CC BY
157
УДК 629.7.054.07
ЭРГОНОМИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ СОВЕРШЕНСТВОВАНИЯ ОТОБРАЖЕНИЯ ПРИБОРНОЙ ИНФОРМАЦИИ
Н.А. СТОЛЯРОВ, И.Б. КУЗНЕЦОВ
Выполнен анализ принципов формирования полетной информации, получаемой пилотом о воздушном судне. Раскрыт показатель минимально необходимых для качества пилотирования временных затрат пилотом на взаимодействие с полетной информацией.
Ключевые слова: система отображения информации, полетный параметр, изобразительный элемент, интегральный полетный параметр.
Введение
Перспективным и проверенным практикой последних десятилетий направлением эргономического совершенствования систем отображения информации (СОИ) воздушных судов (ВС) является отказ от традиционного цифрового представления полетных параметров (1111) на отдельных изобразительных элементах (ИЭ) типа «шкала-стрелка», используемого в электромеханических СОИ и в первом поколении электронных СОИ (отечественные ЭСИ-77, СЭИ-85), и наметившийся переход к совмещенной или комплексной аналоговой визуализации ряда 1111, характеризующих пространственное положение ВС и тенденцию в динамике ВС. Для краткости терминологии совмещенную цифровую или аналоговую визуализацию нескольких 11 одним ИЭ или одним фрагментом общего информационного поля СОИ будем называть интегральным полетным параметром (ИПП). Это направление было намечено с середины 80-х годов в эргономических исследованиях по учету влияния человеческого фактора на безопасность полетов и выделено руководителями летных служб США и Великобритании, отметивших среди приоритетных на последующие годы задач задачу оценки допустимых уровней рабочей загрузки на экипаж ВС на конкретных этапах полета и задачу эргономической оценки элементов СОИ, отмечая их эволюцию в сторону аналоговой индикации [1]. Развитие этого направления характеризуется разработкой и испытаниями большого числа разнотипных И11 , различных по составу комплексируемых 11 и формам их визуализации, и отсутствием теоретической основы этих разработок - общей методологии эргономического проектирования СОИ с интегральными элементами. В данной статье предпринимается попытка установления общих принципов эргономической экспертизы СОИ с интегральными полетными параметрами и разработки методов объективной оценки эргономического качества как отдельного ИПП, так и СОИ с ИПП в целом.
Потенциально заложенные в СОИ с ИПП эргономические достоинства определяются тем, что в традиционных СОИ с раздельной, преимущественно цифровой визуализацией ПП практически достигнуты пределы возможностей по всем основным составляющим эргономического качества СОИ: по информативности, по адекватности представления пилотажно-навигационной информации необходимым управляющим действиям пилота и по селективности или структурированности представления этой информации [2]. Современное техническое оснащение СОИ на цветных дисплеях или жидких кристаллах и информационно-компьютерное обеспечение СОИ допускают широкое использование аналоговой визуализации пространственного положения ВС и его динамики, комплексную визуализацию ряда ПП одним ИЭ, при которых внедряемые формы визуализации отражают специфику выполняемых пилотажных задач. Удачное в эргономическом отношении аналоговое представление пилотажно-навигационной видеоинформации должно упрощать пилоту выделение из
информационного поля СОИ необходимой по полетной ситуации информации и ее переработку: возникает возможность предъявления пилоту информации в форме, приближающейся к оперативной образно-концептуальной модели основных пилотажных задач, что может значительно снизить уровень психофизиологической загрузки пилота при его взаимодействии с СОИ. Определение эргономически грамотных путей реализации этих потенциальных преимуществ СОИ с ИПП требует анализа всех трех вышеперечисленных составляющих эргономического качества СОИ с ИПП, а также разработки системы объективных числовых показателей эргономического качества ИПП.
Исследование вопроса
1. ИЭ любого типа производит преобразование визуализируемых им полетных параметров, значения которых - случайные величины. Согласно фундаментальному положению теории информации преобразование случайной величины не увеличивает количества содержащейся в ней информации, поэтому ИЭ принципиально не способен дать дополнительную информацию о динамике визуализируемых им ПП. Однако при выполнении основных пилотажных задач пилоту необходима информация о близости значений ПП к предельно допустимым и о взаимосвязи динамики различных ПП. Эргономически обоснованная техническая реализация ИЭ ИПП должна предоставлять пилоту такую дополнительную информацию как для повышения информативности СОИ, так и для повышения адекватности представления информации необходимым управляющим действиям пилота.
2. Очевидным эргономическим требованием к ИПП является его информативность, т.е. способность предоставлять пилоту всю необходимую для выполняемой пилотажной задачи информацию о динамике визуализируемых им ПП. Однако понятие информативности как отдельного ИПП, так и СОИ в целом эргономически противоречиво, так как не учитывает объективную ограниченность психофизиологических возможностей пилота по приему и переработке информации. Действительно, превышение информационным потоком приборной информации пропускной информационной способности пилота затрудняет пилоту выделение из информационного поля СОИ действительно необходимой по полетной ситуации информации, что приводит к ухудшению эргономического качества ИПП и СОИ в целом [2].
Одним из числовых показателей информативности ИПП и его ИЭ, в котором учтено отмеченное противоречие, является показатель 1ИПП относительной зрительной загрузки пилота по ИПП. Показатель 1ИПП, аналитический вид которого будет представлен ниже, характеризует минимально необходимые для достижения заданного качества пилотирования временные затраты пилота на взаимодействие с ИПП. Особенность оценки зрительной загрузки пилота по ИПП и его ИЭ состоит в том, что получаемые теоретически, по информативным частотам «собранных» в ИПП полетных параметров значения показателя 1ИПП и теоретически оптимальной вероятности РИПП наблюдения ИПП пилотом характеризуют исключительно эргономическую совместимость полетных параметров, визуализированных ИПП, в то время как эмпирическое значение показателя 1ИПП и эмпирическое значение вероятности наблюдения ИПП пилотом отражают как эргономическую совместимость объединенных в ИПП полетных параметров, так и эргономическое качество технической реализации изобразительного элемента ИПП [3].
Для минимизации зрительной загрузки пилота определяющим требованием к эргономической организации ИПП является следующее: на этапах полета или при выполнении пилотажных задач, вызывающих предельно высокую загрузку пилота по пилотажно-навигационной информации, ИПП не должен искусственно повышать долю каждого из представленных в нем ПП в общем распределении зрительного внимания пилота сверх оптимальной доли этого ПП. В СОИ с индикатором воздушных порывов, теоретически позволяющей пилоту вести контроль полетных параметров по их удвоенным информативным
частотам, такое повышение возникает при визуализации на ИНН полетных параметров с большим разбросом в значениях их информативных частот [3]. Действительно, 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 [4]. Следствием этого является искусственное повышение зрительной загрузки пилота по ИПП и по СОИ в целом по сравнению со зрительной загрузкой пилота по СОИ с раздельной визуализацией ПП. Таким образом, необходимым условием для эргономической совместимости нескольких ПП в интегральном полетном параметре является близость значений информативных частот этих ПП.
3. Аналитический вид показателя относительной зрительной загрузки пилота по ИПП определяется формулой
1 ИПП = Тф ' ГИПП + Тп • Гипп , (1)
где Тф - средняя продолжительность снятия пилотом информации с ИНН при его однократном обращении к ИНН; ГИПП - информативная частота ИНН, равная удвоенной максимальной из информативных частот визуализируемых на ИЭ ИНН полетных параметров. Значение ГИПП равно минимально необходимой для обеспечения заданного качества пилотирования частоте зрительных обращений пилота к ИНН; Т п - средняя продолжительность переноса взгляда пилота с одного элемента СОИ на другой.
Значение 1ИПП равно доли времени, необходимой пилоту для контроля всех объединенных в ИНН полетных параметров при заданном качестве выполнения пилотажной задачи, в общей продолжительности выполнения пилотажной задачи и, таким образом, дает теоретическую оценку зрительной загрузки пилота по ИНН.
Для задачи стабилизации ВС на глиссаде при заходе на посадку минимально возможное значение Тф устанавливается методом, который основан на расчете количества информации,
необходимого пилоту для стабилизации каждого ПП из ИНН в пределах его допустимых отклонений [5].
Пусть Т - продолжительность снижения по глиссаде в секундах. Тогда N ИПП = Т • ГИПП -минимально необходимое число зрительных обращений пилота к ИНН на этой фазе посадки. Обозначим через IИПП (бит) суммарное количество информации, необходимое пилоту для стабилизации всех ПП, представляемых ИНН. Величина IИПП/NИПП (бит/обращение) характеризует среднее количество информации, которое необходимо снять с ИНН за одно зрительное обращение к ИНН. При максимальной скорости У1 (бит/с) переработки пилотажно-навигационной информации зрительным каналом пилота (обычно предполагается, что у находится в пределах 4-5 бит/с) средняя продолжительность снятия пилотом информации с ИНН при его однократном обращении к ИНН составит
Тф = (1 ИПП /NИПП )/у1 = 1 ИПП • у1 ^ИПП (с/обращение). (2)
Полученное по данной оценке Тф значение 1ИПП позволяет на начальных этапах эргономической разработки ИНН объективно установить, является ли использование данного типа ИНН допустимым по эргономическим требованиям, так как по значению 1ИПП
рассчитывается показатель 1 относительной зрительной загрузки пилота по СОИ с ИНН и объективно выясняется, не приводит ли использование этого ИНН к недопустимому возрастанию зрительной загрузки пилота по СОИ [6].
4. При положительном решении вопроса об эргономической целесообразности использования данного ИПП после разработки технической формы его визуализации - конкретного вида ИЭ ИПП и компоновки СОИ с ИЭ ПП на этапах макетных и натурных испытаний объективная оценка эргономического качества СОИ с ИПП и ИЭ ИПП проводится по системе обобщенных числовых показателей, представленных в [6].
Расчет показателя 1 относительной зрительной загрузки пилота по СОИ с ИПП выполняется стандартным методом в предположении, что ИЭ ИПП является отдельным прибором или узлом СОИ [6].
Для оценки СОИ с ИПП по траекторно-вероятностному показателю 0 и структурному показателю ОБ определяется теоретически оптимальная вероятность РИПП наблюдения пилотом ИПП: РИПП =1ИПП/1 [6]. Значение РИПП характеризует теоретически оптимальную долю ИПП в общем распределении внимания пилота по элементам СОИ при его высокой зрительной загрузке по приборной информации. По установленному значению РИПП находятся теоретически оптимальные вероятности переноса взгляда пилота по элементам СОИ и вероятности циклов в зрительном маршруте пилота по СОИ, используемые в структурном показателе ОБ.
Общая эргономическая оценка СОИ с ИПП по показателям 0 и ОБ проводится методами, изложенными в предположении, что ИЭ ИПП является отдельным прибором или узлом СОИ [6].
5. Объективная числовая оценка эргономического качества ИЭ ИПП, включающая оценку его информативности, дается значением траекторно-вероятностного показателя ИЭ ИПП ОИПП . Для определения аналитического вида этого показателя предполагается, что ИЭ ИПП визуализирует К полетных параметров; РИПП = р - теоретически оптимальная вероятность наблюдения пилотом ИПП; я - эмпирическая вероятность наблюдения пилотом ИЭ ИПП, устанавливаемая при макетных или натурных испытаниях СОИ с ИПП; DJ - теоретически достигаемая при теоретически оптимальной вероятности наблюдения пилотом ИПП дисперсия ]-го ПП (эталонная дисперсия ]-го ПП); EJ - эмпирическая дисперсия ]-го ПП, устанавливаемая при натурных испытаниях СОИ с ИПП; ] = 1, ... , К. В принятых обозначениях
0 ИПП
2
р-я
К (3)
К Е
Очевидно, что при DJ < EJ для каждого] = 1, ..., К 0 < ОИПП < 1, причем ОИПП = 1 тогда и только тогда, когда р = я и EJ = DJ при каждом ], то есть когда теоретически оптимальная и
эмпирическая вероятности наблюдения пилотом ИПП совпадают, а качество стабилизации каждого ПП, характеризуемое его эмпирической дисперсией, совпадает с эталонным.
В зависимости от технических особенностей ИЭ ИПП выбор значения эталонной дисперсии входящего в ИПП полетного параметра может производиться одним из двух способов:
- если ИЭ предоставляет пилоту возможность отдельного наблюдения ] -го ПП по удвоенной информативной частоте ^ этого ПП, т.е. ИЭ не вынуждает пилота искусственно
завышать частоту контроля ]-го ПП до ГИПП, то DJ полагается равной суммарной дисперсии частотных составляющих этого ПП в диапазоне не подавляемых стабилизирующим
управлением этим ПП;
- если некоторый из ПП, входящих в ИПП, может наблюдаться пилотом только с частотой наблюдения пилотом всего ИЭ ИПП, минимально допустимое значение которой составляет
fHnn Гц, то эталонная дисперсия Dj такого j-го 1111 полагается равной суммарной дисперсии частотных составляющих этого 1111 в диапазоне (0,5fИПП , +¥ ) .
Заключение
Анализ исходных для расчета QИПП величин - значений дисперсий Dj и Ej каждого из входящих в ИПП полетных параметров способен выделить неудачно визуализированный на ИЭ ИПП полетный параметр - для такого ПП эмпирическая дисперсия Ej значительно по
сравнению с остальными ПП превышает свое эталонное значение Dj. В свою очередь, малое по
сравнению с эталонным значением Dj эмпирическое значение дисперсии Ej показывает, что
ИЭ ИПП искусственно завышает частоту контроля пилотом j-го ПП и провоцирует пилота на избыточно высокочастотное стабилизирующее управление этим ПП. Такой эргономический недостаток ИЭ ИПП искусственно повышает зрительную загрузку пилота, что вследствие возникающего у пилота дефицита времени может привести к недопустимому ослаблению пилотом контроля других ПП, не вошедших в ИПП. Само же значение траекторно-вероятностного показателя ИЭ ИПП, рассчитанное по формуле (3), дает интегральную эргономическую оценку ИЭ ИПП как по качеству стабилизации ПП, вошедших в ИПП, так и по близости характеристик структуры зрительной деятельности пилота по СОИ с ИПП к теоретически оптимальным: чем выше эргономическое качество ИЭ ИПП, тем ближе значение Q ипп к единице.
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 установления нормативных значений введенных обобщенных показателей эргономического качества СОИ с совмещенной или аналоговой индикацией полетных параметров.
ЛИТЕРАТУРА
1. Ошибки пилота: человеческий фактор / пер. с англ. А.С. Щербова. - М.: Транспорт, 1986.
2. Булгаков Д.Н. Некоторые принципы эргономического проектирования СОИ самолета // Техника. Информатика. Экономика, серия Средства отображения информации. - 1991. - Вып. 1.
3. Булгаков Д.Н. Математические методы эргономического проектирования СОИ самолета // Техника. Экономика, серия Средства отображения информации. - 1994. - Вып. 1.
4. Кузнецов И.Б., Столяров Н.А. Формирование основных закономерностей взаимодействия пилота с приборным оборудованием // Журнал «Полет». - 2011. - № 7. - С. 22-26.
5. Булгаков Д.Н. Информационные аспекты эргономического проектирования СОИ самолета // Техника. Информатика. Экономика, серия Средства отображения информации. - 1991. - Вып. 4.
6. Булгаков Д.Н., Столяров Н.Н. Объективные методы эргономической экспертизы СОИ самолета // Научный Вестник МГТУ ГА, серия Аэромеханика и прочность. - 2003. - № 59. - С. 51-56.
ERGONOMIC BASIS OF INSTRUMENT DISPLAY SYSTEM PERFECTION
Stoliarov N.A., Kuznetsov I.B.
Analysis of flight information formation principles, which pilot receives about aircraft is performed. Characteristic of pilot's temporal expenses to interact with flight information on criterion of optimality for piloting quality is shown.
Key words: data display system, flight parameter, pictorial element, integral flight parameter.
Сведения об авторах
Столяров Николай Андреевич, 1939 г.р., окончил МАИ (1963), доктор технических наук, профессор кафедры летной эксплуатации и безопасности полетов УВАУ, заслуженный деятель науки РФ, автор более 100 научных работ, область научных интересов - эргономика, человеческий фактор в авиации, совершенствование процесса подготовки авиационного персонала.
Кузнецов Игорь Борисович, 1955 г.р., окончил Академию ГА (1977), кандидат технических наук, заслуженный работник транспорта РФ, автор 23 научных работ, область научных интересов - летная эксплуатация ВС, исследование вопросов совершенствования пилотирования и подготовки летного состава.
