CREW WORKPLACE EVALUATION METHODS IN THE COCKPIT DESIGN PROCESS OF PERSPECTIVE AVIATION COMPLEX

Abstract

The article describes the issues of creating a cockpit of a promising aircraft using a search modeling stand with the aim of obtaining an ergonomic evaluation of crew workplaces and the information and control field of the cockpit in the early stages of design. It describes the requirements, the structure of the stand and the tasks solved with the help of it.

Full Text

При создании перспективных многофункциональных авиационных комплексов в настоящее время для повыше- ния качества проектирования и уменьшения сроков разра- ботки требуется значительное увеличение поисковых и на- учно-исследовательских работ на ранних этапах разработки таких комплексов. Необходимость проведения указанных работ состоит в интересах повышения степени готовности самолета и его систем к натурным испытаниям и, как след- ствие, к сокращению их объема за счет повышения уровня зачетности натурных экспериментов. Проектирование перспективного авиационного ком- плекса должно основываться на понимании того, что главная составляющая его эффективного применения - это гармо- ничное сочетание технических свойств разрабатываемого самолета и возможностей экипажа по выполнению постав- ленных задач. Эффективность выполнения задач полета в первую очередь зависит от рациональной организации взаимодействия экипажа с бортовым оборудованием само- лета. В свою очередь, эффективность авиационной техники зависит от того, насколько при ее создании учитываются воз- можности работающего с ней человека. Рациональная компоновка рабочих мест членов экипажа является сложной задачей, при решении которой должны учи- тываться многочисленные факторы и требования. Основной задачей компоновки является создание экипажу условий, не- обходимых для эффективного выполнения полетного задания. При решении задач полета экипаж взаимодействует с бортовым оборудованием посредством информационно- управляющего поля кабины (ИУП), представляющего собой интерфейс со всеми системами самолета. В кабине экипажа используется большое количество электронных средств отображения информации, объеди- ненных с понятием «авионика». По сути, рабочее место лет- чика представляет собой компьютеризированное рабочее место, что позволяет говорить уже не только о человеко-ма- шинном, а в большой степени о человеко-компьютерном взаимодействии. Информационная составляющая компью- теризованного рабочего места резко увеличивает нагрузку на летчика, особенно на психические процессы, связанные с обработкой информации и принятием решения, одновре- менно изменяя содержание и структуру его деятельности. В состав ИУП современного самолета входят: многофункциональные индикаторы с возможностью сен- сорного управления; индикатор на лобовом стекле (широкоугольный коллима- торный авиационный индикатор); нашлемная система целеуказания и индикации (НСЦИ); оперативные органы управления (ООУ) на РУС и РУД. Наличие ООУ на РУС и РУД позволяет повысить эффек- тивность управления, сделать его более естественным и про- стым. Управление основными системами самолета при этом происходит без снятия рук с ручек управления самолетом и его силовой установкой (так называемый принцип управ- ления HOTAS - hands-on-throttle-and-stick). Особенностью ИУП кабины перспективного маневрен- ного самолета является отсутствие комплекта резервных электромеханических пилотажно-навигационных приборов, т.е. ИУП представляет собой так называемую «стеклянную» кабину, в которой основная информация о параметрах дви- жения самолета и состоянии его систем выводится на раз- личные многофункциональные индикаторы. Интеграция бортового оборудования приводит к необхо- димости создания единого информационно-управляющего поля кабины, взаимодействуя с которым экипаж ЛА осущест- вляет решение любой задачи полета. Информационно-управляющее поле кабины постепенно трансформируется, приобретая новые, современные каче- ства и охватывая больший диапазон направлений, как в ча- сти получения информации, так и ввода управляющих воз- действий. 9 5 К таким направлениям следует отнести использование НСЦИ, объемное звуковое сопровождение, использование речевой информационно-управляющей системы и т.д. НСЦИ является развитием нашлемной системы целеука- зания (НСЦ) с расширением ее возможностей для индикации на шлеме летчика основной полетной информации. При на- личии НСЦИ с достаточной точностью позиционирования по- летных параметров можно рассматривать вопрос об отсут- ствии индикатора типа ШКАИ на перспективном самолете, т.к. ШКАИ является оборудованием, жестко связанным с кон- струкцией кабины самолета, и поэтому дает однозначно бо- лее точное позиционирование угловых параметров полета самолета, что особенно важно при применении неуправля- емого оружия. Речевая информационно-управляющая система (РИУС) воспринимает речевые команды летчика и способна управ- лять индикацией, настройкой радиоканалов, выбором режи- мов работы бортовых систем и т.д. Кроме этого, РИУС может по запросу летчика сообщать ему текущие параметры. В соответствии с применяемой методологией целеантро- поцентрического подхода, учитывающего постоянно меня- ющуюся обстановку при решении целевых задач, при про- ектировании кабины перспективного самолета происходит смещение от технической составляющей проекта в сторону учета человеческого фактора в системе «человек-машина». П O6/l Ma nOCT O H ff au, OHa/lbHOrO ИУП a6 Hl :: na>Ka n Cn T BHOrO aB au, OHHOrO OMn/l Ca При проектировании современной авиационной техни- ки построение рационального информационно-управляю- щего поля кабины возможно только при учете характеристик человека - антропометрических, биомеханических и пси- хофизиологических, что обеспечивает сохранение высокой работоспособности экипажа в полете и будет способствовать максимальной реализации летно-технических характери- стик создаваемого авиационного комплекса. С учетом возрастания объема и сложности задач, реша- емых перспективным авиационным комплексом, резко воз- растают требования к интеллектуальной поддержке экипа- жа, особенно на этапе принятия решений. Интеллектуальная поддержка осуществляется по прин- ципу многомодальности, охватывая разные способы выдачи информации летчику - визуальный, звуковой, тактильный. В соответствии с тенденциями развития человеко-ма- шинных интерфейсов появляются задачи, связанные с кон- тролем мозговой деятельности летчика и использованием результатов такого контроля для формирования опережа- ющих управляющих воздействий при назначении режимов полета и задач по управлению комплексом бортового обору- дования самолета. К вопросам интеллектуальной поддержки также можно отнести такие направления поисковых исследовательских работ как разработка речевых сообщений, формирование дополненной и виртуальной реальности, распознавание воздушных или наземных объектов по информации с разных ракурсов наблюдения, построение трехмерной траектории полета самолета при ведении ближнего маневренного воз- душного боя, траекторное управление группой беспилотных летательных аппаратов, управление зонами поиска борто- вых информационных систем при групповых действиях, ал- горитмы вскрытия систем ПВО и т.д. И, наконец, главной задачей интеллектуальной под- держки является разработка комплексной интеллектуальной системы, которая могла бы стать «вторым членом экипажа» на всем протяжении полета - от взлета до посадки, включая навигационные и боевые режимы. С точки зрения организации работ создание перспектив- ного авиационного комплекса в ограниченные сроки и при ограниченном финансировании приводит к значительному увеличению поисково-исследовательских работ на ранних этапах разработки и создания АК, тем самым повышая сте- пень готовности к натурным испытаниям и сокращению их объема. Компоновка рабочих мест членов экипажа является од- ной из сложных и ответственных задач, решаемых при про- ектировании современного АК. Оптимальное построение кабины экипажа - это основной фактор, определяющий бое- вую эффективность АК как системы «человек-машина». При разработке кабины решаются задачи, определяе- мые различными требованиями нормативных документов в части компоновки кабины, размещения оборудования и органов управления, а также информационного обеспече- ния экипажа. В настоящее время такие работы выполняются тради- ционно - выпуском конструкторской документации на ком- поновку и конструкцию кабины. Эти работы проводятся, как правило, без предварительного макетирования, толь- ко на основе накопленного опыта разработки предыдущих объектов. Такой подход имеет ряд недостатков, связанных с неполной проработкой вариантов технических и эргономи- ческих решений. Это, в свою очередь, приводит к тому, что на последующих этапах разработки (включая летные испыта- ния) возникает большое количество замечаний по эргономи- ке и ИУП кабины, в том числе по размещению оборудования и органов управления и информационному обеспечению экипажа. Следует отметить, что для более детальной оценки раз- работанных вариантов компоновки кабины, ее конструкции, а также отработки основных вариантов построения ИУП и разработанных логик взаимодействия экипажа с бортовым оборудованием посредством ИУП, одновременно создается действующий макет кабины, представляющий собой полно- размерный стенд кабины, который строится и предъявляется на ранних этапах проектирования самолета. Для повышения эффективности выполнения работ по проектированию на начальных этапах нужно учитывать возросшие требования к качеству и повсеместный переход к цифровым технологиям в условиях ограниченного време- ни, что приводит к необходимости качественного изменения характера работ инженера при проектировании кабины эки- пажа. Для обеспечения более полного согласования свойств и возможностей человека и техники, в процессе проектиро- вания рабочих мест экипажа необходимо также учитывать требования к процессу деятельности. В целях обеспече- ния поддержания адекватного психического образа полета и осуществления эффективного пилотирования, в ходе про- ектирования информационно-управляющего поля кабины экипажа следует по возможности минимизировать необхо- димость зрительного контроля за производимыми в кабине манипуляциями с органами управления. Перспективным направлением является 3D-проекти- рование кабины экипажа и моделирование деятельности летчика с использованием антропоморфного манекена, ре- 9 6 Computational nanotechnology Vol. 6, № 2, 2019 ISSN 2313-223X ализованного в виде отдельного программного модуля. Ха- рактеристики модуля позволяют изменять статические и ди- намические размеры манекена, учитывать условия работы экипажа с различными органами управления, осуществлять построение зон обзора с рабочего места. Таким образом, можно выявить неблагоприятные с точки зрения досягаемо- сти зоны приборной доски и пультов управления и рацио- нально разместить органы управления, в зависимости от ча- стоты их использования. Тем не менее, даже в этом случае необходимо провести макетирование предлагаемых вариантов компоновки каби- ны с участием человека-оператора. Р H a a OT a6OT :: rOHOM C nO a aT /l H a6 Hl C nOMOW,bl0 CT H a nO C OBOrO MO /l OBaH ff Для обеспечения работ, связанных с отработкой эргоно- мических показателей кабины как рабочего места экипажа, возникает необходимость в создании стенда поискового мо- делирования ИУП кабины на ранних этапах проектирования авиационного комплекса. Такой стенд представляет собой автоматизированное рабочее место инженера-конструкто- ра для проведения макетирования предлагаемых вариантов компоновки кабины. Приоритетными направлениями исследований на стен- де поискового моделирования (АРМ ИУП) являются выбор оптимальных параметров рабочих мест экипажа перспек- тивного самолета, отработка новых технических и эргономи- ческих решений и оценка многомодального взаимодействия экипажа с ИУП кабины. Работа инженера-исследователя на АРМ ИУП представ- ляет собой работу конструктора-проектировщика и состоит в разработке и отработке вариантов компоновки кабины и расположения индикаторов, приборов, панелей, щитков, пультов и органов управления самолетом и его системами с целью поиска наиболее оптимальных геометрических и эр- гономических решений. Суть работы на стенде заключается в возможности оценить рабочее место экипажа до разработ- ки базового варианта компоновки. Полученные на стенде решения по компоновке являются исходными данными для разработки конструкторской доку- ментации на кабину. Стенд поисковых исследований (АРМ ИУП) структурно состоит из следующих компонентов: конструкция стенда; оборудование стенда (имитаторы элементов ИУП); вычислительные средства; система визуализации внешней обстановки; акустическая система; аппаратно-программный комплекс интегральной оценки; шлем виртуальной реальности. Основанием конструкции стенда является платформа, которая представляет собой универсальную площадку с воз- можностью быстрой установки и снятия конструктивных эле- ментов. На стенде устанавливаются имитаторы органов управ- ления самолетом и его силовой установкой, макет кресла летчика с обеспечением соответствующих регулировок, ими- таторы органов управления на пультах кабины, обеспечива- ющие работу систем КБО и управление самолетом. Доску приборов и пульты имитируют сенсорные экраны. Положение этих экранов может регулироваться. Имитаторы РУС, РУД и педали выполняются легкосъем- ными для обеспечения их быстрой смены. Для отработки характеристик системы управления на стенде устанавливаются загрузочные регулируемые меха- низмы РУС и педалей с возможностью подбора величин хода и усилий в каждом канале. Акустическая система обеспечивает функционирование имитаторов РИУС и системы 3D-аудио. Вычислительная система стенда обеспечивает комплекс- ное функционирование и взаимодействие всех моделей и систем, входящих в состав стенда, а также имитацию ре- жимов общего самолетовождения и режимов боевого при- менения. В составе программного обеспечения используются упрощенные имитаторы режимов и имитационные модели, необходимые для обеспечения комплексного функциониро- вания и взаимодействия оборудования, входящего в состав стенда. Входящая в состав стенда система визуализации внеш- ней обстановки строится путем синтеза изображения внеш- ней обстановки с помощью проекционных устройств или монитора большого размера, а также средств загрузки и хра- нения базы данных внешней обстановки. Система визуализации внешней обстановки выдает ком- пьютерное изображение внекабинного пространства в соот- ветствии с имитируемым режимом полета. Еще одной особенностью стенда является применение в составе стенда шлема виртуальной реальности. Обычно такой шлем используется в составе технических средств обу- чения (тренажерах) и применяется в режимах точного пило- тирования (таких как дозаправка или полет строем) для по- вышения ощущения расстояние до близко расположенных объектов или при имитации ближнего воздушного боя, когда летчик вынужден «вертеть головой на 360 градусов». В задачах проектирования такое устройство используется для оценки интерьера кабины, обзора внутри кабины и зака- бинного пространства. Современные технологии позволяют провести визуальную оценку интерьера, который еще толь- ко разрабатывается конструктором. Основным недостатком такого шлема на данный момент является недостаточное разрешение матрицы, используемой в шлеме. При этом чет- кость выводимого изображения в данном случае не является определяющим фактором. На начальном этапе работ, связанных с компоновкой приборной доски, щитков и пультов, целесообразно исполь- зовать сенсорные панели (мониторы) различных размеров, устанавливая их в соответствующих местах кабины под нуж- ными углами. Варьирование места и углов установки таких панелей позволяет оценить большой набор вариантов ком- поновки рабочего места летчика. Далее, в процессе прове- дения исследований, и приходя к неким конкретным вари- антам той или иной части кабины, вместо мониторов могут устанавливаться макеты или имитаторы соответствующих пультов, щитков или панелей. Макетирование органов управления самолетом (РУС, педали, РУД) также проходит несколько стадий - от макета до имитатора, являющегося прототипом готового изделия. Аппаратно-программный комплекс интегральной оцен- ки структурно и функционально состоит из элементов, реша- ющих следующие задачи: оценка обзорности и досягаемости элементов рабочих мест (досягаемость до органов управления самолетом и его системами); ISSN 2313-223X T. 6, № 2, 2019 Computational nanotechnology 97 оценка загруженности летчика при выполнении основных задач применения авиационного комплекса; оценка человеко-машинного интерфейса; оценка качества информационных моделей. Комплекс программных модулей оценки эргономическо- го облика информационно-управляющего поля и логик вза- имодействия с бортовым оборудованием позволяет выпол- нять оценку показателей эргономичности кабины объекта, включая технические средства управления и контроля, гео- метрию рабочих мест, человеко-машинное взаимодействие, качество информационного обеспечения. Для оценки обзорности и досягаемости элементов ра- бочих мест служат приспособление для оценки функци- ональной досягаемости с рабочего места члена экипажа и устройство для измерения геометрических параметров кабины летательного аппарата и углов обзора внутрикабин- ного и внекабинного пространства с рабочих мест экипажа. Загрузка внимания летчика задачами пилотирования вы- полняется путем введения дополнительной задачи. От сте- пени загрузки внимания зависит резерв времени для выпол- нения различных операций во время выполнения полетного задания. Для оценки загруженности летчика при выполне- нии полетного задания служит прибор, который содержит световое табло с лампочками трех цветов, на загорание ко- торых летчик должен реагировать путем нажатия на соответ- ствующую кнопку. Каждому цвету лампочек соответствует своя кнопка. При правильном нажатии кнопки загорается следующая лампочка в неизвестной для испытуемого после- довательности. Оценка динамики движений глаз по данным видеореги- страции взгляда летчика включает в себя: расчет суммарного относительного времени фиксаций взгляда на каждом приборе, индикаторе или конкретной зоне индикатора к общей продолжительности режима; расчет среднего времени фиксации по каждому индика- тору; средний интервал между обращениями к данному инди- катору или время отсутствия фиксации взгляда; среднюю частоту обращения к данному источнику инфор- мации (индикатору, прибору и т.п.); среднюю частоту переноса взгляда. Результаты исследований по трекингу учитываются при построении информационного поля кабины с целью опти- мизации компоновки оборудования в кабине и построения индикационных кадров по режимам самолетовождения и боевого применения разрабатываемого авиационного комплекса. Измеряя фиксации взгляда (удержание взгляда в области одной точки) можно определить степень загруженности пи- лота и ресурс его внимания. Методический аппарат на основе регистрации инже- нерных и эргономических параметров с последующей их обработкой позволяет получать достоверно обоснованный материал для формирования и выработки инженерно-тех- нических решений по формированию и отработке облика ка- бины летчика и логик взаимодействия экипажа с бортовым оборудованием. При проведении исследований и оценке человеко-ма- шинного интерфейса кабины используются методы юзаби- лити, в соответствии с которыми интерфейс подвергается тестированию на «применимость» - легкое и безошибочное управление самолетом и его системами. Комплекс взаимосвязанных методик количественной оценки экспериментальных данных с применением средств регистрации объективных параметров моделирования каби- ны экипажа, ИУП и логик взаимодействия на стенде должен обеспечить возможности применения современных техно- логий проектирования для создания надежной, безопасной в эксплуатации и эффективной в применении авиационной техники. В настоящее время при проведении наземных (стендо- вых) испытаний оценка различных эргономических характе- ристик рабочих мест экипажа проводится изолированно, т.е. оценка таких характеристик как обзорность с рабочих мест членов экипажа, досягаемость до органов управления само- летом и его системами методически не связана с оценкой за- груженности летчика при выполнении тех или иных целевых задач, или, например, с оценкой качества информационной модели. При этом на стенде должны оцениваться такие характе- ристики человеко-машинной системы, как обзорность и до- сягаемость элементов рабочих мест, загруженность летчика при выполнении полетного задания, человеко-компьютер- ный интерфейс и информационные модели. Методологический подход к решению задачи по проек- тированию кабины экипажа перспективного самолета осно- вывается на системном анализе условий и факторов, опреде- ляющих эффективность эргатического человеко-машинного комплекса, которые имитируются моделирующем комплек- се. Оценка эргономических характеристик рабочего места экипажа осуществляется при проведении комплексных экс- периментальных исследований на стенде по отработке ком- поновки кабины самолета, при формировании информаци- онно-управляющего поля кабины и эргономических свойств человеко-компьютерного взаимодействия. Наличие в составе стенда системы оценки резерва вни- мания, системы слежения за взглядом летчика, системы ви- деонаблюдения за действиями летчика в кабине и других подобных систем позволяет полнее и объективнее оценить качество проектирования рабочего места экипажа и алго- ритмическое обеспечение исследуемых режимов полета, как общего самолетовождения, так и режимов применения авиационного комплекса. a /ll0 H Появление в процессе проектирования кабины перспек- тивного самолета стенда поисковых исследований - автома- тизированного рабочего места инженера-конструктора по- зволит оптимизировать процесс проектирования вследствие увеличения числа рассматриваемых вариантов, повышения качества технических решений рассматриваемых вариантов. Кроме этого, можно спрогнозировать уменьшение сроков разработки кабины как рабочего места экипажа - от реше- ния идеологических вопросов до оптимизации конструктив- ных и технологических решений. Повышение качества разра- ботки кабины ведет к уменьшению замечаний, полученных в результате летных испытаний и, как следствие, к сокраще- нию программы ЛИ и повышению зачетности испытательных полетов. Все эти результаты приводят, в конечном счете, к умень- шению стоимости и уменьшению сроков выполнения проекта. Учитывая тот факт, что, к сожалению, эргономическая оценка вновь разрабатываемых объектов авиационной 98 Computational nanotechnology Vol. 6, № 2, 2019 ISSN 2313-223X техники проводится уже после того, как изделие спроекти- ровано и, даже, построено, внедрение в практику проекти- рования и разработки кабины самолета оценки ее эргоно- мических характеристик на ранних этапах проектирования имеет большое значение. Такой подход позволит избегать идеологических и конструктивных ошибок и связанных с ними переделок еще до воплощения разработанной кон- струкции «в металле». Совершенствование эргономического обеспечения разработки перспективного самолета может быть поднято на новый, более высокий уровень благодаря возможности разработки и корректировки облика самолета путем макети- рования деятельности экипажа еще на стадии проектирова- нии кабины самолета. Такая организация рабочего процесса проектирования кабины самолета, основанная на большом объеме поис- ково-исследовательских работ на ранних этапах проекти- рования авиационного комплекса позволяет рассчитывать на определенный технико-экономический эффект при огра- ниченных сроках заданных работ и при ограниченном фи- нансировании.