Эргономическая экспертиза многоканальных и штатных органов управления вертолетом на стенде полунатурного моделирования Текст научной статьи по специальности «Компьютерные и информационные науки»

УДК 007.51; 519.8

ЭРГОНОМИЧЕСКАЯ ЭКСПЕРТИЗА МНОГОКАНАЛЬНЫХ И ШТАТНЫХ ОРГАНОВ УПРАВЛЕНИЯ ВЕРТОЛЕТОМ НА СТЕНДЕ ПОЛУНАТУРНОГО МОДЕЛИРОВАНИЯ

И.А. Таратонов

В результате эргономической экспертизы органов управления вертолетом: штатных и многоканальных электро-дистанционных с интеграцией нескольких каналов управления в одну рукоятку установлено, что применение многоканальных органов управления обеспечивает высокий уровень сохранения пространственного положения вертолета в пространстве при сохранении приемлемого уровня загрузки внимания, снижение уровня нервно-эмоционального напряжения летчика при пилотировании вертолета. После устранения конструктивно-механических недостатков применение многоканальных органов управления позволит перейти на новый уровень автоматизации пилотирования вертолетом и повысить безопасность полетов.

Ключевые слова: эргономическая экспертиза, авиационная эргономика, органы управления вертолетом, многоканальные органы управления, безопасность полетов, полунатурный моделирующий комплекс.

В настоящее время проводятся исследования по созданию принципиально новой системы управления пилотируемыми и беспилотными вертолетами - многоканального органа управления (МОУ), позволяющего в перспективе отказаться от привычных органов управления в интересах упрощения деятельности летчика или оператора [1, 2]. Функционирование МОУ заключается в соединении четырех осей управления вертолетом в одном органе управления, позволяющем формировать управляющие сигналы на основе характеристик управляющих воздействий летчика.

Для определения эффективности решения задач пилотирования вертолетом с использованием МОУ проведена эргономическая экспертиза МОУ и штатных органов управления (ОУ) вертолетом на полунатурном моделирующем стенде. Эргономическая экспертиза решения задач пилотирования с использованием ОУ и МОУ в условиях полунатурного моделирования проводилась в два этапа:

1) моделирование условий деятельности летчика по управлению вертолетом при решении полетных заданий различного уровня сложности с использованием ОУ и МОУ;

2) исследование эффективность деятельности экипажа в процессе пилотирования вертолетом с использованием МОУ.

На первом этапе эргономической экспертизы проводилось моделирование условий деятельности летчика по управлению вертолетом при решении полетных заданий различного уровня сложности с использованием ОУ и МОУ в режимах полета: взлет; зависание; горизонтальные площадки; виражи с различными значениями крена; посадка по-вертолетному.

В ходе работы выполнено 174 эксперимента, из них 64 были выполнены при пилотировании со штатными ОУ, 110 - при пилотировании с МОУ (табл. 1).

Таблица 1

Количество режимов, выполненных при различных способах _пилотирования_

Количество экспериментов

Режим полета С использованием С использованием

ОУ МОУ

Взлет 4 5

Зависание 7 11

Разворот влево на 360° 3 5

Разворот вправо на 360° 3 5

Перемещение вперед 3 5

Перемещение назад 3 5

Перемещение влево 3 5

Перемещение вправо 3 5

Разгон-набор 3 5

Горизонтальный полет 12 24

Торможение-разгон 2 4

Левый вираж, крен 15° 3 5

Правый вираж, крен 15° 3 5

Левый вираж, крен 30° 3 5

Правый вираж, крен 30° 3 5

Торможение 3 5

Посадка 3 6

В экспериментах оценивались следующие параметры управления вертолетом: точность пилотирования; структура и количество управляющих действий; загрузка внимания летчика при выполнении различных режимов пилотирования; возможность выполнения задач различного уровня сложности; уровень нервно-эмоционального напряжения в процессе управления с применением ОУ и МОУ [3-6].

Для оценивания точности пилотирования на стенде с использованием ОУ и МОУ регистрировались следующие параметры полета: крен; направление курса; тангаж; горизонтальная скорость; высота.

Оценкой точностных характеристик являлось среднеквадратическое отклонение параметра от его математического ожидания, характеризующее точность выдерживания режима в заданном интервале времени [4].

Для сопоставления показателей структуры и количества управляющих движений ОУ и МОУ регистрировали положение ручек в продольном и поперечном каналах, а также в путевом канале и канале общего шага [7, 8]. Основными параметрами являлись: положение ОУ, частота изменения их положения с последующим определением их общего количества и при-

194

ведением к значениям количества движений за одну минуту, а также структура движений разными ОУ в зависимости от условий и выполняемых режимов полета.

Оценка загрузки внимания по количеству выполняемых операций проводилась с помощью аппаратуры «Физиолог». Летчик, при наличии свободного времени в процессе пилотирования, решал дополнительную задачу, предлагаемую устройством [9]. На табло прибора выдавалась сумма операций и количество правильных решений за одну минуту. Исследование загрузки внимания по направлению взгляда осуществлялось с помощью видеокамеры, позволяющей регистрировать положение глаз летчика (по изменению положения глаз определялось направление взгляда). По данным видеорегистрации вычисляли время, уделяемое летчиком работе с прибором дополнительной задачи.

Для сравнительной оценки уровня нервно-эмоционального напряжения лётчика в процессе пилотирования с применением ОУ и МОУ использовался цифровой накопитель суточной электрокардиограммы (ЭКГ) «АННА ФЛЭШ 2000», который сохранял данные ЭКГ в памяти непрерывно, по всем включённым каналам с применением сжатия без потерь информации. Данные, полученные при проведении экспериментального исследования, обрабатывались с помощью компьютеризированной программы «АННА ФЛЭШ 2000». В протоколе измерения уровня нервно-эмоционального напряжения делалась отметка времени событий и параметров полета.

На втором этапе экспертным методом с участием летного состава оценивалась эффективность деятельности экипажа в процессе пилотирования вертолетом с использованием МОУ.

Для получения квалифицированной экспертной оценки с участием летного состава использовалась разработанная анкета эргономической оценки эффективности деятельности экипажа в процессе управления вертолетом. В анкете предлагалось оценить:

эффективность выполнения режимов полета по каналам крена, направления курса, тангажа;

возможность выполнения процесса пилотирования по двум каналам одновременно;

возможность выполнения процесса пилотирования по трем каналам одновременно;

замечания и предложения эксперта.

Материалы обрабатывались с целью обобщения экспериментальных данных, а также получения новой информации, содержащейся в скрытой форме в ответах летчиков. В результате обработки по каждому оцениваемому показателю вычислялось среднее арифметическое значение [10].

В табл. 2 представлены обобщенные материалы квалиметрии пилотирования в условиях полунатурного моделирования на различных этапах полета с использованием МОУ.

Таблица 2

Качество пилотирования на различных этапах полета с использованием МОУ

Этап полета Средние значения отклонений от заданных параметров полета

по тангажу, (±,°) по крену, (±,°) по курсу, (±,°) по скорости, (±, км/ч) по высоте, (±, м)

Взлет 0,22 1,23 0,16 0,59 -

Зависание 0,59 0,81 0,09 1,41 0,82

Горизонтальный полет 0,25 0,17 1,54 1,13 1,93

Вираж левый 15° 0,56 0,26 - 4,76 8,40

Вираж правый 15° 0,70 0,35 - 4,66 7,86

Вираж левый 30° 0,97 0,70 - 5,56 7,70

Вираж правый 30° 0,58 0,50 - 3,23 7,17

Посадка 0,48 0,89 0,11 1,62 -

Из табл. 2 видно, что средние значения отклонений от заданных параметров полета с использованием МОУ обеспечивают высокий уровень сохранения пространственного положения.

В табл. 3 представлены обобщенные результаты определения качества пилотирования в условиях полунатурного моделирования на различных этапах полета с использованием ОУ.

Таблица 3

Качество пилотирования на различных этапах полета

с использованием ОУ

Этап полета Средние значения отклонений от заданных параметров полета

по тангажу, (±,°) по крену, (±,°) по курсу, (±,°) по скорости, (±,°) по высоте, (±,°)

Взлет 0,17 0,74 0,63 0,69 -

Зависание 0,17 0,56 0,25 0,60 1,06

Горизонтальный полет 0,50 0,37 0,22 2,76 3,56

Вираж левый 15° 0,86 2,04 - 5,64 8,26

Вираж правый 15° 1,45 0,69 - 7,24 10,92

Вираж левый 30° 1,36 0,36 - 5,75 14,66

Вираж правый 30° 1,72 0,97 - 6,24 8,09

Посадка 0,18 0,69 0,62 0,52 -

Из табл. 3 видно, что средние значения отклонений от заданных параметров полета обеспечивают высокий уровень сохранения пространственного положения. В табл. 4 представлены оценки загрузки внимания летчика в процессе пилотирования со штатными ОУ.

Таблица 4

Загрузка внимания летчика по количеству выполняемых операций _в процессе пилотирования со штатными ОУ _

Режим полета Время работы, с Общее количество нажатий Количество правильных нажатий Время пауз, с РВ, % Доля правильных нажатий, %

Взлет 39,7 11,7 9,7 3,5 12,0 83,3

Зависание 42,0 26,7 25,0 1,7 29,7 95,0

Горизонтальный полет 22,7 8,3 7,3 3,0 16,7 89,7

Вираж левый 15° 115 42,3 39,7 3,0 17,2 93,80

Вираж правый 15° 110,7 34,3 34 4,6 16,0 98,80

Вираж левый 30° 63 16,3 15,7 6,9 13,9 96,80

Вираж правый 30° 61,7 17 16,3 3,7 14,3 96,10

Посадка 35 12,3 12,3 2,9 18,3 100

В табл. 5 представлены результаты оценки загрузки внимания летчика в процессе пилотирования с МОУ [11-13].

Таблица 5

Загрузка внимания летчика по количеству выполняемых операций

Режим полета Время работы, с Общее количество нажатий Количество правильных нажатий Время пауз, с РВ, % Доля правильных нажатий, %

Взлет 51,0 8,7 8,0 8,1 7,5 95,8

Зависание 34,7 11,3 10,7 3,5 16,0 95,6

ГП 23,0 12,0 12,0 2,1 24,6 100,0

Вираж левый 15° 112 55,7 51,7 2,0 23,9 92,50

Вираж правый 15° 112,3 60,7 46 1,9 21,7 74,24

Вираж левый 30° 81 33,3 27,3 2,5 17,7 85,25

Вираж правый 30° 75 37,7 36 2,1 23,7 96,22

Посадка 42,7 11,3 10,7 3,8 12,7 94,40

Из табл. 4 и 5 видно, что МОУ имеет лучшие усредненные показатели по всем оцениваемым характеристикам практически на всех режимах пилотирования. Время работы с блоком резервов внимания при использовании МОУ больше на 3,2% чем на штатных ОУ. Значение общего количество нажатий с использованием МОУ больше на 1,6% чем при использовании штатных ОУ. Значение количества правильных нажатий с использованием МОУ больше на 1,06% в сравнении с использованием штатных ОУ. Различие значения времени пауз МОУ незначительно мало и составляет 0,01% при сравнении со штатными ОУ. Процентное соотношение работы с блоком резервов внимания при использовании МОУ на 0,2% больше чем при использовании штатных ОУ. Количество правильных нажатий при использовании МОУ на 2,2% меньше чем при использовании штатных ОУ.

Исходя из полученных результатов сделан вывод о том, что МОУ по показателю загрузки внимания на количество выполняемых операций при выполнении различных режимов пилотирования, практически идентичны со штатными ОУ, а в большинстве случаев незначительно превосходят их.

В табл. 6 представлены данные оценки загрузки внимания летчика по направлению взгляда в процессе пилотирования со штатными ОУ и МОУ.

Таблица 6

Загрузка внимания летчика при пилотировании с применением

штатных ОУ и МОУ

Режим полета Доля времени работы с резервами внимания, %

С использованием ОУ С использованием МОУ

Взлет 10,2 3

Зависание 42,5 17

Виражи 27,6 24

Посадка 12,8 9

Из табл. 6 видно, что при выполнении режима «взлет» с применением ОУ время работы с резервами внимания во всех режимах превышает этот показатель для МОУ. В табл. 7 показаны оценки уровня нервно-эмоционального напряжения, выраженный в процентах от исходного уровня частоты сердечных сокращений летчиков (ДЧСС) при выполнении различных режимов пилотирования с использованием ОУ и МОУ (исходный уровень ЧСС летчиков определен в спокойных условиях на земле) [4, 6, 11].

Таблица 7

Уровень нервно-эмоционального напряжения при пилотировании с использованием штатных ОУ и МОУ

Наименование режима Прирост ЧСС от исходного уровня (фон в состоянии покоя),%

С использованием С использованием

штатных ОУ МОУ

Взлёт 20,1 10,8

Зависание 17,7 14,7

Горизонтальный полет 10,8 6,6

Левый вираж крен 15° 12,7 6,9

Правый вираж крен 15° 10,3 6,1

Левый вираж крен 30° 12,7 7,7

Правый вираж крен 30° 12,2 6,9

Посадка 15,5 6,6

Материалы табл. 7 показывают, что выполнение режимов пилотирования (взлет, зависание, горизонтальный полет, виражи с кренами 15° и 30° и посадка) с использованием ОУ вызывает существенное нервно-эмоциональное напряжение летчика в сравнении с пилотированием с помощью МОУ. Показано, что уровень нервно-эмоционального напряжения по показателю ДЧСС от исходного уровня отражает степень сложности пилотирования с применением штатных ОУ относительно пилотирования с использованием МОУ. Максимум нервно-эмоционального напряжения при выполнении режимов пилотирования с использованием МОУ отмечен на режимах взлета и висения.

Результаты субъективной эргономической экспертизы эффективности деятельности экипажа в процессе пилотирования с использованием МОУ по пятибалльной шкале оценки представлены в табл. 8.

Таблица 8

Субъективные оценки эффективности пилотирования с использованием МОУ

Характеристика Среднее значение

Эффективность выполнения режимов по каналу крена с использованием МОУ 4

Эффективность выполнения режимов по каналу тангажа с использованием МОУ 4

Эффективность выполнения режимов по каналу курса с использованием МОУ 4

Возможность выполнения процесса пилотирования по двум каналам одновременно с использованием МОУ 4,3

Возможность выполнения процесса пилотирования по трем каналам одновременно (крен, тангаж, курс) с использованием МОУ 3,67

Из представленных данных (табл. 8) видно, что эффективность выполнения режимов по каналам крена, тангажа и курса с использованием МОУ эксперты оценили как «хорошо», присвоив соответствующим показателям оценку «4» (оцениваемые характеристики устраивают, но есть замечания). Характеристика «возможность выполнения процесса пилотирования по двум каналам одновременно с использованием МОУ» получила оценку «4,3», что по шкале оценки близко к значению «оцениваемые характеристики устраивают, но есть замечания». Стоит отметить, что при оценке пилотирования по каждому каналу в отдельности был получен суммарный балл меньше, чем при оценке пилотирования по двум каналам одновременно. Предположительно, это связано с тем, что у летчиков уже сложился стереотип навыков пилотирования по двум каналам одновременно (поперечный и продольный), а разделение каналов по одному вызывает незначительные дискомфортные ощущения [14-19]. Возможность вы-

199

полнения процесса пилотирования по трем каналам одновременно (крен, тангаж, курс) с использованием МОУ была оценена экспертами в «3,67» балла - «посредственно».

В ходе анкетного опроса экспертами были указаны следующие замечания: «мала угловая скорость изменения крена и тангажа», «необходимо ограничить углы максимальных крена и тангажа из-за медленной работы исполнительных механизмов», «выполнение режимов с разворотами заставляет быть более внимательным к контролю за отклонениями ручки управления по другим осям». Также в анкетах экспертами было отмечено, что при больших и быстрых изменениях значений, особенно с изменением знака (+, -), происходит уменьшение чувствительности управления из-за недостатков демпфирования. В целом, летный состав отметил, что пилотирование с МОУ не вызывает больших затруднений и будет легко осваиваться летным составом любого уровня подготовки.

Выводы. Таким образом в результате проведенных экспериментов установлено, что применение МОУ обеспечивает высокий уровень сохранения пространственного положения летательного аппарата в пространстве. Загрузка внимания летчика при пилотировании вертолетом с использованием МОУ обеспечивает преемственный уровень в сравнении с показателем ОУ. Показатели уровня нервно-эмоционального напряжения при пилотировании с использованием МОУ ниже, чем при использовании ОУ. По результатам анкетного опроса был получен положительный отзыв летного состава касательно применения МОУ. Существующие недостатки относятся к конструктивно-механическим и в процессе доработки могут быть исправлены. В целом применение МОУ может полностью исключить использование ОУ, что позволит перейти на новый уровень автоматизации пилотирования вертолетом и повысить безопасность полетов.

Автор выражает глубокую благодарность за наставничество и руководство кандидату химических наук профессору Городецкому Игорю

Георгиевичу и доктору медицинских наук Чунтулу Александру Васильевичу.

Список литературы

1. Чунтул А.В., Рябинин В.А., Яценко А.Н. Эргономические аспекты обеспечения безопасности полетов вертолетов // Человеческий фактор: проблемы психологии и эргономики, 2017. № 4 (85). С. 65-68.

2. Пономаренко В.А., Ворона А.А., Лапа В.В. Стратегические направления решения проблемы человеческого фактора в военной авиации // Военная мысль, 2017. № 4. С. 35-41.

3. Маслов С.В., Есев А.А., Овчаров В.Е., Чунтул А.В. Особенности обеспечения безопасности полетов вертолетов при использовании летным составом очков ночного видения // Проблемы безопасности полетов, 2010. № 7. С. 30-36.

4. Богомолов А.В., Гридин Л.А., Кукушкин Ю.А., Ушаков И.Б. Диагностика состояния человека: математические подходы. М.: Медицина, 2003. 464 с.

5. Чунтул А.В. Эргономические проблемы разработки информационного обеспечения экипажей вертолетов новых поколений // Человеческий фактор: проблемы психологии и эргономики, 2007. № 1-1 (38). С. 4648.

6. Ушаков И.Б., Кукушкин Ю.А., Богомолов А.В. Физиология труда и надежность деятельности человека. М.: Наука, 2008. 318 с.

7. Кукушкин Ю.А., Айвазян С.А., Кузьмин А.С., Богданов Ю.В., Лукаш А.А. Технология анализа управляющих движений оператора эрга-тической системы // Безопасность в техносфере, 2013. Т. 2. № 2. С. 21-26.

8. Дворников М.В., Кукушкин Ю.А., Богомолов А.В., Матюшев Т.В. Технология синтеза законов управления человеко-машинными системами, эксплуатируемыми в условиях высокого риска гипоксических состояний человека // Двойные технологии, 2014. № 1 (66). С. 8-11.

9. Кукушкин Ю.А., Козловский Э.Д., Пономаренко А.В., Цигин Ю.П., Страмнов С.Б. Технология автоматизированного оценивания резервов внимания летчика в процессе подготовки на авиационном тренажере // Мехатроника, автоматизация, управление, 2007. № 2. С. 14-19.

10. Анохин А.Н. Методы экспертных оценок (применение в задачах эргономического обеспечения деятельности оператора АЭС). Обнинск, 1996. 148 с.

11. Кукушкин Ю.А., Богомолов А.В. Методика синтеза показателя психофизиологического напряжения оператора // Медицинская техника, 2001. №4. С. 29-33.

12. Кукушкин Ю.А., Пономаренко А.В., Цигин Ю.П., Страмнов С.Б. Резервы внимания летчика как оценка процесса подготовки на авиационном тренажере // Человеческий фактор: проблемы психологии и эргономики, 2007. № 1-1 (38). С. 59-64.

13. Кукушкин Ю.А., Козловский Э.А., Пономаренко А.В., Гузий А.Г. Автоматизация объективного оценивания резервов внимания летчика в процессе подготовки на авиационном тренажере // Проблемы безопасности полетов, 2008. № 2. С. 37-48.

14. Маслов С.В., Есев А.А. Анализ рисков безопасности полётов при использовании лётным составом вертолётов очков ночного видения // Проблемы безопасности и чрезвычайных ситуаций, 2011. № 1. С. 5257.

15. Бодров В.А. Психологические основы профессиональной деятельности. М.: ПерСэ, 2007. 854 с.

16. Гузий А.Г., Кукушкин Ю.А., Богомолов А.В. Методология стабилизации функционального состояния оператора системы «человек-машина» // Мехатроника, автоматизация, управление, 2002. № 5. С. 9-14.

17. Обознов А.А., Петрович Д.Л. Оценивание приборной информации: когнитивно-стилевые характеристики // Экспериментальная психология, 2009. Т. 2. № 4. С. 74-80.

18. Есев А.А., Солдатов А.С., Ткачук А.А. Методическое обеспечение экспериментальных исследований очков ночного видения для экипажей вертолётов // Технологии техносферной безопасности, 2013. № 3 (49). С. 20.

19. Обознов А.А. Инженерно-психологическая оценка адаптивных средств отображения информации // Психологический журнал, 2001. Т. 22. № 1. С. 25-32.

Таратонов Илья Александрович, старший преподаватель, [email protected], Россия, Москва, Московский политехнический университет

ERGONOMIC EXPERTISE OF MULTI-CHANNEL AND STAFF HELICOPTER CONTROL BODIES AT THE STAND OF DIMENSIONAL MODELING

I.A. Taratonov

As a result of ergonomic examination of helicopter controls: standard and multichannel electro-remote ones with the integration of several control channels into one handle, it has been established that the use of multichannel controls ensures a high level of maintaining the spatial position of the helicopter in space while maintaining an acceptable level of load voltage pilot when piloting a helicopter. After eliminating structural and mechanical deficiencies, the use of multi-channel controls will allow a transition to a new level of helicopter piloting automation and improved flight safety.

Key words: ergonomic expertise, aviation ergonomics, helicopter controls, multichannel controls, flight safety, semi-natural modeling complex.

Taratonov Ilya Alexandrovich, senior lecturer, ilya. taratonov@1221. su, Russia, Moscow, Moscow Polytechnic University