CC BY
55
УДК 656.7.025
ФОРМАЛИЗАЦИЯ ОСОБЫХ СИТУАЦИЙ ПОЛЕТА
С.М. МУСИН, В.Н. ЧУПИНИН
В статье описана математическая модель формализованного образа ситуаций полета, которая представляет собой математическое описание связей между расходованием ресурсов и степенью опасности возникающих в полете ситуаций. Формализованный образ особых ситуаций полета позволяет формировать программу тренажерной и летной подготовки.
Ключевые слова: полет, особые ситуации, ресурс, математическая модель.
Профессиональная подготовка авиационных экипажей по системе СКМ&ЧФ (концепция оптимизации работы экипажа и человеческий фактор) проводится во многих авиакомпаниях. Одним из аспектов системы является формирование программы летной подготовки, включающей ознакомительные полеты, полеты по приобретению навыков пилотирования и полеты с опасными ситуациями.
Понятие "обеспечение безопасности" неразрывно связано с такими понятиями, как опасность и ситуация. В авиации используется понятие "особая ситуация" (ОС) согласно Воздушному кодексу РФ, определяемая как ситуация, складывающаяся в результате возникновения неблагоприятных факторов. По степени опасности ОС разделяются на следующие: усложненные ситуации; сложные (опасные) ситуации; аварийные ситуации; катастрофические ситуации.
Для оценки опасности и последующего принятия решений и выработки управлений необходимо знать не только состояние системы, но также иметь информацию о ближайшей и конечных целях управления, степени близости текущего состояния к этим целям и имеющихся ресурсах для осуществления управления, направленного на достижение основных поставленных целей или их изменения, а также и специальных управляющих воздействий с целью обеспечения безопасности.
В ряде исследований [1, 2, 3] утверждается, что ситуация - это абстрактное понятие, используемое человеком в качестве способа, приема отображения действительности в той ее части, которая интересует его с точки зрения достижения цели. То есть человек использует понятие ситуации для обозначения мысленного образа, отображающего совокупность характеристик (параметров), значимых в данный момент времени для определения своего поведения (управления).
Таким образом, считаем, что человек "чувствует" опасность через оценку сложившейся ситуации. Далее вопрос заключается в том, что именно и в каком виде он включает в этот мысленный образ. Очевидно, что человек не в состоянии представлять ситуацию как огромное множество значений, измеряемых датчиками или органами чувств параметров сигналов, а также других сведений, знаков и символов. Поэтому для представления ситуации в некотором "концентрированном" виде требуется обобщение ("свертка") значительных объемов исходной информации до небольшого числа обобщенных характеристик, соотношение которых и определит поведение (реакцию) человека в заданный момент времени.
Цели функционирования системы летной подготовки экипажей могут быть представлены в виде набора последовательностей состояний модели (иерархической модели), ведущих к поставленным целям. При этом цели (целевые состояния) подразделяются по уровням на конечные (глобальные), промежуточные и ближайшие (локальные).
Представим в виде схемы (рис. 1) процесс формирования информационного образа ситуации. Он осуществляется путем сжатия информации о фактических состояниях авиационных комплексов Сф, целям его предназначения (целевых состояниях Сц) и имеющихся ресурсах по
управлению Яу. Для каждого момента времени % совокупность обобщенной информации о состояниях Сф, Сц и ресурсах Яу составляет информационный образ складывающейся ситуации
5 (%) = < Сф (%), Сц (%), Яу (% )>. (1)
На основе образа 5(%) осуществляется прогноз выработки управлений экипажем и(0. С этой целью в блоке выработки управлений осуществляется последовательное расширение информации от уровня решений до элементарных управляющих воздействий, производимых конкретным органом управления, передаваемых на объект управления. Таким образом, схема обработки информации в контуре управления оказывается замкнутой.
Такой подход позволяет сформировать в памяти ЭВМ и прогнозировать с определенной точностью некоторый информационный образ ситуации 5(). На основе этого образа осуществляется автоматизированная оценка опасности ситуации, выработка необходимых управлений.
Под необходимыми управлениями ибзп(%) понимаем совокупность управляющих воздействий, направленных на уменьшение опасности. Вместе с тем, в каждый момент времени в системе осуществляется и основное управление иц(%), направленное на достижение целей полета.
Тогда общее управление и@) в каждый момент времени представляет собой суперпозицию двух управлений
и(%)= и() + ибзп(%), (2)
где ибзп@) - дополнительное управление; иц@) - целевое управление.
Рис. 1. Процесс формирования информационного образа ситуации
Выделение управления, направленного на обеспечение безопасности, и целевое управление, направленное на выполнение задачи полета, а также предложенный выше подход к описанию ситуаций, позволяют рассматривать задачу обеспечения безопасности и цели полета как задачу выработки и реализации специального и дополнительного управления.
Дополнительное управление формируется из оценки степени ситуации с использованием метода "достраивания событий", заключающегося в том, что рассматриваются все возможные пути перехода из рассматриваемой ситуации в катастрофическую. При этом процесс достраивания представляет собой добавление к исходному событию определенных событий до возникновения катастрофической ситуации.
Дополнительные события выбираются из следующих множеств событий: множества функциональных отказов систем воздушного судна (ВС); множества значений управляемых эксплуатационных параметров; множества возможных ошибочных действий экипажа по выполнению заданных функций.
Могут учитываться и другие множества событий, влияющих на возникновение особых ситуаций, например, ошибочные действия службы управления воздушным движением, ошибочные действия наземного персонала при выполнении технического обслуживания.
В структуре управляющих движений выделяем непрерывную деятельность, связанную с перемещением органов управления (РУС, РУД, кнюппели управления средствами механизации крыла и т.п.), и дискретную деятельность, связанную с включением-выключением оборудования, переключением режимов, т.е. с воздействием на дискретные органы управления (тумблеры, кнопки, переключатели). Двигательные реакции оператора содержат разностороннюю информацию для анализа психической структуры его деятельности, в том числе для выявления особенностей его подготовки. Регистрация положения органов управления на тренажере технически вполне осуществима. В ходе инженерно-психологических исследований управляющих воздействий оператора накоплен богатый материал для разработки методик и алгоритмов определения уровня обученности летчика по характеристикам управляющих движений. Однако указанные методики пока не доведены до уровня, пригодного к применению на тренажерах авиакомпаний.
Имеющийся в ситуации 5 (%) ресурс по управлению Яу (%) расходуется на выработку и реализацию двух составных частей общего управления и (%), а именно управление иц (%) по достижению целей и управление ибзп (%) по обеспечению безопасности. Соотношение распределения ресурса Яу (%) между этими составляющими зависит от опасности ситуации 5 (%). Следовательно, выражение (2) можно преобразовать к виду
Щ<) = п-и ц (%) + либзп (%), (3)
где Г) и I- коэффициенты, зависящие от степени опасности ситуации и характеризующие долю ресурсов, расходуемых на данный вид управления (^ - показатель экономичности, I - показатель колебательности).
Для определения коэффициентов г) и I необходимо получить количественные оценки степени опасности ситуаций. Поскольку для определенного момента времени % ситуация 5(%) определяется значениями трёх её основных составных частей Сц (%), Сбзп (%), Яу (%), то очевидно, что опасность, как характеристика ситуации, определяется соотношением этих величин.
Соотношение коэффициентов г) и I определяется по оценке степени опасности ситуации методом "достраивания событий", заключающегося в том, что рассматриваются все возможные пути перехода из данного состояния в состояние, признанное катастрофической ситуацией. Процесс достраивания состоит в том, что к исходному событию добавляются события до возникновения катастрофической ситуации. Дополнительные события выбираются из следующего множества событий: множество функциональных отказов ¥ ВС; множество возможных значений параметров области ограничений О эксплуатации ВС; множество возможных ошибочных действий экипажа Q по выполнению предписанных функций. Метод "достраивания событий" базируется на следующих основных положениях: степень опасности функционального отказа определяется возможностью того, что развитие ситуации приведет к катастрофе; катастрофа определяется возникновением определенных событий ("катастрофические события"), связанных с состоянием ВС
и его систем. Множество этих событий является ограниченным и может быть определено заранее, независимо от типа ВС; множество функциональных отказов систем ВС, возможных ошибочных действий экипажа, службы управления воздушным движением (УВД), наземного персонала, множество возможных значений параметров области ограничений эксплуатации являются конечными, то есть могут быть определены полные перечни этих событий.
Процесс достраивания выразим в виде логического уравнения
¥ П = ь,, (4)
где ¥п - событие рассматриваемого функционального отказа; Ь, - катастрофическое событие из множества катастрофических событий; 2, - цепь событий (сочетание дополнительных событий), «достраивающая» событие ¥п до события Ь,.
2, = ¥, П О,, П Qn,J, (5)
где ¥т,, Оп,, Qnjj - события из множеств ¥ , О, Q соответственно, т.е. функциональные отказы или их сочетания, значения параметров области ограничений эксплуатации ЛА, ошибки экипажа, которые совместно с ¥п приводят к Ьп,.
Для полноты охвата введём в множество фиктивные события 0 и 1. Если событие Ь, непосредственно получается из ¥п без добавления событий из множеств ¥ , О, Q , то 2т, = 1.
Если к получению события из Ь, не приводит ни одно из событий множеств ¥, О, Q , то
2 , = 0 .
п ,
Степень опасности функционального отказа определяется значением вероятности события 2т,, т.е. величиной Р(2, ) , которая определяется выражением
Р(2пц ) = Р(¥т]) * Р(От]) * Р(От]), (6)
при этом Р(2пг, ) = 1 при 2пЦ = 1 , Р(2пЦ ) = 0 при 2пЦ = 0 .
Нормами летной годности установлены следующие допустимые вероятности возникновения функциональных отказов, приводящих к особым ситуациям:
- катастрофическая ситуация (КС) - практически невероятное событие, если вероятность менее 10'9 ( Р( 2п] )кс = 1);
- аварийная ситуация (АС) - крайне маловероятное событие, если вероятность более 10-9, но менее 10'7 (10"2 < Р(2т] )ас < 1);
- сложная ситуация (СС) - маловероятное событие, если вероятность более 10"7, но менее 10-5 (10-4 < Р(2, )сс < 10-2);
- усложненные условия полета (УУП) - менее, чем частое событие, если вероятность более 10-3 (10-6 < Р(2, )ууп < 10-4).
Далее, имея степень опасности, определяем целевую зависимость коэффициентов расходования ресурсов методом нормированного перевода вероятностной степени опасности в нормированную величину опасности по базе индексации на основе теории измерения и оценки изменения качества объектов и процессов во времени.
Равновесным состоянием Сц (%) = Сф (%) является опасность П(%) = 0,5. Будем рассматривать
эту величину опасности П(%) = 0,5 как граничную или предельную, при которой ещё весь ресурс Я(%) расходуется на то, чтобы достигнуть заданных целей. При этом под действием целевого управления осуществляется перевод системы через последовательность промежуточных целевых состояний к состоянию, соответствующему конечной (глобальной) цели. Это соответствует ситуациям, в которых возможно достижение поставленных целей имеющимися ресурса-
ми. В случае возникновения неблагоприятных событий (отказов, ошибок и т.д.) ситуация переходит в разряд аварийных П(%) > 0,5, так как происходит ухудшение состояния системы Сф (%),
цель Сц (%) становится недостижимой при имеющихся ресурсах. В этом случае необходимо использовать управление ибзп (%) для улучшения состояния системы Сф (%), либо увеличение ресурсов Яу (%) или изменения цели, упростив целевое состояние Сц (%).
Таким образом, диапазон 0,5 < П(%) < 1,0 соответствует классу аварийных и катастрофических ситуаций. Указанному диапазону сопоставляем шкалу перераспределения ресурсов по величине опасности в виде изменения значений коэффициентов ц и I, при этом коэффициенты коррелированны с параметрами экипажа. Корреляция отражает варианты изменения величин ц и I, обеспечивающие как "боязнь" опасности в конкретных условиях и раннюю выработку защитной реакции на увеличение опасности, так и более рискованные стратегии поведения, но более энергичной реакцией на опасность.
Ситуации, где опасность близка к 1,0, соответствуют аварийным ситуациям. Если П(%) очень близка к 1,0 - ситуация катастрофическая. Это означает, что состояние системы и ее ресурсы по управлению не позволяют всеми имеющимися средствами и способами достичь даже самых минимальных целей.
Если 0 < П(%) < 0,5, то это означает, что соотношение целевого и фактического состояний
благоприятное (Сц (%) меньше Сф (%)) и имеются резервы. В этом случае состояние и ресурс системы позволяет усложнить цели функционирования или парировать возможное ухудшение состояния Сф (%) и ситуацию в целом при появлении неблагоприятных факторов.
При опасности ситуации П(%) > 0,5 должно осуществляться дополнительное управление ибзп (%), которое в зависимости от величины П(%) может быть корректирующим или противо-аварийным.
Под корректирующим управлением понимается совокупность управляющих воздействий, обеспечивающих исправления опасных отклонений в системе без изменения основной цели её функционирования. Корректирующее управление также используется для того, чтобы в процессе достижения поставленных целей не допустить возрастания опасности П(%) > 0,75 путём выработки и реализации дополнительных управляющих воздействий по предотвращению или парированию последствий воздействия неблагоприятных событий (выход из области ограничений, отказов, ошибок и т.д.), без изменения (упрощения) поставленной цели функционирования.
Противоаварийным считается управление, цель которого заключается в предотвращении развития аварийной ситуации и перехода её в катастрофу.
В аварийных и катастрофических ситуациях при П(%), близкой или равной 1,0 необходимо
все имеющиеся ресурсы Яц (%) переключить на обеспечение безопасности.
Таким образом, предлагается следующая процедура формализации особых ситуаций полета:
1. Определяются возможные цепи событий 2п,, т.е. определяются все возможные пути г из
¥п во все возможные Ь, через события ¥п,, Оп,, Qnij. Этот анализ проводим с учётом границы рассмотрения величины Р(¥п) • Р(2п,) , что позволит не включать в анализ часть не существенных цепей и тем самым сократить объём летной подготовки.
2. Определяется цепь 2п,, имеющая максимальное значение величины Р(2п, )
тах{Р(2„,)).
V
3. По нормированным значениям Р(2п, ) определяется степень опасности полётного задания.
4. Распределяются имеющиеся ресурсы Я(^) по шкале опасности .О(^) в зависимости от параметров экипажа по значениям коэффициентов ) и Л.
Выводы
1. Математическая модель образа ситуаций позволяет выявить существенное содержание тренировок пилотов и объем требований, предъявляемых к инструктору.
2. Выполненный надлежащим образом функциональный анализ опасности на основе математической модели образа ситуаций позволяет сформировать объем и содержание ознакомительных полетов, полетов по приобретению навыков пилотирования и полетов с опасными ситуациями в программе переподготовки и дополнительной подготовки пилотов.
ЛИТЕРАТУРА
1. Брыскин В. В. Математические модели планирования военных систем. - Новосибирск: Изд-во Института математики, 1999.
2. Неймарк М.С., Цесарский Л.Г. Определение степени опасности функциональных отказов по методу "достраивания событий" // Проблемы безопасности полётов. - М.: ВИНИТИ, 1995. - № 1. - С. 4-8.
3. Квочур А.Н., Мусин С.М. Летная оценка эксплуатационного качества новой и модернизируемой авиационной техники // Труды ГНИИ МО РФ, 2000. - Вып. № 80. - С. 56-64.
4. Овчаров В.Е. Человеческий фактор в авиационных происшествиях. - М.: Полиграф, 2005.
FORMALIZATION OF SPECIAL SITUATIONS OF FLIGHT
Musin S.M., Chupinin V.N.
In clause the mathematical model of the formalized image of situations of flight which represents the mathematical description of communications between an expenditure of resources and a degree of danger of situations arising in flight is described. The formalized image of special situations of flight allows to form the program training and flight preparations.
Key words: flight, special situations, resource, mathematical model
Сведения об авторах
Мусин Сергей Миргасович, 1956 г.р., окончил МЭИ (1979), ВВИА им. проф. Н.Е. Жуковского (1987), профессор, доктор технических наук, старший научный сотрудник ФГУ "13 ГНИИ МО РФ", автор более 180 научных работ, область научных интересов - эффективность эксплуатации многофункционального авиационного оборудования, обеспечение безопасности полетов, исследование аварийной и отказавшей авиационной техники.
Чупинин Виталий Николаевич, 1978 г.р., окончил Ульяновское ВАУ ГА (2000), пилот ОАО "Аэрофлот - Российские авиационные линии", автор 8 научных работ, область научных интересов - обеспечение безопасности полетов и эффективности деятельности авиационных предприятий.
