Введение
В современных и перспективных авиационных системах летчики вертолетов и операторы беспилотных комплексов, для решения задач пилотирования, обеспечения полетного задания и безопасности полетов, воздействуют на объекты управления посредствам двигательных актов включающих: перемещение органов управления (рычагов, ручек, рукояток, педалей, кнопок, индексов на сенсорных экранах и др.) по направлениям вперед - назад, «от себя», «на себя»; «вверх-вниз»; нажатие; вращение, перемещение и др. [11], [13].
При этом, в процессе такого управления, зачастую необходимо выполнять управляющие движения всеми органами управления одновременно. Например, летчик вертолета для пилотирования использует рычаг общего шага винта, ручку циклического шага и педали одновременно не снимая рук и ног с органов управления. Установлено также, что на наиболее ответственных этапах полета летчик вертолета выполняет до 40% движений одновременно двумя органами управления и 20% тремя органами. При этом, как показано в исследованиях [15], общее количество управляющих движений на посадке вертолета достигает в среднем до 90 в одну минуту. В свою очередь, безопасное пилотирование вертолета вблизи земли достигается увеличением количества управляющих движений до 200 в одну минуту.
Такой процесс пилотирования сопровождается большой двигательной нагрузкой, требует формирования сложно координированных навыков одновременного управления правой и левой рукой и постоянной концентрации внимания по контролю ответных реакций, характеризующих изменения пространственного положения вертолета [14].
В тоже время, в связи с техническим совершенствованием и автоматизацией систем управления существенно изменяются требования к временной моторике двигательных актов. Изменяется содержание двигательных задач, которые сводятся к нажатию кнопок, включению тумблеров, повороту рукояток и др. [5]. Вся сложность управления перемещается с исполнительной части двигательных актов на центральные механизмы их регуляции [1], [2], [16], [17], [18]. Одновременно, в соответствии с алгоритмами организации деятельности в сложных и особых ситуациях полета от летчика или оператора беспилотного комплекса, требуется выполнение управляющих действий за короткий промежуток времени, зачастую за секунды и доли секунд [9]. Результаты такой переработки оперативно реализуются в последующих двигательных актах [3]. Таким образом, в авиационных системах, фактор времени выполнения двигательных актов играет важную роль в профессиональной деятельности человека, обеспечивает выживание в особых ситуациях, решении задач, которые требуют не только сложной предварительной обработки большого объема информации, но и быстрой и точной реализации этих движений [7].
Например, экстренное включение системы пожаротушения; отключение топливных кранов; выключение двигателей; нажатие кнопок аварийного сброса груза и приведения к горизонту и др.
Поэтому, при разработке новых органов управления закономерно возникают вопросы, определяющие временные компоненты эффективности двигательных актов и поиск средств и способов, обеспечивающих быстрое и правильное их выполнение [6], [12].
Материалы, модели, эксперименты и методы
Исследование проводили на базе «Национального центра вертолетостроения Миль и Камов», включая региональные вертолетные подразделения.
Для реализации теста ПСР использовали Устройство психофизиологического тестирования УПФТ-1/30 «Психофизиолог» с модулем психомоторных тестов.
В исследованиях приняла участие группа лётного состава, включая летчиков и штурманов вертолётов, в количестве 30 человек с правой доминирующей рукой возрастом от 34 до 55 лет и 48 специалистов ИТС обоего пола возрастом от 23 до 41 года также с правой доминирующей рукой.
С каждым участником провели по 60 замеров ПСР, включая 30 правой и 30 левой рукой. Итого вся серия составила 4680 замеров теста ПСР.
Полученные данные обработали методами вариационной статистики с помощью пакета Statistic-10 в 4 этапа. Первый – обзорный анализ. Второй – анализ данных летного состава. Третий – анализ данных ИТС. Четвертый – сравнительный межгрупповой анализ.
Результаты
Полученные показатели ПСР по своему типу относятся к количественным непрерывным данным, измеренным с точностью до третьего знака в мс. Полученные выборки в пределах каждой группы являются связанными, поскольку состоят из наблюдений, включающих ПСР правой и левой руки одного и того же человека. Межгрупповые показатели относятся к независимым выборкам.
Статистические показатели на звуковой сигнал левой и правой рукой у летного состава и ИТС для обеих рук различаются у летного и инженерно-технического состава, составляя диапазон от 128 до 184 мс и от 139 до 272 мс соответственно.
На рис. 1 приведены усредненные показатели ПСР для правой и левой руки в обеих группах наблюдения. Они наглядно демонстрируют указанные выше различия. Очевидна закономерность увеличения времени ПСР левой рукой по сравнению с правой в обеих группах при более высоких временных показателях в группе ИТС.
Рис. 1. Усредненные данные по времени ПСР (в мс.) на звуковой сигнал левой и правой рукой у летного состава и ИТС
Fig. 1. Average data on the time of a SSR (in ms) to a sound signal with the left and right hands of flight personnel and MP
Условные обозначения:
по вертикали – ПСР, мс.;
по горизонтали:
1- ПСР правой рукой у летного состава;
2- ПСР левой рукой у летного состава;
3- ПСР правой рукой у ИТС;
ПСР левой рукой у ИТС.
Анализ данных группы летного состава
У лётного состава разница между результатами ПСР правой и левой рукой по усредненным данным составляет 14 мс. В силу важности проблемы именно эта особенность требует более глубокого анализа и прежде всего в группе летного состава.
С этой целью были построены внутригрупповые графики. На рис. 2 представлена гистограмма распределения времени ПСР правой рукой.
Визуальная оценка показывает, что распределение данных явно не описывается кривой Гаусса, соответствующей нормальному распределению. Это подтверждается тестом Колмогорова-Смирнова, который считается не пройденным, поскольку p<0,05 меньше критического значения p=0,2. Такая оценка согласуется со статистическим критерием для малых выборок Шапиро-Уилка, для которого достигнутый уровень значимости p=0,00063 меньше критического p=0,05. Другими словами, гипотеза о нормальности распределения показателей ПСР для данной выборки отклоняется. Поэтому в дальнейшем использовали методы непараметрической статистики.
При этом на гистограмме (рис. 2) обращает на себя внимание резкая асимметрия показателей ПСР, характеризующаяся тем, что больше половины наблюдений (19 случаев - 63,3%) находится в диапазоне от 128 (минимальное время ПСР) до 140 мс, занимая левую часть гистограммы. Это явилось основанием для использования при описании статистических закономерностей не средней арифметической величины, а медианы, которая для данной группы наблюдений составила 138,5 мс, что на 5,83 мс короче, чем усредненная величина ПСР (144,33 мс).
Рис. 2. Гистограмма показателей ПСР правой руки у летного состава
Fig. 2. Histogram of right-hand AKP indicators for flight personnel
По горизонтали: диапазоны времени, мс. Сплошная линия – теоретическая кривая Гаусса.
Логично ожидать, что примерно такая же картина должна иметь место применительно к ПСР левой рукой. Рассмотрим график на рис. 3.
В отличие от асимметричного распределения показателей ПСР для правой руки здесь очевидна близость по критериям Колмогорова-Смирнова (p>0.2) и Шапиро-Уилка (p>0.05) к кривой нормального распределения.
Диапазон ПСР был в пределах от 138 до 184 мс при среднем значении 158,37 мс. Причём, только в 5 случаях (16,67%) время ПСР левой рукой находилось в диапазоне до 140 мс, в то время как ПСР правой рукой в этом диапазоне было у 63,33% участников, что практически в 4 раза превышает соответствующий показатель для левой руки. Другими словами, в группе лётного состава все участники испытаний реагировали на звуковой сигнал правой рукой быстрее, чем левой.
Важно оценить достоверность утверждения о величине таких различий. Для этого дополнительно рассмотрим следующее графическое распределение результатов ПСР в группе лётного состава.
По горизонтали: диапазоны времени, мс
Представленные на рис. 4 прямоугольные блоки демонстрируют размах показателей в границах от 25 до 75% процентилей, т.е. отражают 50% общего числа наблюдений для ПСР правой и левой рукой.
Отметим важную особенность диаграммы на рис. 4. Видно, что размеры блоков и уровень их расположения по оси Y (время реакции) существенно различается, а «усы», обозначающие общий размах показателей, асимметричны относительно верхней и нижней границы блоков. Это в большей степени характерно для правой руки, что подтверждает сделанный выше вывод о ненормальности распределения в данной подгруппе.
Рис. 3. Гистограмма показателей ПСР левой рукой у летного состава
Fig. 3. Histogram of left-handed SSR indicators for flight personnel
Рис. 4. Диаграмма размаха скорости реакции в группе летного состава
Fig. 4. Diagram of the reaction rate range in the flight crew group
Условные обозначения:
по горизонтали: ПСР правой рукой и ПСР левой рукой.
по вертикали: диапазон ПСР, мс.
Учитывая, что в подгруппах анализируемых данных имеется различие в форме распределения, то для оценки различий будем использовать непараметрический метод статистики для связанных выборок, а именно критерий знаков (табл. 1).
Поскольку уровень значимости (p=0,0000) существенно меньше критического значения p <0,05, то факт достоверности более быстрой реакции правой рукой на звуковой раздражитель по сравнению с ПСР левой рукой можно считать доказанным.
Другими словами, это указывает на важную особенность, свидетельствующую, что летный состав с правой доминирующей рукой обладает психофизиологическими параметрами, обеспечивающими более эффективное сопряжение функций зрительного анализатора с мышечным аппаратом правой руки. В этом смысле в качестве главного результата проведенного анализа на данной этапе можно утверждать о том, что скорость ПСР правой рукой по уровню медианы (138,5 мс) на 11,8% быстрее по сравнению с ПСР левой рукой (157 мс), а по относительному числу участников, ПСР которых находилась в «коротком диапазоне» от 120 до 140 мс, различия достигали 4-х кратного уровня.
Таблица 1.
Статистические показатели различий ПСР правой и левой рукой в группе летного состава.
Table 1.
Statistical indicators of the differences between the right and left hand AKP in the group of flight personnel.
|
Критерий знаков. Отмеченные критерии значимы на уровне p <,05000 |
||||
|
Число - несовп. |
Процент v < V |
Z |
p-уров. |
|
|
Pilots right hand & Pilots left hand |
30* |
100,00* |
5,29465* |
0,0000 |
Анализ данных группы ИТС
Аналогичный анализ провели и в группе ИТС. На рис. 5 представлена гистограмма распределения времени ПСР для правой руки. При визуальной оценке очевидно, что распределение показателей не совсем соответствует нормальному закону. Об этом свидетельствуют низкая величина критерия Шапиро-Уилка (p =0,02932 при критическом значении p> 0,05).
Как и в случае с лётным составом имеется асимметрия в сторону меньших значений времени реакции. Учитывая отрицательный тест по критерию Шапиро-Уилка (p<0.05) и несмотря на то, что критерий Колмогорова-Смирнова (p>0.2), гипотеза о нормальном законе распределения показателей ПСР не принимается. В связи с этим в последующем при статистической обработке данных группы ИТС будем использовать непараметрические методы.
Рис. 5. Гистограмма распределения в группе ИТС результатов ПСР правой рукой.
Fig. 5. Histogram of the distribution in the MP group of the results of the right-hand SSR.
По горизонтали: диапазоны времени, мс
Гистограмма данных по ПСР у ИТС для левой руки представлена на рис. 6. Здесь также нет полного соответствия распределения по нормальному закону. Если по тесту Колмогорова-Смирнова можно принять нулевую гипотезу (p>0.2), то критерий Шапиро-Уилка p=0.03 меньше критической величины p> 0,05.
Рис. 6. Гистограмма распределения результатов ПСР у ИТС (левая рука)
Fig. 6. Histogram of the distribution of SSR results in MP (left hand)
По горизонтали: диапазоны времени, мс
Уточняющую информацию для выбора метода изучения различий между двумя зависимыми выборками получили по результатам, приведенным на рис. 7.
Прямоугольные блоки отражают размах показателей ПСР в границах от 25 до 75% случаев, что соответствует 50% наблюдений для ПСР правой и левой руки соответственно. Обращает на себя внимание тот факт, что медианы показателей реакции для правой и левой руки различаются и составляют соответственно 179 и 196 мс. Разница в 17 мс в определенных ситуациях реального управления техническими объектами может оказаться критической как с точки зрения своевременности реализации управляющего механического действия, так и для безопасности.
Рис. 7. Диаграмма размаха скорости реакции ПСР в группе ИТС
Fig. 7. Diagram of the range of the PCR reaction rate in the ITS group
Таблица 2.
Статистические показатели различий ПСР правой и левой рукой в группе инженерно-технического состава.
Table 2.
Statistical indicators of the differences between the right and left hand SSR in the group of engineering staff.
|
Критерий знаков. Отмеченные критерии значимы на уровне p <,05000 |
||||
|
Число - несовп. |
Процент v < V |
Z |
p-уров. |
|
|
Engtech right hand & Engtech left hand |
46 |
100,0000 |
6,6348 |
0,000000 |
Из данных таблицы 2 видно, что уровень значимости (p=0.0000) существенно меньше критического значения p <0.05, поэтому факт достоверности более быстрой реакции правой рукой на звуковой раздражитель по сравнению с ПСР левой рукой в группе ИТС считаем доказанным.
Сравнительный анализ данных летного состава и ИТС
Из представленных выше данных, очевидно, что ПСР в группе летного состава более быстрая как для правой, так и для левой руки. Для правой руки разница между показателем средних величин и медиан соответственно составляет 35,4 и 40,5 мс, а для левой – 38,4 и 39 мс. Учитывая отклонение распределения данных показателей от нормального, с большим доверием необходимо отнестись к межмедианной разнице и принять за основу, что ПСР правой рукой в группе лётного состава была короче на 40,5 мс по сравнению с ПСР этой рукой в группе ИТС. Вместе с тем, такое утверждение нуждается в доказательстве. С этой целью использовали непараметрический критерий Манна-Уитни для независимых выборок (таблица 3).
Таблица 3.
Критерий Манна-Уитни. Оценка достоверности различий ПСР правой (Гр.1) и левой (Гр.2) рукой между группами лётного состава и ИТС.
Table 3.
Mann-Whitney criterion. Assessment of the reliability of the differences between SSR the right-handed (Gr.1) and left-handed (Gr.2) arms between groups of flight personnel and MP.
|
Группа |
Суммарный ранг |
U |
Z |
P<0.05 |
N Гр.1 |
N Гр.2 |
|
|
Сум.ранг Группа 1 |
Сум.ранг Группа 2 |
||||||
|
Common right hand |
578,500 |
2502,500 |
113,500* |
-6,22298* |
0,0000* |
30 |
48 |
|
Common left hand |
574,000 |
2507,000 |
109.000* |
-6.27020* |
0.0000* |
||
* - отмеченные критерии значимы на уровне P <0.05
Как видно из параметров, приведенных в табл. 3, уровень значимости (p=0.0000) различий показателей между обеими группами, как для ПСР правой рукой, так и для ПСР левой рукой, существенно меньше критического значения p <0.05, что позволяет считать факт достоверности таких различий доказанным.
Заключение.
Важным результатом проведенного исследования является факт, что скорость ПСР правой рукой у летного состава достоверно выше по сравнению с левой рукой. Причём, если эта разница в среднем составила 14 мс, то между медианами она достигла 18,5 мс. Вместе с тем можно утверждать, что с учётом разных типов распределения показателей для правой и левой руки статистически справедливой является разница в 19,87 мс или в 12,5%, а именно между средней арифметической величиной ПСР для левой руки (158,37 мс, принятой за 100%) и медианой (138,5 мс, составляющей 87,5%) для правой руки.
В группе ИТС установлены аналогичные закономерности при сравнительно более худших результатах относительно группы лётного состава. Если принять ПСР правой рукой ИТС за 100%, то у летного состава этот показатель по величинам медиан составил 77,37%, а для левой руки соответственно 80,1%. Вместе с тем, разница в скорости ПСР правой и левой рукой на звуковой раздражитель по разности медиан в группе ИТС составила 17 мс, что близко к данным по группе лётного состава.
Установленные статистически достоверные различия в скорости ПСР свидетельствует о профессиональных психофизиологических особенностях летчиков и штурманов, способствующих более быстрой двигательной реализации управляющих действий в полёте по сравнению с возможностью реагировать на звуковой стимул специалистов других авиационных профессий.
Полученные результаты являются закономерными, поскольку лётчики и штурманы проходят отбор с применением специальных тестов уже на этапе поступления в летные училища, в перечень которых входит, в том числе и тест ПСР. С другой стороны, полученные данные свидетельствуют о высокой эффективности принятой системы отбора и о высоком качестве специальной подготовки лётного состава.
Кроме того, сенсомоторные реакции летного состава важны с эргономической точки зрения для принятия решения о месте размещения технических средств управления, требующих быстрой и точной реакции, а именно справа или слева относительно члена экипажа, когда недостаточное внимание к установленной психофизиологической закономерности может оказаться критическим, как по причине своевременности реализации управляющего механического действия, так и в целом для безопасности не только членов экипажа, но и для всей системы «человек-технический объект» [4], [8], [10].
В перспективных исследованиях для обоснования эргономических требований к информационным моделям средствам отбора и подготовки лётного персонала необходимо проанализировать отечественные и зарубежные патенты, связанные с регистрацией психофизиологических показателей сенсомоторной деятельности при воздействии различных внешних и внутренних факторов [19], [20].
Представляется важным также учитывать количественные показатели ПСР, установленные в данной работе, в целях оценки психофизиологических параметров, как на этапах отбора претендентов, так и в системе медицинского обеспечения в процессе авиационной деятельности представителей различных авиационных специальностей.
