Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1. Подготовка летчиков к заходу на посадку с самостоятельным подбором с воздуха в подразделениях армейской авиации и формулировка задачи исследования 25
1.1. Обоснование актуальности проблемы обучения летчиков армейской авиации заходу на посадку на площадку вне аэродрома 25
1.2. Особенности профессиональной подготовки операторов в процессе обучения управлению техническими системами 38
1.3. Формирование процесса профессиональной подготовки пилотов вертолетов при заходе на посадку с учетом неопределенности информации опредлагаеемой ситуации 46
1.4 Возможные пути повышения эффективности обучения летчиков армейской авиации заходу на посадку на площадку вне аэродрома 55
ГЛАВА 2. Анализ математических моделей, применяемых для описания процесса обучения операторов по управлению системами «человек – машина». проверка гипотезы о нахождении летчика в ассоциативной фазе обучения 59
2.1. Классификация систем «человек – машина» и задачи моделирования деятельности человека-оператора, применяемые для их описания 59
2.2. Методы и математические модели, применяемые для описания процессов обучения операторов по управлению системами «человек – машина» 64
2.3. Обоснование выбора математической модели Бэйеса 81
2.4. Проверка гипотезы о нахождении летчика в ассоциативной фазе обучения в момент прохождения программы подготовки к полетам на площадку с самостоятельным подбором с воздуха 83
ГЛАВА 3. Метод формирования полноты (достаточности) предъявляемой пилоту приборной и иной информации в условиях неопределнности внешней среды 99
3.1. Формирование определения параметров предъявляемой пилоту приборной и иной информации 99
3.2. Алгоритм расчета количества принимаемой летчиком информаци 105
3.3. Метод поиска способов повышения количества воспринимаемой полезной для пилота приборной информации необходимой для безопасной посадки 109
3.4.Метод формирования полноты (достаточности) предъявляемой пилоту
приборной и иной информации с учетом особенностей
информационного канала связи «летчик – внешняя среда» 113
ГЛАВА 4. Методика обучения летчиков в реальных полетах на вертолетах заходу на посадку вне аэродрома на основе метода определения степени полноты предъявляемой пилоту информации 117
4.1. Методика обучения, основанная на методе формирования полноты (достаточности) предъявляемой пилоту информации 117
4.2. Экспериментальная проверка влияния методики на эффективность и надежность обучения летного состава, обработка результатов эксперимента 119
4.3. Обсуждение полученных результатов 131
Заключение 133
Список сокращений и условных обозначений 135
Список литературы
- Особенности профессиональной подготовки операторов в процессе обучения управлению техническими системами
- Методы и математические модели, применяемые для описания процессов обучения операторов по управлению системами «человек – машина»
- Алгоритм расчета количества принимаемой летчиком информаци
- Экспериментальная проверка влияния методики на эффективность и надежность обучения летного состава, обработка результатов эксперимента
Особенности профессиональной подготовки операторов в процессе обучения управлению техническими системами
Анализ литературы и документов, регламентирующих летную работу. В КБП АА-2012 сформирован порядок прохождения ЭВЛП, определен объем, содержание и последовательность подготовки летного состава. При подготовке начинающего командира вертолета к полетам на ПСПВ программой обучения, входящей в курс подготовки пилотов, предусмотрено выполнение 60 полетов. В них пилот должен отработать и закрепить навыки при выполнении соответствующего этапа полета. В их число входят полеты на висение, по кругу, в зону на простой пилотаж, на пилотаж на ПМВ, на площадку ограниченных размеров вне аэродрома, по приборам под шторкой с заходом на посадку с применением посадочных систем.
Для получения допуска к полетам на ПСПВ командиру вертолета необходимо выполнить один вывозной и один контрольный полет. В каждом полете произвести по две-три посадки на площадку, самостоятельно подобранную с воздуха [52, 65]. Решением командира подразделения, с учетом индивидуальных особенностей летчика, допускается изменение полетных заданий в сторону упрощения, а количество планируемых полетов в сторону увеличения [29]. Как известно, для захода на посадку на ПСПВ необходимо владеть четырьмя способами захода. К ним относятся: заход двумя разворотами на 180 градусов, по малой «коробочке», отворотом на расчетный угол и заход стандартным разворотом. Кроме того, необходимо владеть способами построения и выдерживания глиссад с малых и предельно малых высот, а также особенностями взаимодействия экипажа в данных условиях [66, 79]. Такому широкому спектру обязательных этапов, как показывают проведенные анализ литературы и экспертный опрос, практически невозможно обучить КВ, впервые осваивающего этот вид полетов в установленные методикой сроки, хотя вывозному и контрольному полету предшествует 60 посадок по другим ЭВЛП. Данный факт ставит проблему о дальнейшем совершенствовании подготовки летного состава первых пяти лет службы в должности командира вертолета. Методическое пособие, разработанное в 344 ЦБП и ПЛС армейской авиации, составляет теоретическую основу ПП к заходу на посадку на ПСПВ. Цель пособия – основываясь на имеющемся опыте выполнения полетов на площадки ограниченных размеров вне аэродрома, представить летному составу оптимальную методику выполнения элементов полета: - подбор площадки с воздуха; - заход на посадку; - посадка и взлет с площадки, а также особенности выполнения полета: - ночью; - в условиях образования пыли; - на высокогорную площадку; - на площадку с применением ОНВ.
Если у пилота еще не сформирован алгоритм захода на посадку, а именно: порядок действий органами управления, распределение и переключение внимания на этапе снижения по глиссаде, то, как показывает статистика причин АС, летчик допускает ошибки еще до того, как переведет вертолет на снижение. В связи с этим особое внимание в методике уделено действиям экипажа на этапе захода на посадку. Также в методическом пособии обоснована эффективность эксплуатации вертолета с аэродинамической точки зрения [1, 19]. При разработке «малоскоростной» глиссады учтены все возможные факторы влияния внешней среды на ВС. Определен порядок выдерживания скоростей, рассмотрены преимущества и недостатки выдерживания тех или иных параметров, способы захода на площадку в зависимости от возможных вариантов обстановки. При расчете на посадку в связи с относительностью отсчета скорости и влиянием ветра в методике раскрыты три варианта действий летчика [30]: - параметры глиссады выдерживаются применительно к путевой скорости, угол наклона глиссады соответствует штилевому, то есть снижение начинается с удаления 1000 метров и высоты 150 метров. В этом случае после вывода из четвертого разворота летчик сравнивает путевую и воздушную скорости (по показаниям ДИСС и УС), увеличивает воздушную скорость на величину разности их показаний (скорость ветра) и контролирует ее уменьшение до воздушной скорости 50 км/ч по указателю воздушной скорости, далее – по показаниям ДИСС; - параметры глиссады выдерживаются относительно воздушной скорости, угол наклона глиссады соответствует штилевому. В этом случае существует следующая зависимость: чем больше скорость ветра, тем путевая скорость будет меньше, следовательно, увеличится время полета по глиссаде, уменьшится вертикальная скорость снижения. Это можно использовать, например, при ограниченной видимости, а также при необходимости более продолжительного осмотра подходов к площадке и места приземления, а также при заходе на площадку с максимальной взлетной массой (на высокогорную площадку). Это возможно, поскольку медленный темп гашения скорости дает возможность раньше определить подход к критической скорости и предпринять соответствующие меры. При этом нужно иметь в виду, что с определенной высоты необходимо выдерживать минимально необходимую путевую скорость полета (приближения к месту посадки), контролируя ее по ДИСС или «набеганию» земли; - параметры глиссады выдерживаются относительно воздушной скорости, а вертикальная скорость снижения (время снижения) по глиссаде соответствует штилевым значениям. С увеличением скорости ветра ТНС должна приближаться к ЗТЗ. Это можно использовать при больших углах закрытия местности, ночью при необходимости отыскания площадки с помощью прожектора, или при необходимости максимально ограничить пространство маневра из тактических соображений. В этом случае заход на посадку строится таким образом, чтобы выход из четвертого разворота произошел в ТНС. При этом, как и во втором варианте действий, с определенной высоты нужно выдерживать минимально необходимую путевую скорость полета, контролируя ее по ДИСС или «набеганию» земли. Необходимо иметь в виду, что максимальный угол обзора с места командира экипажа – вперед-вниз. Этот параметр определяет минимальную дальность, на которой летчик может наблюдать площадку [79].
Варианты действий летчика в системе «человек – вертолет – среда» ориентированы на подсистему «вертолет – среда», определяя, «что» и «в какой момент» необходимо сделать оператору, чтобы успешно выполнить посадку. Однако в первоначальный период ПП оператору необходимо овладеть также и действиями в подсистеме «человек – вертолет», то есть «как» необходимо взаимодействовать оператору с поступающей к нему информацией в этой подсистеме [31]. С точки зрения обработки информации для успешного захода на посадку и посадки пилоту необходимо непрерывно контролировать информацию об изменении необходимых групп параметров полета на соответствующих этапах [27]. Как известно, особенности деятельности пилота на посадке таковы, что основное внимание на первоначальном этапе ПП уделяется контролю внекабинного пространства. Однако кинорегистрация взгляда и последующий ее анализ показали, что после выполнения 30-35 полетов пилот уделяет больше внимания приборам на посадке, чем на остальных этапах полета (рисунок 1.7) [17].
Методы и математические модели, применяемые для описания процессов обучения операторов по управлению системами «человек – машина»
Алгоритм разработки метода формирования навыка по переработке информации в процессе захода на посадку. При выполнении захода на посадку летчик воздействует на два основных органа управления - общий и циклический шаг. Воспринимая информацию, поступающую от внекабинного пространства и приборов, оператор принимает решение на управляющие воздействия. Однако человек по отношению к восприятию информации одноканален и не может воспринимать всю информацию, поступающую к нему от внешних источников одновременно [65]. Пилотирование вертолетом при заходе на посадку предполагает использование ряда пилотажно-навигационных приборов и параметров, характеризующих положение ВС в пространстве, состояние его систем и силовой установки. К ним относятся воздушная и путевая скорости, обороты двигателей, вертикальная скорость снижения, тангаж, высота, обороты несущего винта, курс полета ВС. Так как в распоряжении пилота вертолета всего два основных органа управления -общий и циклический шаг, то можно сделать вывод о том, что при простых метеорологических условиях летчику достаточно двух параметров, по которым он может быть осведомлен о текущей ситуации, на один из них он может влиять общим, а на другой циклическим шагом. Всего имеется семь источников отражения текущих параметров, на пять из которых летчик может действовать общим шагом, а на три - циклическим. Разбив попарно эти источники, увидим, что посадки можно выполнять с последовательным закрытием лишней приборной информации следующим образом: первый заход с открытыми указателем скорости и высотомером, второй заход – с указателем скорости и указателем оборотов двигателей, третий – с указателем скорости и вариометром, четвертый – с авиагоризонтом (тангажем) и вариометром, пятый – с авиагоризонтом и радиовысотомером, шестой – с полностью закрытой приборной информацией, но при этом летчик-инструктор диктует по радиосвязи удаление и путевую скорость. По терминологии одноэлементной модели [7] цикл таких шести заходов назовем одной пробой. Каждая из шести посадок в пробах будет повторяться, однако очередность предъявления информации будет меняться для исключения привыкания к последовательности предъявления. Чтобы опытным путем определить параметр одноэлементной модели «с» перехода из состояния необученности в состояние обученности. необходимо выборку из обучаемых летчиков поставить в следующие условия. Каждый пилот должен выполнить десять проб, каждая из которых состоят из шести посадок, при этом по очереди им будут предъявляться разные источники информации о текущих параметрах, как было указано. Цель каждой посадки для летчика – правильное ее выполнение. Достижение или не достижение цели оценивается и фиксируется летчиком-инструктором. После выполнения всех проб результаты сводятся в матрицу, из которой считываются необходимые параметры для проведения расчетов по формулам одноэлементной модели и эмпирически с последующим построением графиков распределения. По совпадениям графиков распределения, построенным по этим расчетам, можно судить о том, находится ли оператор в АФ обучения или нет [71]. Экспериментальная проверка метода. В Восточном военном округе на базе двух частей армейской авиации был проведен эксперимент с участием сорока летчиков, не имеющих опыта полетов с командирского сиденья. Методика эксперимента состояла в следующем. После выполнения штатного полетного задания при заходе на аэродром или площадку пилоту ограничивали приборную информацию таким образом, что в его распоряжении имелись лишь два параметра. Пары параметров, именуемые в математической модели стимулами, или элементами списка пар, располагались так, что цикл посадок без повторения пар равнялся шести. Циклы, именуемые в математической модели пробами, повторялись до тех пор, пока в двух пробах подряд испытуемый летчик не выполнит все посадки безошибочно. Стимулы же меняли свой порядковый номер в каждой последующей пробе для исключения запоминания действий по распределению внимания. Пять стимулов (см. рисунки 2.4 – 2.8) предъявлялись в виде приборной информации, шестой стимул – путевая скорость и удаление воспринимались оператором на слух при Рисунок 2.4 – Стимульная пара: скорость – высота Рисунок 2.5 – Стимульная пара: скорость – обороты двигателей полностью закрытой приборной доске.
Алгоритм расчета количества принимаемой летчиком информаци
Методика обучения, основанная на методе формирования рационального предъявления пилоту информации, состоит из 12 упражнений, входящих в состав 60 полетов, предусмотренных курсом подготовки летчиков. Отметим, что предлагаемая методика не увеличивает количество полетов и время их выполнения. В процессе выполнения первых шести упражнений летчику дают возможность выполнять посадку в произвольную точку ВПП. При этом в процессе выполнения первого и второго упражнений закрывают указатель вертикальной скорости и указатель высоты (рисунок 4.1). В третьем и четвертом упражнениях закрывают только указатель высоты (рисунок 4.2). В пятом и шестом упражнениях открытыми оставляют все приборы (рисунок 4.4). С седьмого по двенадцатое упражнения летчика обязывают выполнять посадки в назначенную точку ВПП. В процессе выполнения седьмого и восьмого упражнений закрывают авиагоризонт и указатель высоты (рисунок 4.3), в девятом и десятом упражнениях закрытым оставляют только указатель высоты (рисунок 4.2), а в процессе выполнения упражнений 11 и 12 открытыми оставляют все приборы (рисунок 4.4).
Подчеркнем, что данная последовательность упражнений основана на предварительных расчетах соотношения полезной информации Т(х,у), информационного шума H(xy) и невоспринятой летчиком информации H(yx), см. формулы (3.1-3.3) и разработана на основе метода рационального предъявления информации. Такая последовательность направлена на достижение максимального значения р х Уі) - априорной вероятности успешного выполнения текущего этапа захода на посадку.
Разработанная методика использовалась для обучения летного состава войсковых частей № 42838 и № 13984. Был проведен типологический отбор по методикам [8, 53, 96], 20 летчиков-штурманов в экспериментальную группу, которые были запланированы к прохождению программы ввода в строй в качестве командиров экипажей. Они имели приблизительно одинаковый общий налет (опыт летной работы), не имели перерывов в летной работе в период последних двух лет перед обучением, разница в возрасте между самым старшим и самым младшим летчиком-штурманом составляла 2,5 года, классная квалификация в экспериментальной группе была не выше третьего класса.
Кроме того, была сформирована контрольная группа из 20 человек с учетом тех же типологических характеристик, что и экспериментальная группа, из тех же и других войсковых частей, но уже прошедших обучение заходу на посадку в соответствии с существующим курсом боевой подготовки.
После прохождения программы подготовки летчиков экспериментальной группы по разработанной методике, были проведены следующие два этапа эксперимента.
Оба этапа эксперимента проводились на аэродроме, который являлся внебазовым для летчиков обеих опытных групп. Эксперимент состоял из двух этапов. Целью первого этапа – проверка достижения уравнивания опытных групп по типологическим характеристикам. На этом этапе летчики выполняли по 10 посадок в начало ВПП после обычного полета по кругу с закрытием всех приборов, кроме указателей скорости и высоты. При этом в кабине находились опытный летчик-инструктор и экспериментатор, которые фиксировали ошибки в пилотировании при полете вертолета по глиссаде снижения и наличие или отсутствие ошибок в пилотировании. Полученные на первом этапе эксперимента данные показывают (таблица 4.1), что условия отбора летчиков по выбранным параметрам в основном обеспечили уравнивание групп по типологическим характеристикам.
На втором этапе эксперимента определялось отличие навыков летчиков справляться с усложненной ситуацией при выполнении захода на ПСПВ между пилотами, прошедшими подготовку по разработанной методике и пилотами, проходившими существующий курс обучения [52], а также проверялась гипотеза о том, что экспериментальная и контрольная группы принадлежат к одной генеральной совокупности. В процессе второго этапа эксперимента каждый летчик выполнял по 20 посадок в район, который имел три площадки, расположенные на одной линии на расстоянии 250-300 метров друг от друга (рисунок 4.5). На удалении 1500-2000 метров от района посадки пилоту указывали площадку, в которую необходимо было выполнить приземление.
Экспериментальная проверка влияния методики на эффективность и надежность обучения летного состава, обработка результатов эксперимента
В = 2,95-1,01 = 1,94, после выполнения расчетов, аналогичных расчетам по общему шагу х = 34,4%. Таким образом, среднее отличие по двум признакам между выборками составило 37%. Итак, вероятность безошибочного выхода из усложненной ситуации у летного состава экспериментальной группы на 37% выше, чем у летного состава контрольной группы, что является показателем повышения надежности обучения при использовании предложенного метода и разработанной на его основе методике (программе) обучения.
Анализ успешности обучения летчиков, прошедших программу подготовки к самостоятельному полету на ПСПВ по разработанной в диссертационной работе методике. Для анализа успешности обучения летчиков по методике, представленной в параграфе 4.1, было опрошено 15 летчиков-инструкторов (далее экспертов), проводивших второй и третий этапы эксперимента. В процессе опроса экспертам необходимо было определить количество пилотов готовых к самостоятельному вылету после прохождения программы по разработанной методике (таблица 4.7).
Эксперт n1 n2 пЗ n4 п5 пб п7 п8 п9 пЮ п11 п12 п13 п14 п15 Кол-во пилотов 14 12 14 15 17 12 14 13 16 18 19 20 11 14 15 Также экспертам были последовательно заданы вопросы (см. приложение А) для установления меры согласованности их мнений (таблица 4.8) с включением расчетов величин согласованности мнений экспертов по 11 признакам по формуле [11]: 4J к \Ljfij)) -Ijfi \Lj к г (Xjfij) где fij - число ответов о присвоении /-го места у-му признаку; к - число градаций (число мест)у-го признака. Среднее значение согласованности результатов \ij составляет 0,782. Это значит, что степень надежности расчетов имеет повышенный риск, и для уточнения достоверности полученных результатов необходимо вычислить оценку противоречивости мнения экспертов [11]. Для этого необходимо рассмотреть значения относительного числа подготовленных пилотов (таблица 4.8) Эти значения являются точечными прогнозами экспертов о готовности пилотов к самостоятельному вылету на ПСПВ. Определим точечный прогноз всей группы экспертов по формуле [11], он же является средней арифметической всех подготовленных пилотов и равен 14,93. Дисперсия точечного прогноза D(n) равна [74]: D(n) = -(0,932 + 2,932 + 0,932 + 0,072 + 2,072 + 2,932 + 0,932 + 1,932 + v 14 + 1,072 + 3,072 + 4,072 + 5,072 + 3,932 + 0,932 + 1,932) = 11,18. Оценим на противоречивость мнение эксперта п12 [11]:
По таблице коэффициентов [11] для n = 15 и = 1,516 находим 0,10. Следовательно, мнение эксперта n12 является противоречивым с вероятностью 0,05, а значит нет основания считать его мнение противоречивым. Поскольку крайний точечный прогноз (n12) оказался непротиворечивым, значит и все остальные прогнозы не имеют противоречий.
Таким образом можно сделать вывод о том, что из 20 летчиков, прошедших подготовку по методике, разработанной в диссертационной работе 14 пилотов готовы к выполнению самостоятельных полетов на ПСПВ, что составляет приблизительно 70%.
Сравнивая этот результат с результатом групповой экспертизы (приложение А), можно утверждать, что благодаря разработанной методике эффективность обучения повысилась приблизительно в 2,3 раза.
Вероятность безошибочного выхода из усложненной ситуации у летного состава экспериментальной группы на 37% выше, чем у летного состава контрольной группы, что является показателем повышения надежности обучения при использовании предложенного метода и разработанной на его основе методике (программе) обучения.
Увеличение надежности обучения летчиков можно объяснить успешным использованием модели Бейса, которая позволила выполнить расчет величины воспринимаемой летчиком информации, а также величин информационного шума и невоспринятой летчиком информации. Методом перебора различных значений величин m – (необходимое число параметров, которые должен контролировать и которыми управляет летчик, чтобы успешно выполнить заход на посадку) и k – (число параметров, которое может наблюдать летчик на данном этапе полета) удалось подобрать такое их взаимное соотношение, когда наблюдается рост воспринимаемой информации на фоне понижения величин информационного шума и невоспринятой информации. Такой результат расчета достигается при общем сокращении количества наблюдаемых летчиком параметров m при выполнении захода на посадку.
Это в свою очередь позволяет рассчитать наиболее рациональное предъявление пилоту информации в момент действия ассоциативной фазы обучения при формировании навыка [21, 39, 79]. Другими словами, до временного перехода от поля действий к пространственному полю, которое подразумевает «освобождение ресурсов внимания» оператора, и возможность критически относиться к ситуации, принимать решение и действовать, исходя из большего объема информации [21, 84].