Människan fortfarande viktigast för att ett system ska fungera

Det är inte tekniken som sätter gränsen utan vår förmåga att omsätta tankar till modeller

Av Erland Svensson

För tolv år sedan skrev Maud Angelborg-Thanderz och jag en artikel för FOA-tidningen. Ämnet var människans funktion i militära flygsystem och rubriken var ”Människan viktigast för att ett system ska fungera”. Den något tillspetsade rubriken anser vi ha samma aktualitet idag som då. Den gången var förhoppningarna högt ställda vad beträffar möjligheterna att utveckla olika hjälpmedel för att underlätta operatörens informationshantering och därmed nedbringa hans mentala arbetsbelastning och bibehålla en god prestation. Insikten att den framtida operatörens största problem blir att hantera en alltmer omfattande och komplex informationsmängd fanns redan då hos oss och användaren.

Vi kan idag konstatera att nästan alla de beslutshjälpmedel som vi så entusiastiskt resonerade kring under 80- och 90-talen fortfarande lyser med sin frånvaro. Den tekniska utvecklingen har snarare lett till att föraren utnyttjas till fler avancerade och mentalt krävande uppgifter än vad man tänkte sig den gången. En allvarlig konsekvens är att informationsbelastningen på dagens operatörer i komplexa flyg- och vapensystem, med råge, överskrider den nivå som människan kan hantera. Att belastningen vanligen är högst under de faser som är kritiska med avseende på den operativa funktionen gör inte saken bättre Den informationsmängd som en militär flygförare har haft att behandla ifrån de första systemflygplanen fram till dagens system visar en närmast exponentiell tillväxt. Begreppet mental arbetsbelastning har minst lika hög aktualitet idag som tidigare.

Ett av skälen bakom svårigheterna att ta fram praktiskt användbara beslutshjälpmedel har varit att idéerna bakom stödsystemen snarare utgått från vad som varit tekniskt intressant och möjligt än från operatörens faktiska behov, och teknikutvecklingen har varit styrande.

Ett annat skäl har varit och är att vi ännu saknar psykologiska modeller eller beskriv ningar av operatörsfunktionen. Vår kunskap om funktionen människa-system är, i flera avseenden, omfattande, men den har visat sig svår att omsätta i praktiskt användbara verktyg.

För att utveckla användbara beslutshjälp- medel måste vi kunna mera om hur operatören fungerar under hög informationsbelastning och psykologisk stress. Vad påverkar till exempel beslutsprocessen och hur går den till? Vad är det som ger en ökad mental belastning och vilka effekter har den på prestationen? Vilken inverkan har den fysiska belastningen (g-belastning, termisk stress) på den mentala funktionen? De förhoppningar som vi, för mer än tio år sedan, hyste kring utveckling av modeller eller beskrivningar av hur en operatör fungerar har idag inte heller infriats i någon större omfattning.

Enklare mäta prestation i krig
Den viktigaste uppgiften för en militär flygförare är att bekämpa en motståndare. I krig kan kriterierna vara enkla (att skjuta ner ett flygplan eller spränga en bro), men i fred kan det vara besvärligare att avgöra om en prestation är lyckad eller ej, och de prestationskriterier vi använder i fred måste därför spegla de ultimativa kriterier man har att räkna med i krig. Vi har i flera studier visat, att prestationsvärdering är viktig, att begreppet prestation är praktiskt användbart även om det är både mångfacetterat och svårfångat. För att en prestationsvärdering ska vara användbar i utbildnings- och systemvärderingssammanhang krävs att många delar beaktas. Hur dessa aspekter (förarhandlingar och reaktioner) ska sammanvägas till ett samlat mått är beroende av uppdrags- och systemfaktorer.

Med begreppet operativ prestation menar vi ett sammanfattande mått på de olika aspekter som har betydelse för ett uppdrags utfall. Definitionen innebär att prestationsmåttet måste ligga nära de ultimativa krigskriterierna. Värderingen kan rimligen bara göras under reella förhållanden eller under simuleringar med hög realism. Att den operativa prestationen är uppbyggd av delaspekter innebär också att den inte heller kan värderas utifrån enstaka mått.

Att med hjälp av så kallat objektiva mått eller test (till exempel reaktionstidsmätningar) försöka predicera den operativa prestationen har bland annat av detta skäl visat sig föga framgångsrikt. De registrerutrustningar (såväl flygplan- som markbaserade) flygvapnet utnyttjar som kraftfulla utbildningshjälpmedel (se bilden ovan) har gett oss unika förutsättningar att genomföra en sann värdering av den operativa prestationen. Av speciellt intresse, när det gäller möjligheterna att mäta operativ prestation och mental belastning, är det simuleringscentrum som flygvapnet bygger upp på FFA (jämför FOA-tidningen, 1/98).

Begreppen mental arbetsbelastning och operativ prestation är centrala i studier av människans funktion i komplexa system. Värderingar av system med the man in the loop, av uppdragstyper och av utbildning skulle inte vara fullödiga utan dessa begrepp. Ytterligare ett begrepp, benämnt situationsmedvetande, situational awareness, har dykt upp på forskningsarenan. Vårt och våra militära samarbetsparters arbetsnamn på begreppet är ”koll på läget”. Vi mätte förarnas taktiska situationsmedvetande första gången i slutet av 80-talet och sedan dess har vi inlemmat begreppet i ytterligare tre studier. Vår erfarenhet idag är att konceptet situationsmedvetande är praktiskt användbart, även om det ligger mycket nära prestationsbegreppet och därför skulle kunna inlemmas i detta. Om man, som vi har gjort, i dialog med experterna själva arbetat med konkreta uppdragsanalyser av militära flygförares tredimensionella arbetsmiljö har sådana aspekter också varit självklara.

Vare sig vi studerat förarfunktionen under verklig eller simulerad flygning har flygvapnets divisioner alltid utgjort vår forskningsmiljö. Sedan 1995 har vi förmånen att få genomföra studier vid Blekinge flygflottilj F17 i Kallinge. Verksamheten innefattar medverkan i flottiljens värdering av JA37 i uppgraderad version samt fortsatt utveckling och prövning av metoder för värdering av mental arbetsbelastning, operativ prestation och situationsmedvetande.

Data från 140 flygpass
I ett första steg har vi samlat in data från 140 flygpass. Uppdragen varierade i komplexitet från enklare övningar, inom ramen för ordinarie flygverksamhet, till komplexa tillämpade övningar med hög realism. Data insamlades före, under och efter varje flygpass. Databasen innefattar ett stort antal förarbedömningar (cirka 12000) samt registreringar från flygplanet. Med hjälp av statistiska procedurer (faktoranalys) har vi reducerat ett åttiotal variabler till följande faktorer eller index:

• operativ prestation
• situationsmedvetande
• svårighetsgrad
• mental arbetsbelastning
• mental kapacitet
• motivation
• informationskomplexitet (taktisk indikator, TI)
• informationskomplexitet (målindikator, MI)

Att varje index innehåller mellan fem och tio variabler innebär en avsevärt högre mätsäkerhet (reliabilitet) än vad som gäller för enstaka variabler. Det innebär också att varje index speglar det begrepp vi mäter ur flera än en synvinkel vilket ökar mätningens sanningshalt (validitet).

För att få en uppfattning om hur förarnas mentala arbetsbelastning, prestation och situationsmedvetande förändras som funktion av uppdragens komplexitet delade vi upp de 140 passen i fem grupper. Uppdelningen var baserad på uppdragens svårighetsgrad. Grupp A innehöll sålunda cirka 30 enkla standardövningar och grupp E cirka 30 tillämpade uppdrag med en komplexitet som närmar sig gränsen för vad man kan åstadkomma och öva under fredsförhållanden. En hypotetisk sjätte grupp på komplexitetsskalan skulle spegla den reella krigssituationen.

Förmågan sjunker snabbt när uppdragen blir svårare
Redan vid grupp C är uppdragen så svåra att föraren måste använda hela sin mentala kapacitet för att hänga med. När uppdragen blir svårare räcker det inte hur mycket han anstränger sig. Han har allt sämre koll på läget, situationsmedvetenhet, och presterar allt sämre. Ett uppdrag i krig anses vara mer krävande än det svåraste man kan öva i fred. Resultaten bygger på uppgifter från 140 flygpass av varierande svårighetsgrad.

Grafiken ovan återger förarnas medelvärden på indexen mental arbetsbelastning, situationsmedvetande och prestation för de fem grupperna. Det kanske mest iögonenfallande vid jämförelsen mellan grupperna är den linjära tillväxten av mental arbetsbelastning. Redan i grupp C ligger belastningen på en nivå som indikerar att föraren mentala reservkapacitet är liten eller obefintlig. I grupperna D och E innebär belastningsgraden att förarna avskärmar sig från information och att de måste koncentrera sig på de aspekter som de, i situationen, anser vara absolut oundgängliga. Begreppet mentalt tunnelseende åskådliggör vad det handlar om. På samma gång som belastningen stiger ser vi också att förarnas situationsmedvetande och prestationsförmåga försämras. Förändringarna är små till att börja med, men i grupperna D och E inträder kritiska försämringar. Förändringarna illustrerar förhållandet att förarna, in i det längsta, bibehåller sin prestation och sin ”koll på läget” genom att öka sin mentala ansträngning. Dock visar prestationsförsämringarna i D och E att denna kompensation i form av ökad ansträngning, dessvärre, inte håller fullt ut. Resultaten visar också att gapet kan vara stort mellan filosofin bakom informationsutbudet i dagens glass cockpits och människans sätt att fungera under pressande förhållanden.

Vi har i tidigare studier funnit att förarnas mentala arbetsbelastning är jämförelsevis känslig för ökningar i uppdragens komplexitet. Det innebär att ökningar i belastningsmåtten visar sig tidigare än (och därför kan predicera) senare prestationsförsämringar. Vi har i dessa studier också funnit att förändringar i förarnas situationsmedvetande direkt påverkar prestationen.

Det finns en stark koppling mellan informationsmängden på skärmarna (målindikator och taktisk indikator) och mental arbetsbelastning med mentalt tunnelseende som följd. Ju mer information som läggs ut på de skärmar som är till för att öka pilotens koll på läget - desto svårare har han att ha koll på läget!

Med hjälp av statistiska procedurer för analys av orsak-verkan-samband (strukturanalyser) har vi även här prövat modeller av förarfunktionen, hur olika aspekter hänger samman. I modellerna har vi använt de faktorer eller index som framkom i faktoranalysen av förarnas bedömningar. Modellen i grafiken på nästa sida var den som visade bäst anpassning till data. Det innebär att den kan generaliseras till förargruppen i det aktuella systemet.

Vi kan, till att börja med, konstatera att modellen har sin utgångspunkt i uppdragens komplexitet. Med en ökande svårighetsgrad på uppdragen följer en ökad mental arbetsbelastning generellt men dessutom ökar informationskomplexiteten på taktisk indikator, TI, och målindikator, MI). (Indexen för informationskomplexiteten på TI och MI har inramats i figuren därför att modellen visade bäst anpassning då dessa index tilläts interagera.) Att en ökning av den generella arbetsbelastningen, i sin tur, ger påtagliga begränsningar av den mentala kapaciteten var att förvänta. Att ökningarna av informationskomplexiteten på TI och MI gav en väl så kraftfull hämmande effekt på den mentala kapaciteten var, däremot, något förvånande. Markörerna för kapacitetsindex behandlar aspekter kring svårigheter att värdera olika informationsdelar och nödvändigheten av att ”stänga av” eller reducera informations- flödet. Modellen säger, med andra ord, att det finns en stark koppling mellan informationsmängden på indikatorerna TI och MI och mental överbelastning med mentalt tunnelseende som följd. Förarnas förmåga att, vid varje tidpunkt, sovra och utnyttja rätt information avgörs i huvudsak av deras erfarenhet och skicklighet (skill).

Av modellen framgår också att såväl en ökad mental arbetsbelastning generellt som en ökning av informationskomplexiteten på taktisk indikator (TI) och målindikator (MI) försämrar förarens situationsmedvetande eller ”koll på läget”. Att förarens situationsmedvetande försämras som en följd av en hög informationskomplexitet på indikatorerna är ett memento.

Vi har i tidigare studier funnit en nära relation mellan förarens situationsmedvetande och hans prestation och, som framgår av modellen, visade sig förarens ”koll på läget” predicera prestationen även här. Att förarens situationsmedvetande direkt påverkar prestationen kan ses som en självklarhet men, icke desto mindre, visar sig relationen vara av såväl teoretiskt som praktiskt intresse i den internationella forskningen kring situational awareness.

I modellen framträder tre steg:

• uppdrags- och systemkrav
• aspekter på förarens mentala arbetsbelastning
• prestationsaspekter

Förarens sätt att, under hög mental ansträngning, möta uppdrags- och systemkrav utgör således en förmedlande och kompenserande länk mellan situationens krav och den operativa prestationen eller utfallet.

I ett andra steg har vi samlat in data från 40 simulatorpass. I flottiljens Viggensimulator kan man göra samma registreringar som i flygplanet, vilket ger unika möjligheter till direkta jämförelser mellan reell och simulerad flygning. Simulatoranläggningen är, självklart, en viktig forskningsplattform för oss även om den, i grunden, är ett utbildningshjälpmedel.

Uppdragen var genomgående komplexa, och belastningen på föraren var hög. Data insamlades och bearbetades på samma sätt som under betingelsen verklig flygning. Dessutom registrerade vi olika psykofysiologiska mått som puls, ögats blinkfrekvens och blickriktning. Pulsen och ögats blinkfrekvens speglar förändringar i förarens mentala arbetsbelastning och utifrån registreringen av ögats rörelser vet vi var på presentationsytorna föraren fixerar blicken och hur ofta han växlar från en presentationsyta till en annan. Dessa mått har den fördelen att de ger en kontinuerlig beskrivning av hur föraren reagerar på situationens krav.

Samarbete med flygvapnet i USA
Registrering och analys av de psykofysiologiska måtten har genomförts i nära samverkan med amerikanska flygvapnets forskningslaboratorium i Dayton, Ohio. Samarbetet bedrivs inom ramen för ett Memorandum of Agreement mellan USA och Sverige, och vårt annex kallas pilot performance and mental workload.

Det var naturligt att pröva om den modell vi presenterat ovan också kunde beskriva resultaten från de simulerade uppdragen. Det visade sig vara fallet och de ovan beskrivna relationerna mellan de tre stegen, innefattande aspekter på uppdragskrav, mental belastning och prestation fann vi även här. Till skillnad från den förra modellen innehåller denna även psykofysiologiska mått. Vi kan därmed studera hur informationsbelastningen påverkar det psykofysiologiska skeendet.

Liksom i den förra modellen fann vi att informationskomplexiteten på indikatorerna TI och MI har en stark effekt på kapacitetsindex, dvs det mått som innefattar aspekter kring svårigheter att värdera olika informationsdelar och behovet av att ”stänga av” eller reducera informationsflödet. Av speciellt intresse är att kapacitetsindex har en stark effekt på förarens puls. En ökning av informationskomplexiteten på indikatorerna resulterar således i en ökad psykofysiologisk aktivering. Effekten är dock indirekt och förmedlas via en reducerad mental kapacitet. Det är med andra ord förarens bedömning, huruvida informationsflödet ger överbelastningseffekter, som påverkar den psykofysiologiska aktiveringen. Modellen visar inget direkt samband mellan informationskomplexitet och pulsökning. Intressant är också att det är frågorna kring behovet av att ”stänga av” eller reducera informationsflödet som visar de högsta sambanden med pulsen.

Att pulsen gradvis stiger under en anfallsfas och når sitt maximum vid tidpunkten för ”skott” för att sedan snabbt sjunka framkom här liksom i tidigare studier. Vidare ser vi att förändringarna i ögats sökbeteende (frekvensen blickväxlingar mellan olika presentationsytor) förändras på samma sätt som pulsen, men förloppen är fasförskjutna. Ögats blinkfrekvens visar ett annorlunda förlopp. När informationsbelastningen når en viss nivå, börjar blinkfrekvensen att avta eller minska för att åter öka efter det att belastningen gått ner. En förklaring är att när informationsbelastningen och koncentrationskraven blir höga under en kritisk fas har föraren, helt enkelt, ”inte råd” att blinka. En blinkning skulle kunna innebära att han missar en viktig förändring i det taktiska läget. De redovisade förändringarna, som är omedvetna, visar hur sökbeteendet och den psykofysiologiska aktiveringen direkt påverkas av ökningar och minskningar i mental belastning och koncentrationskrav. Vår asikt är att utnyttja de redovisade förändringarna som indikatorer på ”informationsflaskhalsar” i kritiska faser av ett uppdrag. Inte minst förändringarna i relationerna mellan måtten är informativa. Och ögats sökbeteende ger oss kunskap om hur olika informationskällor bör vara placerade för att underlätta arbetssituationen.

Förarens tillstånd kan styra information
I simuleringsstudien har vi visat att den psykofysiologiska aktiveringen påverkas av variabler som indikerar mental överbelastning. Vi har också visat att det psykofysiologiska skeendet tydligt speglar dynamiken i de kritiska faserna av ett uppdrag. Varför då inte återkoppla förändringar i dessa variabler till det tekniska systemet? Om information- flödet från systemet kunde anpassas till förarens aktiveringsgrad, skulle risken för informationsöverbelastning reduceras och en stabilare prestationsnivå erhållas.

En del av vårt samarbete med de amerikanska forskarna går ut på att finna psykofysiologiska variabler som, med god precision, speglar förarens aktiveringsgrad, variabler som dessutom är robusta och enkla att använda. Vi vet att dessa krav kan bli svåra att uppfylla men de är oundgängligen nödvändiga för att ett återkopplande människamaskinsystem ska kunna fungera. Idén att låta anpassa informationskomplexiteten till förarens aktuella tillstånd är inte ny, och den har studerats tidigare, men med dagens mättekniska förutsättningar tror vi att möjligheterna att lyckas nu är större.

Ny mätutrustning prövas
Under hösten prövar vi en ny mätutrustning (Vitaport2) som skaffats av FMV:prov. (Att samma typ av utrustning används av amerikanska flygvapnet, Nasa (i rymdfärjan), och av holländskaflygvapnet ger goda möjligheter till ett effektivt data- och erfarenhetsutbyte.) Vid F17 kommer vi att registrera de psykofysiologiska mått vi presenterat ovan, och i en studie vid Trafikflyghögskolan kommer vi dessutom att pröva möjligheten att registrera aktiviteten i det centrala nervsystemet med hjälp av en bärbar EEG-utrustning. Amerikanska flygvapnets forskningslaboratorium har sedan några år studerat möjligheterna att återkoppla information från människan till det tekniska systemet. Erfarenhet därifrån i kombination med våra möjligheter till metodprövning hoppas vi ska ge goda förutsättningar för en framgångsrik fortsatt forskning.

Att den verksamhet vi beskrivit förutsätter ett nära samarbete med användaren, flygvapnet, är en självklarhet. Men den förutsätter också internationell samverkan. Förutom samarbetet med amerikanska flygvapnet ger vår samverkan i EU-projektet Vinthec (Visual interaction and human effectiveness in the cockpit, www.nlr.nl/public/hostedsites/vinthec/) kunskap som vi inte har resurser att utveckla på egen hand. Vi har också lärt oss hur viktigt det är att utnyttja rön från såväl civil som militär forskning kring människan i flygsystem. Synergieffeketerna är påtagliga.

Från FOA-tidningen nr 4-1998 - www.foi.se/framsyn