Проблемы человеческого фактора при проектировании и эксплуатации дистанционно пилотируемых летательных аппаратов

Область применения беспилотных летательных аппаратов (БЛА), в том числе, дистанционно пилотируемых ЛА (ДПЛА), неудержимо расширяется. В военном применении ДПЛА доказали свою незаменимость в современных вооруженных конфликтах и спец.операциях, в частности в Ираке, Афганистане, Йемене и других [1]. Если ранее ДПЛА были средствами артиллерийской разведки и участвовали в операциях определения принадлежности войск, то теперь ДПЛА, имеющие на борту сложные системы датчиков и способные к применению новейшего оружия, используются на всех уровнях боевых операций.

Основной боевой задачей ударных ДПЛА является уничтожение наземных средств ПВО противника и других военных объектов в фронтовой полосе на достаточно большой глубине от линии соприкосновения, в том числе батарей ЗУР и зенитно-стрелковых комплексов; радиолокационных станций обнаружения и подсвета; пусковых установок тактических и оперативно-тактических ракет и ракетно-ядерных средств на стартовых позициях; артиллерии и противотанковых средств на огневых позициях и на марше; пунктов управления войсками и средствами ПВО; самолетов и вертолетов на стоянках; живой силы и боевой техники в районе сосредоточения и на марше; мостов, переправ, железнодорожных станций и т.д.

Спектр задач применения ДПЛА в гражданских целях очень широк и имеет тенденцию к дальнейшему быстрому расширению: экологический мониторинг, дистанционная диагностика, поисково-спасательные работы, охрана объектов и другие [2].

Стремительный прогресс в создании беспилотных авиационных систем различного назначения обусловлен, во многом, двумя факторами (экономическим и научно-техническим) [2]:

• значительным ростом стоимости затрат на эксплуатацию в мирное и военное время пилотируемой авиационной техники;
  
• общим научно-технологическим прогрессом и развитием компьютерных технологий.
  

Наиболее значимые преимущества ДПЛА по сравнению с пилотируемыми ЛА:

• стоимость разработки и эксплуатации в 2-5 раз ниже пилотируемых ЛА;
  
• безопасность оператора, отсутствие перегрузок, вибрации, шума;
  
• возможно проектирование ДПЛА для больших, чем у самолёта, располагаемых перегрузок;
  
• увеличение продолжительности полета;
  
• использование аэродинамической компоновки «без вертикального оперения»;
  
• более высокая степень готовности и мобильности.
  

В то же время ДПЛА присущи отдельные недостатки, в частности:

• существенное повышение требований к информационной составляющей бортового оборудования и к управлению ДПЛА в целом;
  
• трудности создания высокопроизводительной системы связи между оператором и ДПЛА;
  
• трудности совместных полетов ДПЛА с пилотируемыми ЛА;
  
• проблемы с управлением воздушным движением гражданских воздушных судов.
  

Большинство объектов поражения ударных ДПЛА представляют собой малоразмерные и слабоконтрастные фронтовые цели, по которым невозможно организовать надежное автоматическое наведение оружия.

Отсутствие технических средств эффективного автоматического распознавания и сопровождения слабоконтрастных наземных целей, обусловливает необходимость использования в процессе решения боевых задач ударными ДПЛА человека-оператора.

Развитие техники и технологии создали принципиальные возможности предоставить в распоряжение оператора ДПЛА все средства управления полетом, имеющиеся на пилотируемом летательном аппарате, снабдить его информацией, позволяющей осуществлять полный контроль за сложившейся ситуацией, и обеспечить оператору информационную иллюзию присутствия на борту летательного аппарата не подвергая его опасности реального полета.

В настоящее время управление ДПЛА осуществляется в основном в полуавтоматическом режиме. Большинство операций, такие как полет по маршруту, аэрофотосъемка, патрулирование местности, экологический мониторинг и другие, происходят в автоматическом режиме, что позволяет оператору контролировать работу, находясь на значительном расстоянии от объекта управления. Тем не менее, на конечных этапах полета, таких как взлет и посадка операторы на передовых районах развертывания вынуждены переходить в режим ручного управления. Согласно [1, 3], более 70 % потерь военных ДПЛА произошли из-за субъективных ошибок оператора. Причем большинство аварий происходило во время посадки, в результате касания ВПП носовым колесом ДПЛА.

Аналогичная статистика (превалирование роли человеческого фактора над техническим проблемами самолёта; наивысшая аварийность при посадке) приводилась ещё в [4] для летательных аппаратов начала XX века.

Как утверждают авторы [5], беспристрастный анализ причин авиапроисшествий показывает, что аварийность является не следствием некачественной техники, или неумелого недобросовестного выполнения операторами своих обязанностей, а, скорее, естественная закономерность.

Распространенной ошибкой, вызванной человеческим фактором и приводящей к аварийным ситуациям при пилотировании ДПЛА, является потеря линии связи (по спутниковому каналу в Ku-диапазоне) из-за захода на посадку с очень большим креном. Кроме того, из-за задержек при передаче сигнала на большие расстояния, операторам, управляющим беспилотным ЛА на передовой, приходиться использовать линии передачи данных, работающие в C-диапазоне в режиме прямой видимости, что усложняет управление [6].

Значительная часть трудностей взлетов-посадок объясняется интуитивными реакциями оператора, который не находится на борту ЛА и не получает неприборную информацию, то есть не может слышать работающие двигатели, ощущать «стремительное движение к земле», не может для ориентации использовать периферическое (боковое) зрение, потому, что видит окружающую обстановку через камеру в носу ДПЛА и ему приходится, находясь вне аппарата, интерпретировать показания приборов только виртуально, не ощущая напрямую скорость полета и действующих перегрузок.

Очевидно, что развитие техники (авиационной в том числе) происходит несоизмеримо быстрее, чем эволюция человеческого организма. Исходя из этого факта, можно утверждать, что "наметившийся в конце 70-х годов ХХ века разрыв между физиологическим пределом человека и техническими возможностями техники прогрессирует"([5]). И, следовательно, все попытки достигнуть теоретического предела возможностей технических показателей ЛА, без принятия во внимание ограниченности возможностей ключевого элемента системы управления - человека - обречены на дальнейшее увеличение материальных затрат на "единицу прироста совершенства техники" (за счёт стоимости подготовки лётчика). Помимо немалых дополнительных расходов на содержание авиации, увеличение разрыва между возможностями оператора и возможностями техники, приводит к стабильно высокой аварийности в человеко-машинной системе.

Несмотря на то, что в названии летательного аппарата присутствует слово «пилотируемый», человек-оператор непосредственно в его пилотировании, как правило, не участвует. Эту задачу решает автоматический навигационно-пилотажный комплекс. Лишь при таких режимах, как посадка и боевое применение команды человека-оператора, вырабатываемые для управления оптико-телевизионным визиром, одновременно поступают на систему автоматического управления.

Задача человека-оператора, включенного в контур управления и наведения ДПЛА, состоит в обнаружении и распознавании цели по телевизионному изображению местности на экране видеоконтрольного устройства, а также в сопровождении цели оптико-телевизионным визиром.

Естественно, что тактические возможности ДПЛА и уровень их боевой эффективности во многом определяются возможностями человека по обработке оптической информации, по реализации высокоточных, высококоординированных действий при слежении оптико-телевизионным визиром.

Для преодоления трудностей, связанных со сложностью управления и командования (в рамках концепции централизованно-сетевого управления), вводятся такие стандарты интероперабельности (оперативной совместимости), как стандарт НАТО STANAG 4586 [7].

Стандарт предусматривает как низкий (традиционные ЛА с дистанционным ручным управлением), так и высокий (операторы не отвечают за основные задачи пилотирования, а сосредотачивают внимание на боевой задаче) уровни автономности управления. Такая двойственность позволит в полной мере обеспечить всестороннюю интероперабельность при различных уровнях автоматизации, тем не менее, возможность переходить от режима ручного управления к более высоким уровням автоматизации, оставляет путаницу в отношении текущего режима работы системы для оператора (недостаточное понимание применяемого режима) и для разработчика.

Практика показывает, что операторы в условиях высокой рабочей нагрузки совершают больше ошибок, которые могут привести к потере ДПЛА. STANAG 4586 должен обязательно давать информацию об использовании как низкого, так и высокого уровня автоматизации. Дальнейшие изменения системной архитектуры должны способствовать уменьшению вмешательству человека в контурах управления за счёт увеличения автономности.

Наряду с техническими средствами, усложняется и информационная среда, в которой работает оператор. Улучшение средств отображения данных, как один из методов снижения аварийности, связанной с человеческим фактором, упоминается и у Гератеволя ([4]), и у современных авторов ([5],[3]). Несовершенство реализации загружает человека необходимостью выполнять дополнительное преобразование сигналов от ряда разнородных информационных источников в некие смысловые понятия, определяющие его последующую операторскую деятельность.

Аналогичные причины аварийности отмечают и зарубежные исследователи (например, [8] и [9]).

Необходимость восприятия оператором информации через разнообразные источники при строгом ограничении по времени, требует соответствующей степени интеграции информации на индикаторах, с учётом возможностей человека по восприятию данных в графическом виде (а не буквальное исполнение требований стандарта путём обеспечения функциональных возможностей). Решающее значение имеет интеграция звуковых и визуальных предупреждений от различных подсистем. Для поддержки принятия решения потребуется включение в интерфейс «человек-машина» информации и от внешних источников системы C⁴I (Command, control, communications, computers, and intelligence – система командования, управления, связи, вычислительной техники и разведки).

Обратную связь с оператором стандарт STANAG 4586 рассматривает в бинарном варианте состояний: сообщать или не сообщать оператору о событии. И здесь информация только о том, что событие имело место, мало помогает оператору. Информация о причинах отказа и шагах, которые необходимо предпринять для устранения возникшей проблемы будет получена посредством оперативно совместимого интерфейса по стандарту STANAG 4586, при этом неизбежно возникновение приводящих к росту рабочих нагрузок издержек, вызванных недостаточным знанием специфики работы оператора разработчиком борта БЛА.

В настоящее время STANAG 4586 является единственным существующим стандартом, способным решить проблему интероперабельности в управлении применением БЛА. Имеются сведения о разработке третьей редакции стандарта [10]. Потери гибкости при проектировании системы по стандарту, компенсируются уменьшением степени неопределенности и снижением затрат. Тем не менее, остается ряд потенциальных проблем инспекционного контроля со стороны человека и интеграции между человеком и системами.

В системе наведения ДПЛА необходимый темп переработки информации задается скоростью ее поступления, поэтому предельные возможности оператора по переработке информации и распознаванию цели по телевизионному изображению являются определяющими и накладывают конкретные требования на характеристики ДПЛА и его облик.

Полное решение проблемы учета человеческого фактора предполагает проведение всесторонних инженерно-психологических исследований, включая задачи построения информационной модели системы, выбора типа и характеристик органов управления, организации рабочего места и многие другие задачи, важные для обеспечения высокой эффективности системы человек-машина.

С точки зрения разработчика системы наведения ДПЛА наибольший интерес представляют проблемы, касающиеся учета возможностей человека-оператора при оптимизации системы на уровне динамического взаимодействия человека-оператора с системой управления, в частности при проектировании режима посадки и при выборе характеристик обзорно-прицельной системы, в том числе, синтез оптимальных режимов и траекторий сближения ДПЛА с ВПП или с целью.

От решения этой задачи существенно зависят показатели деятельности человека-оператора и, следовательно, показатели функционирования беспилотных авиационных систем в целом.

Литература

• Состояние и перспективы развития боевых беспилотных авиационных систем США. Аэрокосмическое обозрение №3, 2010.
  
• Современные информационные технологии в задачах навигации и наведения беспилотных маневренных летательных аппаратов / Под ред. М.Н. Красильщикова, Г.Г. Себрякова – М.: ФИЗМАТЛИТ, 2009. – 556 с.
  
• Титков О.С.. Проблема аварийности при посадке БЛА и новая роль наземных станций их управления. Авиационные системы: научно-техническая информация № 2, 2010 / Научно-информационный центр ГосНИИАС.
  
• Гератеволь З. Психология человека в самолете. – М: Издательство иностранной литературы. – 1956.
  
• Ростопчин В.В., Румянцев С.С. Беспилотные авиационные системы, 2002 // URL: http://www.avia.ru/author/04.shtml.
  
• Слюсар В. Радиолинии связи с БПЛА. Примеры реализации. Электроника: наука, технология, бизнес №5, 2010.
  
• STANAG 4586 (EDITION 2) – standard interfaces of UAV control system (UCS) for NATO UAV interoperability, 2007.
  
• Kevin W. Williams. Human Factors Implications of Unmanned Aircraft Accidents Flight-Control Problems. // Federal Aviation Administration – 2006.
  
• Nadine Sarter. Investigating Mode Errors on Automated Flight Decks: Illustrating the Problem-Driven, Cumulative, and Interdisciplinary Nature of Human Factors Research // Human Factors, Vol. 50, No. 3, 2008.
  
• URL: http://www.linkedin.com/groups/STANAG-4586-Edition-3-Declared-1887943.S.41226001.