CC BY
135
УДК 656.7.08
МОДЕЛЬ ПРОГНОЗИРУЕМОЙ ОЦЕНКИ КАЧЕСТВА ВЫПОЛНЕНИЯ ДВУХЧЛЕННЫМ ЭКИПАЖЕМ ЗАДАЧ РЕЙСА
В статье описана математическая модель принятия решения о выборе двухчленного экипажа для выполнения задач рейса, которая представляет собой математическое описание связей между показателями качества операторской деятельности экипажей в различных ситуациях полёта и критериями эффективности их деятельности в алгоритме решения оптимизационной задачи стохастического программирования.
Ключевые слова: полет, деятельность экипажа, математическая модель, оптимизация.
Общей тенденцией в развитии современных авиационных комплексов различного назначения является значительное усложнение их функционального состава, увеличение потоков разнородной информации, циркулирующей между основными структурными компонентами, а также усложнение и "интеллектуализация" функций, выполняемых экипажем. Значительно возрастают и требования к безопасной эксплуатации воздушных судов с двухчленным экипажем [1].
Указанные требования обеспечиваются различными путями и, в частности, целенаправленной профессиональной подготовкой авиационных экипажей по системе CRM&ЧФ (концепция оптимизации работы экипажа и человеческий фактор). Реализация потенциальных возможностей двухчленных экипажей в значительной степени зависит от совместимости членов экипажа.
При формировании экипажа выделяются следующие группы характеристик, которые в тех или иных сочетаниях являются объектами исследований операторской деятельности экипажа: аппаратные, ремнантно-функциональные, индивидуальные, внешней среды, организационно-функциональные.
Модель прогнозируемой оценки качества выполнения экипажем задач рейса согласно алгоритмическому аспекту квалиметрического метода содержит следующие этапы.
Первый этап оценки - декомпозиция /стратификация/, второй этап - расчёт /оценка/ единичных показателей и их сравнение с нормативными показателями, третий этап - композиция оценок единичных свойств и получение обобщённой оценки.
Показатели качества выполнения рейса отражаются в проявлении свойств воздушного судна в процессе его эксплуатации через полученный результат (полезный эффект). Следовательно, для оценки качества выполнения рейса необходимо задаться совокупностью видов полетных заданий и определить полезный эффект.
При эксплуатации воздушного судна полет (рейс) последовательно в случайные моменты времени переходит из состояния в состояние, оставаясь там определенное (также случайное) время.
Оценить показатели качества выполнения полетного задания в течение заданного промежутка времени позволяет следующая формальная модель. Представим полет в виде случайного процесса с дискретными состояниями и непрерывным временем [4]. Для оценки можно использовать любую совокупность состояний Мг, отвечающую условиям полноты и единственности представления его исходного состояния т
С.М. МУСИН, В.Н. ЧУПИНИН
= т •
і
(1)
(2)
I Мі Ф 0 V/, 1 є N, і Ф 1
Условие (1) выражает требование охвата моделью всех состояний (ситуаций), представляющих процесс. Условие (2) есть требование учитывать каждое состояние только один раз. Выполнение обоих условий обеспечивает представление процесса полным множеством пересе-
кающихся состояний (ситуаций). Он отражает декомпозицию ситуаций, складывающихся в полете по функциональному признаку. Ситуации подобраны таким образом, чтобы в каждой из них отражалось одно из свойств качества воздушного судна.
Второй этап оценки включает расчёт показателей качества операторской деятельности экипажей. Содержание этого этапа состоит в расчёте показателей операторской деятельности экипажей, характеристик их передаточных функций с использованием методов психофизиологической оценки деятельности с элементами ремнантно-функционального (неоднозначность ответной реакции пилота на особые ситуации полета) анализа человека. Оценка показателей проводится экспертами в виде формирования законов распределения случайных величин, что порождает вероятностную форму оценки.
Третий этап оценки (композиция оценок единичных свойств). Многоаспектность оценок результата определяет многообразие соотношений между ними и соответствующую типологию мер качества. В первую очередь к основному классу мер качества относится результатноцелевой тип качества. Показатели результатно-целевого типа отражают степень достижения поставленной цели. На основе формализованного образа ситуаций, результатов анализа показателей, характеризующих взаимодействие экипажа с воздушным судном и качество операторской деятельности экипажа, имеем следующее пространство моделей прогнозируемой оценки качества выполнения экипажем задач рейса.
Обозначим подмножество типов декомпозиции ситуаций полёта через В
В = {А, Е2, Вз, В4 }; (3)
подмножество мер качества выполнения полётного задания через Р
Р = Р К, ^3 }; (4)
подмножество типов композиции этих показателей через О
О = {О„ О2, Оз } (5)
Декартово произведение этих подмножеств порождает пространство 7 вложенных моделей оценки качества выполнения полётного задания
7 = {Д }= Ж х р х О г = 1,... N, (6)
где Д - подмножество моделей; г - номер модели.
Для каждой из моделей , принадлежащих пространству 7 , в соответствии с целью оценки проявляющихся в ситуациях т(ж) при выполнении полёта, существует ряд показателей качества выполнения задания, являющийся отображением множества свойств воздушного судна и экипажа в множество мер качества, и обобщённый показатель.
Указанные подмножества и порождаемое пространство моделей не являются полными и служат для иллюстрации структуры этого пространства, элементом которого является использующаяся в дальнейшем модель прогнозируемой оценки качества выполнения экипажем задач рейса.
Выбор модели оценки качества выполнения задачи определяется рядом факторов и представляет собой самостоятельный этап оценки: уточнение особенностей применения объектов оцениваемого типа и порядка использования вычислительных значений показателей качества. Согласно [4] выбор определяется взаимоотношением субъекта, объекта и базы оценки, и реализуется в алгоритме оценки качества. В наиболее общем виде можно представить алгоритм оценки как оператор, отображающий цель оценки на множество обобщённых показателей качества.
При оценке объекта по векторному показателю, отражающему степень проявления его свойств, необходимо выбрать совокупность интересующих нас свойств, оценить их и рассчитать величину обобщённого показателя, который представляет собой относительную безразмерную величину - степень проявления свойств объекта по сравнению с эталоном.
При оценке объекта по показателю качества его функционирования задача выбора модели оценки сводится к выбору обобщённого показателя качества, который является размерной величиной, имеющей ясный физический смысл, или композицией таких величин, например, "отклонение действительной траектории полёта от заданной", "время выхода из области ограничений". В основу выбора показателя оценки качества выполнения данным экипажем полётного задания положены неформальные процедуры.
В отличие от указанного подхода выберем показатель оценки качества выполнения полётного задания исходя из выявленных взаимосвязей показателей качества выполнения полётного задания, складывающихся опасных ситуаций, психофизиологических и ремнантно-функциональных особенностей двухчленных экипажей.
Качество выполнения задачи полета оценим функционалом Б, представляющим собой меру близости действительной программы полета У(1;) к заданной программе Х(1;) в дискретной форме, пригодной для программирования, имеет вид
(У]' - Х. )2 Л
Г
(7)
где У]- - фазовые координаты программы полёта летательного аппарата; Хц - фазовые координаты заданной программы полета (центрирующий параметр функционала); Гр - фазовые координаты области назначенных ограничений (нормирующий параметр функционала); {/'} - 1, 2, ..., т
- координаты фазового пространства; {'} - 1, 2, . . . п - дискретные значения заданного времени
полета летательного аппарата; - коэффициент, учитывающий относительную меру трудности
управления]-й фазовой координатой воздушного судна (полет на одном из двух двигателей и т.п.).
Безопасность полета вдоль программной траектории Х(1) в терминах установленных ограничений г@), наложенных на область О, определяем функционалом *, оценивающим суммарное время движения воздушного судна по безопасной траектории У(1;) в дискретной форме
' •= Г П Ьг (8)
п ) г=1
1 если |У1. - Хц | < Г1. А |У 2. - Х2г | < Г2г А ■ ■ ■ А |Утг - Хтг | < Гтг ,
0, если |у 1. - Х1. I > Г1. V IУ2. - Х2.1 > Г2г V ■ V IУт. - Х т. I > Гтг ,
где А и V - символы логических операций конъюнкции и дизъюнкции соответственно.
*
Недостаток критерия I в зависимости получаемых оценок от величины назначенных ограничений. Соединение достоинств критериев 5 и I и исключение недостатков, присущих каждому в отдельности, состоит в одновременном их использовании.
Точка с координатами (^ =1, 5=5кр) имеет особое значение. Она определяет максимально допустимую оценку интегрального критерия Бкр, характеризующего точность выполнения задачи полета, при которой еще обеспечивается "абсолютная" безопасность полета в терминах
*
назначенных ограничений, т.е. I =1. Построив по результатам экспериментальных исследований эмпирическую зависимость в виде полинома
т
5 = ЕМ')', (9)
'=0
в котором Ь - коэффициенты; ' - степень полинома, и подставив в нее I* = 1, получим критериальную оценку, которую можно использовать на этапах переучивания на новый тип воздушного судна и поддержания приобретенных навыков при летной эксплуатации воздушного судна.
Абсолютным порогом сенсомоторного аппарата пилота епо ] -й фазовой координате, индуцируемой средствами отображения информации, назовем то ее наименьшее отклонение от программного значения у{ шп, при достижении которого пилот прилагает осознанное и целеустремленное управляющее воздействие на командные органы управления для уменьшения возникшего отклонения.
В качестве статистической оценки абсолютного порога по 7 -й координате примем
1 . ш
к =1 2 .„, р, (10)
*' = Р1
р к-1
Г
V 1 У
где укт1п - наименьшее отклонение 7 -й координаты при вмешательстве пилота; р - количество вмешательств пилота в управлении; г7 - допустимое отклонение траектории полета.
При непрерывном управлении связь между воспринимаемой человеком информацией, т.е. входным сигналом х, и его моторными действиями, т.е. выходным сигналом у, описывается системой линейных дифференциальных уравнений. Используем вид передаточных функций приведенных в теории автоматического управления.
ке ~Тр (Тф р +1)
Ж (р) =-----------------——, (11)
(Тиар + 1)(Тимр +1)’ ' ;
где Тф - коэффициент форсирующего звена; Тио - коэффициент интегрирующего звена, обусловленного инертностью отработки человеком входной информации и принятия решения; Тим - коэффициент интегрирующего звена, обусловленного нервно-мускульной задержкой человека; г - чистое латентное запаздывание, определяемое тренированностью человека оператора.
На основе параметров передаточной функции значение функционала е оцениваем путём агрегации (свёртки) ряда частных оценок, представленных линейной зависимостью
т ____
е(Т) = ^,Т, , (12)
7=1
где jj - весовой коэффициент 7 -го показателя качества; Т] - нормированное значение 7 -го показателя качества; 7 =1, 2, ... т - номер показателя качества.
у*
Соотношение между критериями точности Т] и безопасности полёта е] , используя гипотезу, выраженную уравнением (6), имеет вид
т т
3 = !Д(' •)'+!Д(е_,)' (13)
'=0 '=0
где - критериальный показатель качества выполнения пилотажной задачи 7 -м экипажем; Ь , Д - коэффициенты полинома; ' - степень полинома; 7 - номер (тип) экипажа.
Рациональный выбор экипажа по принятому показателю качества осуществляется при решении уравнения вида
тах и{ х, г • (В), е(р, Тф, т„ , т„„ , г)} . (14)
г*еТ5, ееЕ3
При этом область ограничений имеет вид
0 < Ех <l, р(г1; < е <л?) , (15)
где а - доверительная вероятность поведения экипажа в определённых полётных ситуациях (а=0,975); Ех - функции связей параметров экипажей (совместимость); ^ , Л~+' - допустимые отклонения функций связи Ех [0,7, 1,0].
Совместимость экипажей определяем по методу разделения дисперсий [Моудер Дж. Исследование операций. Модели применения] при оценке параметров передаточной функции человека-оператора, пилотов PF и PNF, относительно их стабильности при работе в составе экипажа.
Для решений уравнений (14), (15) необходимо воспользоваться методами нелинейного программирования, учитывая, что отдельные параметры описываются с помощью случайных величин, то наиболее удобным методом является стохастическое программирование.
В данной постановке максимизирование представляет собой математическое описание связей между показателями качества операторской деятельности экипажей в различных ситуациях полёта и критериями эффективности их деятельности, меры близости действительной траектории полёта к заданной траектории и относительного времени пребывания воздушного судна в области допустимых отклонений, в алгоритме решения оптимизационной задачи стохастического программирования (проверка гипотезы о статистической достоверности модели по F-критерию при уровне значимости не более 0,05).
В целях решения оптимизационной задачи в среде Excel (Microsoft Office 2008) создан интерфейс, содержащий базу данных и базу знаний по оценкам экипажей.
По результатам оценок величин дисперсии функции связей параметров экипажей: "командир воздушного судна (PF) - второй пилот (PNF)" по авиакомпании ОАО "Аэрофлот - Российские авиалинии" и воздушного судна Airbus A321-200 выделено четыре возможные группы сочетаний экипажей. Группы содержат различное количество командиров и вторых пилотов: командиры входят в группы без повторений, вторые пилоты входят в группы с повторениями. Далее представлены результаты для группы одного командира (PF) и 12 вторых пилотов (PNF) (табл. 1).
Таблица 1
Параметры модели состава экипажа
Экипаж (PF - PNF) Коэффициенты модели (катастрофическая ситуация)
UPF/PNF b00 PvfpF + b20ePF + b30tPFePF UPNF /PF = b11 b01tPNF + b02ePNF + b03tPNFePNF
З00 З10 З20 З30 P11 З01 З02 З03
1-1 4,892 2,874 1,02 0,25 4,567 2,654 0,87 0,21
1-2 4,367 2,654 0,87 0,21 3,778 2,134 0,43 0,16
1-3 4,592 2,874 1,02 0,23 3,911 2,328 0,57 0,19
1-4 4,567 2,654 1,37 0,41 3,978 2,134 1,23 0,17
1-5 4,892 2,874 1,42 0,55 4,211 2,328 1,27 0,21
1-6 3,978 2,134 0,43 0,17 3,654 1,875 0,34 0,13
1-7 4,211 2,328 0,57 0,21 3,741 1,986 0,37 0,14
1-8 3,778 2,134 0,43 0,16 3,654 1,875 0,64 0,13
1-9 3,911 2,328 0,57 0,19 3,741 1,986 0,87 0,14
1-10 3,741 1,986 0,87 0,14 3,741 1,986 0,87 0,14
1-11 3,543 1,367 0,35 0,13 3,978 2,134 1,23 0,17
1-12 3,654 1,875 0,64 0,13 4,692 2,574 1,22 0,25
Оценки качества деятельности пилотов и экипажа в целом формируются в два этапа: при тренажерной подготовке и летной подготовке и оформляются в виде заполненных бланков отдельно по командирам и вторым пилотам и совместно по экипажам.
Тренажерная подготовка осуществляется по программе, которая предусматривает определенное количество сессий, и имеет целью - достижение требуемого уровня по следующим параметрам:
- пилотирование воздушного судна с дисплейной индикацией: прямая индикация пространственного положения самолета, переключение дисплеев, использование резервной индикации пространственного положения;
- пилотирование с правого кресла пилотской кабины: распределение внимания, использование оборудования с правого кресла, ручное и автоматическое пилотирование;
- взаимодействие в двухчленном экипаже: распределение обязанностей PF/PNF, обязанности пилотов, стандартные команды, контроль и перекрестный контроль, выполнение SOP;
- пилотирование современных реактивных самолетов: понимание инерции, замедления, зависимости скорости от траектории полета, необходимость стабилизации, важность предварительной установки тяги, навыки использования FBW, навыки пилотирования по ППП, пилотирование по приборам на больших скоростях.
Каждая сессия начинается с брифинга и заканчивается дебрифингом. На каждой сессии во время проведения брифинга и дебрифинга осуществляется обсуждение взаимодействия в экипаже, и проводиться оценка совместимости экипажа со стороны инструктора. Каждый тренируемый одну часть тренируется как пилотирующий пилот PF, вторую часть как непилотируемый пилот PNF.
Летная подготовка осуществляется по программе, включающей видео и компьютерное базовое обучение, включая быстрый английский язык авиационных команд, полеты на самолете-тренажере с инструктором, полеты на самолете-тренажере в составе экипажа с инструктором, и имеет целью обучить экипаж системному подходу к инструкциям, приобретению и закреплению навыков подготовки и пилотирования воздушного судна, действиям в особых ситуациях полета и взаимодействия в экипаже. По результатам полетов на самолете-тренажере определяем оценку качества пилотирования t*, приведенную оценку психофизиологической напряженности пилотов и экипажа e и приведенную оценку экономичности S*.
Политика подготовки действий двухчленного экипажа в особых ситуациях полета заключается в следующем: отрабатываются до автоматизма действия в особых ситуациях, которые по количеству не превышают трех действий (для воздушного судна А-320 - это семь особых ситуаций), особые ситуации, которые требуют более трех действий, парируются путем использования таблиц команд; легенд; перечня действий, представляемых бортовой системой и т.п., что позволяет исключить ошибочные авторитарные действия члена экипажа, поскольку они совместно практически заново выполняют действия, контролируя друг друга.
Сформированная общая оценка эффективности действий на основе вычисленных показателей является критерием оценивания пилота.
Рациональное формирование двучленного экипажа осуществляем на основе решений уравнения вида
max usj {k0 - k1UPF k2UPNF + k3Upf Upnf } (16)
ФPF, ^NFgES
При этом область ограничений имеет вид
0 < T < 1 P(hi < Es <hi) > at, (17)
где USj - критериальный показатель качества выполнения задачи j -м экипажем; k0, k1, к2, k4 -коэффициенты полинома, отражающие взаимовлияние пилотов в экипаже.
Физический смысл максимизации величины показателя заключается в том, чтобы не допустить формирование и выпуск в полет экипаж, обладающий наихудшими свойствами относительно парирования возможных опасных ситуаций полета.
На основе выбранного критерия и с учетом алгоритма выбора экипажа разработанная методика позволяет:
- обеспечить заданный уровень безопасности полётов;
- уменьшить психологическую напряжённость в экипажах;
- оценить взаимное влияние программ подготовки на психофизиологическое состояние экипажей.
В соответствии с изложенным проведены оценки совместимости экипажей, психофизиологических характеристик пилотов при работе в совместимом экипаже и качества выполнения экипажем задач полёта относительно величины опасности ситуаций полета. Оценки проводились относительно экипажей конкретной российской авиакомпании с количеством воздушных судов с двухчленным экипажем более 30. Далее представлены результаты относительно одного
командира воздушного судна (РБ/КВС/) и 12 вторых пилотов (Р^Б/ВШ) (табл. 2, 3) при возникновении катастрофической ситуации в полете.
Таблица 2
Параметры модели состава экипажа
Экипаж (РЕ/РОТ) Коэффициенты модели
ирр /РЫК Д00 Д10р + Д20Єрр + Д0^ррЄрр ирж /РЕ Д1 Д01^рШ + Д02Єрт + Ав^рм^рм^
Зоо Д10 Д20 Д30 З11 Д01 Д02 Д03
1-1 4,892 2,874 1,02 0,25 4,567 2,654 0,87 0,21
1-2 4,367 2,654 0,87 0,21 3,778 2,134 0,43 0,16
1-3 4,592 2,874 1,02 0,23 3,911 2,328 0,57 0,19
1-4 4,567 2,654 1,37 0,41 3,978 2,134 1,23 0,17
1-5 4,892 2,874 1,42 0,55 4,211 2,328 1,27 0,21
1-6 3,978 2,134 0,43 0,17 3,654 1,875 0,34 0,13
1-7 4,211 2,328 0,57 0,21 3,741 1,986 0,37 0,14
1-8 3,778 2,134 0,43 0,16 3,654 1,875 0,64 0,13
1-9 3,911 2,328 0,57 0,19 3,741 1,986 0,87 0,14
1-10 3,741 1,986 0,87 0,14 3,741 1,986 0,87 0,14
1-11 3,543 1,367 0,35 0,13 3,978 2,134 1,23 0,17
1-12 3,654 1,875 0,64 0,13 4,692 2,574 1,22 0,25
Таблица 3
Результаты моделирования эффективности принятия решения на выбор экипажа
Экипаж РЕ - РЫК Оценка критерия (катастрофическая ситуация)
к0 к2иРЫЕ к^Рр- Цшр и
1-1 5,236 1,12 0,72 1,97 15,54
1-2 4,987 1,17 0,69 2,03 11,96
1-3 5,134 1,15 0,71 2,35 14,31
1-4 5,765 1,24 0,76 1,92 14,08
1-5 5,124 1,16 0,84 1,98 15,08
1-6 5,679 1,08 0,82 2,05 12,71
1-7 4,789 1,23 0,72 2,12 12,55
1-8 4,985 1,18 0,67 2,25 12,60
1-9 5,234 1,19 0,97 1,86 10,17
1-10 4,768 1,28 0,73 2,67 15,15
1-11 4,987 1,36 0,76 2,23 14,50
1-12 5,345 1,32 0,82 2,08 14,28
Результаты оценки качества выполнения полетного задания совместным экипажем относительно первого командира воздушного судна при возникновении катастрофической ситуации свидетельствуют о том, что наиболее благоприятный состав экипажа РБ №1 и РОТ1 №1 или Р№ № 10.
Выводы
1. Оценки качества деятельности пилотов и экипажа в целом формируются в два этапа: при тренажерной подготовке и летной подготовке и оформляются в виде заполненных бланков отдельно по командирам и вторым пилотам и совместно по экипажам.
2. В результате решения сформированной оптимизационной задачи установлено, что наилучшее качество по безопасности рейса достигается при условии соответствия значений обобщенного функционала характеристикам экипажа требуемой качественной формализованной характеристике действий двухчленного экипажа в особых ситуациях полета.
3. На основе критерия качества представляющего собой свертку частных оценок качества пилотирования, экономичности управления движений ручки управления и психофизиологической напряженностью и с учетом алгоритма выбора экипажа разработана методика, которая позволяет:
- обеспечить заданный уровень безопасности полётов;
- уменьшить психологическую напряжённость в экипажах;
- оценить взаимное влияние программ подготовки на психофизиологическое состояние экипажей.
ЛИТЕРАТУРА
1. Труды общества независимых расследователей авиационных происшествий. - М.: МАК, 2009. - Вып. № 21.
2. Пономоренко А.В., Василец В.М. и др. Интеллектуальные интерактивные учебно-тренировочные комплексы. - М.: Филиал Воениздат, 2006.
3. Программа дополнительной подготовки пилотов для переучивания на ВС А-320. - М.: УЛСРМТ РФ ОАО "Аэрофлот - Российские авиалинии", 2008.
4. Терешкин А.А., Богуля А.С. Методология нормирования качества выполнения пилотажной задачи в целях обеспечения безопасности полётов // Проблемы безопасности полётов. - М.: ВИНИТИ, 1995. - № 11. - С. 26-34.
ESTIMATION OF QUALITY OF PERFORMANCE BY CREW FROM TWO PILOTS OF FLIGHT TASKS
Musin S.M., Chupinin V.N.
In clause the mathematical model of decision-making on a choice of crew from two pilots for performance of flight tasks which represents the mathematical description of communications between parameters of quality of camera activity of crews in various situations of flight and criteria of efficiency of their activity in algorithm of the decision optimum problems of stochastic programming is described.
Key words: flight, activity of crews, mathematical model, optimization.
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.
