Москва, г. Москва и Московская область, Россия
ГРНТИ 12.09 Развитие науки
Рассмотрены проблемы современного и перспективного эргономического проектирования вертолетов, обеспечивающего надежное функционирование системы «экипаж-вертолет-среда». Показано, что запросы практики требуют наращивания возможности вертолетов и расширения границ их эксплуатации. Осуществлен прогноз новых разработок в части внедрения авторских патентов с использованием эргономических технологий.
эргономика, экипаж, вертолет, психический образ, пространственная ориентировка, патенты, интеллектуальная система
Создание новых систем «человек-машина-среда», как показано в целом ряде отечественных и зарубежных исследований, связано с изобретательской деятельностью и эргономическими технологиями для достижения поставленной цели в конкретных условиях среды обитания (А.Н. Леонтьев, 1979 [5], Н.Д. Завалова, В.А. Пономаренко, 1984 [3], Б.Ф. Ломов, 1985 [6], В.М. Львов, В.В. Павлюченко, В.В. Спасенников, 1989 [7], Н.А. Назаренко, П.И. Падерно, 2013 [9], Р.В. Яцков, 2018 [16], Д. Мейстер (D. Meister), 1999 [17] и др.).
Актуальность эргономических разработок и внедрения изобретений в процессе создания испытаний современных вертолетов обусловлена необходимостью согласования возможностей человека с динамично изменяющимися технологиям и техническими средствами [14, 18].
Важнейшим условием повышения эргоно-
мичности, безопасности современных и перспективных человекомашинных систем явялется создание нормативной документации по основным стадиям (этапам) жизненного цикла «человек-машина-среда» [1, 2, 10, 11, 17 и др.]. Основные этапысоздания и эксплуатации сложных человеко-машинных систем представлены на рисунке 1. Работы, проводимые на этапах 1-3, практически полностью определяют эффективность и удобство использования систем «человек-машина-среда» [15,16].
Как правило разработка любой системы «человек-машина-среда» начинается с технического предложения (аванпроекта), однако в связи с сокращением сроков проектирования, данный этап часто совмещается с последующими этапами проектирования или вообще аннулируется. Целью аванпроекта является определениевозможностей выполнения исполнителем требований Заказчика, а также моделирование возможных вариантов исполнения. На этом этапе могут быть осуществлены проработки по созданию принципиально новой системы с целым рядом оригинальных технических решений. В рамках эргономического обеспечения может быть определена основная концепция системы, выбран вариант исполнения некоторых подсистем органов управления, принято решение о создании нового дизайна современного вертолёта. [4]
Возможна детальная проработка некоторых эргономических требований, которые затем будут включены в ТЗ. Однако Заказчики обычно выдают ТЗ исполнителям без проработки аванпроекта, либо прорабатываются только технические, но не эргономические характеристики изделия. Разработка и создание ТЗ (общего технического задания) реализуется самим Заказчиком (Генеральным заказчиком, или даже самим разработчиком при выполнении собственных разработок) [1, 9].
В процессе эргономического проектирования необходимо учитывать психофизиологические возможности лётчиков по переработке информации [3,8,18].
Показательным является факт (табл. 1) увеличения инструментальных потоков информации, призванных обеспечить решение новых задач в более сложных условиях. Так лётчику перспективного вертолёта необходимо будет использовать 18 информационных потоков. Из них только два канала физиологически взаимосвязаны, и их функциональная системность сформировалась в процессе онтогенетического развития человека. Другие 16 каналов играют роль посредников между человеком и внешним физическим миром. Таким образом, лётчик в процессе выполнения задач высокого уровня сложности будет отчуждён от процесса непосредственного восприятия окружающего пространства, и ему придётся пилотировать на основе информации, поступающей от моделей заместителей, представляющих внешний мир. [14, 15].
Таблица 1. Характеристика и состав информационной среды кабин экипажей современных, модернизируемых и перспективных вертолётов
|
Состав информационной среды (информационные потоки) |
Неинструментальная |
1 визуальная, внекабинная |
|
2 от других электро- и интрорецепторов |
||
|
Инструментальная |
3 электромеханические приборы, табло, сигнализаторы |
|
|
4 индикатор на лобовом стекле |
||
|
5 очки ночного видения |
||
|
6 дневной оптический канал |
||
|
7 дневной телевизионный канал |
||
|
8 ночной низкоуровневый телевизионный канал |
||
|
9 круглосуточный телевизионный канал |
||
|
10 радиолокационный канал |
||
|
11 лазерно-локационный канал |
||
|
12 карта местности |
||
|
13 бортовой комплекс обороны |
||
|
14 нашлемная система целеуказания и индикации |
||
|
15 оперативная система указания положения наземных объектов |
||
|
16 индикация пространственного положения управляемого вооружения |
||
|
17 индикация системы управления оружием |
||
|
18 пилотажная и прицельная навигация на многофункциональных электронных индикаторах |
Данное обстоятельство определило формирование направления исследовательских работ по изучению психофизиологических особенностей психической регуляции деятельности лётчика в условиях новой информационной среды. Более частные задачи включали изучение оптимизации процессов восприятия, интерпретации и интегрирования информации, представляемой на телевизионном изображении.
В ходе работ было установлено, что, имея несколько информационных каналов (приборная индикация, внекабинное пространство и телевизионное изображение), лётчик в любом случае должен включать эту информацию в общую структуру деятельности. В этой связи требуется решение синтеза сведений от различных источников, на основе которых должна строиться деятельность экипажа по управлению вертолётом.
Исследованиями Лапа В.В., Чунтулом А.В., Давыдовым В.В., Рябининым В.А. [4] и их сотрудников показано, что использование двойных, а тем более тройных источников разнокодовой информации приводит к раздвоению предмета трудовой деятельности, усложнению процесса переработки информации и принятия решения человеком-оператором.
В ночных и сложных метеоусловиях единственным источником информации о внекабинном пространстве, наземных объектах и препятствиях может оказаться лишь телевизионная картинка. По данным [14] пороги восприятия относительной удалённости при наблюдении за объектами по телеизображению в 10 раз выше в сравнении с прямым визуальным наблюдением. На базовом сенсорно-перцептивном уровне психического отражения лётчиком внекабинного пространства с использованием телеизображений у него наблюдаются затруднения. На практике это проявляется в том, что в экспериментальных заходах со снижением в условиях полунатурного моделирования по телеизображению около 60% заходов выполнялись с ошибками по высоте ±41-50 м и более, 30 % заходов выполнялись с ошибками ±21-40 м и только немногим более 10% заходов выполнялись с ошибками по высоте менее ±20 м. [14,15]
По мнению лётчиков-испытателей, имеющих опыт испытательных полётов по телевизионному изображению, практически невозможно определить изменения высоты в пределах 60 м и скорости полёта – в 40 км/час. Особую сложность представляет, как оценка наличия препятствий, так и дальности до них.
Поведёнными исследованиями установлено, что в полётах с оптико-телевизионными комплексами возрастает нагрузка лётчика по управлению вертолётом и изменяется стереотип распределения внимания. При этом процесс наблюдения пространства ограничивается малыми полями зрения представляемого изображения и характеризуется появлением «слепых» зон, размеры которых зависят от фокусных возможностей оптических систем и дальности наблюдения [4,14].
Результаты исследований показали, что по телевизионному изображению ограничивается скорость просмотра местности, которая почти на порядок ниже разрешающей способности человека при прямом визуальном наблюдении. Этот недостаток особенно сильно проявляется при выполнении манёвров, вызывающих смазывание изображения на телеэкране, ограничивая таким образом возможности по скорости изменения пространственного положения вертолёта.
Полученные материалы исследований подтвердили гипотезу о том, что процесс пилотирования с использованием телевизионного изображения внекабинного пространства представляет собой принципиально новый вид деятельности, в котором лётчик загружен максимально. Особую сложность для лётчиков представляют ситуации, когда линия визирования оптико-телевизионного комплекса отклонена от линии полёта. В этих условиях вертолёт летит в одном направлении, а лётчик наблюдает за наземными объектами по телеизображению в другом направлении. При этом телевизионная информация о внекабинном пространстве не может быть в полной мере использована лётчиком для обеспечения процессов пилотирования и пространственной ориентировки. И наоборот: приборная и внекабинная информация, собираемая лётчиком в процессе пилотирования, не может быть использована для управления оптико-телевизионным комплексом.
Экспериментальными исследованиями установлено, что деятельность экипажа в новых условиях характеризуется следующими особенностями [14]:
- необходимостью управления вертолётом и бортовыми комплексами, и системами на основании восприятия инструментальной информации – условных кодов, представленных оптико-телевизионными средствами отображения информации;
- разнообразием систем отображения внекабинного пространства и кодирования информации, которую необходимо использовать в различных режимах полёта и эксплуатации вертолётов и их бортового оборудования;
- снижением информационных потоков от проприоцепторов и двигательного анализатора в силу введения в систему управления вертолётами и бортовыми комплексами многочисленных устройств;
- расширением диапазона эксплуатации вертолётов и повышением нервно-эмоционального напряжения и социальной ответственности экипажей за выполнение полётного задания;
- ограничением возможностей экипажей по использованию как внекабинной, так и инструментальной внутрикабинной информации при снижении высоты полёта;
- необходимостью выполнения совмещённой деятельности по пилотированию вертолёта и управлению оптико-телевизионным комплексом с соблюдением строгой последовательности управляющих действий чёткого распределения функций и организации взаимодействий в экипаже.
Представленные в табл.2 особенности и условия труда экипажей вертолётов демонстрируют факт смещения акцентов тяжести трудовых нагрузок в сферу психической деятельности. При этом эффективность разработки новых вертолётов определяется уже не только созданием условий для жизнедеятельности и сохранения работоспособности экипажей, но и оптимизацией самой деятельности [4].
Таблица 2. Особенности и условия деятельности экипажей вертолётов новых поколений
|
№ п/п |
Особенности и условия деятельности |
|
1 |
Взаимодействие экипажей с объектами управления (вертолётом, бортовыми комплексами) посредством условных кодов, представленных оптико-телевизионными средствами отображения информации |
|
2 |
Разнообразие кодирования информационных потоков от различных систем отображения внекабинного пространства |
|
3 |
Снижение объёма информации, поступающей от проприоцепторов и двигательного анализатора, в связи с включением в систему управления вертолётами и бортовыми комплексами устройств-посредников (триммеров, автопилотов, автоматов доворота и сканирования пространства и др.) |
|
4 |
Усложнение задач и расширение диапазона эксплуатации вертолётов в условиях дефицита времени на фоне высокого нервно-эмоционального напряжения и социальной ответственности экипажа за выполнение полётного задания |
|
5 |
Изменение стереотипа использование экипажем внекабинной и внутрикабинной информации, представляемой информационными средствами |
|
6 |
Выполнение совмещённой деятельности по пилотированию вертолёта и управлению оптико-телевизионным комплексом |
|
7 |
Перераспределение функций и высокий уровень взаимодействия членов экипажа |
|
8 |
Повышение требований к выдерживанию заданных параметров полёта и соблюдению алгоритмов выполнения управляющих действий |
Как свидетельствуют многочисленные исследования (Б.Ф. Ломов, А.Н. Леонтьев, Н.Д. Завалова, В.А. Пономаренко, В.В. Лапа, А.В. Чунтул и др.) причиной многих затруднений в сложных системах, в том числе и авиационных, является несогласованность технических характеристик средств труда с характеристиками человека. В наших исследованиях это касается в первую очередь новых средств отображения внекабинного пространства, способов их эффективной эксплуатации и режимов обеспечивающих безопасность полётов. [3, 4, 5, 6 и др.]
Полученный материал актуализировал основные задачи проектирования перспективных вертолётов [14]:
- Формирование достаточно сильного информационного подкрепления экипажа на основе систем индикации параметров представляемых электромеханическими приборами и электронными индикаторами;
- Сопряжение телеизображения и электронных символов на одном телевизионном индикаторе;
- Разработка алгоритмов распределения и загрузки экипажа по ведению пространственной ориентировки в новых условиях деятельности;
- Адаптации светотехнического оборудования и др.
Разработанная в этих целях программа эргономических исследований предусматривает как совершенствование технических характеристик оптико-телевизионных комплексов под возможности человека, так и обоснование рациональных режимов деятельности экипажа с учётом психофизиологических особенностей использования оптико-телевизионных комплексов (табл.3).
В фундаментальных и прикладных исследованиях, проведённых ОАО «МВЗ им. М.Л. Миля» совместно с другими организациями, разработан комплекс мероприятий по эргономической оптимизации создания новых вертолётов [12, 13].
В ближайшем будущем ожидается старт практической реализации идей разработки бортовой системы интеллектуальной поддержки экипажей вертолётов. Идеология данной системой предусматривает обеспечение мониторинга вертолёта с использованием технологии удалённого доступа к параметрам полёта и состоянию экипажа с целью обеспечения высокой эффективности функционирования системы «экипаж-вертолёт-среда». В результате функционирования бортовой системы интеллектуальной поддержки экипажей вертолётов предусматриваются: формирование экипажу рациональных алгоритмов пилотирования; автоматическая отработка сигналов угрозы безопасности полётов; представление временной матрицы нахождения вертолёта в опасных зонах и режимах; выдача информации о приоритетных задачах; обеспечение оперативного контроля качества деятельности, функционального состояния, двигательной загрузки и работоспособности пилота в различных режимах полёта в зависимости от уровня сложности полётного задания лётно-технических характеристик вертолёта, метеоусловий и др.; прогнозирование динамики изменения пространственного положения вертолёта и возможности развития опасной ситуации (по критериям ограничений вертолета) и предупреждение об этом пилота; формирование рекомендаций по действиям пилота при развитии нештатной ситуации; выдача пилоту сообщения о его функциональном состоянии и дееспособности; обеспечение дистанционного управления вертолётом с командного пункта с целью его возвращения и посадки на аэродром в случае потери пилотом (экипажем) работоспособности [14].
Таблица 3. Основные проблемы эргономического сопровождения вертолётов
нового поколения
|
№ п/п |
Проблемы эргономического сопровождения |
|
1 |
Совершенствование технических характеристик бортовых комплексов под психофизиологические возможности и ограничения человека |
|
2 |
Обоснование рекомендаций по оптимизации информационных моделей обеспечения деятельности экипажа, определение объёма и формы электронной индикации пилотажно-навигационных и общевертолётных параметров |
|
3 |
Адаптация системы внутрикабинного освещения, перекомпоновка приборных досок, изменение геометрических размеров кабины |
|
4 |
Формирование алгоритмов работы и распределения функций в экипаже с учётом психофизиологических механизмов регуляции деятельности |
|
5 |
Оценка возможности использования экипажем вертолётов различных систем представления внекабинного пространства для пилотирования и пространственной ориентировки |
|
6 |
Оценка безопасных зон эксплуатации вертолётов нового поколения с учётом характеристик бортовых комплексов по предоставлению внекабинного пространства, уровня сложности решаемых задач и возможностей экипажа |
|
7 |
Обоснование рекомендаций по оптимизации информационных моделей обеспечения деятельности применительно к задачам, решаемым лётчиком и вторым членом экипажа |
В перспективных вертолётах будет внедрено изобретение по патенту RUS2559188 [13], связанное с многоканальным органом управления летательным аппаратом. Кинематика управляющих воздействий по патенту органа управления приведена в таблице 4.
Реализация в бортовой интеллектуальной системе принципа непрерывного контроля основных параметров полёта (высоты, скорости, режимов работы двигателей и др.), которые могут быть достигнуты при выполнении любых пространственных манёвров, позволит осуществлять нелинейный динамический прогноз над трёхмерным рельефом с анализом угрозы столкновения вертолёта и расчётом режима оптимального увода вертолёта из опасной зоны, маршрут которого будет отображаться пилоту на многофункциональном индикаторе.
Вершиной будущих технологий в современном представлении будет являться симбиоз пилота и вертолёта на основе биоэлектронной кабины, предполагающей разработку комплекса, объединяющего организм пилота и бортовую экспертную систему. Особенностью биоэлектронной кабины будет являться наличие биокибернетической системы контроля психофизиологических параметров пилота, которая по данным головного мозга, положению рук, размещению рук на органах управления, интонации голоса, электрокардиограмме, параметров дыхания, электрокожного сопротивления и др. будет определять находится пилот в состоянии работоспособности или дееспособности. Данная система будет определять динамическое распределение функций между пилотом и бортовой экспертной системой при выполнении полётных заданий различного уровня сложности и функционального состояния пилота. При развитии стресса у пилота система автоматически возьмёт часть задач на себя, снижая операционную загрузку пилота, а при потере дееспособности приведёт вертолёт в безопасные режимы полёта. В случаях отказа экспертной системы пилот будет информирован об отказе с представлением перечня невыполненных задач.
Таблица 4. Кинематика движений многоканального органа управления для осуществления управляющих воздействий по четырём осям и кнопкам [13]
Для реализации этих задач разрабатываются методы, основанные на использовании устройств регистрации электрических и магнитных волн проявления мозговой деятельности человека, предусматривающих создание встроенных в шлем лётчика устройств для регистрации электроэнцефалограмм и магнитоэнцефалограмм [14].
В перспективе в биоэлектронной кабине совместно с использованием сенсорных органов управления, голосового управления и управления взглядом предусматривается разработка средств мысленного управления на основе контроля волн мозга.
Таким образом, в ближайшем и отдалённом будущем следует ожидать появления новых средств и способов, позволяющих принципиальным образом оптимизировать эргономику вертолётов, качественно изменить профессиональную деятельность пилотов, снизить операционную нагрузку и повысить безопасность полётов.
Эргономические технологии и дизайнерские разработки в вертолётной отрасли могут быть успешно реализованы на других летательных аппаратах и транспортных средствах, а также в бытовой, коммуникативной, развлекательной и других сферах.
1. Бурков Е.А., Волосюк А.А., Гусейнов В.Д., Падерно П.И., Сопина О.П. Эргономическое проектирование новых информационных систем // Биотехносфера. - 2015. - №1 (37). - С. 3-9.
2. Дергачев К.В., Кузьменко А.А., Спасенников В.В. Анализ взаимосвязи объекта и парадигмы исследования в эргономике с использованием информационных технологий // Эргодизайн. - 2019. - №1 (03). - С. 12-22. DOI: 10.30987/ article_5c518d8bd8e3d8.46297271.
3. Завалова Н.Д., Пономаренко В.А. Специфика психологического образа, регулирующего действия человека в условиях искажений афферентации // Вопросы психологии. - 1984. - №2. - С. 26-35.
4. Лапа В.В., Чунтул А.В., Давыдов В.В., Рябинин В.А. Эволюция методологии, задачи и содержание эргономического обеспечения системы «экипаж-вертолет-среда» // Человеческий фактор: проблемы психологии и эргономики. - 2013. - №4(67). - С. 42-46.
5. Леонтьев А.Н. Психология образа // Вестник Московского университета. Серия 14. «Психология». - 1979. - №2 - С. 85-92.
6. Ломов Б.Ф. Проблема образа в психологии // Вести АН СССР. - 1985. - №6. - С. 85-92.
7. Львов В.М., Павлюченко В.В., Спасенников В.В. Инженерно-психологические вопросы проектирования деятельности операторов // Психологический журнал. - 1989. - Том 10. - №5.- С. 66-74.
8. Лысаков Н.Д., Лысакова Н.Е Вклад К.К. Платонова о становление отечественной авиационной психологии // Национальный психологический журнал. - 2012. - №2(8).- С. 100-105.
9. Назаренко Н.А., Падерно П.И. Эргономическая экспертиза: реалии и тенденции // Человеческий фактор: проблемы психологии и эргономики. - 2013.- №4. - С.87-88.
10. Спасенников В.В., Торбин С.И., Федотов С.Н., Смирнов Ю.И. Патент на изобретение RUS 1809455 МПК G09B7/00 Устройство для оценки психологической совместимости, 07.09.1990.
11. Спасенников В.В. Феномен цветовосприятия в эргономических исследованиях и цветоконсультировании // Эргодизайн. - 2019. - №2(04). - С. 51-60. DOI:https://doi.org/10.30987/article_5cb22163c8b6b7.59336480.
12. Чунтул А.В., Александров В.В., Кулешов С.В., Зайцева А.А. Патент на изобретение RUS 2587724 МПК А61B5/16 Цифровой биометрический комплекс оценки функционального состояния пилота воздушного судна 25.04.2013.
13. Чунтул А.В., Таратонов И.А. Патент на изобретение RUS 2559188 МПК B64C13/06 Многоканальный орган управления летательным аппаратом 25.03.2014.
14. Чунтул А.В. Человек в вертолете: психофизиология профессиональной деятельности экипажей современных и перспективных вертолетов. - Когито-Центр. 2018. - 320 с.
15. Эргономические технологии разработки и испытаний вертолетов «МИ» / Под ред. А.Г. Самусенко, Г.П. Ступакова, А.В. Чунтула - М.: ОАО «МВЗ им. М.Л. Миля». - 2012. - 288 с.
16. Яцков Р.В. Морфологический синтез комплекса имитационных моделей с учетом адаптивного информационного взаимодействия операторов с объектом управления // Эргодизайн, 2018. - №2(02). - С. 29-32. DOI:https://doi.org/10.30987/article_5bf98b6402c571.26314373.
17. Meister D. The history of human factors and ergonomics / D. Meister.- Mahwah, NJ: Lawrence Erlbaum Associates, 1999. - 588 p.
18. Chuntul A.V., Lapa V.V., Davidov V.V. Spatial orientation of pilot using a cockpit exterior surveillance system // Human psychology 2015 vol 41, №7, P. 728-731.
