PL224929B1 - Symulator lotu - Google Patents

Description

Przedmiotem wynalazku jest symulator lotu, mający zastosowanie w procesie szkolenia pilotów przed szkoleniem w samolocie lub do kontroli reakcji pilota, z uwzględnieniem cech psychofizycznych ucznia - pilota.

Podniesienie jakości szkolenia lotniczego ma obecnie kluczowe znaczenie dla wzrostu poziomu bezpieczeństwa lotniczego na świecie. Przy obecnym zaawansowaniu techniki lotniczej, w układzie człowiek-maszyna (w tym przypadku pilot-samolot) najsłabszym ogniwem okazuje się człowiek. Według różnych badań i analiz czynnikowi ludzkiemu przypisuje się odpowiedzialność za 70-90% wypadków lotnictwa cywilnego i wojskowego. W szczególności należy podkreślić, że obecnie ze względu m.in. na brak lub nieoptymalne szkolenie pilotów General Aviation, liczba wypadków śmiertelnych w lotnictwie ogólnym jest ponad 10 razy większa niż w lotnictwie komunikacyjnym. Dlatego optymalizacja szkolenia wznawiającego i doskonalącego pilotów General Aviation, w warunkach zróżnicowania poziomów wejściowych na szkolenie, nieregularności i ograniczeń czasowych ma potencjalnie bardzo istotny wpływ na podniesienie poziomu bezpieczeństwa lotnictwa ogólnego oraz ograniczenia następstw wypadków lotniczych - ofiary śmiertelne, utrata zdolności do pracy, utrata aktywów lotniczych. W związku z czym, wspomaganie procesu decyzyjnego w diagnostyce stanu psychofizycznego pilota podczas szkolenia znajdzie odzwierciedlenie w aspekcie ekonomicznym i bezpieczeństwa lotniczego w sektorze General Aviation.

Dzisiejsze szkolenie lotnicze, którego zasady zostały opracowane na początku drugiej połowy XX wieku opiera się na wykonywaniu pojedynczych zadań lub ich prostych sekwencji w formie m anewrów, których opanowanie i zaliczenie jest konieczne do uzyskania uprawnienia. Metoda ta, jakkolwiek określa wymaganą jakość wykonania, nie uwzględnia nakładów (wysiłku) pilota włożonego w jego wykonanie, takich jak liczba koniecznych powtórzeń do osiągnięcia wymaganej jakości, czy obciążenie pracą umysłową lub fizyczną podczas ich wykonywania. Oznacza to, że w przypadku niektórych pilotów, pomimo uzyskania przez nich zaliczenia, ewentualna rezerwa zasobów, jakimi dysponuje pilot jest bardzo niewielka i w przypadku wystąpienia dodatkowych czynników (awarii, pogodowych) może zostać przekroczona, doprowadzając do wypadku lotniczego.

Ponadto współczesne szkolenie lotnicze, niezależnie od rodzaju lotnictwa (prywatne, korporacyjne, liniowe czy wojskowe) wiąże się z bardzo wysokimi kosztami. Dlatego istotne jest osiąganie możliwie najlepszych wyników szkolenia w najkrótszym czasie. W tym celu krytyczny jest prawidłowy dobór obciążeń treningowych. Z powodu braku odpowiednich narzędzi, proces ten opiera się obecnie wyłącznie na subiektywnej ocenie instruktora i jego doświadczeniu, powodując, że jest on daleki od doskonałości.

Pomiar obciążenia zadaniowego jest powszechnie stosowany w badaniach eksperymentalnych, m.in. w dziedzinie psychologii lotniczej i inżynieryjnej, medycyny lotniczej oraz ergonomii. Zastosow ania praktyczne w szkoleniu lotniczym są stosunkowo nieliczne, poza metodami subiektywnymi, takimi jak NASA TLX, i ograniczone do kosmonautyki, lotnictwa wojskowego i komunikacyjnego. Jednak także w tych przypadkach stosowanie tych metod ma charakter mieszany (badawczo-praktyczny), służący do modyfikacji programów szkolenia dla całej grupy pilotów lub selekcyjny, polegający na doborze pilotów pod kątem planowanych zadań w lotnictwie wojskowym lub podjęcia decyzji o zatrudnieniu pilota w lotnictwie cywilnym - komunikacyjnym. Nie stosuje się pomiaru obciążenia zadaniowego pilota w szkoleniu lotniczym pilotów lotnictwa ogólnego. Również nie są znane przykłady indywidualizacji programu szkolenia w czasie rzeczywistym, co jest celem projektu, w innych obszarach lotnictwa i kosmonautyki. Z tych powodów można przyjąć, że system szybkiego monitorowania obciążeń zadaniowych i postępów treningowych w zaawansowanym szkoleniu pilotów lotnictwa ogólnego będzie nowym produktem, zarówno do udoskonalenia, jak i wprowadzenia nowych technik i programów szkolenia lotniczego. Na obecnym etapie system będzie projektowany dla lotnictwa ogólnego, z możliwością jego ewentualnego przeniesienia po dostosowaniu do wymogów lotnictwa wojskowego i k omunikacyjnego.

Podstawowym celem projektu jest zmiana filozofii oceny i ewaluacji umiejętności pilotów z binarnego (umie/nie umie), na obiektywnie mierzalny system jakościowy (umie i podczas wykonywania posiada określoną wartościowo rezerwę zasobów intelektualnych i fizycznych).

Pierwszorzędnym celem wszystkich szkoleń lotniczych (i innowacji w tym zakresie) jest zmniejszenie liczby wypadków lotniczych oraz związanych z nimi ofiar śmiertelnych, a więc w szerszym aspekcie podniesienie bezpieczeństwa lotniczego.

PL 224 929 B1

Każde szkolenie lotnicze, czy w lotnictwie ogólnym, czy w lotnictwie komercyjnym lub wojskowym, jest związane z określonymi kosztami, zarówno po stronie uczestnika lub organizacji, oraz nakładem czasowym na jego przeprowadzenie, po stronie uczestnika, organizacji oraz instruktorów. W ramach danego czasu oraz założonych kosztów, w ramach których szkolony powinien osiągnąć określony poziom zaawansowania oraz powtarzalności danych/szkolonych umiejętności.

W szkoleniu pilotów w branży lotnictwa ogólnego, lotnictwa komercyjnego, lotnictwa wojskowego, istnieją następujące uwarunkowania:

1. Brak obiektywnej oceny spełnienia danego standardu szkolenia przez pilota.

W odniesieniu do szkoleń do uzyskania różnych rodzajów licencji oraz uprawnień dodatkowych, regulowanych przez Europejskie Prawo Lotnicze, piloci podlegają sformalizowanym planom szkolenia, które mimo publikowanych kryteriów oceny wypełnienia celów danego zadania szkoleniowego, nie posiadają obiektywnego systemu oceny. Ocena ta jest pozostawiana subiektywnemu osądowi instruktora prowadzącego i jest całkowicie zależna od jego uprzednich doświadczeń oraz poziomu profesjonalizmu zawodowego.

2. Brak monitorowania w czasie rzeczywistym obciążenia zadaniowego pilota w trakcie szkolenia.

- w trakcie szkolenia, w zależności od stanu psychofizycznego szkolonego pilota, w stosunku do zadań szkoleniowych do wykonania, zostają generowane różne poziomy obciążenia zadaniowego. Przez obciążenie zadaniowe należy rozumieć, najprościej: zdolność wykonania przez pilota danego zadania w relacji do jego trudności. Jeśli obciążenie zadaniowe przy wykonywaniu danego ćwiczenia lub ich serii będzie zbyt wysokie, efektywność ich wykonania przez pilota spadnie.

- powyższa sytuacja prowadzi do zwiększonej liczby powtórzeń danego ćwiczenia, co wydłuża czas szkolenia oraz podnosi jego koszt.

- monitorowanie w czasie rzeczywistym obciążenia zadaniowego, sprzężone z modułem korygującym parametry zadania do wykonania, powoduje, że obciążenie zadaniowe dla pilota jest optymalne i prowadzi do lepszego wykonywania przez niego zadania szkoleniowego.

3. Obecny poziom ewaluacji/egzaminowania.

- piloci w trakcie szkolenia podlegają egzaminom złożonym z pojedynczych czynności, których jakość wykonania jest mierzona. Nie oddaje to jednak rzeczywistości, w której zazwyczaj określone sytuacje występują sekwencyjnie lub jednocześnie.

- w sytuacjach pojedynczych zadań do wykonania generowane obciążenie zadaniowe jest na innym poziomie niż w przypadku zadań występujących jedno zaraz po drugim lub co więcej, w tym samym czasie. W rezultacie, w przypadkach zadań występujących sekwencyjnie lub w tym samym czasie, powstaje obciążenie zadaniowe wychodzące poza granicę krytyczną, które powoduje spadek efektywności działania pilota i tym samym potencjalne zagrożenie bezpieczeństwa.

- obecnie dostępne metody nie pozwalają na obiektywne mierzenie i korygowanie w czasie rzeczywistym, w trakcie wykonywania danego zadania, poziomu obciążenia zadaniowego pilota.

Wadami dotychczasowego systemu szkolenia jest:

- brak obiektywnej i jednolitej oceny w pomiarze efektywności szkolenia,

- brak monitorowania w czasie rzeczywistym obciążenia zadaniowego pilota w trakcie szkolenia,

- brak możliwości korygowania w czasie rzeczywistym poziomu obciążenia zadaniowego przy wyk onywaniu wielu zadań jednocześnie.

W celu wyeliminowania powyższych wad i niedogodności zasadnym jest wprowadzenie :

- systemu obiektywnej oceny obciążenia zadaniowego pilota poprzez obiektywną (a nie, jak dotąd jedynie subiektywną) ocenę jego stanu psychofizycznego i poziomu sprawności za pomocą urządzeń pomiarowych,

- odpowiedniego oprogramowania wykorzystującego dane z urządzeń do oceny stanu psychofizyc znego oraz dane z symulatora lotów, generującego nowe scenariusze ćwiczeń, lepiej dostosowane do aktualnych/dostępnych w danej chwili możliwości pilota,

- dodatkowych urządzeń, które przyczyniają się do zwiększenia możliwości generowania zróżnicowanych scenariuszy ćwiczeń, co realizuje przedstawiony poniżej wynalazek.

Istota wynalazku, którym jest symulator lotu, w postaci kabiny z wyposażeniem odwzorowującym wyposażenie samolotu, połączonym z zespołem sterująco - kontrolnym, polega na tym, że kabina osadzona jest na obrotowej platformie mającej sześć stopni swobody oraz dodatkowy talerz obr otowy o zakresie obrotu 360 stopni, i jest wyposażona w system symulacji rzeczywistych warunków oddechowych na zmiennych wysokościach, ponadto ma rejestratory stanu psychofizycznego ucznia pilota, których czujniki usytuowane są na uczniu - pilocie, przy czym każdy z tych rejestratorów połą4

PL 224 929 B1 czony jest z modułem psychometrycznym, do którego przekazywane są informacje z pomiarów, anal izującym dane pomiarów i przeprowadzającym automatyczną ocenę stanu psychofizycznego ucznia pilota, z kolei moduł psychometryczny połączony jest z modułem informacyjnym, przetwarzającym dane i prezentującym je w postaci zespołu parametrów, i modułem sterowniczym, dla automatycznej modyfikacji wybranych parametrów sesji szkoleniowej, zaś moduł informacyjny połączony jest z modułem sterowniczym i pulpitem sterowniczym do modyfikacji wybranych parametrów, przez instruktora, z uwzględnieniem danych z połączonej z modułem sterowniczym i pulpitem sterowniczym bazy scenariuszy szkolenia, przy czym moduł sterowniczy i panel sterowniczy połączone są z modułem wykonawczym sterowania symulatorem, który steruje pracą symulatora poprzez submoduł modelu aerod ynamicznego oraz submoduł wykonawczy awioniki oraz submoduł wykonawczy kinematyki.

Korzystnym jest, gdy rejestratorem stanu psychofizycznego ucznia - pilota jest spektroskop w bliskiej podczerwieni.

Korzystnym jest też, gdy rejestratorem stanu psychofizycznego ucznia - pilota jest elektrokardiograf do badania pracy serca.

Także korzystnym jest, gdy rejestratorem stanu psychofizycznego ucznia - pilota jest elektroencefalograf, monitorujący pracę mózgu.

Również korzystnym jest, gdy rejestratorem stanu psychofizycznego ucznia - pilota jest urządzenie monitorujące częstotliwość czynności oddechowych.

Poza tym korzystnym jest, gdy rejestratorem stanu psychofizycznego ucznia - pilota jest czujnik monitorujący rytm pracy serca.

Dzięki zastosowaniu rozwiązania według wynalazku, uzyskano następujące efekty techniczno użytkowe:

- obiektywna ocena obciążenia zadaniowego pilota poprzez obiektywną ocenę jego stanu psychofizycznego i poziomu sprawności za pomocą urządzeń pomiarowych,

- opracowanie odpowiedniego oprogramowania wykorzystującego dane z urządzeń do oceny stanu psychofizycznego oraz dane z symulatora lotów, generującego nowe scenariusze ćwiczeń, lepiej dostosowane do aktualnych/dostępnych w danej chwili możliwości pilota,

- zastosowanie dodatkowych urządzeń, które przyczyniają się do zwiększenia możliwości generowania zróżnicowanych scenariuszy ćwiczeń.

Przedmiot wynalazku, w przykładowym, lecz nie wyczerpującym wykonaniu uwidoczniono w schemacie na rysunku, na którym pokazano graficzne przedstawienie połączonych ze sobą urządzeń technicznych.

Symulator lotu według wynalazku jest kabiną 1 osadzoną na obrotowym o 360° podeście 2 us ytuowanym ma platformie 3, mającej 6 stopni swobody, tzw. platformie Stewarta. Kabina 1 wyposażona jest w zespół 4 symulacji rzeczywistych warunków oddechowych. Zespół ten symuluje rzeczywiste warunki oddechowe w sytuacjach lotów na znacznych wysokościach w środowisku o znacznie obniżonym poziomie ciśnienia parcjalnego tlenu. Kabina 1 wyposażona jest również w rejestratory 5 stanu psychofizycznego ucznia - pilota, których czujniki usytuowane są na uczniu - pilocie. Rejestratorem 5a jest FNIR - spektroskop w bliskiej podczerwieni; mierzy pośrednio utlenienie krwi w płacie czołowym mózgu, co jest skorelowane z zapotrzebowaniem mózgu na tlen, a co z kolei jest oznaką zwiększonej pracy umysłowej. Rejestratorem 5b jest EKG - elektrokardiograf - standardowe urządzenie badające pracę serca; jest to metoda pośrednia polegająca na rejestracji elektrycznej czynności mięśnia sercowego z powierzchni klatki piersiowej w postaci różnicy potencjałów (napięć) pomiędzy dwoma elektrodami, co graficznie jest odczytywane w formie krzywej elektrokardiograficznej, na specjalnym papierze milimetrowym bądź na ekranie monitora. Rejestratorem 5c jest urządzenie monitor ujące rytm pracy serca; jego zwiększenie lub zmniejszenie jest objawem zmiany wysiłku/stresu/obciążenia zadaniowego pilota w trakcie szkolenia. Rejestratorem 5d jest EEG - elektroencefalograf - urządzenie monitorujące pracę mózgu. Badanie polega na odpowiednim rozmieszczeniu na powierzchni skóry czaszki elektrod, które rejestrują zmiany potencjału elektrycznego na powierzchni skóry, pochodzące od aktywności neuronów kory mózgowej i po odpowiednim ich wzmocnieniu tworzą z nich zapis - elektroencefalogram; zmiany potencjału elektrycznego są oznaką zmieniającej się aktywności mózgu związanej z różnymi poziomami obciążenia zadaniowego. Rejestratorem 5e jest BR - urządzenie monitorujące częstotliwości czynności oddechowej. Urządzenie to rejestruje liczbę oddechów na jednostkę czasu; zmiany jego rytmu są znakiem zmian w poziomie stresu/obciążenia zadaniowego przy wykonywaniu danego ćwiczenia szkoleniowego.

PL 224 929 B1

Każdy z rejestratorów 5a, 5b, 5c, 5d, 5e połączony jest z modułem psychometrycznym 6, gromadzącym oraz przetwarzający dane dotyczące stanu psychofizjologicznego pilota. Dane wyjściowe z tego modułu to automatyczna ocena stanu psychofizycznego pilota wyrażająca się poziomem obciążenia zadaniowego. Mierzona w czasie rzeczywistym i modyfikowana w czasie rzeczywistym, w trakcie wykonywania przez pilota zadań. Moduł psychomotoryczny 6 połączony jest z modułem informacyjnym 7, który przetwarza dalej dane z modułu psychometrycznego i prezentuje je w postaci zespołu parametrów, oraz z modułem sterowniczym 8, który odpowiada za automatyczną modyfikację wybranych parametrów sesji szkoleniowej, w celu utrzymania obciążenia zadaniowego pilota na optymalnym poziomie. Moduł informacyjny 7 oraz moduł sterowniczy 8 połączone są z pulpitem sterowniczym 9. Pulpit sterowniczy 9 oraz moduł sterowniczy 8 połączone są z bazą scenariuszy 10 pr ocesów szkolenia, która ma zaprogramowane zmienne warianty parametrów symulowanego lotu. Moduł sterowniczy 8 i pulpit sterowniczy 9 połączone są z modułem wykonawczym 11 symulatora. Moduł wykonawczy 11 symulatora zarządza działaniem poszczególnych komponentów symulatora na poziomie wykonawczym poprzez submoduł modelu aerodynamicznego 12, submoduł 13 wykonawczy awioniki oraz submoduł 14 wykonawczy kinematyki, uwzględniając modyfikacje manualne instruktora, wprowadzanymi przez pulpit sterowniczy 9 oraz modyfikacje automatyczne, wprowadzane przez moduł sterowniczy 8.

Podczas treningu w symulatorze uczeń - pilot ma zadane przez instruktora z pulpitu sterowniczego 9 lub moduł sterowniczy 8 parametry lotu z bazy scenariuszy 10. Parametry te są realizowane przez moduł wykonawczy 11 poprzez submoduły 12, 13, 14. Wprowadza się symulację rzeczywistych parametrów lotu z uwzględnieniem przechyłów platformy 3 oraz obrotów podestu 2, a także parametry ciśnienia i zawartości tlenu w atmosferze. Podczas pobytu w kabinie uczeń - pilot ma podłączone czujniki rejestratorów 5, mierzące parametry fizjologiczne ucznia - pilota, które są efektem obciążenia, zadanym programem szkolenia. Dane z tych rejestratorów 5 przekazywane są do modułu psychom etrycznego 6, gdzie zostają poddane analizie. Wyniki tej analizy zostają przekazywane do modułu informacyjnego 7, gdzie następuje ich prezentacja parametryczna i do modułu sterowniczego 8, gdzie następuje ich modyfikacja automatyczna. Z modułu informacyjnego parametry są przekazywane również do pulpitu sterowniczego 9, podając informacje instruktorowi Z modułu sterowniczego 8 oraz z pulpitu sterowniczego 9 informacje, z uwzględnieniem programów z bazy scenariuszy 10, przekaz ywane są automatyczne z modułu sterowniczego 8 lub z uwzględnieniem decyzji instruktora, z pulpitu sterowania 9 do modułu wykonawczego 11. Moduł wykonawczy 11 przez submoduły 12, 13, 14 zmienia parametry programu szkolenia, dostosowując je do możliwości ucznia - pilota, poza tym otrzymane parametry zostają poddane analizie do oceny poziomu wyszkolenia ucznia - pilota oraz jego zdolności psychomotorycznych, jak również do dostosowania programu szkolenia do możliwości pilota.

Claims (6)

1. Symulator lotu, w postaci kabiny z wyposażeniem odwzorowującym wyposażenie samolotu, połączonym z zespołem sterująco - kontrolnym, znamienny tym, że kabina 1 osadzona jest na obrotowej platformie 3 mającej sześć stopni swobody oraz dodatkowym podeście obrotowym 2 o zakresie obrotu 360 stopni, i jest wyposażona w zespół symulacji 4 rzeczywistych warunków oddechowych na zmiennych wysokościach, ponadto ma rejestratory stanu psychofizycznego ucznia - pilota, 5, których czujniki usytuowane są na uczniu - pilocie, przy czym każdy z tych rejestratorów połączony jest z modułem psychometrycznym 6, do którego przekazywane są informacje z pomiarów, analizującym dane pomiarów i przeprowadzającym automatyczną ocenę stanu psychofizycznego ucznia - pilota, z kolei moduł psychometryczny 6 połączony jest z modułem informacyjnym 7, przetwarzającym dane i prezentującym je w postaci zespołu parametrów, i modułem sterowniczym 8, dla automatycznej m odyfikacji wybranych parametrów sesji szkoleniowej, zaś moduł informacyjny 7 połączony jest z mod ułem sterowniczym 8 i pulpitem sterowniczym 9 do modyfikacji wybranych parametrów przez instruktora, z uwzględnieniem danych z połączonej z modułem sterowniczym 8 i pulpitem sterowniczym 10 bazy scenariuszy szkolenia, przy czym moduł sterowniczy 8 i panel sterowniczy 9 połączone są z modułem wykonawczym 11 sterowania symulatorem, który steruje pracą symulatora poprzez submoduł modelu aerodynamicznego 12 oraz submoduł wykonawczy awioniki 13 oraz submoduł wyk onawczy kinematyki 14.

PL 224 929 B1

2. Symulator według zastrz. 1, znamienny tym, że rejestratorem stanu psychofizycznego ucznia - pilota 5 jest spektroskop w bliskiej podczerwieni 5a.

3. Symulator według zastrz. 1, znamienny tym, że rejestratorem stanu psychofizycznego ucznia - pilota 5 jest elektrokardiograf do badania pracy serca 5b.

4. Symulator według zastrz. 1, znamienny tym, że rejestratorem stanu psychofizycznego ucznia - pilota jest czujnik monitorujący rytm pracy serca 5c.

5. Symulator według zastrz. 1, znamienny tym, że rejestratorem stanu psychofizycznego ucznia - pilota 5 jest elektroencefalograf, monitorujący pracę mózgu 5d.

6. Symulator według zastrz 1, znamienny tym, że rejestratorem stanu psychofizycznego ucznia - pilota 5 jest urządzenie monitorujące częstotliwość czynności oddechowych 5e.