Software & Systems

Разработкой тренажерных систем занимаются организации по всему миру. Лидерами по количеству созданных средств подготовки персонала являются CAE (25 %), Thales (15 %), FSI (15 %), L-3 Link (11 %) (указан процент от общего количества разработанных средств). Доля российских производителей оценивается в 2 %. Для гражданской авиации значения отношения количества эксплуатируемых самолетов к количеству используемых тренажеров следующие: США – 14,1, Канада – 38,6, Евросоюз – 16,9, Россия – 77,0 [1]. Таким образом, задача создания тренажеров для подготовки персонала, отвечающих современным стандартам, в России является актуальной [2, 3].

Международной организацией гражданской авиации (ICAO) разработаны критерии для оценки и квалификации тренажеров [4]. В 2009 г. выпущено третье издание Руководства по критериям квалификационной оценки пилотажных трена- жеров ICAO Doc 9625, которое носит рекомен- дательный характер. В этом руководстве устанавливаются требования к характеристикам и документации, необходимые для квалификационной оценки самолетных пилотажных тренажеров, используемых для подготовки и периодических проверок членов летных экипажей. Назначение данного руководства – предоставить ведомству гражданской авиации государства методы квалификационной оценки пилотажного тренажера путем первоначальной и последующих периодических оценок тренажера. Описанные методы позволяют ведомствам гражданской авиации других государств признавать квалификационную оценку, данную государством, проводившим первоначальную и периодические оценки пилотажного тренажера. Международная организация гражданской авиации – специализированное учреждение ООН – создана в результате подписания в Чикаго 7 декабря 1944 г. Конвенции о международной гражданской авиации. ICAO – это постоянно действующий орган, осуществляющий заложенные в Конвенции принципы. ICAO устанавливает стандарты в области безопасности полетов, авиационной безопасности, эффективности и регулярности, а также охраны окружающей среды от воздействия авиации [5] (см. табл. 1 и работу [6]).

Документ Flight Simulator Design and Perfor­mance Data Requirements, выпущенный IATA в 2009 г., связан с Doc 9625 и определяет требования к набору исходных данных (Data package) для проектирования тренажера. Данные требования относятся только к пакетам данных для тренажеров подготовки летного состава самолетов гражданской авиации. Компанией IATA в 2002 г. выпущен документ Simulated Air and Ground Traffic Environment for Flight Training.

В дополнение к стандартам в 2009 г. выпущено техническое руководство по квалификационной оценке Flight Simulator Evaluation Handbook, в котором описаны последовательности проведения тестов, необходимые для корректной сертификации. Данный документ может быть полезен и для уменьшения влияния субъективных факторов при оценке тренажера.

Федеральное управление гражданской авиации США разработало свои документы:

–      14 CFR FAR Part 60 – Requirements for the Evaluation, Qualification and Maintenance of Flight Simulation Training Devices 2008;

–      Advisory circular 120-40B – Aeroplane Simu­lator Qualification, Federal Aviation Administration 1991;

–      Advisory Circular 120-45A – Aeroplane Flight Training Device Qualification, Federal Aviation Administration 1992, Advisory Circular 120-40B Helicopter Simulator Qualification, Federal Aviation Administration 1994;

–      Airline Transport Pilot and Type Rating Prac­tical Test Standards, FAA-S-8081-5F, US Govern­ment Printing Office, Washington, DC, July 2008.

Европейское объединенное управление гражданской авиации также разработало документ JAR-FSTD A: Aeroplane flight simulation training devices 2008, составленный путем объединения JAR-STD 1A, Aeroplane Flight Simulators, JAR-STD 2A, Flight Training Devices, JAR-STD 3A, JAR-STD 4A. В документе JAR-FSTD A описываются четыре категории тренажерных систем группы full flight simulators level A–D, где тренажеры уровня Level D относятся к наивысшей квалификационной категории. Кроме того, классифицируются тренажерные системы группы flight training devices и flight & navigation procedures trainer по трем уровням, а также basic instrument training device.

Разрабатывались и в России подобные документы:

–      Стандарт по квалификационной оценке авиационных тренажеров самолетов «Нормы годности авиационных тренажеров самолетов для подготовки авиаперсонала на воздушном транспорте»;

–      Требования к пакету исходных данных для проектирования авиационного тренажера в соответствии с IATA Flight Simulator Design and Performance Data Requirements 7th edition;

–      Методы оценки соответствия авиационных тренажеров самолетов требованиям НГАТ.

В случае утверждения национальных стандартов возникает вопрос о процедуре подготовки специалистов на тренажерах, которые были построены до принятия стандарта. Существует одно из решений: проводить подготовку специалистов только по тем задачам, которые могут быть решены на таком тренажере в соответствии с требованиями ICAO [7].

Кроме того, в России также выпущены документы:

–      Приказ Минтранса РФ от 31.07.2009 № 128 (ред. от 22.11.2010) «Об утверждении Федеральных авиационных правил «Подготовка и выполнение полетов в гражданской авиации Российской Федерации»;

–      Приказ Минтранса РФ от 12.09.2008 № 147 «Об утверждении Федеральных авиационных правил «Требования к членам экипажа воздушных судов, специалистам по техническому обслуживанию воздушных судов и сотрудникам по обеспечению полетов (полетным диспетчерам) гражданской авиации»;

–      Приказ Минтранса РФ от 12.09.2008 № 147 «Об утверждении Федеральных авиационных правил «Требования к членам экипажа воздушных судов, специалистам по техническому обслуживанию воздушных судов и сотрудникам по обеспечению полетов (полетным диспетчерам) гражданской авиации»;

–      Приказ Минтранса РФ от 31.07.2009 № 128 (ред. от 22.11.2010) «Об утверждении Федеральных авиационных правил «Подготовка и выполнение полетов в гражданской авиации Российской Федерации»;

–      Приказ ФАС РФ от 29.01.1999 № 23 «О введении в действие Федеральных авиационных правил «Сертификация авиационных учебных центров»;

–      «Нормы годности авиационных тренажеров для подготовки авиационного персонала воздушного транспорта», утвержденные ФАС России 15.05.98 г. с Дополнением № 1 от 18.07.2000 г.;

–      ФАП «Сертификация авиационных учебных центров», утверждено ФАС России от 29.01.99 г. № 23.

18 мая 2010 г. на территории ЦАГИ в г. Жуковском прошло первое заседание секции «Авиационные тренажеры» научно-технического совета Министерства промышленности и торговли Российской Федерации, основными задачами которой являются развитие авиационного тренажеростроения в России, а также формирование системы экспертизы и сертификации авиатренажеров и других технических средств обучения (http://www.tsagi.ru/ cgibin/jet/viewnews.cgi?id=20100609070155775818).

После построения тренажера перед разработчиками встает задача проверки соответствия тренажера реальному устройству. До 80 % времени разработки тренажера, обеспечивающего адекватное моделирование, уходит на проведение тестов математической модели объекта. Зачастую причины выявленных ошибок сложно определить из-за большого количества взаимодействующих систем. Для проверки необходимо сравнивать данные, полученные при проведении испытаний реальной системы, с данными, генерируемыми тренажером. Для проведения сравнения довольно сложно воспроизвести на тренажере все действия оператора, выполняемые на реальной системе. Выходом из подобной ситуации может быть автоматическая подача входных сигналов на тренажер, взятых из записей работы реальной системы. В реальных системах могут быть предусмотрены дополнительные системы аварийной автоматики, которые, например, оповещают оператора о возможности возникновения опасной ситуации. Имитацию подобных систем также необходимо проверять на возможность ложных срабатываний и, что наиболее важно, осуществлять проверку на обязательное срабатывание оповещений при переходе системы в нежелательные или аварийные режимы работы.

Процесс верификации модели условно можно разделить на два этапа:

–      проверка параметров моделирующих систем на соответствие замеренным параметрам на реальных системах (статические тесты);

–      проверка выходных параметров моделирующих систем в зависимости от подаваемых входных сигналов (динамические тесты).

На этапе динамических тестов при заданном множестве параметров изменяется значение одного параметра и исследуется поведение системы. В процессе тестирования необходимо провести несколько измерений для каждого параметра в совокупности с изменяющимся входным множеством. Возникает ситуация, при которой проведение большого количества тестов увеличивает объем исследуемой информации и сложность ее обработки, с другой стороны, при недостаточном количестве тестов есть вероятность не выявить некорректное поведение модели. Следовательно, особое внимание необходимо уделить сбору информации при верификации: записывать номера версий всего ПО, весь массив входных параметров, возможно, реквизиты ответственного лица, проводившего испытания. Динамические тесты также включают в себя экспертную оценку операторов-инструкторов при выполнении определенных заданий на тренажере [8].

Задержки в контуре оператор–тренажер возникают по ряду причин. Первая – необходимо некоторое время (0,3–0,5 с), чтобы оператор получил информацию от тренажера, осмыслил ее и выполнил некоторые действия. Предполагается, что время данной задержки при работе на тренажере и на реальной системе должно быть одинаковым (без учета психофизической составляющей при управлении реальной системой) и не учитывается при оценке параметров тренажера. Вторая причина задержки – процесс передачи и преобразования управляющих воздействий, при котором выполняется преобразование входных сигналов в сигналы, доступные для обработки в системе. Следующая причина – процесс получения и обработки входных сигналов в подсистеме моделирования. И последняя – процесс получения и обработки информации в подсистеме визуализации. В общем случае задержка – это время между вводом оператором информации и ответными действиями системы, выражающимися в изменении информационно-управляющего поля, причем важно знать наибольшее значение данного параметра. Например, если задержка составляет 20 мс, ее увеличение в некоторый момент времени выше допус- тимого значения снизит частоту обновления и, следовательно, может привести к увеличению погрешности расчетов. Для определения величины и источника задержек необходимо использовать диагностическое программное и аппаратное обеспечение. Следует учитывать, что в современных распределенных тренажерных системах задержка в 1-2 цикла обновления неизбежна. Например, в тренажерах гражданской авиации приемлемыми задержками считаются:

–      по ICAO 9625 A: 100 мс для тренажеров уровней V и VII, 200 мс для тренажеров уровней I, II, III, IV и VI;

–      по JAR-FSTD A: 150 мс для АТ уровней C и D, 300 мс для АТ уровней A и B.

Для военной авиации этот параметр составляет 20–40 мс [9].

Сама процедура оценки времени задержки может искажать результаты. Следует учитывать, что вывод информации на экран, а также запись на устройство постоянного хранения отнимают ресурсы у подсистемы отображения и хранения данных. Целесообразно до конца цикла сбора информации хранить данные в оперативной памяти и только по окончании записи осуществлять вывод или сохранение. 

На основании ICAO Doc 9625 Manual of Criteria for the Qualification of Flight Simulation Training Devices (2009) сформированы обобщенные требования к подсистеме визуализации тренажерных систем гражданских самолетов (см. табл. 2).

Для моделирования визуальных сигналов необходимо следующее:

–      полное соответствие – воспроизведение (повторение) реального визуального окружения в перспективе, создание условий для аккомодации глаз на бесконечность;

–      соответствие в главном – моделирование реального визуального окружения в перспективе;

–      общие признаки – общие признаки реального визуального окружения в перспективе, достаточные для выполнения простого полета по приборам, инструментальном заходе на посадку.

Моделирование окружающей среды (аэродромы и земная поверхность):

–      полное соответствие – воспроизведение (повторение) реального окружения с максимально возможной точностью для любого заданного места;

–      соответствие в главном – моделирование реального окружения;

–      общие признаки – простое моделирование основных особенностей реального окружения.

В России в Положении о Федеральном агентстве воздушного транспорта (ФАВТ) нет оп- ределения понятия квалификационной оценки тренажеров, поэтому работы по допуску в эксплуатацию новых тренажеров для подготовки авиаперсонала гражданской авиации в стране включают следующее:

–      экспертизу доказательной документации по результатам предварительных (заводских) испытаний тренажеров;

–      летную оценку характеристик тренажеров по субъективным критериям;

–      оценку возможности выполнения на тренажерах программ подготовки летного состава с учетом учебно-методических возможностей тренажеров;

–      оформление акта (заключения) о возможности и условиях выдачи разрешения Управлением летной эксплуатации ФАВТ на использование тренажера по утвержденным программам [10].

При выборе разработчика тренажера следует учитывать следующие параметры.

Ограничения, а именно наличие в продукции разработчика

–      экспортных ограничений;

–      технологий, не позволяющих использовать их другими поставщиками тренажеров;

–      защищенной интеллектуальной собственности с ограничениями в использовании.

Сроки:

–      срок разработки первого экземпляра FSTD с даты получения исходных данных и покупных комплектующих изделий по воздушному судну до RFT (тренажер готов к обучению);

–      период гарантийной послепродажной поддержки FSTD;

–      сроки поставки запчастей с даты запроса;

–      готовность разработчика к изменениям графика при задержках в предоставлении исходных данных и/или покупных комплектующих изделий.

Поставка первого тренажера в конфигурации с актуальным бортовым оборудованием (особенно авионики) для самолета, только прошедшим стадию разработки, в некоторых случаях происходит с существенной задержкой. Для оперативной подготовки персонала допускается поставка тренажера более низкого уровня, например, без системы подвижности и коллимационной системы. Для ускорения разработки такого тренажера целесообразно использовать кабину пилотов одного из отработочных стендов (прочностных, технологических, птицестойкости и т.д.), закончивших программу испытаний, или возможна доработка инженерного тренажера.

Требования к данным и ПО описываются в следующих отчетах Aeronautical Radio, Incorpo­rated:

ARINC 440 – Руководство по предоставлению и поддержке данных, относящихся к оборудованию;

ARINC 441 – Руководство по предоставлению программного обеспечения в двоичном формате для целей обучения и подготовки;

ARINC 442 – Руководство по предоставлению моделей, работающих на основе управляющей карты/исходной программы, для целей обучения и подготовки;

ARINC 610 – Руководство по проектированию оборудования и программного обеспечения, предназначенного для использования в авиационных тренажерах.

При разработке математических моделей для тренажера использование специализированных программных комплексов может осложнять процедуру поддержания модели в процессе эксплуатации, так как специализированный программный комплекс является предметом интеллектуальной собственности компании-разработчика. При соответствующей договоренности разработчиков для успешного решения этой проблемы возможно создание математических моделей с использованием широко распространенных языков программирования, например С++. Фирме-изготовителю тренажера математическая модель может поставляться в исполняемых кодах (Soft Package) [11].

Автор благодарит заслуженного деятеля науки России, проф. В.Н. Решетникова и проф. А.Г. Бюшгенса за консультации и помощь при написании данной работы.

Литература

1.     Литвиненко А.А. Анализ состояния российского рынка авиационных технических средств обучения // Авиатренажеры, учебные центры и авиаперсонал-2012: IV Междунар. конф. М.: Динамика, 2012.

2.     Решетников В.Н. Космические телекоммуникации (начала). Тверь: НИИ «Центрпрограммсистем», 2009. 128 с.

3.     Решетников В.Н. Космические телекоммуникации. Системы спутниковой связи и навигации. СПб: Ленинградское изд-во, 2010. 132 с.

4.     Бюшгенс А.Г. Современные тренажерные технологии в России // Аэрокосмический курьер. 2010. № 5.

5.     International Civil Aviation Organization. Doc 9625-AN/938 Manual of Criteria for the Qualification of Flight Simu­lation Training Devices, Montreal, Canada: International Civil Aviation Organization, 2009.

6.     Шибаев В.М. Современные нормы годности авиационных тренажеров – залог безопасности полетов // Авиатренажеры, учебные центры и авиаперсонал-2012: IV Междунар. конф. М.: Динамика, 2012.

7.     Шибаев В.М. Документ ICAO 9625 H – новый подход к формированию требований к характеристикам авиационного тренажера с учетом задач подготовки летного состава // Тренажерные технологии – резерв повышения безопасности полетов: круглый стол. М.: Крокус Экспо, 2011.

8.     Allerton D. Principles of flight simulation. Chichester UK, Wiley, 2009.

9.     Шибаев В.М., Аполлонов Д.В., Еркин И.Н. Методика определения запаздывания ответной реакции систем авиационного тренажера. Жуковский: ЦЭСАТ ЦАГИ, 2011. 12 с.

10.  Кольцов С.Е. Результаты работ по допуску в эксплуатацию новых тренажеров для подготовки авиаперсонала гражданской авиации // Авиатренажеры, учебные центры и авиаперсонал-2012: IV Междунар. конф. М.: Динамика, 2012.

11.  Карлин В.С. Опыт создания авиационных тренажеров в компании «Гражданские самолеты Сухого» // Авиатренажеры, учебные центры и авиаперсонал-2012: IV Междунар. конф. М.: Динамика, 2012.

References

1.     Litvinenko A.A. A Russian market research in the field of avia aircraft technical. IV Mezhdunar. konf. “Aviatrenazhery, uchebnye tsentry i aviapersonal-2012” [4th int. conf. “Flight simulators, training centers and a flight crew”]. Moscow, Dinamika Publ., 2012 (in Russ.).

2.     Reshetnikov V.N. Kosmicheskie telekommunikatsii (nachala) [Space telecommunications (basics)]. Tver, Centrpro­grammsistem Publ., 2009, 128 p.

3.     Reshetnikov V.N. Kosmicheskie telekommunikatsii. Siste­my sputnikovoy svyazi i navigatsii [Space telecommunications. Satellite communications and navigation system]. St. Petersburg, Leningradskoe izd. Publ., 2010, 132 p.

4.     Byushgens A.G. Modern training technologies in Russia. Aerospace courier. 2010, no. 5 (in Russ.).

5.     Doc 9625-AN/938, Manual of Criteria for the Qualifica­tion of Flight Simulation Training Devices. Montreal, Canada, Intern. Civil Aviation Organization Publ., 2009.

6.     Shibaev V.M. Modern worthiness standards for aerosimu­lators is flights safety provision. IV Mezhdunar. konf. “Aviatrena­zhery, uchebnye tsentry i aviapersonal-2012” [4th int. conf. “Flight simulators, training centers and a flight crew”]. Moscow, Dinamika Publ., 2012 (in Russ.).

7.     Shibaev V.M. ICAO 9625 H is a new approach to form requirements to the feachers of flight simulators considering instructional tasks for flight crew. Krugly stol “Trenazhernye tekh­nologii – rezerv povysheniya bezopasnosti poletov” [A panel dis­cussion “Simulators technologies is a way to increase flights safety”]. Moscow, MVC “Krokus Ekspo”, 2011.

8.     Allerton D. Principles of flight simulation. Chichester, UK, Wiley, 2009, 471 p.

9.     Shibaev V.M., Apollonov D.V., Erkin I.N. Metodika opre­deleniya zapazdyvaniya otvetnoy reaktsii sistem aviatsionnogo tre­nazhera [A method for indicating delayed response of flight simulator systems]. Zhukovskiy, TsAGI Publ., 2011.

10.  Koltsov S.E. The results of authorization for operation of new simulators to train a civil flight crew. IV Mezhdunar. konf. “Aviatrenazhery, uchebnye tsentry i aviapersonal-2012” [4th Int. conf. “Flight simulators, training centers and a flight crew”]. Moscow, Dinamika Publ., 2012 (in Russ.).

11.  Karlin V.S. An experience in developing flight simulators in the company “Sukhoi Civil Aircraft”. IV Mezhdunar. konf. “Aviatrenazhery, uchebnye tsentry i aviapersonal-2012” [4th Int. Conf. “Flight simulators, training centers and a flight crew”]. Moscow, Dinamika Publ., 2012 (in Russ.).