Содержание к диссертации
Введение
Раздел 1. Трудности в определении показателей безопасности полетов и обзор научных направлений повышения безопасного функционирования воздушных судов 9
Глава 1.1 Методические трудности в определении показателей безопасности полетов и надежности авиационной техники в условиях принципиально ограниченной выборки 9
Глава 1.2 Основные направления исследований по поддержаниюлетной годности воздушных судов и их оборудования 13
Глава 1.3 Влияние технического обслуживания на надежность и безопасность полетов воздушных судов 24
Глава 1.4 Влияние надежности авиационной техники и подготовленности экипажа на безопасность полетов 42
Глава 1.5 Модели обеспечения уровня безопасности полетов за счет повышения надежности воздушных судов 47
Раздел 2. Техническое обслуживание и безопасность полетов воздушных судов 65
Глава 2.1 Количественная оценка показателей, влияющих на безопасность полетов при эксплуатации авиационных системпо состоянию 65
Глава 2.2 Влияние периодичности проверок и простоев авиационной техники на надежность (безопасность полетов) воздушных судов 77
Глава 2.3 Модель повышения безопасности полетов за счет оптимизации параметров технического обслуживания авиационных двигателей новых конструкций 84
Раздел 3. Оценивание показателей безопасности полетов надежности воздушных судов по ограниченным данным 89
Глава 3.1 Общий подход к оцениванию показателей безопасности полетов и надежности воздушных судов по ограничен ным данным 89
Глава 3.2 Методика расчета точности показателей безопасности полетов и надежности воздушных судов по ограничен ным данным 91
Глава 3.3 Проверка заданных требований по безопасности полетов и надежности воздушных судов на основе ограни ченных исходных данных 96
Раздел 4. Безопасность полетов в условиях наличия террористических угроз 99
Глава 4.1 Безопасность полетов как составляющая транспортной безопасности 99
Глава 4.2 Повышение безопасности полетов за счет использова ния комплексной обработки информации о готовящем ся террористическом акте 111
Общие выводы по работе 116
Список использованных источников
- Основные направления исследований по поддержаниюлетной годности воздушных судов и их оборудования
- Влияние надежности авиационной техники и подготовленности экипажа на безопасность полетов
- Влияние периодичности проверок и простоев авиационной техники на надежность (безопасность полетов) воздушных судов
- Методика расчета точности показателей безопасности полетов и надежности воздушных судов по ограничен ным данным
Введение к работе
Актуальность темы. Безопасность движущихся объектов всегда оставалась важным фактором жизнеобеспечения. Безопасности транспортных средств, особенно воздушных судов (ВС) гражданской авиации (ГА), традиционно уделяется большое внимание.
В гражданской авиации глубоким исследованиям в этой области посвящены работы Б.В. Зубкова, В.А. Горячева, Р.В. Сакача, А.А. Субботина, А.В. Бецкова, В.Н. Нартова; более узко (по безопасности воздушного движения) - работы Т.Г. Анодиной, Е.Ю. Барзиловича, В.Д. Рубцова, А.А. Кузнецова, Г.А. Крыжановского, В.В. Соломенцева, В.Б. Спрыскова, Ю.М. Федорова, В.А. Уманского.
В последнее время появилось новое направление исследований безопасности движущихся объектов: с позиций теории рисков. В гражданской авиации это направление возглавляет Е.А. Куклев.
Технические средства повышения безопасности полетов ВС ГА (предупреждения столкновений воздушных судов, точной навигации) разрабатываются в организациях, возглавляемых Б.М. Абрамовым, Г.Н. Громовым, Е.А. Федосовым, и в др.
Методология проведения исследований по безопасности полетов, безопасности воздушного движения в определенной степени разработана. Однако, несмотря на регулярные корректировки требований к показателям безопасности полетов со стороны прежде всего международной организации гражданской авиации (РЖАО) реализуемых практических методик проверки этих требований до сих пор не разработано.
В диссертационной работе автор делает попытку восполнить этот пробел - обосновать и разработать строгую методику оценки показателей безопасности полетов и надежности воздушных судов гражданской
авиации и сравнения их с нормативными значениями на основе ограниченного объема исходных статистических данных и при неизвестном законе распределения наработки на одну катастрофическую ситуацию парка однотипных воздушных судов или на отказ авиационной техники при эксплуатации и в процессе испытаний.
Целью работы является создание методики оценивания показателей безопасности полетов, надежности воздушных судов по ограниченным исходным данным и исследование влияния на них различных факторов.
Методы исследования связаны с применением компьютерной статистики, теории управляемых случайных процессов и методов математического программирования.
Задачи исследования, решения которых и выносятся на защиту, состоят в следующем:
строгое статистическое оценивание параметров неизвестных распределений наработок на одну катастрофическую ситуацию парка однотипных воздушных судов или на один отказ авиационной техники при ограниченных исходных данных;
разработка методики количественной проверки показателей безопасности полетов и надежности воздушных судов по ограниченной статистике на соответствие задаваемым требованиям;
определение вероятности выполнения безопасного полета при возникновении нештатной ситуации на борту воздушного судна;
определение правил эксплуатации и оптимизации некоторых параметров технического обслуживания, повышающих надежность (безопасность полетов) воздушных судов.
Предмет исследования - безопасность воздушных судов.
Объект исследования - оценивание показателей безопасности полетов воздушных судов.
Научная новизна работы состоит в том, что в ней обоснована, разработана и апробирована на реальных данных новая методика количественной оценки показателей безопасности полетов и надежности воздушных судов гражданской авиации при ограниченной исходной статистике.
Точность и достоверность проведенных исследований обусловлены асимптотически точным построением некоторых искусственных распределений, из которых определяются точность и достоверность реальных показателей безопасности полетов и надежности воздушных судов, а также точностью и достоверностью исходных данных о катастрофических ситуациях.
Практическая значимость исследований заключается в реализуемости предложенной методики оценки параметров неизвестных распределений в условиях ограниченных исходных данных при
оценке показателей безопасности полетов воздушных судов;
оценке показателей послеремонтной надежности воздушных судов и их оборудования;
оценке показателей надежности воздушных судов иностранного производства, эксплуатируемых на российских авиалиниях, и проверки их соответствия послепродажным требованиям (по показателям надежности, объемам запасных частей и др.);
чтении курсов в вузах гражданской авиации эксплуатационного профиля.
Основные результаты диссертации содержатся в семи научных трудах. Из них одна статья в Научном вестнике МГТУ ГА, рекомендованном ВАК России для опубликования материалов диссертационных работ. Материалы исследования докладывались на Международной на-
учно-технической конференции в МГТУ ГА «Гражданская авиация на современном этапе развития науки, техники, общества», М.: МГТУ ГА, 18-19 мая 2006 г.
Краткое содержание разделов диссертации следующее.
В первом разделе обсуждаются трудности при статистическом определении показателей безопасности полетов и дается краткий обзор научных направлений, связанных с повышением безопасного функционирования воздушных судов гражданской авиации. Приводятся основные направления исследований по поддержанию летной годности воздушных судов и их оборудования. Устанавливаются вероятностные зависимости между параметрами технического обслуживания и надежностью (безопасностью полетов) воздушных судов. Предлагается также вероятностная модель ликвидации нештатной ситуации на борту воздушного судна, вызванной отказами авиационной техники.
Второй раздел диссертации посвящен освещению вопросов, связанных с повышением надежности (безопасности полетов) воздушных судов и их оборудования за счет совершенствования программ технического обслуживания. Приводятся известные из разрозненных источников количественные расчеты при определении качества технического обслуживания по ресурсу и состоянию, предлагается модель определения влияния простоев авиационной техники на земле на вероятность ее безотказной работы в воздухе с учетом периодических проверок.
В третьем разделе содержится решение задачи строгого статистического оценивания показателей безопасности полетов и надежности воздушных судов по ограниченным исходным данным и проверки их на соответствие задаваемым требованиям. Имеется подробная методика такого оценивания.
В четвертом разделе освещаются некоторые дополнительные проблемы безопасности полетов воздушных судов, связанные с возможными террористическими актами на воздушном транспорте.
Автор считает своим приятным долгом выразить глубокую благодарность Заслуженному деятелю науки РФ, профессору Барзиловичу Евгению Юрьевичу и доктору технических наук, профессору Зубкову Борису Васильевичу за консультации и помощь при решении поставленных в диссертации задач с применением теории получения искусственных расределении, а также своему научному руководителю кандидату технических наук, доценту Прозорову Сергею Евгеньевичу за постоянное внимание к проводимым исследованиям и критические замечания.
Основные направления исследований по поддержаниюлетной годности воздушных судов и их оборудования
Поддержание летной годности - система мероприятий, направленных на обеспечение состояния авиационной техники, соответствующего требованиям авиационных правил по безопасности полетов.
Основой поддержания летной годности является система технического обслуживания и комплекс мероприятий по выявлению конструктивно-производственных недостатков в процессе эксплуатации и последующему их устранению.
Техническое обслуживание состоит из двух частей: - плановых работ по обеспечению работоспособности авиационной техники (AT) (смазка, промывка, замена фильтров, жидкостей, замена комплектующих изделий, модулей, агрегатов, узлов и деталей по выработке ресурса); - плановых контрольных работ и работ по техническому состоянию, результаты которых определяют последующее решение о годности к дальнейшей эксплуатации, либо о необходимости каких-либо восстановительных работ (замена, ремонт, и т.д.).
Плановые работы по техническому обслуживанию определяются регламентом технического обслуживания, который предусматривает оперативное и периодическое обслуживание. Как правило, периодическое обслуживание осуществляется через определенный промежуток времени в часах налета или наработки (ресурса) или календарный срок (сезонное обслуживание, сроки службы). Может также предусматриваться обслуживание через фиксированное количество полетов (посадок, циклов). Возможно применение оценки сроков проведения тех или иных форм обслуживания с учетом условий работы (например, при трелевке или монтажных работах на вертолетах), а также с применением специальных методов оценки выработки ресурса (учета повреждаемости).
Существенное место в плановых работах по техническому обслуживанию занимают контроль и диагностика. При этом применяются самые разнообразные формы контроля, начиная от простого осмотра, до сложных процессов с применением дорогостоящего оборудования (например, рентгеновского контроля).
Особенность этого вида технического обслуживания состоит в том, что результат контроля определяет объем последующего технического обслуживания, начиная от дополнительных контрольных операций непосредственно после первоначального контроля и заканчивая периорым не всегда удается достоверно определить взаимные связи и последовательность их развития. Соответственно эффективность расследования зависит от того, сколь правильно были оценены эти связи и восстановлена последовательность событий в процессе разрушения. Прежде всего здесь интересует вопрос, каково было состояние соответствующих деталей и узлов в момент, предшествующий катастрофе. Ответ на этот вопрос и вопрос об уровне допустимого состояния, исключающего катастрофическую и аварийную ситуации возможен, на базе анализа состояния нормальных работоспособных двигателей и двигателей с отклонениями по работоспособности, но еще не ставших причиной катастрофы. В первую очередь, в этом плане представляют интерес двигатели, отказ которых привел к выключению в полете. Следует отметить, что такие отказы фиксируются довольно жестко, особенно если отказ привел к вынужденной посадке воздушного судна. В этом случае расследование проводится специальной межведомственной комиссией и в большинстве случаев следствием является разработка мероприятий, направленных на предотвращение таких случаев. Значительно большее число случаев отказов и неисправностей не приводит к каким-либо последствиям в полете, обнаруживается при контроле в процессе технического обслуживания. В этом случае неисправность устраняется на месте обнаружения. Руководящая документация предписывает в таких случаях расследовать причину неисправности комиссией, состоящей из представителей эксплуатирующего предприятия и завода-изготовителя.
Влияние надежности авиационной техники и подготовленности экипажа на безопасность полетов
Из определения безопасности полетов следует, что вероятность выполнения полета по расписанию при безотказной работе техники или в случае наличия отказов, либо не повлиявших на безопасный полет, либо устранимых экипажем в полете, будет всегда боыне определнной вероятности безотказной работы Р0бЩ(().
В формуле (1.1) не было учтено именно наличие факта устранения части отказов экипажем на борту воздушного судна и факта наличия функциональной избыточности оборудования на различных этапах полета. Поэтому в этой формуле не отражено влияние отказов AT непосредственно на безопасность полетов. Покажем, как учесть это влияние, основываясь на работах [9-11].
Считается, что безопасность в системе «человек - машина» обеспечена, если время Т\ на устранение аварийной ситуации меньше допустимого времени Т2. Условие безопасности есть На основании (1.18) PfTi ТУ = \F(t)dG(t) = V= \F(t)q(t)dt, (1.19) о о F(t) = Р{ТХ t}; G(t) =P{T2 t};q(t) = G (t). (1.20)
В [9] предполагается, что за время выполнения задания длительностью / угроза аварийной ситуации может повториться не один раз. При этом возможны варианты: аварийные ситуации отсутствуют; возникла одна устранимая аварийная ситуация; возникли две устранимые аварийные ситуации.
Если (і = 0,1,...) - время между /-м и (і + 1)-м отказами в воздухе, то Fj(t) =Р{& t}. Если независимы, то по формуле полной вероятности вероятность безопасности экипажа за время / [9]: V s=l у К числу обязательных требований, предъявляемых к системам управления нештатными ситуациями, относится быстрота и надежность реакции системы на появление нештатной ситуации. При разработке средств автоматической поддержки комплексных процессов управления это требование вынуждает искать единый эффективный технический принцип, который бы обеспечивал достаточно высокое быстродействие всех составляющих комплексного процесса [12].
В современных интеллектуальных системах удачные решения такого рода традиционно связаны с использованием сетевых способов представления данных и знаний, что позволяет избежать переборов больших объемов информации при выполнении поисковых операций.
В статье [12] описывается сетевая структура, названная балансной сетью, обеспечивающая выполнение процессов управления ситуациями при максимальном сокращении объема переборных поисковых операций. В [12] задача управления нештатными ситуациями формулируется в следующей абстрактной форме.
Процессы выбора управляющих действий рассматриваются как задача удовлетворения ряда ограничений. В задачах этого класса состояния описываются множествами значений переменных, а цели задаются множествами ограничений, которым эти значения должны удовлетворять.
Пусть имеется объект управления Выходная переменная называется нормализованной, если ее значение соответствует заданным ограничениям. Выходные переменные, не соответствующие своим ограничениям, считаются ненормализованными. Управляющие переменные, изменение значений которых влечет изменение значения выходной переменной у є Y, называются релевантными этой выходной переменной. Ситуацию, в которой удовлетворяются все ограничения множества L, будем называть нормативной. Если предположить, что потоки отказов авиационной системы в воздухе и на земле являются простейшими соответственно с параметрами Х\ и fa, то из условия hh = Ыг (2.6) имеем h = h; (2.7) при t\ - 1 h = 4-- (2.8) Из опыта эксплуатации авиационных систем известно, что Х\ / Хг 1. Таким образом, в вероятностном смысле один час работы сис темы в воздухе эквивалентен Х\ / &i часам нахождения ее на земле. Это непосредственно следует из того, что семейство однопараметрических функций Пуассона Pk(t) = {— -е к! полностью характеризует простейший поток как случайный процесс. Пусть t i- время нахождения системы на земле перед 1-м включением ее для работы в воздухе; /, - время нахождения системы в рабочем состоянии при 1-м включении; к - число включений системы. Считаем, что при включении система не отказывает. Тогда общее календарное время эксплуатации авиационной системы есть +i roh.-E i+I /- (2-9) 1=1 /=i Тогда можно условно считать, что система «непрерывно» работает в воздухе в течение времени А+1 -2/, +1т- " (2Л) 1=1 ы лх но используется лишь в промежутки времени U. Далее будем считать, чтобы воспользоваться результатом [19], известными следующие величины: Fj(t) - функцию распределения времени X безотказной работы /-го элемента системы (М[Х\ - tj); Р$) - вероятность того, что 1-й элемент используется в момент времени / (эта вероятность совпадает в нашем случае с вероятностью того, что система используется в момент времени /); G,{t) - функция распределения нерабочих периодов /-го элемента системы. В дальнейшем условимся считать, что Gi(t) = l-exp(/Qi), где Ох - средний нерабочий период /-го элемента системы. Отказавший в нерабочем состоянии элемент может вызвать отказ системы только при ее работе, поэтому определим F; (t) как вероятность того, что /-й элемент, бывший новым в нулевой момент времени, вызовет отказ в момент /. Обозначим через Щ0 ожидаемое число отказов за время / работы системы, вызванное отказами /-го элемента, а через Fj (t;x) - условную вероятность того, что /-й элемент вызывает отказ системы в течение произвольного интервала времени продолжительностью t при условии, что время эксплуатации системы в начале интервала равно х. Для системы аналогичная вероятность при условии независимости отказов элементов равна P(t;x) = fl[l-F;(t;x)\ (2.11) 1=1 Отсюда ожидаемое время до отказа системы исходя из времени ее эксплуатации хравно ВД = t(x) = \P(t;x)dt. (2.12) о В рассмотренной постановке задача может быть решена (опреде it лена функция F{ (t)) с помощью следующих уравнений [19]: F; (t) = Ft(t) - )[l - Pt (T)] [l - G, (t - T)]dFi(T), о U(t) = Fl(t) + fF, (t - T)dU,(T), (2.13) о Ft(t,x) = F/(x + 0- F;(X) + \[F;(x-y + t)-F;(x-yfou&) которые справедливы для любого вида распределения времени между отказами элементов системы. При экспоненциальном законе распределения времени между отказами элементов системы Fi(t) = \-exp(/ti), в этом случае с помощью уравнений (2.13) можно получить точные значения величин P(t; х) и t(x): p(t;x)=fifexrf/t,) + [йа -Pi)/(ti-Qi)t;] x x[Qi + (ti-PiQ exp(i ix)/tiQi)\[exp(/ti)-exp(/Q \}, (2.14) где tt - среднее время между установкой и изъятием / -го элемента в системе; t\ = )tdF;(t) = )щ(о + a -pjQr о о Формула (2.14) позволяет находить P(t, х) при х = 0 и х = оо, а также t(x). Если Q = 0 (система все время работает), то P(t,x) = e trti. Предположим, что в конце последовательных интервалов времени продолжительности Т производится проверка системы, при этом все вышедшие из строя за время нерабочего состояния элементы обнаруживаются и заменяются новыми. Определим вероятность того, что система не выйдет из строя в течение времени t после у-й проверки, т.е. после JT часов эксплуатации системы. Время эксплуатации элементов системы различно, но все они находятся в рабочем состоянии в момент времени t = 0, т.е. непосредственно после проверки. Рассмотрим сначала /-й элемент. Пусть y/jQT + t) - вероятность того, что этот элемент заменяется в момент, когда продолжительность эксплуатации системы достигает значения уТ + t. Величина щ0Т + t) равна вероятности отказа элемента при уТ + t минус вероятность его отказа в период между уТ njT + t при нахо ждении системы в нерабочем состоянии. Если элемент отказывает в нерабочем состоянии раньше времени у Г, то его заменяют во время одной из у-х проверок, т.е. можно считать, что вероятность отказа системы в результате выхода из строя /-го элемента в нерабочем состоянии до мо-ментауТ равна нулю. Эта методика, основанная на алгоритме предыдущей главы, следующая. Она по способу размножения данных принципиально отличается от методик А.В. Бецкова [7] и Л.Н. Елисова [20]. При заданном уровне значимости а по известной формуле тео рии вероятностей о попадании случайной величины в заданный интер вал определяем на основании полученной функции распределения F(t) доверительный интервал, в котором с вероятностью 1-а находится не известное значение математического ожидания: [топ- (-),- +Г1 (1--)1 где F x - функция, обратная F. При а = 0,1 доверительный интервал, в котором с вероятностью 0,9 находится значение Тр, имеет вид [ - (0,05)/ + (0,95)]. Проведем расчет по оценке математического ожидания времени наработки на одну катастрофическую ситуацию магистральных самолетов и воздушных судов, осуществляющих рейсы по местным воздушным линиям 1-й категории. Приводимые ниже данные по безопасности полетов охватывают период с 1976 года по 2005 год На основании данных этой таблицы по изложенной выше методике был построен график на рис. 3.1, на котором представлена функция распределения F\(t) - случайной разности выборочного и бутстреп-среднего. На рис. 3.1 «О» по горизонтальной оси соответствует выбороч ному среднему, равному Топ = 935740 часов. Из рис. 3.1 видно, что P{h M\T\ tz} = F1(t2)-F1(tl) = 0.90, если t\ = 885740 часов и t2 - 995750 часов, где F\(ti) и Fi(tz) квантили распределения F\(t) с уровнем значимости соответственно 0.05 и 0.95. Таким образом, интервал (в часах), в который с вероятностью 0.90 попадает неизвестное математическое ожидание наработки на одну катастрофическую ситуацию М[7], есть [885740, 995750]. В следующей главе покажем, как теперь можно сформулировать строгое правило проверки выполнения (или невыполнения) задаваемых требований по безопасности полетов. В главе 3.2 была предложена методика оценивания показателей безопасности полетов и надежности воздушных судов, определяемых по ограниченному числу статистических данных (сравните с методикой в [4]). Остановимся здесь только на трактовке полученных окончательных численных результатов, обратившись к рис. 3.2. На рис. 3.2 представлена функция распределения F\(t) случайной разности Т9 -М[7], полученная с помощью искусственного распределения по ограниченной первоначальной выборке, где М[Т\ -математическое ожидание случайной наработки парка однотипных воздушных судов на одну катастрофическую ситуацию (наработки на отказ однотипного оборудования), Т0 - его точечная оценка по ограниченной выборке. Анализ развития множества свершившихся террористических актов позволяет выявить следующие общие тенденции, осознание которых необходимо для осуществляемой математической формализации задач авиационной безопасности: 1) в силу скрытности подготовки акты терроризма зачастую носят внезапный характер и, выражаясь языком теории вероятностей, проявление каких-либо событий террористической деятельности может быть описано в терминах случайных величин и процессов; 2) применяемые способы противодействия, включающие целенаправленный сбор и анализ оперативной информации для выявления подозрительных событий и действий, выработку и реализацию контрмер, направлены на всестороннее и всемерное снижение уровня скрытности подготовки, ухудшение условий деятельности террористов. Как следствие, это может привести к смене объекта террористической атаки, отказу от террористического акта или переносу сроков его осуществления, к неподготовленности террористов к некоторым из возможных сценариев развития террористической атаки и в итоге - к повышению требуемой безопасности воздушного судна; 3) технологии защиты с формальной точки зрения представляют собой последовательность преград от несанкционированных доступа и действий, преодоление которых при совершении террористической атаки требует определенного времени террористов. В итоге, чем преград больше и они сложнее, тем больше времени требуется на их преодоление. Необходимость преодоления этих преград при дефиците времени снижает шансы террористов на выполнение террористических угроз в задуманном объеме.Влияние периодичности проверок и простоев авиационной техники на надежность (безопасность полетов) воздушных судов
Методика расчета точности показателей безопасности полетов и надежности воздушных судов по ограничен ным данным
Похожие диссертации на Оценивание показателей безопасности полетов и надежности воздушных судов при ограниченной исходной статистике
