Разработка математических моделей оценки действий диспетчера в особых случаях на воздушных трассах на основе результатов тренажерных испытаний

Достижение эффективности авиационных перевозок возможно лишь при обеспечении высокого уровня безопасности полетов. Значимую роль в обеспечении безопасности полетов воздушных судов (ВС) играет служба движения, осуществляющая комплекс мероприятий по планированию, координированию, непосредственному управлению воздушным движением (УВД) и контролю за соблюдением установленного режима полетов. Центральным звеном, решающим основные задачи службы движения в процессе управления, является диспетчер, результаты деятельности которого определяют безопасность и эффективность полетов [61].

Очень остро проблема обеспечения безопасности полетов возникает в особых случаях (ОС), причинами которых могут быть отказы авиатехники, человеческий фактор, опасные метеоявления. Значительное число ОС происходит из-за отказов авиационной техники, чему способствует эксплуатация самолетов с продленным ресурсом. Анализ безопасности полетов в гражданской авиации (ГА) Российской Федерации за период с 1997 по 2001 год показывает, что ежегодно происходит 160−190 случаев отказа или неисправности двигателя (двигателей) в полете, а доля отказов авиационной техники, как одной из основных причин авиационных происшествий, в 2001 году составила 11% [6−10]. В то же время, переход на эксплуатацию новых самолетов может вызвать возникновение ОС по причине человеческого фактора, так как существует достаточно сильная корреляционная связь между профессиональными навыками и уровнем безопасности при освоении новой техники [63].

Задача принятия своевременных мер по оказанию помощи экипажам ВС в ОС в полете относится к одной из главных задач службы движения [62]. При возникновении ОС зачастую изменяется план полета ВС, что вызывает необходимость выполнения диспетчером дополнительных рабочих операций. Здесь, ввиду разнообразия обстоятельств, диспетчер зачастую вынужден отклоняться от установленной технологии работы и выполнять нестандартные действия, проявлять самостоятельность и инициативу. При этом увеличивается загруженность диспетчера. Профессионализм диспетчера во многом может определить исход такой ситуации, и поскольку ОС требуют от диспетчера специальных знаний и практических навыков управления, они должны найти отражение в системе подготовки специалистов УВД в целом, и в частности, в содержании, методах и средствах тренажерной подготовки, которая является основным способом отработки навыков управления в ОС. При этом важнейшей задачей является достоверная оценка навыков управления диспетчеров в ОС по результатам тренажерных испытаний. Существующие немногочисленные методы оценки, представленные в [57, 62, 77, 79, 91, 95], основаны на мнении эксперта, поэтому субъективны и не столь точны. Жесткие требования к точности оценки вызваны необходимостью обеспечения безопасного управления в ОС, которые в свою очередь очень опасны, непредсказуемы и могут быть быстротечны. При этом ОС может стать переходным этапом между нормальным функционированием системы и таким событием, как катастрофа. От диспетчера здесь требуется своевременное и безошибочное решение возникающих при управлении задач в условиях значительных временных ограничений.

Для более точной количественной оценки действий диспетчеров в ОС на воздушных трассах (ВТ) на диспетчерском тренажере в диссертационной работе предлагается использовать математические модели оценки, которые могут быть получены по результатам тренажерных испытаний. При этом необходимо определить соответствующие количественные показатели. Комплексные показатели до настоящего времени не нашли широкого применения для оценки диспетчеров в ОС, а используются отдельные количественные характеристики, не в полной мере отражающие содержательные стороны деятельности. Некоторые подходы к построению количественных показателей обученности диспетчеров приведены в [63, 94, 105].

Современные диспетчерские тренажеры на базе мощных ЭВМ предоставляют дополнительные возможности применения моделей оценки, способствуют их упрощенной практической реализации, а так же совершенствованию и автоматизации процесса обучения, и как результат, снижению негативного влияния человеческого фактора на безопасность полетов [15].

Целью диссертационной работы является разработка методики построения математических моделей оценки действий диспетчера в ОС на ВТ.

Объектом исследования является деятельность диспетчера в ОС на ВТ, предметом исследования являются результаты тренажерных испытаний диспетчеров в ОС на ВТ. Для достижения цели были сформулированы и решены задачи, представленные на рис. 1.

Поскольку многочисленность факторов в ОС создает значительные трудности для проведения исследований, решалась задача выбора ОС, при этом учитывались такие критерии выбора, как причина ОС и характерность экстренного снижения для ОС. Рассмотрены ОС, для которых характерно изменение эшелона полета с последующим докладом диспетчеру, необходимость обеспечения кратчайшего маршрута полета до ближайшего пригодного для посадки аэродрома.

Для описания деятельности диспетчера в ОС на ВТ в целях разработки математических моделей оценки и решения соответствующих задач диссертационной работы целесообразно разработать обобщенную алгоритмическую модель действий диспетчера, которая определит выполняемые диспетчером рабочие операции, а так же порядок их выполнения, поэтому решалась задача построения обобщенной алгоритмической модели действий диспетчера в ОС на ВТ на основе анализа деятельности диспетчера в ОС.

Для построения математической модели оценки необходимо определить соответствующие количественные показатели, отражающие результаты тренажерных испытаний, поэтому решена задача определения показателей для оценки действий диспетчера в ОС на ВТ.

Задача получения обучающей выборки требует решения таких вспомогательных задач как подготовка эксперимента и формирование плана.

Выбор ОС для рассмотрения и г.

Анализ деятельности диспетчера в ОС на ВТ.

1 г л.

Построение обобщенной алгоритмической модели действий диспетчера в ОС на ВТ.

ЧГ 1.

Определение показателей для оценки действий диспетчера в ОС на ВТ.

Выбор области математических методов для проведения исследований.

Подготовка эксперимента Формирование плана эксперимента.

Получение обучающей выборки.

1 г.

Анализ экспериментальных данных (обучающей выборки), определение информативности и представительности показателей.

Обоснованный выбор методов распознавания образов для построения математических моделей опенки деятельности диспетчеоа в ОС на ВТ I.

Построение математических моделей оценки действий диспетчера в ОС на ВТ с использованием выбранных методов.

Оценка точности моделей.

Рис. 1. Задачи, решаемые в диссертационной работе эксперимента. Под подготовкой эксперимента понимается формирование упражнений, определение порядка проведения эксперимента, способов измерения показателей, выбор экспертов. Для формирования плана проведения эксперимента применялась теория планирования эксперимента. Обучающая выборка формировалась по результатам тренажерных испытаний диспетчеров.

Задача анализа экспериментальных данных (обучающей выборки), полученных по результатам тренажерных испытаний диспетчеров, подразумевает определение информативности и представительности показателей на основе результатов факторного и кластерного анализа, а так же числовых характеристик показателей, таких как среднее арифметическое, мода, медиана, коэффициенты асимметрии и эксцесса, выявление скрытых качественных критериев классификации, координат центроидов, главных факторов и компонент.

На сформированной обучающей выборке решались задача построения математических моделей оценки деятельности диспетчера в ОС на ВТ и задача оценки точности моделей методом скользящего экзамена.

Методы исследования. Для решения указанных задач и получения конкретных результатов были применены теория планирования эксперимента, методы многомерного анализа данных такие как факторный и кластерный анализ, методы распознавания образов.

Достоверность результатов исследований. Следует из правильности исходных предположений и корректности применения математического аппарата, подтверждается результатами кластерного и факторного анализа обучающей выборки, результатами метода скользящего эталона и тренажерных испытаний. При проведении исследований учтены требования нормативно-технических документов.

Научная новизна заключается:

— в разработанной методике построения математических моделей оценки действий диспетчера в ОС на ВТ;

— в применении методов распознавания образов для построения математических моделей оценки действий диспетчера в ОС на ВТ;

— в комплексном применении методов кластерного и факторного анализа для оценки информативности и представительности временных показателей, показателей точности деятельности диспетчера в ОС на ВТ на основе результатов тренажерных испытаний;

— в применении алгоритмов кластеризации для формирования и анализа классов специалистов, для анализа временных показателей и показателей точности деятельности диспетчера в ОС на ВТ на основе результатов тренажерных испытаний диспетчеров;

— в применении факторного анализа для оценки информативности временных показателей и показателей точности деятельности диспетчера в ОС на ВТ на основе матрицы нагрузок показателей на выявленные главные факторы.

Практическая значимость. Полученные в работе результаты позволяют: -разрабатывать и использовать математические модели оценки действий диспетчера в ОС на ВТ в системах обучения диспетчерского персонала для оценки навыков управления и готовности диспетчеров к действиям в ОС на ВТ;

— использовать математические модели оценки при настройке автоматизированной системы обучения на оптимальный режим обучения;

— применять модели в системах обучения для оценки качества обучения, а так же для анализа экспертных оценок и оценки экспертов;

— проводить кластерный и факторный анализ результатов деятельности диспетчера в ОС на ВТ, анализ результатов применения моделей оценки, направленные на совершенствование деятельности диспетчера и разработку конкретных рекомендаций по деятельности экипажу и диспетчеру;

— выполнять количественный анализ деятельности диспетчера при расследовании ОС на ВТ.

На защиту выносятся:

— методика построения математических моделей оценки действий диспетчера в ОС на ВТ по результатам тренажерных испытаний;

— полученные математические модели оценки действий диспетчера в ОС на ВТ на тренажере;

— методика определения показателей для оценки деятельности диспетчера в ОС на ВТ, которые количественно отражают результаты тренажерных испытаний диспетчеров.

Апробация работы. Основные результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались:

— на XXXI Научно-технической конференции студентов, аспирантов и молодых ученых (Академия ГА, Санкт-Петербург, май 1999 г.);

— на межкафедральном научном семинаре (Академия ГА, Санкт-Петербург, декабрь, 2000 г.);

— на XXXIII Научно-технической конференции студентов, аспирантов и молодых ученых (Академия ГА, Санкт-Петербург, май 2001 г.);

— на семинаре кафедры «Управление воздушным движением» (Академия ГА, Санкт-Петербург, декабрь, 2001 г.);

— на Всероссийской научно-практической конференции студентов, аспиран-тов и молодых ученых (КрасФАГА, АТК, Красноярск, апрель, 2002 г.);

— на XXXIV Научно-технической конференции студентов, аспирантов и молодых ученых (Академия ГА, Санкт-Петербург, май 2002 г.);

— на межкафедральном научном семинаре (Академия ГА, Санкт-Петербург, октябрь, 2002 г.).

Публикации. По материалам диссертационных исследований опубликовано 5 печатных работ.

Структура работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка использованной литературы и приложений. В основной части содержится 135 страниц машинописного текста, 20 рисунков, 3 таблицы.

Список литературы

включает 115 наименований.

ВЫВОДЫ ПО ЧЕТВЕРТОЙ ГЛАВЕ.

1.Задача построения математической модели оценки действий диспетчера в ОС на ВТ на основе временных показателей и показателей точности деятельности диспетчера в ОС на ВТ является многомерной задачей классификации, для решения которой целесообразно применить методы распознавания образов, использующие обучающую выборку.

2.Математическая модель оценки действий диспетчера в ОС на ВТ на основе информативных временных показателей и показателей точности деятельности диспетчера может быть построена применением метода потенциальных функций к обучающей выборке результатов тренажерных испытаний диспетчеров в ОС на ВТ, который заключается в последовательной корректировке кумулятивного потенциала, задаваемого потенциальной функцией вида К (х, хк) = ехр (-«||х-хА||2).

3.Математическая модель оценки действий диспетчера в ОС на ВТ на основе информативных временных показателей и показателей точности деятельности диспетчера может быть построена применением метода дискриминантного анализа, основанного на определении канонических направлений в исходном пространстве признаков по критерию максимального отношения межклассовой дисперсии к внутриклассовой, к обучающей выборке результатов тренажерных испытаний диспетчеров в ОС на ВТ. При этом правило оценки состоит в отнесении специалиста к классу, расстояние до центроида которого наименьшее.

4.Полученные на основе обучающей выборки результатов тренажерных испытаний диспетчеров математические модели оценки деятельности диспетчера в ОС на ВТ, использующие временные показатели и показатели точности диспетчера, позволяют определять достоверные оценки готовности диспетчеров к действиям в ОС на ВТ, о чем свидетельствуют результаты проверки рассматриваемых моделей методом скользящего экзамена.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

Проведенное исследование проблемы оценки деятельности диспетчера в ОС показало актуальность задачи количественной оценки действий диспетчера в ОС на ВТ и сложность ее решения, которая обусловлена разнообразием обстоятельств в ОС и как следствие, отсутствием здесь жесткого последовательного порядка действий диспетчеров, чем вызвана необходимость использования большого числа показателей для оценки. Поэтому основные и побочные результаты диссертационной работы получены при использовании методов многомерного анализа и распознавания образов, комплексное использование которых позволило получить новые достоверные результаты. В работе проведены количественные исследования деятельности диспетчера в ОС, которые, ввиду сложности, ранее выполнялись на уровне анализа отдельных количественных параметров. Для более достоверной количественной оценки деятельности диспетчеров в ОС разработана методика построения математических моделей оценки действий диспетчера в ОС на ВТ по результатам тренажерных испытаний. Поставленные в рамках данного исследования задачи представляются решенными. Это позволяет утверждать, что диссертация представляет собой законченное научное исследование. Получены важные побочные результаты, которые могут бать основой для проведения дальнейших количественный исследований деятельности диспетчеров в ОС.

На основании проведенного диссертационного исследования были получены следующие основные выводы и результаты:

1 .Разработана методика построения математических моделей оценки действий диспетчера в ОС на ВТ, состоящая в определении количественных показателей для оценки деятельности диспетчера в ОС на трассах, в формировании обучающей выборки результатов тренажерных испытаний, в применении методов многомерного анализа и распознавания образов для построения математических моделей оценки действий диспетчера в ОС на ВТ.

2.Разработана методика определения количественных показателей для оценки действий диспетчера в ОС на ВТ, состоящая в выборе ОС для рассмотрения, в построении обобщенной алгоритмической модели деятельности диспетчера в ОС на ВТ, в определении временных показателей и показателей точности диспетчера в ОС на ВТ, в оценке информативности показателей методами кластерного и факторного анализов.

3.Получены математические модели оценки действий диспетчера в ОС на ВТ в результате применения к обучающей выборке результатов тренажерных испытаний метода потенциальных функций и метода дискриминантного анализа, при этом обе модели показали достаточную точность оценки, однако модель метода потенциальных функций применима в более широком диапазоне изменяющихся факторов.

4.Методы кластерного анализа Вар да и к-средних могут применяться для формирования классов специалистов на основе определенных в работе временных показателей и показателей точности диспетчера в ОС на ВТ, при этом компактность формируемых классов специалистов может свидетельствовать о информативности и представительности показателей, о возможности применения методов распознавания к рассматриваемой выборке образов.

5.На основе анализа формируемых методами кластерного анализа классов оцениваемых специалистов могут быть выявлены качественные скрытые признаки классификации, к примеру, некоторые рассмотренные классы различались порядком выполнения действий диспетчерами.

6.По координатам центроидов показателей положительно оцененных специалистов можно определить порядок выполнения технологических действий, который может быть рассмотрен как рекомендуемый и наиболее безопасный при управлении воздушным движением в ОС на ВТ.

7.Информативность временных показателей и показателей точности диспетчера в ОС на ВТ можно оценить на основе матрицы нагрузок показателей на главные факторы при условии адекватного сжатия признакового пространства в факторное.