С разрешения авторов мы публикуем текст статьи на русском языке и поздравляем Н.В. Якимович, Э.И. Сурину, И.Г. Городецкого и В.В. Чиронова с международным признанием их метода прогнозирования утомления летных экипажей при выполнении длительных полетов.

МКАА “Безопасность полетов”

Новый метод прогнозирования индивидуальной степени утомления пилотов в длительных рейсах

Якимович Н.В., Сурина Э.И., Городецкий И.Г., Чиронов В.В.

В статье представлен новый компьютерный тест, который способен моделировать (в наземных условиях) процесс развития выраженного утомления у пилотов в полете. Этот тест под названием «Контроль уровня работоспособности» (КУРС») дает возможность не только определить, как быстро устает тот или иной пилот, но и позволяет сделать прогноз, на каком часу полета в длительном рейсе может начаться выраженное утомление у конкретного пилота, т.е. построить прогноз утомляемости на индивидуальном уровне. Проверка валидности (практической пригодности) теста была проведена путем корреляции двух видов показателей: оценок степени утомляемости пилотов, полученных с помощью теста, и оценок утомления, сделанных на основе анализа отклонений в параметрах полета, полученных из записей бортовых самописцев. Корреляция прогнозов с объективными показателями деятельности пилотов оказалась на высоко достоверном уровне: r = – 0,805 при sig= 0,002 (р<0,01), что позволяет рекомендовать методику к практическому применению в авиакомпаниях.

В июле 2011 года ИКАО выпустила документ «Руководство эксплуатантам по внедрению системы управления рисками, связанными с утомляемостью» («Fatigue Risk Management Systems»), где рекомендует всем авиакомпаниям контролировать риск снижения качества пилотирования воздушного судна в связи с развитием у пилотов состояния утомления в процессе полета.

Как известно, развитие состояния утомления зависит от нескольких факторов, среди которых основными являются: качество сна перед началом периода бодрствования, продолжительность периода бодрствования, длительность и интенсивность рабочей нагрузки, индивидуальная устойчивость к утомлению.
Все перечисленные выше факторы, кроме последнего, можно определить количественно, если известен режим труда и отдыха пилота, а также условия его деятельности и сна.

Но наши исследования обращены к другому аспекту проблемы утомления пилота. Мы рассматриваем вопрос об устойчивости пилота к развитию утомления, т.е. изучаем вопрос выносливости пилота. Как известно, есть люди более выносливые к рабочим нагрузкам, а есть – менее выносливые (они устают раньше других при одинаковой нагрузке). Например, спортсменов, которые занимаются бегом, принято разделять на спринтеров и стайеров, в зависимости от их выносливости к утомлению.

Психофизиологи доказали, что выносливость зависит от фундаментальных свойств нервной системы и, прежде всего, от силы нервной системы. На этом основании пилоты, обладающие сильным типом нервной системы, являются более выносливыми, и, следовательно, более устойчивыми к утомлению. А пилоты со слабым типом нервной системы, наоборот, являются неустойчивыми к утомлению, т.е. устают быстрее.

Таким образом, момент появления текущего утомления в полете зависит не только от «текущих факторов» (особенностей полета и состояния пилота), но зависит ещё и от «врожденного фактора» – выносливости, который заложен на генетическом уровне и проявляется в виде силы или слабости нервной системы. Поэтому время развития утомления в полете нужно рассматривать как результат работы всех выше указанных факторов (текущих и врожденных).

Если пилоты обладают совершенно разной степенью устойчивости к развитию утомления (разной выносливостью), то данный факт означает, что при прочих равных условиях в полете один пилот почувствует первые признаки выраженного утомления уже через 3-4 часа полета, а другой пилот – только через 7-8 часов полета.

Знание этих особенностей пилотов имеет большое значение для комплектования экипажей. В экипаж целесообразно включать пилотов с высокой и низкой устойчивостью к утомлению, чтобы потребность в отдыхе возникала у них в разное время, и они могли подменять друг друга в полете!

Такой фактор, как индивидуальная устойчивость к утомлению, можно установить только путем тестирования пилота с помощью специальной методики. Далее представлена информация о методике, предназначенной для диагностики устойчивости пилотов к утомлению в длительных полетах, и результаты экспериментальной проверки ее прогностических возможностей.

Мы создали специальный компьютерный тест, который позволяет оценивать степень выносливости нервной системы. Для этого разработана компьютерная программа, с помощью которой моделируется процесс развития утомления. Тест представляет собой совмещенную деятельность, которая требует от пилота выполнения двух видов деятельности практически одновременно. Пилот должен одновременно удерживать компьютерную «мышь» на объекте, который быстро перемещается по экрану, и в то же время выполнять арифметические действия с числами, которые быстро меняются на экране; получив результат расчетов, пилот должен в зависимости от его величины дать ответ: нажать левую или правую кнопку «мыши».

Таким образом, данное тестирование представляет собой процесс моделирования, т.е. виртуального выполнения операторской деятельности. Причем моделируется «совмещенная деятельность» – самый сложный тип операторской деятельности, который присутствует в деятельности пилотов. Первоначально эта идея нашла своё воплощение в компьютерной методике «Адаптивная Модель Операторской Деятельности» («АМОД»), которая была разработана на кафедре эргономики «МАТИ» под руководством И.Г. Городецкого.

Впоследствии на основе этой базовой и многофункциональной методики был создан компьютерный тест, предназначенный именно для оценки степени устойчивости индивида к развитию утомления при выполнении сложной операторской деятельности. Этот частный вариант методики «АМОД» получил название тест – «КУРС» («Контроль Уровня РаботоСпособности»).

В тесте «КУРС» заложен специальный механизм адаптации заданий к возможностям обследуемого пилота. Это означает, что чем лучше становится качество деятельности пилота при выполнении тестовых заданий, тем выше становится уровень сложности заданий. Сложность заданий проявляется в скорости и амплитуде движений объекта на экране компьютера, а также в быстроте смены чисел, которые необходимо считать. Таким образом, пилоту не удается выработать навык выполнения теста в силу постоянного усложнения заданий. Благодаря этому механизму, тестирование превращается для пилота в очень интенсивный и изматывающий вид деятельности, вследствие чего за 10 минут тестирования удается смоделировать процесс появления выраженного утомления и увидеть, кто из пилотов является более выносливым специалистом, а кто – менее выносливым.

Поскольку тестовая деятельность является очень сложной и очень напряженной, то уже через 3 минуты выполнения теста у некоторых пилотов появляются признаки утомления: они начинают хуже контролировать движущийся объект или хуже считать числа в уме. Когда же пилот начинает вообще пропускать какие-то действия (не хватает сил этим заниматься), это означает появление в его работе «компенсаторных пауз», которые служат проявлением потребности в отдыхе и начале развития выраженного утомления.

По результатам тестирования делается расчет интегрального показателя качества выполнения тестовой деятельности. В связи с тем, что он обобщает два вида деятельности (качество слежения за объектом и качество арифметического счета), то сначала делается расчет качества выполнения каждой деятельности отдельно. В каждом виде деятельности учитываются только успешно выполненные (по слежению) или правильно решенные задачи (по счету).

Для деятельности слежения за движущимся на экране объектом выбираются среди зарегистрированных результатов только те, где задачи были решены успешно («мышь» оставалась на объекте) и определяется степень сложности этих задач. Степень сложности задач зависит от амплитуды (А) движения объекта по оси «х» и по оси «у», а также зависит от скорости (V) движения этого объекта по тем же осям на экране компьютера.

Таким образом, показатель качества деятельности слежения рассчитывается по формуле:

Qfol =Ах × Ау × Vх× Vу.

Применительно к задаче арифметического счета определяется свой показатель качества деятельности. Он подсчитывалется как среднее количество правильно (безошибочно) решенных арифметических задач в единицу времени (за 1 минуту):

Qcal= Nправ. отв.

Интегральный показатель по всему тесту – это показатель качества выполнения совмещенной деятельности, т.е. двух видов деятельности одновременно. Поскольку он зависит от качества выполнения каждой отдельной деятельности, то представляет собой произведение показателя качества по слежению и показателя качества по счету:

Qtotal= Qfol× Qcal.

Интегральный показатель качества деятельности измеряется в условных (стандартизированных) единицах от 0,01 до 0,99. Чем выше оказывается показатель качества совмещенной деятельности на конкретных минутах тестирования, тем выше – уровень работоспособности пилота и, соответственно, меньше проявлений утомления.

График, отражающий динамику качества выполнения тестовой деятельности, выводится на экран компьютера в виде «кривой работоспособности» или «кривой развития утомления». Как выглядит кривая развития утомления у пилота с высокой степенью выносливости показано далее на рисунке 1. А кривая утомления у пилота с низким уровнем выносливости показана на рисунке 2.

На этих кривых видно, в течение какого времени (сколько минут) происходил рост качества совмещенной деятельности, а после какой минуты происходил спад качества деятельности – наступали паузы для компенсации сил. Если кривая работоспособности шла вверх до конца теста (до 10 минут) с небольшими спадами, то это означало достаточно высокую степень устойчивости к утомлению. Если же кривая после небольшого подъема прекращала двигаться вверх, а переходила в постоянные спады, это свидетельствовало о низкой устойчивости пилота к утомлению.

Для построения кривой развития утомления использовались следующие показатели: по оси Х – показатель качества выполнения тестовой деятельности, по оси У – время выполнения теста по минутам.

Качество деятельности в усл.ед.

Время выполнения теста в минутах
Рис. 1. Кривая работоспособности КВС (39 лет), устойчивого к утомлению.

Качество деятельности в усл.ед.

Время выполнения теста в минутах
Рис. 2. Кривая работоспособности КВС (51 год), не устойчивого к утомлению.

Цель данной работы заключалась в применении теста «КУРС» для прогнозирования степени устойчивости пилотов к развитию утомления и верификации (проверки) полученных оценок путем сопоставления их с объективными проявлениями выраженного утомления в реальных полетах на основе информации от параметрических самописцев.

Напомним, что угрозу для качества профессиональной деятельности представляют только 2 последние стадии состояния утомления – это выраженное утомление и тяжелое утомление (или переутомление). Сам термин «выраженное» утомление означает, что в отличие от легкого утомления, которое практически не отражается на результатах деятельности, этот вид утомления приводит к отклонениям в деятельности: появляются ошибки, пропуски, задержки. Именно благодаря тому, что данный вид утомления проявляется в конкретных феноменах и появляется возможность зарегистрировать его присутствие в процессе выполнения профессиональной деятельности. Для этого нужно использовать регистраторы качества деятельности, например, в гражданской авиации для этой цели можно использовать бортовые саморегистраторы полета, т.е. записи «черных ящиков», где отражается качество пилотирования самолета конкретным пилотом при ручном режиме пилотирования.

Чтобы объективно (не по тесту) судить о том, насколько конкретный пилот способен испытывать выраженное утомление в реальных полетах, нужно выполнить следующие расчеты на основе данных, полученных от бортовых самописцев. Сначала надо определить, каково качество пилотирования в ручном режиме у конкретного пилота после 3-5 часов полета – это будет качество его пилотирования при легком утомлении. Качество пилотирования оценивается по интегральному показателю степени отклонений от рекомендованных параметров полета при прохождении глиссады в ручном режиме пилотирования.
Затем делается аналогичный расчет качества пилотирования после 8-10 часов полета. Понятно, что степень отклонений от рекомендованных параметров полета при посадке после длительного рейса может оказаться выше, чем после 3-5 часов полета, т.к. развивается более глубокая степень утомления. Если разница между качеством пилотирования при легком утомлении и качеством пилотирования при выраженном утомлении окажется достаточно заметной, то данный факт будет означать, что рассматриваемый пилот заметно устает в длительных рейсах по сравнению с короткими рейсами, следовательно, он обладает слабой выносливостью к длительным рабочим нагрузкам.

И наоборот, если разница в качестве пилотирования после коротких и длительных рейсов окажется незначительной, значит, данный пилот не испытывает сильного утомления в длительных рейсах, в этих рейсах у него также наблюдается легкое утомление, как и в коротких рейсах, следовательно, он достаточно устойчив к развитию утомления. Для достоверности подобных выводов сравнивались 3 коротких рейса и 3 длительных рейса применительно к каждому пилоту.
Такой способ изучения устойчивости к выраженному утомлению является достаточно надежным, поскольку он опирается на объективные показатели деятельности в реальных полетах. Что считать большими или малыми различиями в качестве пилотирования, определялось через нормирование (разделение на три категории по величине) всех зафиксированных степеней отклонений от рекомендованных параметров полета.

В экспериментальном исследовании использовались расшифрованные записи бортовых самописцев, полученные на 12 командиров воздушных судов самолета «Руслан». Ниже изображен грузовой самолет «Руслан».

По результатам расшифровки бортовых самописцев оценивались следующие параметры полета:

– отклонение в высоте пролета ДПРМ (дальнего привода радиомаяка)
–отклонение в высоте пролета БПРМ (ближнего привода радиомаяка)
– усредненное отклонение по крену самолета на этапе выравнивания.

Полученные в длительных рейсах величины отклонений сравнивались с обычными отклонениями данного пилота в коротких рейсах (с его обычной нормой девиаций), и определялся процент расхождений в этих отклонениях – суммарный процент различий (Σ  D). Этот показатель обобщался применительно к трем рейсам и выступал в роли объективного (реального) показателя степени утомляемости пилота в длительных рейсах в целях верификации прогнозов, сделанных по методике «КУРС».

После сбора оценок по утомлению применительно к 12 командирам ВС в реальных полетах их данные были прокоррелированы с оценками (прогнозами) степени утомляемости этих лиц, сделанными на основе теста «КУРС».

Интегральный показатель по тесту «КУРС», оценивающий степень устойчивости к утомлению (Σ Ball), показал высоко достоверные корреляции с интегральным показателем изменения качества пилотирования на посадке в длительных рейсах (в сравнении с короткими рейсами – индивидуальной нормой отклонений).
Коэффициент корреляции по Пирсону составил r = – 0,805 при sig= 0,002 (р< 0,01).

Отрицательная корреляционная связь между двумя интегральными показателями означает, что чем выше оказываются у пилота значения показателя устойчивости к утомлению (Σ Ball), полученные по тесту «КУРС», тем меньше наблюдается у него изменение уровня отклонений от рекомендованных параметров полета и степени их вариативности (Σ  D) в длительных рейсах по сравнению с индивидуальной нормой.

Наличие высоко достоверной корреляции служит научным обоснованием возможности прогнозирования степени изменения качества пилотирования к концу длительных рейсов (по причине утомления) на основе значений, полученных по интегральному показателю теста «КУРС».

После завершения эксперимента психологи авиакомпании «Волга-Днепр» сообщили, что прогнозы, составленные ими на основе данной методики для более широкого круга пилотов (не принимавших участие в эксперименте), получили высокий процент подтверждений. Более того, психологи отметили, что компьютерная кривая очень схожа с кривой утомления в реальных полетах и по ней даже возможно предсказание того, с какого часа полета может начаться выраженное утомление у конкретного пилота. Практически каждая минута 10-ти минутного тестирования по методике «КУРС» была сопоставима с каждым часом 10-ти часового полета.

Это позволяет выдавать рекомендации пилотам о желательном времени отдыха на борту самолета, т.е. определить, на каком часу полета целесообразно сделать технологический перерыв в работе, чтобы предотвратить развитие опасной степени утомления!

Помимо этого разработанная методика способна помогать руководству авиакомпании, как лучше комплектовать летные экипажи: она выделит пилотов, у которых моменты начала выраженного утомления не совпадают во времени, что, в свою очередь, позволит делать технологические перерывы на борту – в разные периоды полета.