Socio-Technical Modeling and Simulation of Airline Operations Control

Extended abstract of the dissertation "Socio-Technical Modeling and Simulation of Airline Operations Control" Abstract The goal of an Airline Operations Control Center (AOCC) is to maintain the airline schedule during each day-of- operation in order to ensure that passengers and cargo are safely and efficiently transported to their destination at the scheduled time. AOCC personnel are regularly challenged through anthropogenic or natural disruptions resulting in Irregular Operations (IRROPS). IRROPS cause canceled flights, aircraft delays, and diversions. Most optimization research concerning the AOCC to date has focused on disruption recovery strategies through mathematical Operations Research (OR) methods. The social aspect and especially the direct influence of the human in the loop is disregarded, even though still critical to operational effectiveness. This research effort aims at revealing the potential human factor influence on operational workflow effectiveness during IRROPS. A Socio-Technical System (STS) approach is discovered as an applicable framework for researching the complex environment of an AOCC, as it puts equal weight on both systems. State-of-the-art psychological and organizational research shows that the social subsystem and especially the individual’s personality as long-term predictor influences occupational behavior and job effectiveness. Computer science research suggests the Belief-Desire- Intentions (BDI)-agent concept as an abstraction for the human practical reasoning which is considered to model the individual’s intentions. State-of-the-art cognitive science research suggests to include the Five-Factor Model (FFM) as an extension to the BDI-agent concept, in order to support human psychological founded behavior. The AOCC environment is modeled through the STS approach consisting of four key elements: people and structure (social subsystem) as well as tasks and technology (technical subsystem). The fundamentals of the AOCC’s day of operation and disruption management workflows are researched and described. Current research works on modeling and simulation of the AOCC is classified according to the STS framework. Personality as human factor influence to the social subsystem is identified as research gap. In an exploratory study, Operations Control Centers (OCCs) within Air Traffic, Rail Traffic, and Energy Supply are compared to the AOCC with respect to the social subsystem. Findings show that the OCC purpose and objective can be different, but the people and structure elements of the social subsystem are similar. An Agent-Oriented Modeling (AOM) methodology is used to analyze the AOCC and represent a typical environment based on goal, role, organization, and domain model for the day of operation. A platform-independent model of personality-based behavior for AOCC personnel is designed in which the FFM represents people’s personality within the AOCC. The model is focused on Conscientiousness (C) and Agreeableness (A) out of the FFM, as both have shown significant differences between a norm population and an AOCC population in research findings. The platform-specific implementation is based on the BDI-agent architecture. A simulation model is composed in order to simulate a typical airline day of operation scenario incorporating AOCC workflow, technical systems, and people. A reference use case represents an irregular scenario with different possible scenario solutions. Experiments are defined that compare subjects of a norm population with an AOCC population and the latter with two more notional AOCC populations in order to examine the relationship between subject and solution. Monte-Carlo simulations reveal that the type of subject used has a significant effect on what disruption solution has been chosen to solve the scenario. Other experiments show that the hypothesis of higher C leading to improved operational effectiveness is supported, whereas very low to low A leads to ambivalent operational results. Further validation and experiments with regard to personality traits – and especially on A – are suggested. Nevertheless, management and human resource departments are supported in their AOCC personality choice and may consider the fact that the social subsystem, and especially the human factor of it, has a significant contribution to the overall STS performance. The results indicate that knowledge about the people and their behavior could help to design greater system acceptance. Management of change which encompasses the social subsystem is advisable to airline management when technical systems are introduced into the AOCC environment; therefore an applicable future research topic. Kurzfassung Die Hauptaufgabe der Leitzentrale einer Fluggesellschaft ist die Überwachung und das Aufrechterhalten der geplanten und täglich durchzuführenden operationellen Abläufe. Ziel ist es, dass Passagiere und Fracht ihre Destination sicher, effizient und pünktlich erreichen. Das Personal einer Leitzentrale sieht sich ständig durch unregelmäßige operative Abläufe herausgefordert, die durch menschliche oder natürliche Störungen verursacht werden. Diese Störungen können gestrichene Flüge, Flugzeugverspätungen und Ausweichlandungen zur Folge haben. Bisherige Forschungen zur Optimierung der Abläufe in der Leitzentrale haben sich hauptsächlich mit mathematischen Methoden zur Wiederherstellung der operationellen Abläufe beschäftigt. Die sozialen Aspekte – und hier vor allem der menschliche Faktor in Entscheidungssituationen – wurden bisher wenig betrachtet. Sie sind aber nach wie vorentscheidend für die operationelle Effizienz. Das Ziel dieser Arbeit ist daher das mögliche Optimierungspotential innerhalb von Störungssituationen durch veränderbares menschliches Handeln aufzuzeigen. Um die komplexe Umgebung einer Leitzentrale zu untersuchen, wird ein sozio-technischer Systemansatz (STS) vorgeschlagen, der sowohl auf das technische wie auch auf das soziale Teilsystem das gleiche Gewicht legt. Heutiger Stand psychologischer und organisatorischer Forschung zeigt, dass die Persönlichkeit eines Einzelnen ein langfristiger Leistungsprädiktor im berufsbezogenen Kontext ist. Forschungen in der Informatik schlagen vor das Belief-Desire-Intentions (BDI)-Agentenkonzept – für logische Denk- und Entscheidungsprozesse eines Einzelnen – zur Modellierungen von Absichten anzuwenden. Mit Erkenntnissen aus der Kognitionsforschung lässt sich die BDI-Agentenarchitektur mit dem Fünf-Faktoren-Persönlichkeitsmodells (Five-Factor Model (FFM)) erweitern, um psychologisch fundiertes Verhalten zu unterstützen. Die Leitzentrale wird mit dem STS bestehend aus vier Kernelementen modelliert: Menschen und organisatorische Strukturen als soziales Teilsystem, sowie Arbeitsaufgaben und Technologien als technisches Teilsystem. Mit diesem Ansatz werden die grundsätzlichen Elemente, Abläufe und die Vorgehensweise im Störfall in einer Leitzentrale untersucht und betrachtet. Der aktuelle Stand der Forschung bezogen auf die Modellierung und Simulation einer Leitzentrale von Fluggesellschaften wird durch den STS kategorisiert. Hierbei ergibt sich als Forschungslücke, dass alle bisherigen Arbeiten den menschlichen Einfluss innerhalb des sozialen Teilsystems nicht betrachtet haben. In einer explorativen Untersuchung werden Leitzentralen im Bereich Flugsicherung, Schienenverkehr und Energieversorgung mit Leitzentralen von Fluggesellschaften verglichen. Die Ergebnisse zeigen, dass Zielsetzung und Zweck einer Leitzentrale unterschiedlich sein können, das soziale Teilsystem aber durchaus Gemeinsamkeiten aufweist. Mit dem agentenbasierten Modellierungsansatz wird eine typische Leitzentrale bezogen auf ihre tägliche Zielsetzung, Organisation, Wirkungsstätte und Rolle konzeptionell modelliert. In einem zweiten Schritt wird ein plattformunabhängiges Verhaltensmodell entwickelt, das auf Grundlage des FFM zur Modellierung von Persönlichkeit verwendet wird. Das Model konzentriert sich auf die zwei Charakterzüge Gewissenhaftigkeit (engl. Conscientiousness) und Annehmlichkeit (engl. Agreeableness), da diese in Forschungsuntersuchungen zwischen einer Normpopulation und einer Population von Mitarbeitern einer Leitzentrale signifikante Unterschiede aufwiesen. Die plattformspezifische Umsetzung basiert auf der BDI-Agentenarchitektur. Mit dem Entwurf eines Simulationsmodells kann ein Anwendungsfall mit den typischen Abläufen, technischen Systemen und den Menschen innerhalb einer Leitzentrale simuliert werden. Hierfür wird ein Referenzstörfall mit verschiedenen Lösungen betrachtet. In Experimenten werden Testpersonen basierend auf einer realen Normpopulation und einer realen Population einer Leitzentrale verglichen. Letztere wird zusätzlich mit zwei angenommenen Populationen verglichen. Mit Hilfe von Monte-Carlo Simulationen kann ein signifikanter Zusammenhang zwischen der Auswahl einer Lösung im Störfall und der angewandten Population festgestellt werden. In Bezug auf die direkten, operationellen Kosten und die Dauer der Verspätungen für Passagiere kann festgehalten werden, dass Testpersonen der Leitzentrale verglichen mit der Normpopulation geringere Kosten und weniger Verspätungen verursachen. Die weiteren Experimente zeigen, dass die Hypothese einer höheren Gewissenhaftigkeit zu verbesserter operativer Effizienz führen kann, eine niedrigere Annehmlichkeit aber nicht zwingend zu eindeutigen operationellen Ergebnissen führt. Weitere Forschungen und Experimente sind notwendig, um Persönlichkeitsmerkmale und hier speziell Annehmlichkeit zu untersuchen. Zusammenfassend kann festgestellt werden, dass die Führungs- und Personalabteilungen einer Fluggesellschaft in ihrer Auswahl von Persönlichkeiten für eine Leitzentrale grundsätzlich richtig zu liegen scheinen. Schließlich zeigen die Ergebnisse, dass das soziale Teilsystem – und hier speziell der menschliche Einfluss – eine signifikante Auswirkung auf das Gesamtsystem und damit die operationellen Ergebnisse haben kann. Das Wissen über das Verhalten von Personen kann dazu beitragen eine größere Akzeptanz von technischen Systemen herbeizuführen. Daher wird für zukünftige Forschungen Untersuchungen im Bereich des Managements von Veränderungsprozessen im sozialen Teilsystem, begleitend zur Einführung von technischen Teilsystemen vorgeschlagen.