Содержание к диссертации
Введение
1. Состояние вопроса повышения безопасности авиационно-транспортных систем и использования тренажеров для поддержки принятия решений 13
1.1. Обзор работ по управлению, анализу и повышению безопасности авиационно-транспортных систем 13
1.2 Общая постановка задачи повышения безопасности авиационно-транспортных систем 24
Выводы 25
2. Системный анализ процессов в авиационно-транспортных системах и подходы к созданию моделей поддержки принятия решений для тренажеров 28
2.1. Причинно-следственный подход к построению моделей поддержки принятия решений и анализу авиационно-транспортных систем 28
2.2. Схема построения комплексов причинно-следственных связей событий в авиационно-транспортных системах 33
2.3 Метод особых состояний для описания взаимодействий процессов в авиационно-транспортных системах 35
Выводы 37
3. Модели поддержки принятия решений для тренажеров авиационно-транспортных систем 39
3.1. Модель построения оптимальной очереди захода воздушных судов на посадку и парирования критических ситуаций 39
3.2. Модель контроля ресурса авиационно-транспортных систем 47
3.3. Модель поиска причин аварийных ситуаций в авиационно-транспортных системах 56
Выводы 70
4. Результаты практического применения моделей методов и алгоритмов поддержки принятия решений в тренажерах авиационно-транспортных систем 72
4.1 Программно-обучающие комплексы моделей и методов повышения безопасности авиационно-транспортных систем для компьютерных тренажеров 74
4.2 Прогнозирование аварийных ситуаций при входе воздушных судов в зону ответственности аэропорта на компьютерном тренажере 77
4.3 Поиск причин аварийных ситуаций при посадке воздушного судна на компьютерном тренажере 83
Выводы 85
Заключение 87
Библиографический список 99
- Обзор работ по управлению, анализу и повышению безопасности авиационно-транспортных систем
- Причинно-следственный подход к построению моделей поддержки принятия решений и анализу авиационно-транспортных систем
- Модель контроля ресурса авиационно-транспортных систем
- Прогнозирование аварийных ситуаций при входе воздушных судов в зону ответственности аэропорта на компьютерном тренажере
Введение к работе
Актуальность работы. Проблема неуклонного повышения безопасности авиационно-транспортных систем (АТС) в Российской Федерации и в мире в целом имеет огромное значение. Для ее решения необходимо проведение большого объема работ, например, создание систем поддержки принятия решений, перспективных бортовых комплексов, а также постоянное совершенствование персоналом АТС своих навыков на тренажерах. Пилотам, диспетчерам, а также лицам, проводящим расследование авиационных происшествий, и службам наземной подготовки приходится анализировать большое количество информации и принимать решения в относительно короткие промежутки времени. Поэтому целесообразно создавать и совершенствовать системы поддержки принятия решений и математические модели, которые могут найти свое применение при подготовке персонала АТС и в тренажерах.
Существующие реальные системы и тренажеры, например, "Синтез-ТЦ", "Эксперт", системы CNS (наблюдение – навигация – связь), АЗН-В, Intelligent flight control system (IFCS), Predicate Failures & Advanced Diagnostics (PFAD), тренажеры, разработанные фирмами «НИТА», «Иркут», «Русские системы», E-COM, SGI, САЕ Link, и другие требуют дальнейшего совершенствования, особенно при прогнозировании аварийных ситуаций, а также для поиска их причин.
Авиационно-транспортная система представляет собой множество компонентов: воздушное судно, экипаж, служба подготовки и обеспечения полета, служба управления воздушным движением, а также влияющих на нее факторов, таких как погодные, правовые, психологические и др. К основным ее особенностям следует отнести сложность структуры, разнородность состава, нелинейность связей между компонентами и ключевую роль человека на всех этапах функционирования. Это позволяет отнести АТС к разряду сложных человеко-машинных систем.
Разработке подходов к совершенствованию функционирования таких систем посвящены работы В.Н. Буркова, Н.П. Бусленко, С.Н. Васильева, Ю.И. Клыкова, В.В. Клюева, А.Г. Мамиконова, Г.И. Марчука, Г.В. Новожилова, В.В. Кульбы, Г.С. Поспелова, Д.А. Поспелова, И.В. Прангишвили, А.Ф. Резчикова, В.А. Твердохлебова, А.Д. Цвиркуна и других ученых. Однако многоаспектность выполненных исследований требует их систематизации и решения на этой основе новых задач, обеспечивающих непрерывное повышение безопасности АТС.
Среди отечественных и зарубежных ученых, занимающихся исследованиями АТС, следует отметить В.Л. Балакина, В.А. Барвинка, А.В. Ефремова, Г.В. Новожилова, Н.Н. Макарова, А.И. Матвиенко, М.С. Неймарка, С.В. Петрова, Г.Г. Себрякова, В.А. Сойфера, В.М. Солдаткина, Е.А. Федосова, Е.В. Шахматова, R. John Hasman, C.B. Sheehy, P.S. Williams-Hayes.
При анализе функционирования АТС остро стоит проблема совмещения в рамках общей модели процессов различной природы: командно-информационных; действий экипажа, диспетчеров, служб наземной подготовки, лиц, проводящих расследование аварийных ситуаций; функционирования техники; энергообеспечения; воздействия метеоусловий и других. Такой анализ требует применения общих подходов, позволяющих выделять сложную структуру взаимосвязей между разнородными компонентами системы и объединять их в рамках единого целого, чтобы не упустить важные детали, в том числе на этапе постановки задач. Одним из таких подходов является причинно-следственный подход, основанный на использовании причинно-следственных комплексов, предложенный А.Ф. Резчиковым и В.А. Твердохлебовым. Применение данного подхода целесообразно также из-за того, что правила расследования авиационных происшествий требуют описания событий, имевших место в процессе возникновения и развития особой ситуации, с раскрытием причинно-следственных связей между ними. Выбор данного подхода и актуальность проблемы определили выбор темы, целей и задач диссертационной работы.
Целью работы является разработка моделей, методов и алгоритмов повышения безопасности авиационно-транспортных систем на основе поиска причин аварийных ситуаций, контроля ресурса АТС и построения оптимальной по критерию безопасности очереди захода воздушных судов на посадку, которые могли бы использоваться в тренажерах.
Объект исследования – процессы входа в зону ответственности (ЗО) аэропорта и посадки воздушных судов (ВС) в авиационно-транспортных системах.
Предмет исследования – модели, методы и алгоритмы повышения безопасности авиационно-транспортных систем на этапах посадки и входа ВС в зону ответственности для тренажеров.
Задачи исследований:
– системный анализ авиационно-транспортных систем с целью построения причинно-следственных комплексов, положенных в основу разработки моделей, методов и алгоритмов повышения их безопасности для тренажеров;
– постановка и метод решения задачи поддержки принятия решений при поиске причин авиационных происшествий при посадке воздушных судов;
– построение модели для поддержки принятия решений по выбору оптимальной по критерию безопасности очередности захода на посадку воздушных судов;
– разработка модели поддержки принятия решений при контроле ресурса АТС на этапах входа в ЗО аэропорта и посадки, позволяющей прогнозировать возникновение аварийных ситуаций;
– разработка программного обеспечения для тренажеров, обеспечивающего реализацию предложенных моделей и методов.
Методы и средства исследования. В основу исследований положены методы системного анализа, теории множеств, теории графов, объектно-ориентированного программирования, математического моделирования и теории принятия решений.
Научная новизна работы заключается в следующем:
1. В результате системного анализа предложен вариант декомпозиции процесса функционирования авиационно-транспортных систем на основе причинно-следственного подхода, обеспечивающий повышение эффективности решения комплекса задач повышения безопасности авиационно-транспортных систем. Это позволило разработать алгоритмы оперативного контроля ресурса авиационно-транспортных систем, определения критических ситуаций при входе воздушных судов в зону ответственности аэропорта и поиска причин аварийных ситуаций при посадке.
2. Предложена модель поддержки принятия решений по выбору оптимальной очередности захода на посадку воздушных судов для тренажеров, обеспечивающая парирование критических ситуаций при входе воздушных судов в зону ответственности аэропорта.
3. Разработаны метод и алгоритм поддержки принятия решений при поиске причин аварийных ситуаций на этапе посадки воздушного судна для тренажеров, позволяющие идентифицировать причины возникновения авиационных происшествий.
4. Разработана методика определения ресурса авиационно-транспортных систем на основе решения системы дифференциальных уравнений Колмогорова-Чепмена, позволяющая прогнозировать возникновение аварийных ситуаций.
Достоверность и обоснованность результатов. Достоверность полученных результатов и рекомендаций обеспечивается корректным применением системного анализа, теории принятия решений, методов математического моделирования, а также апробацией результатов исследований на тестовых данных.
Выносимые на защиту результаты. В соответствии с целью работы получены следующие результаты, которые выносятся на защиту:
- результаты системного анализа авиационно-транспортных систем, представленные в виде причинно-следственных комплексов, позволяющих разработать алгоритмы оперативного контроля ресурса АТС, определения критических ситуаций при входе воздушных судов в зону ответственности аэропорта и поиска причин авиационных происшествий при посадке воздушных судов;
- постановка и метод решения задачи поддержки принятия решений лиц, проводящих расследование, для поиска причин аварийных ситуаций при посадке воздушных судов для тренажера;
- модель поддержки принятия решений по выбору оптимальной очередности захода на посадку воздушных судов для тренажера;
- метод определения ресурса авиационно-транспортных систем на основе решения системы дифференциальных уравнений Колмогорова-Чепмена, позволяющий прогнозировать возникновение аварийных ситуаций;
- программно-информационные комплексы для тренажеров, в основу построения которых положены алгоритмы определения ресурса авиационно-транспортных систем и поиска причин авиационных происшествий при посадке воздушных судов.
Практическая значимость работы. Практическая значимость диссертации состоит в разработке модели, алгоритмов и программ, положенных в основу создания программного обеспечения информационно-обучающей системы. Она может быть использована в качестве математического и программного обеспечения тренажеров для поддержки принятия решений при управлении авиационно-транспортными системами; при определении их остаточного ресурса; при поиске причин авиационных происшествий в них; при входе воздушных судов в зону ответственности аэропорта и построении очереди их захода на посадку. Предложенная информационно-обучающая система способствует подготовке персонала АТС по принятию управленческих решений, снижению риска возникновения авиационных происшествий.
Реализация и внедрение результатов исследований. Результаты диссертационной работы в виде моделей, методов, алгоритмов, программного обеспечения, а также компонентов информационно-обучающей системы могут найти применение для тренажеров, обеспечивающих подготовку и принятие решений по повышению безопасности авиационно-транспортными систем, и использованы ОАО «Ил» (Москва).
Материалы работы нашли применение в лекционных курсах, лабораторных работах, курсовых и дипломных проектах специальности 220200 «Автоматизированные системы обработки информации и управление» в Саратовском государственном техническом университете имени Гагарина Ю.А. Они являются составной частью фундаментальных научных исследований, выполняемых Институтом проблем точной механики и управления РАН по теме «Разработка основных положений, моделей и методов для анализа и распознавания процессов функционирования сложных человеко-машинных систем с целью определения причин происшествий, аварий и катастроф» (№ гос. регистрации 01201156340).
Связь работы с крупными научными программами и темами. Диссертационная работа выполнена при финансовой поддержке Министерства образования и науки РФ (грант Министерства образования и науки РФ, гос. регистрация № 02.740.11.0482).
Апробация работы. Основные результаты работы докладывались и обсуждались на Бюро Отделения энергетики, машиностроения, механики и процессов управления РАН (Москва, 2010), семинаре в конструкторском бюро имени С.В. Ильюшина и ОАО «Ил» (Москва, 2010), семинаре в «ОАО Саравиа» (Саратов, 2010), 7-й Всероссийской научно-технической конференции «Мехатроника, автоматизация, управление (МАУ-2010)» (Санкт-Петербург, 2010), V Международной научно-практической конференции «Информационные технологии в управлении и профессиональной подготовке операторов сложных систем» (Кировоград, 2010), Первом международном семинаре "Critical Infrastructure Safety and Security (CrISS-DESSERT’11)" (Кировоград, 2011), 4-й Всероссийской мультиконференции по проблемам управления «Искусственный интеллект и управление (ИИУ-2011)» (Дивноморское, 2011), 5-й Международной конференции «Управление развитием крупномасштабных систем» (Москва, 2011), а также на научных семинарах лаборатории системных проблем управления и автоматизации в машиностроении Института проблем точной механики и управления РАН (Саратов, 2009-2012).
Публикации. По теме диссертационной работы опубликовано 11 печатных работ, из которых 4 в ведущих изданиях, рекомендованных ВАК РФ.
Структура и объем диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, 4 глав, заключения, списка литературы и приложений. Общий объем работы составляет 140 страниц, включая 28 рисунков, 4 таблицы, 41 страницу приложения. Список литературы включает 112 наименований.
Обзор работ по управлению, анализу и повышению безопасности авиационно-транспортных систем
Особую актуальность в настоящее время приобретает проблема неуклонного повышения безопасности авиационно-транспортных систем. Безопасность - это такое состояние системы, при котором действие внешних и внутренних факторов не приводит к ухудшению состояния системы или к невозможности её функционирования и развития. На безопасность АТС оказывают влияние действия человека (членов экипажа, диспетчеров, служб наземной подготовки и т.д.), ошибки в командно-информационном обеспечении, дефекты техники, нарушения энергообеспечения и воздействия внешней среды, обусловленные неблагоприятными метеоусловиями и другие.
Концепция авиационной безопасности может иметь различные интерпретации [97]: а) нулевой уровень авиационных происшествий (или серьезных инцидентов); Ь) отсутствие опасности или риска, т. е. факторов, которые причиняют или могут причинить ущерб; с) отношение экипажа к небезопасным действиям и условиям; б) степень, до которой присущий авиации риск является "приемлемым”; е) процесс выявления источников опасности и контроля факторов риска; ж) недопущение потерь в результате авиапроисшествий (человеческих жертвы, а также нанесение ущерба имуществу и окружающей среде).
Несмотря на то, что предотвращение авиационных происшествий или серьезных инцидентов является важнейшей целью процесса неуклонного повышения безопасности АТС, абсолютный ее уровень является недостижимым. Несмотря на все усилия по предотвращению сбоев функционирования техники, энергоснабжения и ошибок персонала они имеют место даже в самых надежных АТС. Ни один вид человеческой деятельности и ни одна искусственная система не могут гарантированно считаться абсолютно безопасными и свободными от риска. Безопасность является относительным понятием, предполагающим, что в безопасной системе наличие естественных факторов риска считается приемлемой ситуацией.
В соответствии с «Федеральным Законом о Техническом регулировании» [107] понятие безопасности объектов определено как «состояние при котором отсутствует недопустимый риск, связанный с причинением вредя жизни или здоровью граждан, имуществу физических или юридических лиц государственному или муниципальному имуществу, окружающей среде, жизни или здоровью животных и растений». В свою очередь понятие риска в этом законе определяется как «вероятность причинения вреда жизни или здоровью граждан, имуществу физических или юридических лиц государственному или муниципальному имуществу, окружающей среде, жизни или здоровью животных и растений с учетом тяжести этого вреда». Однако универсальной методики расчета этого важнейшего показателя не существует.
В Российской Федерации и за рубежом существуют различные системы управления и контроля воздушного движения "Синтез-ТЦ", "Эксперт", системы CNS (наблюдение - навигация - связь), средства автоматического зависимого наблюдения на базе технологии вторичной радиолокации АЗН-В системы IFCS и PFAD. Кроме того, активная работа над подобными системами ведется в Государственном НИИ авиационных систем корпорациях «Иркут», «Русские системы» и других. Однако они зачастую не обеспечивают прогнозирование аварийных ситуаций, а также поиск их причин.
В работе [45] дается определение авиационно-транспортной системы цели ее функционирования и функционального отказа (ФО), а также подчеркивается, что целью АТС является доставка пассажиров и грузов по заданному маршруту с соблюдением графика движения, нормативных актов ICAO и федеральных авиационных правил РФ, требований комфорта экипажа и пассажиров и обеспечением безопасности полета. Также в работе [45] рассматриваются методы составления списка функциональных отказов: метод и метод приведения. Однако метод «проб и ошибок», экспертный доказательство полноты списка ФО и создание конструктивных моделей АТС требуют дальнейшего углубления и развития.
В [7, 57, 97, 98, 101-103, ПО, 111] регламентированы вопросы, связанные с эксплуатацией, обслуживанием АТС, проведением расследований и т.п. Эти документы являются нормативной базой, определяющей также развитие научных разработок.
Анализ работ по управлению воздушным движением [31, 42-44, 91] показывает, что авторы уделяют особое внимание изучению следующих актуальных вопросов:
- построения моделей для использования в тренажерах;
- психологических особенностей диспетчера;
- созданию эргономичной авионики [31] и пульта диспетчера [91].
Существует множество моделей и методов создания средств поддерж-ки действий пилота и диспетчера, а также тренажеров. Исследования по данной тематике отражены в работах [40, 42-44, 91]. К настоящему времени разработаны и исследуются алгоритмы управления самолетом на взлете и посадке [24, 92], приспособленные для работы в условиях резких порывов ветра (сдвиг ветра). В работе исследуется задача управления самолетом на посадке в горизонтальной плоскости при воздействии ветра.
Из рассмотренных работ программно-информационные комплексы реализующие модели, представлены в [42-44]. Однако они не учитывают взаимодействие процессов различной природы, в том числе и важнейший процесс действий исполнителей, связанный с понятием «человеческий фактор» [1].
Таким образом, комплексный подход к оптимизации процессов полета воздушных судов в зоне ответственности аэропорта, особенно к определению критических ситуаций при этом и поиску причин авиационных происшествий, требует дальнейшего развития.
В работах [34, 55] вводится понятие системы, представлено определение состояния системы, излагается проблема декомпозиции [35] и рассматриваются принципы и методы системного подхода к объектам различной природы [55] и их моделированию.
Следует отметить, что фундаментальным средством для построения и использования научных знаний является содержательная интерпретация формальных объектов, структур и отношений, что невозможно без моделей. В [38] подчеркивается, что для того чтобы использовать математические методы для анализа тех или других процессов, необходимо некоторое математическое описание этого процесса, т.е. его описание на языке математики. Это описание и называется математической моделью.
С развитием вычислительной техники моделирование сложных систем играет все большую роль в исследовании и анализе самых разнообразных процессов. Становится возможным получать значительные массивы информации о поведении исследуемой системы, проводить разнообразные вычисления за достаточно короткие промежутки времени. Это осуществляется за счет математической модели системы, которая позволяет с заданной точностью моделировать поведение реальной системы и получать необходимые данные.
Несмотря на многочисленные исследования и широкое использование математических моделей во всех отраслях человеческой деятельности, строгого определения понятия моделирования на данный момент не выделено. Однако выдвинуто достаточно много удачных попыток выделить наиболее существенные черты моделей [39, 69, 72]. Большинство исследователей под моделированием понимают опосредованное практическое или теоретическое исследование объекта, ПОИ KOTOI50M непосредственно изучается не сам объект, а некоторая вспомогательная искусственная или естественная система (модель):
а) находящаяся в некотором объективном соответствии с познаваемым объектом;
б) способная замещать его в определенных отношениях;
в) дающая при её исследовании, в конечном счете, информацию о самом моделируемом объекте.
В тоже время вопросы построения и классификации математических моделей изучаются достаточно долго, и к настоящему времени опубликовано большое количество работ по данной тематике [10, 11, 53, 70, 98]. Большой вклад в развитие автоматных и непрерывно-дискретных моделей внес В.М.Глушков[19].
Возможность применения общесистемных закономерностей при моделировании рассматривается на примере таких сложных систем как аэропорт [11], атомная станция [36] и других. Для описания информационных систем, связанных обслуживанием воздушных судов аэропортом применяются специфические модели. Предполагается, что система имеет ряд обслуживающих каналов, которые выполняют определенный набор задач. В систему на имеющиеся свободные каналы поступают заявки на обслуживание [11].
Причинно-следственный подход к построению моделей поддержки принятия решений и анализу авиационно-транспортных систем
Авиационно-транспортная система [45] - это совокупность следующих компонентов (рис. 2.1):
- воздушное судно;
- экипаж;
- служба подготовки и обеспечения полета;
- служба управления воздушным движением.
Основную функцию или назначение АТС можно сформулировать как доставку пассажиров и грузов по заданному маршруту с соблюдением графика движения, нормативных актов ICAO, законов РФ, требований удобства работы экипажа и комфорта пассажиров при обеспечении максимальной безопасности полета.
Эффективность функционирования и развития АТС определяется степенью достижения ее цели, следующей из основной функции системы. Чтобы эффективно провести анализ АТС, необходимо иметь удобный аппарат, позволяющий выполнять ее моделирование. С помощью разработанных моделей осуществляется анализ зависимостей показателей эффективности АТС и параметров ее компонентов. Предлагаемый ПОЛХоТТ позволяет создавать и совершенствовать модели и методы повышения эффективности конкретной АТС с использованием оптимизации по критерию безопасности. Для решения такой задачи необходима декомпозиция по процессам, объектам и временным интервалам, что является сложной проблемой.
Построение модели авиационно-транспортной системы и частных моделей для конкретных процессов функционирования системы (рис. 2.2) является базовой задачей для решения последующих задач анализа, управления, поиска причин авиационных происшествий, их предотвращения задач оптимизации и других.
К специфическим свойствам сложных человеко-машинных систем вообще и АТС в частности относятся: отсутствие для таких систем компактных, точных и полных моделей; существенное изменение их состояния в течение малых интервалов времени; наличие в управлении функционированием системы человеческого звена, наличие тесных взаимосвязей и взаимодействий процессов различной природы и т.п. Эти особенности АТС совмещаются с трудностями практического наблюдения средствами контроля и диагностирования воздействий на систему, состояний системы и воздействий системы на внешнюю среду.
Построение модели АТС и частных моделей для конкретных процессов функционирования системы требует, особенно на начальных этапах разработки моделей, использования формального аппарата в котором переменные, константы, функции и отношения не являются объектами и структурами некоторого однородного аппарата - непрерывной числовой математики, дискретной символьной математики, формальной логики, аппарата нечетких множеств и отношений. В качестве требующегося формального аппарата предлагается использовать теорию ЩЭИЧИННО следственных комплексов [59, 62, 63], в которой основными категориями являются группа причины (причина и условие 1 реализации причинно следственной связи), группа следствия (следствие и условие 2 после реализации причинно-следственной связи) и ядро как математическое описание причинно-следственной связи группы причины с группой следствия. На этом пути от содержательного и фактического понимания АТС к математической модели системы последовательно уточняются и формализуются связи конкретных значений показателей, представляющих процессы и их взаимодействия, образующие функционирование системы.
Одновременно осуществляется последовательная декомпозиция в структуре и функциях системы, дающая в результате иерархически построенную модель.
Основной моделью является причинно-следственный комплекс, построенный как композиция элементарных ПСЗ, имеющих новую отличную от традиционной структуру причинно-следственной связи (рис. 2.3).
В данной работе рассматриваются компоненты АТС, среди КОТОРЫХ определяющими являются: команды, информация; исполнители; техника; энергообеспечение; метеоусловия; пассажиры и полезный груз (табл. 2.1).
Для учета человеческого фактора, например, уровня квалификации пилота или диспетчера, времени его реакции, степени усталости и т.д. в терминалах ПСЗ есть специальный компонент в виде вектора, содержащего данные параметры.
Модель контроля ресурса авиационно-транспортных систем
Для прогнозирования и предотвращения аварийных ситуаций в сложных системах в данной работе используется остаточный ресурс, а также подход основанный на применении вероятностного анализа безопасности (ВАБ). Остаточный ресурс системы [8] - это предполагаемая возможность ее работы от момента контроля до перехода в предельное состояние. В этом состоянии дальнейшая эксплуатация АТС невозможна или нецелесообразна. Остаточный ресурс характеризует возможность работы системы в заданном режиме до достижения предельного (критического) состояния, т. е. возможность безопасного функционирования. Таким образом, остаточный ресурс зависит от текущего состояния и требуемого режима работы системы. В качестве размерности величины ресурса обычно принимается время в отношении к виду функции или составляющей системы: часы полета, человеко-часы и т.д При этом заметим, что возможность функционирования сложной системы существенно зависит от ресурсов нескольких ее составляющих. Поэтому в данной работе предлагается рассматривать остаточный ресурс в общем случае как вектор. Если исключить из рассмотрения аварийные ситуации, вызванные непреодолимыми внешними причинами, то каждому критическому состоянию системы предшествует состояние исчерпания определенных составляющих ее остаточного ресурса.
В работе выделяются два вида ресурса сложной системы: систематизирующий и ресурс компонентов системы (ресурсы исполнителей, оборудования и энергии).
Остаточный ресурс системы зависит от ресурса составляющих, и его значение характеризуется вектором, элементами которого являются величины соответствующих размерностей. Если ресурс какой-либо составляющей исчерпывается, дальнейшее функционирование АТС в заданном режиме невозможно. Поэтому остаточный ресурс системы не превосходит остаточных ресурсов ее составляющих. При этом достаточность ресурса составляющих не гарантирует успешной работы, так как свойства системы раскрываются во взаимодействии ее компонент под действием систематизирующего ресурса, который соединяет их и организует это взаимодействие для достижения поставленной цели. По отдельности остаточные ресурсы составляющих человеко-машинной система могут быть оценены предлагаемыми в [8, 33] методами. При этом используется два подхода - детерминированный, при котором факторы, влияющие на наработку до отказа, могут быть определены заранее, либо вероятностный, с применением методов теории вероятностей и математической статистики, где учитывается неопределенность задания факторов, влияющих на оценку долговечности. Заметим, методы оценки остаточного административного ресурса, а также ресурса исполнителей рассматриваются в [8, 33] в недостаточной степени, в то время как значительная часть происшествий сложных человеко-машинных систем происходит из-за ошибок персонала.
Задача оперативного контроля ресурса АТС, а также прогнозирования критических ситуаций формально представляется в виде подмножества соотношения (3.1)
Вектор r{t) содержит значения запасов ресурсов АТС. Элементы вектора r(t) могут быть числовыми, символьными и логическими. Между символьными и логическими значениями каждой компоненты ресурса rt{t) должно быть определено отношение порядка. Это позволит сравнивать значения векторов ресурса и считать по определению что вектор г доминирует вектор и записывать г г , если rt г..при всех і = 1, ., т. Очевидно, что если в течение отрезка времени [t, /+1] компоненты ресурса не восполнялись в процессе работы, то r{t) г(/ + 1), так как функционирование требует затрат ресурсов. Управляющие воздействия - это выбор режимов функционирования системы и восполнение остаточного ресурса, т.е. компонент r{t). В качестве восполнения отдельных компонент ресурса выступают плановые и работы по ремонту и замене узлов, агрегатов и деталей, а также увеличение запасов расходных материалов и энергетического ресурса (пополнение топлива, заряд аккумуляторов).
В рамках причинно-следственного подхода функционирование авиационно-транспортной системы предлагается представить как последовательность причинно-следственных звеньев, где остаточный ресурс занимает место в группе причины и в группе следствия. Процесс эксплуатации моделируется ядром причинно-следственного звена.
В процессе функционирования часть ресурса системы уходит на решение ее текущих задач, поддержание работы в заданном режиме. После этого в группе следствия оказывается остаточный ресурс, который попадает в группу причины следующего звена. Расход ресурса может быть вычислен при помощи процедур, заложенных в ядре. Если рассматривать частные случаи этого процесса, то можно выделить четыре класса простейших вариантов (табл. 3.2). Составляющие ресурса системы: командно-информационная компонента - нормы летной годности и технические документы для воздушных судов, сигналы диспетчера; ресурс экипажа - количество часов которое члены экипажа могут эффективно работать, начиная с момента измерения ресурса, определяется правилами и нормами труда на воздушном транспорте; ресурс техники - запас прочности узлов, агрегатов и корпуса воздушного судна, определяется в зависимости от HcUiCTci воздушного судно, и от количества полетов без специального технического обслуживания; энергетическое обеспечение - количество топлива, состояние электрообеспечения судна.
В модели также используется категория метеорологических условий в качестве пятой компоненты терминалов элементарных причинно-следственных звеньев, но она исключается из рассмотрения с точки зрения остаточного ресурса системы.
Вывод о возможности дальнейшей эксплуатации воздушного судна может быть сделан после анализа всех элементарных звеньев моделирующих стадии полета. При этом возможно рассмотреть изменение значений конкретных составляющих вектора системного ресурса непосредственно в процессе функционирования. Это необходимо для представления оперативной информации членам экипажа в процессе полета.
Вероятностный анализ безопасности функционирования авиационно транспортной системы позволяет провести комплексный анализ безопасности, в процессе которого разрабатывается вероятностная модель которая используется для определения значений вероятностных показателей безопасности АТС.
Метод расчета этих показателей основан на использовании деревьев событий, при помощи которых определяются наборы небезопасных состоянии АТС в виде минимальных сечений, а также системы дифференциальных уравнений Колмогорова-Чепмена.
Результатом вероятностного анализа безопасности является использование качественных и количественных оценок текущего уровня безопасности АТС для принятия решений о дальнейшей эксплуатации авиационно-транспортной системы.
Для ресурса АТС строится дерево событий. Полный перечень событий может быть достаточно большим и содержать события, характеризующиеся одинаковым набором свойств, одинаковой конфигурацией и одинаковыми критериями безопасности. С целью сокращения количества рассматриваемых вершин дерева событий такие события следует объединить в общие подгруппы.
Для разработки моделей надежности систем принята методология дерева отказов. Дерево отказов представляет собой логическую модель по которой определяется возникновение основного или вершинного события, заключающегося в отказе системы выполнить заданную функцию, вследствие комбинаций первичных или элементарных событий которые представляют собой отказы отдельных элементов системы [46].
Граф функций дерева событий (рис.3.6) строится в результате последовательного рассмотрения успешного или неуспешного выполнения каждой из рассматриваемых функций безопасности. Траектории от начала дерева, т.е. от исходного состояния, до конечного состояния называются аварийными последовательностями, или путями развития аварийных ситуаций. Количество аварийных последовательностей и соответствующих им конечных состояний равно числу возможных комбинаций из успешных и неуспешных исходов выполнения функций безопасности Максимальное количество конечных состояний равно 2", где п — число рассматриваемых функций безопасности.
Прогнозирование аварийных ситуаций при входе воздушных судов в зону ответственности аэропорта на компьютерном тренажере
Для реализации модели посадки самолета и поиска причин авиационных происшествий также разработан программный комплекс с использованием интегрированной среды программирования и системы управления базами данных (рис.4.5).
Программно-информационный комплекс моделирования движения самолета на этапе посадки и анализа критических ситуаций состоит из двух основных частей. В первой части можно построить правильную траекторию посадки, траектории с неисправностями и функциональными отказами а также при возникновении неисправностей и функциональных отказов и их успешном парировании.
Вторая часть программно-информационного комплекса предназначена для поиска причин происшествий. Она состоит из нескольких фильтров, позволяющих поэтапно уточнить причину возникновения аварийной ситуации. На первом этапе происходит анализ данных из архива и отбрасывание тех траекторий и причин, которые не имели отношения к данному типу воздушного судна.
На втором этапе происходит отбрасывание тех траекторий и причин, которые не имеют отношения к траекториям, параметры которых отражает информация из средств объективного контроля.
На третьем этапе происходит уточнение причины происшествия на основании информации, которая была собрана непосредственно на месте происшествия (рис. 4.6).
В качестве примера поиска причины авиационного происшествия рассмотрим катастрофу самолета Ту-154М в районе аэродрома города Смоленск, которая произошла в апреле 2010 года.
Для построения условий первого фильтра при расследовании авиационного происшествия эксперты получают информацию из банков данных уже проведенных расследований. Данные о причинах аварий и траекториях для самолетов данного типа (узкофюзеляжный, пассажирский и т.д.). На основании этой информации исключаются те исходные состояния, которые невозможны для данного типа судна.
Далее отбрасываются те исходные состояния, которые не имеют отношения к конкретному воздушному судну Ту-154М. Используется информация из средств объективного контроля: из бортовых самописцев самолета, наблюдателей с земли, средств визуального наблюдения и так далее. Анализ данной информации позволил сузить коридоры траекторий полета конкретного самолета и отбросить те причины аварий, которые не соответствуют ей.
Следующий фильтр используется для построения логических выводов о причине происшествия на основании информации, собранной на месте аварии. В рассматриваемом примере можно выделить следующие классы неисправностей, указанные в табл. 4.2.
Данный список при необходимости может быть существенно расширен и детализирован. Далее применяется информация, полученная непосредственно с места аварии, а также с различных систем контроля, статистических источников, по предполетному медицинскому контролю членов экипажа и т.д. Эта информация, после преобразованная и формализации, помогает в определенной степени конкретизировать исходное состояние системы перед возникновением авиационного происшествия.
В рассматриваемом примере в качестве такой информации выступает ряд характеристик, собранных на месте аварии, а также в базе данных технических осмотров: расстояние от начала посадки до места аварии; угол между штатным направлением захода на посадку и реальным направлением воздушного судна на месте аварии; наличие следов пожара на воздушном судне; масса воздушного судна; данные предполетного осмотра о состоянии силовой установки, авионики и механизмов воздушного судна.
С использованием данной информации определяются ряд параметров исходного состояния АТС: наличие топлива в топливной системе; реальное направление захода на посадку; высота начала предпосадочного снижения; скорость, которую имело воздушное судно, непосредственно перед аварией.
Множество О дефектов системы состоит из элементов ({d] приземление до ВПП, d2 -отказ двигателя, d3 -отказ реверса, d4 -неточный выход на посадочную прямую с последующими энергичными доворотами, потерей высоты и "уходом под глиссаду", d5 -снижение выше глиссады, d6-исправление ошибки увеличением вертикальной скорости, d7 -низкая облачность, da - попадание в область приземного тумана, d9 -пожар на борту, dw-неверные команды диспетчера})
На месте происшествия и из средств объективного контроля получены данные, составляющие множество П диагностической информации { щ -обломки обгорели, и2 -самолет не в створе ВПП с отклонением 40 метров и? -самолет в 900 м до ВПП, и4 -деревья по курсу полета повреждены, и5 -экипаж принял решение посадить самолет, приземный туман, и7 -двигатели работали штатно до момента столкновения).
Были построены соответствующие причинно-следственные комплексы Ко, Кь К2, ..5 К10. Параметры полета, а также элемента множества диагностической информации были введены в соответствующие поля программно-информационного комплекса, реализующего алгоритм поиска причин аварий (рис. 4.7).
Причинами катастрофы стали неправильные действия экипажа; решение о заходе на посадку и отказ от ухода на второй круг в метеоусловиях значительно ниже метеорологического минимума аэродрома, минимума системы захода на посадку и минимума экипажа, снижение ниже глиссады, игнорирование экипажем сигналов системы предупреждения об опасном сближении с поверхностью земли.
Данные выводы соответствуют официальному отчету Международного авиационного комитета [112], проводившего расследование рассматриваемой авиакатастрофы.
Таким образом, разработанный программно-информационный комплекс позволил правильно определить причину авиационного происшествия.
