автореферат диссертации по радиотехнике и связи, 05.12.04, диссертация на тему:Совершенствование взаимодействия оператора радиолокационного управления с техническими средствами в системах управления воздушным движением

РГ£ ^

На правах рукописи

ШИЛАЛОВ Владинир Васильевич УЛК 656.7.072; 621.396.96

СОВЕНЕНСТВОВАНК ВЗАЮЮДЕЙСГВИЯ ОПЕРАТОРА РАДИОЛОКАЦИОННОГО УПРАВЛЕНИЯ С ТЕХШЧЕСЯОЯ СРЕДСТВАХ! В СИСТЕМАХ ЛЮШЕШИ ВОЗДОПШ ЯВЛЕНИЕМ

Специальность: 05.12.04 - Радиолокация и радионавигация 05.22.13 - Навигация и УВД

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Москва 1996

Работа выполнена в Московском государственном техническом университете гражданской авиации.

Научный руководитель - доктор технических наук, профессор академик Академии транспорта РФ и Международной академии информатизации ЧЕРНЯКОВ М.В.

Официальные оппонента - доктор технических наук, профессор Логвин А. И.

кандидат технических наук, профессор Задорожный А.И.

Ведущая организация - указана в решении Совета.

Завита состоится года в " ■ часов

на заседании Диссертационного совета Д.072.05.03 Московского государственного технического университета гражданской авиации по адресу: 125493. Москва. Кронштадтский бул.. 20.

С диссертационной работой можно ознакомиться в библиотеке университета. 42 //

Автореферат разослан «/> ели^М^» 199в года.

Ученый секретарь Диссертационного доцент, кандидат

совета Д 072.05.03 технических наук

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Среди многих сложных вопросов ускорения научно-технического прогресса отечественной авиации в последнее время особую остроту приобрела задача качественного совершенствования Единой системы управления воздушным движением (УВД) на базе широкого внедрения автоматизированных систем, так как это непосредственно связано с обеспечением безопасности, регулярности и экономичности полетов авиации всех ведомств, в современном представлении Единая система УВД - сложный эргатический комплекс, включающий в себя наземные и бортовые средства наблюдения за воздушной обстановкой, навигации, посадки и связи, структуру воздушного пространства (ВП) и сеть воздушных трасс, летный и диспетчерский состав, действующий по определенным правилам и процедурам. Характерной чертой системы является глубокая взаимосвяз'ь отдельных ее компонентов.

Важной особенностью системы УВД является наличие в ней человека-оператора. который осуществляет анализ информации и принятие решений. Наличие человека-оператора в системе УВД обуславливает актуальность исследования проблем, связанных с проработкой вопросов оптимального взаимодействия человека с техникой вследствие резкого увеличения надежности технических средств и соответствующего снижения отказов, зависящих от техники, и, следовательно, относительного увеличения отказов системы, зависящих от ошибочных действий человека-оператора. Кроме того, новые технические средства. иногда существенно изменяют психологическое содержание деятельности, не всегда рационально совместимы с консервативными характеристиками человека. При этом, наличие человека-оператора в системе реально может как ухудшить общую эффективность системы при нормально функционирующих технических средствах, так и обеспечить некоторый реальный уровень эффективности системы при отказах технических средств.

Среди всех операторов в системе УВД можно выделить оператора радиолокационного управления (РЛУ). Только этот оператор осуществляет непосредственное взаимодействие с экипажами ВС и его деятельность во многом определяет безопасность полетов и эффективность функционирования системы УВД. Сложность и специфичность деятельности оператора РЛУ определяются следующими особенностями

- 4 -

УВД на этапе непосредственного управления:

- динамичностью трехмерных процессов и невозможность их приостановки;

- интенсификацией управления при увеличении количества обслуживаемых полетов ВС, ограничиваемой возможностями человека-оператора и уровнем автоматизации процессов УВД в данной системе.

Профессиональные отличия и особенности, которые выделяют оператора радиолокационного управления из общепринятого понятия "человек-оператор" заключаются в следующем:

- оператор радиолокационного управления осуществляет контроль и управление движением совокупности ВС в организованном воздушном пространстве по установленным правилам и процедурам;

- деятельность оператора радиолокационного управления всегда осуществляется в условиях некоторой информационной недостаточности;

- деятельность оператора радиолокационного управления осуществляется в ритме и режиме диктуемом динамикой изменения ситуации в контролируемом воздушном пространстве;

- деятельность оператора радиолокационного управления складывается в условиях часто неожиданного возникновения сложных ситуаций (в случае нарушений или невозможности выполнения экипажами ВС заданных режимов полета, возникновением ограничений в использовании воздушного пространства по метеоусловиям и другим причинам);

- деятельность оператора радиолокационного управления является коллективным видом операторской деятельности, при этом качество взаимодействия но вертикали и горизонтали напрямую сказывается на обеспечении уровня безопасности полетов.

В настоящее время основными источниками динамической информации о воздушной обстановке являются первичные и вторичные радиолокационные станции кругового обзора, а основными элементами процесса УВД являются анализ воздушной обстановки на основе радиолокационных данных и принятие решений. Информация оператору радиолокационного управления поступает в виде радиолокационных, телевизионных или синтетических изображений, набора условных знаков. символов, цифр, букв и т.д.

Правильное решение может быть принято лишь тогда, когда имеется достаточно полная, точная, достоверная и непрерывная инфор-

мация о воздушной обстановке в зоне ответственности. Процесс получения информации, ее переработка, принятие решения на управление и передача управляющих команд осуществляется в процессе взаимодействия человека-оператора с техническими средствами,что в значительной степени определяет безопасность полетов и пропускную способность системы УВД. Безопасность полетов является приоритетным критерием для системы УВД. кроме того, несовершенство человеко-машинного взаимодействия в системе УВД может привести к экономическим потерям, поскольку ограничения возможностей челобе-ка-оператора не всегда дают возможность реализовать технический потенциал системы.

Из этого следует, что актуальной проблемой при создании АС УВД является совершенствование человеко-машинного взаимодействия оператора радиолокационного управления с техническими средствами.

Цель диссертационной работы заключается в получении количественных оценок эффективности взаимодействия оператора радиолокационного управления с техническими средствами в существующих АС УВД различной степени автоматизации и на основе их анализа определение путей совершенствования человеко-машинного взаимодействия в перспективных АС УВД.

Научная новизна работы заключается в том. что в ней впервые исследуются вопросы взаимодействия оператора радиолокационного управления сектора УВД вне трасс с техническими средствами и определяются пути совершенствования человеко-машинного взаимодействия в перспективных системах УВД. Для этого разработаны методика и математическая модель, позволяющие проводить исследования человеко-машинного взаимодействия в АС УВД различной степени автоматизации. В результате имитационного моделирования взаимодействия оператора радиолокационного управления с техническими средствами в системах УВД различной степени автоматизации, в том числе и перспективной, получены количественные значения показателей эффективности человеко-машинного взаимодействия.

Практическая значимость работы состоит в том, что выделенные с использованием элементов операционно-психофизиологического метода алгоритмы решения типовых задач радиолокационного управления, представляют собой полное формализованное описание деятель-

ности оператора РЛУ сектора УВД вне трасс и могут быть использованы отдельно, например, для обучения операторов РЛУ.

Имитационная модель, разработанная в диссертации для исследования эффективности человеко-машинного взаимодействия может применяться для анализа и оптимизации деятельности операторов РЛУ различных секторов и зон конкретных центров УВД.

Разработанные автором на основе результатов имитационного моделирования деятельности операторов РЛУ рекомендации по совершенствованию человеко-машинного взаимодействия могут использоваться организациями промышленности при проектировании рабочих мест диспетчеров непосредственного УВД перспективных систем.

Апробация работы. Основные положения диссертации докладывались и обсуждались:

- на 2 Всесоюзной конференции по эргономике (г. Москва, 1988 г.);

- на международной научно-технической конференции "Наука и техника ГА на современном этапе" (г. Москва, МГТУ ГА, 1994 г.);

- на международной научно-технической конференции "Современные научно-технические проблемы гражданской авиации" (г. Москва, МГТ ГА, 1996 г.);

- на научно-техническом совете ГосНИИ "Аэронавигация";

- на научно-практических конференциях НИУ и ВУЗ ВВС.

Реализация результатов работы. Результаты диссертационной

работы были использованы:

1. При разработке рабочих мест операторов радиолокационного управления автоматизированных систем УВД "Спектр" и "Буран", перспективной автоматизированной системы управления полетами военной авиации.

2. При разработке проекта модернизации ОВД Московского района УВД и Московской воздушной зоны.

3. При разработке Проекта Российского стандарта "Рабочее место диспетчера служб управления воздушным движением".

4. В 4-х научно-исследовательских работах ГосНИИ "Аэронавигация" и в/ч 18353

Публикации. По теме диссертации опубликовано: 19 работ, из них 9 печатных.

Объем и структура работы. Диссертационная работа состоит из введения, трех разделов и заключения, изложенных на 145 страницах, содержит 18 таблиц, 45 рисунков, список литературы из 106 наименований и 4 приложения.

КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Введение. В введении обосновывается актуальность темы, сформулирована цель и задачи исследования, приведена структура изложения материала в диссертационной работе.

1. Взаимодействие человека-оператора и радиолокационных средств в системе УВД

Раздел содержит анализ деятельности оператора радиолокационного управления в системах УВД различной степени автоматизации.

Большой интерес для практики создания систем и средств УВД. совершенствования взаимодействия оператора РЛУ с технологическими средствами в этих системах представляют исследования, направленные на получение количественных характеристик влияния автоматизации процессов УВД на деятельность оператора радиолокационного управления. Для решения этой задачи был применен алгоритмический подход, который заключался в использовании метода декомпозиции профессиональной деятельности оператора РЛУ и ее описания с помощью элементов операционно-психофизиологического метода.

Были выделены типовые задачи и проведено алгоритмическое описание решения оператором РЛУ этих задач в системах различной степени автоматизации: неавтоматизированной - нулевая степень автоматизации; АС УВД "Трасса" - первая степень автоматизации; АС УВД "Теркас". "Стрела" - вторая степень автоматизации; АС УВД "Синтез" - третья степень автоматизации.

Анализ алгоритмов решения задач позволил получить следующие количественные характеристики: общее число членов каждого алгоритма, состоящее из логических условий и элементарных "операторов", количество операторов, число групп операторов, количество логических условий, нормированные коэффициенты стереотипности и логической сложности.

По результатам полунатурного моделирования и государственных и заводских испытаний систем и средств УВД. исследований на реальных системах УВД получены и обобщены временные характеристики элементарных членов алгоритмов. В неавтоматизированных реальных системах УВД временные характеристики деятельности оператора РЛУ получены методом наблюдения и хронометрирования. В АС УВД использовались также объективные методы автоматической регистрации параметров деятельности оператора РЛУ по выполнению пультовых операций, радиообмена с экипажами ВС и переговоров по наземным каналам связи.

Временные затраты операторов РЛУ при решении типовых задач учитывались только для безошибочных действий, поскольку неправильные действия (при выполнении одиночных функций) практически отсутствовали. Для получения более достоверных данных, характеризующих временные затраты оператора, проведен численный эксперимент с использованием ПЭВМ.

Сравнительный анализ деятельности оператора РЛУ в системах УВД различной степени автоматизации проводился на примере обслуживания одного ВС, выполняющего полет по усредненному типовому внетрассовому маршруту. Количественные значения соотношения типовых задач на одно ВС, входящих в обобщенную задачу по обслуживанию ВС, получены при статистической обработке данных по полетам ВС в Московском контролируемом воздушном пространстве.

Результаты проведенных исследований позволяют сделать следующее заключение о закономерностях изменения временных характеристик профессиональной деятельности оператора РЛУ в условиях роста степени автоматизации процесса управления.

Во-первых, с увеличением степени автоматизации при достаточно высоких значениях безошибочности абсолютные значения временных затрат оператора РЛУ на выполнение типовых задач в целом снижаются. Однако при переходе от второй степени автоматизации к третьей доля снижения временных затрат уменьшается.

■ Во-вторых, уменьшение абсолютных значений времени выполнения типовых задач достигается не только за счет снижения времени на выполнение "рутинных" операций. Время, требуемое на мыслительные действия, также уменьшается. Это связано с тем, что с ростом степени автоматизации происходит совершенствование информационной модели, позволяющее оператору РЛУ иметь лучшую наглядную опору

для структурирования и трансформации образа воздушной обстановки.

В-третьих, временные затраты на ведение радиообмена с экипажами ВС практически остаются постоянными независимо от степени автоматизации. Это объясняется тем, что с увеличением степени автоматизации совершенствуется технология работы оператора радиолокационного управления на рабочем месте, а технология непосредственного процесса УВД и фразеология ведения радиообмена остаются практически неизменными. С учетом уменьшения абсолютного времени решения задач относительные временные затраты на радиообмен с экипажами ВС увеличиваются с 10% до 42% (Рис.1;2).

На основе проведенных исследований можно сделать обобщенный вывод, что в концептуальном плане традиционные методы автоматизации процесса УВД, основанные на технократическом подходе, себя исчерпывают. Дальнейшая автоматизация должна сопровождаться обоснованным прогнозом изменения структуры профессиональной деятельности оператора РЛУ, что позволит избежать ошибок еще на стадии проектирования перспективных систем УВД.

2. Математическая модель взаимодействия оператора радиолокационного управления с радиолокационными средствами в системах УВД

В разделе дан анализ математических методов оценки эффективности человеко-машинного (Ч-М) взаимодействия и•моделирования деятельности оператора радиолокационного управления. В результате анализа методов, обеспечивающих решение задач оценки эффективности оптимизации человеко-машинного взаимодействия в АС УВД, целесообразно использовать алгоритмическое описание дискретной деятельности оператора РЛУ с применением обобщенно-структурного метода исследования на базе теории графов, а также статистического моделирования на базе ТМО. На этапе оптимизации группового и индивидуального взаимодействия в качестве основного математического аппарата следует использовать целочисленное линейное программирование с применением метода ветвей границ.

На основе проведенного анализа сформулированы требования к структуре и содержанию модели алгоритма решения типовых задач УВД, основанной на теории графов,которые определяют в описатель-

0123 0123 0123

степень автоматизации степень автоматизации степень автоматизации

Рис. 1 Время выполнения различных видов действий при решен;«; оператором задачи "Прием ВС под управление" в системах УВД различной степе и автоматизации: утт - радиообмен с экипажем

100

50

»7

"'Уп "¡1 /.

» й?«

о

1

Рис. 2 Соотношение различных видов действий оператора УВД при решении задачи "Прием ВС под управление" в системах УВД различной степени автоматизации: ОШЭ - мыслительные действия;

I I - аффекторные действия; - ведение записей,

ввод и вызов информации г помощью АЦК и ФК; (223 ~ радиообмен

, экипажем ВС

ной форме постановку задачи разработки модели алгоритма решения типовых задач УВД оператором радиолокационного управления.

В качестве показателей эффективности человеко-машинного взаимодействия выбраны следующие группы показателей, применяемые в обобщенном структурном методе:

1. Показатели производительности - математическое ожидание времени выполнения задачи УВД - М(Т3), характеризующее средние затраты времени на выполнение функции задачи и дисперсия Д (Т3) времени выполнения задачи, определяющая возможность вариабельности продолжительности выполнения задачи.

2. Показатель функциональной надежности (Б-надежности) -вероятность Р(А3) безошибочного выполнения задачи А3 при условии, что отсутствуют структурные отказы и не предусмотрено исправление ошибок.

Построение модели алгоритма решения типовой задачи УВД осуществляется в разделе сначала на теоретико-множественном уровне, а затем - на топологическом уровне (в виде графа).

Используемая в работе теоретико-множественная форма представления модели алгоритма заключается в следующем. Множество операций (М) алгоритма типовой задачи УВД определено в евклидовом п-мерном пространстве Еп. На множестве М задано бинарное отношение И непосредственного вхождения в виде подмножества декартова произведения М х М (Ю.1 х М).

Технологическая операция типовой задачи УВД Т) £ М входит в технологическую операцию Т3 е М (Т3 зависит от Т) ), если результат Т4 используется при решении Т3 . Это отношение обозначается Т! КТ-,; или Т, , а пара технологических операций <Т!. Т., > называется парой, приведенной в отношение.

Бинарное отношение И является структурным отношением непосредственного вхождения на множестве М тогда, когда для каждой пары множеств М! и М2 (М, * О, М2 * 0) выполняются особые отношения М, и М2 = Г, М, П Мг = 0 и существуют технологические операции Т,е М,, Т] 6 Мг, для которых справедливо, по крайней мере, одно из отношений Т^^ или Т:)->Т1 .

Бинарное структурное отношение непосредственного вхождения на множестве М в евклидовом пространстве Е„ и является теоретико-множественной моделью алгоритма решения типовой задачи УВД. Пары <Т,, Т3 > 6 I? называются элементами такой модели.

Графовая форма представления модели алгоритма решения типовой задачи оператором непосредственного УВД основывается на представленной выше теоретико-множественной форме. Структура модели алгоритма решения типовой задачи оператором непосредственного УВД может быть рассмотрена на некотором, определяемом целью исследования, уровне иерархии деятельности.

Каждую единицу деятельности ТэМ можно представить множеством единиц деятельности низшего уровня Т {Тгк} , ке К, где г - уровень иерархии, К - индексное множество единиц деятельности, входящих в единицы деятельности более высокого уровня. Граф. отражающий структуру типовой задачи на определенном уровне иерархии, записывается в виде С = (М =(Тгк), Г), где М - множество вершин графа (технологических операций), мощность которого соответствует количеству операций на принятом уровне иерархии г , Г - множество дуг. отражающих логику перехода от одной операции к другой. Путем объединения графов в соответствии с И формируется связный граф в = (М. Ю.

Под графовой формой модели алгоритма решения типовой задачи УВД понимается структурное отношение И, заданное на множестве М задач алгоритма Т! (Т^еМ), называемое связным ациклическим ориентированным графом С = (М,Ю или С = (М.Г), где М - множество вершин (операций) графа, Г - множество дуг.

Если дугам Г придать вероятностные описания, то граф станет вероятностным.

Теоретико-множественная и графовая формы представления модели алгоритма решения типовой задачи оператором радиолокационного управления позволяют проводить анализ и количественную оценку показателей эффективности указанного алгоритма.

Графовую модель алгоритма решения типовых задач целесообразно разрабатывать на уровне технологических операций непосредственного УВД. На ациклическом вероятностном ориентированного графе можно выделить множество маршрутов реализации алгоритма типовой задачи УВД, каждый из которых представляет упорядоченный перечень типовых операций, выполняемых при реализации алгоритма, однозначно определяющий путь из начальной в конечную вершину алгоритма.

При условии, если существуют альтернативные типовые операции УВД с двумя исходами, то общее количество возможных маршрутов ре-

ализации алгоритма равно 2К, где к - общее число альтернативных операций.

В зависимости от состояния реальной воздушной обстановки происходит выбор различных маршрутов реализации алгоритма, вероятности выполнения которых в общем случае отличаются друг от друга.

Оценка временных и надежностных характеристик осуществляется с помощью имитационного моделирования алгоритмов решения типовых задач УВД, представленных в виде ациклического вероятностного ориентированного графа G. Каждой дуге Ki. j € Г графа назначается значение вероятности ухода по этой дуге из вершины п^. Тогда каждый маршрут L реализации алгоритма типовой задачи УВД можно сопоставить с вероятностью его осуществления

P(L) = П P(l,J) (2.1)

( 1 . J ^L

Временной или надежностный параметр при каждой реализации алгоритма типовой задачи УВД является дискретной случайной величиной, и в качестве его среднего значения на множестве реализаций рассматривается среднее по вероятности:

mt = I P(L) Z t, ; P = I P(L) Z In P(, (2.2)

L IG L L 16 L

где tj - время выполнения 1-й операции алгоритма типовой задачи УВД;

Pt - вероятность безошибочного выполнения алгоритма типовой задачи УВД;

Р - логарифмическая мера вероятности безошибочного выполнения алгоритма типовой задачи УВД.

В этом случае можно использовать время или логарифмическую меру характеристик надежности алгоритма типовой задачи УВД суммирующихся вдоль маршрута реализации.

Таким образом, объектом исследования при оценке показателей эффективности алгоритма решения типовой задачи УВД является ациклическая модель G(M, Г, Д. Р), вершины m,e М которой взвешены длинами dj G D а дуги fi £ Г - транзитивными вероятностями Р(1. J) .

В качестве примера в разделе представлено моделирование типовой задачи "Прием ВС под управление". Модели алгоритмов решения

- 14 -

данной типовой задачи в виде ациклических вероятностных ориентированных графов разработаны для систем различной степени автоматизации:

- неавтоматизированной системы УВД;

- АС УВД "Трасса";

- АС УВД "Теркас". "Стрела";

- АС УВД "Спектр".

Исходными данными при построении графов являются алгоритмы решения оператором УВД задачи "Прием ВС под управление" в виде блок-схем.В работе представлены результаты объединения технологических операций, выполняемых при решении данной задачи в блоки для систем УВД различной степени автоматизации.

Структура имитационной модели алгоритма решения оператором радиолокационного управления типовой задачи УВД приведена на рис. 3.

В результате проведенного анализа и обработки данных, полученных при моделировании, построены зависимости вероятностей ошибочных действий операторов в процессе непосредственного управления при изменении основного стрессогенного фактора - нагрузки управления для систем УВД типа "Трасса", "Теркас". "Стрела", "Спектр". Вероятностные характеристики ошибочных действий операторов непосредственного управления воздушным движением, полученные при проведении полунатурного моделирования и численного эксперимента совпадают с достаточно высокой точностью.

3. Пути совершенствования взаимодействия оператора радиолокационного управления с техническими средствами в системах УВД

Анализ алгоритмов деятельности операторов РЛУ на различных уровнях взаимодействия с техническими средствами и сформулированных требований к человеко-машинному взаимодействию на РМ оператора радиолокационного управления при решении выделенных типовых задач в системах УВД с разной степенью автоматизации, выполненный в работе, а также рассмотрение перспективных технических реализаций автоматизированных функций в системах УВД позволили предложить перспективную систему УВД и спроектировать алгоритмы деятельности человека-оператора в ней. В перспективной системе УВД.

1

(вод

исходных денных

Рис. 3. . СтРУИШЧРНПЯ СХЕМИ МОДЕПМРОВПНИЧ грн<рп впгормтмг» решения типовой зядачи НВД

отвечающей принципам человеко-машинного взаимодействия, при решении целевой задачи УВД - обеспечению безопасности полетов в любых условиях, пропускной способности, экономичности УВД, должно быть предусмотрено:

- модульность создаваемых комплексов оборудования, позволяющая обеспечить комплектование систем в зависимости от потребностей конкретных районов УВД;

- обеспечение снижения нагрузки на оператора УВД. обеспечение единой технологии УВД;

- обеспечение автоматического обмена информацией по линии "земля-борт-земля" и "земля-земля", автоматическое взаимодействие со смежными и взаимодействующими системами УВД;

- автоматизация решения логических задач текущего планирования и радиолокационного управления;

- расчеты оптимальных и бесконфликтных траекторий полета ВС. с автоматической коррекцией по РЛ-информации. и передача данных на борт ВС;

- повышение числа автоматически выполняемых функций в системе

- обнаружение ПКС. выработка рекомендаций по устранению конфликтов.

В результате анализа и обработки данных, полученных при моделировании, построена зависимость вероятности ошибочных действий операторов в процессе непосредственного управления при изменении основного стрессогенного фактора - нагрузки управления, в перспективной системе УВД. Сравнивая результаты, полученные для систем УВД наибольшего достигнутого уровня атоматизации (АС УВД "СПЕКТР") и предлагаемой в работе перспективной системы с высоким уровнем человеко-машинного взаимодействия (рис. 4). можно сделать вывод о том. что Аномтах Для перспективной системы с высоким уровнем человеко-машинного взаимодействия превышает аналогичный показатель современных систем примерно в 2,45 раза.

Заключение

В результате исследований, проведенных в диссертационной работе получены следующие основные результаты:

1. Проведен анализ деятельности оператора РЛУ сектрра УВД вне трасс РЦ ЕС УВД в условиях разной степени автоматизации про-

Р ош

Рис. 4. Вероятность ошибочных действий оператора радиолокационного управления в зависимости от уровня автоматизации

1 - в АС УВД "Трасса"

2 - в АС УВД "Теркас", "Стрела"

3 - в АС УВД "Спектр"

4 - в перспективной АС УВД с высоким уровнем человеко-

машинного взаимодействия

цессов УВД. Для решения этой задачи был применен алгоритмический подход, состоящий в использовании метода декомпозиции профессиональной деятельности оператора УВД и ее описания с помощью опера-ционно-психологического метода.

2. Проведены натурные и полунатурные эксперименты по определению количественных значений временных и надежностных характеристик элементов деятельности оператора РЛУ (пультовых операций, ведения радиообмена с экипажами ВС, восприятия радиолокационной информации о воздушной обстановке и принятия решения по управлению ВС) в условиях систем УВД различной степени автоматизации и осуществлена статистическая обработка полученных данных.

3. Проведен анализ методов, обеспечивающих решение задач оценки эффективности и оптимизации человеко-машинного взаимодействия в АС УВД, который показал, что целесообразно использовать алгоритмическое описание дискретной деятельности оператора с применением обобщенно-структурного метода исследования на базе теории графов, а также статистического моделирования на базе теории массового обслуживания.

4. Выполнен подробный анализ обобщенно-структурного метода, широко применяемого в настоящее время для оценки эффективности и надежности систем "человек-машина". Показана возможность его применения для целей оценки количественных показателей деятельности оператора и его взаимодействия с техническими средствами при решении типовых задач непосредственного УВД.

Сформулированы требования к структуре и содержанию модели алгоритма решения типовых задач УВД, основанной на теории графов. Для построения модели алгоритма решения типовой задачи УВД указанный алгоритм представлен на теоретико-множественном и на топологическом уровне в виде ациклического вероятностного ориентированного графа.

5. Разработаны модели алгоритмов решения типовых задач УВД в условиях систем различной степени автоматизации: 0 - неавтоматизированной системы УВД, 1 - АС УВД "Трасса". 2 - АС УВД "Теркас" и "Стрела", 3 - АС УВД "Спектр". При этом графы алгоритмов рассмотрены на уровне блоков технологических операций, для чего произведено укрупнение (объединение) технологических операций. Исходные данные для моделирования приведены для уровня блоков технологических операций.

6. Разработаны алгоритмы и программа моделирования графа алгоритма решения типовых задач УВД, позволяющие получать количественные характеристики решения типовых задач УВД. Ядром программы является блок определения всех простых путей ацикличного, вероятностного ориентированного графа.

7. Выполнено моделирование графов алгоритмов решения типовых задач УВД в условиях систем различной степени автоматизации. Исходными данными для моделирования определены: структура графа алгоритма типовых задач в виде матриц смежности, матрицы переходных вероятностей дуг графа алгоритма типовых задач, времена выполнения технологических операций. Результаты моделирования сведены в таблицу результатов.

8. На основе проведенных исследований получены и построены графики зависимостей вероятности ошибочных действий операторов радиолокационного управления в системах УВД различной степени автоматизации при изменении основного стрессогенного фактора - количества обслуживаемых ВС за час.

9. Определены пути совершенствования взаимодействия оператора РЛУ с техническими средствами в системах УВД на информационном и межличностном уровнях.

10. Предложен вариант перспективной системы УВД с высоким уровнем взаимодействия оператора РЛУ и спроектированы алгоритмы решения типовых задач в этой системе.

11. Проведено имитационное моделирование алгоритмов решения типовых задач в перспективной системе УВД и получены значения показателей эффективности деятельности оператора РЛУ.

Полученные результаты позволили сформулировать следующие выводы:

1. Использование традиционных методов проектирования при неполном учете человеко-машинного взаимодействия привело к появлению систем УВД, недостаточно удобных в работе, не располагающих возможностью наращивания функций, расширение языка пользования, применения новой технологии человеко-машинного взаимодействия.

2. Взаимодействие оператора радиолокационного управления с техническими средствами на РМ осуществляется на различных уровнях. причем каждому уровню взаимодействия соответствуют характеристики человека и характеристики машины:

- антропометрическому - антропометрические характеристики человека и габаритно-компоновочные характеристики машины;

- физиологическому - физиологические характеристики человека и характеристики окружающей среды;

- психофизиологическому - характеристики зрительного и слухового аппарата человека и физические характеристики сигналов;

- психологическому - характеристики переработки информации человеком и информационные характеристики системы;

- межличностному - коммуникативные характеристики человека и характеристики системы, обеспечивающие диалог.

Совершенствование взаимодействия на каждом из этих уровней возможно независимо друг от друга.

3. Для получения количественных характеристик профессиональной деятельности операторов по радиолокационному управлению была проведена декомпозиция деятельности и выявлены 47 алгоритмов решения типовых задач в условиях разной степени автоматизации процессов УВД.

4. Проведенный анализ алгоритмов решения оператором РЛУ типовых задач позволил получить количественные характеристики их выполнения: показатели стереотипности - нормированный коэффициент стереотипности и логической сложности - нормированный коэффициент логической сложности.

5. Нормированный коэффициент стереотипности алгоритмов решения типовых задач оператором РЛУ при граничных условиях 0.25<г„<0.85 и нормированный коэффициент логической сложности при граничных условиях Ь„<0.20 принимают значения 0.25<гп<0.83 и 0.206<1П<0.0047, то есть даже при решении одной задачи в неавтоматизированной системе УВД эти показатели находятся на пределе допустимых значений. В реальной деятельности, когда оператор постоянно переключается (причем в очень высоком темпе) с одной задачи на другую, количественные характеристики превышают допустимые значения.

6. При обеспечении полета ВС по типовому маршруту наибольшие суммарные временные затраты оператора радиолокационного управления военного сектора РЦ в среднем составляет:

- для систем 0 степени автоматизации - 20 минут;

- для систем 1 степени автоматизации - 12 минут:

- для систем 2 степени автоматизации - 9,6 минут:

- 21 -

- для систем 3 степени автоматизации - 8,81 минута.

7. С ростом автоматизации в системах УВД 0,1 и 2 степени автоматизации логическая сложность алгоритмов снижается только за счет изменения количества элементарных "операторов" в алгоритмах, определяющих информационную основу деятельности, а структура логических условий практически остается постоянной. Только в системах 3 степени автоматизации, за счет автоматического обнаружения потенциальных конфликтных ситуаций, на порядок улучшает показатель логической сложности, так как упрощается структура логических действий оператора радиолокационного управления.

8. Анализ зависимостей вероятности ошибочных действий операторов радиолокационного управления в системах УВД различной степени автоматизации при изменении количества обслуживаемых ВС за 1 час дает основание сделать следующие выводы:

- зависимость вероятности ошибочных действий имеет вид ступенчатой кривой с плавным переходом от горизонтальной части к вертикальной;

- на этой зависимости существует "плато" качественной работы, характеризующейся постоянной возможностью совершения ошибки при изменении нагрузки в определенных пределах (количество ВС/час);

- при дальнейшем возрастании нагрузки происходит нелинейное увеличение вероятности ошибочных действий;

- при достижении предельного уровня нагрузки наступает срыв деятельности оператора радиолокационного управления, выражающийся в лавинообразном возрастании ошибок.

Таким образом, на этих зависимостях отмечены четыре опорные точки, соответствующие минимальной номинальной загрузке (Лном~ га1п), максимальной номинальной загрузке (Лномтах), повышенной загрузке (Лпов) и предельной загрузке (Лпред).

Нормативы загрузки операторов УВД в системах различного уровня автоматизации в существенной степени зависят от сложности УВД (количества пересекаемых воздушных трасс и районов работающих аэродромов), что необходимо учитывать при определении предельной загрузки должностных лиц.

9. Сравнительный анализ результатов, полученных экспериментальным и расчетно-аналитическим путем показал, что они практически совпадают, хорошо коррелируются между собой и с ранее раз-

работанными нормативами по допустимым нагрузкам на операторов радиолокационного управления секторов внетрассовых полетов центров ЕС УВД.

10. Эффективность автоматизированной системы тем выше, чем лучшие условия она создает для взаимодействия оператора РЛУ на информационном уровне. При этом в автоматизированной системе каждого следующего поколения не должно возникать дополнительных задач по управлению самой системой. Целесообразно требовать, чтобы суммарное время решения человеком-оператором задач, обеспечивающих УВД (сюда входит и время решения задач по управлению системой) уменьшалось по мере увеличения степени автоматизации при той же или большей надежности деятельности.

11. Информационное обеспечение деятельности оператора РЛУ можно считать более совершенным, когда оно позволяет при решении одних и тех же задач "заменять" процедуры УВД, требующие большего времени и обладающие меньшей надежностью, более быстрым и надежным. Анализ показал, что возможности совершенствования Ч-М взаимодействия на этом уровне и в этом направлении ограничены.

12. Наиболее перспективным представляется способ совершенствования информационного обеспечения деятельности оператора РЛУ. за счет предоставления системой данных не о самих параметрах полета ВС, а об отклонении этих параметров от ожидаемых значений.

13. Одним из самых эффективных способов автоматизированной обработки информации о воздушной обстановке и дополнительной ее переработки в частности) является преобразование ее к виду соответствующему "внутренней" шкале человека. Осуществление такого преобразования автоматизированной системой позволяет человеку быстро (интуитивно, т.е. без посредства логических операций) сопоставлять образы различных ситуаций и за счет такого сопоставления выбирать приемлемые управляющие воздействия.

14. Совершенствование человеко-машинного взаимодействия должно иметь целью повышения эффективности системы УВД и повышение ее пропускной способности без увеличения штатной численности оперативно-диспетчерского состава. В этой связи каждый из операторов РЛУ должен затрачивать как можно меньше времени для обслуживания каждого ВС, что может быть достигнуто следующими способами:

- применение новых источников информации и средств управления (спутниковых систем, цифровых линий обмена данными), которые

могут способствовать появлению новых форм оказания помощи оператору УВД в автоматическом режиме;

- применение индикаторов ввода касанием, совмещающих в себе устройства ввода-вывода информации;

- представление информации в формах, немедленно сравниваемых с мысленной (концептуальной) моделью воздушного движения;

- упрощение процедуры принятия решений на основе автоматизированного разрешения конфликтов с предоставлением одного или более вариантов решений по каждому выявленному конфликту;

- выравнивание загрузки операторов УВД посредством контроля над решаемыми задачами, их ранжированием, расстановкой во времени и последовательности их решения на основе обеспечения практическими средствами, позволяющими реализовать его через человеко-машинное взаимодействие;

- уменьшение внимания к непрерывному управлению воздушным движением с помощью оценки и устранения автоматически выявленных отклонений от ранее запланированных программ.

15. В перспективной системе УВД, отвечающей принципам человеко-машинного взаимодействия, при решении целевой задачи УВД -обеспечению безопасности полетов в любых условиях, пропускной способности, экономичности УВД. должно быть предусмотрено:

- модульность создаваемых комплексов оборудования, позволяющая обеспечить комплектование систем в зависимости от потребностей конкретных районов УВД;

- обеспечение снижения нагрузки на оператора УВД, обеспечение единой технологии УВД;

- обеспечение автоматического обмена информацией по линии "земля-борт-земля" и "земля-земля", автоматическое взаимодействие со смежными и взаимодействующими системами УВД;

- автоматизация решения логических задач текущего планирования и радиолокационного управления;

- расчеты оптимальных и бесконфликтных траекторий полета ВС, с автоматической коррекцией по РЛ-информации, и передача данных на борт ВС;

- повышение числа автоматически выполняемых функций в системе;

- обнаружение ПКС, выработка рекомендаций по устранению конфликтов.

16. Имитационное моделирование показало, что при 'реализации перспективной системы УВД с высоким уровнем человеко-машинного взаимодействия удается примерно на порядок уменьшить относительные временные затраты оператора РЛУ на обслуживание типового маршрута полета (с 1 до 0.115). Наибольшие суммарные временные затраты оператора РЛУ внетрассового сектора РЦ ЕС УВД на непосредственное управление полетом ВС по типовому маршруту в перспективной системе УВД не превысят 2,21 минуты, что в 4 раза меньше аналогичного показателя для системы 3-го уровня автоматизации. При этом временные сокращения достигаются примерно равномерными снижениями по каждой типовой задаче.

Основное содержание диссертации изложено в следующих работах:

1. Щипалов В.В. Закономерности изменения характеристик деятельности оператора УВД вне трасс в системах различной степени автоматизации. МГА, ГосНИИ ГА "Авиамедицинские и эргономические исследования человеческого фактора в авиации". Труды ГосНИИ ГА, 1990. Вып. 294. 131-138 с.

2. Кобелев В.Н., Щипалов В. В. Моделирование аэродромных систем управления полетами с использованием методологии IDEF // Труды XX конференции молодых ученых . М.: Войсковая часть 48230. 1993. С. 62-68.

3. Щипалов В.В.. Калинин В.Г. Совершенствование человеко-машинного взаимодействия в системах УВД // Тезисы докладов Международной научно-технической конференции "Наука и техника гражданской авиации на современном этапе. М.: МГТУ ГА, 1994. с. 121-122.

4. Щипалов В.В., Антипов В.В. Эргономические характеристики средств отображения информации - один из критериев сравнительной оценки АС УВД // Тезисы докладов Всесоюзной научно-технической конференции "Методология создания и опыт эксплуатации АСУ в гражданской авиации". Рига: ЦНИИ АСУ ГА. 1987. с. 141-143.

5. Щипалов В.В., Омелянчук Е.Ю. Метод проектирования оптимальных алгоритмов деятельности диспетчеров АС УВД на основе теории графов // Тезисы докладов III научно-технической, конфе-

ренции "Пути повышения эффективности средств связи, радиотехнического обеспечения и автоматизированных систем управления авиации". Харьков : ХВВАУРЭ, 1987. с. 197-199.

6. Калинин В.Г., Шатохин Г.В.. Щипалов В.В. "Курс специальной подготовки групп руководства полетами". М.: Воениздат. 1988.- 75 с.

Соискатель

Щипалов В. В.