Future information and assistance systems for train drivers and evaluation of their usability

Even though train protection systems are used to avoid critical situations, the train driver remains responsible for the continuous monitoring of signal aspects and derivation of suitable actions. This requirement persists, although the position of signals shifts more and more from external signals to in-cab displays, especially with advanced levels of train protection and automatic train control. Errors in the detection and interpretation of signal- or display information and driver distraction may lead to severe accidents. Aim of our research at the Institute of Transportation Systems (ITS) is to develop innovative concepts of the train driver’s workplace in order to secure a safe and efficient railway system that keeps the driver ‘in the loop’. Therefore, we follow a user centred approach. The train driver participates directly in the development and evaluation process of new systems supporting the work in the driver’s cabin. Using our driver’s cabin simulator recently built at the ITS as a flexible vehicle platform in a simulation environment, we are able to investigate the driving behaviour and the train driver’s information processing during his or her task. From the results, we derive concepts in order to optimize the presentation of necessary information and give recommendations how to assist the train driver. In the present paper, first concepts for supporting the train driver in keeping attention and also our simulation environment and the methodology used are described

Nutzerzentrierte Systemgestaltung am Fahrdienstleiterarbeitsplatz

Im Rahmen eines Projektes wurde eine Kollaboration von Wissenschaftlern des DLR mit ausgebildeten Fahrdienstleitern im dualen Studium an der Fachhochschule Erfurt etabliert. Vor dem methodischen Hintergrund des Usability Engineering wurde in dieser Zusammenarbeit eine innovative Interpretation der Bedienoberfläche des Elektronischen Stellwerkes (ESTW) erarbeitet (siehe Kurzbericht in SIGNAL+DRAHT 03/2013). Erste prototypische Gestaltungsentwürfe für ein nutzerfreundlicheres ESTW von morgen wurden in einem iterativen Prozess aus Entwurfs- und Feedbackphasen in enger Zusammenarbeit mit Fahrdienstleitern als Systemexperten erarbeitet. Der Entwurf zeichnet sich durch eine gezielte Reduzierung der zentralen Anzeige- und Bedienebene auf einen einzigen Monitor aus

Epigenetische und funktionelle Charakterisierung der 5'-upstream Region des menschlichen FMR1 Gens

Das mit der Folat-sensitiven fragilen Stelle FRAXA assoziierte fragile X mentale Retardierung Gen 1 (FMR1) liegt auf dem menschlichen X-Chromosom (Xq27.3). Die instabile Amplifikation einer 5'-(CGG)n-3' Repetition in der 5'-nicht-translatierten Region des ersten Exons des FMR1 Gens kann zu drei phänotypisch verschiedenen Krankheiten führen, zur fragilen X assoziierten vorzeitigen Ovarialinsuffizienz, zum fragilen X assoziierten Tremor/Ataxie Syndrom und zum fragilen X Syndrom (FXS). Im Rahmen dieser Doktorarbeit konnte erstmals eine deutliche Methylierungsgrenze in einem Bereich von 650 bis 800 Nukleotiden stromaufwärts der 5'-(CGG)n-3' Repetition des FMR1 Gens aufgezeigt werden. Diese durch Bisulfit-Sequenzierung identifizierte Methylierungsgrenze ist konserviert und kommt unabhängig vom Alter, Geschlecht und Entwicklungsstadium in allen menschlichen Zelltypen und Zelllinien vor. Die Übergangsregion der Methylierungsgrenze im 5'-gelegenen Bereich stromaufwärts des menschlichen FMR1 Gens bindet spezifisch Kernproteine. Auch in verschiedenen Geweben der Maus konnte eine deutliche Methylierungsgrenze nachgewiesen werden, obwohl die Nukleotid-Sequenz vor der 5'-(CGG)n-3' Repetition des homologen Fmr1 Gens des X-Chromosoms der Maus (A7.1) mit dem menschlichen FMR1 Gen nur zu 46,7% identisch ist. Der Bereich stromaufwärts des menschlichen Huntingtin Gens (HTT) auf dem kurzen Arm des Chromosoms 4 (4p16.3), mit einer 5'-(CAG)n-3' Repetition im kodierenden Bereich des ersten Exons, weist ebenfalls eine deutliche Methylierungsgrenze auf. Die Transformation von menschlichen Zellen ohne FXS durch Epstein-Barr-Virus oder Telomerase führt nicht zur Destabilisierung der Methylierungsgrenze und zur Ausbreitung der DNA-Methylierung in Richtung des FMR1 Promotors. Die eingebrachte fremde DNA führte jedoch in einem unbekannten Mechanismus zu einem Verlust der DNA-Methylierung in dem ursprünglich stark methylierten Bereich, der weiter stromaufwärts zur Methylierungsgrenze liegt. Eine ähnliche Abnahme der Methylierung wurde auch in Zellkultur wachsenden, nicht-transformierten FXS Fibroblastenzellen beobachtet. Die DNA von FXS Individuen zeichnet sich durch den Verlust der Methylierungsgrenze und Ausbreitung der DNA-Methylierung stromabwärts bis in den FMR1 Promotor aus. Die Analyse der FXS Genome ergab keine Mutationen oder Veränderungen, verglichen mit der normalen DNA-Sequenz des Menschen. Der FXS-assoziierte Verlust der Methylierungsgrenze kann folglich nicht einfach durch eine mutierte Nukleotid-Sequenz erklärt werden. In dem fast vollständig de novo methylierten FMR1 Promotorbereich in FXS Individuen wurden isoliert nicht-methylierte CpG-Folgen gefunden. Diese isoliert nicht-methylierten CpG-Folgen sind nur bei einer de novo Methylierung in lebenden Säugerzellen und Organismen nachweisbar, aber nicht während der in vitro Methylierung der gleichen FMR1 Sequenz durch die bakterielle SssI-Methylase. In weiblichen Vollmutations-Trägerinnen war die ursprüngliche Methylierungsgrenze nur noch in wenigen DNA-Molekülen intakt. Bei männlichen wie weiblichen Prämutations-Überträgern konnte eine stabile Methylierungsgrenze nachgewiesen werden, ebenso in den männlichen Vollmutations-Trägern ohne FXS aber mit expandierter 5'-(CGG)n-3' Repetition, den sogenannten high-functioning males (HFM). Eine stabile Methylierungsgrenze in den HFM scheint von wesentlicher Bedeutung für die Funktionsfähigkeit des FMR1 Promotors zu sein. Die Wichtigkeit der Methylierungsgrenze wird zudem unterstützt durch den Verlust der Methylierungsgrenze im regulatorischen Bereich des Entwicklungs-relevanten menschlichen FMR1 Gens im fragilen X Syndrom. Eine spezifische Chromatinstruktur im Bereich der Methylierungsgrenze könnte für die Stabilität verantwortlich sein und eine Ausbreitung der DNA-Methylierung über die Promotorregion des FMR1, Fmr1 und HTT Gens verhindern. Die Aufrechterhaltung der Methylierungsgrenze des FMR1 Gens könnte somit ein wichtiger Faktor für den Schutz gegen das fragile X Syndrom sein

From GoA2 to Remote Operation. Workplaces in highly automated rail

During the last years, the projects Next Generation Railway System, Next Generation Train, and Digitalization and Automation of the Railway System, enabled a series of studies regarding the train driver’s workplace at the German Aerospace Center. This research focused the changes in train drivers’ tasks and workplace environments as well as changes in demands on train drivers with increasing digitalization and automation of the Railway System. Increasing grades of automation impact the ways in which the staff can contribute to overall system performance and safety (Brandenburger, Naumann, & Jipp, 2019). First, we present experimental results on the effects of intermediate grades of automation (GoA2, International Association of Public Transport, 2012) on train driver performance, fatigue, workload, situation awareness and attention allocation. At GoA2, Automatic Train Protection (ATP) is side lined by technological automatic train operation (ATO) responsible for automatic speed adjustment, while the train driver in the cabin remains in charge of monitoring instrument panel and track, thus ensuring the safety of the trip. This implies continuous monitoring of an automated system but at the same time having to react quickly and correctly in a critical situation. In line with broader theory, our results reveal unfavourable effects on workload, fatigue and performance (e.g. Brandenburger & Jipp, 2017; Brandenburger, Thomas-Friedrich, Naumann, & Grippenkoven, 2018). Second, these results concerning GoA2 are compared to research on high grades of automation and its effect on the involved human operator. There, we currently focus on GoA3, where the train driver is no longer available in the cabin, while speed adjustment, track integrity checks and all safety- relevant tasks are executed by ATP and ATO technology. Nevertheless, the driverless operations need to be monitored from a control room. We propose a role change from the train driver to the role of a train operator, a member of staff that is automatically requested by the driverless trains to remotely diagnose or manually drive any train in a particular area, once the ATO functionality reaches its limits and disruptions occur (Brandenburger & Naumann, 2018b). The task environment of a train operator comprises tasks that are not necessarily related to a particular train (e.g. communication, planning, or monitoring the traffic in the area) as well as tasks that come up after manual intervention is requested by a particular train in cases of irregularity (e.g. on- sight driving, speed adjustment, communication with passengers, or diagnosis; Brandenburger & Naumann, 2018a). At the German Aerospace Center, we developed a prototypical workplace environment for the future train operator. This prototype is in continuous further development and improvement. Here, the current state of the design will be presented, and first results on the effects on the train operator will be contrasted with our results for GoA2. In summary, we assume that limited capacity gains as well as the human factors challenges of GoA2 may turn the favourability towards GoA3 operation with an operator role that enables a more effective human contribution to the overall railway system performance, safety and reliability (Brandenburger & Naumann, 2019)

Reinterpreting the health in all policies obligation in Article 168 TFEU: the first step towards making enforcement a realistic prospect

The EU Treaties oblige the EU institutions to take health objectives and concerns into account in all policy fields. Nevertheless, this obligation is only marginally honoured in many EU policy areas at best. One problem is the lack of enforcement options to pursue further implementation. This paper examines the obligation to ‘mainstream’ health in Article 168 TFEU and demonstrates the difficulties in enforcing the obligation in more detail. It then offers a new, deeper interpretation of the contents of the mainstreaming obligation and discusses how this definition may be used to facilitate better enforcement in the future

Bahnarbeitsplätze im Wandel

Die zunehmende Digitalisierung und Automatisierung des Bahnsystems führen auch zu einem sukzessiven und mittlerweile deutlich spürbaren Wandel in Bezug auf die Arbeitsplätze im Schienenverkehr. Am Institut für Verkehrssystemtechnik des Deutschen Zentrum für Luft- und Raumfahrt e.V. (DLR) werden diese Veränderungen und deren Konsequenzen im Zusammenspiel aus Mensch, Technik und Organisation betrachtet. Auch in einem weitgehend automatisierten Bahnsystem ist der Mensch, vor allem mit seinen Stärken im komplexen Problemlösen, Entscheiden und Diagnostizieren, unverzichtbar. Damit ergeben sich auch neue Chancen und Ansätze, wie er zu einem effizienten und sicheren Bahnbetrieb beitragen kann. Insbesondere im Rahmen höherer Automatisierungsstufen ergeben sich neue Aufgabenteilungen zwischen Mensch und Technik, sich verändernde Aufgaben für Zug- und Leitstellenpersonal und gegebenenfalls auch gänzlich neue Rollen und Berufsbilder für das Personal. Am DLR werden daher in verschiedenen Forschungsprojekten aktuelle Entwicklungen im Bereich der Automatisierung aus Human-Factors-Sicht analysiert und aus den Ergebnissen Gestaltungsempfehlungen für die nutzerzentrierte Gestaltung zukünftiger Bahnarbeitsplätze abgeleitet. Ein wichtiges Ziel ist hierbei, die jeweiligen Stärken von Mensch und technischem System zu nutzen und eine optimale Aufgabenteilung zwischen beiden zu erreichen

Evaluation of Human-Machine-Interfaces for Rail Signaler

The design of the human-machine interface (HMI) in socio-technical systems is important for the overall performance and safety of the socio-technical system. Poorly designed HMI can result in performance decrements, an increase in mental workload, and higher human error rates. In safety critical systems, such as the railway system, the performance of operators and the avoidance of errors – and, thus, the design of HMI – are especially important to avoid fatal consequences. One crucial operator for the safety of the railway system is the rail signaler. Rail signalers therefore need an HMI that optimally supports their tasks. Several generations of interlockings and HMI for interlockings are still in use in the German railway system. The newest HMI that is currently in use is the computer-based HMI for electronic interlockings. The HMI for electronic interlockings was developed in 1985 and implemented into active use in 2000. The layout and design of the HMI has hardly changed since then. In the past, HMI in the railway domain were designed with a focus on technical issues; usability and human factors were not considered in the design of most HMI. No studies have been published detailing if and how usability related criteria were integrated in the development of the HMI for electronic interlockings. Most importantly, the HMI for electronic interlockings has not been evaluated comprehensively with regard to human factors. There are no data regarding potential issues resulting from the design of the HMI apart from HMI-analyses in the aftermath of accidents. Therefore, a study was conducted aimed at evaluating the HMI for electronic interlockings regarding mental workload, subjective situation awareness, and usability. In addition, the HMI for electronic interlockings was compared to a new HMI developed in a user-centered design process. In a simulator study, rail signalers worked with both HMI during normal operations and a disruption. Findings showed that the HMI for electronic interlockings and the new HMI resulted in a similar mental workload and subjective situation awareness. However, the usability of the HMI for electronic interlockings was not acceptable. In contrast, the new HMI achieved significantly better and acceptable results for usability. These findings illustrate that the integration of human factors in the evaluation and development of HMI in the railway domain is of central importance. If HMI are designed with a focus on the technical side, this can lead to HMI with numerous human factors issues, as is illustrated by the inacceptable results for usability of the HMI for electronic interlockings found in this study. An HMI with an inacceptable usability can increase the danger of human error and can reduce productivity, which is undesirable especially in a safety critical system. This study showed that the early integration of user needs in the design process of a new HMI through a user-centered design process can improve the outcomes for usability in an HMI for the railway domain. Thus, the human as a factor should always be front and center in the development and evaluation of HMI in the railway domain

ARTE - a technical solution for driverless trains on non-ETCS lines

The project ARTE (Automated Regional Trains in Lower Saxony) has been running since January 2022 with the aim of researching driverless operation on regional lines without ETCS track equipment. Test runs in GoA3, GoA4 and remote operation are scheduled for summer 2024. This article describes the technical solution to this problem and makes reference to the evolving European standards

Flexible Arbeitsumgebungen für die ATO-Rückfallebene

Auch für den fahrerlosen automatisierten Vollbahnbetrieb ist für den technischen Störfall eine Rückfallebene mit menschlichem Eingreifen zwingend erforderlich. Da im fahrerlosen Betrieb kein Triebfahrzeugführer (Tf) zur Verfügung steht, müssen für diese Rückfallebene neue Konzepte erarbeitet werden. Im vorliegenden Beitrag werden erste Ansätze aufgezeigt, welche Aufgaben beispielsweise von einem Zugbegleiter oder Remote Operator übernommen werden könnten, wie eine Interaktion zwischen den beiden Rollen stattfinden könnte und wie moderne Technologien mit verringerter technischer Ausstattung die Arbeitsumgebung flexibilisieren können