автореферат диссертации по транспорту, 05.22.14, диссертация на тему:Методы оценки эффективности систем отображения полетных параметров воздушного судна

На правах рукописи

СТОЛЯРОВ Николай Николаевич

МЕТОДЫ ОЦЕНКИ ЭФФЕКТИВНОСТИ СИСТЕМ ОТОБРАЖЕНИЯ ПОЛЕТНЫХ ПАРАМЕТРОВ ВОЗДУШНОГО СУДНА

Специальность 05.22.14 - эксплуатация воздушного транспорта

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

МОСКВА - 2005

Работа выполнена в Московском государственном техническом университете гражданской авиации.

Научные руководители: - доктор технических наук, профессор

ЦИПЕНКО В.Г.

- доктор технических наук БУЛГАКОВ Д.Н.

Официальные оппоненты: - доктор технических наук, профессор

МАЛОЗЕМОВ В.В.

- кандидат технических наук СТРАДОМСКИЙ О.Ю.

Ведущая организация ФГУП ГосНИИ АС

Защита диссертации состоится 2006г. на заседании

диссертационного совета Д 223.011.01. при Московском государственном техническом университете гражданской авиации по адресу ГСП-3, Москва, 125993, А-493, Кронштадтский бульвар 20.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке МГТУГА

Автореферат разослан "_"_2005г.

Ученый секретарь диссертационного совета Д 223.011.01 профессор, доктор технических наук Камзолов С К.

<{Ш0

ё'дбз

3

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Авиационные системы являются одними из наиболее сложных для разработки и эксплуатации современных систем и предъявляют особо высокие требования к организации процесса взаимодействия пилота с информационным полем воздушного судна (ВС). На фоне постоянного совершенствования их технической части и наземного обеспечения полетов, в них часто проявляются специфические особенности функционирования системы «человек-машина-среда».

Сохраняющийся, несмотря на энергичное внедрение профилактических методов и новых средств обучения летного состава, высокий уровень ошибочных действий экипажей создал объективные предпосылки для объяснения причины многих ошибочных действий летных экипажей недостаточным соответствием технических средств авиации реально ограниченным возможностям пилота.

В гражданской авиации на этапах полета, отличающихся наибольшим числом авиационных происшествий (АП) и предпосылок к ним по (так называемой) вине экипажа (заход на посадку, взлет), взаимодействие пилота с системами отображения информации (СОИ) имеет наиболее динамичные характеристики по сравнению с другими самолетными системами: частота переноса взгляда пилота с одного прибора на другой в нормальных условиях захода на посадку обычно составляет 100-120 переносов в минуту. Такой уровень загруженности пилота по зрительному каналу приема информации вызывает вполне обоснованные сомнения в психофизиологических возможностях пилота безошибочно обеспечивав этот процесс и указывает на актуальность исследований в этом направлении.

Актуальность диссертации определяется высоким уровнем предпосылок и АП, связанных с ошибочными действиями экипажа и являющихся следствием несовершенной организации взаимодействия членов экипажа с приборной информацией, проходящим в настоящее время переходом гражданской авиации на принципиально новые электронные СОИ, а 1акже отсутствием разработок по обучению правильному распределению зрительного внимания в полете.

Целью диссертации является создание теоретических основ формирования приборной информации в системе «экипаж-самолет», базирующихся на объективно точных математических методах исследования, учитывающих динамику объекта управления, состояние атмосферы, ограниченность возможностей зрительной деятельности членов экипажа и разработке положений по обучению летного состава правильному распределению зрительного внимания при эксплуатации ВС в приборном полете.

Основные результаты диссертации состоят в том, что для достижения поставленной цели, решены следующие задачи:

1. Создана математическая модель работы следящей системы с дискретным вводом информации, с высокой точностью описывающей

РОС. НАЦИОНАЛ! И

частотные характеристики процесса взаимодействия пилота с СОИ при выполнении основных пилотажных задач - задачи формирования опорной траектории ВС и задачи стабилизации ВС на опорной траектории в пределах эксплуатационных ограничений на отклонения полетных параметров, и устанавливающей аналитические зависимости между заданным качеством выполнения пилотом основных пилотажных задач и минимально необходимыми для достижения этого качества частотными характеристиками зрительной деятельности пилота.

2. На основе установленных информативных для пилота характеристик приборной информации разработаны методика оценки зрительной загрузки пилота по пилотажно-навигационной информации и методика расчета оптимальных для минимизации зрительной загрузки характеристик распределения внимания пилота по пилотажно-навигационным приборам, при которых обеспечивается необходимое для выполнения основных пилотажных задач качество контроля приборной видеоинформации.

3. Разработана система обобщенных числовых показателей СОИ ВС, включающая в себя: показатель относительной зрительной загрузки пилота по пилотажно-навигационной части СОИ; вероятностно-траекторный показатель, оценивающий качество СОИ по совокупности качества входящих в СОИ приборов, отражаемого степенью соответствия теоретически оптимальных и реальных вероятностей наблюдения пилотом приборов и обеспечиваемого СОИ качества пилотирования; структурный показатель, оценивающий качество компоновки СОИ путем сопоставления теоретически оптимальных и реальных вероятностей основных циклов в зрительном маршруте пилота по СОИ.

4. Разработаны объективные методы оценки качества перспективных типов СОИ с совмещенной визуализацией полетных параметров, их отдельных элементов и компоновки.

5. Разработаны основные положения по обучению летного состава правильному распределению зрительного внимания при эксплуатации ВС в пределах заданных эксплуатационных ограничений.

6. На основе разработанных теоретических положений и расчетов информативных для пилота характеристик приборной информации проведено сравнительное исследование электромеханической СОИ и электронной СОИ на этапе директорного захода на посадку. Результаты исследования подтвердили выдвинутые теоретические положения и указали ряд возможных путей совершенствования СОИ ВС.

Основным методом исследования в диссертации является математическое моделирование системы «пилот-самолет», использующее методы теоретической механики, динамики полета, теории обыкновенных дифференциальных уравнений, теории вероятности, спектральной теории случайных процессов, теории сплайн-функций, теории информации, теории элементов теории автоматического управления, инженерной психологии и эргономики.

Научная новизна диссертации определяется тем, что в ней представлен принципиально новый метод исследования эксплуатационных характеристик СОИ ВС, основанный на теоретически установленных и эмпирически подтвержденных закономерностях процесса взаимодействия пилота с СОИ, введенных обобщенных числовых показателях качества СОИ и позволяющий оптимизировать этот процесс как путем совершенствования СОИ ВС, так и обучением летного состава правильной реализации этого процесса.

Достоверность результатов подтверждается:

1. Логической стройностью методологии проведенного исследования, учитывающей основные аспекты процесса взаимодействия пилота с СОИ.

2. Построением математически строгой модели работы следящей системы с дискретным вводом информации.

3. Высокой степенью соответствия полученных теоретическими методами значений основных характеристик структуры деятельности пилота и числовых характеристик реальной структуры зрительной деятельности пилота, полученных статистическим анализом зрительных маршрутов, снятых на биотехнических комплексах регистрации взгляда пилота.

4. Доказанной возможностью введенной системы обобщенных показателей качества СОИ отражать основные особенности процесса взаимодействия пилота с конкретным типом СОИ, выявлять его недостатки и определять направления совершенствования СОИ.

Теоретическая значимость результатов исследований заключается в установлении объективных закономерностей взаимодействия пилота с приборной информацией, определяющих направления совершенствования кабины ВС и уровня подготовки экипажа, что, как следствие, должно привести к уменьшению количества ошибочных действий экипажа и уменьшению количества АП.

Практическая значимость работы подтверждается современными тенденциями совершенствования СОИ в направлении отказа от параметрического представления приборной информации и тем, что предложенные методы позволяют сократить сроки разработки СОИ, объем их макетных и натурных испытаний, определить перспективные направления совершенствования эксплуатируемых шнов СОИ и сократить сроки обучения пилота безопасной эксплуатации самолета.

Апробация диссертации осуществлялась:

1 .На научно-практической конференции Ульяновского высшего авиационного училища гражданской авиации (УВАУ) на секции « Методы и средства подготовки летных экипажей», 2004.

2. На Международной научно-технической конференции МГТУГА, 2003.

3.В процессе проведения обязательной подготовки экипажей в авиационных учебных центрах.

Публикации. Основное содержание диссертации опубликовано в 12 научных трудах, список которых приведен в конце автореферата. Материалы диссертации были также использованы на научно-практической конференции в УВАУ в секции «Подготовка экипажей», 2004г.

Структура диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы из 77 наименований, списка принятых обозначений и сокращений, приложений. Объем составляет 169 страниц.

СОДЕРЖАНИЕ ДИССЕРТАЦИИ

Во введении проведено обоснование цели диссертации, сделан обзор решаемых задач, приведены основные результаты.

Глава 1. Теоретические принципы исследования и оценки качества СОИ.

В современной авиационной системе «пилот-самолет» центральной проблемой синтеза приборной информации является установление допустимого по психофизиологическим возможностям пилота уровня его загруженности по приборной информации и согласование потока предъявляемой пилоту приборной информации и формы его предъявления с объективно ограниченными возможностями пилота по получению, переработке этой информации и дальнейшему управлению ВС. Решение этой проблемы требует разработки совокупности теоретических, экспериментальных, расчетно-экспериментальных методов и технических средств исследования процесса взаимодействия пилота с СОИ самолета, так как качество приборной информации проявляется только в процессе взаимодействия пилота с СОИ.

Проведенный в 1.1 анализ современных экспериментальных методов исследования взаимодействия пилота с СОИ показал ограниченность их возможностей как для оценки зрительной загрузки пилота по приборной информации, так и для получения объективных оценок эргономического качества представления приборной информации. Такая ограниченность чисто экспериментальных методов обусловлена тем, что они способны лишь регистрировать сложившиеся под влиянием конкретного вида представления приборной информации и пилотажной задачи характеристики процесса взаимодействия пилота с СОИ, но не способны объяснять закономерности этого процесса. Поэтому экспериментальные методы не дают четкого ответа на вопросы об уровне загрузки пилота по приборной информации, в результате чего может возникать информационная перегруженность пилота, и какие характеристики процесса взаимодействия пилота с СОИ должна обеспечить СОИ. Таким образом, решение актуальной проблемы синтеза приборной информации в авиационных системах «пилот -самолет» требует разработки специальных теоретических и расчетно-экспериментальных методов.

Разработанная в 1.1 методология теоретического исследования процесса взаимодействия пилота с пилотажно-навигационной частью СОИ направлена на установление объективных количественных закономерностей этого процесса и предполагает комплексное исследование системы «пилот-самолет-атмосфера»: выполняемую пилотажную задачу, динамические характеристики объекта управления, характеристики окружающей среды и реально ограниченные возможности пилота.

Основным методологическим положением, определившим все направление исследований, является следующий тезис о связи зрительной и моторной деятельности пилота: в условиях высокой зрительной загрузки пилота по приборной информации каждой смене пилотом параметров управления некоторым ГШ соответствует зрительное обращение пилота к этому ПП для выбора или контроля новых параметров управления. Этот тезис определил структуру проведенного исследования и его этапы: формализацию основных пилотажных задач, нахождение характеристик управления, требуемого для выполнения этих задач, нахождения закономерностей в управлении и, следовательно, в зрительной деятельности пилота, использование этих характеристик для описания теоретически оптимальной структуры зрительной деятельности (СЗД) пилота. Определенные по установленным закономерностям в СЗД пилота минимально необходимые для пилотирования в пределах эксплуатационных ограничений частоты наблюдения полетных параметров (ПП) являются весьма содержательными характеристиками, которые позволяют получить ряд других числовых характеристик процесса взаимодействия пилота с приборной видеоинформацией, совокупность которых составляет основу для создания системы объективных показателей качества СОИ и ее элементов, применимой для оценки СОИ на всех этапах ее разработки и испытаний.

Определяющим требованием к СОИ является ее способность предоставлять пилоту всю необходимую для выполнения пилотажных задач информацию и обеспечивать возможность получения и переработки этой информации в допустимое по развитию полетной ситуации время, что составляет понятие «эргономичность СОИ». Получение объективной оценки эргономичности СОИ требует разработки системы числовых показателей эргономического качества СОИ и установления эталонных значений этих показагелей. Для решения этих задач разработана концепция эргономически эталонной СОИ, теоретически обеспечивающей пилоту оптимальную по критерию минимизации зрительной загрузки при получении необходимой приборной информации для выполнения основных пилотажных задач СЗД.

Объективная оценка эргономичности СОИ по разработанной системе числовых показателей базируется на сравнении характеристик СЗД пилота по оцениваемой СОИ с характеристиками теоретически оптимальной СЗД пилота по эталонной СОИ. Предлагаемая система состоит из трех обобщенных показателей: показателя зрительной загрузки пилота по параметрической видеоинформации, вероятностно-траекторного показателя и структурного показателя. Эти обобщенные показатели объективно оценивают возможность эффективного контроля пшютом потока видеоинформации с СОИ, обеспечиваемую исследуемой СОИ эффективность контроля пилотом приборной видеоинформации и оптимальность зрительных маршрутов пилота в совокупности с точностью пилотирования. Частные показатели эргономичности СОИ, участвующие в расчете обобщенных показателей, способны объективно оценивать эргономические качества отдельных элементов СОИ. Таким образом, разработанная система

показателей эргономического качества СОИ весьма полно отражает основные стороны процесса взаимодействия пилота с СОИ, результат этого процесса и, следовательно, эргономичность СОИ в целом, что подтверждено экспериментально-расчетными методами в главе 4.

Глава 2. Математические методы описания зависимости качества пилотирования от частотных характеристик зрительной деятельности пилота.

2.1. Формализация основных пилотажных задач в линейной модели движения самолета в возмущенной атмосфере.

Основной методологический принцип проводимого исследования зрительной деятельности пилота состоит в том, что при пилотировании по приборам основные характеристики зрительной деятельности пилота при его высокой зрительной загрузке определяются необходимой для выполнения пилотажных задач моторной деятельностью пилота по управлению ВС. Описание зависимости характеристик зрительной деятельности пилота от его необходимой моторной деятельности основывается на предположении о том, что любая смена пилотом параметров управления некоторым ПП требует, по меньшей мере, одного обращения пилота к этому ПП для получения информации, необходимой для выбора или контроля новых параметров управления. Методологическая необходимость выделения и математической формализации основных пилотажных задач обусловлена тем, что объективно точные математические методы определения характеристик необходимой моторной деятельности пилота могут корректно использоваться только для решения корректно формализованных пилотажных задач.

Движение ВС в фазовом пространстве ПП описывается линейным дифференциальным уравнением

L(X(t)), U(t), n(t)) = 0. где t - время, L - линейный дифференциальный оператор,X(t) = (x\(t),...jcn(t)) - вектор текущего состояния ВС, U(t) = (u,(t),... ,щ (t)) - вектор управления: u/t) - воздействие пилота на z'-ый орган управления, n(t) - вектор атмосферных возмущений, действующих на ВС.

Задача формирования опорной траектории ВС. Пусть на этапе полета длительностью Т с. оптимальная траектория ВС Y(t) ~ (у\(t),.., y„(t)) в фазовом пространстве ПП достигается при оптимальном управлении V(t) = (vt(t),.. , Vk(t)), так что функции Y(t), V(l) удовлетворяют уравнению формирования опорной траектории L(Y(t),V{t\0)= 0. Задача формирования опорной траектории ВС состоит в выборе и реализации пилотом управления Щ. (t) = (щ\(t),..., щ к .(t)), при котором опорная траектория ВС Хап (t) = (хоп ¡(t),..., xann(t)), то есть решение уравнения L{X0„ (t), £/ф (/), 0) = 0., на всем этапе полета соответствует с заданной

вектором допустимых отклонений d = (dj,... ,dj, di > 0 1,..., n, точностью оптимальной траектории Y(t), то есть выполнены неравенства |хоп/(0 - уЦ0| ^ di, i = 1.....n,t е[0,Г].

Задача стабилизации ВС на опорной траектории.

Пусть на этапе полета длительностью Т с. вектор P(t) ~ (p\(t),...p„(t)) в фазовом пространстве 1111 описывает возникающие под влиянием атмосферных возмущений n(t) отклонения реальной траектории ВС от его опорной траектории, которые для обеспечения заданной точности пилотирования не должны превышать величины е = (еь...,е„), е, > 0, i = 1,..., п. Задача стабилизации ВС состоит в выборе и реализации пилотом стабилизирующего управления U„.(t) = - (t/CTк,и„.$)), при котором вероятности нахождения отклонений P(t), удовлетворяющих стохастическому уравнению стабилизации ВС на опорной траектории L(P(t), (t), n(t))~ 0, в заданных вектором е ограничениях не меньше пороговых вероятностей q\,...,qm то есть

Р(\р, (/)| < es при любом t е [О, q,, / = 1, , п

Обе сформулированные задачи предъявляют к пилоту общее требование-обеспечить заданную точность пилотирования. При формировании опорной траектории управление Г/ф (t) выбирается пилотом без учета случайных атмосферных возмущений и, поэтому, имеет преимущественно детерминированный характер, отрабатываемый пилотом в процессе освоения данного типа ВС При стабилизации ВС на опорной траектории управление U„ (t) выбирается пилотом в зависимости от случайных атмосферных возмущений и, поэтому, имеет стохастический характер. Различие в характерах £/ф (1) и иа (t) определяет качественные различия в зрительной деятельности пилота при выполнении им исследуемых пилотажных задач Таким образом, описание основных характеристик зрительной деятельности пилота для каждой из сформулированных задач требует разработки специального математического аппарата.

2.2.-2.3. Математическая формализация задачи определения необходимой частоты поступления информации в следящую систему (СС). Спектральные характеристики оптимального управления в СС.

Следящей системой называется система, воспроизводящая исполнительным механизмом движение задающего устройства или, в общем случае, некоторый процесс. Возможность применения методов теории СС для определения требуемых для стабилизации ВС на опорной траектории характеристик зрительно-моторной деятельности пилота определяется тем, что пилот должен с заданной точностью отследить динамику возмущенного 1111 и подавить стабилизирующим управлением возмущения 1111 в некотором частотном диапазоне, то есть, воспроизвести с заданной точностью случайную функцию, описывающую отклонения ПП от его значений на опорной траектории. В данных разделах для следящей системы, отслеживающей стационарный случайный процесс, по заданному качеству ее функционирования определяется необходимая частота поступления в СС информации.

Работа СС, отслеживающей некоторый процесс *(/), описывается интегральным уравнением типа свертки x(t)~ = /(<). Основная

задача СС состоит в обеспечении заданной точности отслеживания процесса x(t), то есть в математическом описании и технической реализации такого ядра k(t) , при котором |/(г)|<С для Vre[0,-H») ,где С - максимально допустимая ошибка СС. Если функция x(t) является случайной, то ошибка /(О СС в каждый момент времени будет случайной величиной, поэтому планируемое качество работы СС, отслеживающей случайный процесс должно иметь вероятностную форму: р(|/(г)|<С е[0,+°°))> р , где р -заданная пороговая вероятность отслеживания процесса x{t) с точностью С. Эта задача решена для гауссова случайного процесса x(t) со спектральной плотностью S(ffl) в предположении, что критерий оптимальности управления СС - минимизация ширины 2 со его спектра. Получен аналитический вид спектра такого оптимального управления и уравнение для определения со:

W -но

js(ü>)sm2iff(G))dct>+ 2 jS(o))do), где y^co) -ФЧХ исполнительного механизма

о ЗГ

СС, D - максимальное значение дисперсии ошибки СС /(0, при котором обеспечивается планируемое качество работы СС. Эта частота со названа информативной частотой СС. Минимальная частота отслеживания СС процесса x(t) в этом случае определяется минимально допустимой для восстановления по дискретной системе отсчетов частотой отслеживания функции с ограниченной частотой со шириной спектра Фурье, которая по теореме Котельнюсова-Шеннона составляет 2 со рад/с или т!п гц. Таким образом, минимально необходимая для подавления гармонической составляющей возмущенного 1111 с частотой т гц частота зрительных обращений пилота к этому ПП равна 2 т гц - удвоенной частоте требуемого стабилизирующего управления.

2.4. Информационные потоки в следящей системе. Вэтом разделе получены оценка минимального количества информации об отслеживаемом случайном процессе и оценка минимальной пропускной информационной способности СС, обеспечивающие заданное качество работы СС.

Глава 3. Закономерности процесса взаимодействия пилота с СОИ, определяемые аэродинамическими характеристиками ВС и заданной точностью пилотирования.

Цель данной главы - показать, что на информационно напряженных этапах полета минимально необходимые частоты обращений пилота к пилотажно-навигационным ПП являются теми базовыми характеристиками процесса взаимодействия пилота с СОИ, которые дают хорошее описание закономерностей этого процесса и могут служить осповой для разработки объективных количественных методов оценки соответствия СОИ эргономическим требованиям и методик обучения пилотов распределению зрительного внимания. Теоретическое и расчетное исследование закономерностей процесса взаимодействия пилота с СОИ, методологическое и общематематическое обеспечение которого разработано в главах 1-2, проводится методами математического моделирования системы «пилот-ВС-

атмосфера» для захода на посадку в возмущенной атмосфере тяжелого турбореактивного ВС.

3.1. Математическое моделирование динамики ВС при заходе на посадку в возмущенной атмосфере. По приведенным в 3.1 системам дифференциальных уравнений динамики ВС и спектральным плотностям составляющих турбулентности аналитически определяются спектральные плотности 1111 и фазовые частотные характеристики (ФЧХ) ПП по органам управления, необходимые для расчета информативных частот ПП методом, изложенным в главе 2.

3.2. Частотные характеристики зрительной деятельности пилота при стабилизации ВС в условиях нестационарных атмосферных возмущений.

Организация зрительной деятельности пилота должна быть направлена на оперативное приборное обнаружение воздушного порыва, обеспечивающее своевременное, препятствующее выходам ПП за эксплуатационные допуски стабилизирующее управление. Очевидно, что при такой зрительной деятельности контроль пилотом наиболее информативных для обнаружения воздушного порыва ПП должен осуществляться так, чтобы среднее время отсутствия наблюдения пилотом каждого из этих ПП не превосходило среднего времени выхода ПП при воздушном порыве или сдвиге ветра за пределы эксплуатационных ограничений. Таким образом, минимальная частота наблюдения пилотом ПП является величиной, обратной к среднему времени выхода этого ПП за эксплуатационные ограничения при таких возмущениях. Эта минимально необходимая для задачи стабилизации ПП при нестационарных атмосферных возмущениях частота зрительных обращений пилота к ПП названа оперативной частотой ПП (/оПер) Таким образом, необходимым условием для исключения неконтролируемого выхода ПП за эксплуатационные ограничения является зрительный контроль пилотом ПП с частотой, не меньшей удвоенной информативной или оперативной частоты ПП. Основным результатом исследований является выделение неслучайных частотных характеристик зрительной деятельности пилота при выполнении им задачи стабилизации ВС на опорной траектории: удвоенной информативной частоты ПП и оперативной частоты ПП. Зрительный контроль пилотом ПП с частотой, равной максимальной из этих двух частот, теоретически гарантирует заданное качество стабилизации ПП.

3.3.1. Показатель относительной зрительной загрузки пилота по приборной информации. На этапе полета длительностью Т с. величина л •= Т ■равна минимально допустимому числу зрительных обращений пилота к г-му ПП, а Гф, п, = Гф, • Т равно общему времени фиксации взгляда пилота на /'-ом ПП за весь этап полета. Назовем информативной частотой fn прибора с номером п (п = 1,. К) минимально возможную частоту зрительных обращений пилота к и-му прибору, при которой пилот может получить с этого прибора необходимую для выполнения пилотажной задачи информацию о визуализируемых этим прибором IГП. Очевидно, что информативная частота прибора равна максимальной из частот1111,

визуализируемых этим прибором. Тогда величина к„ = Т /„ равна минимально возможному числу переносов взгляда пилота на п-ый прибор за весь этап полета, а Т„ ■ к„ -Т„- Т ■ fn равно общему времени, затраченному пилотом на переносы взгляда на и-ый прибор за весь этап полета. Теоретически пилот может контролировать выделенную группу ПП, если на всем этапе полета его затраты времени по наблюдению ПП и переносам взгляда не превосходят длительности этапа, то есть выполнено

ívr-/, + ¿r„.r./„<r,

1=1 „=1 N К _

или левая часть: Я = ■ f¡ + Т„ Y,fn имеет

N К 1=1 "='

Z^-Z+T'n.Z/.s i.

1=1 п=1

важный эргономический смысл: величина X - это относительная зрительная загрузка пилота по параметрической видеоинформации. Действительно, неравенство временного баланса пилота эквивалентно неравенству Т Л<Т,. При X = 1 пилот вынужден расходовать все время этапа на зрительный контроль выделенной группы ПП и не имеет резерва времени, что соответствует его максимально допустимой зрительной загрузке. При X < 1 зрительная загрузка пилота меньше максимальной допустимой в X раз и пилот на всем этапе полета обладает резервом времени в 7(1 -X) с. При X > 1 пилот не может контролировать все N1111 с частотами f¡, и величина X указывает, во сколько раз его зрительная загрузка при контроле всех ПП с частотами Q превышает предельно допустимую загрузку.

3 3.2. В этом разделе приведены результаты расчетов информативных и оперативных частот ПП самолета ТУ-154 и относительной зрительной загрузки пилота при заходе на посадку. Далее приводится расчет относительной зрительной загрузки пилота по электромеханической СОИ и теоретически оптимальных вероятностей наблюдения ее приборов. Полученная объективными теоретическими методами оценка зрительной загрузки пилота при заходе на посадку показывает, что зрительная загрузка пилота по электромеханической СОИ так же, как его информационная загрузка (см. п. 4.4.2) практически равна предельно допустимой. Этот результат объективно обосновывает ограничения по количественному составу электромеханической СОИ: введение в нее индикации нового, не коррелирующего с уже визуализированными ПП полетного параметра недопустимо, так как пилот не сможет эффективно контролировать такой ПП.

3.3.3. Расчет информационной загрузки пилота по приборной видеоинформации.

Теоретически пилот способен обеспечить качество стабилизации ПП P(t), если J (поток необходимой пилоту приборной информации) не превосходит его предельной пропускной способности 5 бит/с по зрительному каналу. При J < 5 бит/с пилот не может реализовать стабилизирующее

управление, подавляющее возмущения ПП в диапазоне [0,/ЯНф]. Расчетами установлено, что минимально необходимые для стабилизации ПП в пределах эксплуатационных ограничений потоки информации сравнимы с максимальной пропускной способностью пилота. Так как задача стабилизации ВС является только одной из пилотажных задач, выполняемых пилотом при заходе на посадку, а также то, что потенциальная перегрузка по X уже установлена в п. 3.3.3, полученная оценка необходимой для стабилизации ВС на опорной траектории скорости переработки пилотом приборной видеоинформации (4,7-5,6 бит/с) дает обоснование выбору значения р = 0,95 пороговой вероятности нахождения отклонений каждого ПП в пределах эксплуатационных ограничений: более высокое значение этой вероятности пилот при заходе на посадку при турбулентных возмущениях обеспечить не сможет, так как это потребует от него переработки приборной видеоинформации со скоростью, превосходящей его психофизические возможности. Теоретически существуют два пути понижения информационной загрузки пилота: повышение уровня автоматической стабилизации ВС или использование интегральных полетных параметров (ИПП).

3.4. Вероятностные характеристики структуры зрительной деятельности пилота сведены в табл. 1. К ним относятся вероятности наблюдения пилотом приборов, переходные вероятности и вероятности циклов в зрительном маршруте пилота. Теоретическая вероятность Р„ наблюдения пилотом п-то прибора на исследуемом этапе полета определяется без учета потери времени на переносы взгляда пилота отношением времени, теоретически необходимого пилоту для контроля визуализированных этим прибором ПП, к общему времени наблюдения пилотом всех ПП.

Вероятности наблюдения пилотом приборов электромеханической СОИ

Таблица 1

Прибор Вероятность наблюдения прибора

теоретическая эмпирическая для режима захода

директорный СП

ПКП 0,463 0,562 0,545

ПНП 0,160 0,072 0,105

пкп+пнп 0,623 0,634 0,650

Вариометр 0,173 0,158 0,153

УСИМ 0,102 0,084 0,043

Радиовысотомер 0,102 0,046 0,034

Анализ приведенных характеристик процесса сбора пилотом информации с электромеханической СОИ показывает хорошее соответствие значений теоретических и эмпирических вероятностей наблюдения пилотом приборов и циклов в зрительном маршруте пилота по СОИ.

Вероятности наблюдения пилотом узлов комплексного пилотажного индикатора (КПИ) приведены в табл,2.

_ _ _Таблица 2

Узел КПИ Вероятность наблюдения узла

теоретическая эмпирическая

Узел авиагоризонта (АГ) Центр АГ, директорная индикация, крен 0,609 0,62

Узел курса - 0,03

Узел скорости 0,106 0,10

Узел высоты 0,285 0,25

Сравнение приведенных в табл. 1 и 2 теоретических и эмпирических характеристик процесса сбора пилотом информации с КПИ не выявляет существенных расхождений в их значениях. Представленные результаты позволяют сделать следующие выводы о закономерностях процесса взаимодействия пилота с СОИ:

1. Основные характеристики процесса взаимодействия пилота с СОИ определяются аэродинамическими характеристиками ВС и заданной точностью пилотирования, так как их эмпирические значения практически совпадают теоретическими значениями.

2. СЗД пилота при заходе на посадку определяется наличием опорного прибора, на который приходится порядка 60% зрительной загрузки.

3. Теоретические характеристики процесса взаимодействия пилота с СОИ являются оптимальными по критерию минимизации зрительной загрузки пилота по приборной информации при условии обеспечения пилотом заданной точности пилотирования.

4. Возможность расчета временных затрат пилота, средней продолжительности фиксации взгляда, переноса взпшда по элементам СОИ позволяет разработать методы объективной оценки зрительной загрузки пилота по приборной информации.

5. Расхождения в теоретических и эмпирических значениях характеристик процесса взаимодействия пилота с СОИ указывают на особенности взаимодействия пилота с данным типом СОИ и, как правило, отражают конкретные эргономические недостатки СОИ.

3.5. Особенности обучения экипажа распределению зрительного внимания в приборном полете. Эксперименты показывают, что для удержания самолета на заданной траектории в режиме захода на посадку, частота переноса взгляда пилота от одного контролируемого параметра к другому составляет 100-120 переносов взгляда в минуту В таких условиях предельной зрительной загрузки пилота необходимо выделить основные принципы распределения его зрительного внимания, определяющие надежность процесса контроля и управления. Они сведены в закон распределения зрительного внимания, исключающий неконтролируемое превышение ограничений полетных параметров: 1. Маршруты перемещений взгляда должны быть замкнутые, т.е. начинаться и кончаться на одном и том же приборе (параметре). 2. Замкнутый маршрут перемещения взгляда должен включать кроме опорного не более 2-х параметров (приборов), а лучше одного. 3. Если маршрут взгляда будет хаотичным или состоять из 3-х

приборов параметров и более - практически всегда будут неконтролируемые, незаметные для пилота выходы контролируемых параметров за пределы эксплуатационных ограничений. 4. Для параметров, практически неизменных в полете (например, по силовым установкам) маршрут взгляда должен быть также замкнутым, с опорным параметром (прибором), выход которого за пределы эксплуатационных ограничений может произойти за минимальное время.

Глава 4. Объективные методы эргономической экспертизы СОИ ВС.

4.1. Методология эргономической экспертизы СОИ по теоретически оптимальным и реальным характеристикам СЗД пилота и качества пилотирования. Предлагаемая методология эргономической экспертизы СОИ основывается на том, что при выполнении пилотажных задач, для которых загрузка пилота по приборной видеоинформации близка к предельно допустимой, установленные в главах 2 и 3 минимальные характеристики зрительной деятельности пилота могут рассматриваться как теоретически оптимальные по критерию минимизации зрительной загрузки пшюта по приборной информации.

4.2. Обобщенные показатели эргономического качества СОИ. Показатель X относительной загрузки пилота по нилотажно-навигационной информации, определяемой формулой

V *

Л = ]Г:Гф,/; +7;]Г/„, равен той минимальной части общей

продолжительности выполнения пилотажной задачи, которую пилот должен затратить на контроль приборной видеоинформации. Значение X должпо быть заключено в пределах от 0 до 1.

Для определения аналитического вида траекторно-вероятностного показателя используются следующие дополнительные обозначения. Пусть р, и - теоретически оптимальная и эмпирическая вероятности наблюдения пилотом 1-го прибора; К, - число ПП, визуализируемым г-ым прибором; И, - теоретически достигаемая при теоретически оптимальной структуре зрительной деятельности пилота дисперсия у'-го ПП; Е1 - эмпирческая дисперсияу'-го ПП;

Значение траекторно-вероятностного показателя определяется формулой

результате сравнения близости вектора q = (дь--, Як) эмпирических вероятностей наблюдения пилотом приборов СОИ к вектору р = (р>,..., Рк) теоретически оптимальных вероятностей наблюдения этих приборов и оценки точности выдерживания пилотом заданной траектории ВС Значения <3 заключены между 0 и 1, причем чем выше эргономическое качество СОИ, тем ближе значение <3 к 1. Для эталонной СОИ (2=1.

Оценка СОИ по показателю происходит в

Структурный показатель эргономического качества СОИ оценивает СОИ по степени близости зрительного маршрута по приборам СОИ к теоретически оптимальному маршруту. Пустьрс = {рс рсь), Яс = (<}с !>■••> - векторы теоретически оптимальных и эмпирических вероятностей основных двухприборных и трехприборных циклов в зрительном маршруте пилота. Структурный показатель определяется формулой 1 1

= п—¡¡-¡1—{ИРаЧсг Значения (^Б заключены между 0 и 1, причем

QS=1 тогда и только тогда, когда эмпирические вероятности циклов в зрительном маршруте пилота совпадают с теоретически оптимальными, то есть значение является эргономической оценкой компоновки СОИ.

4.3. Концепция эргономически эталонной СОИ. Эргономически эталонная СОИ - это абстрактная СОИ, элементный состав которой тождественен составу исследуемой СОИ, полетные параметры не связаны с конкретными техническими типами их изобразительных элементов, поэтому такая абстрактная СОИ теоретически свободна от недостатков. Наиболее важными из характеристик эргономически эталонной СОИ являются теоретически оптимальные частоты и вероятности наблюдения пилотом ее приборов и средние продолжительности съема с них видеоинформации пилотом, так как при использовании их в качестве эталонных величин можно по аналогии с вероятностно-траекторным показателем 2 определить числовые показатели эргономического качества отдельных приборов для эксплуатируемых или находящихся на этапе стендовых испытаний СОИ.

4.4,Оценка эргономического качества электромеханической СОИ, КПИ с индикацией вектора полной энергии, подобной РРБ А-320.

В 4.4.1. проведено исследование эргономического качества электромеханической СОИ по показателю О в виде сравнительной эргономической оценки по этому показателю двух систем индикации захода на посадку: директорного и по планкам положения. Сравнение полученных значений 0 (£>,вдр = 0,97, ()сп = 0,60) подтверждает эргономические преимущества индикации директорного режима. Поэтому проведенное сравнение по показателю 2 систем индикации двух режимов захода на посадку можно рассматривать как пример для определения возможностей траекторно-вероятностного показателя по объективной оценке эргономического качества СОИ.

Расчет структурного показателя QS для электромеханической СОИ с индикацией директорного режима захода на посадку приведен в табл. 3.

Таблица 3

Вероятность

Зрительный цикла рс? 40.} рс.дс,

цикл теор рс-, эмпир дс„

ПКП-ПНП 0,209 0,170 0,044 0,029 0,036

ПКПК - вариометр 0,226 0,330 0,051 0,109 0,075

ПКПК-УС 0,133 0,150 0,018 0,023 0,020

ПКП - высотомер 0,133 0,020 0,018 0,001 0,003

ПКП - ПНП - вариом. 0,055 0,090 0,003 0,008 0,005

УС - ПКП - вариометр 0,030 0,027 0,001 0,001 0,001

ПКП - вариометр-

высотомер 0,030 0,150 0,001 0,023 0,005

£ 0,701 0,670 0,135 0,194 0,145

Я 0,367 0,440

\р.ы 0,161

0,901

4.4.2. Оценка эргономического качества ЮПИ.

КПИ, представляющий пилотажно-навигационную часть электронной СОИ, потенциально обладает рядом эргономических преимуществ перед электромеханической СОИ. Но это достоинство КПИ легко обращается в серьезной эргономический недостаток при нарушении принципов эргономического синтеза приборной информации. В частности, насыщенность базового формата КПИ СЭИ-85 цифровыми счетчиками с высокой (0,8 - 1,0 гц) частотой изменения младшего разряда, малоинформативного для большинства пилотажных задач, оказывает крайне негативное воздействие на зрительный анализатор пилота: в поле зрения постоянно находятся мигающие неинформативные цифры, отвлекающие пилота от получения реально требуемой для пилотирования информации и вызывающее быстрое утомление его зрения.

Расчет структурного показателя QS для КПИ при директорном заходе на посадку приведен в табл.4.

Таблица 4

Вероятность

Зрительный цикла рс,2 ЧС* рс дс.,

цикл теор ре./ эмпир (¡С.,

АГ - (Яр, + Уу) 0,604 0,572 0,3648 0,3272 0,3455

АГ- 0,225 0,229 0,0506 0,0524 0,0515

Г-Ш^+Гу) 0,105 0,090 0,0110 0,0081 0,0001

1 0,934 0,891 0,4264 0,3877 0,3971

Я 0,6530 0,6227

1Ы1Ы1 0,4066

(25 0,977

Полученное значение = 0,901 (табл.3) служит основанием для поиска направлений совершенствования компоновки электромеханической СОИ, а значение QS = 0,977 (табл.4) свидетельствует о сравнительно хорошем эргономическом качестве компоновки КПИ.

4.4.3.Эргономическое исследование СОИ с индикацией вектора полной энергии (РР'Г)-А320) показывает, что по такой СОИ происходит снижение показателя относительной зрительной загрузки пилота на 25% по сравнению с электромеханической СОИ и существенно повышается надежность системы «пилот-самолет».

4.5. Эргономическое проектирование СОИ с совмещенной визуализацией полетных параметров.

Перспективным направлением совершенствования СОИ является отказ от параметрического представления ряда ПП и переход к аналоговой комплексной визуализации нескольких ПП одним ИЭ - интегральным ПП (И1111). В данном разделе формулируются общие принципы эргономической реализации ИПП и разрабатывается объективный метод эргономической оценки СОИ с ИПП. Определяющее требование к ИПП - ИПП не должен искусственно повышать долю каждого из представленных в нем ПП в общем распределении зрительного внимания пилота сверх оптимальной доли этого ГШ. Включенные в ИПП полетные параметры с низкими информативными частотами будут избыточно часто контролироваться пилотом, так как минимально необходимая частота контроля пилотом ИПП совпадает с удвоенной максимальной из информативных частот визуализированных ИПП полетных параметров, а любое обращение пилота к ИПП неизбежно сопровождается снятием с ИПП избыточной для выполнения пилотажной задачи информации о динамике ПП с малыми информативными частотами. Следствием этого будет искусственное повышение зрительной загрузки пилота по ИПП и по СОИ в целом по сравнению со зрительной загрузкой

пилота по СОИ с раздельной визуализацией ПЛ. Таким образом, необходимым условием для эргономической совместимости нескольких ГШ в ИГГП является близость значений информативных частот этих ГШ. Аналитический вид показателя относительной зрительной загрузки пилота по ИПП определяется формулой Липп = Тф ■ /ипп + Тп ■ fmn, где тф - средняя продолжительность снятия пилотом информации с ИПП при его однократном обращении к ИПП; fmn - информативная частота ИПП, равная удвоенной максимальной из информативных частот визуализируемых на ИЭ ИПП полетных параметров. Значение /ипп равно минимально необходимой для обеспечения заданного качества пилотирования частоте зрительных обращений пилота к ИПП. Т„ - средняя продолжительность переноса взгляда пилота с одного элемента СОИ на другой, обычно Г, 0,1 с Полученное значение Хипп позволяет на начальных этапах эргономической разработки ИПП объективно установить, является ли использование данного типа ИПП допустимым по эргономическим требованиям, так как по значению Лт„ рассчитывается показатель Л СОИ в целом.

Числовая оценка эргономического качества ИЭ ИПП дается значением траекторно-вероятностного показателя ИЭ ИПП Qm„. Пусть ИЭ ИПП визуализирует К полетных параметров; Рипп - р - теоретически оптимальная вероятность наблюдения пилотом ИПП; q - эмпирическая вероятность наблюдения пилотом ИЭ ИПП, устанавливаемая при макетных или натурных испытаниях СОИ с ИПП; D: - теоретически достигаемая при теоретически оптимальной вероятности наблюдения пилотом ИПП дисперсия j го ПП (эталонная дисперсия j - го 1111); Яу - эмпирическая дисперсия j - го ПП, устанавливаемая при натурных испытаниях СОИ с ИПП; j = 1, ..., К.

Очевидно, что показатели <2тп и <2 тождественны, но 0 дает оценку СОИ в целом, а <2ИЛЛ - ее отдельного элемента. Методика оценки качества компоновки СОИ с ИПП по показателю не отличается от общей методики из раздела 4.2.

Таким образом, представленные методы позволяют на начальных этапах проектирования СОИ с ИПП эргономически обоснованно определять состав комплексируемых в ИПП полетных параметров, а на этапах испытаний СОИ с ИПП - получить объективные числовые оценки эргономического качества ИЭ ИПП и СОИ с ИПП в целом. Дальнейшее развитие этих методов требует в первую очередь исследования эксплуатируемых СОИ с ИПП для установле ния нормативных значений введенных обобщенных показателей эргономии-ческого качества СОИ с совмещенной или аналоговой индикацией ПП.

В заключении подводятся итоги работы.

Проведенный анализ современных экспериментальных методов иссле-

Qnnn ~ ' к F

дования процесса взаимодействия пилота с СОИ показал ограниченность возможности применения этих методов как для оценки зрительной загрузки пилота по приборной информации, так и для получения объективных оценок эргономического качества предоставления приборной информации.

Разработанная в диссертации методология теоретического исследования процесса взаимодействия пилота с пилотажно-навигационной частью СОИ направлена на установление объективных количественных закономерностей этого процесса и предполагает комплексное исследование системы «пилот-самолет». Эти закономерности в зрительной деятельности пилота на информационно напряженных этапах полета описываются минимально необходимыми для выполнения с заданной точностью пилотирования основных пилотажных задач частотами зрительных обращений пилота к ГШ и определяемыми этими частотами числовыми характеристиками СЗД пилота. Установление значений числовых характеристик теоретически оптимальной СЗД пилота при выполнении основных пилотажных задач позволяет решать практически важные задачи определения допустимого уровня загруженности пилота по пилотажно-навигационной информации и объективной оценки эргономического качества представления этой информации.

Таким образом, полученные в диссертации результаты позволяют сформулировать следующие выводы:

1. В предлагаемой диссертационной работе решается важная и актуальная задача повышения эффективности системы «экипаж-самолет» и снижения числа авиационных происшествий и предпосылок к ним по причине ошибочных действий экипажа при выполнении полетов по правилам полетов по приборам, для чего были разработаны теоретические закономерности взаимодействия пилота с приборной информацией, основы и принципы формирования приборной информации, обеспечивающие создание программ подготовки экипажей и полной системы требований к системам отображения информации (СОИ) ВС.

2.Разработана математическая модель работы следящей системы с дискретным вводом информации, с высокой точностью описывающей частотные характеристики процесса взаимодействия нилош с СОИ при выполнении основных пилотажных задач - задачи формирования опорной траектории ВС и задачи стабилизации ВС на опорной траектории в пределах эксплуатационных ограничений на отклонения полетных параметров, и устанавливающей аналитические зависимости между заданным качеством выполнения пилотом основных пилотажных задач и минимально необходимыми для достижения этого качества характеристиками зрительной деятельности пилота.

3.На основе установленных информативных для пилота характеристик приборной информации разработаны методика оценки зрительной загрузки пилота по пилотажно-навигационной информации и методика расчета оптимальных для минимизации зрительной загрузки характеристик распределения внимания пилота по пилотажно-навигационным приборам,

при которых обеспечивается выполнение траектории поле!а в пределах заданных эксплуатационных ограничений.

4.Разработана система обобщенных числовых показателей СОИ ВС, включающая в себя: показатель относительной зрительной загрузки пилота по пилотажно-навигационной части СОИ; вероятностно-траекторный показатель, оценивающий качество СОИ по совокупности качества входящих в СОИ приборов; структурный показатель, оценивающий качество компоновки СОИ ,

5.Разработаны объективные методы оценки качества перспективных типов СОИ с совмещенной визуализацией полетных параметров, их отдельных элементов и компоновки.

6.Разработаны основные положения по обучению летного состава правильному распределению зрительного внимания при эксплуатации ВС в пределах заданных эксплуатационных ограничений.

7.На основе разработанных теоретических положений и расчетов информативных для пилота характеристик приборной информации проведено сравнительное исследование электромеханической СОИ и электронной СОИ на этапе директорного захода на посадку. Результаты исследования подтвердили выдвинутые теоретические положения и указали ряд возможных путей совершенствования СОИ ВС, а также создали предпосылки объективной оценки новых СОИ на этапах, предшествующих эксплуатации.

Публикации автора по теме диссертации.

1. Булгаков Д.Н., Столяров H.H. Методология исследования процесса взаимодействия пилота с СОИ при математическом моделировании системы «пилот-ВС-атмосфера»//Научный вестник МГТУ ГА № 50 Сер. Аэромеханика и прочность. - М.: МГТУ ГА, 2002. - С. 61-65.

2. Булгаков Д.Н., Столяров H.H. О закономерностях процесса взаимодействия пилота с СОИ, определяемых аэродинамическими характеристиками ВС и заданной точностью пилотирования//Научный вестник МГТУ ГА № 50. Сер. Аэромеханика и прочность. - М.: МГТУ ГА, 2002. - С. 66-71.

3. Булгаков Д.Н., Столяров H.H. Объективные методы эргономической экспертизы СОИ самолета//Научный вестник МГТУ ГА № 59. Сер. Аэромеханика и прочность. - М.: МГТУ ГА, 2003. - С. 51-56.

4. Столяров H.H. Эргономическое проектирование систем отображения информации самолета с совмещенной визуализацией полетных параметров//Научный вестник МГТУ ГА № 59. Сер. Аэромеханика и прочность. - М.: МГТУ ГА, 2003. - С. 95-100.

5. Маликов С.А., Столяров H.H., Ципенко В.Г. Оптимальная методика посадки Ту-154М с учетом характеристик устойчивости и управляемости// Гражданская авиация на современном этапе развития науки, техники и общества: Тез. докл. Международной научно-технической конференции.- М.. МГТУГА, 2003,- с. 22-23.

6. Булгаков Д.Н., Столяров H.H. Актуальные направления эргономического синтеза приборной информации в кабинах самолетов// Гражданская авиация на современном этапе развития науки, техники и общества: Тез. докл. Международной научно-технической конференции.- М.: МГТУГА, 2003,- с. 46-47.

7.Столяров H.H. и др. Исследование возможностей расширения эксплуатационных ограничений самолета Ил-96-300 при взлете и посадке с ВПП в условиях низкого коэффициента сцепления и боковой составляющей ветра. Этап 1 Обоснование выбора расчетных случаев и результаты вычислительных экспериментов. Пром. отчет о НИР 010-10.006-01ГА.-Научи. руководитель Ципенко В.Г., отв. исполнитель Кулбанов М. С.-М.: МГТУГА, 2001.-С. 74.

8. Столяров H.H. и др. Исследование возможностей расширения эксплуатационных ограничений самолета Ип-96-300 при взлете и посадке с ВПП в условиях низкого коэффициента сцепления и боковой составляющей ветра. Этап 2. Разработка рекомендаций и предложений по летной эксплуатации самолета Ил-96-300 в условиях низкого коэффициента сцепления и повышенной скорости боковой составляющей ветра. Закл. отчет о НИР 010-10.006-01ГА.-Научн. руководитель Ципенко В.Г., отв. исполнитель Кулбанов М.С.-М.: МГТУГА, 2001.-с.29.

9. Столяров H.H. и др. Исследование возможностей выполнения полетов на самолете Ил-96-300 с ВПП имеющих коэффициент сцепления 0,3 и ниже, с изменением ограничений по боковой составляющей ветра. Этап 1. Анализ возможностей расширения ожидаемых условий эксплуатации самолета Ил-96-300 в условиях низких коэффициентов сцепления на ВПП. Пром. отчет о НИР118.-Научн. руководитель Ципенко В.Г., отв. исполнитель Кулбанов М.С.-М.: МГТУГА, 2000.-е. 152.

10. Столяров H.H. и др. Исследование возможностей выполнения полетов на самолете Ил-96-300 с ВПП имеющих коэффициент сцепления 0,3 и ниже, с изменением ограничений по боковой составляющей ветра. Этап 2. Разработка рекомендаций и предложений по летной эксплуатации самолета Ил-96-300. Закл. отчет о НИР118.- Научн. руководитель Ципенко В.Г., отв. исполнитель Кулбанов М.С.-М.: МГТУГА, 2000.-c.102.

11. Столяров H.H. и др. Исследование условий движения самолетов Ил-86 и Ил-96 на ВПП с различными характеристиками торможения с целью расширения границ их безопасной эксплуатации и подготовка соответствующих рекомендаций по изменению эксплуатационной документации. Закл. отчет о НИР143-2001/2.- Научн. руководитель Ципенко В.Г., отв. исполнитель Кулбанов М.С.-М.: МГТУГА, 2001.-c.154.

12. Столяров H.H. и др. Исследование возможностей эксплуатации самолета Ил-76ТД с повышенным значением взлетной массы. Отчет о НИР. -Научн. руководитель Ципенко В.Г., отв. исполнитель Кулбанов М.С.-М.: МГТУГА, 2001.-с.47. П

Соискатель С^! Столяров H.H.

Подписано в печать 10.11.2005г. Печать офсетная Формат 60x84/16 1,16уч.-изд. л.

1,25 усл.печ.л. Заказ № ЧО^ЗС&о Тираж 70 экз.

Московский государственный технический университет ГА 125993 Москва, Кронштадтский бульвар, д 20 Редакционно-издательский отдел 125493 Москва, ул. Пулковская, д. 6а

С Московский государственный технический университет ГА, 2005

»18653

РНБ Русский фонд

2006-4 ^

16880 1

«

Введение.

Глава 1. Теоретические принципы эргономического исследования и оценки эргономического качества СОИ.

1.1. Анализ современного состояния и методов исследования зрительной деятельности пилота.

1.2. Методология исследования процесса взаимодействия пилота с СОИ при математическом моделировании системы "пилот-ВС-атмосфера".

1.3. Выводы по главе 1.

Глава 2. Математические методы описания зависимости качества пилотирования от частотных характеристик зрительной деятельности пилота.

2.1. Формализация основных пилотажных задач в линейной модели движения самолета в возмущенной атмосфере.

2.2. Математическая формализация задачи определения необходимой частоты поступления информации в следящую систему.

2.3. Спектральные характеристики оптимального управления в следящей системе.

2.4. Информационные потоки в следящей системе.

2.5. Выводы по главе 2.

Глава 3. Закономерности процесса взаимодействия пилота в СОИ, определяемые аэродинамическими характеристиками ВС и заданной точностью пилотирования.

3.1. Математическое моделирование динамики ВС при заходе на посадку в возмущенной атмосфере.

3.2. Частотные характеристики зрительной деятельности пилота при стабилизации ВС в условиях нестационарных атмосферных возмущений.

3.3. Относительная зрительная и информационная загрузка пилота по приборной информации.

3.3.1. Показатель относительной зрительной загрузки пилота по приборной информации.

3.3.2. Результаты расчетов информативных и оперативных частот ГШ самолета Туи относительной зрительной загрузки пилота при заходе на посадку.

3.3.3. Расчет информационной загрузки пилота по приборной видеоинформации.

3.4. Вероятностные характеристики структуры зрительной деятельности пилота.

3.5. Особенности обучения экипажа распределению зрительного внимания в приборном полете.

3.6. Выводы по главе 3.

Глава 4. Объективные методы эргономической экспертизы

СОИ самолета.

4.1. Методология эргономической экспертизы СОИ по теоретически оптимальным и реальным характеристикам СЗД пилота и качеству пилотирования.

4.2. Обобщенные показатели эргономического качества СОИ.

4.3. Концепция эргономически эталонной СОИ.

4.4. Оценка эргономического качества электромеханической СОИ,

КИИ, СЭИ-85 и СОИ с индикацией вектора полной энергии, подобной PFD А

4.4.1. Исследование эргономического качества электромеханической СОИ.

4.4.2. Оценка эргономического качества комплексного пилотажного индикатора СЭИ-85.

4.4.3. Эргономическое исследование СОИ с индикацией вектора полной энергии (PFD А-320).

4.5. Эргономическое проектирование СОИ самолета с совмещенной визуализацией полетных параметров.

4.6. Выводы по главе 4.

Авиационные системы являются одними из наиболее сложных и динамичных современных систем, которые в процессе эксплуатации воздушного судна (ВС) предъявляют особо высокие требования к организации процесса взаимодействия человека и техники. Поэтому в авиационных системах на фоне постоянного совершенствования их технической части и наземного обеспечения полетов часто проявляются специфические особенности функционирования систем, охватываемые понятием «человеческий фактор». На начальном этапе развития авиационной эргономики термин «человеческий фактор» имел ограниченную трактовку как причина авиационных происшествий, возникших исключительно по вине экипажа самолета. Почти до конца 70-х годов считалось, что непреднамеренное формирование ошибочных действий экипажем самолета является следствием единственной причины - недостаточной профессиональной подготовкой пилотов. Такая концепция, выделившая только одну из многочисленных проблем обеспечения эффективного взаимодействия человека и техники, обосновала необходимость повышения уровня профессиональной подготовки летного состава путем создания новых методов и средств обучения на базе тренажерных комплексов. Практическую эффективность этого несомненно важного пути повышения безопасности полетов трудно оценить объективно ввиду отсутствия статистики предотвращенных профессионально грамотными действиями экипажей самолетов предпосылок к авиационным происшествиям. Однако статистика авиационных происшествий и предпосылок к ним в результате ошибочных действий экипажа не отметила снижения их количества. По результатам факторного анализа безопасности полетов в СССР, проводимого ежегодно специалистами ГосНИИГА, во второй половине 80-х годов более 60% авиационных происшествий и предпосылок к ним происходило в результате ошибочных действий членов экипажа. При этом только 4% всех ошибочных действий происходило в особых условиях полета, остальные 96% возникали в ожидаемых условиях эксплуатации и были связаны в первую очередь с нарушением экипажем норм, установленных в РЛЭ в виде эксплуатационных ограничений на параметры траектории самолета и на параметры функционирования самолетных систем. Аналогичная ситуация отмечена в странах - членах ИКАО: достигнутый к концу 70-х годов уровень безопасности полетов в последующие годы практически стабилизировался и не проявляет отчетливо выраженной тенденции к дальнейшему повышению [17], [18], [43], [51].

Сохраняющийся, несмотря на энергичное внедрение профилактических методов и новых средств обучения летного состава, высокий уровень ошибочных действий экипажей создал объективные предпосылки для объяснения причины многих ошибочных действий экипажей недостаточным соответствием технических средств авиации реально ограниченным возможностям человека. Такая концепция позволяет выделить в качестве объекта исследования в системе «пилот-самолет» одно из основных звеньев, обеспечивающих направленное на выполнение пилотажных задач взаимодействие пилота с самолетными системами - систему отображения информации (СОИ) самолета. В гражданской авиации на этапах полета, отличающихся наибольшим числом авиационных происшествий и предпосылок к ним по вине экипажа (заход на посадку, взлет), взаимодействие пилота с СОИ имеет наиболее динамичные характеристики по сравнению с другими самолетными системами: частота переноса взгляда пилота с одного прибора на другой в нормальных условиях захода на посадку обычно составляет 100-120 переносов в минуту [40], [41]. Такой уровень загруженности пилота по зрительному каналу приема информации вызывает вполне обоснованные сомнения в психофизиологических возможностях пилота безошибочно обеспечивать этот процесс и указывает на актуальность исследований в этом направлении.

Теоретические предпосылки для этих исследований были заложены в трудах отечественной школы по инженерной психологии, посвященных уточнению и развитию понятия «человеческий фактор». В работах Ю.П. Доброленского и В.А. Пономаренко [17], [18] доказана методологическая целесообразность расширения интерпретации этого понятия для более полного описания взаимосвязи явлений в системе «пилот-самолет». Введенная В.А. Пономаренко концепция «человеческого фактора» позволяет раскрыть динамику летного происшествия и найти причину, дифференцирующую истинную вину пилота от ошибки, опосредованной обстоятельствами полета и, в частности, несовершенством оборудования. Широкое научное признание понятия «человеческий фактор» указало на принципиальную особенность современного этапа развития авиации, состоящую в том, что совершенствование и усложнение технических средств существенно опередило исследование процессов взаимодействия человека с техникой, и доказало актуальность инженерно-психологических и эргономических исследований в авиации. Созданные отечественными учеными В.А. Пономаренко, В.П. Зинченко, Н.Д. Заваловой, Б.Ф. Ломовым, Ю.П. Доброленским ([7], [17], [20], [27]) теория формирования образа полета, концептуальная модель полета, базирующиеся на большом объеме экспериментальных инженерно-психологических исследований, позволили впервые обосновать наличие чрезвычайно сложных процессов взаимодействия пилота с оборудованием. В качестве регулятора действий пилота и членов экипажа самолета выступает образ полета как сложный феномен отражения человеком объективной реальности - полетной ситуации [27]. В работах В.А. Пономаренко, В.В. Лапы, В.А. Туваева, Н.Д. Заваловой, Ю.П. Доброленского [19], [21] выделен и исследован один из базовых компонентов образа полета - приборный образ полета, который регулирует моторный компонент действий на основе восприятия приборной информации о расхождении между фактическими и заданными значениями параметров полета, о состоянии технических систем самолета, а также о близости фактических значений параметров к предельно допустимым.

Взаимодействие летчика с СОИ складывается из двух основных процессов: процесса получения информации о текущих значениях и динамике полетных параметров (ПП), состоянии технических систем и процесса управления, в ходе которого летчик приводит значения ПП и их динамику в состояние, соответствующее выполняемой пилотажной задаче. Формирование приборного образа полета происходит в результате получения и переработки летчиком информации при зрительном сканировании СОИ - случайном процессе перемещения взгляда летчика по элементам СОИ. Важность приборной информации для формирования адекватного полетной ситуации образа полета несомненна: «Даже кратковременное лишение возможности получать зрительную информацию от приборов приводит к потере представления о пространственном положении» [18]. Поэтому процесс зрительного сканирования летчиком СОИ привлекает пристальное внимание исследователей как наиболее динамичный процесс в системе «летчик-самолет», во многом определяющий эргономическую эффективность всей системы. Согласно [18], «в условиях распределения внимания эффективность действий летчика в наибольшей степени зависит от качества информационной модели».

Принципиальной особенностью процесса сканирования СОИ является дискретность получения летчиком информации с каждого элемента СОИ, которая характеризуется, в первую очередь, средней частотой зрительных обращений пилота к основным элементам СОИ. Летчик снимает показания различных элементов СОИ с различной частотой в зависимости от динамичности визуализируемой ими информации [17], [18] и выполняемой пилотажной задачи, «при этом уменьшение доли внимания к тому или иному прибору часто диктуется отсутствием времени, а не уменьшением потребности в информации» [17]. Динамичность протекающих в системе «летчик-самолет» процессов требует от летчика такой организации его зрительной деятельности, при которой он способен оперативно получить с СОИ необходимую по полетной ситуации информацию, а от разработчиков СОИ - обеспечить летчику объективную возможность получения такой информации с учетом объективно ограниченных психофизиологических способностей летчика.

Таким образом, перед разработчиками СОИ самолета с логической неизбежностью возникают давно поставленные вопросы: «Чему равны максимально возможная информационная пропускная способность летчика и его допустимая информационная нагрузка? Какие характеристики информационного поля, создаваемого СОИ, необходимы для обеспечения безошибочных действий каждого члена экипажа самолета?».

Эти вопросы приобрели особую актуальность со второй половины 80-х годов в связи с разработкой нового поколения систем цветовой электронной индикации для перспективных самолетов гражданской авиации Ил-96-300 и Ту-204. Проведенный в НИИ АО и ЛИИ МАП большой объем экспериментальных исследований с использованием технических средств регистрации зрительной деятельности летчиков, обеспечивший объективную возможность перехода к электронным СОИ, не внес исчерпывающей ясности в эти вопросы. Анализ хода этих исследований указал на их высокую стоимость и большую продолжительность, что в совокупности с неоднозначностью экспертных оценок нескольких конкурирующих образцов СОИ и отсутствием общепринятой системы объективных показателей эргономической эффективности СОИ свидетельствует о назревшей необходимости ускоренного проведения теоретических исследований, направленных на создание эргономического обеспечения разработки и испытаний СОИ самолета.

Основная цель теоретических исследований должна состоять в установлении количественных закономерностей между качеством выполнения основных пилотажных задач, характеристиками объекта управления и структурой распределения зрительного внимания летчика в процессе летной эксплуатации ВС. По результатам этих исследований должны быть сформулированы общие принципы формирования приборной информации и методики подготовки пилотов, учитывающие не только технические стороны функционирования системы «экипаж-самолет», но и объективно ограниченные психофизиологического формирования приборной информации может существенно упростить и упорядочить программы экспериментальных исследований СОИ, сократить сроки таких исследований и повысить их экономическую эффективность.

Постановка задачи.

В целях повышения эффективности системы «экипаж-самолет» и снижения числа авиационных происшествий и предпосылок к ним по причине ошибочных действий экипажа при выполнении полетов по правилам полетов по приборам необходимо разработать теоретические принципы формирования приборной информации, обеспечивающие создание полной системы требований к СОИ. Эти принципы должны основываться на установленных количественных закономерностях процесса взаимодействия экипажа с приборной информацией, необходимых для выполнения основных пилотажных задач, и учитывать ограниченные возможности зрительной деятельности членов экипажа самолета.

Решение задачи по разработке полной системы требований к СОИ самолета обеспечивает соответствие сформированной приборной информации реальным возможностям человека по ее восприятию и формированию адекватных полетной ситуации управляющих действий, которое заключается в повышении эргономической эффективности системы «экипаж-самолет» и в снижении количества авиационных происшествий и предпосылок к ним, возникающих по причине несовершенного обеспечения взаимодействия членов экипажа с приборной информацией.

Практическое значение решения поставленной задачи состоит в сокращении сроков подготовки летного состава к надежной эксплуатации ВС, разработки, испытаний и эргономической экспертизы новых типов СОИ, а также в указании перспективных направлений совершенствования существующих СОИ.

Актуальность диссертации определяется высоким уровнем предпосылок и авиационных происшествий, связанных с ошибочными действиями экипажа и являющихся следствием несовершенной организации взаимодействия членов экипажа с приборной информацией, проходящим в настоящее время переходом гражданской авиации на принципиально новые СОИ на цветных ЭЛТ.

Целью диссертации является создание теоретических основ формирования приборной информации в системе «экипаж-самолет», базирующихся на объективно точных математических методах исследования, учитывающих динамику объекта управления, состояние атмосферы, ограниченность возможностей зрительной деятельности членов экипажа и заключающихся в: разработке методологических принципов и математического обеспечения исследования процесса взаимодействия пилота с СОИ, направленного на установление закономерностей между характеристиками зрительной деятельности пилота и качеством выполнения им основных пилотажных задач; разработке системы числовых показателей эффективности СОИ и ее отдельных элементов, основанных на оценках соответствия количественных характеристик приборной информации и качества ее предъявления возможностям пилота по организации структуры распределения его внимания, необходимой для формирования адекватных полетной ситуации управляющих действий; обосновании практической целесообразности применения предлагаемой системы показателей эффективности СОИ для эргономической экспертизы СОИ, в установлении возможности их использования для разработки практических рекомендаций по совершенствованию СОИ, а также в установлении их прогностической ценности для разработки новых типов СОИ с совмещенной визуализацией полетных параметров ВС; разработке положений по обучению летного состава правильному распределению зрительного внимания в приборном полете.

Для достижения поставленной цели в диссертации решены следующие задачи:

1. Математически формализованы основные для системы «пилот-самолет» пилотажные задачи: задача формирования опорной траектории ВС и задача стабилизации ВС на опорной траектории в пределах эксплуатационных ограничений на отклонения полетных параметров.

2. Разработаны методики и математический аппарат для установления аналитических зависимостей между заданным качеством выполнения пилотом основных пилотажных задач и минимально необходимыми для достижения этого качества частотными характеристиками зрительной деятельности пилота.

3. На основе установленных информативных для пилота характеристик приборной информации разработаны методика оценки зрительной загрузки пилота по пилотажно-навигационной информации и методика расчета оптимальных для минимизации зрительной загрузки характеристик распределения внимания пилота по пилотажно-навигационным приборам, при которых обеспечивается необходимое для выполнения основных пилотажных задач качество контроля приборной видеоинформации.

4. Разработана система обобщенных числовых показателей СОИ ВС, включающая в себя: показатель относительной зрительной загрузки пилота по пилотажно-навигационной части СОИ; вероятностно-траекторный показатель, оценивающий качество СОИ по совокупности качества входящих в СОИ приборов, отражаемого степенью соответствия теоретически оптимальных и реальных вероятностей наблюдения пилотом приборов, и обеспечиваемого СОИ качества пилотирования; структурный показатель, оценивающий качество компоновки СОИ путем сопоставления теоретически оптимальных и реальных вероятностей основных циклов в зрительном маршруте пилота по СОИ.

5. Разработаны методы оценки качества перспективных типов СОИ с совмещенной визуализацией полетных параметров, их отдельных элементов и компоновки.

6. Разработаны основные положения по обучению летного состава правильному распределению зрительного внимания.

7. На основе разработанных теоретических положений и расчетов информативных для пилота характеристик приборной информации проведено исследование электромеханической СОИ и электронной СОИ на этапе директорного захода на посадку. Результаты исследования подтвердили выдвинутые теоретические положения и указали ряд возможных путей совершенствования СОИ ВС.

Основным методом исследования в диссертации является математическое моделирование системы «пилот-самолет», использующее методы теоретической механики, динамики полета, теории обыкновенных дифференциальных уравнений, операционного исчисления, теории вероятности, спектральной теории случайных процессов, функционального анализа, теории сплайн-функций, теории информации, теории цифровой обработки сигналов, элементов теории автоматического управления, численного моделирования на ЭВМ, инженерной психологии и эргономики.

На защиту выносятся:

1. Методология нахождения закономерностей процесса взаимодействия пилота с СОИ в режиме штурвального управления самолетом.

2. Математическая модель следящей системы с дискретным вводом информации, предназначенная для нахождения необходимых частот наблюдения пилотом полетных параметров.

3. Система обобщенных числовых показателей качества СОИ.

4. Методика экспертизы СОИ с совмещенной визуализацией полетных параметров.

5. Основные положения по обучению летного состава правильному распределению зрительного внимания в приборном полете.

Научная новизна полученных результатов определяется тем, что в диссертации представлен принципиально новый подход, базирующийся на объективных числовых закономерностях взаимодействия пилота с приборной информацией, учитывающие основные аспекты функционирования системы «пилот-самолет» и устанавливающие эмпирически подтвержденные закономерности процесса зрительного взаимодействия пилота с СОИ.

Разработаны основные положения по обучению летного состава правилам распределения зрительного внимания в приборном полете.

Определены и обоснованы перспективные направления совершенствования СОИ и определены требования к перспективным СОИ с совмещенной визуализацией полетных параметров.

1. Достоверность результатов подтверждается логической стройностью методологии проведенного исследования, учитывающей основные аспекты процесса взаимодействия пилота с СОИ.

2. Построением математически строгой модели работы следящей системы с дискретным вводом информации.

3. Высокой степенью соответствия полученных теоретическими методами значений основных характеристик структуры деятельности пилота и числовых характеристик реальной структуры зрительной деятельности, установленных статистическим анализом зрительных маршрутов с использованием биотехнических комплексов регистрации взгляда пилота.

4. Возможностью введенной системы обобщенных показателей качества СОИ отражать основные особенности процесса взаимодействия пилота с конкретным типом СОИ, выявлять его недостатки и определять направления совершенствования СОИ.

Теоретическая значимость результатов исследований заключается в разработке объективных методов экспертизы СОИ с совмещенной визуализацией полетных параметров, улучшению эргономичности кабины экипажа, уровня подготовки экипажа, что как следствие должно привести к уменьшению количества ошибочных действий экипажа и уменьшению количества авиационных происшествий.

Практическая значимость работы подтверждается современными тенденциями совершенствования СОИ в направлении отказа от параметрического представления приборной информации и тем, что предложенные методы позволяют сократить сроки разработки СОИ, объем их макетных и натурных испытаний, определить перспективные направления совершенствования эксплуатируемых типов СОИ и сократить сроки обучения пилотов безопасной эксплуатации ВС.

Апробация диссертации осуществлялась:

1. На научно-практической конференции Ульяновского высшего авиационного училища гражданской авиации (УВАУ) на секции « Методы и средства подготовки летных экипажей», 2004.

2. На Международной научно-технической конференции МГТУГА, 2003.

3. В процессе проведения обязательной подготовки экипажей в авиационных учебных центрах.

Структура диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы из 77 наименований, списка принятых обозначений и сокращений, приложений. Объем составляет 195 страниц.

4.6. Выводы по главе 4

1. Получено расчетное подтверждение возможности объективной оценки эргономического качества СОИ по системе обобщенных числовых показателей, основанной на математически формализованном сравнении значений теоретически оптимальных и эмпирических характеристик структуры зрительной деятельности пилота по оцениваемой СОИ. Установлено, что область практического использования системы обобщенных показателей не ограничивается сравнительной оценкой по этим показателям нескольких близких по техническому исполнению типов СОИ с целью выбора наиболее совершенного в эргономическом отношении образца СОИ, так как значения обобщенных показателей эргономического качества СОИ могут указывать на конкретные эргономические недостатки СОИ и, тем самым, определять способы их устранения.

2. В результате исследования эргономического качества электромеханической СОИ и КПИ по системе обобщенных показателей выделена основная для обеспечения эффективности и надежности процесса взаимодействия пилота с СОИ при заходе на посадку проблема - предельно высокая зрительная и информационная загрузка пилота по пилотажно-навигационной информации. Полученное по вычисленным значениям показателя относительной зрительной загрузки пилота объективное подтверждение приоритетности этой проблемы является обоснованием всей принятой в диссертации методологии эргономического исследования СОИ по минимально необходимым для выполнения основных пилотажных задач характеристикам зрительной деятельности пилота и определяет общее, наиболее актуальное направление эргономического совершенствования находящихся в эксплуатации типов СОИ - разработку способов представления пилотажно-навигационной информации, снижающих зрительную и информационную загрузку пилота по СОИ.

3. Наиболее перспективным способом снижения зрительной загрузки пилота по пилотажно-навигационной части СОИ является использование в СОИ вектора полной энергии с индикатором воздушных порывов, при котором зрительная загрузка пилота уменьшается на 25%. Другие сформулированные и обоснованные по результатам эргономической оценки по системе обобщенных показателей электромеханической СОИ и КПИ практические рекомендации по совершенствованию этих типов СОИ состоят в улучшении компоновок изобразительных элементов вертикальной скорости и радиометрической высоты, при которых косвенно снижается зрительная загрузка пилота за счет более рациональной организации его зрительного маршрута по СОИ.

4. Представлены методы эргономической разработки и оценки эргономического качества перспективных типов СОИ с совмещенной и аналоговой визуализацией полетных параметров, основанных на объективных расчетно-аналитических оценках зрительной загрузки пилота по СОИ, эргономического качества отдельных элементов и компоновки СОИ.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

1. Развитие теоретических основ эргономического синтеза приборной информации в сложных эргатических системах связано с широким кругом проблем обеспечения планируемой эффективности и надежности функционирования та-ких систем. В современной авиационной системе «пилот-самолет» центральной проблемой эргономического синтеза приборной информации является установление допустимого по психофизиологическим возможностям пилота уровня его загруженности по приборной информации и согласование потока предъявляемой пилоту приборной информации и формы его предъявления с объективно ограниченными возможностями пилота по получению и переработке этой информации. Решение этой проблемы требует создания соответствующего эргономического обеспечения, то есть разработки совокупности теоретических, экспериментальных, расчетно-экспериментальных методов и технических средств исследования процесса взаимодействия пилота с СОИ самолета, так как эргономические качества приборной информации проявляются только в процессе взаимодействия пилота с СОИ.

2. Проведенный анализ современных экспериментальных методов исследования процесса взаимодействия пилота с СОИ показал ограниченность возможности применения этих методов как для оценки зрительной загрузки пилота по приборной информации, так и для получения объективных оценок эргономиче-, ского качества предоставления приборной информации. Такая ограниченность чисто экспериментальных методов обусловлена тем, что они способны лишь' регистрировать сложившиеся под влиянием конкретного вида представления приборной информации и пилотажной задачи характеристики процесса взаимодействия пилота с СОИ, но не способны объяснить закономерности этого процесса. Поэтому экспериментальные методы не дают ответа на вопросы об уровне загрузки пилота по приборной информации, в результате чего может возникать информационная перегруженность пилота и какие характеристики процесса взаимодействия пилота с СОИ должна обеспечить СОИ. Таким образом, решение актуальных проблем эргономического синтеза приборной информации в авиационных эргатических системах требует разработки дополняющих существующие экспериментальные и экспертные методы теоретических и рас-четно-экспериментальных методов исследования этих проблем.

3. Разработанная в диссертации методология теоретического исследования процесса взаимодействия пилота с пилотажно-навигационной частью СОИ направлена на установление объективных количественных закономерностей этого процесса и предполагает комплексное исследование системы «пилот-самолет», охватывающее основные аспекты функционирования этой системы: выполняемую пилотажную задачу, динамические характеристики объекта управления, характеристики окружающей среды и реально ограниченные возможности пилота. Эти закономерности в зрительной деятельности пилота на информационно напряженных этапах полета описываются минимально необходимыми для выполнения с заданной точностью пилотирования основных пилотажных задач частотами зрительных обращений пилота к полетным параметрам и определяемыми этими частотами следующими числовыми характеристиками структуры зрительной деятельности пилота: вероятностями наблюдения отдельных приборов СОИ, переходными вероятностями и вероятностями циклов в зрительном маршруте пилота по СОИ. Числовые значения этих характеристики структуры зрительной деятельности пилота являются теоретически оптимальными по критерию минимизации зрительной загрузки пилота при получении им всей теоретически необходимой для выполнения основных пилотажных задач приборной информации и, следовательно, дают описание теоретически оптимальной структуры зрите л ьно й^деяте л ьн о сти пилота по СОИ.

4. Использование полученных числовых характеристик теоретически оптимальной структуры зрительной деятельности пилота для решения практически важных проблем эргономического синтеза приборной информации основывается на том, что: минимально необходимые частоты зрительных обращений к полетным параметрам совместно со средними продолжительностями съема пилотом информации с изобразительных элементов СОИ и переноса взгляда с одного элемента на другой объективно отражают минимально необходимые временные затраты пилота на контроль приборной информации и, следовательно, дают объективную оценку зрительной загрузки пилота по приборной информации, которая аналитически выражается показателем относительной зрительной загрузки пилота; при высокой зрительной загрузке пилота по приборной информации отклонения числовых характеристик структуры зрительной деятельности пилота от их теоретических оптимальных значений объективно отражают эргономические недостатки СОИ, к которым пилот вынужден приспосабливаться, пытаясь скомпенсировать их ценой временных потерь при переходе к неоптимальной организации контроля приборной видеоинформации. Поэтому суммарные числовые оценки этих отклонений, аналитически выражаемые траекторно-вероятностным и структурным показателями, объективно отражают эргономическое качество приборов СОИ и компоновки СОИ.

Таким образом, установление значений числовых характеристик теоретически оптимальной структуры зрительной деятельности пилота при выполнении основных пилотажных задач позволяет решать практически важные задачи определения допустимого уровня загруженности пилота по пилотажно-навигационной информации и объективной оценки эргономического качества представления этой информации.

5. Получение численных значений минимально необходимых для обеспечения заданной точности пилотирования частот наблюдения пилотом полетных параметров потребовало разработки специальной математической модели системы «пилот-самолет-атмосфера», средствами которой описываются зависимости между частотными характеристиками зрительной деятельности пи лота, аэродинамическими характеристиками самолета, атмосферными возмущениями и качеством выполнения основных пилотажных задач. Поэтому математические методы описания этих зависимостей, конечным результатом которых является получение теоретически оптимальных характеристик структуры зрительной деятельности пилота, становятся неотъемлемой частью теоретических методов исследования процесса взаимодействия пилота с СОИ. Эти математические методы составляют важную часть разработанных в диссертации математических методов оценки эргономического качества СОИ, основанных на объективной, математически формализованной процедуре сравнения числовых характеристик реальной структуры зрительной деятельности пилота и качества пилотирования по исследуемой СОИ с теоретически оптимальными характеристиками структуры зрительной деятельности пилота и теоретически достигаемом при этих характеристиках качеством пилотирования.

6. Для исследуемой в диссертации проблемы эргономического синтеза приборной информации содержательной в методологическом отношении интерпретацией полученного описания теоретически оптимальной структуры зрительной деятельности пилота является концепция эргономически эталонной СОИ. Введение понятия «эргономически эталонной СОИ» основывается на предположении о том, что теоретически оптимальную структуру зрительной деятельности пилота обеспечивает только свободная от эргономических недостатков СОИ. Но любая техническая реализация СОИ может иметь эргономические недостатки, поэтому естественно считать, что теоретически оптимальные характеристики структуры зрительной деятельности пилота являются характеристиками его структуры зрительной деятельности по некоторой абстрактной, эргономически эталонной для основных пилотажных задач СОИ. В этой абстрактной СОИ, элементный состав которой тождественен составу исследуемой СОИ, полетные параметры не связаны с конкретными техническими типами их изобразительных элементов, поэтому такая абстрактная СОИ теоретически свободна от недостатков, возникающих при технической визуализации полетных параметров изобразительными элементами и при их компоновке. Несмотря на то, что эргономически эталонная СОИ является абстрактным понятием, изначально описываемым только совокупностью теоретически оптимальных характеристик структуры зрительной деятельности пилота, проведенные в диссертации расчеты показали, что для директорного захода на посадку используемая система числовых теоретически оптимальных характеристик структуры зрительной деятельности пилота определяет достаточно конкретный вид СОИ как по количественному составу представляемых 1111, так и по компоновке их изобразительных элементов, которая оказалась близка к стандартной компоновке электромеханической СОИ.

7. Введение понятия «эргономически эталонной СОИ» создало крайне необходимый для разработки объективных методов эргономического исследования СОИ эталон, сравнение с которым обеспечивает получение объективных числовых оценок эргономического качества конкретных типов СОИ. Метод получения таких оценок основан на сопоставлении эмпирически установленных числовых характеристик структуры зрительной деятельности пилота по исследуемой СОИ с теоретически оптимальными характеристиками структуры зрительной деятельности пилота по соответствующей ей по элементному составу эталонной СОИ. Математическая формализация сопоставления эмпирических и теоретически оптимальных характеристик структуры зрительной деятельности пилота заключалась в определении аналитического вида двух обобщенных числовых^ показателей эргономического качества СОИ: траекторно-вероятностного показателя и структурного показателя, первый из которых дает оценку СОИ по суммарному эргономическому качеству приборов СОИ и точности пилотирования а второй - оценку эргономического качества компоновки СОИ. Таким образом, разработанная в диссертации система обобщенных показателей эргономического качества СОИ, состоящая из показателя относительной загрузки пилота по пилотажно-навигационной информации, траекторно-вероятностного показателя и структурного показателя, обеспечивает объективные числовые оценки основных составляющих эргономичности СОИ: степени соответствия количественного состава СОИ реально ограниченным возможностям пилота по контролю приборной информации; эргономического качества приборов СОИ и достигаемого качества пилотирования; эргономического качества компоновки СОИ, то есть обеспечивает объективные эргономические чиеловые оценки количества и качества представления СОИ пилотажно-навигационной информации.

8. Область практического применения системы обобщенных показателей эргономического качества СОИ не ограничивается исследованием соответствия находящихся в эксплуатации типов СОИ эргономическим требованиям и задачей выбора наиболее совершенного в эргономическом отношении типа СОИ из нескольких конкурирующих образцов СОИ. Проведенное по системе обобщенных показателей исследование электромеханической СОИ и КПИ СЭИ-85 установило возможности этой системы определять конкретные эргономические недостатки СОИ и способы их устранения, то есть определять и обосновывать направления эргономического совершенствования СОИ. Более того, разработанные математические методы расчета значений теоретически оптимальных характеристик структуры зрительной деятельности пилота по аэродинамическим характеристикам самолета и заданной точности пилотирования позволяют использовать концепцию эргономически эталонной СОИ на всех этапах эргономического конструирования и испытаний СОИ для определения элементного состава СОИ, выбора технических форм визуализации приборной информации, оценки выполнимости пилотом ряда пилотажных задач и установления необходимого уровня автоматизации управления, что особенно важно для эргономического синтеза приборной информации в кабинах перспективных ВС с новыми тактико-техническими данными.

Таким образом, полученные в диссертации результаты позволяют считать решенной поставленную задачу создания современных и перспективных ВС с совмещенной визуализацией полетных параметров и обучения летного состава распределению зрительного внимания в приборном полете.

1. Андрианова В.Е. Деятельность человека в системах управления. Д.: ЛГУ, 1974.-135 с.

2. Алпеев B.C., Зайцев A.M. Акт по результатам летных испытаний самолета Ту-154 № 032 с системой электронной индикации. М.: Отчет ГосНИИГА, 1977.

3. Алыпин В.М. Временная оценка рациональности компоновки и выбора бортовых приборов управления//Авиационная эргономика. Киев, 1977.-Вып. 3,-С. 78-85.

4. Архангельский В.Е., Хорошавцев Ю.Е. Об одном подходе к оценке компоновки и оформления приборных досок самолетов//Тезисы докладов V Всесоюзной конференции по инженерной психологии. М.: Наука, 1979. - Вып. 1. - С. 65-67.

5. Белогородский С.Л. Автоматизация управления посадкой самолета. -М.: Транспорт, 1972.-351 с.

6. Березкин Б.С., Зинченко В.П. Исследование информационного поиска. В кн.: Проблемы инженерной психологии. М.: Наука, 1967. - С. 90117.

7. Богачев С.К. Авиационная эргономика. М.: Машиностроение, 1978. -137 с.

8. Боднер В.А. Оператор и летательный аппарат. -М.: Машиностроение, 1976.-222 с.

9. Боднер В.А., Козлов М.С. Стабилизация летательных аппаратов и автопилоты. М.: Оборонгиз, 1961. - 508 с.

10. Бугаев Б.П., Денисов В.Г. Пилот и самолет (Авиационная эргономика). -М.: Машиностроение, 1976. 112 с.

11. Булгаков Д.Н., Колесников А.П. Устранение проективных искажений при цифровой обработке изображений//Вычислительная математика и информатика. М.: УДН, 1983. - С. 43-48.

12. Бучацкий А.А., Столяров Н.А. Анализ работы и занятости экипажа самолета Ту-204 при выполнении рейсового полета. М.: Отчет Гос-НИИГА, 1986.

13. Денисов В.Г., Онищенко Б.Ф. Инженерная психология и космический полет. М.: Знание, 1975. - 96 с.

14. Доброленский Ю.П. Динамика полета в неспокойной атмосфере. М.: Машиностроение, 1969. - 256 с.

15. Доброленский Ю.П., Завалева Н.Д., Пономаренко В.А., Туваев В.А. Методы инженерно-психологических исследований в авиации. — М.: Машиностроение, 1975. 280 с.

16. Доброленский Ю.П., Пономаренко В.А. Проведение инженерно-психологических исследований самолетных систем отображения ин-формаци. М.: ВВИА им. Проф. Н.Е. Жуковского, 1974. - 106 с.

17. Доброленский Ю.П., Туваев В.А., Погребнюк В.И. Экспериментальная инженерно-психологическая оценка системы «летчик-самолет»//Авиационная эргономика. Киев, 1975. - Вып. 1. -С. 88-92.

18. Завалова Н.Д., Ломов Б.Ф., Пономаренко В.А. Образ в системе психологической регуляции деятельности. М.: Наука, 1986. - 174 с.

19. Завалова Н.Д., Ломов Б.Ф., Пономаренко В.А. Принцип активного оператора в распределении функций между человеком и маши-ной//Вопросы психологи и. М., 1971. - № 3. - С. 3-12.22.