Katharine Woodruff

The role and responsibilities of pilots have been evolving as advanced automation systems are being integrated for flight operations. Operator state monitoring (OSM) helps ensure safety and improve performance by detecting and predicting degraded operator state during operations. Despite growing interest in OSM, no unified framework exists that integrates impairment definitions, sensor criteria, and interface design requirements. This work is presented as a conceptual analysis that establishes a foundational framework for operator state monitoring system (OSMS) development, addressing what an OSMS should monitor, what types of operator state changes should be detected, the characteristics of sensing and communication needed to support these functions and the operational considerations that should inform future development. A literature review establishes potential impairment and incapacitation events for pilots, identifies relevant physiological features to support detection of these events, and assess the possible impact of such events on flight operations to inform a system response. Existing work concentrates on military and automotive contexts and on workload, fatigue, and drowsiness rather than the acute-event end of the impairment continuum; the framework developed here spans the normal to impaired to incapacitated range required for in-flight operations. OSMSs should be developed based on a multi-modal data approach consisting of physiological features, pilot performance and activity, aircraft state and environmental data, as well as contain a means for pilots to self-report input. Heart, breathing, and behavioral features are affected across the widest range of events, making them broad-coverage candidates for sensor selection, though breadth of coverage is distinct from diagnostic specificity and no single feature is treated as a standalone indicator. The remaining recommendations address the engineering of sensing and processing for the flight deck. Design guidance for the alert and notification interface is presented alongside the recommendations. As OSMSs mature, this framework can serve as a critical reference for developing robust, reliable, and widely accepted solutions in aviation.

نقش‌ها و مسئولیت‌های خلبانان با ادغام سامانه‌های پیشرفته خودکارسازی در عملیات پروازی در حال تحول است. پایش وضعیت اپراتور (OSM) به تضمین ایمنی و بهبود عملکرد از طریق شناسایی و پیش‌بینی افت وضعیت اپراتور در حین عملیات کمک می‌کند. با وجود افزایش علاقه به OSM، هنوز چارچوب یکپارچه‌ای که تعاریف اختلال، معیارهای حسگر و الزامات طراحی رابط را ادغام کند، وجود ندارد. این پژوهش به‌عنوان یک تحلیل مفهومی ارائه می‌شود که چارچوبی بنیادی برای توسعه سامانه پایش وضعیت اپراتور (OSMS) ایجاد می‌کند و به این پرسش‌ها می‌پردازد که یک OSMS باید چه مواردی را پایش کند، چه نوع تغییراتی در وضعیت اپراتور باید شناسایی شود، ویژگی‌های حسگری و ارتباطی مورد نیاز برای پشتیبانی از این کارکردها چیست و ملاحظات عملیاتی که باید توسعه آینده را هدایت کند کدام‌اند. مرور ادبیات، رویدادهای بالقوه اختلال و ناتوانی خلبانان را شناسایی می‌کند، ویژگی‌های فیزیولوژیکی مرتبط برای پشتیبانی از شناسایی این رویدادها را معرفی می‌کند و تأثیر احتمالی چنین رویدادهایی بر عملیات پروازی را برای اطلاع‌رسانی به پاسخ سامانه ارزیابی می‌کند. پژوهش‌های موجود عمدتاً بر زمینه‌های نظامی و خودرویی و بر بارکاری، خستگی و خواب‌آلودگی متمرکز شده‌اند تا انتهای حاد طیف اختلال؛ چارچوب ارائه‌شده در اینجا دامنه طبیعی تا اختلال‌یافته تا ناتوان‌شده مورد نیاز برای عملیات پروازی را پوشش می‌دهد. OSMSها باید بر اساس رویکرد داده‌های چندوجهی شامل ویژگی‌های فیزیولوژیکی، عملکرد و فعالیت خلبان، وضعیت هواپیما و داده‌های محیطی توسعه یابند و همچنین باید امکان ورود داده‌های خودگزارشی توسط خلبان را فراهم کنند. ویژگی‌های قلبی، تنفسی و رفتاری در گسترده‌ترین دامنه رویدادها تحت تأثیر قرار می‌گیرند و آن‌ها را به گزینه‌هایی با پوشش وسیع برای انتخاب حسگر تبدیل می‌کند، هرچند گستره پوشش با ویژگی تشخیصی متفاوت است و هیچ ویژگی به‌تنهایی به‌عنوان شاخص مستقل تلقی نمی‌شود. سایر توصیه‌ها به مهندسی حسگری و پردازش برای کابین پرواز می‌پردازد. راهنمای طراحی برای رابط هشدار و اعلان همراه با توصیه‌ها ارائه شده است. با بلوغ OSMSها، این چارچوب می‌تواند به‌عنوان مرجعی حیاتی برای توسعه راهکارهای مقاوم، قابل‌اعتماد و مورد پذیرش گسترده در هوانوردی مورد استفاده قرار گیرد.