Методика расчета балльных оценок за технику пилотирования по результатам записей бортовых регистраторов

ВВЕДЕНИЕ

Одной из наиболее важных и сложных задач является подготовка летного состава. От решения этой задачи напрямую зависит безопасность полетов. Непрерывное повышение квалификации летного персонала поможет предупредить и исключить появления ошибок в технике пилотирования, предотвратить допуск к выполнению очередного полетного задания неподготовленного пилота, построить объективные и оптимальные планы подготовок. Каждый педагог и пилот-инструктор оценивает качество выполнения полета по-своему. Из этого следует, что оценка не всегда является точной и объективной. Чтобы прийти к единому принципу оценивания и исключить вероятности завышения и занижения оценок, целесообразным решением является автоматизация этого процесса с применением комплексного показателя качества техники пилотирования при выполнении заданного программами летной подготовки, упражнения.

Большинство существующих методик основаны на сравнении текущих значений параметров оценивания с допустимыми значениями. Однако в настоящее время данную функцию выполняют наземные устройства обработки полетной информации (НУОПИ), в которых выход за летное ограничение предусмотрен при экспресс анализе записей бортовых регистраторов [1][2][3].

Наиболее близким решением по данной теме является методика параметрического мониторинга полета, которая проводится при использовании модуля Экспертной Системы Комплексной Оценки Реальных Тенденций Техники Пилотирования (ЭСКОРТ ТП) [4][5]. По идее авторов статьи, «оптимальный полет» представляет собой 20–30 контролируемых эталонных точек по всему профилю полета. Самым сложным в оценке качества пилотирования является выбор повторяющихся по множеству полетов этапов, на которых самолет пилотируется в ручном режиме, а именно участок захода на посадку. Данные соображения позволяют сделать вывод о том, что идея оптимального полета из 20–30 контролируемых эталонных точек «по всему профилю полета» представляется непродуктивной.

В работе предложены для реализации комплексные показатели оценки качества техники пилотирования по отклонениям значений параметров от эталонов с учетом значимостей параметров оценивания и их корреляционной зависимости, что позволит исключить субъективизм оценивания, повысить достоверность результатов оценивания и безопасность полетов.

МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДЫ

Авторы предлагают принципиально новый подход к оценке качества пилотирования. Предполагается, что параметры полета в контрольных точках квалифицированно выполненного посадочного маневра коррелированы между собой. При этом возможны различные варианты методик для оценивания этой корреляционной зависимости, охватывающие разные аспекты оценки качества пилотирования.

На первом этапе исследований была реализована опытная методика оценивания качества пилотирования при выполнении предпосадочного маневра среднемагистрального воздушного судна (ВС). Опытная методика позволяет оценить качество пилотирования как для посадочного маневра в целом, так и для его отдельных этапов [6][7][8]. Цель методики – доказательство адекватности предложенных модели пилотирования ВС и концепции оценки качества пилотирования, а также отработка алгоритмов программного обеспечения (ПО).

Методика предполагает, что по данным бортовых устройств регистрации в каждом полете автоматически выявляются контрольные точки. Параметры, измеренные в контрольных точках, образуют вектор измерения значений параметров. Множество реализаций посадочного маневра образуют прямоугольную матрицу наблюдения M, размерностью r × n, каждой строкой которой является вектор измерения значений параметров в конкретном полете.

Квадрат центрированного нормированного вектора изменений имеет вид:

A_j = (a₁, a₂, a₃, ... a_n),, (1)

где , – квадрат центрированного нормированного измерения x_i;

r – число строк в матрице M;

j – номер строки в матрице M;

n – размерность вектора A_j, в опытной методике n = 12;

m_i – оценка среднего значения параметра x_i по строкам матрицы M;

D_i – оценка дисперсии параметра x_i по строкам матрицы M.

Расчет текущего показателя качества предлагается рассчитывать по выражению

, (2)

где A^T – вектор столбец, полученный транспонированием текущего вектора измерений A;

K – матрица весовых коэффициентов размерностью n × n.

Матрица K получена на основе корреляционной матрицы векторов A_j матрицы M.

Для оценки характерно то, что она нелинейная в четвертой степени и является разновидностью эксцесса. Эксцесс очень чувствителен к предельным выбросам случайной величины и, следовательно, позволяет характеризовать отклонение данного полета от эталонной модели. Исходя из этого для балльной оценки качества пилотирования были предложены эталонные модели g₅, g₄ и g₃.

Эталонная модель g₅ была получена из выражения (2) при условии, что в векторе A a_i = σ, . Соответственно модель g₄ получена при условии, что a_i = 2σ,, а модель g₃ – при условии, что a_i = 3σ, . Значение коэффициента σ было найдено эмпирически.Если в текущем полете < g₅, то оценка за полет 5 баллов.

Если g₅ < ≤ g₄, то оценка за полет 4 балла.

Если g₄ < ≤ g₃, то оценка за полет 3 балла.

Если > g₃, то оценка за полет «неудовлетворительно».

Для опытной методики было разработано ПО, с помощью которого было обработано 186 полетов среднемагистрального самолета. Эксплуатация этого ПО доказала перспективность предложенной концепции и эффективность разработанных алгоритмов обработки.

Для упрощения алгоритмов ПО опытной методики в ней было сделано допущение о том, что плотности распределения измеряемых параметров являются симметричными. Кроме того, число измеряемых параметров в опытной методике было явно недостаточно. Поэтому, основываясь на результатах, полученных с помощью опытного ПО, данная методика была усовершенствована. На ее основе были разработаны взаимно дополняющие друг друга критерии оценки качества пилотирования Е, К и М. Критерии Е и К получены на основе выражения (2). В данной работе рассмотрим методику оценки качества пилотирования по критерию М.

При оценке качества пилотирования по критерию М в выражении (1) было изменено понятие центрированного нормализованного значения a_i:

, , (3)

где Δ x_i² – предельное отклонение i-го параметра, найденное по матрице M;

m_i – медиана x_i параметра, найденная по матрице M.

Все измерения в векторе A в той или иной степени асимметричны. Поэтому величина Δx_i² для отрицательных и положительных отклонений текущего значения параметра x_i будет разной. При оценке качества пилотирования по критерию М размерность вектора n = 25. Величина Δ x_i² / 3 в выражении (3) необходима для обеспечения четырехбалльной градации оценок.

Для оценки качества пилотирования обозначим элемент вероятности, характеризующий качество пилотирования в текущем полете:

. (4)

Матрица M позволяет найти выборки R_ij,,, i ≠ j. С учетом того что r_ij = r_ji и n = 25, а также других принятых ограничений каждый полет дает по 276 элементов вероятности (4). Из них в алгоритме оценивания качества пилотирования непосредственно участвуют 12. Остальные могут быть использованы при углубленном анализе качества пилотирования.

РЕЗУЛЬТАТЫ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ

Рассмотрим результаты оценки качества пилотирования, полученные с помощью опытной методики и ПО на его основе. На рис. 1 показаны градации значений по моделям g₅, g₄ и g₃. Модели g₅, g₄ и g₃ получены при обработке 186 полетов. 

В таблице представлены примеры результатов оценивания по данным бортового устройства регистрации параметров критерия для нескольких полетов среднемагистрального самолета. 

Также авторами были проведены исследования по оценке качества выполнения предпосадочного маневра ВС по отдельным этапам, определяющимся изменением параметров оценивания между характерными точками выполнения предпосадочного маневра (замерами относительных отклонений параметров, например превышение скорости полета во второй точке траектории выполнения маневра, относительно первой и т. д.). Алгоритм и критерий оценивания аналогичен изложенному выше.

Данный подход позволяет определить, на каком конкретном участке выполнения маневра летчик получил определенную балльную оценку, и проанализировать его управляющие действия путем просмотра сигналограммы записей параметров полета и управления ВС на данном этапе при обработке этой информации на наземных программных комплексах [7][9].

На рис. 2 показан один из примеров записей параметров полета и управляющих действий пилота по сигналограмме.

При анализе качества выполнения предпосадочного маневра ВС по полету, получившему неудовлетворительную оценку, по записям параметров, определенных на сигналограмме, очевидно, что пилот на отдельных этапах резко изменял положение руля высоты, что привело к изменениям значений параметров оценивания. Таким образом, инструктор, проводящий разбор качества выполнения полетного задания, может определить конкретные ошибки в технике пилотирования на каждом этапе выполнения любого маневра, входящего в выполнение полетного задания.

Анализ обработки сигналограмм (более чем 200 полетов при выполнении предпосадочного маневра для среднемагистрального ВС, выполненных командирами ВС одной из авиакомпанией) показал, что наиболее предпочтительным является метод выбора в качестве эталонных значений параметров для оценивания качества техники пилотирования такой числовой характеристики как медиана. Отклонения от нее назначаются в долях по пятибалльной шкале оценивания

Апробация данной методики показала возможность ее практической реализации для оценки качества пилотирования. Применение данной методики можно рекомендовать для массового применения в авиационных компаниях и летных училищах.

Пример результатов оценки качества пилотирования по критерию М (медиана) приведен на рис. 3. Общая оценка за данный полет «неудовлетворительно».

Программный комплекс позволяет наглядно просмотреть отклонения параметров (красная линия) от эталона (синяя линия) и провести анализ выдерживания значений параметров оценивания в каждой точке предпосадочного маневра. Примеры вывода результатов оценивания показаны на рис. 4 и 5. Зеленые линии означают отклонения от эталона с оценками 5, 4 и 3 балла. 

Вывод: из рис. 3 и 4 следует, что угол тангажа ни в одной из пяти точек не вышел за рекомендованные границы. Однако несоответствие тренда и текущей траектории параметров (одновременно занижены и тангаж, и скорость) слишком очевидно.

Поэтому если за первую точку «Тангаж 1/Скорость 1» автомат поставил «3», то за вторую точку захода на посадку «Тангаж 2/Скорость 2» автомат поставил «2». Выдерживание летчиком значений угла тангажа и скорости в точке 2 на неудовлетворительную оценку стала причиной того, что «Скорость 3» в третьей точке опустилась ниже нормы.

Вполне возможно, что в этой точке имел место авиационный инцидент, не замеченный обычным объективным контролем.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В работе предложены два подхода к решению задачи количественной оценки за технику пилотирования. На их основе разработано алгоритмическое и программное обеспечение для обработки полетной информации, регистрируемой штатными бортовыми регистраторами, дополняющее и повышающее эффективность существующей системы объективного контроля действий летчика. Предлагаемое ПО можно использовать в виде отдельных программных модулей для наземных комплексов обработки полетной информации.

Предлагаемые методики и ПО позволяют перейти к другому, более высокому уровню оценивания качества пилотирования. Их применение повысит объективность и достоверность анализа выполненного полета, позволит автоматизировать оценку качества техники пилотирования и строить прогнозные модели для оптимизации летной подготовки [9].