Содержание к диссертации
Введение
Глава 1 Анализ современного состояния проблемы повышения безопасности, надежности и эффективности эксплуатации вс на современном этапе 35
1.1. Актуальность проблемы повышения безопасности эксплуатации ВС и современные пути её решения 35
1.2. Совершенствование систем управления безопасностью, надежностью и эффективностью эксплуатации ВС на основе децентрализации бортовой системы регистрации полетной информации 50
1.3. Персонифицированная база данных синхронизованного потока полетной информации для оценок ВС и его систем по текущему состоянию как необходимый элемент методологии контроля 54
1.4. Требования по структуре и составу перспективной бортовой компьютеризированной системы мониторинга и контроля ВС по состоянию в обеспечение повышения безопасности, надежности и эффективности эксплуатации 59
Глава 2 Распределенная вычислительная система (рвс)"регата" - аппаратно-программная основа технологии контроля вс по состянию 77
2.1. Архитектура аппаратного комплекса информационной системы мониторинга и контроля ВС по состоянию 77
2.1.1. Назначение, описание, состав и работа аппаратных средств РВС "РЕГАТА" 78
2.1.2 Описание и работа составных частей РВС "РЕГАТА" 85
2.2. Архитектура системно-программного комплекса информационной системы мониторинга и контроля ВС 194
2.2.1 Функциональное назначение системно — программного комплекса 194
2.2.2. Используемые технические средства 200
2.2.3. Последовательность операций вызова и загрузки 202
2.2.4. Входные и выходные данные 202
2.2.5. Описание логической структуры 203
2.2.6. Структура программы CONFIG 203
2.2.7. Описание модулей проекта CHART 204
2.2.8 Библиотеки вторичной обработки 208
Глава 3 Теоретические основы контроля вс по состоянию, структура алгоритмического и программно-математического обеспечения 226
3.1. Классификация задач оценки состояния ВС и методы их решения. 226
3.2. Оценка состояния ВС в процессе эксплуатации с использованием математических моделей контролируемых систем 230
3.2.1. Метод анализа повторяемости нагрузок на ВС в полете и расчёта условной повреждаемости 230
3.2.2. Метод оценки ресурса двигательной установки ВС 232
3.3. Оценка состояния ВС в процессе эксплуатации с использованием аппарата нечетких выводов. Экспертная система диагностики ВС «ЭКИПАЖ-БОРТ» 233
3.4. Вероятностно-гарантированный (доверительный) подход к оценке состояния ВС в процессе эксплуатации 248
3.4.1 Математическая постановка задачи вероятностно-гарантированного оценивания состояния ВС 248
3.4.2. Требования к выбору характерных точек траектории ВС и формированию множества контролируемых параметров 254
3.4.3. Выбор множества контролируемых параметров и вида эталонной области 256
3.4.4. Алгоритм оценки состояния ВС и его систем в процессе эксплуатации на основе вероятностно-гарантированного подхода 258
3.4.5. Оценка эффективности алгоритма вычисления функционалов вероятности и квантили на основе аппроксимации функции распределения с использованием тестовых примеров 278
3.4.6. Пример оценки состояния ВС БЕ-200 на основе обработки массива полетных данных, сформированного с использованием средств регистрации РВС "Регата" 282
3.4.7. Пример оценки состояния ВС МиГ-АТ на основе данных РВС "Регата" 297
3.5. Программный комплекс контроля состояния ВС 316
3.5.1. Требования, предъявляемые к аппаратным средствам,316
обеспечивающим функционирование программного комплекса Перечень входных данных 316
Перечень выходных данных 316
Архитектура программного комплекса 317
Спецификация основных экранов, поддерживающих функционирование программного комплекса контроля ВС 274
Выводы к главе 3 332
Результаты эксплуатации рвс «регата» в процессе летных испытаний различных типов ВС 334
Летные испытания 334
Интегрированная система "Экипаж борт" 334
Исследование, разработка и внедрение РВС "Регата" 337
Применение РВС "Регата" в решении функциональных задач 341
Межведомственные (сертификационные) испытания 348
Предварительные заводские испытания 357
Государственные летные испытания 361
Выводы по работе 371
Список литературы 375
- Совершенствование систем управления безопасностью, надежностью и эффективностью эксплуатации ВС на основе децентрализации бортовой системы регистрации полетной информации
- Используемые технические средства
- Оценка состояния ВС в процессе эксплуатации с использованием аппарата нечетких выводов. Экспертная система диагностики ВС «ЭКИПАЖ-БОРТ»
- Пример оценки состояния ВС БЕ-200 на основе обработки массива полетных данных, сформированного с использованием средств регистрации РВС "Регата"
Введение к работе
Воздушный транспорт является важнейшим элементом транспортной системы России. Обеспечение его эффективной работы, конкурентоспособности создаваемых образцов авиационной техники на мировом рынке в значительной степени обусловлено развитием и внедрением новых информационных технологий на всех этапах жизненного цикла воздушных судов (ВС), включая производство, испытания, эксплуатацию, послепродажное обслуживание.
Одной из основных проблем обеспечения безопасности полетов является разработка современных систем контроля ВС по состоянию. По мнению ведущих специалистов авиационной отрасли, переход на технологию эксплуатации авиационной техники по ее состоянию позволит повысить надежность и безопасность полетов, даст экономию в расходах на эксплуатацию, а оперативное диагностирование состояния авиатехники -принимать эффективные решения по дальнейшему ее использованию и повышению автономности применения в различных условиях эксплуатации [В.2].
Несмотря на всю привлекательность технологии контроля ВС по состоянию её широкое использование до настоящего времени ограничивалось наличием ряда теоретических и практических проблем.
Главной практической проблемой на пути перехода к подобной технологии являлось отсутствие систем объективного контроля, способных обеспечивать непрерывный мониторинг состояния систем ВС в процессе всего периода эксплуатации.
Теоретической проблемой на пути широкого использования технологии контроля ВС по состоянию является отсутствие обоснованных критериев оценки состояния ВС и его систем в процессе эксплуатации и конструктивных методов их вычисления.
Представляемая диссертационная работа посвящена решению комплекса вышеперечисленных проблем, преодоление которых и создает необходимые условия для перехода на технологию эксплуатации авиационной техники по состоянию.
Различные аспекты исследуемой проблемы последовательно излагаются в соответствующих разделах диссертационной работы.
В Главе 1 обоснована актуальность перехода на технологию эксплуатации авиационной техники по состоянию, проведен анализ существующих систем объективного контроля и возможности их использования для решения проблемы оценки состояния образцов авиационной техники, сформулированы требования к перспективной информационной системе мониторинга состояния воздушного судна, выделены те задачи, которые должны быть решены в процессе создания подобных систем.
Актуальность проблемы оценки образцов авиационной техники по состоянию обусловлена постоянным усложнением бортового оборудования ВС, что в свою очередь, приводит к:
увеличению сроков создания систем, их стоимости;
повышению затрат на техническую эксплуатацию изделий, из-за большого количества сложных отказов.
Отмечается, что, несмотря на многолетний опыт эксплуатации систем объективного контроля ВС, существующие средства не позволяют в полном объеме осуществить переход на технологию контроля по состоянию. Это связано с ограниченностью их прежнего целевого назначения и соответственно функциональных возможностей с точки зрения требований, которые выдвигает современная технология контроля по состоянию. Основным препятствием является то, что большинство существующих систем объективного контроля обеспечивают главным образом фиксацию фактического состояния, то есть регистрацию факта нештатного функционирования уже после его наступления.
Исходя из существа задач, которые должны быть решены для полноценной реализации контроля ВС по состоянию, в Главе 1 сформулированы требования к аппаратным средствам и программно-математическому обеспечению перспективной системы объективного контроля по состоянию.
К числу основных требований относятся:
1. Обеспечение непрерывного в реальном времени сбора и анализа
информации об отказах, поступающей от самолетного оборудования,
имеющего средства встроенного самоконтроля (ВСК), а также об отказах
систем, не имеющих ВСК (по косвенным признакам от других систем в
полете и при наземном обслуживании).
Обеспечение локализации отказов канала связи бортовых систем.
Регистрация отказов и связанной с ними информации в энергонезависимой памяти. В случае проявления последствий первичного отказа в виде вторичных отказов в той же, либо в другой системе, должна выполняться изоляция первичного отказа на уровне регистрации в энергонезависимой памяти и отображения сообщения об отказе.
Контроль достоверности данных и исправности кодовых линий связи.
Отображение сообщений об отказах и связанной с ними информации, включая возникшие отказы, отказы текущего полета, и историю отказов за несколько полетов (не менее 10).
Составление отчетов об отказах и вывод отчетов на экраны пультов управления, индикаторы, бортовой принтер и т.д.
Передача на землю посредством радиосвязи информации о возникающих на борту отказах в реальном времени.
Выдача информации об отказах через технологический разъем типа RS-232 в персональный компьютер типа Notebook для подробного документирования.
10. Использование единого источника времени на борту ВС для синхронизации информации.
При этом подобная перспективная система должна работать как в режиме полетного контроля, так и в режиме наземного предполетного и послеполетного контроля.
В режиме полетного контроля должны выполняться следующие функции: 1) сбор и логическая обработка информации, поступающей от бортового оборудования самолета с целью выявления отказов, их локализации и анализа возможных причин их появления; 2) прием информации о текущем этапе полета и регистрация в энергонезависимой памяти информации об отказах с соответствующими признаками; 3) передача сообщений о выявленном отказе на землю посредством радиосвязи; 4) накопление информации об отказах комплексов и систем самолетного оборудования за текущий полет и за 10 ранее выполненных полетов; 5) самоконтроль средств контроля с выдачей информации об отказах на средства отображения.
В режиме наземного предполетного и послеполетного контроля
должны выполняться следующие функции: 1) организация и проведение
контроля бортового оборудования выборочно по самолетным системам и
комплексно с использованием встроенных средств контроля (ВСК),
логическую обработку информации и выдачу на средства отображения
результатов контроля; 2) представление техперсоналу инструкций по
проведению проверок бортового оборудования; 3) формирование (при
необходимости) стимулирующих сигналов для выполнения проверок систем;
4) локализация отказа до конструктивно-сменного блока; 5)
документирование результатов контроля.
Такие перспективные системы, удовлетворяющие перечисленным выше требованиям, должны являться составной частью многоуровневых комплексных систем глобального мониторинга, позволяющих решать и согласовывать решения технических, экономических, эксплуатационных, экологических и ряда других проблем. Кроме того, их применение будет способствовать повышению уровня надежности самолетов и безопасности
авиационных перевозок, резкому снижению вероятности катастроф из-за отказов авиатехники.
Проблема создания подобных систем связана, прежде всего, с разработкой бортовых и наземных распределенных информационных вычислительных сетей, развертыванием соответствующей инфраструктуры, техническим переоснащением самолетного парка авиакомпаний, модернизацией выпускаемых и проектируемых ВС, совершенствованием их технического и информационного обслуживания, развитием систем управления воздушным движением.
Контроль и обеспечение безопасной эксплуатации ВС, самолетных систем и оборудования летательного аппарата (ЛА) должны выполняться на соответствующем техническом уровне в полном объеме в течение всего жизненного цикла, в том числе и в реальном масштабе времени. Наличие современной авионики, цифровых систем управления, широкое использование микропроцессорной вычислительной техники в системах и агрегатах ВС позволяет повысить качество и функциональные возможности диагностики и контроля состояния ВС.
Для решения поставленных задач необходимо провести
организационно-технические мероприятия по расширению
информационного поля систем контроля. С этой целью на этапе проектирования ВС нужно закладывать необходимое число наблюдаемых параметров, чтобы обеспечить экспериментальными материалами летно-конструкторские, сертификационные, государственные и эксплуатационные испытания. При этом в процессе эксплуатации ВС осуществляется необходимая коррекция номенклатуры измеряемых параметров.
Переход на перспективные системы объективного контроля состояния авиационной техники требует разработки соответствующего научно-методического обеспечения. В работе развивается концепция совершенствования информационных систем контроля ВС, основными составляющим которой является:
интегральный контроль ВС и его систем в течение всего жизненного цикла;
контроль состояния ВС в реальном масштабе времени;
мониторинг текущего состояния ВС с использованием систем навигации и связи;
переход на технологию эксплуатации ВС по текущему состоянию, в том числе на аэродроме;
информационная поддержка экипажа с помощью интегрированной системы на всех этапах полета.
Интегральный контроль ВС и его систем в течение всего жизненного цикла позволит существенно повысить надежность и безопасность полетов, сократить затраты на эксплуатацию ВС, пересмотреть регламенты обслуживания авиационной техники, разработать критерии оценки технического состояния систем ВС и ввести индивидуальные параметры, характеризующие состояние конкретного ВС и его систем в течение всего жизненного цикла. Переход на технологию эксплуатации ВС по состоянию возможен только в том случае, если данный ЛА и его системы находятся под постоянным контролем в течение всего жизненного цикла и сопровождаются текущими оценками технического состояния, записываемыми в базу данных. На основании оценок состояния конкретной системы должны приниматься решения о возможности ее дальнейшей эксплуатации.
Оперативный контроль за состоянием ВС и, как следствие, возможность прогнозирования внештатных ситуаций достигаются путем реализации так называемого режима реального времени. Иными словами, информационная система контроля ВС должна функционировать в реальном масштабе времени и решать задачи контроля самолетных систем (включая двигательную установку) с документированием результатов контроля и выдачей оценок функционального состояния самолетных систем на компьютер экипажа.
В тех случаях, когда система контроля ВС используется как система сбора полетной информации, допускается проведение предполетной и послеполетной автоматизированной обработки материалов летной эксплуатации ВС.
Наличие глобальных навигационных систем ГЛОНАСС и GPS, а также формирование низкоорбитальных систем связи, таких как IRIDIUM, OrbCom, Globalster и т.д., открывает новые возможности мониторинга текущего состояния ВС. Подобный режим мониторинга может быть реализован параллельно с системой диспетчерского контроля полета ВС с использованием упомянутых систем. Использование космических систем связи обеспечивает включение информации наземно-бортового комплекса контроля ВС согласно предложенной концепции в систему глобального мониторинга текущего состояния ВС. В настоящее время уже созданы необходимые условия для реализации такого режима мониторинга вследствие наличия многоканальных ГЛОНАСС / GPS-приемников на бортах ВС, а также использования ими низкоорбитальных спутниковых систем связи. Достаточным условием для реализации подобного режима является создание соответствующих баз данных, которые должны стать необходимым элементом контроля на протяжении всего жизненного цикла ВС.
Традиционное назначение систем объективного контроля связано, прежде всего, с послеполетной обработкой материалов, зарегистрированных бортовыми устройствами регистрации типа МСРП или Тестер. И только в некоторых случаях эти средства используются для контроля качества выполнения регламентных работ, предполетной подготовки, устранения выявленных дефектов и т.д. Если проанализировать статистику авиационных происшествий, например с Ил-76, то можно констатировать, что в двух из них перед взлетом не была выпущена механизация крыла (06.06.96. Киншаса и 25.07.97, Анадырь), в трех существовал перегруз ВС (22.11.96, Абакан, 13.07.98, Рас-Аль-Хайм, 26.07.99, Иркутск) [В.1, В.З]. Потери пяти самолетов за столь короткий период можно было бы избежать при условии
осуществления наземного предполетного коїггроля в реальном времени вплоть до исполнительного старта.
Эта проблема может быть достаточно легко решена при оборудовании аэродрома наземным комплексом анализа бортовой информации, передаваемой с помощью телеметрии. Команда "Старт разрешаю" должна быть выдана после выполняемого контроля, осуществляемого наземно-аппаратным комплексом. В предполетный контроль необходимо включать и такие значимые параметры, как масса и центровка ВС, хотя их достаточно сложно получить с высокой точностью. Но, например, массу ВС с точностью до 90 % можно получить, используя данные о нагружении стоек шасси. Есть и другой, более дорогостоящий способ: взвешивание загруженного ВС перед стартом с помощью тензометрических платформенных весов.
Необходимый информационный поток для определения оценок массы ВС и координат центра масс ВС может быть обработан, зарегистрирован и передан на наземно-аппаратный комплекс контроля с помощью бортовой информационной системы контроля ВС при соответствующем оборудовании (тензометрические датчики, датчики линейных перемещений и др.).
Подобный подход к контролю позволяет, по крайней мере, отсечь грубые нарушения правил загрузки ВС и тем самым сократить число авиационных происшествий. В процессе подготовки полета проводится предполетная подготовка и непосредственно перед взлетом - визуальный контроль запуска двигателей и отклонения рулевых поверхностей. Использование наземно-бортового комплекса на этом этапе позволит получить численные значения отклонения рулевых поверхностей и органов управления, проанализировать их соответствие, провести экспресс-анализ готовности самолетных систем к взлету, обратить внимание экипажа на нештатные ситуации и сопровождать ВС вплоть до исполнительного старта. При таком контроле взлет при невыпущенной механизации невозможен. Информация с наземного комплекса коїггроля должна дублироваться на компьютер экипажа.
Представляется очевидным, что реализация всех перечисленных выше элементов концепции достигнет цели повышения надежности и безопасности полетов только в том случае, если вся информация о текущем состоянии ВС будет доступна экипажу ВС в соответствующей для восприятия форме. Это возможно лишь при условии, что такая информационная поддериска экипажа будет осуществляться с помощью специального компьютера. Компьютер экипажа при этом является монитором информационной системы контроля ВС и может использоваться также в автономном режиме для штурманских расчетов маршрутов, отображения местоположения ВС на карте местности и решения других задач.
Появление бортовых самописцев связано с летными испытаниями ЛА: с их помощью получали экспериментальную информацию для анализа результатов исследований, совершенствования и доводки ЛА. В случае авиационных происшествий и катастроф данные бортовых самописцев оказывали большую помощь при расследовании причин случившегося.
На второй сессии ИКАО в феврале 1947г. была дана оценка роли бортовых самописцев в расследовании авиационных происшествий и катастроф и принято соглашение о поощрении внедрения и развития бортовых аварийных самописцев при эксплуатации ВС. Первым государством, принявшим в сентябре 1957 г. постановление об обязательной установке бортовых аварийных самописцев на всех ВС с ГТД и взлетной массой более 5700 кг, а также на ВС с поршневыми двигателями и такой же взлетной массой, эксплуатировавшихся на высотах более 7625м, были США. Предусматривалось, что самописцы должны обеспечивать в течение всего полета запись пяти наиболее важных параметров (время, высота, воздушная скорость, вертикальное ускорение, курс) и хранение полученной информации не менее шестидесяти дней.
Первоначально бортовые аварийные самописцы использовались только при расследовании причин авиационных происшествий и катастроф. В дальнейшем их функции были расширены: поставлены задачи повышения
безопасности полетов; сбор статистических данных о функционировании систем, агрегатов с целью повышения надежности ВС; исследование влияния человеческого фактора на безопасность, надежность и эффективность полетов. Для решения этих задач регистрируемого информационного потока в пять-шесть параметров недостаточно, и в 1966 г. на заседании секции по воздушному транспорту СЭВ были сформулированы требования к бортовым аварийным самописцам, составу регистрируемых параметров, наземному дешифратору. По номенклатуре регистрируемой информации было предложено выделить группы параметров, характеризующие следующие данные: А — траекторию полета; Б — положение органов управления, интерцепторов и закрылков; В — состояние силовой установки; Г— состояние систем; Д — запись речи. Так были заложены основы современного объективного контроля ВС.
В настоящее время при использовании средств объективного контроля ВС осуществляется контроль: режимов полета; выполнения правил эксплуатации ВС; работоспособности авиационной техники по программам экспресс-анализа, автоматизированной обработки и специализированным программам; работоспособности самолетных средств сбора полетной информации. Тридцатилетний опыт применения средств сбора и обработки полетной информации показал их важную роль в обеспечении безопасности полетов. В 1992 г. на заседании комиссии по аэронавигации при ИКАО обсуждались многочисленные вопросы регистрации полетных данных и для более эффективного их решения была учреждена комиссия по бортовым самописцам.
В целях повышения уровня безопасности полетов наряду со средствами объективного контроля уделяется большое внимание профилактической работе с летным составом по предупреждению авиационных происшествий и катастроф, принимаются конструктивные меры по предотвращению ошибок экипажа при взаимодействии с самолетными системами и др.
В Главе 2 изложены принципы построения не имеющей аналогов бортовой распределенной вычислительной сети «Регата», разработанной^ коллективом специалистов научно-технического инновационного предприятия «Регата», которая и составляет аппаратную основу развиваемой в диссертационной работе новой технологии контроля воздушных судов по состоянию.
В течение 1993-2004 гг. Научно-техническим инновационным предприятием (НТИП) "Регата" была разработана и создана интегральная распределенная вычислительная система (РВС) сбора полетной информации, контроля и диагностики бортовых систем самолета "Регата", которая по своим характеристикам, в отличие от других систем, стоящих на ВС, позволяет не только регистрировать полетные данные, но и в реальном времени создавать базу данных для интегральной оценки состояния систем самолета.
В рамках РВС "Регата" реализованы такие важные элементы концепции, как интегральный контроль ВС в реальном масштабе времени, информационная поддержка экипажа в задаче дозаправки самолета топливом в воздухе, отдельные задачи технологии эксплуатации ВС по состоянию -оценка расхода ресурса планера самолета за полет, учет наработки двигателя за полет, интегральная оценка готовности самолетных систем [В.4, В.5].
РВС "Регата" построена на следующих основных принципах:
функционирование в реальном масштабе времени с накоплением, отображением и документированием данных;
синхронизация разнородных информационных потоков;
модульное построение аппаратно-программных средств;
мобильное наращивание вычислительных мощностей;
развитая архитектура периферийных портов;
удобный интерфейс пользователя;
открытое программное математическое обеспечение.
Кроме того, система РВС "Регата" может наращиваться с целью реализации таких элементов концепции, как использование спутниковых систем мониторинга, внедрение компьютера экипажа, создание баз данных для контроля ВС на протяжении всего жизненного цикла ВС и т.д.
В 1996г. на бортовую интегрированную распределенную вычислительную систему сбора полетной информации "Регата" Авиационный регистр МАК выдал "Свидетельство о годности комплектующего изделия" № 142-002-96, в котором удостоверяется, что тип указанного изделия одобрен для установки на воздушное судно гражданского назначения.
РВС "Регата" с 1993 г. по настоящее время эксплуатировалась при испытаниях на самолетах Ил-96-300, Ту-204 и эксплуатируется на самолетах Ил-96-300, Бе-200, Бе-200МЧС, Ан-70, Ту-214, Ил-114, Су-27, М-55, Меркурий, Аист-411, МиГ-УТС, МиГ-29СМТ, МиГ-31, Як-130.
Основываясь на опыте летной эксплуатации интегрированной системы диагностики и контроля состояния РВС "Регата" [В.4, В.5 , В.6] можно констатировать, что современные бортовые системы оперативного, предполетного и послеполетного контроля состояния ВС и действий экипажа должны строиться по модульному принципу, входить в состав штатного оборудования ВС, иметь распределенную штатную систему измерений, сбора и обработки потоков разнородной первичной информации на базе бортовых распределенных многопроцессорных вычислительных сетей. Эксплуатация РВС "Регата" показала, что расширение информационного поля контроля ВС, введение нетрадиционных для объективного контроля параметров требуют разработки интерфейсов сопряжения с информационной системой контроля ВС. Информационная система контроля должна обеспечивать ввод, автоматизированную обработку, отображение, регистрацию на твердотельный накопитель информации и/или передачу по телеметрическому или спутниковому каналам связи требуемой номенклатуры сигналов информационно-измерительных систем, самолетных систем и оборудования.
РВС "Регата" как прототип системы контроля ВС обеспечивает систематизацию информационных потоков, формирование и регистрацию синхронизированного информационного кадра полетной информации, а программно-алгоритмическое обеспечение подчинено требованиям функционирования в реальном времени.
Сформулированные положения не определяют единственный вариант подобной концепции. Тем не менее, такие положения, как интегральный контроль воздушного судна по его текущему состоянию в течение всего жизненного цикла, в том числе и в реальном масштабе времени, неизбежно будут реализованы в той или иной технической форме в ближайшие годы. Система "Регата" является прототипом будущих информационных систем контроля. В ней реализуются важнейшие составляющие предлагаемой концепции. Быстрое широкое внедрение подобных систем на воздушных судах любых типов, несомненно, будет гарантией безопасности полетов с точки зрения технического состояния воздушного судна.
В Главе 3 диссертационной работы разрабатываются теоретические основы контроля воздушных судов по состоянию, их алгоритмическая и программная реализация в составе комплекса обработки информации РВС «Регата».
В современной практике анализа и обработки данных записей полетной информации большинство диагностических задач решается человеком-оператором, который по результату сравнения полученных измерений на основе полетных записей с заданными диапазонами изменения контролируемых параметров принимает решение о состоянии объекта или системы во время его полета.
Рост сложности объектов контроля в авиационной технике , увеличение источников информации , учет динамических свойств объектов и систем, возросшие требования к точности и объективности принимаемых решений поставили вопрос об автоматизации процесса диагностирования. Вследствие этого появилась необходимость в разработке диагностических алгоритмов
математического обеспечения систем обработки полетной информации, которые бы позволили автоматизировать процесс контроля систем и комплексов авиационной техники в процессе эксплуатации.
В связи с этим в Главе 3 изложены теоретические основы создания математического обеспечения систем обработки полетной информации в процессе эксплуатации авиационного оборудования.
Решение подобной задачи стало возможным в связи с развитием технической диагностики, начало интенсивного формирования которой относится к середине 50-х годов.
Вопросы общей теории технической диагностики изучались и разрабатывались в Институте Проблем Управления (под руководством П.П. Пархоменко и Е.С. Сагомоняна), в Московском Авиационном Институте ( под руководством В.В. Петрова, Ю.Е. Рузского, Е.И. Кринецкого, Ю.В. Любатова), в Московском Энергетическом Институте ( под руководством Ф.Е. Темникова ), в Московском Государственном Техническом Университете им. Баумана ( под руководством Г.Н. Толстоусова ), в Ленинградском Электротехническом Институте ( под руководством А.В. Мозгалевского ) и др.. Большой вклад в развитие диагностики авиационной и ракетной техники внесли работы , проводимые в ВВИА им. Жуковского под руководством И.М. Синдеева, В.А. Боднера, А. Бабая, Е.Ю. Барзиловича, в ОКБ генеральных конструкторов авиационной промышленности и др.
Основы вероятностно-гарантирующего подхода применительно к заделам анализа и синтеза высокоточного управления ЛА при разнородных по своей физической природе неконтролируемых факторов были сформулированы В.В. Малышевым и А.А. Кибзуном [3.95].
Развитие вероятностно гарантирующего подхода применительно к заделам навигации ЛА, планированию эксперимента, анализу экспериментальных самолетных данных было осуществлено М.Н. Красильщиковым, В.И. Карловым и В.М. Евдокименковым [3.55-3.59], [3.79-3.81], [3.99-3.100].
В данной диссертационной работе, используя имеющийся теоретический задел для решения задач технической диагностики динамических систем, собственный обширный опыт автора, накопленный в процессе эксплуатации систем объективного контроля в процессе летных испытаний образцов авиационной техники предложена многоуровневая структура комплексной системы контроля ВС по состоянию, объединяющая методы, отличающиеся объемом и характером априорных данных о функционировании ВС и его систем.
Верхний уровень образуют методы, реализация которых предполагает знания формализованных зависимостей, описывающих взаимосвязи параметров состояния контролируемых систем.
Примером практического использования подобных методов могут служить метод анализа повторяемости нагрузок на ВС в полёте и расчёта условной повреждаемости и метод оценки ресурса двигательной установки ВС, изложенные в разделе 3.2. диссертационной работы.
Средний уровень предлагаемой многоуровневой системы контроля ВС по состоянию образуют методы нечетких выводов, основанные на привлечении экспертных знаний специалистов, имеющих обширный опыт эксплуатации отдельных систем ВС определенного типа. Инструментом реализации подобных методов являются экспертные системы.
Возможность использования подобных методов иллюстрируется на примере бортовой экспертной системы «Экипаж-Борт», ориентированной на проведение контроля состояния пилотажно-навигациошюго комплекса ВС.
Новым теоретическим результатом диссертационной работы, создающим универсальную основу методов контроля ВС по состоянию, является развиваемый в разделе 3.4 вероятностно-гарантированный подход к оценке состояния авиационной техники, составляющий основу методов нижнего уровня системы контроля. Два момента отличают данный подход от известных:
минимальные требования к составу и способу представления априорной информации о закономерностях функционирования ВС и его систем. Реализация предлагаемого подхода опирается только на априорное знание эксплуатационных диапазонов значений контролируемых параметров систем ВС в характерных точках траектории. Как правило, такая информация сопровождает процесс проектирования любого ВС и входит в обязательный перечень данных эксплуатационной документации на разрабатываемую систему.
использование вероятностных критериев, позволяющих формировать решение о состоянии ВС в процессе эксплуатации с гарантированной (по вероятности) достоверностью. Подобные критерии являются наиболее адекватной оценкой состояния ВС, функционирование которых сопровождается воздействием большого числа случайных факторов.
В разделе 3.4.1. проведена математическая постановка задачи вероятностно-гарантированного контроля ВС. Предложенная формализация задачи предполагает, что программа перемещения ВС может быть подразделена на отдельные этапы (отрыв от ВПП, набор высоты, выход на посадочную глиссаду, касание ВПП, пробег по ВПП и т.д.), последовательная и успешная реализация которых и обеспечивает успешное выполнение целевой задачи. Исходя из этого, вводятся множества значимых параметров, характеризующих текущее состояние ВС в момент завершения каждого этапа функционирования. Оценка состояния интерпретируется как способность воздушного судна или его отдельных систем обеспечить выполнение целей каждого из этапов функционирования, определенных программой полета, на определенном этапе эксплуатации.
Количественная оценка состояния ВС опирается на предположение, что для каждого из этапов функционирования в пространстве контролируемых параметров может быть сформирована область,
характеризующая их допустимый разброс при условии штатного функционирования его элементов и систем (эталонная область). Тогда в формализованном представлении индивидуальная оценка состояния сводится к проверке условия, состоящего в том, что текущий вектор состояния не выходит за границы эталонной области. Учитывая, что значения контролируемых параметров в характерных точках траектории формируются под влиянием большого числа случайных факторов, наиболее адекватным критерием оценки состояния ВС является вероятностный критерий.
Далее в Главе 3 определены вероятностные критерии, используемые для контроля ВС по состоянию. Используемые критерии можно подразделяются на частные, характеризующие состояние ВС при выполнении задач отдельных этапов функционирования и общие, характеризующие состояние ВС при выполнении комплекса задач, определенных программой полета.
В качестве частных вероятностных критериев в работе рассматриваются функционал вероятности и функционал квантили. В свою очередь на основе частных критериев сформированы общие критерии, характеризующие текущее состояния ВС при выполнении всего комплекса задач, определенных программой полета. Конкретный способ формирования общих критериев обеспечивает необходимую гибкость выводов при оценке состояния ВС, за счет использования либо более «осторожных» оценок или, напротив, более «оптимистичных».
Следующей проблемой, которая была решена в процессе реализации методологии контроля по состоянию, стала разработка методов оценки сформулированных вероятностных критериев. Разработка конструктивных методов оценки вероятностных критериев осложнялась наличием ряда факторов. К ним относятся: высокая размерность пространства контролируемых параметров (тысячи); не подтверждаемая с помощью статистических критериев согласия допустимость гауссовской аппроксимации распределения значений контролируемых параметров;
необходимость обеспечения режима контроля ВС как в режиме послеполетного анализа, так и реальном времени в процессе полета.
Указанные особенности приводят к практически не разрешимым вычислительным проблемам на пути реализации методов оценки вероятностных критериев, основанных на интегрировании многомерной функции плотности, или основанных на идеях обобщенного минимаксного подхода. Исходя из соображений практической реализуемости, в диссертационной работе использован подход, основанный на оптимальном сглаживании выборочной функции распределения значений скалярного функционала, определяющего характерный размер области разброса контролируемых параметров. Привлекательность такого подхода для оценки состояния ВС состоит в том, что позволяет перейти от анализа многомерного распределения контролируемых параметров к анализу функции распределения скалярного показателя (характерный размер области), которая несет всю необходимую информацию, как для оценки прямых, так и обратных критериев
В Главе 3 описана функциональная схема алгоритма, обеспечивающего
оценку состояния ВС на основе использованных в работе частных и общих
вероятностных критериев. Информационной основой для работы алгоритма
является база данных полетной информации, формируемая средствами РВС
«Регата». Реализованный алгоритм имеет гибкую структуру, с возможностью
её реконфигурации в зависимости от содержания тех конкретных задач,
которые выдвигаются пользователем. В диссертационной работе приведены
базовые соотношения, конкретизирующие содержание основных этапов
работы алгоритма. Настройка алгоритма обеспечивается включением его
структуру блоков, обеспечивающих реализацию следующих функций:
1) выбор этапов функционирования ВС в соответствии с программой полета
и формирование выборки реализаций вектора контролируемых
параметров в характерных точках траектории для сего периода
эксплуатации.
конкретизация параметрической структуры эталонной области. В качестве эталонной области использовался эталонный параллелепипед, образованный пересечением интервалов проектных ограничений по каждому из контролируемых параметров. Такой способ параметрического представления эталонной области, с одной стороны, обусловлен необходимостью получения конструктивных процедур вычисления вероятностных критериев, а с другой стороны наличием результатов исследований, предшествующих этапу летной эксплуатации, позволяющих достаточно точно сформировать эталонный параллелепипед;
переход к нормированным параметрам состояния на основе линейного преобразования. Указанное линейное преобразование отображает эталонный параллелепипед в эталонный единичный куб. Использование нормирующего преобразования позволяет провести взвешивание (по степени важности) различных контролируемых параметров;
расчет реализаций векторов нормированных контролируемых параметров в характерных точках траектории и реализаций скалярной функции, представляющей собой значения характерного размера области разброса контролируемых параметров;
расчет выборочной функции распределения реализаций характерного размера области разброса контролируемых параметров для каждого этапа функционирования ВС;
получение оптимальных оценок «истинной» функции распределения значений характерного размера области разброса параметров. В результате формируются оптимальные оценки функций распределения, а также оценки снизу и сверху.
расчет частных критериев оценки состояния ВС. Используя полученные оценки снизу и сверху для функции распределения в работе сформулировано гарантированное по вероятности условие безопасной эксплуатации ВС при выполнении частных задач программы полета. В
соответствии с этим условием полагается, что ВС соответствует нормам безопасной эксплуатации, если минимальное (в условиях статистической неопределенности оценок) значение вероятности превышает заданный уровень вероятности. Либо если максимальное (с учетом неопределенности оценок) значение квантили не превышает значения равного единице, соответствующего границе эталонного куба. 8) расчет общих критериев оценки состояния ВС. Использование этих критериев позволяет обоснованно определять тот критический момент, когда дальнейшая эксплуатация нецелесообразна по соображениям безопасности.
Эффективность развиваемого в диссертационной работе вероятностно-гарантированного подхода иллюстрируют примеры оценки состояний ВС БЕ-200 и МиГ-АТ. В Главе 3 представлены зависимости, иллюстрирующие как динамику изменения состояний отдельных систем ВС в процессе эксплуатации при выполнении частных задач программы полета, так и оценки их состояния при выполнении комплекса задач в процессе реализации всей траектории. Приведенные зависимости демонстрируют чувствительность предложенных критериев к изменению состояний ВС, вызванного выработкой ресурсов их систем.
В завершении Главы 3 приведена структура программно-математического обеспечения комплекса контроля ВС по состоянию, реализующего разработанную методологию вероятностно-гарантированного контроля, а также примеры реализации базовых экранов, поддерживающих функционирование комплекса контроля и взаимодействие пользователя с программным обеспечением.
В Главе 4 суммируются результаты многолетних летных испытаний РВС «Регата». В частности, приведены результаты оценки работы РВС «Регата » по результатам лётных испытаний различных типов самолётов: Ил-96-300, Ту-204, Бе-200, Бе-200МЧС, Ан-70, Ту-214, Ил-114, Су-27,
МиГ-УТС, МиГ-29СМТ, МиГ-31, М-55 - «Геофизика», Ил-76, Меркурий, Аист-411,Ту-234,Як-130.
В заключение перечислим основные особенности, характеризующие данную диссертационную работу. Научная новизна.
1. Разработка теоретических основ перспективной новой технологии
контроля авиационной техники по состоянию, включающих:
Разработку принципов построения бортовой распределенной вычислительной сети (РВС) «Регата» как информационной основы технологии контроля авиационной техники по состоянию.
Формирование системы показателей (критериев) позволяющих адекватно оценивать изменение состояния воздушных судов и их отдельных систем с учетом выработки ими ресурса в процессе эксплуатации.
Разработку методов вероятностно-гарантированной оценки состояния воздушных судов с использованием прямого (функционал вероятности) и обратного (функционал квантили) критериев.
2. Аппаратная реализация РВС «Регата» - принципиально новой
системы сбора, регистрации полетной информации, контроля и
диагностики бортовых систем воздушных судов - в составе:
приемных модулей, обеспечивающих регистрацию разнообразных сигналов, характеризующих текущее состояние систем воздушного судна (ARINC 429, разовых команд, сигналов в стандартах RS-232, RS-422 (485), данных потенциометров, термопар, терморезисторов, тензорезисторов, датчиков СКТ, тензомостов, частотных сигналов, импульсных сигналов, датчиков тока)
контроллеров межмашинного обмена;
цифровой вычислительной системы и внешнего запоминающего устройства;
малогабаритной системы единого времени;
выносного пульта управления;
контроллера телеметрии;
устройства установки синхронизации и запросов прерывания.
3. Разработка алгоритмов, обеспечивающих реализацию вероятностно-
гарантирующего подхода для оценки состояния воздушного судна и его
систем в процессе эксплуатации:
Алгоритм оценки частных вероятностных критериев состояния
(функционалов вероятности и квантили), характеризующих способность
воздушного судна или его систем обеспечить выполнение целей каждого из
этапов функционирования (взлет, набор высоты, крейсерский полет и т.д.) на
определенном этапе эксплуатации.
Алгоритм оценки общих вероятностных критериев состояния воздушного
судна, характеризующих возможность успешного решения им или его
системами целевых задач, определенных программой полета, во время всего
цикла функционирования.
4. Разработка на основе алгоритмов оценки вероятностных критериев
программного комплекса «Chart», обеспечивающего во взаимодействии
со средствами РВС «Регата» мониторинг состояния воздушных судов и
их отдельных систем процессе всего цикла эксплуатации. Базовыми
элементами разработанного программного комплекса являются
следующие функциональные модули:
анализа полетных данных в реальном времени;
оценки интегральной готовности воздушного судна и его систем
формирования наращиваемой в процессе эксплуатации воздушного судна базы данных полетной информации;
многопоточной обработки запросов клиентов и формирования графических изображений;
обмена данных между несколькими базами данных полетной информации;
экспорта-импорта данных с использованием наиболее распространенных форматов;
визуального проектирования отчетных форм и документирования
информации
5. Результаты практической оценки состояния различных типов
воздушных судов с использованием разработанного программного
комплекса
Достоверность результатов. Достоверность результатов работы
подтверждается:
использованием утверждений, строго обоснованных математически;
проверкой аппаратных средств РВС «Регата», алгоритмов оценки состояния воздушных судов и программно-математического обеспечения в процессе реализации программ стендовых, заводских, сертификационных, летных и Государственных испытаний. Результаты испытаний подтверждены официальными документами, в 1996 г. Авиационный регистр МАК выдал на РВС «Регата» «Свидетельство о годности комплектующего изделия» № 142-002-96, в котором удостоверяется, что тип указанного изделия одобрен для установки на воздушное судно гражданского назначения;
оценкой эффективности программно-аппаратных средств РВС «Регата» в процессе их многолетней эксплуатации на различных типах воздушных судов: Ил-96-300, Ту-204, Бе-200, Бе-200 МЧС, Ан-70, Ту-214, Су-27, МиГ-УТС, МиГ 29 СМТ, МиГ-31, М-55 - «Геофизика», Ил-76, Меркурий, Аист-4П,Ту-234,Як-130;
Актом 01/02-03 предварительных испытаний бортовой распределенной вычислительной системы "Регата". Шифр: РВС "Регата". 2003г.
Актом №1/503101-003 Государственных испытаний бортовой распределенной вычислительной системы «Регата», г. Ахтубинск. 2004г.
Решением №15/09-04 от 15.09.2004г. Управления вооружения по испытаниям AT и вооружения ПВО, ГосНИИ ГА, ГосНИИ АН, НТИП «Регата», ОАО «Раменский приборостроительный завод» по утверждению Акта МВК и утверждению конструкторской документации на
распределенную вычислительную систему РВС «Регата» АБВК 461000.000 для серийного производства и присвоения литеры «Oi»
Практическая значимость результатов диссертационной работы заключается в следующем:
Разработка общих принципов построения аппаратно-программных средств, обеспечивающих переход на технологию контроля авиационной техники по состоянию. Теоретические и практические результаты, полученные ^диссертационной работе, делают реальной перспективой переход на новую технологию контроля эксплуатации авиационной техники по состоянию. Это в свою очередь позволит решить актуальную народнохозяйственную проблему - повысить надежность и безопасность полетов, добиться экономии в расходах на эксплуатацию, формировать своевременные и обоснованные решения о возможности дальнейшей безопасной эксплуатации конкретного воздушного судна.
Разработка и внедрение в практику летных испытаний различных типов воздушных судов распределенной бортовой системы «Регата», позволившей повысить информативность результатов летных испытаний, а значит снизить объем программы летных испытаний, принимать обоснованные решения о необходимых доработках систем воздушных судов. К настоящему времени распределенная вычислительная система «Регата» привлекалась к проведению летных и сертификационных испытаний ВС ведущими авиационными предприятиями такими как:
АК им. Ильюшина (Ил-96-300, Ил-114),
АНТК им. Туполева (Ту-204, Ту-214, Ту-234),
ТАНТК им. Бериева (Бе-200, Бе-200 МЧС),
АНТК им. Антонова (Ан-70),
ФГУП им. Хруничева (Аист-411),
НПАФ «Авиатон» (Меркурий),
ЛИИ им. М.М. Громова (Ил-76, Су-27), в том числе,
включая летные и государственный испытания ВС военного назначения:
ОКБ им. Яковлева (Як-130),
РСК «МИГ» (МиГ-АТ, МиГ-29СМТ, МиГ-31),
ОКБ им. Сухого (Су-27).
Эффективность аппаратных средств, алгоритмического и программно-математического обеспечения РВС «Регата» подтверждена 10 актами внедрения. Апробация работы. Основные результаты работы были доложены:
на научно-технической конференции "Всероссийского научно-исследовательского института межотраслевой информации" (ГУП "ВИМИ"), 1999 г.;
на научно-технической конференции "Перспективы развития средств эксплуатационного контроля летательных аппаратов военного применения" в 13ГОСНИИМО,2000г.;
на Третьем Международном аэрокосмическом конгрессе «IAC2000», 2000 г.;
на 6-й Международной конференции «Системный анализ и управление аэрокосмическими комплексами», 2000г.;
на Второй Международной научно-технической конференции молодых ученых и специалистов «Современные проблемы аэрокосмической науки и техники» ЦАГИ, 2000 г.;
на Международной научной конференции «Информационные и робототехнические системы летательных аппаратов», 2002 г.;
на 7-й Международной конференции «Системный анализ и управление аэрокосмическими комплексами», 2002г.;
на научном семинаре кафедры «Динамика полета» Московского авиационного института (Государственного технического университета), 2003 г.;
на научном семинаре кафедры «Системный анализ и управление ЛА» Московского авиационного института, 2003 г.;
на научном семинаре кафедры «Информационно-управляющие комплексы» Московского авиационного института (Государственного технического университета), 2004 г.;
на Международной научной конференции-выставке «Авиация и космонавтика- 2003», 2003 г.;
на технической конференции ОАО «Аэрофлот» «Эксплуатация самолетов Ту-154М до 2010 года». ЦПАП (Шереметьево-1), 2004г.;
на Общероссийской конференции «О состоянии и мерах по повышению качества вооружения и военной техники». АНО «Военный Регистр», 2005г. Публикации результатов исследования. По теме диссертации опубликовано 23 печатные работы в отечественных и зарубежных изданиях:
Красильщиков М.Н., Ратникова Н.А. Информационная система контроля состояния авиационной техники.// Тезисы докладов НТК "Проблемы военно-технической политики в области эксплуатации и ремонта ВВТ". 4.2. Люберцы М.О.: 13й Государственный научно-исследовательский институт МО РФ (13 ГНИЙ МО РФ).
Красильщиков М.Н., Ратникова Н.А. Концепция развития информационных систем контроля воздушных судов на современном этапе.// Общероссийский научно-технический журнал "Полет". №9. М.: Машиностроение. 2000. С. 9-13.
Красильщиков М.Н., Ратникова Н.А. Методология построения перспективной информационной системы мониторинга и контроля состояния авиационной техники с использованием глобальной космической системы навигации низкоорбитальных систем связи.// Третий Международный аэрокосмический конгресс "IAC 2000" (23-27 августа 2000г., г. Москва). Сборник тезисов.
Красильщиков М.Н., Ратникова Н.А. Перспективная информационная система мониторинга состояния авиационной техники.// Тезисы докладов НТК "Проблемы военно-технической политики в области эксплуатации и ремонта ВВТ".Ч.2. Люберцы М.О.: 13 ГНИЙ МО РФ.
Поплавский Б.К., Ратникова Н.А., Сироткин Г.Н. Наземно-
4 бортовой комплекс контроля состояния авиационной техники.// Тезисы
докладов НТК "Проблемы военно-технической политики в области эксплуатации и ремонта ВВТ". 4.2. Люберцы М.О.: 13 ГНИЙ МО РФ.
Ратникова Н.А. РВС "Регата" для диагностики и контроля эксплуатационно-функционального состояния ЛА и его систем. Метрологическое обеспечение эксплуатации и хранения технических объектов.// Тезисы докладов научно-технической конференции. М.: ГУЛ "ВИМИ". 1999. С.42-44.
Ратникова Н.А. РВС "Регата" как средство новой технологии экспертного анализа, диагностики и объективного контроля самолетного оборудования в обеспечение безопасности полетов ВС. Тезисы докладов научно-технической конференции. М.: ГУЛ "ВИМИ". 1999. С.45-50.
Ратникова Н.А. Распределенная вычислительная система (РВС) "Регата" - основа технологии контроля воздушных судов по состоянию. // Авиакосмическое приборостроение №7, 2004.
Чернышев А.Ю., Ратникова Н.А. Аэродромный комплекс оценки
состояния воздушных судов в полете в реальном масштабе времени. // И-я
Международная научно-техническая конференция молодых ученых и
специалистов "Современные проблемы аэрокосмической науки и техники"
(8-12 октября 2002., г. Жуковский). Тезисы докладов.
Ратникова Н.А. Экспертная система "Экипаж-Борт" для информационно-интеллектуальной поддержки экипажа. Метрологическое обеспечение эксплуатации и хранения технических объектов.// Тезисы докладов научно-технической конференции. М.: ГУЛ "ВИМИ". 1999. С.51-54.
Ратникова Н.А., Сироткин Г.Н., Перегудов А.И. Критерий верификации бортовых измерений на основе аналитической избыточности. Метрологическое обеспечение эксплуатации и хранения технических объектов.// Тезисы докладов научно-технической конференции. М.: ГУЛ "ВИМИ". 1999.С.58-61.
31.
Ратникова Н.А., Нефедов В.А., Божков А.И., Солнцев К.Е. РВС
* "Регата" в задаче автоматизированного учета наработки двигателей в
реальном масштабе времени. Метрологическое обеспечение эксплуатации и хранения технических объектов.// Тезисы докладов научно-технической конференции. М.: ГУП "ВИМИ". 1999. С.56-58.
Ратникова Н.А., Нефедов В.А., Горячев К.В., Юшин К.Л. и др. РВС "Регата" в задаче индивидуального учета расхода ресурса конструкции ЛА в реальном масштабе времени. Метрологическое обеспечение эксплуатации и хранения технических объектов.// Тезисы докладов научно-технической конференции. М.: ГУП "ВИМИ". 1999. С.54-56.
Евдокименков В.Н., Красильщиков М.Н., Ратникова Н.А. Контроль состояния воздушного судна в течение жизненного цикла на основе вероятностных критериев. // 7-я Международная конференция "Системный анализ и управление аэрокосмическими комплексами." (2-5 июля 2002 г., Евпатория). Тезисы докладов.
Евдокименков В.Н., Красильщиков М.Н., Ратникова Н.А. Оценка текущего состояния воздушного судна и его систем на основе вероятностно-гарантирующего подхода//Известия РАН. Теория и системы управления, 2003, №6.
Евдокименков В.Н., Ратникова Н.А. Концепция контроля состояния воздушного судна в течение жизненного цикла на основе вероятностно-гарантирующего подхода // Научно-практическая конференция «Интеллектуальные и робототехнические системы ЛА» (20-21 мая 2002 г., г. Москва), сборник докладов конференции
Евдокименков В.Н., Ратникова Н.А., Красильщиков МЛІ. Технология эксплуатации авиационной техники по состоянию: аппаратные средства и программно-математическое обеспечение. // Международная конференция
«Авиация и космонавтика-2003»(3-6 ноября 2003 г.Москва). Тезисы доклада.
Волк И.П., Кнышов А.Н., Ратникова Н.А. "Система формирования
* сигналов управления полетом летательного аппарата". Патент № 2015940 на
изобретение. 1991. Бюллетень "Открытия. Изобретения". 1994г.
Ратникова Н.А. Методы и средства контроля авиационной техники по состоянию на основе вероятностно-гарантирующего подхода. - М.: Изд-во МАИ, 2004.-184с: ил.
Полтавец В.А., Ратникова Н.А., Нефедов В.А., Чернышев АЛО., Виноградов Д.Н. Применение системы "Регата" для проведения объективного контроля за выполнением полета на борту самолета в реальном времени.//Сборник докладов конференции ОАО «Аэрофлота» «Эксплуатация самолетов Ту-154М до 2010 года. ЦПАП (Шереметьево-1). 2004г.
Ратникова Н.А. Повышение качества контроля военной техники по состоянию - актуальная проблема безопасной надежной и эффективной эксплуатации ВС ВВС. // Материалы сборника докладов Общероссийской конференции «О состоянии и мерах по повышению качества вооружения и военной техники». АНО «Военный Регистр». 2005г.
Вавилова Н.Н., Ратникова Н.А. Экспертная система информационно-интеллектуальной поддержки экипажа. // Изв. РАН Теория и системы управления. №3, 2005.
Положения, выносимые на защиту:
Теоретические основы новой технологии контроля авиационной техники по состоянию, включающие разработку принципов построения бортовой распределенной вычислительной сети (РВС) «Регата», как информационной основы технологии контроля авиационной техники по состоянию; формирование системы показателей (критериев), позволяющих адекватно оценивать изменение эксплуатационно-функционального состояния воздушных судов и их отдельных систем с учетом выработки ими ресурса в процессе эксплуатации; разработку методов вероятностно-гарантированной оценки состояния воздушных судов с использованием прямого (функционал вероятности) и обратного (функционал квантили) критериев.
Аппаратно-программная математическая реализация системы сбора, регистрации полетной информации, контроля и диагностики бортовых систем воздушных судов в виде РВС «Регата».
Алгоритмы, обеспечивающие реализацию вероятностно-гарантирующего подхода к оценке состояния воздушного судна и его систем в процессе эксплуатации: алгоритмы оценки частных и общих вероятностных критериев состояния воздушного судна в процессе всего цикла эксплуатации.
Программный комплекс на базе алгоритмов оценки вероятностных критериев, обеспечивающий во взаимодействии со средствами РВС «Регата» мониторинг состояния воздушных судов и их отдельных систем в процессе всего цикла эксплуатации.
Результаты практической оценки состояния различных типов воздушных судов с использованием разработанного программно-математического комплекса.
Совершенствование систем управления безопасностью, надежностью и эффективностью эксплуатации ВС на основе децентрализации бортовой системы регистрации полетной информации
Расширение и усложнение задачи диагностирования требуют изменения самой структуры бортовой системы регистрации и обработки полетной информации. Особенностью применяющихся в настоящее время систем является централизованная структура, при которой каждый датчик связан своей проводкой с аналого-цифровым преобразователем.
Перспективным направлением в развитии бортовой системы диагностики является децентрализованная система сбора и обработки информации и мультиплексирования передачи данных. Основными особенностями мультиплексной структуры являются общий канал связи, по которому предусматривают связь "каждого с каждым", и наличие рассредоточенных БЦВМ.
Преобразование аналогового сигнала в цифровую форму производится непосредственно после датчика, что позволяет существенно уменьшить влияние помех, так как цифровой код более помехоустойчив, чем аналоговая величина. Рассредоточение и увеличение сигнала БЦВМ делают систему толерантной, так как отказ одного вычислительного блока парируется подключением другого, частично изменяющего свои функции. При этом принципиальным отличием мультиплексной структуры является и то, что разбиение на подсистемы выполняется на уровне программы, а не аппаратуры. Элементной базой бортовых систем являются сверхскоростные и сверхбольшие интегральные схемы, которые позволяют уменьшить количество компонентов систем, снизить стоимость изготовления, увеличить и упростить обслуживание устройств, а также уменьшить их размеры, массу и потребление мощности.
Иерархическая структура бортовых комплексов, предполагающая использование "интеллектуальных" подсистем на нижних уровнях, сочетает в себе достоинства централизованной и распределенной структуры. Одно из достоинства иерархической структуры - функциональная модульность и, следовательно, возможность параллельной разработки программно-аппаратных средств.
Зарубежный опыт применения подобных бортовых систем диагностики показывает преимущество этого метода и позволяет перейти к диагностированию в полете функционирующих систем для обеспечения диагностической информацией при организации технического обслуживания по состоянию [1.2].
Особое место в решении этой проблемы занимает искусственный интеллект, который в настоящее время, выходя за пределы теоретических исследований, начинает находить все более широкое применение при разработке систем диагностики технического состояния AT, прогнозирования отказов, в оценке складывающейся ситуации в полете, в устранении или компенсации последствий отказов, в выработке рекомендаций экипажу о действиях в опасных ситуациях, в обеспечении навигации и прокладывании маршрута, оптимальном расходе топлива и ряде других задач. Все это позволяет снизить функциональную нагрузку на летчика, повысить безопасности полета.
Внедрение искусственного интеллекта, в совокупности с другими достижениями электроники, предполагает в корне изменить принципы работы диагностических систем бортового оборудования уже в ближайшем будущем. Общая схема технического обслуживания ЛА к 2010 г. в общих чертах будет выглядеть следующим образом [1.7]. Комплекс бортового оборудования будет охвачен встроенной системой контроля с глубиной до быстросъемного конструктивного элемента. Бортовая экспертная система, работающая на принципах искусственного интеллекта, обеспечит анализ результатов контроля, локализацию места отказа и оценку его последствий.
Сформированные экспертной системой сведения будут вводиться в бортовую ЭВМ управления выполнением задачи полета и одновременно - на наземную станцию управления системой технического обслуживания. Бортовая ЭВМ вырабатывает решение на локализацию отказа и реконфигурацию структуры бортового оборудования для выполнения задания.
Переданные на землю по каналам связи сведения от экспертной системы вводятся в наземную систему технического обслуживания, включая и специализированные центры по ремонту бортового оборудования. Специалисты по техническому обслуживанию оперативно получают сведения по методам восстановления, заключения по диагностике, сведения о наличии запасных деталей и другие необходимые сведения.
Принципиальным отличием автоматизированных систем контроля, построенных на принципе искусственного интеллекта, является обязательное наличие в ней трех компонентов: базы данных, экспертной системы и диагностического пакета прикладных программ.
Экспертная система, используя принципы искусственного интеллекта, позволяет делать логические выводы о причинах неполадок в системе их анализа записанных параметров с учетом имеющейся информации по опыту всей предыдущей эксплуатации. При выдаче экспертной системой решений учитываются вероятностные оценки используемых входных данных. Таким образом, экспертная система позволяет принимать решения на основе выводов на уровне эксперта, т. е. позволяет использовать накопленный опыт специалистов по обслуживанию самолетов. Важной чертой этой системы является также то, что она может объяснять пользователю логичность и обоснованность своих выводов. Такой подход к организации общения человека с ЭВМ укрепляет доверие пользователя. Все это повышает
Используемые технические средства
Для обеспечения требуемого функционирования аппаратно-программного комплекса РВС «Регата»: 1) к ПЭВМ предъявляются требования не ниже указанных: Процессор Intel Pentium III с тактовой частотой 888 МГц. ОЗУ 128 МБ. Монитор и видеокарта должны воспроизводить графику в режиме HighColor (24 бита на точку) и разрешением не менее 800x600 точек. Манипулятор мышь. Принтер: цветной струйный или лазерный и/или графопостроитель. Сетевая карта: должна обеспечивать поддержку работы в сети Microsoft Windows 98/NT/2000/XP в качестве клиента сервера "Chart". HDD: должно быть обеспечено свободное пространство порядка 50 мегабайт для служебных целей. 2) на ПЭВМ устанавливается следующее лицензионное программное обеспечение: ОС Windows98, Windows NT 4.0 с Service Pack 3, Windows 2000, Windows XP. СУБД Interbase Server версии 6.1 и выше (Interbase Corp.) для доступа к базе данных Interbase, при использовании Chart совместно с локальными базами данных ПО Регата. Полная установка Interbase Server 6.1 требует примерно 16 МБ свободного места, а короткая - только 5 МБ. ПО InterCHent фирмы Interbase Corp., при использовании удаленных баз данных. Среда для разработки приложений Borland Delphi (Desktop, Professional или Enterprise, любая версия) любой редакции начиная со 2-й с 32-х разрядным пакетным компилятором для вычисления физических и логических значений по формулам. Сетевой протокол TCP/IP или NetBEUI (Microsoft) из состава ОС Windows для обмена данными между Interbase Server и InterCHent. Сетевой протокол TCP/IP (Microsoft) из состава ОС Windows для обмена данными между сервером Chart и программами Chart на клиентских рабочих станциях. Библиотека WinSock 2.0 и выше в составе ОС Windows для обмена данными между сервером и клиентами через сокеты Windows по протоколу TCP/IP. Это минимум, который необходим для проведения послеполетного анализа. При необходимости документирования и создания твердых копий отчетов информация выводится на бумажный носитель. Кроме того, при работе на борту ВС для снятия информации с датчиков самолетных систем необходимо наличие системы сбора полетной информации «Регата» и платы контроллера для ввода данных в ПЭВМ, которая подключается в любой свободный ISA слот компьютера.
Для создания библиотек динамической компоновки, содержащих программы обработки пользователя, на компьютере, выполняющем программу CHART, должны быть инсталлированы компилятор и компоновщик системы DELPHI. СПМО РВС "Регата" устанавливается на жесткий диск ПЭВМ в отдельную папку. При этом происходит формирование следующих файлов загрузочных модулей проектов: "Chart.exe", "Config. exe", "Convert, exe", "Cs98. exe", "CsNT. exe" Запуск программного комплекса СПМО РВС "Регата" на выполнение производится любым, предписанным для установленной на компьютере операционной системы способом. Входными данными для программы CONFIG являются таблицы БД аппаратно-программного комплекса РВС «Регата», создаваемые утилитой DataBase DeskTop (DBD). Отредактированные и заполненные таблицы БД, являются выходными данные программного модуля CONFIG и входные данные приложения CHART. Программный модуль CHART с БД для конфигурирования системы сбора использует файлы настройки ( .CHW) или полетные файлы данных ( .CHD), при наличии в них заголовка настройки. Файлы настройки ( .CHW) или полетные файлы данных ( .CHD) с заголовком настройки в зависимости от режима работы комплекса могут представлять как выходную (при сборе данных от приемных модулей), так и входную (при анализе или воспроизведении полетного файла) информацию. К выходным данным можно отнести также файлы отчетов ( .RPT), вспомогательные файлы времени ( .GID), файлы сохранения характеристик и инициализации ( .INI). Выходную информацию программного комплекса CHART могут составлять полетные данные, конвертированные в файлы форматов других систем обработки. « Программный модуль CONFIG и программный комплекс CHART представляют развитую интерактивную среду, использующую для управления обычный для операционных систем WINDOWS оконный интерфейс, кнопки, полосы прокрутки, систему меню и т.д. Внутреннее содержание CONFIG и CHART, разрабатываемых в среде DELPHI, представляет модули проекта .dpr, в которых неявно реализована функция WinMain - входная точка любой WINDOWS программы и цикл обработки сообщений, выполняемый методом объекта приложения Application.Run. Кроме того, в CONFIG и CHART есть описание класса, соответствующего главной форме приложения и содержащего код, исполняемый при обработке того или иного события. С точки зрения «классического» процедурного программирования для WINDOWS можно рассматривать совокупность методов класса главной формы, обрабатывающих события, как неявную реализацию главной оконной функции WndProc. Разработка приложений в среде DELPHI позволяет не заботиться об обвязке программы. Все это автоматически делается библиотекой визуальных с компонентов VCL, на базе которой строится большинство DELPHI программ. В виду этого внутреннее построение CONFIG и CHART абсолютно одинаково. Вся обвязка, в том числе и диспетчеризация сообщений, обеспечивается VCL, методы класса главной формы обрабатывают эти сообщения (события) и управляют созданием, поведением и уничтожением объектов других классов, объявленных и реализованных в каждом из проектов. Содержание этих «дополнительных» классов и определяет функциональность конкретной программы.
Оценка состояния ВС в процессе эксплуатации с использованием аппарата нечетких выводов. Экспертная система диагностики ВС «ЭКИПАЖ-БОРТ»
В работе [4.10, 4.11] приведено обоснование и постановка задачи разработки бортовой экспертной системы "ЭКИПАЖ - БОРТ" для интеллектуальной поддержки экипажа в полете. Система обеспечивает интегральную оценку состояния, диагностику, контроль систем цифрового пилотажно-навигационного оборудования.
Бортовые системы нового поколения цифрового пилотажно-навигационного оборудования современных отечественных самолетов как гражданского, так и военного назначения предоставляют экипажу огромный поток пилотажно-навигациошюй информации.
Координация на борту работы всех систем при отсутствии между ними взаимосвязи, ложится на летчика и приводит к тому, что он вынужден выполнять полетное задание на пределе своих психофизических возможностей. Серьезнейшие проблемы встают перед летчиком (экипажем) современных самолетов, особенно при пилотировании в экстремальных условиях, а именно: Неполнота и не оперативность выдачи в оптимальном виде информации о текущем эксплуатационном состоянии бортовых систем. Отсутствие возможности при большом объеме информации быстрого анализа возникших отказов и внештатных ситуаций для принятия оперативно-тактических оптимальных решений за минимальное время с целью обеспечения безопасности полета. Отсутствие при устранении летчиком (экипажем) отказной внештатной экстремальной ситуации и выхода на нормальный режим пилотирования, возможности детального анализа возникших отказов и оперативной оценки их влияния на дальнейший полет.
Острота указанных проблем требует создания интеллектуальных бортовых экспертных систем (БЭС) в помощь летчику (экипажу), который, оставаясь основным управляющим звеном самолета, на основе обобщенной интегрированной информации от бортовых систем, переработанной БЭС в реальном времени, обеспечивал бы уверенное, надежное и высокоэффективное качество пилотирования. При этом уровень автоматизации, обеспечиваемый БЭС для информационно-интеллектуальной поддержки экипажа, должен выбираться летчиком.
Назревшая острая потребность и рекомендация ведущих летчиков-испытателей разных типов современных отечественных самолетов, потребовали постановки задачи разработки рабочего образца БЭС "ЭКИПАЖ-БОРТ" для оперативной интегральной оценки в реальном времени эксплуатационного и функционального состояния ряда основных пилотажно-навигационных систем на борту широкофюзеляжного самолета ИЛ-96-300, проходящего сертификационные испытания. На БЭС "ЭКИПАЖ - БОРТ" самолета ИЛ-96-300 при эксплуатации пилотажно-навигационных систем в полете принято было возложить решение следующих задач: Интегральной оценки эксплуатационной готовности навигационно пилотажных систем на старте, в полете, на посадке. Гарантированной оценки (с прогнозированием) точности основных параметров навигации пилотажно-навигационных систем: БИНС, ИНС, РСДН, РСБН. Выбор средства коррекции с учетом навигационной точности пилотажно-навигационных бортовых систем, условий и задач полета. Обеспечение информационно - интеллектуальной поддержки экипажа .при эксплуатации пилотажно-навигационных систем в полете. Диагностический экспресс-анализ состояния систем.
Создание указанной выше бортовой ЭС "ЭКИПАЖ-БОРТ" с перечисленными функциональными задачами - это задача разработки гибридной компьютерной вычислительной системы, включающей комплекс инструментальных, программно-аппаратных средств на базе персонального компьютера, обеспечивающих ввод, обработку информации, поступающей от пилотажно-навигационных систем, базу данных и базу знаний, логический анализ и отображение результатов работы экспертной системы. Интерфейс ЭС - графические образы и текстовые сообщения на естественном профессионально-ориентированном языке, выводимые на цветной монитор по запросу, вводимому с клавиатуры или с помощью графического манипулятора типа "мышь".
При технической реализации данной ЭС потребовалось решение следующих задач: Разработка и изготовление контроллеров электронного сопряжения СИСТЕМ СБОРА бортовой измерительной информации типа SFIM и ГАММА-1101 с персональным компьютером. Разработка системно - программного комплекса формирования и управления базой данных в реальном времени, включавшего: S системно - программное обеспечение ввода бортовой измерительной информации в реальном времени в персональный компьютер; S специальное программное обеспечение первичной обработки бортовой измерительной информации в реальном времени с систем сбора. S программное обеспечение отбраковки и восстановления сбойной информации, ее прореживание в реальном времени; S системно - программные средства формирования базы данных и базы знаний по функционально-системным (объектным) признакам; S интерактивных программных средств взаимодействия и управления базой данных; Разработка программно-инструментальных средств для построения и обеспечения функционирования экспертной системы, включающая: S разработку программных средств программирования экспертных функций; S разработку системы ввода/вывода (логического взаимодействия); S разработку языка инженерии знаний; S разработку оболочки экспертной системы. Разработка системно-программных экспертных средств интегральной оценки эксплуатационной готовности пилотажно-навигационных систем на старте, в полете, на посадке. Разработку программного модуля, выполняющего гарантированное оценивание (с прогнозированием) точности основных параметров навигации пилотажно-навигационных систем: БИНС, ИНС, РСДН, РСБН. Разработку экспертно-программных средств автоматизированного выбора средства коррекции с учетом экспертной оценки навигационной точности пилотажно-навигационных бортовых систем, условий и задач полета. Разработку системно-программного экспертного обеспечения информационно-интеллектуальной поддержки экипажа при эксплуатации пилотажно-навигационных систем в полете. Разработку интерактивных средств диалогового режима работы экспертной системы обеспечивающей по запросу экипажа выполнение следующих функций:
Пример оценки состояния ВС БЕ-200 на основе обработки массива полетных данных, сформированного с использованием средств регистрации РВС "Регата"
В качестве основы для моделирования состояния ВС БЕ-200 использовались полетные данные, накопленные в базе данных РВС "Регата", по 35 полетам самолета, охватывающим трехгодовой период его эксплуатации с 2000 по 2002 год. При этом предполагалось, что алгоритмы обработки полетных данных, реализованные в КОИ РВС "Регата" (программный комплекс "CHART") обеспечивают необходимую точность оценки значений параметров ВС БЕ-200, используемых для последующей оценки его состояния.
Ниже рассматривается последовательность операций, определяемых структурой алгоритма оценки состояния ВС, описанного в разделе 2.1 и результаты их выполнения применительно к оценке состояния ВС БЕ-200. а) Характерные точки траектории, использованные в процессе моделирования алгоритма оценки состояния ВС БЕ-200. Для проверки работы разработанного алгоритма оценки состояния ВС в соответствии с теми соображениями по выбору этапов функционирования j = /,..., т (характерных точек траектории), которые высказывались при обсуждении математической постановки задачи, в качестве характерных точек рассматривались три т=3: Момент отрыва от ВПП на участке взлета ВС БЕ-200, j = 1 Момент выхода ВС БЕ-200 на посадочную глиссаду, j = 2 Момент касания ВПП, j = 3
Выбор в качестве характерных точек для оценки частных критериев состояния ВС БЕ-200 перечисленных выше точек продиктован двумя главными соображениями: 1) для указанных точек траектории существуют четко определенные признаки, позволяющие сопоставлять параметры состояния ВС для различных полетов; 2) действия экипажа при выполнении маневров, предшествующих выходу в эти точки, жестко регламентированы, что позволяет в максимальной степени исключить влияние субъективных факторов, обусловленных действиями экипажа, на оценку состояния ВС. а) Характерные точки траектории, использованные в процессе моделирования алгоритма о енки состояния ВС БЕ-200 . Следующая операция, которая в соответствии со структурой описанного выше алгоритма оценки состояния ВС, должна быть выполнена, состоит в формировании вектора контролируемых параметров.
Учитывая ограниченный период эксплуатации ВС БЕ-200 и ограниченное число полетов (N = 35), для проверки эффективности предложенного алгоритма в качестве контролируемых параметров использованы параметры, во-первых, наиболее критичные к выработке ресурса бортовыми системами самолета, а, во-вторых, те, для которых имеются установленные диапазоны эксплуатационных значений. Вектор контролируемых параметров объединяет часть параметров, характеризующих состояние двух важнейших систем ВС БЕ-200: системы управления (СУ) и двигательной установки (ДУ). Конкретный список параметров формировался по результатам экспертных заключений специалистов, имеющих опыт анализа этих систем.
В таблице I приведен перечень контролируемых параметров состояния ВС и диапазоны их допустимых значений, пересечение которых определяет эталонный параллелепипед в пространстве контролируемых параметров. Анализ проектной и эксплуатационной документации по БЕ-200 показал, что диапазоны допустимых значений (эталонный параллелепипед) остаются неизменными на всей траектории движения объекта, что позволяет в данном случае сформировать эталонный параллелепипед, не зависящий от смены этапов функционирования: Разработанный алгоритм позволяет проводить как интегральный анализ состояния всего ВС (в данном случае по комбинации параметров СУ и ДУ) так и анализ состояния отдельных систем ВС. Различие состоит только в формировании вектора контролируемых параметров.
В том случае, если разработанный алгоритм используется для комплексной оценки состояния ВС по совокупности параметров СУ и ДУ, в алгоритме используется вектор контролируемых параметров, объединяющий п = 92 компоненты X=(XIf....X92) Если нас интересует состояние только СУ, в алгоритме используется вектор контролируемых параметров, объединяющий п=36 параметров, характеризующих состояние СУ Х=(Хі,....Хзб)Т- Если же нас интересует состояние ДУ вектор контролируемых параметров объединяет п = 62 компоненты, характеризующие только состояние ДУ X = (Xlf....X62) . Выбор режима работы алгоритма осуществляется пользователем путем конкретизации системы или совокупности систем ВС, выбираемых для оценки состояния.
