Экспериментальные исследования зрительной деятельности пилота при пилотировании ВС с электронной системой отображения информации

УДК 629.7.072.4

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ЗРИТЕЛЬНОЙ ДЕЯТЕЛЬНОСТИ ПИЛОТА ПРИ ПИЛОТИРОВАНИИ ВС С ЭЛЕКТРОННОЙ СИСТЕМОЙ ОТОБРАЖЕНИЯ ИНФОРМАЦИИ

И.Б. КУЗНЕЦОВ

Статья представлена доктором технических наук, профессором Столяровым Н.А.

Предложена методика и технические средства экспериментального исследования распределения и переключения внимания пилотом при пилотировании ВС с электронной системой отображения информации.

Ключевые слова: распределение и переключение зрительного внимания, пилотажные параметры, система отображения информации, режимы захода на посадку.

Исследования зрительной деятельности пилота в процессе пилотирования воздушного судна (ВС) с первых же шагов сталкивается со значительными трудностями, обусловленными на первый взгляд хаотичным характером распределения и переключения зрительного внимания (РПВ) пилота между различными полетными параметрами и приборами, высокой вариабельностью зрительных действий пилота, его индивидуальными особенностями и отсутствием объективно установленной, детерминированной связи между отдельными проявлениями этой деятельности, выступающими как фиксации взгляда на приборах или на внекабинном пространстве, и их результатами или следствиями в виде управляющих действий пилота. На протяжении всего полета независимо от выполняемой пилотажной задачи пилот непрерывно получает через зрительный канал информацию о пространственном положении ВС, его динамике и работе технических систем ВС, однако в каждый конкретный момент полета характер и количество получаемой им информации неизвестны. Более того, принимая во внимание чрезвычайно сложные механизмы получения, переработки и хранения информации пилотом, представляется принципиально трудным определить характер требуемой пилоту в данный момент полета информации и, следовательно, установить требуемую полетной ситуацией в рассматриваемый момент времени зрительную деятельность пилота. Даже восприятие пилотом любого объекта, как составная часть его зрительной деятельности, является сложным процессом, в котором к деятельности зрительного канала присоединяются не только еще другие чувства, но и деятельность нашего мышления [1].

По косвенным оценкам пилот получает через зрительный канал до 90 % требуемой информации, значительную часть которой предоставляет ему система отображения информации (СОИ) ВС. Однако несмотря на активное взаимодействие с СОИ в любом полете, пилот, как правило, практически ничего не может рассказать об используемых им принципах и закономерностях распределения зрительного внимания [2]. Значение зрительного канала в технике пилотирования несравнимо ни с одним из других каналов поступления информации пилоту. На этапе первоначального летного обучения это проявляется в том, как видит пилот "капот-горизонт", высоту выравнивания и высоту выдерживания. Отсутствие навыков получения визуальной информации, необходимой для пилотирования, ставит под сомнение саму возможность безопасно пилотировать самолет.

Особое значение приобретает умение считывать (видеть) полетную информацию при пилотировании ВС по приборам, особенно с электронной СОИ. Это важно при "оттачивании" техники пилотирования в ручном (директорном) режиме захода на посадку и крайне важно в слу-

чаях, когда пилотирующий пилот вынужден отвлечься и вновь вернуться к пилотированию по СОИ. К этим случаям летной деятельности можно отнести:

- необходимость ввода информации или коррекции пилотажно-навигационного комплекса в штатных режимах эксплуатации;

- включение или выключение тумблеров систем самолета;

- управляющие воздействия на силовую установку в случае отказа (выключения) автомата тяги;

- отказы систем самолета.

Поэтому на современном уровне изученности процесса взаимодействия пилота с СОИ наиболее правомерным и перспективным направлением исследований является такое, в котором определяются общие принципы и закономерности распределения зрительного внимания, используемые пилотом для управления ВС в пределах заданных эксплуатационных ограничений.

Ранее в авиации выполнялись научные исследования в целях оптимизации РПВ при пилотировании по стрелочным приборам на различных этапах полета [1, 3]. Анализ полученных результатов, а также изучение методических рекомендаций по летной эксплуатации отечественных ВС позволили предположить возможность исследования закономерностей и оптимизации РПВ при пилотировании ВС с электронными СОИ методом экспертного опроса опытных пилотов. В целях получения ответа на вопросы, связанные с актуальностью оптимизации РПВ пилота при пилотировании ВС на различных этапах полета, определения степени индивидуальности в технике пилотирования и степени влияния РПВ пилота при управлении ВС по приборам автором выполнено исследование субъективного мнения пилотов следующих типов ВС: А-320, В-737, В-767, Ан-148 и Ту-204. Таким образом, опрошены пилоты практически всех основных современных типов ВС зарубежного и отечественного производства с электронными СОИ.

В процессе экспертного опроса перед пилотами ставились одинаковые задачи по РПВ в зависимости от различных режимов захода на посадку. Устанавливался наиболее ответственный и напряженный этап полета - снижение по глиссаде при условии стабилизированного полета (механизация выпущена, режим работы двигателей и оборудования стабильные, ВС на глиссаде снижения).

Каждому опрашиваемому выдавался опросный лист с изображением СОИ эксплуатируемого типа ВС, условиями пилотирования (табл. 1) и считываемыми параметрами СОИ (табл. 2).

Таблица 1

Режимы захода на посадку

№ пп. Режим захода на посадку Условия пилотирования ВС

1. Директорный с АТ Пилотирование вручную по директорным стрелкам с работающим автоматом тяги

2. Директорный без АТ Пилотирование вручную по директорным стрелкам с отключенным автоматом тяги

3. VOR или NDB Заход по неточным системам с отключенным автоматом тяги

4. По резервным приборам Основные пилотажно-навигационные дисплеи выключены. Пилотирование осуществляется по резервным приборам.

Опрашиваемым пилотам предлагалось, имея перед глазами изображение СОИ в посадочном режиме конкретного типа ВС, изобразить схемы РПВ, которые они используют в повседневной практике, в виде логических цепей в следующих режимах захода на посадку: дирек-торный с автоматом тяги; директорный без автомата тяги; VOR или NDB; заход на посадку по резервным приборам. Примеры полученных логических цепей РПВ, сформированных КВС А-320, представлены ниже:

1) 5-3-1-2-4-6-7;

2) 5-3-1-2-7-4-6;

3) 5-8-2-1-7-6;

4) 5-1-2-3-4-8;

3-2-5-6-1; 1-3-2-7-5-6;

4-3-1-2-5-6-8;

5-1-3-2-8-7-6.

5-6-7;

2-1-7-3-4-6-5; 8-2-1-3-4-5-7; 5-3-8-2-1-4.

5-1-2-6-3-4-8-7; 5-1-2-7-6-3-4-8; 5-1-2-7-6-3-4-8; 5-1-2-3-4-6-7.

Пилотажные параметры, отображаемые СОИ

1-4-3-4-6-5-7;

1-7-2-3-4-5-6;

2-4-5-1-8-1-3; 1-2-3-4-5-6.

Таблица 2

№ пп. Параметр пилотирования Присвоенный индекс

1. Скорость приборная (Упр.) 1

2. Вертикальная скорость снижения (Vy) 2

3. Высота полета (Н) 3

4. Курс 4

5. Показания авиагоризонта 5

6. Режим захода на посадку (по пилотажному прибору - FMA) 6

7. Обороты двигателей 7

8. Отклонение ВС по курсу при заходе по VOR или NDB 8

9. Директорные стрелки 9

10 КГС стрелки 10

В результате анализа полученных анкет от 45 пилотов удалось сформулировать следующие выводы:

1. Вопрос РПВ важен для всех респондентов. При этом небольшая часть пилотов отметила, что при пилотировании по электронной СОИ они видят сразу весь пилотажный дисплей.

2. Никто из опрашиваемых не смог указать источник знаний (учебник, нормативный документ), позволяющий изучить правила и закономерности РПВ при пилотировании ВС с электронными СОИ. Как правило, каждый пилот индивидуально формирует правила и закономерности РПВ.

3. По полученным результатам невозможно установить оптимальные маршруты и сформулировать закономерности РПВ.

Таким образом, обобщить и научно обосновать оптимальные маршруты РПВ с применением метода экспертного опроса не представляется возможным. Поэтому автором предложена методика инструментального исследования РПВ при пилотировании ВС с электронными СОИ.

Возможность инструментального исследования РПВ пилота основывается на том, что взгляд пилота движется рывками, замирая в некоторых точках - пилотажных параметрах, а затем быстро перемещаясь в другую точку. При этом восприятие и переработка пилотажной информации происходит именно в тех точках фиксации, где взгляд замирает. Поэтому была поставлена задача определения оптимального технического средства, которое позволит произвести соответствующие замеры в кабине современного ВС. Анализ применяемых технических средств регистрации взгляда человека показал, что принципиально можно выделить следующие методики исследования: регистрация с использованием свойств электрического характера -электроокулография и методы фиксации непосредственно взгляда - видеоокулография. Все они отличаются точностью, комфортностью и подходами к анализу движений глаз. При этом точность измерения параметров у этих систем примерно одинакова и находится в районе 0,5°  1°. Принцип регистрации с использованием электроокулографии заключается в том, что роговица, т.е. передняя часть глаза, всегда имеет положительный заряд, а сетчатка - отрицательный. При этом поворот глаз сопровождается поворотом зарядов, который вызывает изменение разности потенциалов в окрестности глаз, т.е. изменение потенциала пропорционально углу поворота глаза. Неудобство использования такого метода состоит в том, что необходимо с помощью лейкопластыря на лице пилота закреплять несколько электродов с подсоединением их к усилителю. Преимущества - пилот не стеснен в поворотах головы. Принцип регистрации с использова-

нием видеоокулографии основывается на выделении зрительных маршрутов, т.е. анализе перемещения взгляда по какому-то объекту или экрану монитора путем статистического или фактурного анализа этих движений посредством оценки времени и частоты фиксаций взгляда на объекте - параметре. Системы такого типа бывают двух видов: стационарные и одеваемые на голову в виде специальных оптических устройств. К преимуществам таких систем следует отнести возможность отслеживания РПВ и определения времени фиксации взгляда на конкретном параметре. К недостаткам - сложности по установке в исследуемом помещении и стеснение движения головы пилота в случае использования переносной системы, а также высокую стоимость оборудования.

Ранее в гражданской авиации аналогичные исследования выполнялись с помощью биотехнических комплексов [4]. В настоящее время в отрасли биотехнические комплексы не используются и практически отсутствуют.

На основании вышеизложенного наиболее оптимальным явилось использование для инструментального исследования РПВ метода видеоокулографии с применением прибора NAC Eye Mark Recorder. Данный прибор позволяет свободно двигаться голове пилота, определять и записывать визуальную метку движения глаза путем фокусировки освещенной метки, отраженной от глазного яблока пилота. При этом метка накладывается и записывается на магнитный носитель вместе с полем зрения пилота - СОИ ВС. Состав оборудования прибора NAC Eye Mark Recorder показан на рис. 1, основными составляющими которого являются: оптическая система метки глаза 1, записывающий адаптер 2 (соединяется с ПЭВМ) и автономный источник питания 3 (аккумулятор).

Установка данного оборудования на голову пилота показана на рис. 2.

Рис. 1. Состав оборудования прибора NAC Рис. 2. Крепление оборудования для записи на Eye Mark Recorder голове пилота

Пример получаемой информации РПВ с помощью прибора NAC Eye Mark Recorder в виде метки направления взгляда пилота на фоне электронной СОИ показан на рис. 3. С помощью специального программного обеспечения проводилась синхронизация информации о РПВ и показаний СОИ. Пример синхронизации режима захода на посадку по резервным приборам показан на рис. 4.

Дополнительно в целях синхронизации записей полетов и их расшифровки использовалась видеосъемка штатными средствами комплексного тренажера самолета (КТС) Ту-204 (рис. 5).

В целях анализа особенной РПВ различными пилотами использовались штатные средства объективного контроля КТС Ту-204 (рис. 6), которые обобщались в виде таблиц с указанием контрольных точек и точности выдерживания пилотажных параметров (табл. 3).

Рис. 3. Изображение записи метки, Рис. 4. Синхронизация видеоизображения

фиксирующей взгляд пилота внутри кабины ВС и информации

о направлении взгляда пилота

Рис. 5. Пример кадра записи изображения Рис. 6. Пример фиксируемой информации внутри кабины КТС Ту-204 о полете на КТС Ту-204

Таблица 3

Пример обобщенных регистрируемых параметрах о полете на КТС Ту-204

№ Регистрируемые параметры Заходы на посадку

пп. 1 2 3 4 5 6

1. Пролет Н 224 222 212 202 215 175

ДПРМ V 237 240 251 241 236 257

2. Пролет БПРМ Н V 84 237 73 238 70 244 15 238 59 242 53 258

Касание ъ -0,7 5,5 -0,9 -11 -13,8 6,5

ВПП X 432 441 696 645 678 849

крен -0,4 -0,1 -2,9 0,9 5,1 -2,0

3. тангаж 1,0 -0,2 0,9 0,7 0,4 -0,1

Vy 0,84 -1,0 -1,2 -1,17 -1,19

Vпр. 236 235 236 225 223 231

Пу 1,17 1,12 0,99 0,8 0,96 0,96

В экспериментальных полетах участвовали 6 пилотов - командиров ВС Ту-204 из трех ведущих авиакомпаний. Полеты выполнялись по шести ранее разработанным сценариям, приведенным в табл. 4.

Таблица 4

Перечень сценариев экспериментальных полетов

№ пп. Режим захода на посадку Условия пилотирования ВС

1. Автоматический режим Автоматический режим с автоматом тяги

2. Директорный с автоматом тяги Пилотирование вручную по директорным стрелкам с работающим автоматом тяги

3. Директорный без автомата тяги Пилотирование вручную по директорным стрелкам с отключенным автоматом тяги

4. VOR или NDB Заход по неточным системам с отключенным автоматом тяги

5. Директорный режим Директорный режим с моделированием отказа (пожара) одного двигателя

6. По резервным приборам Основные пилотажно-навигационные дисплеи выключены. Пилотирование осуществляется по резервным приборам.

Все полеты выполнялись в одинаковых метеорологических условиях без моделирования болтанки и сдвига ветра с целью сглаживания различий в летном опыте пилотов и концентрации на вопросе РПВ. Запись маршрутов РПВ начиналась после передачи пилотирования от второго пилота непосредственно командиру ВС при условии полной стабилизации захода на посадку. Дополнительно были выполнены два полета с виражами при крене до 40° и аварийное снижение. Общая продолжительность летного эксперимента составила семь дней с записью 162 минут летного времени.

Полученные записи преобразовывались специальным программным обеспечением в стандартные файлы .ау1. С применением программы У1г!иаШиЬ и с точностью до 0,04 с производилась расшифровка маршрутов РПВ с фиксацией полетного параметра и времени нахождения на нем взгляда пилотирующего пилота. Пример расшифровки маршрутов РПВ показан в табл. 5.

Зафиксированные экспериментальные данные содержат маршруты РПВ и время нахождения на параметре при пилотировании практически по всем основным режимам захода на посадку современных ВС с электронными СОИ. Полученные результаты после дешифровки по соответствующей методике и программе будут использованы для подтверждения соответствия теоретических закономерностей и общих принципов РПВ, используемых пилотом для организации зрительной деятельности с электронными СОИ, изложенными в [5].

Таблица 5

Пример отображения расшифрованных экспериментальных результатов РПВ

№ пп. Параметр Маршрут и время на параметре, с

1. V пр. 0,24 0,36

2. Vy

3. Дир. Стр 1,48 1,36 0,92 2,32 0,96

4. Н 0,32

5. КГС стр. 0,76

6. Крен

7. Вне ПП

8. Курс

9. Уг. атаки 0,6

ЛИТЕРАТУРА

1. Завалова Н.Д, Ломов Б.Ф, Пономаренко В.А. Образ в системе психологической регуляции деятельности.

- М.: Наука, 1986.

2. Spady Jr., Harris St. Summary of NASA Langley's Pilot Scan Behavior Research//SAE Paper 831424. Second Aerospace Behavioral Engineering Conference, Long Beach, CA, - Oct. 1983 // Вопросы кибернетики. - М., 1978.

- Вып. 51. - С. 59 - 66.

3. Качоровский И.В. Распределение и переключение внимания при полетах по приборам. - М. Воениздат, 1972.

4. Иванов В.Г, Столяров Н.А, Гольверк Э.Л, Бучацкий А.А. Биотехнические комплексы как составляющая часть лабораторно-экспериментальной базы для эргономических исследований // Вопросы кибернетики. - 1978.

- Вып. 51. - С. 59 - 66.

5. Кузнецов И.Б. Теоретические основы исследования закономерностей распределения внимания пилота при пилотировании по приборам // Проблемы летной эксплуатации и безопасности полетов: межвуз. сб. науч. тр.

- СПб. - 2010. - Вып. IV. - С. 55 - 62.

EXPERIMENTAL STUDY OF PILOT'S VISUAL ACTIVITY WHILE AIRCRAFT PILOTING WITH

ELECTRONIC SYSTEM OF VIEW

Kuznetsov I.B.

The methodology and technical facilities of experimental research of pilot's attention distribution and change-over while aircraft piloting with electronic system of view have been offered.

Key words: visual attention distribution and change-over, piloting parameters, data display system, approach to land mode.

Сведения об авторе

Кузнецов Игорь Борисович, 1955 г.р., окончил ОЛА ГА (1977), кандидат технических наук, заслуженный работник транспорта РФ, директор ФГУП "Учебно-тренировочный центр" СПб, автор 16 научных работ, область научных интересов - летная эксплуатация ВС, исследование вопросов совершенствования пилотирования и подготовки летного состава.