de apoio e desenvolvimento de sistemas [46].
[Figura com nove imagens.]
Figura 6. Exemplos de veículos militares não tripulados: (da esquerda para a direita, de cima para baixo) Predator, Global Hawk, Fire Scout, Bell Eagle, BAE Mantis, representação de uma ala aérea de UAVs mistos, míssil de cruzeiro Tomahawk, veículos terrestres remotos e o Raven.
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19Nota editorial: Capítulo 4, página 19: Figura 6, fotos e ilustrações de veículos militares não tripulados existentes.
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UNCLASSIFIED/ /FOR OFFICIAL 051!! 6flt t
decrease between single and dual control cases. The authors attribute this to the UAV
interface complex ity of 4 screens per vehicle . The authors conclude that further study is
required in augmentation strategies and system development. 46
Figure 6. Examples of Unmanned Military vehicles: (left to right, top to bottom) Predator, Global Hawk, Fire
Scout, Bell Eagle, BAE Mantis, rendering of an airwing of mixed UAVs, Tomahawk cruise missile, remote ground
vehicles, and the Raven .
UNCLASSIFIED//FOR O&filCl.t.k Wi& 8HLY
19Consultar a ficha do documento ↗ · Página física 24, contando a capa.
TRECHO 18 · PÁGINA FÍSICA 25
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NÃO CLASSIFICADO // [riscado: SOMENTE PARA USO OFICIAL]
Lee já havia mostrado que vários veículos terrestres automatizados podem ser conduzidos com sucesso por piloto automático num processo de duas etapas, quando há informação nominal prévia sobre o ambiente a ser vasculhado. O processo de duas etapas inclui a geração, fora de linha, de uma tabela de permissões de rota, em que a trajetória principal de cada veículo é planejada e carregada, e uma etapa de controle de tráfego em linha, em que pequenas mudanças no plano são executadas para evitar colisões e lidar com atividades contingentes [47].
Tentando aumentar os limites da razão entre UAVs e pilotos, Ruff examinou simulações com três técnicas de controle assistido: manual, gestão por consentimento e gestão por exceção. Os autores concluíram que o nível intermediário de automação teve o melhor desempenho, considerando que os algoritmos de apoio podem ter erros associados. Concluíram também que o número máximo absoluto de UAVs que uma pessoa poderia controlar é quatro.
Cummings aborda a questão da interface de UAVs num estudo sobre o redirecionamento de vários mísseis de cruzeiro em voo. Escolheram-se mísseis de cruzeiro porque exigem pilotagem ativa mínima. Construiu-se uma interface de duas telas, muito parecida com a configuração do ATC, com um mapa e uma lista dos objetos rastreados (no caso do sistema de ATC, a lista é física, e não uma segunda tela de computador; ver a Figura 3b). Cummings contorna a questão de uma métrica de carga cognitiva baseada na complexidade e no número de objetos rastreados, supondo que um operador só consegue executar mudanças em um veículo por vez, e depois contando a razão entre o tempo ocupado fazendo mudanças e o tempo total do cenário. Essa medida se chama utilização, e trabalhos anteriores de engenharia de sistemas [48] e de teoria das filas mostraram que taxas de utilização em torno de 70% esgotam a capacidade do operador humano típico de manter um quadro geral. Notamos que esse cenário envolve interação mínima entre os mísseis, como conflitos de trajetória. O estudo dos mísseis é comparado à tarefa de ATC de voo livre, em que a rota e a resolução de conflitos são de responsabilidade dos pilotos, e não dos operadores de ATC.
Cummings desenvolve várias medidas de desempenho que são dignas de nota, mas, para o presente tratado, uma analogia é mais sucinta: a medida de utilização no rastreamento e redirecionamento de múltiplos objetos é semelhante a um grande mestre que joga muitas partidas de xadrez simultaneamente. Ele anda de tabuleiro em tabuleiro, pensa um pouco, faz um lance e passa ao tabuleiro seguinte. Muitos jogadores de alto nível podem olhar a posição do tabuleiro e avaliar qual é o próximo lance sem conhecer os lances anteriores da partida. A questão em pauta é: quantas partidas simultâneas o grande mestre pode jogar antes de ser forçado a voltar à análise fria da posição a cada nova apresentação de uma partida? A conclusão é 16, e ela concorda com trabalhos anteriores sobre ATC de voo livre [49]. Cummings também discorda do limite de quatro UAVs de Ruff, observando que aquele experimento anterior incluía uma tarefa de pilotagem muito mais exigente.
Trabalho mais recente de Cummings acrescentou heterogeneidade das aeronaves ao experimento [50]. Ela concluiu de novo que 70% de utilização é o ideal, mas observa que o conceito de teoria das filas de tempos de espera afetará significativamente o número máximo de veículos que podem ser atendidos. Numa situação de controle de múltiplos veículos, um veículo que apresentou alguma queda de desempenho tem um tempo de interação com o operador para voltar a um desempenho aceitável. Depois ele segue sua rotina automatizada por um período, chamado tempo de negligência, até cair de novo abaixo do limiar de desempenho e exigir a atenção do piloto: o tempo entre a necessidade de atenção e o início da interação seguinte é o tempo de espera. A inclusão dos tempos de espera gerados por mais complexos
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20Nota editorial: Capítulo 4, página 20: estudos de Lee, Ruff e Cummings sobre controle de vários veículos e a medida de utilização.
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UNCLASSIFIED/ j FOR OFFICIJ!tt ttSI!! 8HLY
Lee has previously shown that multiple automated ground vehicles can be autopiloted
successfully in a two-stage process when nominal information is available beforehand
about the environment to be searched. The two-stage process includes an offline,
perm ission routing table generation where the primary path of each vehicle in planned
and downloaded, and an online traffic control stage where small changes to the plan
are executed to avoid collisions and deal with contingent activity. 47
Attempting to increase the limits of UAV to pilot ratio, Ruff examined simulations using
three augmented control techniques: manual, management by consent, and
management by exception. The authors concluded that the middle level of automation
performed best when considering that augmentation algorithms may have associated
errors . They also concluded that the absolute maximum number of UAVs a person could
control is four.
Cummings addresses the UAV interface issue in a study on retargeting multiple in-flight
cruise missiles. Cruise missiles were chosen because they require min imal active
piloting. A dual screen interface was constructed very similar to the ATC setup on one
map and one list of objects being tracked (in the case of the ATC system, the list is
physical rather than a second computer display - see Figure 3b). Cummings side-steps
the issue of a cognitive workload metric based on complexity and number of tracked
objects by assuming that an operator can execute changes to only one vehicle at a time,
and then counting the ratio of time busy making changes to total time in a scenario.
This measure is called utilization and previous work in systems engineering 48 and
queuing theory has shown that util ization rates around 70% max out the typical human
operator's ability to hold a big picture. We note that this scenario involves minimal
interaction between the missiles, such as flight path conflicts. The missile study is
compared to free flight ATC task, where en route and conflict resolution is the
responsibility of pilots rather than ATC operators.
Cummings develops several performance measures that are worthy, but for the current
treatise an analogue is more succinct: the uti lization measure in multiple-object
tracking and retargeting is similar to a grandmaster playing many games of chess
simultaneously . They walk from board to board, think for a bit, make a move, and then
move to the next board. Many high-level chess players can look at board posit ion and
evaluate what the next move is without knowledge of previous moves in the game. The
question at hand is, how many simultaneous games can the grandmaster play before
he is forced to revert to cold position analys is with every new presentat ion of a game?
The conclusion is 16, and it agrees with previous work on free flight ATC. 49 Cummings
additionally takes issue with the Ruff lim it of four UAVs, not ing that this previous
experiment included a far more demanding piloting task.
More recent work by Cummings added aircraft heterogeneity to the experiment. 50 She
concluded again that 70% uti lization is optima l, but notes that the queu ing theory
concept of wait times will significantly affect the max imu m number of vehicles that can
be attended. In a multiple-vehicle control situation, a vehicle that has exhibited some
decrement in performance has an interaction time with the operator to bring it back to
acceptable performance. It will then follow its automated rout ine for a period, called the
neglect time, unt il it falls again below performance threshold and requires the pilot's
attention: the time between the need for attention and the beginn ing of the next
interaction time is the wait time. Including wait times generated by more complex
UNCLASSIFIED/ /FOR 0551Cl.t.k YSI!! fJNC I
20Consultar a ficha do documento ↗ · Página física 25, contando a capa.
TRECHO 19 · PÁGINA FÍSICA 26
página inteira
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interfaces mais complexas reduz para sete o número máximo de aeronaves controláveis [51]. Um último estudo examina um modelo abstrato de replanejamento contínuo em diferentes intervalos de tempo. Esse estudo observa que os sujeitos reagiram de modos diferentes, mas em três grupos, a sugestões automatizadas de replanejamento. Os autores concluem que o consenso entre humano e automação é o principal determinante do desempenho do sistema [52]. Em outras palavras, a interação entre o humano e a tarefa deve ser levada em conta, como sugerido acima por Averty, Loft e outros já descritos.
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21Nota editorial: Capítulo 4, página 21: fim da revisão sobre controle de vários veículos; interfaces complexas e consenso entre humano e automação.
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interfaces reduces the maximum number of aircraft controllable to seven. 51 A final
study looks at an abstract model of continuous re-planning in different time intervals.
This study observes that subjects reacted differently, but in three groups, to automated
suggestions for re-planning. The authors conclude that human-automation consensus
is the primary driver of system performance. 52 In other words, the human-task
interaction must be taken into account, as suggested above by Averty, Loft, and others
outlined above.
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21Consultar a ficha do documento ↗ · Página física 26, contando a capa.
TRECHO 20 · PÁGINA FÍSICA 27
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Capítulo 5: Discussão
Temos uma ideia do número máximo de objetos rastreados num experimento de pilotagem de múltiplos veículos espaciais: ele depende muito da complexidade das tarefas de pilotagem e de missão. Brookings mostrou que, na tarefa de ATC, uma complexidade leve afetou o desempenho mesmo com apenas seis aviões rastreados por controladores profissionais, embora esses controladores rastreiem regularmente até dez. Ruff mostrou que, quando há incerteza no sistema de apoio, é possível controlar e designar missões a no máximo quatro naves. O número quatro é coerente com as estimativas padrão de que a memória de trabalho humana consegue lidar com três a cinco objetos díspares por vez. Isso implica que interfaces díspares e complexas exigem recursos da memória de trabalho para evitar a perda do quadro geral.
O apoio às capacidades humanas parece ajudar principalmente a manter um número maior de registros de memória de trabalho. Sejam os blocos escritos à mão dos ATC, as instruções armazenadas do estudo de Dixon ou os monitores duplos de Cummings, os apoios mais eficazes nos estudos acima guardam informação para recuperação visual rápida que o cérebro, de outro modo, manteria na memória de trabalho.
Qualquer sistema de automação externo que ajude o operador a tomar decisões terá uma taxa de erro associada. Mostrou-se também, nas tarefas de ATC e de pilotagem, que os alertas precisam conter um nível de ruído (falsos alarmes) de 20 a 25% para evitar o viés de automação.
Quanto ao rumo futuro desse trabalho, é certo que o campo está apenas começando. As espaçonaves Apollo exigiam dezenas de operadores em terra para monitorar falhas de sistema e, há poucos anos, eram necessários dois soldados para operar um simples drone de reconhecimento (a maioria ainda exige). É uma sorte que o ATC e o controle de UAVs pareçam extremamente aplicáveis à direção inicial da operação remota de veículos espaciais. No prazo de 5 anos devem começar a aparecer, nos principais periódicos revisados por pares, estudos de simulador específicos para espaçonaves.
O grande avanço por vir no desenvolvimento da capacidade humana ampliada para pilotar múltiplas espaçonaves estará na compreensão da organização cognitiva da multitarefa. Com imagens do cérebro, mostrou-se que a teoria de múltiplos recursos parece seguir a organização anatômica do cérebro. Nos próximos 40 anos descobriremos por que os estudos funcionais de conclusão de múltiplas tarefas não parecem seguir as previsões da teoria de múltiplos recursos.
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22Nota editorial: Capítulo 5, página 22: discussão dos resultados, papel da memória de trabalho, falsos alarmes e perspectivas de pesquisa.
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Chapter 5: Discussion
We have insight into the maximum number of tracked objects in a multiple space
vehicle piloting experiment: it depends greatly on the complexity of the piloting and
mission tasks. Brookings showed that in the ATC task, mild complexity affected
performance even for a little as six planes being tracked by professional controllers,
whereas these controllers regularly track up to ten. Ruff showed that when there is
uncertainty in the augmentation system, a maximum of four craft can be controlled and
tasked to complete missions . The number of four is consistent with standard estimates
of human working memory being able to handle three to five disparate objects at a
time. This implies that disparate, complex interfaces require resources from working
memory to prevent loss of the big picture.
Augmentation of the human capabilities mainly appears to be helping to maintain a
higher number of working memory registers. Whether it is the handwritten blocks for
the ATCs, the stored instructions for the Dixon study, or the dual displays of Cummings,
the most effective augmentations in the studies above hold information for quick visual
retrieval that the brain would otherwise keep in working memory.
Any external automation system to assist the operator in making decisions will have an
associated error rate. It was also shown in the ATC and piloting tasks that alerts need
to contain a level of noise (false alarms) of 20-25% to avoid automat ion bias.
Regarding where the future of th is work is headed, it is certain that the field is just
getting started. Apollo spacecraft required dozens of ground operators to monitor for
system failures, and just a few years ago it required two soldiers to operate a simple
reconnaissance drone (most of them sti ll do). It is fortunate that ATC and UAV control
appear to be extremely applicable to the init ial direction of remote space vehicle
operations. The 5-year timeframe should see spacecraft-specific simulator studies begin
to appear in major peer-reviewed journals.
The major advance to come in developing augmented human capability to pilot multiple
spacecraft will be in understanding the cognitive organization of multitasking. With
brain imaging it has been shown that multiple resource theory seems to follow the
anatomical organization of the brain. In the next 40 years we will find out why the
functional studies in multiple task completion don't seem to follow the predictions of
multiple resource theory.
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TRECHO 21 · PÁGINA FÍSICA 28
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Capítulo 6: Conclusões
Faltam pesquisas sobre os limites cognitivos do número de espaçonaves que um piloto poderia controlar em qualquer cenário de missão. Dois modelos para examinar atividades semelhantes são o controle de tráfego aéreo e a pilotagem remota de múltiplos veículos não tripulados. Mostramos o progresso das pesquisas nas duas áreas, e os limites cognitivos do número de naves que podem ser controladas simultaneamente são 16 para a simples escolha de destino, 7 para pilotagem e/ou execução de missão de complexidade moderada e 4 para naves heterogêneas complexas. Pesquisas futuras podem aumentar o componente de automação do controle de aeronaves e de missões, mas não há evidência até hoje de que um quadro mental completo possa ser mantido, mesmo com ampliação externa da memória de trabalho, para mais de cerca de 16 objetos ao mesmo tempo.
Mostramos também que variáveis fisiológicas podem ser empregadas de forma objetiva para indicar sobrecarga. Obteve-se um sucesso modesto em classificar estados fisiológicos próximos de alta carga de trabalho e, assim, em poder prever e, portanto, possivelmente prevenir a sobrecarga. Esperamos que essa classificação seja alcançada com precisão quase perfeita dentro de cinco anos após o início de estudos específicos.
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23Nota editorial: Capítulo 6, página 23: conclusões do estudo, com os limites de 16, 7 e 4 naves e a previsão para medidas fisiológicas.
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UNCLASSIFIED/ j FOR OFFICIAL tt.!I!! 8HLY
Chapter 6: Conclusions
There is a lack of research in the area of cognitive limits on the number of spacecraft
one pilot could control given any mission scenario. Two models for examining what are
similar activities are air traffic control and remote piloting of multiple unmanned
vehicles. We have shown the research progress in both areas, and the cognitive limits
on the number of craft that can be simultaneously controlled are 16 for simple
destination selection, 7 for moderately complex piloting and/or mission task completion,
and 4 for complex heterogeneous craft. Future research may increase the automation
component of aircraft and mission control, but there is no evidence to date that a
complete mental picture can be maintained, even with external working memory
augmentation, for more than about 16 objects at one time.
We have additionally shown that physiological variables can be objectively employed to
indicate overload. Nominal success has been achieved in classifying physiological states
near high workload and thus able to predict and thus possibly prevent overload. We
expect this classification will be achieved with near perfect accuracy within five years of
specific studies being commenced.
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TRECHO 22 · PÁGINA FÍSICA 29
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24Nota editorial: Referências 1 a 17, página 24: bibliografia sobre medidas de carga mental e fisiologia.
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UNCLASSIFIED/ /POR. err1e11tt U.!E! 614[ I
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UNCLASSIFIED/ /POK 6PPICIAL U.!E: OHL¥
24Consultar a ficha do documento ↗ · Página física 29, contando a capa.
TRECHO 23 · PÁGINA FÍSICA 3
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Limites cognitivos no controle simultâneo de múltiplas espaçonaves não tripuladas
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Cognitive Lim its on Simultaneous Control of Mult iple
Unmanned Spacecraft
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TRECHO 24 · PÁGINA FÍSICA 30
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NÃO CLASSIFICADO // [riscado: SOMENTE PARA USO OFICIAL]
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Conferir original em inglês
UNCLASSIFIED/ /FOR 0551CIAk W81!! er•t I
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26Nota editorial: Referências 36 a 52, página 26: fim da bibliografia.
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UNCLASSIFIED/ /FOR OPPICIJ!tt tJ!H! 8HLY
36 Loft, S., Sanderson, P., Neal, A. & Mooij, M. Modeling and predicting mental
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47 Lee, J. H., Lee, B. H. & Choi, M. H. A real-time traffic control scheme of multiple
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50 Kornguth, S. E., Steinberg, R. & Matthews, M. D. Neurocognitive and
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51 Cummings, M. L. & Mitchell, P. J. Predicting controller capacity in supervisory
control of multiple UAVs. Ieee Transactions on Systems Man and Cybernetics
Part a-Systems and Humans 38, 451-460, doi: 10.1109/tsmca.2007.914757
(2008) .
52 Cummings, M. L., Clare, A. & Hart, C. The Role of Human-Automation Consensus
in Multiple Unmanned Vehicle Scheduling. Human Factors 52, 17-27,
doi: 10.1177/0018720810368674 (2010).
UNCLASSIFIED/ /FOR OliFICil.t.k WSIE 8HLY
26Consultar a ficha do documento ↗ · Página física 31, contando a capa.
TRECHO 26 · PÁGINA FÍSICA 4
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Sumário
Resumo ... iv
Capítulo 1: Introdução ... 1
Capítulo 2: Medição da carga mental de trabalho ... 3
Medidas subjetivas ... 3
Medidas de desempenho ... 4
Medidas fisiológicas ... 4
Função cardíaca ... 5
Medidas do sistema nervoso central ... 6
Medidas oculares ... 6
Medidas da pele ... 7
Níveis séricos de hormônios ... 7
Capítulo 3: Estudos sobre carga cognitiva de trabalho de controladores de tráfego aéreo ... 8
Modelagem da tarefa de controle de tráfego aéreo ... 15
Capítulo 4: Estudos sobre o comando de múltiplos veículos semiautomatizados ... 18
Capítulo 5: Discussão ... 22
Capítulo 6: Conclusões ... 23
Referências ... 24
Figuras
Figura 1. Representação unidimensional das mudanças de desempenho conforme a carga de trabalho varia ... 2
Figura 2. Sinal típico de eletrocardiograma de um batimento cardíaco normal ... 5
Figura 3. Controle de tráfego aéreo ... 10
Figura 4. Representação dos resultados de desempenho do estudo de Brookings ... 13
Figura 5. Modelo de processamento de informação de um operador humano ... 16
Figura 6. Exemplos de veículos militares não tripulados ... 19
Tabelas
Tabela 1. Variáveis usadas para determinar a complexidade do tráfego ... 11
Tabela 2. Correlações entre variáveis fisiológicas ... 14
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iiiNota editorial: Sumário do estudo, com a lista de figuras e tabelas.
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UNCLASSIFIED//FOR OFFl@IAL Y!H! 8HL'I
Contents
Summary ................................................................................................................ iv
Chapter 1: Introduction ......................................................................................... 1
Chapter 2: Measurement of Mental Workload ........................................................ 3
Subjective Measurements .................................................................................. 3
Performance Measures ....................................................................................... 4
Physiological Measures ...................................................................................... 4
Cardiac Function ............................................................................................ 5
CNS Measurements ........................................................................................ 6
Ocular Measurements ..................................................................................... 6
Skin Measurements ........................................................................................ 7
Serum Levels of Hormones ............................................................................. 7
Chapter 3: Studies in Cognitive Workload for Air Traffic Controllers ..................... 8
Modeling the Air Traffic Control Task ............................................................... 15
Chapter 4: Studies in Command of Multiple Semi-Automated Vehicles ................ 18
Chapter 5: Discussion .......................................................................................... 22
Chapter 6: Conclusions ........................................................................................ 23
References ........................................................................................................... 24
Figures
Figure 1. One-dimensional Representation of Changes in Performance as Workload
Varies ........................................................................... .......................................... 2
Figure 2. Typical EKG Signal for a Normal Heartbeat .............................................. 5
Figure 3. Air Traffic Control .................................................................................. 10
Figure 4. Representation of Performance Results from Brookings Study .............. 13
Figure 5. Information Processing Model for a Human Operator ............................ 16
Figure 6. Examples of Unmanned Military Vehicles .............................................. 19
Tables
Table 1. Variables used in Determining Complexity of the Traffic .................. 11
Table 2. Correlations among Physiological Variables ..................................... 14
UNCLASSIFIED/ j FOR OPPICI.AL YSlii &PU,¥
iiiConsultar a ficha do documento ↗ · Página física 4, contando a capa.
TRECHO 27 · PÁGINA FÍSICA 5
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Limites cognitivos no controle simultâneo de múltiplas espaçonaves não tripuladas
Resumo
A exploração espacial daqui a 40 anos pode incluir missões tripuladas a partes do sistema solar exterior. Um cenário possível pode envolver o envio de uma pequena frota de naves com missões principais diferentes. Por exemplo: uma nave de retaguarda com eletroímãs de propulsão nuclear, projetada para proteger da radiação solar a parte tripulada da frota; naves de halo com radares potentes para vigiar objetos que se aproximam; naves de exploração e de mineração, etc. A frota poderia viajar regularmente fora do alcance visual, sem auxílio de instrumentos, entre uma nave e outra, reunindo-se quando necessário para manutenção, troca de materiais como combustível ou outras necessidades. Pilotar essas múltiplas naves poderia ser feito de modo econômico se fosse necessário apenas um piloto remoto de plantão por vez.
A limitação cognitiva de um astronauta humano e sua capacidade de executar a tarefa de pilotagem de vários veículos é o foco deste trabalho, pois pouco se fez nessa área específica. Existe, porém, um grande conjunto de pesquisas cognitivas sobre os limites da supervisão e do rastreamento de objetos na tarefa de controle de tráfego aéreo (ATC). Além disso, há um conjunto emergente de pesquisas sobre a pilotagem de múltiplos veículos não tripulados em missões heterogêneas. Essas são as duas áreas revistas em detalhe, por sua relação com possíveis missões espaciais.
Os pilotos desenvolvem uma representação mental interna da identidade, da posição, da missão e da direção atual dos objetos relevantes. Isso é chamado, coloquialmente, de "o quadro geral". A principal pergunta de pesquisa que buscamos responder é se existe um limite cognitivo para o número de objetos que podem ser monitorados e rastreados dentro do quadro geral. Secundariamente, buscamos saber se esse número máximo é limitado pela complexidade da interação; como esses fatores limitantes são descritos; se existe uma medida objetiva, em tempo real, que indique quando um piloto está se aproximando de sua capacidade máxima; e se essa capacidade foi excedida. O número máximo de objetos rastreados depende muito da complexidade das tarefas de pilotagem e de missão em questão.
Faltam pesquisas sobre os limites cognitivos do número de espaçonaves que um piloto poderia controlar em qualquer cenário de missão. Atualmente, dois modelos são usados para examinar atividades semelhantes no controle de tráfego aéreo e na pilotagem remota de múltiplos veículos não tripulados. Nas duas áreas, mostrou-se que o limite cognitivo do número de naves controláveis simultaneamente é 16 para a simples escolha de destino, 7 para pilotagem e/ou execução de missão de complexidade moderada e 4 para naves heterogêneas complexas. Embora pesquisas futuras possam ajudar a aumentar o componente de automação do controle de aeronaves e de missões, não existe hoje evidência de que um quadro mental completo possa ser mantido para mais de cerca de 16 objetos ao mesmo tempo, mesmo com ampliação externa da memória de trabalho. No entanto, também se demonstrou que variáveis fisiológicas podem ser empregadas de forma objetiva para indicar sobrecarga. Obteve-se um sucesso modesto em classificar estados fisiológicos próximos de alta carga de trabalho, o que permite tanto prever quanto, possivelmente, prevenir a sobrecarga.
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ivNota editorial: Resumo do estudo: o cenário de frota espacial do futuro, a pergunta central e os limites numéricos encontrados na literatura.
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UNCLASSIFIED/ /FOR OFFl@IAL Y!H! 8HL'I
Cognitive Limits on Simultaneous Control of Multiple
Unmanned Spacecraft
Summary
Space exploration 40 years into the future may include manned missions to parts of the
outer solar system. A possible scenario may include sending a small fleet of craft with
different primary missions. For example, a trailing spacecraft of nuclear powered
electromagnets designed to shield the manned part of the fleet from solar radiation;
halo spacecraft with powerful radars to scout for incoming objects; exploration and
mining craft, etc. The fleet could regularly travel out of unaided visual range of each
other, joining up when necessary for maintenance, exchange of materials such as fuel,
or other necessities. Piloting these multiple craft could be economically accomplished if
only one remote pilot on station at a time was necessary.
The cognitive limitation of a human astronaut and his ability to perform the multiple
vehicle piloting task is the focus of this paper as little work has been done in this
specific area. However, a large body of cognitive research on the limitations of object
supervision and tracking for the task of air traffic control (ATC) exists. Additionally,
there is an emerging body of research concerned with multiple unmanned vehicle
piloting for heterogeneous missions. These are the two areas reviewed in detail as they
relate to possible spacecraft missions.
Pilots develop an internal mental representation of the identity, position, mission, and
current direction of relevant objects. This is referred to colloquially as "the big picture."
The primary research question we seek to answer is whether there is a cognitive limit
to the number of objects that can be monitored and tracked within the big picture.
Secondarily, we seek to find whether this maximum number is limited by the
complexity of interaction; how those limiting factors are described, whether there is a
real-time objective measure that indicates when a pilot is approaching his maximum
capacity, and whether that capacity has been exceeded. The maximum number of
tracked objects is highly dependent on the complexity of the piloting and mission tasks
at hand.
Research is lacking in the area of cognitive limits on the number of spacecraft one pilot
could control given any mission scenario. Currently, two models are being used to
examine similar activities in air traffic control and remote piloting of multiple unmanned
vehicles. In both areas it has been shown the cognitive limits on the number of craft
capable of simultaneous control is 16 for simple destination selection, 7 for moderately
complex piloting and/or mission task completion, and 4 for complex heterogeneous
craft. While additional future research may help to increase the automation component
of aircraft and mission control, no current evidence exists to show that a complete
mental picture can be maintained for more than about 16 objects at one time, even
with external working memory augmentation. However, it has also been demonstrated
that physiological variables can be objectively employed to indicate overload. Nominal
success has been achieved in classifying physiological states near high workload thus
enabling both prediction and possibly prevention of overload.
UNCLASSIFIED/ ;<FOA: OFFICiI.\k W&li 8Ptl¥
ivConsultar a ficha do documento ↗ · Página física 5, contando a capa.
TRECHO 28 · PÁGINA FÍSICA 6
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Capítulo 1: Introdução
Devido à complexidade, à duração e aos numerosos requisitos de apoio de futuras missões tripuladas ao espaço profundo, envolvendo exploração, aproveitamento de minerais e possível colonização, um cenário provável será a inclusão de frotas não tripuladas de naves de apoio. Somado a outros requisitos, é necessário um programa intensivo de pesquisa para investigar os limites cognitivos de pilotos e outros operadores responsáveis pelo controle simultâneo de múltiplas espaçonaves não tripuladas que compõem a frota de apoio; propõe-se uma abordagem de "frota" para otimizar a segurança e o alcance exploratório. Esse esforço de pesquisa também visaria maximizar a eficiência funcional da missão e reduzir os custos de operação de frotas de veículos não tripulados.
Nesse cenário, muitas das naves auxiliares são automatizadas tanto na navegação quanto na missão. Muitas delas não exigirão pilotagem em tempo integral, mas, como poderiam estar a centenas de milhas umas das outras em qualquer instante, precisam de monitoramento para evitar que uma falha de sistema ou uma colisão não vistas as façam simplesmente desaparecer um dia durante a missão, como uma sonda marciana. Cumprir essa tarefa de monitoramento e a tarefa ocasional de pilotagem de várias naves da frota poderia ser feito de modo econômico se fosse necessário apenas um piloto remoto de plantão por vez.
Vamos nos concentrar aqui na limitação cognitiva de um astronauta humano para executar a tarefa de pilotagem de vários veículos. Não surpreende que haja pouco trabalho nessa área específica; na verdade, não houve nenhum artigo revisado por pares nos principais periódicos sobre pilotagem remota de múltiplas espaçonaves (publicado nos últimos 30 anos). Há, porém, um grande conjunto de pesquisas cognitivas sobre os limites da supervisão e do rastreamento de objetos na tarefa de controle de tráfego aéreo (ATC). Há também um conjunto emergente de pesquisas sobre a pilotagem de múltiplos veículos não tripulados em missões heterogêneas. Essas são as duas áreas revistas em detalhe, por sua relação com possíveis missões espaciais.
Quando um piloto ou operador de ATC controla várias aeronaves, ele desenvolveu uma representação mental interna da identidade, da posição, da missão e da direção atual de cada objeto rastreado. Isso é chamado, coloquialmente, de "o quadro geral". Essa representação mental também é chamada de consciência situacional. O objetivo é manter organizadas todas as informações sobre todos os objetos enquanto eles estiverem no alcance.
A principal pergunta de pesquisa que buscamos responder é se existe um limite cognitivo para o número de objetos em movimento que podem ser mantidos no quadro geral. As perguntas secundárias são se esse número máximo é limitado pela complexidade; como essas limitações poderiam ser descritas; se existe uma medida objetiva, em tempo real, que indique quando um piloto está se aproximando de sua capacidade máxima; e se essa capacidade foi sobrecarregada.
Neste tratado consideraremos apenas humanos tradicionais como pilotos. Astrobôs aprimorados por ciborgues são assunto para outro tomo.
Ao discutir limitações cognitivas, é útil apresentar os conceitos de demanda da tarefa, carga mental de trabalho e um modelo simplificado da teoria de múltiplos recursos. Para uma dada tarefa, o nível bruto de atividade neural exigido representa as demandas mentais da tarefa. É claro que uma tarefa complexa pode exigir recursos variados, como processamento visual e
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1Nota editorial: Capítulo 1, página 1: o cenário de frota não tripulada no espaço profundo e as perguntas de pesquisa.
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UNCLASSIFIED/ /FOR QFFI&iIAk WS& 8,.klf
Chapter 1: Introduction
Due to the complexity, duration and numerous support requirements of future manned
deep-space missions involving exploration, mineral exploitation, and possible
colonization, a likely scenario will be the inclusion of unmanned fleets of support craft.
Coupled with other requirements, an intensive research program is needed to
investigate the cognitive limits on pilots and other operators responsible for the
simultaneous control of multiple unmanned spacecraft making up the support fleet; a
"fleet' approach is proposed in an effort to optimize safety and exploratory reach. This
research effort would also aim at maximizing the functional efficiency of the mission
and reducing the operation costs of unmanned vehicle fleets.
In this scenario there is much about the ancillary craft that are automated in both
navigation and mission. Many of them will not require full-time piloting but given that
they could be hundreds of miles from each other at any instant of time, they need
monitoring to prevent unseen system failure or collision from letting them just
disappear one day during the mission like a Martian probe. Accomplishing this
monitoring task and the occasional piloting task for multiple craft in the fleet could be
economically accomplished if only one remote pilot on station at a time was necessary.
We will focus here on the cognitive limitation of a human astronaut to perform the
multiple-vehicle piloting task. It is not a surprise that there is little work in this specific
area - in fact there were zero peer-reviewed articles in the major journals concerning
remote piloting of multiple spacecraft (published in the last 30 years). There is
however, a large body of cognitive research on the limitations of object supervision and
tracking for the task of air traffic control (ATC). There is additionally an emerging body
of research concerned with multiple unmanned vehicle piloting for heterogeneous
missions. These are the two areas reviewed in detail as they relate to possible
spacecraft missions.
When a pilot or ATC operator is in control of several craft they have developed an
internal mental representation of the identity, position, mission, and current direction of
each object tracked. This is referred to colloquially as "the big picture." This mental
representation is also called situational awareness. Keeping all of the information about
all of the objects straight as long as they are in scope is the goal.
The primary research question we seek to answer is whether there is a cognitive limit
to the number of moving objects that can be maintained in the big picture. Secondary
questions are whether this maximum number is limited by complexity, how those
lim itat ions might be described, whether there is a real-time objective measure that will
indicate when a pilot is approaching their maximum capacity, and whether that capacity
has been overloaded.
For the current treatise we will consider only traditional humans as pilots. Cyborg
enhanced astrobots are a topic for another tome.
In discussing cognitive limitations, it is useful to introduce the concepts of task demand,
mental workload, and a simplistic model of multiple resource theory. For a given task,
the gross level of neural activity required is a representation of the mental demands of
the task. Of course, a complex task can demand varied resources such as visual and
UNCLASSIFIED// FOR OFFICIJl!tt tl!H!! 8,.klf
1Consultar a ficha do documento ↗ · Página física 6, contando a capa.
TRECHO 29 · PÁGINA FÍSICA 7
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processamento de áudio, e é aí que entra a teoria de múltiplos recursos: diferentes recursos podem ser considerados independentes se as demandas sobre um deles não afetam a disponibilidade de capacidade do outro. O desempenho de uma tarefa pode ser alto ou baixo: em geral, se há capacidade disponível de sobra, o desempenho é alto, e se a capacidade é limitada ou excedida, o desempenho é baixo. Além disso, a demanda da tarefa impõe uma relação teórica fixa entre carga mental de trabalho e desempenho na tarefa: ela é mostrada na Figura 1.
Relação entre carga de trabalho e desempenho na tarefa
Alto
Desempenho
Carga de trabalho
Baixo
D A1 A2 A3 B C
Demanda da tarefa
Figura 1. Representação unidimensional das mudanças de desempenho conforme a carga de trabalho varia. A demanda da tarefa aumenta para a direita. Nas três regiões A, o desempenho permanece inalterado: A2 é a ótima, em que um operador treinado faz esforço mínimo para manter um nível de desempenho definido. Em momentos de baixa demanda, o operador faz esforço para manter a vigilância (A1), até que a demanda fica tão baixa que a pessoa se desengaja da tarefa (D). A curva de carga de trabalho não é bem definida em níveis muito baixos de demanda (linhas pontilhadas). No outro extremo, à medida que a demanda aumenta, a pessoa pode fazer esforço para acompanhá-la (A3). Esforço adicional mantém o desempenho até que comece a degradação (B) e, na condição de sobrecarga, região C, o desempenho é degradado além de níveis aceitáveis. Embora o esforço seja mantido na sobrecarga, existe algum nível baixo de desempenho.
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2Nota editorial: Capítulo 1, página 2: teoria de múltiplos recursos e gráfico teórico da relação entre demanda, carga de trabalho e desempenho.
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UNCLASSIFIED/ /FOR OSSICIAl WSE 8HLY
audio processing, and this is where multiple resource theory enters: different resources
can be considered independent if demands on one resource do not tax the availability of
capacity of the other. Performance of a task can be high or low: in general if spare
capacity is available, performance is high, and if capacity is limited or exceeded,
performance is low. Moreover, task demand enforces a fixed theoretical relationship
between mental workload and task performance: this is shown in Figure l.
Relationship between Workload and Task Performance
High
Performance
Workload
Low
D Al A2 A3 B C
Task Demand
Figure 1. One-dimensional Representation of Changes in Performance
as Workload Varies. Task demand increases to the right. In the three A
regions, performance remains unchanged : A2 is optimal, where a trained
operator exerts minimal effort to maintain a set level of performance. At times
of low demand the operator exerts effort to maintain vigilance (Al) until
demand is so low, the subject disengages from the task (D). The workload curve
is not well defined at very low levels of demand (dotted lines). At the other end,
as demand increases, the subject can exert effort to keep up with demand (A3) .
Additional effort mainta ins performance unt il degradation begins (B), and in the
overload condition, region C, performance is degraded beyond acceptable levels.
While effort is maintained in overload, some low level of performance exists .
UNCLASSIFIED/ /FOR OFFI@IAI: WSE OHl:l/
2Consultar a ficha do documento ↗ · Página física 7, contando a capa.
TRECHO 30 · PÁGINA FÍSICA 8
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Capítulo 2: Medição da carga mental de trabalho
Há três abordagens para medir a carga mental de trabalho de uma pessoa que executa uma tarefa principal. A primeira é a avaliação subjetiva, seja por questionários de autorrelato aplicados depois, concentrados em quão "ocupada" a pessoa se sentiu, seja pela observação experimental da atividade. A segunda são as medidas de desempenho, uma avaliação objetiva de quão bem a pessoa cumpre a tarefa principal, uma tarefa secundária ou uma tarefa de referência inserida experimentalmente. A abordagem final é registrar medidas fisiológicas em tempo real, partindo da suposição de que o aumento da carga de trabalho aumenta a ansiedade e que isso se manifestará em mudanças no sistema nervoso autônomo (SNA).
MEDIDAS SUBJETIVAS
As medidas de autorrelato são atraentes porque chegam à mente que executava a tarefa. Não há escala objetiva absoluta para distinguir o "totalmente ocupado" de uma pessoa do que outra pessoa percebe no mesmo estado; no entanto, por meio de escalas de avaliação e de gráficos desenhados pela própria pessoa, é possível obter um retrato preciso de como a carga percebida evoluiu durante o experimento. A carga percebida é importante porque é ela que precisa ser mantida entre um mínimo subjetivo, no qual a atenção pode se dispersar, e um máximo subjetivo, no qual o aumento da emoção pode reduzir a capacidade de desempenho.
As ferramentas padronizadas de autorrelato mais usadas são o Índice de Carga de Tarefa da NASA (NASA-TLX, ou apenas TLX) e a Técnica de Avaliação Subjetiva da Carga de Trabalho (SWAT) [1, 2, 3, 4]. O TLX é uma avaliação subjetiva da carga de trabalho baseada em um questionário de classificação multidimensional. Uma pontuação global de carga de trabalho é obtida a partir de uma média ponderada das notas em seis subescalas: demandas mentais, demandas físicas, demandas temporais, desempenho próprio, esforço e frustração. A SWAT é uma avaliação em duas etapas de três fatores de carga de trabalho: carga de tempo, carga de esforço mental e carga de estresse psicológico. Na primeira etapa, atividades hipotéticas são ordenadas conforme a carga de trabalho percebida. Na segunda etapa, a tarefa experimental é avaliada depois de concluída, com uma escala de 1 a 3 para cada uma das três dimensões. Deriva-se uma escala intervalar de carga de trabalho, de 0 a 100, com base nos dados de referência coletados de cada sujeito na primeira etapa e na avaliação da tarefa experimental. Também é possível o experimentador elaborar um autorrelato próprio, voltado especificamente às perguntas de pesquisa de um dado experimento.
O segundo tipo de medida subjetiva é a avaliação por um observador especialista. Nesse tipo de medição, fazem-se suposições sobre a atividade mental do sujeito com base nas atividades que ele executa. A vantagem dessa abordagem é que há variação mínima de pessoa para pessoa se o mesmo avaliador for empregado. A desvantagem é que o observador externo pode deixar passar fatores que multiplicam a carga, como a complexidade da tarefa que contribui para a sensação de estar sobrecarregado. Um exemplo dessa abordagem é o conceito de utilização. No cálculo da utilização, supõe-se que o sujeito precisa tratar cognitivamente uma questão por vez, em ordem serial. A medida de utilização é a porcentagem de tempo ocupado, ou seja, tratando de qualquer questão, em oposição a esperar ou monitorar o próximo evento. Em geral, observa-se em tarefas de controle e de supervisão que, em torno de 70% de utilização, o desempenho começa a se degradar [5]. Embora discutivelmente não seja uma medida perfeita de carga de trabalho, a utilização tem a vantagem da simplicidade, da objetividade
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3Nota editorial: Capítulo 2, página 3: medidas subjetivas de carga mental (NASA-TLX, SWAT, observação por especialista e utilização).
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UNCLASSIFIED/ j POI\ OFFICIAL ttSl!! 8HLY
Chapter 2: Measurement of Mental Workload
There are three approaches to measuring mental workload in a subject performing a
primary task. The first is subjective evaluation, either post-hoc self-report
questionnaires concentrating on how "busy" one may have felt, or an experimental
observation of activity. The second is performance measures, an objective evaluation of
how well the subject completes the primary task, a secondary task, or an
experimentally inserted reference task. The final approach is to record real-time
physiological measures, with the assumption that increased workload increases anxiety
and this will be exhibited by changes in the autonomic nervous system (ANS).
SUBJECTIVE MEASUREMENTS
Self-report measures are appealing because they get inside the mind that was
performing the task. There is no absolute objective scale to measure one person's "fully
occupied" from another person's view of the same state; however, through rating
scales and self-drawn graphs, one can obtain an accurate picture of how perceived
workload evolved during the experiment. Perceived workload is important because it is
what needs to be maintained between a subjective minimum, where attention may
wander, and a subjective maximum, where increased emotion may decrease
performance capacity.
The most frequently used standardized self-report tools are the NASA Task Load Index
(NASA-TLX or just TLX) and the Subjective Workload Assessment Technique
(SWAT) .1,2,3.4 The TLX is a subjective workload assessment based on a multi
dimensional rating questionnaire. An overall workload score is derived based on a
weighted average of ratings on six subscales: mental demands, physical demands,
temporal demands, own performance, effort, and frustration. SWAT is a two-step
assessment of three workload factors: time load, mental effort load, and psychological
stress load. In t he first step, hypothetica l activities are ra nked according to perceived
workload. In the second step, the experimental task is evaluated post-hoc, using a 1-3
rating scale for each of the three dimens ions. An interval scale of workload is derived,
from 0-100, based on the reference data collected for each subject in the first step, and
the evaluation of the experimental task. A custom self-report can also be designed by
the experimenter to specifically focus on the research questions in a given exper iment.
The second type of subject ive measure is evaluation by an expert observer. In this type
of measurement, assumptions are made on the mental activity of the subject based on
the activ iti es being performed. The advantage of th is approach is that there is minimal
variance per-to-person if the same evaluator is employed. The disadvantage of this
approach is the outside observer can miss workload mu ltiplyi ng factors such as task
complexity contributing to an overwhelmed feeling by the subject . An example of this
approach is the concept of utilization. In ca lculating utilization it is assumed that the
subject must cognitively address one issue at a time in serial order. The measure of
utilization is percent t ime busy, or addressing any issue, as opposed to waiting or
monitoring for the next event. In general is it observed for control and supervisory
tasks that at around 70% utilization performance begins to degrade. 5 Arguably not a
perfect measure of workload, utilization has the advantage of simplicity, objectivity,
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3Consultar a ficha do documento ↗ · Página física 8, contando a capa.
TRECHO 31 · PÁGINA FÍSICA 9
página inteira
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e de uma escala quantitativa, o que permite usá-la na detecção e na previsão de limiares, bem como no balanceamento de carga de trabalho assistido por computador.
MEDIDAS DE DESEMPENHO
Em laboratório, o tempo de reação a um estímulo-evento é uma medida típica de velocidade em tempo real. Fora do laboratório, em ambiente mais natural, a velocidade é uma medida indireta da capacidade da pessoa de acompanhar um dado ritmo de eventos [a]. A precisão é medida tanto em laboratório quanto em ambientes naturalistas: por exemplo, numa tarefa de controle de tráfego aéreo, passar corretamente uma aeronave ao controlador seguinte, quando ela deixa o espaço aéreo monitorado pelo primeiro controlador [b], é medido como conclusão bem-sucedida da tarefa.
O desempenho, quando se usa uma tarefa secundária, é obtido segundo dois paradigmas. No primeiro, o paradigma de tarefa dupla, exige-se o desempenho na tarefa secundária, e o desempenho na tarefa principal passa então a ser um indicador da carga de trabalho. No segundo paradigma, dá-se a instrução de manter o desempenho da tarefa principal, e o desempenho na tarefa secundária passa a ser uma medida de "capacidade de reserva" para carga de trabalho adicional.
É preciso cuidado na escolha das tarefas secundárias, para garantir que afetem os recursos que se deseja testar. Por exemplo, num cenário de direção, uma tarefa minimamente intrusiva é apertar um botão no piso ou no volante quando uma luz pisca no campo de visão do motorista. Essa tarefa visual de "detectar e responder" se soma ao que é, sobretudo, uma tarefa complexa de coordenação visual e motora, e sonda a capacidade da atenção visual [6]. Isso é diferente de uma tarefa secundária que use recursos diferentes, como conversar enquanto se dirige. Ao planejar o paradigma, é preciso desenvolver um modelo que trate (ou ignore explicitamente) as tarefas individuais e as interações entre elas.
Tarefas de referência são executadas antes e depois das tarefas principais. Em geral, as tarefas de referência se concentram na tendência do desempenho devido a efeitos como a fadiga. Um caso importante de tarefa de referência é normalizar a capacidade atual de uma pessoa para carga mental de trabalho. Essa medida prévia ao desempenho pode ser usada para ajustar a carga máxima de modo a compensar a variação de um dia para o outro.
MEDIDAS FISIOLÓGICAS
O sistema nervoso humano é dividido anatomicamente em Sistema Nervoso Central (SNC) e Sistema Nervoso Periférico (SNP). O SNC inclui o cérebro e a medula espinhal. O SNP é formado pela divisão somática, que inerva a pele, os músculos voluntários e as articulações, e pela divisão autônoma, que medeia a sensação visceral e também executa o controle motor de músculos lisos, vísceras e glândulas endócrinas. A divisão autônoma consiste nos sistemas simpático, parassimpático e entérico. O sistema simpático medeia a resposta ao estresse, enquanto o parassimpático trabalha para manter a homeostase e conservar os recursos do corpo.
[a] O tempo de reação em geral não é medido em tempo real no campo, pois os eventos ocorrem em momentos não planejados. A análise posterior pode resolver tempos de reação com resolução comparável à variância motora inata da reação, da ordem de dezenas de milissegundos.
[b] Ao contrário do que um leigo pode pensar, a grande maioria dos erros no controle de tráfego aéreo não resulta em colisões nem mesmo em quase colisões; trata-se, antes, de erros de procedimento.
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4Nota editorial: Capítulo 2, página 4: medidas de desempenho e introdução às medidas fisiológicas.
Conferir original em inglês
UNCLASSIFIED/ /FOR OSSICIAl WSE 8HLY
and a quantitative scale, allowing it to be used in threshold detection and prediction, as
well as in computer-assisted workload balancing.
PERFORMANCE MEASURES
Laboratory, reaction time to an event stimulus is a typical real-time measure of speed.
Outside the laboratory, in a more natural environment, speed is an indirect measure of
a subject's ability to keep up with a given rate of events. a Accuracy is measured in
both the laboratory and naturalistic environments: for example, in an air-traffic control
task, properly handing off a plane to the next controller, as it leaves the first
controller's monitored airspaceb, is measured as a successful task completion.
Performance, when utilizing a secondary task, is accompl ished following two paradigms.
First, in the dual -task paradigm, performance on the secondary task is required and
primary task performance is thus an indication of workload. For the second paradigm,
instruction is given to maintain the primary task performance, and performance on the
secondary task is thus a measure of "space capacity" for additional workload.
Care is required in selection of secondary tasks in order to ensure they affect the
resources one wishes to probe. For example, in a driving scenario, a minimally
intrusive task is to push a button on the floor or steering wheel when a light flashes in
the field-of-view of the driver. This visual "detect-and-respond" task adds to what is
primarily a complex visual and motor coordination task that probes the capacity of
visual attention. 6 This is different than a secondary task util izing different resources,
such as having a conversation while driving. When planning the paradigm, a model
needs to be developed that treats (or explicitly ignores) individual tasks and
interactions among them.
Reference tasks are executed before and after primary tasks. Typically reference tasks
focus on trending in performance due to effects such as fatigue. One important case of
reference tasks is to normalize an individual's current capacity for mental workload.
Such a pre-performance measure can be used to adjust maximum workload to
compensate for day-to-day variation.
PHYSIOLOGICAL MEASURES
The human nervous system is anatomically divided into the Central Nervous System
(CNS) - and the Peripheral Nervous System (PNS). The CNS includes the brain and the
spinal cord. The PNS is made up of the somatic division, which innervates the skin,
voluntary muscle, and joints, and the autonomic division, which mediates visceral
sensation as well as executes motor control of smooth muscle, viscera, and endocr ine
glands. The autonomic division consists of sympathetic, parasympathetic, and enteric
systems. The sympathetic system mediates response to stress, while the
parasympathetic system works to maintain homeostasis and conserve body resources.
• Reaction time is not typically measured in real-time in the field as events occur at unplanned times. Post-hoc
analysis can resolve reaction times down to a comparable resolution to innate motor reaction variance, on the
order or lO's of msec.
b Contrary to what a layperson may think, the vast majority of errors in air traffic control do not result in collisions
or even near misses; rathe r they are mistakes In procedure.
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4Consultar a ficha do documento ↗ · Página física 9, contando a capa.
Datas e contexto documental
- Acontecimento
- 15/12/2010 — Data de capa do documento. ICOD (data de corte das informações): 8 de setembro de 2010. Número do documento: DIA-08-1101-001.
- Documento
- 15/12/2010 — Capa, página física 1.
- Publicação
- Não estabelecida — Liberado na série DOW-UAP; a data de liberação não consta destas páginas.
Origem e divulgação
Defense Intelligence Agency (DIA), Divisão de Alerta Tecnológico (DWO-4), Escritório de Alerta de Defesa; programa AAWSA; autor com nome substituído por "AAP Person 73" · DOW-UAP-D151_AAWSAP-DIRD-Cognitive-Limits-on-Simultaneous-Control-of-Multiple-Unmanned-Spacecraft-December-15-2010.pdf
Páginas físicas 1 a 31 traduzidas.
Relatos relacionados e suas diferenças
- DIA, 2010: estudo do AAWSAP imagina a cabine de uma nave de voo de ruptura
- AAWSAP, 2010: interfaces cerebrais e biossensores
Perguntas para continuar a investigação
- Por que um estudo sobre carga cognitiva de pilotos remotos de espaçonaves foi incluído na série de relatórios do AAWSA de 2010? O texto não diz.
- Os limites de 16, 7 e 4 naves foram retestados em simuladores específicos de espaçonaves, como o autor previu para os cinco anos seguintes?
GEOGRAFIA DO CASO
Washington, D.C., EUA (sede da DIA)
Estudo de gabinete, sem local de avistamento. Não há ponto no mapa.
RASTRO DOCUMENTAL
Volte às fontes
As referências usam páginas físicas do PDF, contando a capa. Os resumos são apresentados em português; os documentos preservam seu idioma original.
- DOW-UAP-D151_AAWSAP-DIRD-Cognitive-Limits-on-Simultaneous-Control-of-Multiple-Unmanned-Spacecraft-December-15-2010.pdf
Páginas físicas 1 a 31: capa, folha de rosto, sumário, resumo, capítulos 1 a 6 e referências; figuras nas páginas 7, 10, 15, 18, 21 e 24
DOW · 31 páginas
Síntese editorial baseada no fichamento do acervo, revista em 26/09/2026. Como lemos os documentos.


