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Industrie 4.0: Ziele und Konsequenzen für den Luftverkehr

11.10.2017 - 08:01 0 Kommentare

Industrie 4.0 steht als Schlagwort für ein Digitalisierungsprogramm der deutschen Wirtschaft. Luftfahrtprofessor Christoph Brützel zeigt, was es für den Luftverkehr bedeutet.

Industrie 4.0 im Luftverkehr hat viele Facetten. Darstellung: © Brützel

Ein früherer Beitrag dieser Fachserie befasste sich mit der Digitalisierung und disruptiven Geschäftsmodellen im Luftverkehr. In diesem Beitrag wurden insbesondere Trends und Entwicklungen im Vertriebskanal thematisiert. Bei Industrie 4.0 geht es vor allem um vernetzte Produktion.

Industrie 4.0: Vernetzung und Verzahnung

Wikipedia leitet den Beitrag zu Industrie 4.0 mit folgender Erläuterung ein:

Industrie 4.0 ist ein Begriff, der auf die Forschungsunion der deutschen Bundesregierung und ein gleichnamiges Projekt in der Hightech-Strategie der Bundesregierung zurückgeht; zudem bezeichnet er ebenfalls eine Forschungsplattform. Die industrielle Produktion soll mit moderner Informations- und Kommunikationstechnik verzahnt werden. Technische Grundlage hierfür sind intelligente und digital vernetzte Systeme. Mit ihrer Hilfe soll eine weitestgehend selbstorganisierte Produktion möglich werden: Menschen, Maschinen, Anlagen, Logistik und Produkte kommunizieren und kooperieren in der Industrie 4.0 direkt miteinander. Durch die Vernetzung soll es möglich werden, nicht mehr nur einen Produktionsschritt, sondern eine ganze Wertschöpfungskette zu optimieren.

Bei Industrie 4.0 geht es demnach in erster Linie um Vernetzung und Verzahnung von Wertschöpfungsprozessen, wobei unter Vernetzung die Bereitstellung von Kommunikationsmedien (Netze) zur Übermittlung von Informationen zu verstehen ist, und unter Verzahnung die Synchronisation von Entscheidungen und Prozessen.

Bei Industrie 4.0 geht es also nicht etwa um Automatisierung oder gar autonomes Fliegen. Vielmehr liegen die Hebel von Industrie 4.0 zur Steigerung von Effektivität und Effizienz des Wertschöpfungsprozesses in seiner verbesserten Synchronisation.

Luftverkehr ist schon Industrie 4.0

Auch wenn die zitierte Definition auf industrielle Produktion gemünzt ist, so lässt sie sich doch auf den Luftverkehr übertragen, in dem jedes einzelne Flugereignis das Produkt einer vernetzter Informationen und verzahnter Prozesse zahlreicher Spieler ist.

Wie die folgende Grafik veranschaulicht, ist Industrie 4.0 in der Wertschöpfungskette "Flug" nicht erst seit Digitalisierung und Internet eine Selbstverständlichkeit:

Darstellung: © Brützel

Während bei industriellen Fertigungsprozessen Lieferanten und Kunden innerhalb des Wertschöpfungsprozesses nacheinander produzieren, müssen bei Transportleistungen, wie Flügen, zahlreiche Mitwirkende zeitgleich entscheiden und handeln, um Sicherheit, Regelmäßigkeit und Pünktlichkeit eines Fluges zu gewährleisten. Jeder Flug ist wie ein Uhrwerk, in dem zahlreiche Funktionen bei Airline, Flughafen, Flugsicherung und zahlreichen Dienstleistern am Flughafen wie Räder miteinander verzahnt und synchronisiert laufen müssen.

Wenn nur ein Rädchen steht oder aus dem Takt gerät, sind alle anderen betroffen, egal ob es sich bei dem Rädchen um Piloten, Fluglotsen, Bodenverkehrsdienstleister oder um Mitarbeiter an der Sicherheitsschleuse des Flughafens handelt. Damit alle Rädchen synchron laufen, werden seit jeher umfangreiche, weltweite Kommunikationsnetzwerke über Telefon, Telex und Funkverkehr betrieben und auch vernetzte Systeme mit Echtzeit-Zugriff auf Daten bzw. Informationen. Wo also liegen dann die Potenziale von Industrie 4.0 für den Luftverkehr?

Effektivität contra Effizienz

Wirtschaftliche Verbesserungspotenziale können sowohl die Effektivität als auch die Effizienz betreffen. Was ist der Unterschied? Höhere Effektivität bedeutet mehr Wert zu schaffen, also einen positiven Effekt zu erzielen. Indikatoren zur Bestimmung der Effektivität eines Flugbetriebes sind in erster Linie Sicherheit, Regelmäßigkeit und Pünktlichkeit, in zweiter Linie aber auch die Servicequalität. Effektiv sein heißt, die richtigen Dinge zu tun.

Höhere Effektivität bedeutet mehr Wert zu schaffen, also einen positiven Effekt zu erzielen. Indikatoren zur Bestimmung der Effektivität eines Flugbetriebes sind in erster Linie Sicherheit, Regelmäßigkeit und Pünktlichkeit, in zweiter Linie aber auch die Servicequalität. Effektiv sein heißt, die richtigen Dinge zu tun.

Effizienz zielt auf den Ressourceneinsatz ab; Kosteneffizienz auf Einsparungen bei der Produktionsfaktoren Arbeit, Kapital und Boden; Zeiteffizienz auf die Beschleunigung von Prozessen. Effizient sein heißt, die Dinge richtig zu tun.

Im Bild des Uhrwerks bedeutet Effektivität, die Uhr richtig zu stellen und die Synchronisation sowie Präzision des Uhrwerks zu verbessern - Effizienz die Reibungsverluste zwischen den einzelnen Rädchen zu reduzieren oder auch die Gesamtlast durch Umverteilung von Funktionen zwischen Rädchen bis hin zum Verzicht auf einzelne Rädchen zu reduzieren.

Sowohl bezüglich der Effektivität als auch bezüglich der Effizienz liegen die Potenziale aus besserer Vernetzung und Verzahnung bei der Flugdurchführung in der Arbeitsteilung zwischen den Beteiligten.

Darstellung: © Brützel

Dies wird im Folgenden an zwei Beispielen verdeutlicht: An der der Arbeitsteilung zwischen Cockpit und Flugsicherung und an der zwischen Bord und Operations-Control-Center.

Flugsicherung an Bord

Die Steuerung des Flugs erfolgt im kontrollierten Luftraum und für Flüge nach Instrumentenflugregeln durchgängig durch Fluglotsen, die auf der Grundlage von Flugplandaten und Radardaten die jederzeitige Separierung aller Flüge voneinander sicherstellen. Hierzu ist der Luftraum in vertikal und horizontal definierte Sektoren aufgeteilt, für die jeweils ein sogenannter Koordinator und ein Radarlotse die Flugbetriebskontrolldienste durchführen und dabei teils durch Flugdatenbearbeiter unterstützt werden.

Der Koordinator stimmt die Flugbewegungen im Sektor über Systemschnittstellen mit der zentralen Netzsteuerung bei Eurocontrol und den Koordinatoren der benachbarten Sektoren ab, der Radarlotse nimmt die Kommunikation mit dem Cockpit wahr, indem der "Pilot not flying" dem "Pilot flying“ assistiert.

Darstellung: © Brützel

In einem früheren Beitrag zum Berufsbild des Piloten wurde bereits aufgezeigt, dass diese auf vor mehr als 60 Jahren bei der Entwicklung globaler Standards der Flugsicherung (niedergelegt in ICAO Doc. 4444: PANS, Procedures of Air Naviagation Services) Arbeitsteilung die Potenziale aus digitaler Vernetzung weitestgehend negiert.

Durch das Projekt SWIM (System Wide Information Management) im Rahmen von SESAR, der zetralen "Digitalisierungsintiative des Single European Sky Programms", soll eine vollständige Vernetzung der operativen Daten zur Flugdurchführung bei Airline, Flughafen und Flugsicherung erzielt werden, auf die dann alle Rädchen im Uhrwerk zugreifen können. SWIM ist damit ein Paradebeispiel für Industrie 4.0 im Luftverkehr.

SWIM erlaubt direkte Abstimmung zwischen Piloten und Eurocontrol

Über kurz oder lang sollte es SWIM möglich machen, dass die Piloten die erforderlichen Informationen zur Separierung von anderen Flugzeugen und die Navigation zumindest im weniger dichten und horizontalen Reiseflug unterstützt von sogenannten Airborne Separation Assistance Systems (ASAS) direkt übernehmen und im System mit einer zentralen taktischen Flugsicherung im Network Operations Centre von Eurocontrol abstimmen können.

Damit würde die operative Steuerung der Flüge im europäischen Luftraum der Zentralisierung der Planung (Flow Management) folgen, die bereits vor fast 20 Jahren von den nationalen Flugsicherungsorganisationen in einer Central Flow Management Unit (CFMU) bei Eurocontrol zusammengefasst wurde - übrigens mit erheblichen positiven Effekten auf die Verspätungsraten im europäischen Luftverkehr.

Darstellung: © Brützel

Durch die systematische Vernetzung, Zentralisierung des Netzmanagements und Dezentralisierung der Flugsteuerung ins Cockpit dürften nicht nur erhebliche Effizienzeffekte erzielt werden können, sondern auch Effektivitätsvorteile im Hinblick auf Luftraumkapazität und damit Pünktlichkeit und auch Emissionen. Zwar kann im Hinblick auf die Sicherheit argumentiert werden, dass eine Reduktion der Schnittstellen systematisch auch zu einem verringerten Risiko zu Missverständnissen führt, andererseits aber birgt jede Veränderung geübter Prozesse und Arbeitsteilung systematisch auch neue Fehler- und Abstimmungsrisiken, solange nicht alle Rädchen auf die neue "Architektur" des Laufwerks eingestellt sind.

Dies musste man vor einigen Jahren mit fatalen Folgen lernen, als über Überlingen mitten in der Nacht zwei Flugzeuge im oberen Luftraum kollidierten, unter anderem weil die Piloten einen unterschiedlichen Kenntnisstand zu den Regeln zur taktischen Vermeidung von Zusammenstößen hatten. TBAS (Trajectory-Based Automation System), ein Projekt der NASA im Rahmen von NextGen, der SESAR vergleichbaren FAA-Initiative zur Weiterentwicklung der Flugsicherungsprozesse und -systeme, weist den Weg in eine Zukunft, in der auf der Grundlage weiträumiger Vernetzung und Koordination aller Trajektorien in einem zentralen Rad des Uhrwerks das "Rädchen Cockpit" direkt an dieses zentrale System andocken kann und Koordinator- und Radarlotsen als zwischengeschaltete "Getriebe" verzichtbar werden.

Sicherlich setzt die Wahrnehmung der Navigationsentscheidungen im Cockpit aber erweiterte Kenntnisse und Fähigkeiten der Piloten voraus und damit entsprechende Trainings.

Wegen der starren Sicherheitsdogmatik und hartnäckigen Veränderungsresistenz der Procedures for Air Navigation Services (PANS) sowie Flugsicherungsorganisationen und nicht zuletzt auch wegen der sozialen Konsequenzen für die Fluglotsen sollte man allerdings nicht davon ausgehen, dass die aufgezeigten Potenziale in näherer Zukunft ausgeschöpft werden können.

Hierzu bedarf es sicherlich eines sehr langwierigen und stufenweisen Prozesses, in dessen Rahmen zunächst in verkehrsarmen Zeiten und in ausgewähltem Teilnehmerkreis geübt werden muss. Andererseits wäre es weder im Interesse der Ziele des Single European Sky noch selbst im Sicherheitsinteresse, die offensichtlichen Potenziale zu Industrie 4.0 für die Flugnavigations- und -sicherungsprozesse zu tabuisieren.

Flugdurchführung am Boden

Ein anderes "heißes" Thema ist die Verlagerung von Pilotenaufgaben an den Boden. Im militärischen Bereich werden Drohnen heute selbstverständlich von entferntesten Stellen mit höchster Präzision gesteuert. Wegen des hohen Lebensrisikos für die Piloten bei physischem Einsatz des Piloten im Cockpit wird die "Fernsteuerung" als sicherere Alternative gern akzeptiert.

Anders im kommerziellen Luftverkehr. Dort bewegt sich im lokalen Transport kleinerer Sendungen die Diskussionsebene inzwischen bereits zwischen von Menschenhand gesteuerten und autonomen Drohnen. So gehen alle einschlägigen ICAO-Richtlinien und nationalen Zertifizierungsgesetzte für den kommerziellen Luftverkehr unverändert davon aus, dass die Piloten im Cockpit sitzen.

Auch dieses Diskussionsfeld wurde in dem früheren Beitrag zum Berufsbild der Piloten bereits thematisiert. Die Frage, ob ein Flugzeug jederzeit auch vom Boden aus sicher gesteuert werden kann, ist eine andere als die, ob man die Aufgaben des Piloten weitergehend oder gar vollständig automatisieren kann (Stichwort autonomes Fliegen). Beide aber werden oft miteinander vermisch und undifferenziert verneint.

Wie eingangs dargelegt, meint Industrie 4.0 prinzipiell nicht "Automatisierung" sondern effizientere und/oder effektivere Vernetzung und Verzahnung von Funktionen. Mit dem Themenkomplex "Automatisierung" hat sich Eckhard Bergmann vor kurzem in einem Beitrag ausführlicher befasst.

© AirTeamImages.com, Jesus Moreno Lesen Sie auch: Ein oder kein Pilot – das ist hier die Frage Aviation Management

Im gegebenen Kontext soll nicht in Frage gestellt werden, dass das Management eines Fluges vom Start bis zur Landung Piloten obliegt, egal ob ihr Cockpit im Flugzeug oder am Boden ist und egal, ob und wie weit ihre Funktionen automatisiert sind ("Autopilot") oder auch nicht.

Pilot im Cockpit - ja oder nein?

Bei einer Fachveranstaltung des Forschungszentrums für Pilotenausbildung der TU Darmstadt betonten erfahrene Piloten, dass die physische Anwesenheit menschlicher Piloten im Cockpit auch auf längere Sicht zur sicheren Führung des Flugzeugs unverzichtbar sei. Eine hintergründige Diskussion führte allerdings auch in diesem Kreis zu vorsichtigem Einlenken einzelner Teilnehmer.

Um einen Flug sicher durchzuführen, brauchen Piloten Informationen, Kenntnisse und Fähigkeiten (Kompetenzen).

Zur sicheren Steuerung des Flugzeugs sind Informationen zur Navigation (Flugplan, Ortung, Richtung, Geschwindigkeit), zur Ortung von Hindernissen und anderer Flugobjekten, zum Wetter, zur Verfügbarkeit von Luftraum- und Bodeninfrastrukturen, zum technischen Zustand und zur Performance des Flugzeugs, zu Treibstoffreserven et cetera erforderlich. Diese Informationen müssen grundsätzlich lückenlos und aktuell (real time) sein.

Bei Kenntnissen geht es um erworbenes Wissen über Informationen ("wissen, dass …") sowie über Verfahren und Methoden, Informationen rational zu verarbeiten ("wissen, wie …") und in entsprechende Entscheidungen umzusetzen. Kenntnisse sind damit erfahrungsbasierte Grundlage rationaler Entscheidungen.

Als rationale Kompetenz sind Kenntnisse ein wesentlicher Bestandteil persönlicher Fähigkeiten. Neben rationalen Kompetenzen beeinflussen emotionale und soziale Kompetenzen die Entscheidungsfindung. Emotionale Kompetenzen sind die Grundlage intuitiver Entscheidungsfindung, soziale Kompetenzen ergänzen die rationale Entscheidungsfindung um ein Gerüst ethischer Rahmenbedingungen.

Im Sinne der sicheren Flugdurchführung stehen die rationalen Kompetenzen zur Entscheidungsfindung im Vordergrund. Allerdings immer dann, wenn die zur rationalen Entscheidungsfindung erforderlichen Informationen unvollständig sind oder wenn rationale Kompetenzen wegen der Fülle und/oder Widersprüchlichkeit von Entscheidungsinformationen überfordert sind, gewinnen emotionale Kompetenzen wachsenden Einfluss auf die Entscheidung.

Ihr Ergebnis ist definitionsgemäß nicht "berechenbar" und damit systematisch unsicher (Unsicherheit = Wahrscheinlichkeit der Abweichung von einer Erwartung, sei sie positiv oder negativ). Intuition kann im Sinne der Sicherheit nur dann überlegen sein, wenn die rationalen Kompetenzen überfordert sind. Gefahrensituationen sind der praktische Fall, in dem das Risiko wächst, dass rationale Entscheidungskompetenzen mangels Erfahrungswissen und menschlicher Verarbeitungsfähigkeit überfordert werden. Sie werden daher im Simulator trainiert, um eine Wissengrundlage zu schaffen, auf der auch im Ernstfall rationale Entscheidungen getroffen werden können.

Aus diesen Überlegungen folgt, dass die Verfügbarkeit aller relevanten Informationen und die rationale Entscheidungskompetenz die Grundpfeiler sicherer Flugdurchführung sind.

Die rationale Entscheidungskompetenzen von Piloten hängen nicht davon ab, ob sie im Flugzeug sitzen oder am Boden. Auch die ethischen Rahmenbedingungen ändern sich nicht. Die Frage, ob ein Flugzeug nur oder besser an Bord gesteuert werden kann als am Boden, entscheidet sich also danach,

  • ob beziehungsweise wo alle zur Wahrnehmung der Kompetenzen erforderlichen Informationen verfügbar sind und
  • ob die persönliche Intuition im Fall, dass nicht, am Boden zu anderen Entscheidungen führt als an Bord.

Steuerung beim "Flying Pilot" belassen

Selbst wenn beim derzeitigen Stand der Technik und Sensorik die Erfassung einzelner, entscheidungsrelevanter Informationen allein durch physische Präsenz des Piloten an Bord gewährleistet sein mag, so werden die sicherheitsrelevanten technischen Daten zu Flugzeug- und Flugzustand über lang oder kurz nicht nur durch entsprechende Sensorik erfasst sondern auch in Echtzeit an eine Bodenstation übermittelt werden können. Hierdurch können rationale Entscheidungen am Boden letztlich mit der gleicher Effektivität getroffen werden, wie an Bord. Auch hier also ist Industrie 4.0, die Vernetzung, der Schlüssel zur Realisierung der Potenziale.

Im Kontext der vorausgegangenen Ausführungen zur Arbeitsteilung zwischen ATC und Piloten drängt es sich geradezu auf, die zur Navigation und Separierung erforderlichen und weitere Funktionen des "Not flying Pilot" am Boden agierenden Piloten zu übertragen und die Flugzeugsteuerung, soweit sie nicht ohnehin dem Autopiloten überlassen ist, beim "Flying Pilot" an Bord zu belassen.

Zur Entlastung könnte der "Bodenpilot" zeitweise auch die Funktion des "Flying Pilot" übernehmen. In Gefahrensituationen sollte die örtliche Trennung zwischen Pilot und Co-Pilot grundsätzlich sicherheitsfördernd wirken. Nicht nur wenn, aus welchen Gründen auch immer, Piloten an Bord in der Wahrnehmung ihrer Funktionen eingeschränkt sind. Die Verlagerung eines Pilotenarbeitsplatzes von Bord an den Boden würde nicht nur zumindest Reisekosten sparen, sie würde auch die Möglichkeiten verbessern, Änderungen der Flugplanung während des Flugs im Interesse der Netzoptimierung zentral im Operations Control Center, dem zentralen Informationsknoten, zu steuern (Stichwort Mission Management).

Abwägen von Chancen und Risiken

Den Chancen aus Industrie 4.0 stehen auch an dieser Stelle Risiken gegenüber, die insbesondere im Bereich der Systemsicherheit und der Security (externe Sicherheitsrisiken) gesehen werden. Die Systemsicherheit kann sowohl die Systeme zur Erfassung und Übertragung von Informationen betreffen, als auch deren Übertragung und die technische Umsetzung von am Boden getroffenen Steuerungsentscheidungen.

Derartige Systemrisiken sind im Luftverkehr keineswegs neu. Sie hat es schon immer gegeben. Zu ihrer Minimierung dienen Systemstandards, Zertifizierungen von Systemen, Redundanzen und Back-up-Lösungen, die auch im gegebenen Kontext sicherzustellen sind. Ähnliches gilt für externe Sicherheitsrisiken. Der Schutz vor Hackern und/oder auch die Immunisierung vor sonstigen Störeinflüssen sind keine Unbekannten.

Nicht erst die Verlagerung eines Pilotensitzes vom Flugzeug an den Boden machen die analogen und digitalen Kommunikationssysteme an der Schnittstelle zwischen Bord und Boden einschließlich deren Schutz vor ungewolltem Zugriff zu einer unbedingten Voraussetzung der Flugsicherheit.

Schließlich bedingt die "Versetzung" von Piloten von Bord an den Boden massive Anpassungen der globalen gesetzlichen Rahmenbedingungen. Selbst bei konservativer Wahrnehmung des bei ICAO unter der Bezeichnung RPAS (Remotely Pilot Aircraft Systems) laufenden Programms ist allerdings vorhersehbar, dass über kurz oder lang die zunächst dort für Drohnen entwickelten operativen Standards auch als Blaupause für kommerzielle Flüge Anwendung finden werden, im ersten Schritt sicherlich, um einen der zwei Pilotenarbeitsplätze an den Boden zu verlagern.

Über den Autor

Prof. Dr. Christoph Brützel Prof. Dr. Christoph Brützel ist bereits seit über 30 Jahren im Luftverkehrsbereich tätig - zunächst bei Lufthansa, LTU und A.T. Kearney - aktuell als selbständiger Berater und Professor für Aviation Management an der Internationalen Hochschule in Bad Honnef (IUBH). Kontakt: aviationmanagement@airliners.de

Von: Prof. Christoph Brützel für airliners.de
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