An aviation accident report data-driven approach to scenario design for a centrifuge-based dynamic flight simulator

• Autorzy: Lewkowicz Rafał

Identyfikatory

DOI

10.5604/01.3001.0054.1760

Warianty tytułu

PL

Podejście oparte na danych z raportu o wypadku lotniczym do projektowania scenariuszy dla dynamicznego symulatora lotu bazującego na wirówce przeciążeniowej

• Języki publikacji: EN

Abstrakty

EN

The use of flight simulators in investigating an aviation incident or accident related to human errors has been identified as an important part of a strategy to improve safety. This study aimed to replicate a real flight of the MiG-29 aircraft using a centrifuge-based dynamic flight simulator and to determine the simulator’s accuracy in recreating in-flight aircraft performance. A 60-second recording of the real flight of the MiG-29 aircraft, captured by the flight data recorder, was chosen for replication in the HTC-07 human training centrifuge simulator. To evaluate how accurately the simulator replicates the performance of the aircraft, the linear accelerations and angular velocities acting on a pilot during the real flight were compared with those during the replication of that flight in the simulator. The fit of these parameters was assessed using the root mean square percentage error (RMSPE) and the correlation coefficient (r). The highest replication accuracy was achieved for the vertical component of the linear acceleration (RMSPE=2068; r=0.98), while the worst result was obtained for the longitudinal component (RMSPE=14205; r=0.31). Inaccuracies were much more pronounced for the angular velocity. The roll angular velocity had the lowest replication error (RMSPE=12640). However, its correlation with the recorded velocity during the real flight was very weak (r=-0.02). Despite some inaccuracies in replicating other components of the acceleration and angular velocity vectors, the HTC-07 simulator seems valuable for investigating aviation incidents or accidents related to human factors.

PL

Wykorzystanie symulatorów lotu w badaniach incydentu lub wypadku lotniczego, którego przyczyną mógł być błąd ludzki, zostało uznane za ważną część strategii poprawy bezpieczeństwa lotów. Celem tego badania było odtworzenie rzeczywistego lotu samolotu MiG-29 w dynamicznym symulatorze lotu opartym na wirówce przeciążeniowej oraz ocena, czy symulator ten może dokładnie odtworzyć osiągi samolotu podczas lotu. Do odtworzenia w wirówce przeciążeniowej – symulatorze HTC-07 wybrano 60-sekundowe nagranie rzeczywistego lotu samolotu MiG-29, zarejestrowane przez pokładowy rejestrator danych lotu. W celu oceny, jak dokładnie symulator odtwarza osiągi samolotu porównano przyspieszenia liniowe i prędkości kątowe działające na pilota podczas rzeczywistego lotu z przyspieszeniami działającymi podczas replikacji tego lotu w symulatorze. Dopasowanie tych parametrów oceniono za pomocą średniokwadratowego błędu procentowego (RMSPE) oraz współczynnika korelacji (r). Największą dokładność replikacji osiągnęła składowa pionowa przyspieszenia liniowego (RMSPE = 2068; r = 0,98), podczas gdy najgorszy wynik miała składowa podłużna (RMSPE = 14205; r = 0,31). Niedokładności były znacznie bardziej widoczne w przypadku prędkości kątowej. Prędkość kątowa przechyłu miała najniższy błąd replikacji (RMSPE = 12640), jednak jej korelacja z zarejestrowaną prędkością podczas rzeczywistego lotu była bardzo słaba (r = -0,02). Pomimo niedokładności w odtwarzaniu pozostałych składowych wektorów przyspieszenia i prędkości kątowej, symulator HTC-07 wydaje się cennym narzędziem do badania incydentów lub wypadków lotniczych związanych z czynnikiem ludzkim.

Słowa kluczowe

EN

human factor; flight simulator; centrifuge; flight safety; accident investigation

PL

czynnik ludzki; symulator lotu; wirówka; bezpieczeństwo lotu; badanie wypadków

• Wydawca: Wydawnictwo Instytutu Technicznego Wojsk Lotniczych
• Czasopismo: Journal of KONBiN
• Rocznik: 2023
• Tom: Vol. 53, iss. 4
• Strony: 161--189
• Opis fizyczny: Bibliogr. 41 poz., rys., tab.

Twórcy

autor

Lewkowicz Rafał

• Military Institute of Aviation Medicine (Wojskowy Instytut Medycyny Lotniczej), Poland

• https://orcid.org/0000-0003-3691-6558

Bibliografia

• 1. B. Elias, “Flight Simulation as an Investigative Tool for Understanding Human Factors in Aviation Accidents,” Int. Symp. Aviat. Psychol., pp. 219–224, 2005.
• 2. M. C. Newman, B. D. Lawson, B. J. McGrath, and A. H. Rupert, “Perceptual modeling as a tool to prevent aircraft upset associated with spatial disorientation,” in Proceedings of the AIAA Guidance, Navigation, and Control Conference, 2014, pp. 1–12. DOI: 10.2514/6.2014-0443.
• 3. R. Tydeman, “The Use of Full Flight Simulators for Accident Investigation,” in Proceedings of the 35th Annual International Seminar, 2004, pp. 1–9.
• 4. D. Tran and E. Hernandez, “Use of the vertical motion simulator in support of the American airlines flight 587 accident investigation,” in AIAA Modeling and Simulation Technologies Conference and Exhibit, 2004, pp. 1–7. DOI: 10.2514/6.2004-5032.
• 5. A. Vidovic, A. Franjic, I. Štimac, and M. O. Ban, “The Importance of Flight Recorders in the Aircraft Accident Investigation,” Transp. Res. Procedia, vol. 64, no. C, pp. 183–190, 2022, DOI: 10.1016/j.trpro.2022.09.022.
• 6. L. M. Saele and W. B. Webb, “Use of accident data, instructors’ comments and students’ responses in transition flight training.,” J. Aviat. Med., vol. 29, no. 11, pp. 805–809, 1958.
• 7. M. Rey, D. Aloise, F. Soumis, and R. Pieugueu, “A data-driven model for safety risk identification from flight data analysis,” Transp. Eng., vol. 5, p. 100087, Sep. 2021, DOI: 10.1016/J.TRENG.2021.100087.
• 8. D. A. Wiegmann and S. A. Shappell, A human error approach to aviation accident analysis: the human factors analysis and classification system. Ashgate, 2003.
• 9. D. A. Wiegmann and S. A. Shappell, “Human error analysis of commercial aviation accidents: Application of the human factors analysis and classification system (HFACS),” Aviat. Sp. Environ. Med., vol. 72, no. 11, pp. 1006–1016, 2001.
• 10. M. Wojtkowiak, Badanie tolerancji ustroju na działanie przyspieszeń na podstawie oceny prędkości przepływu krwi w tętnicy skroniowej i zaburzeń wzrokowych. Warszawa: Wojskowy Instytut Medycyny Lotniczej, 1982.
• 11. E. H. Wood, “G-Induced Loss of Consciousness and Its Prevention. USAFSAM-TR-87-41,” Brooks Air Force Base, TX, 1988.
• 12. O. Truszczyński, M. Wojtkowiak, R. Lewkowicz, M. P. Biernacki, and K. Kowalczuk, “Reaction time in pilots at sustained acceleration of +4.5 Gz,” Aviat. Space. Environ. Med., vol. 84, no. 8, pp. 845–849, 2013, DOI: 10.3357/asem.3490.2013.
• 13. O. Truszczyński, R. Lewkowicz, M. Wojtkowiak, and M. P. Biernacki, “Reaction time in pilots during intervals of high sustained G,” Aviat. Sp. Environ. Med., vol. 85, no. 11, pp. 1114–1120, 2014, DOI: 10.3357/ASEM.4009.2014.
• 14. U. I. Balldin, G. Derefeldt, L. Eriksson, P. M. Werchan, P. Andersson, and J. T. Yates, “Color vision with rapid-onset acceleration,” Aviat. Space. Environ. Med., vol. 74, no. 1, pp. 29–36, Jan. 2003.
• 15. D. Randjelović and M. Pavlović, “The effect of acceleration on color vision,” Vojnosanit. Pregl., vol. 75, no. 6, pp. 623–627, Jun. 2018, DOI: 10.2298/VSP160622288R.
• 16. W. J. White, “Variations In Absolute Visual Thresholds During Acceleration Stress. (ASD-TR-60-34, DTIC No. AD0243612),” Wright-Patterson Air Force Base, OH, 1960.
• 17. A. L. Comrey, A. A. Canfield, R. C. Wilson, and W. S. Zimmerman, “The effect of increased positive radial acceleration upon perceptual speed ability.,” J. Aviat. Med., vol. 22, no. 1, pp. 60–4, Feb. 1951.
• 18. O. Truszczyński, M. Wojtkowiak, M. P. Biernacki, K. Kowalczuk, and R. Lewkowicz, “Effect of high acceleration exposure on visual perception in Polish pilots measured with Critical Fusion Frequency Test (CFFT),” Polish J. Aviat. Med. Psychol., vol. 1, no. 1, pp. 19–27, 2012.
• 19. E. Ercan and S. H. Gunduz, “The Effects of Acceleration Forces on Cognitive Functions,” Microgravity Sci. Technol., vol. 32, no. 4, pp. 681–686, 2020, DOI: 10.1007/s12217-020-09793-0.
• 20. D. A. Tipton, A. R. Marko, and D. A. Ratino, “The effects of acceleration forces on night vision,” Aviat. Sp. Environ. Med., vol. 55, no. 3, pp. 180–190, 1984.
• 21. I. Y. Akparibo, J. Anderson, and E. Chumbley, “Aerospace Gravitational Effects,” in StatPearls [Internet Updated 2023 Aug 8], Treasure Island (FL): StatPearls Publishing LLC., 2023.
• 22. R. M. Chambers and L. Hitchcock, “Effects of acceleration on pilot performance. Tech. Rep. No. NADC-MA-6219,” Johnsville, PA, Mar. 1963. DOI: 10.21236/ad0408686.
• 23. C. L. Heaps, M. D. Fischer, and R. C. Hill, “Female acceleration tolerance: effects of menstrual state and physical condition,” Aviat. Space. Environ. Med., vol. 68, no. 6, pp. 525–530, Jun. 1997.
• 24. R. Kölegård, I. B. Mekjavic, and O. Eiken, “Effects of physical fitness on relaxed G-tolerance and the exercise pressor response,” Eur. J. Appl. Physiol., vol. 113, no. 11, pp. 2749–2759, 2013, DOI: 10.1007/s00421-013-2710-z.
• 25. R. M. Masica, “A study to evaluate the suitability of a centrifuge as a dynamic flight simulator for F/A-18 strike fighter mission training. MSc. thesis,” University of Tennessee, 2009.
• 26. R. Lewkowicz, “Dochodzenie w sprawie wypadku lotniczego z zastosowaniem dynamicznego symulatora lotu,” Mechanika w Lotnictwie ML-XIX, K. Sibilski and P. Lichota, Eds. Warszawa: Instytut Techniczny Wojsk Lotniczych, 2020, pp. 131-151. DOI: 10.15632/ML2020/131-151.
• 27. O. Truszczyński and K. Kowalczuk, “The polish centrifuge as a dynamic flight simulator. New application and ideas,” Polish J. Aviat. Med. Psychol., vol. 18, no. 3, pp. 71–80, 2012.
• 28. AMST-Systemtechnik GmbH, “User manual Human Training Centrifuge HTC-07,” Amst-Systemtechnik GmbH, Austria, 2011.
• 29. A. Szelmanowski and Z. Jakielaszek, “Błędy skrośne w pomiarach parametrów ruchu statku powietrznego i możliwości ich korekcji,” Pomiary, Autom. Kontrola, vol. 53, no. 9, pp. 564–567, 2007.
• 30. A. Szelmanowski, “Metoda korekcji błędów skrośnych dla pomiarów parametrów ruchu w zintegrowanych systemach awionicznych,” Res. Work. Air Force Inst. Technol., vol. 25, no. 1, pp. 209–223, 2009, DOI: 10.2478/v10041-009-0018-6.
• 31. A. Noureldin, T. B. Karamat, and J. Georgy, “Basic Navigation Mathematics, Reference Frame and the Earth’s Geometry,” in Fundamentals of Inertial Navigation, Satellite-Based Positioning and their Integration, Springer-Verlag Berlin Heidelberg, 2013, pp. 21–63. DOI: 10.1007/978-3-642-30466-8.
• 32. G. Cai, B. M. Chen, and T. H. Lee, “Coordinate systems and transformations,” in Advances in Industrial Control, no. 9780857296344, London, UK: Springer International Publishing, 2011, pp. 23–34. DOI: 10.1007/978-0-85729-635-1_2.
• 33. R. Lewkowicz and G. Kowaleczko, “Kinematic issues of a spatial disorientation simulator,” Mech. Mach. Theory, vol. 138, pp. 169–181, 2019, DOI: 10.1016/j.mechmachtheory.2019.04.003.
• 34. E. Seedhouse, Pulling G : human responses to high and low gravity. Springer, 2013.
• 35. D. G. Newman and W. Tutton, High G flight: physiological effects and countermeasures, 1st ed., vol. 61, no. 3. Monash University, Australia: Ashgate Publishing Ltd, 2015. DOI: 10.1080/00140139.2017.1363547.
• 36. E. H. Lambert, “Comparison of the physiologic effect of positive acceleration on a human centrifuge and in an airplane,” J. Aviat. Med., vol. 20, no. 5, pp. 308–335, Oct. 1949.
• 37. E. H. Lambert, “Effects of positive acceleration on pilots in flight with a comparison,” J. Aviat. Med., vol. 21, no. 3, pp. 195–220, 1950.
• 38. R. Lewkowicz and G. Kowaleczko, Ocena jakości odwzorowania przyspieszeń w wirówce przeciążeniowej” Mechanika w lotnictwie ML-XVIII, K. Sibilski, Ed. Kazimierz Dolny: Polskie Towarzystwo Mechaniki Teoretycznej i Stosowanej, 2018, pp. 67–78.
• 39. R. Lewkowicz and M. P. Biernacki, “A survey of spatial disorientation incidence in Polish military pilots,” Int. J. Occup. Med. Environ. Health, vol. 33, no. 6, pp. 791-810, 2020, DOI: 10.13075/ijomeh.1896.01621.
• 40. Z. Jakielaszek and M. Nowakowski, “Studying the strength of an S2-3a flight data recording system flight recorder,” Mechanik, no. 4, pp. 6–12, 2020, DOI: 10.17814/mechanik.2020.4.9.
• 41. “High G Centrifuge Training,” Indian J. Aerosp. Med., vol. 50, no. 1, pp. 1–7, 2006.

Uwagi

Opracowanie rekordu ze środków MNiSW, umowa nr SONP/SP/546092/2022 w ramach programu "Społeczna odpowiedzialność nauki" - moduł: Popularyzacja nauki i promocja sportu (2024).