Russian Federation
UDK 629.7.052 Бортовые системы по принципу действия
UDK 658.511.3 Анализ рабочего процесса
Human factor is a set of moral, social, psychological, physical, professional and other human qualities influencing his activity. Human factor role to provide flight safety is determined by that all processes in aviation on organization, procuring and accomplishment of flights are made by humans – aviation specialists of various profiles. Major impact on flight safety among aviation specialist goes from aviation personnel. The latter constitutes people belonging to commanding-flying, flying staff, dispatcher personnel of management service of air traffic, engineering-technical, medical personnel whose activity is directly aimed to air transportation execution. It’s evident that influence of aviapersonnel various groups on flight safety state differs and 's determined by the degree of interaction with flight execution process. Analysis of aviation severe accidents during five-year period leads to that crew wrong actions have major impact on their occurrence (about 60%). This fact finds natural explanation because namely flying personnel pursues flight direct control, and flight outcome in the situation depends on the correctness of his action. In this connection, the human factor problem namely for flying personnel and first of all for pilots has paramount importance. The realization of the ways of reducing aviation accident probability is possible on an airplane board only whiles using electronic computer which works out either management impacts or information prompt for a crew. As a result, this implies introduction and exploitation of board information-control system by a crew. It’s been less considered and generalized the human factor impact in organizational-technical and organization-economical systems of civil aviation. But it’s evident that at halting situation occurrence in any service, correct decision acceptance by a user is possible only at his information support which can be embodied in “ground” information-control system. The publication views reduction of negative impact of the human factor in civilaviation with the help of modern information-ruling systems.
human factor, information-control systems, aviation accidents, board information-control systems, flight safety, means of information support for decision making, human-operator, control object, automation of control processes, automatic control systems, equipment for flight information registration, avia enterprise, organization-technical systems, organization-economical systems
Введение
Важнейшим вопросом при разработке и эксплуатации любой технической системы (ТС) является предупреждение выхода параметров системы за эксплуатационные ограничения. Такие нарушения в функционировании ТС получили название критических режимов, предельных режимов, особых ситуаций, сбойных ситуаций и т.п.
В настоящее время ТС гражданской авиации (ГА) представляют собой эргатические системы, имеющие важнейшим составным элементом человека. В связи с этим проблема человеческого фактора в авиации приобретает первостепенное значение. Это обусловлено тем, что в авиации все процессы по организации, обеспечению и выполнению полетов осуществляются людьми – авиационными специалистами различного профиля. Человеческий фактор (ЧФ) может оказывать различное влияние на исход полета [1, 2]:
- позитивное, когда авиаспециалист успешно выполняет свои профессиональные функции и, используя опыт, профессиональное мастерство, парирует возникающие под воздействием неблагоприятных факторов опасные отклонения;
- негативное, когда в процессе трудовой деятельности авиаспециалист случайно или в силу профессиональной некомпетентности сам совершает неправильные, ошибочные действия.
Поскольку в авиации изучение ЧФ проводилось главным образом в связи с расследованием авиационных происшествий, понятие «человеческий фактор» в проблеме обеспечения безопасности полетов приобрело негативный смысл и отождествляется с отрицательными последствиями воздействия человека на исход полетов. В статье в дальнейшем понятие «ЧФ» используется для характеристик отрицательной, ошибочной деятельности авиаспециалистов, приводящей к происшествиям различного вида.
На рис. 1 показаны основные существующие методы и средства предупреждения ошибок, обусловленных ЧФ, для различных видов авиационных эргатических систем (АЭС). Настоящая статья посвящена применению технических средств обеспечения безопасности полетов. Технические средства снижения влияния ЧФ могут быть классифицированы по самым различным признакам. В настоящей статье все технические средства укрупненно разделены на две группы: без информирования пользователя («неинформационные средства»), с информированием пользователя.
На современном этапе развития техники совершенствование технических средств тесно связано с применением электронных вычислительных машин (ЭВМ) и, как следствие, созданием и использованием информационно-управляющих систем (ИУС). Данные системы содержат как управляющую компоненту, необходимую для выработки управляющих воздействий, так и информационную составляющую, предназначенную для выдачи информации человеку-оператору. Группа технических средств с информированием пользователя при использовании ИУС может быть названа средствами информационной поддержки принятия решения (СИППР).
Структура и состав «неинформационных средств» (средства обеспечения надежности, средства автоматизации и т.д.) принципиальным образом зависят от конкретного вида АЭС. Информационные же средства, в отличие от первой
группы средств, обеспечивая выдачу подсказки пользователю, строятся для каждого вида АЭС с единой целью и с единых позиций – поддержки принятия решений оператором. Действительно, в деятельности операторов АЭС всех видов есть важнейшие, характерные именно для авиационных систем процессы, в которых с наибольшей степенью проявляется человеческий фактор. Если задаться целью отыскания основного вида процесса в деятельности операторов названных систем в самых различных ситуациях, то, как показано в многочисленных исследованиях [3-6], таковым является процесс принятия решения.
Структура информационно-управляющих систем гражданской авиации
Традиционным направлением, связанным с автоматизацией процессов управления различными объектами в любых отраслях народного хозяйства, включая и в гражданской авиации, является использование автоматизированного (автоматического) управления, при котором на управляемый объект осуществляется совокупность воздействий, реализуемых техническими средствами на основе заданного набора алгоритмов. Однако внедрение автоматизированных систем управления не позволило исключить человека из контура управления, что объясняется усложнением самих объектов управления, условий их эксплуатации и, как следствие, необходимостью принятия творческих решений при отказе техники, в условиях недостаточной или неопределенной информации. Данные обстоятельства, а также широкое внедрение ЭВМ способствовали бурному развитию автоматизированных систем, выполняющих как функции управления, так и информирования человека-оператора с целью поддержки принятия им решения в различных ситуациях.
Информационно-управляющая система является связующим звеном между человеком-оператором (Ч-О), объектом управления (ОУ) (управляемой системой) и окружающей средой. При этом Ч-О инициирует управляющие воздействия (при ручном или полуавтоматическом управлении) (рис. 2а) или выполняет функции контроля (при автоматическом управлении (рис. 2б). На данном рисунке управляющие воздействия обозначены заштрихованными стрелками, информационные сигналы – стрелками без штриховки.
Характер объекта управления влечет за собой принципиальные особенности ИУС. В ГА в качестве ОУ укрупненно могут быть воздушное судно и авиапредприятие. При этом в понятие авиапредприятия входят отдельные аэропорты, агентства воздушных сообщений, авиаремонтные заводы, строительно-монтажные управления, учебные заведения, научно-исследовательские институты и т.д. Если объектом управления является ВС, то следует рассматривать бортовую информационно-управляющую систему, где в качестве Ч-О выступает экипаж. Основой бортовых ИУС в этом случае является пилотажно-навигационный комплекс воздушного судна (ВС). Рис. 2а будет соответствовать директорному или штурвальному управлению ВС, рис. 2б – управлению в автоматическом режиме. При данном объекте управления в качестве ИУС в принципе может выступать и автоматизированная система управления ВС. Однако в этом случае ВС формально рассматривается как «другой» ОУ (по сравнению с БИУС), так как
здесь анализируется иной набор переменных состояния системы, и ВС считается материальной точкой. Кроме того, управление ВС диспетчер осуществляет не непосредственно, а с помощью указаний экипажу, который уже формирует управляющие воздействия. Исследование такой двухуровневой ИУС представляется весьма затруднительным и осуществляется, как правило, отдельно на уровне «борта», т.е. БИУС, и на уровне «земли», т.е. ИУС в автоматизированной системе управления воздушным движением, где объектом управления уже будет являться информация, передаваемая диспетчером экипажу по каналу «земля-борт».
Если объектом управления является авиапредприятие, то ИУС может трансформироваться в традиционную АСУ. При этом при дальнейшей конкретизации ОУ можно выделить АСУ технологическими процессами (АСУТП) и АС организационно-экономического управления предприятием (АСУП). АСУТП и АСУП являются важнейшими компонентами интегрированной АСУ (ИАСУ).
АСУТП в авиапредприятии может функционировать как ИУС в соответствии с рис. 2а и 2б, АСУП - как правило, в соответствии с рис. 2а. В качестве Ч-О при этом является пользователь конкретной системы.
Как видно из рис. 2, независимо от вида объекта управления, совершенствование ИУС возможно по двум направлениям:
1. Формирование новых принципов (законов) управления.
2. Разработка новых методов и средств информационной поддержки принятия решения человеком.
В статье исследуются оба указанных направления применительно к БИУС, где в качестве объекта управления рассматривается самолет ГА, и второе направление для системы типа АСУП, где объектом является производственная деятельность ОАО по выполнению плана перевозок пассажиров и грузов.
Бортовые информационно-управляющие системы
Бортовая информационно-управляющая система представляет собой совокупность датчиков информации, систем обработки и отображения информации, системы управлений, предназначенных для пилотирования и навигации самолета.
БИУС является связующим звеном между экипажем, самолетом и окружающей внешней средой. В состав БИУС входит также система регистрации полетной информации, одним из назначений которой является разработка эффективных мер предотвращения авиационных происшествий [7].
Конечной задачей БИУС является обеспечение безопасного управления самолетом на различных этапах полета при действии внешних возмущений (прежде всего ветровых), возможных отказов оборудования и прочих условиях с заданной точностью, комфортностью и другими возможными критериями. Управление при этом осуществляется в реальном масштабе времени.
В зависимости от уровня автоматизации решаемых задач можно выделить следующие виды БИУС: с низким, средним и высоким уровнем автоматизации [8, 9].
БИУС самолетов нового поколения являются системами с высоким уровнем автоматизации. Возможная структура такой БИУС показана на рис. 3. Сигналы датчиков информации - чувствительных элементов (1, 2, ..., n) - поступают в бортовую цифровую вычислительную машину (БЦВМ) обработки информации. В ней осуществляется оптимальное по точности оценивание вектора состояния системы, производится контроль исправности датчиков, контроль выдерживания ограничений, формируются сигналы управления датчиками. Обработка информации поступает на систему индикации и СИППР, а также на управляющую БЦВМ, назначение которой - реализация оптимальных по заданным критериям алгоритмов управления самолетом, силовой установкой и подсистемами, входящими в БИУС.
При рассмотрении данной БИУС следует выделить две принципиальные особенности, касающиеся возможностей подсистемы управления и подсистемы информационной поддержки принятия решения экипажем («автоматов безопасности» и «автоматов подсказки») [10-13]. Развитие математических методов теории управления и быстро растущие возможности цифровой вычислительной техники создают реальные предпосылки для реализации нелинейных и адаптивных методов управления (с самооптимизацией, самонастройкой, переменной структурой, реконфигурацией и пр.). Это позволит обеспечить высокое качество управления в условиях широкого изменения характеристик самолета, среды и отказов бортового оборудования, снизить требования к допускам на элементы системы, сократить срок летных испытаний, повысить надежность и универсальность системы управления. Подобное существенное расширение функциональных возможностей подсистемы управления здесь сочетается с использованием средств снижения информационно-логической загрузки экипажа. В данном случае кроме системы сигнализации применяются СИППР, которые совместно с БЦВМ обработки информации позволяют обеспечивать по запросам экипаж разъяснительной или рекомендательной информацией при возникновении особых ситуаций в полете, кроме простой фиксации и сигнализации отклонений некоторых параметров от пороговых значений. Реализация подобных СИППР возможна не только на основе решения сколь угодно сложных формализованных задач, но и с помощью логико-лингвистических моделей и соответствующих средств искусственного интеллекта и, в первую очередь, экспертных систем. Важным функциональным элементом подобной БИУС является система сбора и локализации отказов (ССЛО), предназначенная для проверки работоспособности подсистем БИУС при наземном контроле системы. На земле и в полете при получении информации по отказам и сбоям от взаимодействующих подсистем БИУС в виде слов состояния ССЛО осуществляет ее логическую обработку по специальным алгоритмам, выдает информацию о месте отказа, сбоя, обрыва линии связи между отдельными подсистемами, присваивает этому отказу порядковый номер, привязывает момент появления отказа к времени и запоминает данную информацию в запоминающем устройстве.
Активная ИУС для автоматизации информационно-управляющих процессов в организационно-экономической системе авиапредприятия
ИУС для автоматизации информационно-управляющих процессов при организационно-экономическом управлении транспортным предприятием представляет собой активную систему, что объясняется наличием людей, «входящих в объект управления» [14, 15]. Фактически данную ИУС можно считать многоканальной автоматизированной системой, что объясняется наличием в ней нескольких параллельно функционирующих активных каналов (АК), подключенных к объекту управления, т.е. к транспортному предприятию. Структура подобной ИУС приведена на рис. 4. Буквосочетанием ИС здесь условно обозначена измерительная схема, куда фактически входят подсистемы формирования первичной информации, осуществляющая сбор, регистрацию, накопление и первичную обработку информации в местах ее возникновения, и подсистема передачи данных, обеспечивающая передачу собранной и предварительно обработанной информации от места ее возникновения к месту обработки. Среди устройств (и систем), входящих в ИС, можно выделить:
‑ технические средства, обеспечивающие работу ЭВМ, расположенные непосредственно в центре обработки информации;
‑ технические средства для накопления и первичной обработки информации, расположенные непосредственно в местах формирования данных (склад, цех, служба и т.д.).
С целью обеспечения необходимой информационной поддержки в различных нестандартных ситуациях пользователя ИУС имеет в своем составе систему средств информационной поддержки принятия решений (СИППР), позволяющую использовать интерактивный режим для квалифицированной выработки управляющих воздействий. Интерактивный режим выгодно отличается от режима пакетной обработки, где человек чисто пассивно выбирает нужные программы обработки. Основой СИППР должны служить и средства искусственного интеллекта.
Как видно из рис. 4 управляющие воздействия (управляющие решения) здесь формирует руководитель-пользователь системы, ЭВМ при этом используется для обработки данных и выдачи информационных подсказок человеку в критических ситуациях. Задачу управления можно сформулировать как необходимость обеспечения выполнения заданий, установленных транспортному предприятию по каким-либо показателям, в условиях внешних возмущений (метеофакторов, перебоев с поставками топлива, колебаний спроса на перевозки и т.п.) и внутренних помех (выхода из строя авиационной и наземной техники, нехватки специалистов и т.п.).
В отличие от бортовых ИУС, рассматриваемая ИУС не является, как правило, системой реального времени.
На рис. 5 показана в качестве примера структура СИППР, разработанная для прогнозирования объема авиаперевозок [16]. Задача пользователя системы ставилась следующим образом: необходимо накапливать отдельные показатели плана, их прогнозировать и, в случае различия прогнозируемых и плановых значений, выдавать со стороны ЭВМ разъяснения пользователю о причинах невыполнения плана. Для решения данной задачи в качестве СИППР была разработана гибридная экспертная система (ГЭС).
Заключение
В имеющейся известной литературе, где непосредственно или косвенно рассматриваются проблемы разработки и эксплуатации технических средств обеспечения безопасности полетов, вопросы применения и совершенствования ИУС с целью предупреждения ошибок, обусловленных ЧФ, анализируются и исследуются явно недостаточно. При этом следует отметить важное обстоятельство. Методологическая основа совершенствования методов и средств информационной поддержки оператора, реализуемых в данных ИУС, в известной литературе базируется зачастую не на реальных потребностях пользователя этих средств, а определяется в первую очередь уровнем фундаментальных исследований в области системного анализа, теории управления, теории личности, процессов принятия решения и соответствующих аппаратных и программных средств. Известно, что одной из основных задач современного этапа исследования влияния ЧФ на безопасность полетов является разработка методов прогнозирования возникновения условий для проявления человеческого или личностного факторов и их парирования. Отличительная особенность настоящей работы от известных ранее исследований состоит в том, что развиваемая методология прогнозирования возникновения условий проявления ЧФ и разработка методов и средств дополнительной информационной поддержки принятия решения экипажем базируется на максимальном учете мнения летного состава. Мнение летного состава было выявлено в результате экспертного опроса пилотов [6]. В данной статье эта важная составляющая проводимых исследований не рассматривалась.
Разработанные методы и средства предупреждения ошибок, обусловленных ЧФ, во многом адресованы для предприятий авиационной промышленности с целью их практической реализации и внедрения на самолеты и вертолеты нового поколения.
Полученные результаты позволяют:
- осуществлять разработку и ввод в эксплуатацию бортовых подсказчиков на основе перечня информационных подсказок, предложенных летным составом;
- устанавливать на борту ВС разработанные авторами ряд СИППР экипажем на основе программных и аппаратных средств;
- применять в ИУС для организационно-экономической системы ГА разработанные программные СИППР на основе гибридной ЭС;
- применять в учебном процессе результаты анализа возможных структур и принципов функционирования ИУС ГА, а также классификации и анализа методов и средств снижения влияния ЧФ, предупреждения ОС, разработок автора по реализации ряда СИППР.
1. State of Global Aviation Safety - rezhim dostupa - https://www.icao.int/safety/Documents/ICAO_SR_2019_final_web.pdf
2. Issledovanie i modelirovanie deyatel'nosti cheloveka-operatora / Pod red. Zabrodina Yu.M. - M.: Nauka, 1981. - 150 s.
3. Golovchenko V.P., Suhih N.N. Prognozirovanie ob'ema rabot dlya rukovoditelya nazem-noy sluzhby // Osnovnye problemy razvitiya nazemnoy bazy grazhdanskoy aviacii / Materialy II Vsezoyuzn. nauchno-tehnich. konf. - L.: LDNTP, 1991. - S.61-67.
4. Avtomatizirovannoe upravlenie poletom vozdushnyh sudov / Keyn V.M., Mihaylov O.I., Suhih N.N., Fedorov S.M.; Pod red. Fedorova S.M. - M.: Transport, 1992. - 264 s.
5. Sakach R.V., Gugel' A.A., Gromov V.K. Ispol'zovanie avtomatizirovannyh informacionno-upravlyayuschih sistem dlya obespecheniya bezopasnosti poletov. - M.: MIIGA, 1988, - 72 s.
6. Suhih N.N. Metodika vybora sredstv informacionnoy podderzhki prinyatiya resheniya ekipazhem vozdushnogo sudna na razlichnyh etapah poleta // Effektivnost', kachestvo, nadezhnost' sistem «chelovek-tehnika» / Tezisy doklada IX Vsesoyuzn. simpoziuma. - ch1. - Voronezh, VPI, 1990. - S.32
7. Dmitriev V.A., Suhih N.N., Rukavishnikov V.L. Povyshenie effektivnosti ispol'zo-vaniya poletnoy informacii pri upravlenii bezopasnost'yu poletov grazhdanskih vozdushnyh sudov // Obscherossiyskiy nauchno-tehnicheskiy zhurnal «Polet». - 2020. - №7 - S. 39-45.
8. Safety Report - rezhim dostupa - https://www.icao.int/safety/Documents/ICAO_SR_2018_30082018.pdf
9. Reason, J. (1990). HumanError. Cambridge University Press, United Kingdom
10. Belogorodskiy S.L. Avtomatizaciya upravleniya posadkoy samoleta. - M.: Transport, 1972. - 350 s.
11. Suhih N.N., Kovalev A.G., Rukavishnikov V.L. Ispol'zovanie principa rekonfiguracii dlya postroeniya tolerantnoy mazhoritarnoy vychislitel'noy sistemy // Aviakosmicheskoe priborostroenie. - 2009. - №2. - S. 17-21.
12. Fedorov S.M., Smurov M.Yu., Suhih N.N. Ob ispol'zovanii igrovogo podhoda k po-stroeniyu kvaziinvariantnyh sistem upravleniya // Teoriya invariantnosti, teoriya chuvstvitel'nosti i ih primenenie / UP Vsesoyuznoe soveschanie / Tez. doklada. - M., AN SSSR, 1987. - S. 99.
13. Balyasnikov V.V., Karapetyan G.S. Analiz osobennostey izmeneniya vremennoy zaderzhki signalov upravleniya poletom na posadke // Letnaya ekspluataciya. Nadezhnost' i bezopasnost' poletov v GA. Organizaciya letnoy raboty i upravlenie / Mezhvuz. tematich. sb. nauch. tr. - L., OLAGA, 1979. - S. 19-24.
14. Avdeev V.P., Burkov V.N., Enaleev A.K., Kiseleva T.V. Mnogokanal'nye aktivnye sistemy // Avtomatika i telemehanika. - 1990. №11. - S.106-116.
15. Smurov M.Yu., Suhih N.N., Golovchenko G.V. Avtomatizaciya processov upravleniya organizacionno-ekonomicheskoy deyatel'nost'yu aviapredpriyatiya s pomosch'yu aktivnoy IUS // Transport Rossiyskoy Federacii - 2014. - №6. - S. 35-38.
16. Lukashin Yu.P. Adaptivnye metody kratkosrochnogo prognozirovaniya. - M.: Statistika, 1979. - 254 s.
