Способ оценивания качества пилотирования самолета летчиком на этапе выравнивания перед касанием
METHOD OF ASSESSING THE PILOT'S PILOTING QUALITY AT THE LEVELING STEP BEFORE TOUCHING

Изобретение относится к управлению безопасностью полетов и может быть применено для оценивания качества выравнивания воздушного судна перед касанием, например, в целях совершенствования техники пилотирования, а также для оценивания влияния ряда факторов, в том числе усталости, на уровень безопасности полетов. Здесь под качеством выравнивания понимается адекватность действий летчика на выравнивании значениям параметров полета в момент достижения высоты начала выравнивания.
Из уровня техники известно, что жесткие (грубые) посадки являются одним из наиболее распространенных типов авиационных событий, составляя до четверти инцидентов, аварий и катастроф, произошедших на взлетно-посадочной полосе, и до 12 % всех событий, зарегистрированных в мировой гражданской авиации. [Пилоту о предотвращении грубых посадок / В.М. Буряков, Г.С. Егоров, В.А. Еремин и др. - М.: Транспорт, 1990. - 47 с. - (Безопасность движения на транспорте)], [Stabilized Approach and Flare Are Keys to Avoiding Hard Landings/ Flight Safety Digest Vol. 23 No. 8- August 2004 - Flight Safety Foundation], [2015 Statistical Summary- July 2016 - Aviation Safety Boeing Commercial Airplanes].
Тяжесть последствий грубых посадок может быть достаточно серьезной, вплоть до полного разрушения воздушного судна, и, в любом случае, при подозрении на грубую посадку, самолет на значительный срок выбывает из расписания: только на осмотровые работы затрачивается не менее 4-6 часов. В случае обнаружения повреждений простой самолета, связанный с ремонтом, может увеличиться до нескольких суток и более - в зависимости от степени и характера повреждений.
Жесткость посадки определяется величиной вертикальной (нормальной) перегрузки в момент касания. При этом, как известно, основным (но не единственным) фактором, влияющим на перегрузку, является вертикальная скорость приземления: чем меньше вертикальная скорость, тем более мягкой будет посадка. [Николаев Л.Ф, Аэродинамика и динамика полета транспортных самолетов: Учеб. Для вузов. - М.: Транспорт, 1990. - 392 с.]. Предназначение выравнивания, как одного из участков посадки, заключается в погашении вертикальной скорости воздушного судна перед касанием до приемлемых значений.
В настоящее время оценка качества пилотирования с точки зрения жесткости приземления производится практически во всех авиакомпаниях Российской Федерации по балльной системе на основании зарегистрированного в зоне касания значения нормальной перегрузки. Соотношение балльной оценки "неудовлетворительно" и величины перегрузки при этом зависит от значения ограничения для конкретного типа самолета, остальные оценки могут быть назначены экспертным путем. Для отдельных типов самолетов оценки могут официально задаваться предприятием-разработчиком. Так, например, AIRBUS для самолетов А320 устанавливает следующие уровни перегрузки на касании [A320 Flight Profile Specification - AIRBUS AFPS_M2_00412_0003_2205_001.000-11/11/2003]:
LOW (низкий уровень опасности) - предел 1.5 g
MEDIUM (средний уровень опасности) - предел 1.6 g
HIGH (высокий уровень опасности) - предел 1.75 g,
2
где g=9,81 м/с - ускорение свободного падения.
Однако, анализ статистики грубых посадок только по величине перегрузки в зоне касания, не позволяет определить степень адекватности выравнивания начальным условиям и, следовательно, оценить качество пилотирования на этом этапе для конкретного летчика.
Из аналогов уровня техники известен «Способ оценки и анализа техники пилотирования по данным бортовых устройств регистрации параметрической полетной информации», включающий в том числе:
- считывание зарегистрированной информации с бортового устройства регистрации самолета;
- обработку полетной информации с идентификацией элементов полета и определение значений контролируемых параметров в конкретных точках и на участках траектории полета;
- сравнение результатов идентификации элементов полета и параметров их выполнения с данными полетного задания,
- запись результатов оценки и анализа в базу данных и их хранение в качестве статистического материала;
- анализ данных статистики с получением обобщенных данных о летной подготовке экипажей авиационной части (Патент №2628031 заявка №2016132764 от 09.08.2016 г. Опубликовано: 14.08.2017 в Бюл. №23).
Недостатком известного способа является то, что в нем отсутствуют критерии оценки качества пилотирования на этапе (участке) выравнивания, ввиду чего невозможно оценить адекватность действий летчика на выравнивании значениям параметров полета в момент достижения высоты начала выравнивания и, следовательно, определить факторы риска возможной грубой посадки.
Наиболее близким по технической сущности к предполагаемому изобретению является известный способ оценивания качества пилотирования самолета летчиком на этапе посадки по данным штатного бортового устройства регистрации, включающий регистрацию параметров полета самолета и действий летчика штатным бортовым устройством регистрации, передачу их в наземное устройство автоматизированной обработки полетной информации, сравнение зарегистрированных значений параметров полета самолета со значениями, установленными нормативными документами, и на этой основе принятие решения о качестве пилотирования самолета летчиком (Патент RU №2436164, патентообладатель: Федеральное государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Военный авиационный инженерный университет" (г. Воронеж) Министерства обороны Российской Федерации (RU), авторы / С.П. Полуэктов, В.В. Кашковский, И.И. Тихий, И.П. Лапин. - заявлено 01.10.2010; опубликовано 10.12. 2011).
В основе известного принятого за прототип изобретения - способа оценивания качества пилотирования на этапе посадки, лежит оценка по параметру плотности распределения высокочастотной составляющей угла отклонения ручки управления самолетом по тангажу.
Недостатком этого способа, на который в другом источнике указывают сами авторы, является то, что "предложенный критерий оценивает [по сути] … манеру управления самолетом …, которая непосредственно связана с уровнем подготовки летчика" (Тихий И.И. Оценка качества пилотирования в режиме полета по глиссаде / Тихий И.И., Кашковский В.В., Полуэктов С.П. // Научный вестник МГТУ ГА, серия Аэромеханика и прочность- №138.-2009. - с. 191-197). Здесь так же отсутствуют критерии оценки качества пилотирования на этапе (участке) выравнивания, что не позволяет непосредственно оценить адекватность действий пилота на выравнивании значениям параметров полета в момент достижения высоты начала выравнивания. Соответственно, при использовании указанного способа, отсутствует возможность выявления ошибок летчика на этапе выравнивания, которые могут привести к грубой посадке.
Задачей заявляемого изобретения является разработка критериев (показателей) оценки качества выравнивания и, на их основе, способа оценивания качества пилотирования самолета летчиком на этапе выравнивания перед касанием.
Техническим результатом заявляемого способа является устранение недостатков изобретения - способа, принятого за прототип, путем реализации возможности получения формализованных измеряемых показателей качества выравнивания как этапа, в основном определяющего жесткость посадки.
Технический результат заявляемого изобретения достигается тем, что, по сравнению с изобретением, принятым за прототип - способом оценивания качества пилотирования самолета летчиком на этапе посадки по данным штатного бортового устройства регистрации, включающим регистрацию параметров полета самолета и действий летчика штатным бортовым устройством регистрации, передачу их в наземное устройство автоматизированной обработки полетной информации, сравнение зарегистрированных значений параметров полета самолета со значениями, установленными нормативными документами, и на этой основе принятие решения о качестве пилотирования самолета летчиком, в заявляемом изобретении - способе оценивания качества пилотирования самолета летчиком на этапе выравнивания перед касанием, в наземное устройство автоматизированной обработки полетной информации вводят дополнительный программный блок расчета показателей выравнивания, посредством которого формируют массив данных, представляющий собой набор пар значений высоты и вертикальной скорости в определенные моменты времени и описывающий реализуемую летчиком в процессе выравнивания зависимость вертикальной скорости снижения от высоты, и рассчитывают коэффициенты уравнения и коэффициент детерминации прямой, аппроксимирующей указанную зависимость, после чего полученные коэффициенты используют как формализованные измеримые показатели качества выравнивания, производя оценку качества пилотирования на выравнивании для каждой посадки в соответствии с принятыми нормативными значениями
Такими существенными отличительными признаками, как «в наземное устройство автоматизированной обработки полетной информации вводят дополнительный программный блок расчета показателей выравнивания, посредством которого формируют массив данных, представляющий собой набор пар значений высоты и вертикальной скорости в определенные моменты времени и описывающий реализуемую летчиком в процессе выравнивания зависимость вертикальной скорости снижения от высоты, и рассчитывают коэффициенты уравнения и коэффициент детерминации прямой, аппроксимирующей указанную зависимость, после чего полученные коэффициенты используют как формализованные измеримые показатели качества выравнивания, производя оценку качества пилотирования на выравнивании для каждой посадки в соответствии с принятыми нормативными значениями», достигается такой технический результат, как реализация возможности получения формализованных измеряемых показателей качества выравнивания как этапа, в основном определяющего жесткость посадки, позволяющего решить задачу заявляемого изобретения - разработку способа оценивания качества пилотирования самолета летчиком на этапе выравнивания перед касанием.
Кроме того, такие существенные отличительные признаки при использовании показателей качества выравнивания позволяют, при введении предельно допустимых (пороговых) значений, получить дополнительный технический результат - выявить группы риска среди летчиков по фактору жесткой (грубой) посадки.
Кроме того, такие существенные отличительные признаки при использовании показателей качества выравнивания позволяют получить дополнительный технический результат - могут использоваться для оценивания снижения качества пилотирования по причине, например, усталости (накопленной усталости), а также в качестве инструмента оценивания результатов проведенных мероприятий.
Заявляемое изобретение поясняется чертежами, на которых изображены:
Фиг. 1 - Структурная схема системы, реализующей предлагаемый способ;
Фиг. 2 - Зависимость вертикальной скорости от высоты на выравнивании для посадки в автоматическом режиме по данным полетной информации, перегрузка на касании 1,18 g;
Фиг. 3 - Зависимость вертикальной скорости от высоты на выравнивании для посадки в ручном режиме по данным полетной информации, перегрузка на касании 1,26 g;
Фиг. 4 - Зависимость вертикальной скорости от высоты на выравнивании для посадки в ручном режиме по данным полетной информации, перегрузка на касании 1,63 g;
Фиг. 5 - Зависимость вертикальной скорости от высоты на выравнивании для посадки в ручном режиме по данным полетной информации, перегрузка на касании 1,69 g;
Фиг. 6 - Зависимость вертикальной скорости от высоты на выравнивании для посадки в ручном режиме по данным полетной информации, перегрузка на касании 1,96 g;
Фиг. 7 - Статистика коэффициентов отклонения процесса выравнивания от эталонного вида по посадкам для автопилота (посадки в автоматическом режиме);
Фиг. 8 - Статистика коэффициентов отклонения процесса выравнивания от эталонного вида по посадкам для шеф-пилота;
Фиг. 9 - Статистика коэффициентов отклонения процесса выравнивания от эталонного вида по посадкам для самолета (регулярная смена экипажей);
Фиг. 10 - Статистика коэффициентов отклонения процесса выравнивания от эталонного вида по посадкам для линейного пилота;
Фиг. 11 - Величина коэффициента отклонения процесса выравнивания от эталонного вида в зависимости от длительности полета для группы пилотов.
Возможность реализации заявленного способа оценивания качества пилотирования самолета летчиком на этапе выравнивания перед касанием, может быть обеспечена посредством системы, сущность которой представлена на фиг. 1.
Система содержит бортовое устройство регистрации 1 (фиг. 1), установленное непосредственно на самолете и обеспечивающее регистрацию параметров полета самолета и действий летчика штатным бортовым устройством регистрации и канал связи для передачи параметров полета самолета в наземное устройство автоматизированной обработки полетной информации (на чертеже не показано). Наземное устройство автоматизированной обработки полетной информации (на чертеже не показано) включает устройство преобразования и первичной обработки информации 2 (фиг. 1), блок ввода дополнительных параметров 3 (фиг. 1), посредством которого в устройство преобразования и первичной обработки информации 2 (фиг. 1) вводятся данные, которые не регистрируются бортовым устройством 1 (фиг. 1), в том числе идентификатор летчика. Также наземное устройство автоматизированной обработки полетной информации включает программный блок определения характерных точек полета 4 (фиг. 1), служащий в том числе для определения момента касания самолетом взлетно-посадочной полосы, программный блок допускового контроля параметров 5 (фиг. 1) и вновь введенный программный блок расчета показателей выравнивания 6 (фиг. 1), посредством которого формируют массив данных, представляющий собой набор пар значений высоты и вертикальной скорости в определенные моменты времени и описывающий реализуемую летчиком в процессе выравнивания зависимость вертикальной скорости снижения от высоты и рассчитывают коэффициенты уравнения и коэффициент детерминации прямой, аппроксимирующей указанную зависимость. Описываемая система также включает программный блок вывода результатов обработки 7 (фиг. 1) и базу данных 8 (фиг. 1). На основании данных полетной информации для каждой посадки рассчитываются коэффициенты уравнения аппроксимирующей прямой для реализуемой летчиком на этапе выравнивании зависимости вертикальной скорости от высоты, а также коэффициент детерминации этой прямой. Указанные коэффициенты имеют конкретный физический смысл и могут служить показателями качества выравнивания. На основании статистики, накопленной по показателям, возможно проведение узконаправленных корректирующих мероприятий, направленных на предотвращения грубых посадок.
Система управления полетом, реализующая данный способ, работает следующим образом.
Инструментально зарегистрированная бортовым устройством регистрации 1 информация о параметрах полета самолета и действиях летчика после посадки самолета поступает в устройство преобразования и первичной обработки информации 2 наземного устройства автоматизированной обработки полетной информации, в котором осуществляется преобразование данных в значения параметров полета в привязке ко времени. Посредством блока ввода дополнительных параметров 3 в устройство преобразования и первичной обработки информации 2 вводятся данные, которые не регистрируются бортовым устройством 1, в том числе идентификатор летчика. Посредством программного блока определения характерных точек полета 4 определяют характерные точки полета, в том числе, момент касания самолетом взлетно- посадочной полосы. Затем полетная информация разделяется на два информационных потока. Первый поток направляется в программный блок допускового контроля параметров (экспресс-анализа) 5 для выявления возможных отказов авиационной техники и отклонений в технике пилотирования на основании пороговых значений, определенных действующими нормативными документами. Второй поток содержит данные о значениях высоты и вертикальной скорости в моменты времени "касание минус 5 секунд" … "касание минус 1 секунда" с интервалом 1 секунда и направляется в программный блок расчета показателей выравнивания 6. В программном блоке расчета показателей выравнивания 6 производится, например, методом наименьших квадратов, расчет коэффициентов прямой, аппроксимирующей зависимость вертикальной скорости от высоты, а также расчет коэффициента детерминации для полученной прямой. Далее в программном блоке вывода результатов обработки 7 формируется совместный протокол результатов расчета по итогам работы блоков 5 и 6, данные которого, включая идентификатор летчика, загружаются в базу данных 8 в качестве самостоятельных атрибутов. Затем, с использованием программного обеспечения обработки данных, например, MS Excel, производится сортировка показателей по летчикам, по датам, по аэропортам посадки, маршрутам, длительности полета и пр.
Сущность предлагаемых показателей качества выравнивания заключается в следующем. Из уровня техники известно, что при посадках самолета в автоматическом режиме, то есть под управлением автопилота, случаев грубых посадок практически не бывает. Алгоритм работы автопилота на выравнивании, как правило, основан на выдерживании вертикальной скорости пропорционально высоте, то есть, учитывая, что вертикальная скорость есть производная высоты по времени:
dH/dt ~ H
где H - высота, t - время.
Данные полетной информации подтверждают этот закон - фиг. 2. Точки на графике соответствуют моментам времени "касание - 5 сек" … "касание - 1 сек".
Действия летчика на посадке в ручном режиме так же направлены на снижение вертикальной скорости от установившегося значения при полете по глиссаде до ограниченного посадочного значения (как правило, не более 1 м/с, что для иностранных самолетов соответствует примерно 200 футов в минуту). Погашение вертикальной скорости осуществляется перемещением штурвальной колонки "на себя", причем темп и величина перемещения задаются в зависимости от скорости обратного отсчета высоты и величины вертикальной скорости на момент начала выравнивания.
Примеры зависимостей вертикальной скорости от высоты на выравнивании для посадок в ручном режиме по данным полетной информации приведены на фиг. 3...6. Все данные получены на базе флота самолетов Boeing-747-400, Boeing-747-8 авиакомпании "ЭйрБриджКарго".
2
2
На каждой диаграмме фиг. 2…6 приведено уравнение аппроксимирующей прямой и величина коэффициента детерминации R. Так, для фиг. 2, коэффициенты уравнения y = - 10,981x - 208,09; R = 0,9984 можно интерпретировать следующим образом:
- линейный коэффициент при аргументе (-10,981) показывает, сколько футов в минуту вертикальной скорости гасится на каждый фут высоты, т.е., это коэффициент интенсивности выравнивания;
- свободный член уравнения (-208,09) это прогнозируемый остаток непогашенной вертикальной скорости к моменту касания;
2
2
- коэффициент детерминации R (0,9984) показывает близость процесса к эталонному (R = 1). В частности, отклонения точек в обе стороны от аппроксимирующей прямой свидетельствуют о знакопеременном движении штурвальной колонки на выравнивании (наиболее выражено на фиг. 6), что является признаком недостаточного уровня техники пилотирования либо о воздействии в данном случае на пилота дополнительных негативных внешних факторов, например, плохого самочувствия или усталости.
На основании анализа более чем 30000 посадок установлено, что в случаях зарегистрированных жестких посадок, по крайней мере один из описанных выше коэффициентов существенно отличается от среднестатистического для авиакомпании значения.
2
На фиг. 7 представлена статистика коэффициента близости процесса к эталонному виду (коэффициента детерминации R) по посадкам, посадки отсортированы по датам - для автоматических заходов на посадку.
2
На фиг. 8 представлена статистика коэффициента близости процесса к эталонному виду (коэффициента детерминации R) по посадкам, посадки отсортированы по датам - для шеф-пилота.
2
На фиг. 9 представлена статистика коэффициента близости процесса к эталонному виду (коэффициента детерминации R) по посадкам, посадки отсортированы по датам - для посадок на отдельно взятом самолете при регулярной смене экипажей. Представление информации в подобном виде позволяет командно-летному составу оперативно определить полеты с высоким риском грубой посадки - по «выбросам»-минимумам значений параметра.
2
На фиг. 10 представлена статистика коэффициента близости процесса к эталонному виду (коэффициента детерминации R) по посадкам, посадки отсортированы по датам - для одного из линейных пилотов.
2
При анализе статистики R, приведенной на фиг. 10, выявлено, что почти все "выбросы"-минимумы соответствуют длительным перелетам с пересечением нескольких часовых поясов (Гонконг-Москва, Шанхай-Москва, Денвер-Амстердам), то есть, налицо воздействие фактора усталости. Таким образом, при планировании расписания по экипажам, необходимо учитывать индивидуальные показатели утомляемости данного пилота.
2
Летчики с повышенной утомляемостью на длительных перелетах могут быть также выявлены путем представления статистики R в зависимости от длительности полета. Данные по группе таких летчиков (12 человек) представлены на фиг. 11.
Таким образом, в случае использования перечисленных выше коэффициентов как формализованных измеримых показателей качества выравнивания, представляется возможным производить оценку качества пилотирования на выравнивании и, на основании результатов, проводить мероприятия по дополнительному обучению конкретных летчиков, направленных на предотвращения жестких (грубых) посадок.
Кроме того, указанные показатели могут быть использованы в рамках системы управления рисками, связанными с усталостью.
Предлагаемое техническое решение является новым, поскольку из общедоступных сведений не известен способ оценивания качества пилотирования самолета летчиком на этапе выравнивания перед касанием, основанный на расчете коэффициентов уравнения и коэффициента детерминации прямой, аппроксимирующей реализуемую летчиком в процессе выравнивания зависимость вертикальной скорости снижения от высоты.
Предлагаемое техническое решение - способ оценивания качества пилотирования самолета летчиком на этапе выравнивания перед касанием - имеет изобретательский уровень, поскольку из опубликованных научных данных и известных технических решений явным образом не следует, что заявленная последовательность операций и оценивание качества пилотирования самолета летчиком на этапе выравнивания перед касанием, основанное на расчете коэффициентов уравнения и коэффициента детерминации прямой, аппроксимирующей реализуемую пилотом в процессе выравнивания зависимость вертикальной скорости снижения от высоты, приводят к повышению надежности, объективности и достоверности оценивания качества пилотирования самолета летчиком на этапе выравнивания перед касанием по данным штатного бортового устройства регистрации.
Технико-экономическая эффективность предложенного способа заключается в существенном снижении вероятности совершения жесткой (грубой) посадки за счет формирования более высокого уровня летной подготовки на основании повышения надежности, объективности и достоверности оценивания качества пилотирования на этапе выравнивания.