Квалиметрический метод рационального формирования двухчленного экипажа воздушного судна
Экз. №_______
На правах рукописи
Чупинин Виталий николаевич
Квалиметрический метод рационального формирования двухчленного экипажа воздушного судна
Специальности:: 05.22.14 – Эксплуатация воздушного транспорта
05.26.02 – Безопасность в чрезвычайных ситуациях (воздушный транспорт)
Автореферат
диссертации на соискание ученой степени
кандидата технических наук
подпись соискателя
Москва – 2010
Работа выполнена в ФГУ «13 Государственный научно-исследовательский
институт Минобороны России»
Научный руководитель: доктор технических наук, профессор
Мусин Сергей Миргасович
Научный консультант: доктор физико-математическийх наук
Сиротин Андрей Николаевич
Официальные оппоненты:
доктор технических наук, старший научный сотрудник
Попов Юрий Васильевич
(Межгосударственный авиационный комитет)
кандидат технических наук
Криницын Сергей Владимирович
(ФГУ «13 ГНИИ Минобороны России»)
Ведущая организация: ГОУ ВПО «МГТУ ГА»
Защита состоится «___» ____________2010 г. в ____
на заседании диссертационного совета Д 315.002.01 в ГосНИИГА по адресу: 125, г. Москва, ул. Михалковская, д. 67, корп. 1
С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ГосНИИГА
Отзыв на автореферат в двух экземплярах с подписью составителя, заверенный печатью организации, просим направлять в адрес диссертационного совета
Автореферат разослан «___»___________2010 г.
Ученый секретарь диссертационного совета
кандидат технических наук А.Е. Байков
__________________________________________________________________
В автореферате пронумеровано 20 стр.
Формат бумаги 60х84 1/16 – 1,0 п.л.
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
Актуальность темы. Проблема «человеческого фактора», в терминологии ИКАО «ошибка человека», является ключевой в современной авиационной аварийности. Мировое авиационное сообщество вкладывает значительные материальные затраты в исследования в области «человеческого фактора», однако до настоящего времени проблема не может считаться исчерпанной. Методы проектирования и изготовления авиационной техники с учетом возможностей человека, отбора и обучения летного персонала, психологических аспектов комплектования экипажей, социальных проблем деятельности летного состава либо не достаточно изучены, либо плохо внедряются.
По данным ИКАО каждое третье происшествие из четырех является «результатом сбоя в работоспособности человека». Отечественные данные свидетельствуют, что доля авиационных событий, имеющих одним из факторов ошибку экипажа, составляет 60…80% от общего их числа.
Из всех существующих категорий авиационных специалистов наибольшая заинтересованность в благополучном завершении полета, безусловно, принадлежит летному экипажу. Именно экипаж подвергается непосредственной угрозе жизни, несет моральную и юридическую ответственность за исход полета, испытывает целый ряд социальных последствий происшествия, зачастую радикально меняющих их дальнейшую жизнь.
Проблема ошибок экипажа изучается на теоретическом и практическом уровне специалистами разных направлений и уровня подготовки: В.А. Пономоренко, Р.А. Теймуразов, В.Е. Овчаров, А.В. Ефремов, Г.П. Шибанов и др. Результаты исследований указанных ученых соотносятся с действиями и состоянием экипажа с психологическими характеристиками его членов и их психологической совместимости. Работы А.Г. Гузия, Б.А.Зубкова и др. посвящены методологическим вопросам оценки и управлению рисками выхода параметров полета за эксплуатационные ограничения, которое рассматривается как инструмент обеспечения безопасности полетов.
В отечественной практике применение гражданских воздушных судов с двух членным экипажем осуществлялось только на малых самолетах типа АН-2, АН-3 (12 пассажиров) АН-14, Л-410 и др. общей вместимостью пассажиров до 20 человек. Начиная с 2000 г. в России активно стали применяться пассажирские воздушные суда типа А-320, А-330, Боинг-737, Боинг-767 и др. с двухчленным экипажем вместимостью более 100 пассажиров, что привело к росту общего количества авиационных событий: 9 в 2000 году и 26 в 2008 году за счет увеличения числа ошибочных действий двухчленными экипажами.
Эксплуатация многодвигательных воздушных судов двухчленным экипажем имеет определенную особенность, определяемую невозможностью иметь суждения для мажоритарного принятия решения при потере пространственной ориентации командиром экипажа или его неправильных действиях при парировании особых ситуаций полета. Благополучное завершение полета зависит от слаженности экипажа и его общего психофизического состояния нацеленного на правильное парирование особых ситуаций.
Исследования в области системного анализа деятельности человека в системах «человек – техника» показывает, что одним из путей повышения эффективности действий экипажа в особых ситуациях является широкое использование методов квалиметрии при выборе экипажа с учетом его ремнантно-функциональных особенностей - неоднозначностью ответной реакции пилота на особые ситуации полета.
Для рационального формирования двухчленного экипажа необходима количественная оценка пилотов по реализации каждой из выполняемых задач. Исходя из принципа инженерной психологии, что высококвалифицированный человек-оператор действует почти оптимальным образом при решении задачи управления с учетом своих ограничений и своего уровня понимания задач, количественная оценка может быть выполнена на основе реализации четырех последовательных этапов.
На первом этапе предполагается:
получение системы математических выражений, устанавливающих взаимосвязь между ремнантно-функциональными особенностями пилота и воспринимаемой им информацией;
анализ основных характеристик пилота как элемента системы «человек – воздушное судно»;
выбор основных показателей, от которых в существенной мере зависит эффективность функционирования экипажа.
На втором этапе дается математическое описание влияния на деятельность пилота:
внешней среды (перегрузки, ускорения, скоростные изменения пространственного положения и т.д.);
его морального состояния;
дефицита времени;
ограничений, определяемых особенностями авиационной техники.
На третьем этапе осуществляется математическое описание реализуемых пилотом процессов информационного поиска, переработки информации, принятия решения и формирования управляющих воздействий в различных режимах полета. Определяется целевая функция квалиметрической оценки пилота.
Четвертый этап состоит в использовании полученных на предыдущих этапах математических выражений и моделей для непосредственного выбора экипажа, позволяющего сохранять высокий уровень безопасности полета в особых ситуациях.
Целью исследования в данной диссертационной работе является: повышение безопасности полетов воздушных судов с двухчленным экипажем за счёт его рационального формирования на основе учета ремнантно-функциональных связей.
Исходя из поставленной цели, в диссертационной работе решены следующие основные задачи:
- разработана математическая модель эвристической оценки инженерно-психологических качеств экипажей;
- разработана методика выбора двухчленного экипажа.
Основные задачи диссертационной работы решались с использованием методов квалиметрии и теории ремнантно-функциональных связей в области психологии. При решении частных задач использованы методы математического моделирования, физического и факторного эксперимента, математической логики и статистики, теории оптимизации. Исследование эффективности предлагаемых алгоритмов осуществлялось с использованием современных цифровых вычислительных машин класса ПЭВМ. В качестве объекта исследования выбраны экипажи ОАО «Аэрофлот - Российские авиалинии».
Научная новизна работы состоит в решении научной задачи по разработке эвристической методики формирования двухчленного экипажа на основе учета ремнантно-функциональных связей, которая содержит:
- способ формализации полетов по степени опасности, включающий обобщенную информацию о структуре и состоянию всех составных частей полета, целях функционирования, имеющихся ресурсов по управлению;
- математическую модель принятия решения по выбору экипажа;
- комплексный подход к решению задачи выбора двухчленного экипажа с использованием ремнантно-функциональных связей и теории оптимизации.
Предложенная методика позволяет достаточно объективно сформировать экипажи, не допуская в их составе негативного взаимовлияния, и снизить риск авторитарного субъективизма.
Основные научные результаты реализованы при разработке:
«Программы дополнительной подготовки пилотов для переучивания на воздушное судно А-320», которая применяется в ОАО «Аэрофлот – Российские авиалинии».
методических рекомендаций по разработке интеллектуальных обучающих систем с автоматизированным контролем уровня обученности специалистов по авиационной эргономике (НИЦ АКМ и ВЭ);
методики рационального формирования двухчленного экипажа воздушного судна (ОАО «Аэрофлот – Российские авиалинии», СБП ВВС РФ).
На защиту выносятся:
1 Математическая модель прогнозируемой оценки качества выполнения экипажем задач полёта.
2 Квалиметрической метод оценки пилотов в рамках концепции оптимизации работы экипажа.
3 Методика рационального формирования двухчленного экипажа воздушного судна.
4 Рекомендации по применению квалиметрической методики рационального формирования двухчленного экипажа воздушного судна.
Достоверность результатов определяется использованием положений теории квалиметрии и исследования операций, теории управляемости летательных аппаратов, теории случайных процессов, теории вероятности, анализом влияния наиболее существенных факторов на исследуемые процессы, достаточно высокой согласованностью мнений экспертов при оценке используемых показателей и подтверждается сходимостью результатов решения рассматриваемой задачи с практикой применения в условиях резкого увеличения загруженности экипажей в авиакомпании «Аэрофлот - Российские авиалинии».
Практическая ценность работы состоит в том, что разработанная методика позволяет формировать программы переподготовки пилотов с учетом их психико-физиологических особенностей работы в составе двухчленного экипажа, осуществлять выбор состава экипажей, где максимально снижен риск негативного взаимовлияния командира воздушного судна и второго пилота, что позволяет обеспечить высокую безопасность полета.
Реализация результатов исследования. Основные научно-методические разработки внедрены в ОАО «Вологодское авиапредприятие», ОАО «Аэрофлот – Российские авиалинии», ФГУ «13 ГНИИ Минобороны России» и в Службе безопасности полетов авиации Вооруженных сил Российской Федерации:
Апробация. Основные положения и результаты проведенных исследований докладывались и обсуждались на научно-технических Советах, семинарах и научно-технических конференциях в ОАО «Аэрофлот – Российские авиалинии», ФГУ «13 ГНИИ Минобороны России» (2008…2010 гг.), на 18-й научно-практических конференции Общества независимых расследователей авиационных происшествий (2010 г.).
Публикации. Основное содержание диссертации изложено в 2 отчетах о НИР, 2 методических рекомендациях и 4 статьях.
Структура и объем работы. Диссертация изложена на 134 страницах машинописного текста и состоит из введения, трех глав с выводами, заключения по работе, списка использованной литературы. Диссертация иллюстрирована 15 рисунками и 5 таблицами.
СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ
Во введении подчеркнута актуальность работы, дана её общая характеристика, определены объект и предмет исследования.
В первой главе рассматриваются современные требования к подготовке летного состава в области CRM&ЧФ, существующие методы инженерно-психологической оценки качества выполнения экипажем задач полета при особых ситуациях. В авиации понятие «особая ситуация» (ОС), определяется как ситуация, складывающаяся в результате возникновения неблагоприятных факторов. По степени опасности ОС разделяются на следующие: усложненные ситуации; сложные (опасные) ситуации; аварийные ситуации; катастрофические ситуации.
Установлено, методология выбора двухчленного экипажа воздушного судна недостаточно разработана, имеет ряд существенных недостатков, что снижает безопасность полётов, вплоть до авиационных катастроф. Анализ существующих методов указывает на необходимость применения современных математических и эвристических подходов и методов. Предлагается новый подход к решению указанной актуальной задачи, основанной на использовании методов квалиметрии. Сформулирована задача исследований и выбран, в качестве основного, алгоритм квалиметрической оптимизации.
Приведены условия, при которых задачу рационального формирования двухчленного экипажа целесообразно рассматривать как иерархическую многоуровневую, а именно:
в указанной постановке обеспечивается компромисс между простотой описания и необходимостью учета многочисленных поведенческих характеристик деятельности пилота при многоканальном управлении воздушным судном;
положения теории позволяют выбрать интегральный критерий оценки успешного выполнения экипажем задач полета;
обоснованно применить эвристические процедуры квалиметрической оценки деятельности экипажа;
применить метод стратификации ремнантно-функциональных особенностей экипажа;
рассматривать задачу как оптимизационную;
решить задачу в условиях конфиденциальности мероприятий и результатов с соблюдением морально-этических норм.
Показано, что методология выбора двухчленного экипажа воздушного судна недостаточно разработана, имеет ряд существенных недостатков, что снижает безопасность полетов, вплоть до авиационных происшествий. Существенным недостатком методологии подготовки и переучивания пилотов является выраженное авторитарное управление в организационном поведении целеавтономной системы автократического типа, а существующие методики и модели деятельности летных экипажей рассматриваются без учета их ремнантно -функциональных связей.
Рассматриваемый квалиметрический метод рационального формирования экипажа на основе оценки подготовленности экипажа с учетом индивидных ремнантно-функциональных связей, обладая высокой степенью обобщения, позволяет рационально с точки зрения безопасности полетов проводить комплектование экипажей в авиакомпаниях
Вторая глава посвящена созданию методики квалиметрического выбора двухчленного экипажа. На основе единичной совокупности показателей качества операторской деятельности экипажей в различных ситуациях полёта, критериями эффективности их деятельности определена минимальная совокупность свойств, составляющих пространство моделей оценки качества выполнения экипажем задач рейса.
Цели функционирования системы летной подготовки экипажей представляем в виде набора последовательностей состояний модели (иерархической модели), ведущих к поставленным целям. Информационный образ ситуации осуществляется путем сжатия информации о фактических состояниях авиационных комплексов Сф, целям его предназначения (целевых состояниях Сц) и имеющихся ресурсах по управлению Rу: 
. Имеющийся в ситуации 
ресурс по управлению 
расходуется на выработку и реализацию двух составных частей общего управления W(t), а именно управление 
по достижению целей и управление 
по обеспечению безопасности.
(1)
где и - коэффициенты, зависящие от степени опасности ситуации и характеризующие долю ресурсов, расходуемых на данный вид управления ( - показатель экономичности, - показатель колебательности).
Соотношение коэффициентов и определяется по оценке степени опасности ситуации методом “достраивания событий”, заключающегося в том, что рассматриваются все возможные пути перехода из данного состояния в состояние, признанное катастрофической ситуацией.
Процесс достраивания выразим в виде логического уравнения:
, (2)
где 
- событие рассматриваемого функционального отказа,
- катастрофическое событие из множества катастрофических событий,
- цепь событий (сочетание дополнительных событий), «достраивающая» событие 
до события 
.
, (3)
где 
события из множеств 
соответственно, т.е. функциональные отказы или их сочетания, значения параметров области ограничений эксплуатации ВС, ошибки экипажа, которые совместно с 
приводят к 
.
Равновесным состоянием 
является опасность 
, которую рассматриваем как граничную или предельную, т.е. ещё весь ресурс 
расходуется на то, чтобы достигнуть заданных целей. В случае возникновения неблагоприятных событий (отказов, ошибок и т.д.) ситуация переходит в разряд аварийных 
, так как происходит ухудшение состояния системы 
, цель 
становится недостижимой при имеющихся ресурсах. В этом случае необходимо использовать управление 
для улучшения состояния системы 
, либо увеличение ресурсов 
или изменения цели, упростив целевое состояние 
.
Таким образом, диапазон 
соответствует классу аварийных и катастрофических ситуаций. Указанному диапазону сопоставляем шкалу перераспределения ресурсов по величине опасности в виде изменения значений коэффициентов и, при этом коэффициенты коррелированны с параметрами экипажа. Корреляция отражает варианты изменения величин и, обеспечивающие как «боязнь» опасности в конкретных условиях и раннюю выработку защитной реакции на увеличение опасности, так и более рискованные стратегии поведения, но более энергичной реакцией на опасность.
Ситуации, где опасность близка к 1,0, соответствуют аварийным ситуациям. Если 
очень близка к 1,0 - ситуация катастрофическая. Это означает, что состояние системы и ее ресурсы по управлению не позволяют всеми имеющимися средствами и способами достичь даже самых минимальных целей.
Если 
, то это означает, что соотношение целевого и фактического состояний благоприятное (
меньше 
) и имеются резервы. В этом случае состояние и ресурс системы позволяет усложнить цели функционирования или парировать возможное ухудшение состояния 
и ситуацию в целом при появлении неблагоприятных факторов.
На основании положений теории иерархических многоуровневых систем сформулированы объективные критерии оценки деятельности экипажа при многоканальном управлении воздушным судном. Эти положения обеспечивают компромисс между простотой описания и необходимостью учета многочисленных поведенческих характеристик системы. В двух уровневой системе принятия решений пилот выступает как в роли вышестоящего элемента, обобщающего информацию о фазовых координатах и принимающего решение, так и в роли нижестоящего элемента, осуществляющего локальное регулирование в каждом контуре управления воздушным судном.
Качество выполнения задачи полета оценим функционалом S, представляющим собой меру близости действительной программы полета Y(t) к заданной программе X(t) в дискретной форме, пригодной для программирования, имеет вид:
, (4)
где 
- фазовые координаты программы полёта летательного аппарата; 
- фазовые координаты заданной программы полета (центрирующий параметр функционала);
- фазовые координаты области назначенных ограничений (нормирующий параметр функционала);
- 1, 2, …, m – координаты фазового пространства; 
- 1, 2,... n – дискретные значения заданного времени полета летательного аппарата;
- коэффициент, учитывающий относительную меру трудности управления j-й фазовой координатой летательного аппарата (полет на одном из двух двигателей и т.п.).
Безопасность полета вдоль программной траектории X(t) в терминах установленных ограничений r(t), наложенных на область G, определяем функционалом t, оценивающим суммарное время движения летательного аппарата по безопасной траектории Y(t) в дискретной форме:
(5)
и 
- символы логических операций конъюнкции и дизъюнкции соответственно.
Недостаток критерия t* в зависимости получаемых оценок от величины назначенных ограничений. Соединение достоинств критериев S и t* и исключение недостатков, присущих каждому в отдельности, состоит в одновременном их использовании.
Точка с координатами (t*=1, S=Sкр) имеет особое значение. Она определяет максимально допустимую оценку интегрального критерия Sкр, характеризующего точность выполнения задачи полета, при которой еще обеспечивается «абсолютная» безопасность полета в терминах назначенных ограничений, т.е. t*=1. Построив по результатам экспериментальных исследований эмпирическую зависимость в виде полинома
, (6)
в котором 
- коэффициенты, 
- степень полинома, и подставив в нее 
, получим критериальную оценку, которую можно использовать на этапах переучивания на новый тип воздушного судна и поддержания приобретенных навыков при летной эксплуатации воздушного судна.
Абсолютным порогом сенсомоторного аппарата пилота 
по 
-й фазовой координате, индуцируемой средствами отображения информации, назовем то ее наименьшее отклонение от программного значения 
, при достижении которого пилот прилагает осознанное и целеустремленное управляющее воздействие на командные органы управления для уменьшения возникшего отклонения.
В качестве статистической оценки абсолютного порога по 
-й координате примем
, (7)
где 
- наименьшее отклонение 
-й координаты при вмешательстве пилота, 
- количество вмешательств пилота в управлении, 
- допустимое отклонение траектории полета.
При непрерывном управлении связь между воспринимаемой человеком информацией, т.е. входным сигналом 
, и его моторными действиями, т.е. выходным сигналом 
, описывается системой линейных дифференциальных уравнений. Используем вид передаточных функций приведенных в теории автоматического управления
(8)
где 
- коэффициент форсирующего звена; 
- коэффициент интегрирующего звена, обусловленного инертностью отработки человеком входной информации и принятия решения; 
- коэффициент интегрирующего звена, обусловленного нервно-мускульной задержкой человека; 
- чистое латентное запаздывание, определяемое тренированностью человека оператора; 
- оператор, характеризующий стабилизирующие свойства человека в системе «экипаж – воздушное судно»; 
- оператор, учитывающий естественную задержку реакции человека; 
- оператор, отражающий динамику нервно-мышечной системы человека.
На основе параметров передаточной функции значение функционала e оцениваем путём агрегации (свёртки) ряда частных оценок, представленных линейной зависимостью
, (9)
где 
- весовой коэффициент 
-го показателя качества; 
- нормированное значение 
-го показателя качества; 
=1, 2, … 
- номер показателя качества.
Соотношение между критериями точности 
и безопасности полёта 
, используя гипотезу, выраженную уравнением (6) имеет вид
, (10)
где 
- критериальный показатель качества выполнения пилотажной задачи 
-м экипажем; 
,
- коэффициенты полинома; 
- степень полинома;
- номер (тип) экипажа.
Рациональный выбор экипажа по принятому показателю качества осуществляется при решении уравнения вида:
. (11)
При этом область ограничений имеет вид:
(12)
где 
- доверительная вероятность поведения экипажа в определённых полётных ситуациях (=0,975); 
- функции связей параметров экипажей; 
- допустимые отклонения функций связи 
[0,7, 1,0].
Для решений уравнений (11), (12) необходимо воспользоваться методами нелинейного программирования учитывая, что отдельные параметры описываются с помощью случайных величин, то наиболее удобным методом является стохастическое программирование.
В данной постановке минимизирование представляет собой математическое описание связей между показателями качества операторской деятельности экипажей в различных ситуациях полёта и критериями эффективности их деятельности, меры близости действительной траектории полёта к заданной траектории и относительного времени пребывания воздушного судна в области допустимых отклонений, в алгоритме решения оптимизационной задачи стохастического программирования (проверка гипотезы о статистической достоверности модели по F-критерию при уровне значимости не более 0,05.
В целях решения оптимизационной задачи в среде Excel (Microsoft Office 2008) создан интерфейс, содержащий базу данных и базу знаний по оценкам экипажей.
По результатам оценок величин дисперсии функции связей параметров экипажей: «командир воздушного судна (PF) - второй пилот (PNF)» по авиакомпании ОАО «Аэрофлот-Российские авиалинии» и воздушного судна Airbus A321-200 выделено четыре возможные группы сочетаний экипажей. Группы содержат различное количество командиров и вторых пилотов: командиры входят в группы без повторений, вторые пилоты входят в группы с повторениями. Далее представлены результаты для группы одного командира (PF) и 12 вторых пилота (PNF) (таблиц 1).
Таблица 1 - Параметры модели состава экипажа
| Экипаж (PF - PNF) | Коэффициенты модели (катастрофическая ситуация) | |||||||
 |  | |||||||
| 00 | 10 | 20 | 30 | 11 | 01 | 02 | 03 | |
| 1-1 | 4,892 | 2,874 | 1,02 | 0,25 | 4,567 | 2,654 | 0,87 | 0,21 |
| 1-2 | 4,367 | 2,654 | 0,87 | 0,21 | 3,778 | 2,134 | 0,43 | 0,16 |
| 1-3 | 4,592 | 2,874 | 1,02 | 0,23 | 3,911 | 2,328 | 0,57 | 0,19 |
| 1-4 | 4,567 | 2,654 | 1,37 | 0,41 | 3,978 | 2,134 | 1,23 | 0,17 |
| 1-5 | 4,892 | 2,874 | 1,42 | 0,55 | 4,211 | 2,328 | 1,27 | 0,21 |
| 1-6 | 3,978 | 2,134 | 0,43 | 0,17 | 3,654 | 1,875 | 0,34 | 0,13 |
| 1-7 | 4,211 | 2,328 | 0,57 | 0,21 | 3,741 | 1,986 | 0,37 | 0,14 |
| 1-8 | 3,778 | 2,134 | 0,43 | 0,16 | 3,654 | 1,875 | 0,64 | 0,13 |
| 1-9 | 3,911 | 2,328 | 0,57 | 0,19 | 3,741 | 1,986 | 0,87 | 0,14 |
| 1-10 | 3,741 | 1,986 | 0,87 | 0,14 | 3,741 | 1,986 | 0,87 | 0,14 |
| 1-11 | 3,543 | 1,367 | 0,35 | 0,13 | 3,978 | 2,134 | 1,23 | 0,17 |
| 1-12 | 3,654 | 1,875 | 0,64 | 0,13 | 4,692 | 2,574 | 1,22 | 0,25 |
Третья глава посвящёна способу формирования двучленного экипажа на основе оценки эффективности действий экипажа по управлению воздушным судном, представляющую собой свертку частных оценок качества пилотирования, экономичности управления движений ручки управления и психофизиологической напряженностью.
Частная оценка качества техники пилотирования U выставляется на основе значения показателя качества пилотирования t* и оценки экономичности действий с учетом напряженности S* (рисунок 1).
Оценки качества деятельности пилотов и экипажа в целом формируются в два этапа: при тренажерной подготовке и летной подготовке и оформляются в виде заполненных бланков отдельно по командирам и вторым пилотам и совместно по экипажам.
Тренажерная подготовка осуществляется по программе, которая предусматривает определенное количество сессий и имеет целью - достижение требуемого уровня по следующим параметрам:
- пилотирование воздушного судна с дисплейной индикацией: прямая индикация пространственного положения самолета, переключение дисплеев, использование резервной индикации пространственного положения;
- пилотирование с правого кресла пилотской кабины: распределение внимания, использование оборудования с правого кресла, ручное и автоматическое пилотирование;
- взаимодействие в двухчленном экипаже: распределение обязанностей PF/PNF, обязанности пилотов, стандартные команды, контроль и перекрестный контроль, выполнение SOP;
- пилотирование современных реактивных самолетов: понимание инерции, замедления, зависимости скорости от траектории полета, необходимость стабилизации, важность предварительной установки тяги, навыки использования FBW, навыки пилотирования по ППП, пилотирование по приборам на больших скоростях.
Каждая сессия начинается с брифинга и заканчивается дебрифингом. На каждой сессии во время проведения брифинга и дебрифинга осуществляется обсуждение взаимодействия в экипаже, и проводиться оценка совместимости экипажа со стороны инструктора. Каждый тренируемый одну часть тренируется как пилотирующий пилот PF, вторую часть как непилотируемый пилот PNF.
Летная подготовка осуществляется по программе, включающей видео и компьютерное базовое обучение, включая быстрый английский язык авиационных команд, полеты на самолете-тренажере с инструктором, полеты на самолете-тренажере в составе экипажа с инструктором, и имеет целью обучить экипаж системному подходу к инструкциям, приобретению и закреплению навыков подготовки и пилотирования воздушного судна, действиям в особых ситуациях полета и взаимодействия в экипаже. По результатам полетов на самолете-тренажере определяем оценку качества пилотирования t*, приведенную оценку психофизиологической напряженности пилотов и экипажа e* по формуле и приведенную оценку экономичности S* по формуле (рисунок 1).
| UPF(PNF) | |||||||
| Оценка качества действий | |||||||
| t* | S* | ||||||
| Оценка качества пилотирования | Приведенная оценка экономичности | ||||||
| S | |||||||
| Оценка экономичности с учетом напряженности | |||||||
| W | e* | ||||||
| Обобщенная оценка экономичности | Приведенная оценка психофизиологической напряженности | ||||||
| J Tj | |||||||
| Оценка психофизиологической напряженности | |||||||
| t | Tj | ||||||
| Показатель качества пилотирования | Показатель экономичности | Показатель колебательности | Выходные параметры аппаратуры «Физиолог» и алгоритма «Резервы внимания» | ||||
| D | РУ(t) | РУ(t) | |||||
| Изменение параметров полета | Перемещение ручки управления | ||||||
Рисунок 1 – Структурная схема системы оценивания качества действий пилота
Политика подготовки действий двухчленного экипажа в особых ситуациях полета заключается в следующем: отрабатываются до автоматизма действия в особых ситуациях, которые по количеству не превышают трех действий (для воздушного судна А-320 это семь особых ситуаций), особые ситуации, которые требуют более трех действий, парируются путем использования таблиц команд; легенд; перечня действий, представляемых бортовой системой, и т.п., что позволяет исключить ошибочные авторитарные действия члена экипажа, поскольку они совместно практически заново выполняют действия, контролируя друг друга.
Сформированная общая оценка эффективности действий на основе вычисленных показателей является критерием оценивания летчика.
Рациональное формирование двучленного экипажа осуществляем на основе решений уравнения вида:
(13)
При этом область ограничений имеет вид:
(14)
где 
- критериальный показатель качества выполнения задачи 
-м экипажем; 
- доверительная вероятность поведения экипажа в определённых полётных ситуациях;
- функции связей параметров экипажей (PF) и второго пилота (PNF);
- допустимые отклонения функций связи 
; 
- коэффициенты полинома, отражающие взаимовлияние пилотов в экипаже.
Анализ вида и состава оценочной функции и области ограничений позволяет отнести сформулированную задачу к классу задач динамического программирования. Особенностью рассматриваемой задачи является оценочная функция, соответствующая позиции крайней осторожности. Выбранный таким образом вариант решения максимально исключает риск. Это означает, что принимающий решение не может столкнуться с худшим результатом, чем тот, на который он ориентируется. Применение минимаксного критерия для ранговых исходных данных целесообразно, так как ситуация, в которой принимается решение, характеризуется следующими обстоятельствами: о возможности появления внешних состояний ничего не известно; приходиться считаться с появлением различных внешних состояний; решение реализуется лишь один раз; необходимо максимально исключить риск, т.е. ни при каких условиях не допускается получать результат типа катастрофа.
Результаты оценки качества выполнения полетного задания совместным экипажем относительно первого командира воздушного судна при возникновении катастрофической ситуации (таблица 3.1) свидетельствуют, что нежелательный состав экипажа, когда командир воздушного судна осуществляет полет совместно с 9 или 2 вторым пилотом, а наиболее благоприятный состав экипажа PF №1 и PNF №1 или PNF №10.
На основе выбранного критерия и с учетом алгоритма выбора экипажа разработанная методика позволяет:
обеспечить заданный уровень безопасности полётов;
уменьшить психологическую напряжённость в экипажах;
оценить взаимное влияние программ подготовки на психофизиологическое состояние экипажей.
Таблица 2 - Результаты моделирования эффективности принятия решения на выбор экипажа
| Экипаж PF -PNF | Оценка критерия /опасность КС/ | ||||
| k0 | k1UPF | k2UPNF | k3UPF UPNF | U | |
| 1-1 | 5,236 | 1,12 | 0,72 | 1,97 | 15,54 |
| 1-2 | 4,987 | 1,17 | 0,69 | 2,03 | 11,96 |
| 1-3 | 5,134 | 1,15 | 0,71 | 2,35 | 14,31 |
| 1-4 | 5,765 | 1,24 | 0,76 | 1,92 | 14,08 |
| 1-5 | 5,124 | 1,16 | 0,84 | 1,98 | 15,08 |
| 1-6 | 5,679 | 1,08 | 0,82 | 2,05 | 12,71 |
| 1-7 | 4,789 | 1,23 | 0,72 | 2,12 | 12,55 |
| 1-8 | 4,985 | 1,18 | 0,67 | 2,25 | 12,60 |
| 1-9 | 5,234 | 1,19 | 0,97 | 1,86 | 10,17 |
| 1-10 | 4,768 | 1,28 | 0,73 | 2,67 | 15,15 |
| 1-11 | 4,987 | 1,36 | 0,76 | 2,23 | 14,50 |
| 1-12 | 5,345 | 1,32 | 0,82 | 2,08 | 14,28 |
Автоматизация обучения на авиационных тренажерах (АТр) является одним из приоритетных направлений подготовки пилотов. Введение автоматизированной системы управления тренировкой (АСУТ) в систему «инструктор - тренажер - пилот» позволяет автоматизировать практическое применение методик подготовки на авиационных тренажерах, выявить индивидуальные особенности обучаемого и построить рациональную стратегию обучения.
Прогнозно-оптимизационная модель деятельности оператора (МДО) базируется на работах известных советских ученых в области нейрофизиологии Н.А. Бернштейна и П.К. Анохина.
Прогнозирование в полуформализованной МДО является аналогом опережающего отражения Анохина; наблюдение (оценивание состояния) - аналогом пусковой афферентации; главная часть целевого функционала на прогнозном движении - аналогом образа-цели; оптимизация - аналогом целевой направленности и мотивации действий человека-оператора; оптимальное управление по состоянию и адаптация - аналогом обратной афферентации.
В целом, ведущая роль в организации процесса обучения, контроля промежуточных результатов, внесения необходимых корректив в процесс обучения, выбора используемых технических средств обучения, формирования текущей и результирующей оценки уровня обученности, психофизиологической в настоящее время и ближайшем будущем будет принадлежать инструктору (инструктору – инспектору). Только человек, обладающий высоким уровнем профессиональной подготовки, являющийся специалистом в той области деятельности, для которой проводится обучение, владеющий и умеющий применять на практике широкий спектр методических и педагогических приемов, обладающий способностью обобщать и предоставлять в доступной для освоения форме значительный объем информации и использующий для этого возможности современных программно-аппаратных средств, способен обеспечить вывод обучаемого на требуемый уровень обученности, эффективно организовать и реализовать сам процесс обучения.
Рисунок 2 - Структура автоматизированной системы управления тренировкой
Рисунок 3 - Структурная схема полуформализованной прогнозно-оптимизационной модели деятельности оператора
В результате решения сформированной оптимизационной задачи установлено, что наилучшее качество по безопасности рейса достигается при условии соответствия значений обобщенного функционала характеристикам экипажа требуемой качественной формализованной характеристике действий двухчленного экипажа в особых ситуациях полета.
выводы
В диссертационной работе разработан квалиметрический метод рационального формирования двухчленного экипажа воздушного судна на основе выявленных и изученных ремнантно-функциональных характеристик пилотов и их взаимовлияния в экипаже и сформированы рекомендации по организации и содержанию дополнительной подготовки пилотов для переучивания на многодвигательные воздушные суда с двухчленным экипажем.
В работе получены следующие основные результаты:
1 Методология выбора двухчленного экипажа в отечественной практике эксплуатации воздушных судов недостаточно разработана, имеет ряд существенных недостатков, что снижает безопасность полетов, вплоть до авиационных происшествий в ходе выполнения рейса.
2 Существенным недостатком методологии формирования двухчленного экипажа является выраженное авторитарное управление в организационном поведении целеавтономной системы автократического типа.
3 Процесс по определению степени опасности функциональных отказов и внешних воздействующих факторов становится логически полным при применении метода достраивания событий до катастрофической ситуации. Работа специалистов-аналитиков (экспертов) делается целенаправленной, что позволяет определить наиболее опасные ситуации возможные при выполнении рейса и совершенствовать программы дополнительной подготовки пилотов для переучивания на воздушные суда с двухчленных экипажем.
4 Основными источниками априорной информации являются результаты наземной и лётной подготовки экипажей, тесты психологов, психоаналитиков, медицинского персонала. Указанная информация, сведённая в базу данных, категорично должна быть строго конфиденциальной. Доступ к полной базе данных должен осуществляться ограниченным кругом лиц.
5 Создана математическая модель принятия решения о выборе экипажа для выполнения задач рейса, позволяющая рационально реализовать потенциальные возможности экипажей в случае возникновения особых ситуаций полета.
6 Проведённый численный эксперимент подтвердил, что алгоритм статистического моделирования оценки качества выполнения задач полёта на основе эвристических исходных данных о состоянии экипажей, их совместимости и возможных ситуациях, позволяет с достаточной эффективностью производить формирование экипажа.
7 На основе выбранного критерия и с учетом алгоритма выбора двухчленного экипажа воздушного судна разработана методика, позволяющая:
сохранять высокий уровень безопасности полета в особых ситуациях.
уменьшить психологическую напряжённость в двухчленных экипажах;
оценить взаимное влияние программ дополнительной подготовки на психофизиологическое состояние двухчленных экипажей;
8 Достоверность полученных результатов и обоснованность рекомендаций подтверждена удовлетворительным согласованием результатов моделирования и имеющихся практических результатов в ходе дополнительной подготовки пилотов для переучивания на воздушные суда А-320.
Основные публикации по теме диссертации
1 Чупинин В.Н. Оценивание тренировочных и зачетных полётных заданий при переучивании пилотов на воздушные суда с двухчленным экипажем – М.: ЦВНИ, 2010. – 22 с. – Деп. 17.09.2010, сборник СРДР, инв. Б7353, серия Б, в.93.
2 Чупинин В.Н. Формализация ситуаций полета при подготовке пилотов. – М.: ЦВНИ, 2010. – 16 с. – Деп. 17.09.2010, сборник СРДР, инв. Б7354, серия Б, в.93.
3 Чупинин В.Н., Мусин С.М. Модель формализованного образа ситуаций полета при подготовке пилотов / Труды ГНИИ МО РФ, выпуск №92, 2009 - с. 45-53.
4 Чупинин В.Н., Мусин С.М. Модель рационального формирования состава двухчленного экипажа /Труды общества независимых расследователей происшествий, выпуск №22. – М.:МАК, 2010 - с. 231-235.
5 Чупинин В.Н. Формализация полетных ситуаций при формировании программы подготовки пилотов. /Труды 29 научно-технической конференции молодых научных сотрудников ФГУ «13 ГНИИ Минобороны России», выпуск №7240, 2010 - с.65.
6 Построение моделей временных рядов авиационных событий по различным фактор-причинам /Середа Д.А., Астахов С.А., Чупинин В.Н. и др./ Отчет о НИР ФГУ «13 ГНИИ Минобороны России» № 86, ч.2, 2006. – с. 39-52.
7 Методические рекомендации по разработке интеллектуальных обучающих систем с автоматизированным контролем уровня обученности специалистов по авиационной эргономике. /Мусин С.М., Дорохов Д.Г., Чупинин В.Н. и др./ Отчет о НИР НИЦ АКМ и ВЭ – Регистрационный номер № 300 – 344, 2008. – 60 с.
8 Предупреждение ошибок инженерно-технического состава при эксплуатации воздушных судов/ Методические рекомендации/ Мусин С.М., Чупинин В.Н. и др. / «13 ГНИИ МО РФ», выпуск № 7023, 2007. – 140 с.
