Квалиметрический метод рационального формирования двухчленного экипажа воздушного судна

На правах рукописи

Чупинин Виталий николаевич

Квалиметрический метод рационального формирования двухчленного экипажа воздушного судна

Специальности: 05.22.14 – Эксплуатация воздушного транспорта

05.26.02 – Безопасность в чрезвычайных ситуациях (воздушный транспорт)

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени

кандидата технических наук

Москва – 2012

Работа выполнена в Научном исследовательском центре эксплуатации и ремонта авиационной техники (г.Люберцы) «4 Центрального научно-исследовательского института Минобороны России» (НИЦ ЭРАТ (г. Люберцы) «4 ЦНИИ Минобороны России»)

Научный руководитель: доктор технических наук, профессор

Мусин Сергей Миргасович

старший  научный  сотрудник  НИЦ ЭРАТ (г. Люберцы) «4 ЦНИИ Минобороны России»

Научный консультант: доктор физико-математическийх наук

Сиротин Андрей Николаевич

профессор кафедры ФГБОУ ВПО «Московский авиационный институт (национальный исследовательский университет) (МАИ (НИУ))

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор

Левин Александр Владимирович

Заместитель генерального директора по науке ОАО «АКБ «Якорь» - Концерн «Авиационное оборудование» - Холдинг ГК «Ростехнологии»

кандидат технических наук, доцент

Серебряков Евгений Иванович

главный научный сотрудник ЗАО Научно-производственное предприятие «ИДС Маяк» (НПП «ИДС Маяк»)

Ведущая организация: ФГБОУ ВПО «Санкт-Петербургский Государственный

Университет Гражданской авиации» (СПбГУ ГА)

Защита диссертации состоится «____» ___________ 2012 года в 15-00 часов на заседании диссертационного совета Д 315.002.01 при Государственном научно-исследовательском институте гражданской авиации (ФГУП ГосНИИГА) по адресу: 125438, г. Москва, ул. Михалковская, д. 67, корп. 1.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ГосНИИГА

Отзыв на автореферат в двух экземплярах с подписью составителя, заверенный печатью организации, просим направлять в адрес диссертационного совета

Автореферат разослан «___» _________ 2012 г.

Ученый секретарь диссертационного совета Д 315.002.01

кандидат технических наук

А.Е. Байков

______________________________________________________________

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Проблема «человеческого фактора», в терминологии ИКАО «ошибка человека», является ключевой в современной авиационной аварийности. Мировое авиационное сообщество вкладывает значительные материальные затраты в исследования в области «человеческого фактора», однако до настоящего времени проблема не может считаться исчерпанной. Методы проектирования и изготовления авиационной техники с учетом возможностей человека, отбора и обучения летного персонала, психологических аспектов комплектования экипажей, социальных проблем деятельности летного состава либо не достаточно изучены, либо плохо внедряются.

По данным ИКАО каждое третье происшествие из четырех является «результатом сбоя в работоспособности человека». Отечественные данные свидетельствуют, что доля авиационных событий, имеющих одним из факторов ошибку экипажа, составляет 60…80% от общего их числа.

Из всех существующих категорий авиационных специалистов наибольшая заинтересованность в благополучном завершении полета, безусловно, принадлежит летному экипажу. Именно экипаж подвергается непосредственной угрозе жизни, несет моральную и юридическую ответственность за исход полета, испытывает целый ряд социальных последствий происшествия, зачастую радикально меняющих их дальнейшую жизнь.

Проблема ошибок экипажа изучается на теоретическом и практическом уровне специалистами разных направлений и уровня подготовки: В.А. Пономоренко, Р.А. Теймуразов, В.Е. Овчаров, А.В. Ефремов, Г.П. Шибанов и др. Результаты исследований указанных ученых соотносятся с действиями и состоянием экипажа с психологическими характеристиками его членов и их психологической совместимости. Работы А.Г. Гузия, Б.А.Зубкова и др. посвящены методологическим вопросам оценки и управлению рисками выхода параметров полета за эксплуатационные ограничения, которое рассматривается как инструмент обеспечения безопасности полетов.

В отечественной практике применение гражданских воздушных судов с двух членным экипажем осуществлялось только на малых самолетах типа АН-2, АН-3 (12 пассажиров) АН-14, Л-410 и др. общей вместимостью пассажиров до 20 человек. Начиная с 2000 г. в России активно стали применяться пассажирские воздушные суда типа А-320, А-330, Боинг-737, Боинг-767 и др. с двухчленным экипажем вместимостью более 100 пассажиров, что привело к росту общего количества авиационных событий: 9 в 2000 году и 26 в 2008 году за счет увеличения числа ошибочных действий двухчленными экипажами.

Эксплуатация многодвигательных воздушных судов двухчленным экипажем имеет определенную особенность, определяемую невозможностью иметь суждения для мажоритарного принятия решения при потере пространственной ориентации командиром экипажа или его неправильных действиях при парировании особых ситуаций полета. Благополучное завершение полета зависит от слаженности экипажа и его общего психофизического состояния, нацеленного на правильное парирование особых ситуаций.

Исследования в области системного анализа деятельности человека в системах «человек – техника» показывает, что одним из путей повышения эффективности действий экипажа в особых ситуациях является широкое использование методов квалиметрии при выборе экипажа с учетом его ремнантно-функциональных особенностей - неоднозначностью ответной реакции пилота на особые ситуации полета.

Для рационального формирования двухчленного экипажа необходима количественная оценка пилотов по реализации каждой из выполняемых задач. Исходя из принципа инженерной психологии, что высококвалифицированный человек-оператор действует почти оптимальным образом при решении задачи управления с учетом своих ограничений и своего уровня понимания задач, количественная оценка может быть выполнена на основе реализации четырех последовательных этапов.

На первом этапе предполагается:

получение системы математических выражений, устанавливающих взаимосвязь между ремнантно-функциональными особенностями пилота и воспринимаемой им информацией;

анализ основных характеристик пилота как элемента системы «человек – воздушное судно»;

выбор основных показателей, от которых в существенной мере зависит эффективность функционирования экипажа.

На втором этапе дается математическое описание влияния на деятельность пилота:

внешней среды (перегрузки, ускорения, скоростные изменения пространственного положения и т.д.);

его морального состояния;

дефицита времени;

ограничений, определяемых особенностями авиационной техники.

На третьем этапе осуществляется математическое описание реализуемых пилотом процессов информационного поиска, переработки информации, принятия решения и формирования управляющих воздействий в различных режимах полета. Определяется целевая функция квалиметрической оценки пилота.

Четвертый этап состоит в использовании полученных на предыдущих этапах математических выражений и моделей для непосредственного выбора экипажа, позволяющего сохранять высокий уровень безопасности полета в особых ситуациях.

Целью исследования в данной диссертационной работе является: повышение безопасности полетов воздушных судов с двухчленным экипажем за счёт его рационального формирования на основе учета ремнантно-функциональных связей.

Исходя из поставленной цели, в диссертационной работе решены следующие основные задачи:

• разработана математическая модель эвристической оценки инженерно-психологических качеств экипажей;
• разработана методика выбора двухчленного экипажа.

Основные задачи диссертационной работы решались с использованием методов квалиметрии и теории ремнантно-функциональных связей в области психологии. При решении частных задач использованы методы математического моделирования, физического и факторного эксперимента, математической логики и статистики, теории оптимизации. Исследование эффективности предлагаемых алгоритмов осуществлялось с использованием современных цифровых вычислительных машин класса ПЭВМ. В качестве объекта исследования выбраны экипажи ОАО «Аэрофлот - Российские авиалинии».

Научная новизна работы состоит в решении научной задачи по разработке эвристической методики формирования двухчленного экипажа на основе учета ремнантно-функциональных связей, которая содержит:

• способ формализации полетов по степени опасности, включающий обобщенную информацию о структуре и состоянию всех составных частей полета, целях функционирования, имеющихся ресурсов по управлению;
• математическую модель принятия решения по выбору экипажа;
• комплексный подход к решению задачи выбора двухчленного экипажа с использованием ремнантно-функциональных связей и теории оптимизации.

Предложенная методика позволяет достаточно объективно сформировать экипажи, не допуская в их составе негативного взаимовлияния, и снизить риск авторитарного субъективизма.

Основные научные результаты реализованы при разработке:

«Программы дополнительной подготовки пилотов для переучивания на воздушное судно А-320», которая применяется в ОАО «Аэрофлот – Российские авиалинии».

методических рекомендаций по разработке интеллектуальных обучающих систем с автоматизированным контролем уровня обученности специалистов по авиационной эргономике (НИЦ АКМ и ВЭ);

методики рационального формирования двухчленного экипажа воздушного судна (ОАО «Аэрофлот – Российские авиалинии», СБП ВВС РФ).

На защиту выносятся:

1 Математическая модель прогнозируемой оценки качества выполнения экипажем задач полёта.

2 Квалиметрической метод оценки пилотов в рамках концепции оптимизации работы экипажа.

3 Методика рационального формирования двухчленного экипажа воздушного судна.

4 Рекомендации по применению квалиметрической методики рационального формирования двухчленного экипажа воздушного судна.

Достоверность результатов определяется использованием положений теории квалиметрии и исследования операций, теории управляемости летательных аппаратов, теории случайных процессов, теории вероятности, анализом влияния наиболее существенных факторов на исследуемые процессы, достаточно высокой согласованностью мнений экспертов при оценке используемых показателей и подтверждается сходимостью результатов решения рассматриваемой задачи с практикой применения в условиях резкого увеличения загруженности экипажей в авиакомпании «Аэрофлот - Российские авиалинии».

Практическая ценность работы состоит в том, что разработанная методика позволяет формировать программы переподготовки пилотов с учетом их психико-физиологических особенностей работы в составе двухчленного экипажа, осуществлять выбор состава экипажей, где максимально снижен риск негативного взаимовлияния командира воздушного судна и второго пилота, что позволяет обеспечить высокую безопасность полета.

Реализация результатов исследования. Основные научно-методические разработки внедрены в ОАО «Вологодское авиапредприятие», ОАО «Аэрофлот – Российские авиалинии», ФГУ «13 ГНИИ Минобороны России», «4 ЦНИИ Минобороны России» и в Службе безопасности полетов авиации Вооруженных сил Российской Федерации.

Апробация. Основные положения и результаты проведенных исследований докладывались и обсуждались на научно-технических Советах, семинарах и научно-технических конференциях в ОАО «Аэрофлот – Российские авиалинии», ФГУ «13 ГНИИ Минобороны России» (2008…2010 гг.), НИЦ ЭРАТ (г.Люберцы) «4 ЦНИИ Минобороны России» (2011 г.) на 18-й и 19-й научно-практических конференциях Общества независимых расследователей авиационных происшествий (2010 г.), ГосНИИ ГА (2010 г,) НИЦ ЭРАТ (г.Люберцы) «4 ЦНИИ Минобороны России» (2011 г.).

Публикации. Основное содержание диссертации изложено в 2 отчетах о НИР, 2 методических рекомендациях и 7 статьях.

Структура и объем работы. Диссертация изложена на 135 страницах машинописного текста и состоит из введения, трех глав с выводами, выводов по работе, списка использованной литературы. Диссертация иллюстрирована 15 рисунками и 5 таблицами.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении подчеркнута актуальность работы, дана её общая характеристика, определены объект и предмет исследования.

В первой главе рассматриваются современные требования к подготовке летного состава в области CRM&ЧФ, существующие методы инженерно-психологической оценки качества выполнения экипажем задач полета при особых ситуациях. В авиации понятие «особая ситуация» (ОС), определяется как ситуация, складывающаяся в результате возникновения неблагоприятных факторов. По степени опасности ОС разделяются на следующие: усложненные ситуации; сложные (опасные) ситуации; аварийные ситуации; катастрофические ситуации.

Установлено, методология выбора двухчленного экипажа воздушного судна недостаточно разработана, имеет ряд существенных недостатков, что снижает безопасность полётов, вплоть до авиационных катастроф. Анализ существующих методов указывает на необходимость применения современных математических и эвристических подходов и методов. Предлагается новый подход к решению указанной актуальной задачи, основанной на использовании методов квалиметрии. Сформулирована задача исследований и выбран, в качестве основного, алгоритм квалиметрической оптимизации.

Приведены условия, при которых задачу рационального формирования двухчленного экипажа целесообразно рассматривать как иерархическую многоуровневую, а именно:

в указанной постановке обеспечивается компромисс между простотой описания и необходимостью учета многочисленных поведенческих характеристик деятельности пилота при многоканальном управлении воздушным судном;

положения теории позволяют выбрать интегральный критерий оценки успешного выполнения экипажем задач полета;

обоснованно применить эвристические процедуры квалиметрической оценки деятельности экипажа;

применить метод стратификации ремнантно-функциональных особенностей экипажа;

рассматривать задачу как оптимизационную;

решить задачу в условиях конфиденциальности мероприятий и результатов с соблюдением морально-этических норм.

Показано, что методология выбора двухчленного экипажа воздушного судна недостаточно разработана, имеет ряд существенных недостатков, что снижает безопасность полетов, вплоть до авиационных происшествий. Существенным недостатком методологии подготовки и переучивания пилотов является выраженное авторитарное управление в организационном поведении целеавтономной системы автократического типа, а существующие методики и модели деятельности летных экипажей рассматриваются без учета их ремнантно -функциональных связей.

Рассматриваемый квалиметрический метод рационального формирования экипажа на основе оценки подготовленности экипажа с учетом индивидных ремнантно-функциональных связей, обладая высокой степенью обобщения, позволяет рационально с точки зрения безопасности полетов проводить комплектование экипажей в авиакомпаниях

Вторая глава посвящена созданию методики квалиметрического выбора двухчленного экипажа. На основе единичной совокупности показателей качества операторской деятельности экипажей в различных ситуациях полёта, критериями эффективности их деятельности определена минимальная совокупность свойств, составляющих пространство моделей оценки качества выполнения экипажем задач рейса.

Цели функционирования системы летной подготовки экипажей представляем в виде набора последовательностей состояний модели (иерархической модели), ведущих к поставленным целям. Информационный образ ситуации осуществляется путем сжатия информации о фактических состояниях авиационных комплексов Сф, целям его предназначения (целевых состояниях Сц) и имеющихся ресурсах по управлению Rу: . Имеющийся в ситуации ресурс по управлению расходуется на выработку и реализацию двух составных частей общего управления W(t), а именно управление по достижению целей и управление по обеспечению безопасности.

(1)

где и - коэффициенты, зависящие от степени опасности ситуации и характеризующие долю ресурсов, расходуемых на данный вид управления ( - показатель экономичности, - показатель колебательности).

Соотношение коэффициентов и 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 выразим в виде логического уравнения:

, (2)

где - событие рассматриваемого функционального отказа,

- катастрофическое событие из множества катастрофических событий,

- цепь событий (сочетание дополнительных событий), «достраивающая» событие до события .

, (3)

где события из множеств соответственно, т.е. функциональные отказы или их сочетания, значения параметров области ограничений эксплуатации ВС, ошибки экипажа, которые совместно с приводят к .