Содержание к диссертации
Введение
Раздел 1. О направлениях совершенствования технического обслуживания авиационных радиоэлектронных систем 8
Глава 1.1. Состояние, проблемы технического обслуживания и ремонта ТОиР воздушных судов (ВС) гражданской авиации. Задачи исследования 8
Глава 1.2. Обзор литературы по комплексной проблеме выбора оптимальных сроков профилактик элементов сложной технической системы 20
Раздел 2. Оптимальные априорные модели технического обслуживания авиационных радиоэлектронных систем 29
Глава 2.1. Модель оптимальной эксплуатации по ресурсу незарезервированного элемента «стареющего» типа 29
Глава 2.2. Оптимальная замена зарезервированных элементов авиационных радиоэлектронных систем и оценка их надежности 42
Глава 2.3. Определение оптимального межрегламентного интервала для конструктивно самостоятельных АРЭС и его статистическая оценка 51
Раздел 3. Организация оптимальной эксплуатации авиационных радиоэлектронных систем и комплексов по техническому состоянию на основе бинарной информации о надежности 59
Глава 3.1. Метод предупреждения отказов в сложных авиационных радиоэлектронных системах при их оптимальной эксплуатации по техническому состоянию 59
Глава 3.2. Определение условных вероятностей отказов авиационной радиоэлектронной системы 71
Глава 3.3. Алгоритм оценки эксплуатационных характеристик авиационного радиоэлектронного комплекса 79
Раздел 4. Организация профилактики авиационных радиоэлектронных комплексов с учетом ограничений на средства обслуживания 94
Глава 4.1. Описание типовых эксплуатационных ситуаций 94
Глава 4.2. Оптимальное расписание профилактик комплекса призаранее выбранных периодах профилактик систем комплекса 96
Глава 4.3. Организация проверок автоматическим устройством систем комплекса 98
Глава 4.4. Проверка комплекса резервных систем 104
Общие выводы по работе 113
Список использованных: источников 116
Приложение 1 127
Приложение 2 134
Приложение 3 152
- Обзор литературы по комплексной проблеме выбора оптимальных сроков профилактик элементов сложной технической системы
- Оптимальная замена зарезервированных элементов авиационных радиоэлектронных систем и оценка их надежности
- Определение условных вероятностей отказов авиационной радиоэлектронной системы
- Оптимальное расписание профилактик комплекса призаранее выбранных периодах профилактик систем комплекса
Введение к работе
Актуальность темы. В настоящее время на пути внедрения прогрессивных методов эксплуатации по состоянию для серийных образцов авиационных радиоэлектронных систем (АРЭС) возникли следующие трудности.
Неконтролируемость объектов для измерения информационных параметров.
Низкая точность датчиков-преобразователей информации контроля параметров.
Отставание отечественной промышленности в создании современных бортовых вычислительных комплексов в целях оперативной и устойчивой обработки больших массивов информации в реальном времени, компьютерной диагностики.
Слабое методическое и организационное обеспечение процесса эксплуатации по состоянию в авиапредприятиях всех форм собственности.
Недостаточное использование разработанного математического обеспечения для составления программ работы бортовых компьютеров.
Объекты серийных образцов АРЭС, находящиеся в массовой эксплуатации в ГА, наиболее приспособлены для реализации метода эксплуатации их элементов с возрастающей во времени интенсивностью отказов по заданному ресурсу, который в диссертации предлагается выбирать оптимально по критерию оперативной готовности.
Кроме того, в гражданской авиации в связи с тем, что современные радиоэлектронные системы и комплексы, с одной стороны, обладают функциональной избыточностью, а с другой, - не имеют выходных пара-
метров (например, цифровые пилотажно-авиационные комплексы), возникла необходимость в оптимизации режимов их эксплуатации (по критерию минимума затрат) на основе анализ только бинарной информации о надежности.
И, наконец, при автоматизации проверок АРЭС в составе наземных или бортовых комплексов и самих средств проверок возникает задача (при составлении циклограммы проверок) групповых проверок при ограничении на средства проверок.
В разработку теоретических основ эксплуатации авиационных систем и их реализацию внесли большой вклад ученые вузов и НИИ гражданской авиации, в том числе коллективов, которыми руководят В.Г.Воробьев, А.А.Ицкович, Е.А.Коняев, А.Б.Кузьмин, В.И.Люлько, Н.Н.Смирнов, Ю.М.Чинючин, Е.Ю.Барзилович, В.Е.Емельянов, А.В.Майоров, В.Я.Карасев, А.А.Кузнецов, В.П.Фролов и многие другие, а также коллективы ОКБ им. С.В.Ильюшина, им. А.С.Яковлева, А.Н.Туполева.
Из зарубежных авторов следует отметить труда С.Дермана, Р.Барлоу, Ф.Прошана, Л.Хантера, А.Трулава.
Целью диссертационного исследования является теоретическое обоснование и разработка практических рекомендаций по совершенствованию технического обслуживания бортовых и наземных авиационных радиоэлектронных систем, позволяющих повысить их эксплуатационную надежность и сократить эксплутационные затраты.
Задачи исследования, решенные в диссертации, обеспечивают достижение поставленной цели. Этими задачами являются следующие:
разработка математической модели технического обслуживания АРЭС, обладающих функциональным и прямым резервированием;
теоретическое обоснование задаваемых ресурсов «стареющих» звеньев АРЭС (элементов с Л'(0 > 0 и зарезервированных элементов);
обоснование и расчет сроков регламентных работ АРЭС;
решение в интересах АРЭС задач групповой эксплуатации при ограничениях на средства обслуживания.
Перечисленные задачи и выносятся автором на защиту.
Объектом исследования является процесс технического обслуживания и ремонта АРЭС.
Научная новизна работы состоит в том, что в ней впервые формализованы и решены задачи технического обслуживания АРЭС, обладающих функциональной избыточностью и не имеющих традиционных непрерывных выходных параметров.
Точность и достоверность проведенных исследований обусловлены обоснованностью и приемлемостью принятых допущений, использованием прошедших апробацию предложенных автором математических моделей.
Практическая значимость работы заключается в следующем:
в диссертации даны конкретные рекомендации по предупредительным заменам «слабых звеньев» в АРЭС бортового и наземного профиля и корректировкам сроков регламентных работ наземных АРЭС;
обоснована организационная и техническая реализуемость полученных результатов.
Результаты работы использованы в следующих направлениях:
при создании рабочих методик корректировок объемов технического обслуживания АРЭС в ОАО «Аэрофлот», ЗАО АТБ «Домодедово», НПО «Буран».
в учебных дисциплинах кафедр «Эксплуатация авиационных радиоэлектронных систем» и «Авиационные радиоэлектронные системы» МГТУ ГА.
Апробация и публикация результатов диссертации. Основные положения и результаты диссертации докладывались на международных научно-технических конференциях в МГТУ ГА (2003 г.), ЕАТК ГА (2004 г.), на Всероссийской конференции РАН по проблемам транспорта (2002 г.) и на заседаниях семинара секции «Проблемы воздушного транспорта» РАН (2001 и 2002 г.).
По теме диссертации опубликовано 9 печатных работ, из них 4 статьи в научных вестниках МГТУ ГА и одна монография в МГУ им. М.В .Ломоносова.
Диссертация состоит из введения, четырех разделов, общих выводов по работе, списка использованных источников и трех приложений. Общий объем диссертации 126 страниц.
Перей дем к подробному изложению содержания самой работы.
Обзор литературы по комплексной проблеме выбора оптимальных сроков профилактик элементов сложной технической системы
Широкое распространение концепции «повышенной живучести» требует решения следующих проблем: - после того, как нарушается основной путь передачи нагрузок вследствие появления усталостной трещины, возникает опасность нарушения резервных путей, что может привести к катастрофическому разрушению всей конструкции. Возникает проблема определения частоты осмотров элементов конструкции в процессе эксплуатации и установления норм на допустимые повреждения; - при усталостном разрушении основного пути передачи нагрузок нет гарантии, что резервные пути не будут нарушаться в результате усталостного разрушения или воздействия случайных экстремальных нагрузок. Это приводит ко второй проблеме -своевременности осмотров уже поврежденной конструкции и нормированию ее остаточной прочности. Таким образом обозначается круг теоретических задач, подлежащих решению для дальнейшего развития методов технической эксплуатации по состоянию современных ВС гражданской авиации. Представляется целесообразным сформировать ряд моделей оптимальной эксплуатации авиационных систем, учитывающих процессы возникновения повреждений в «слабых» звеньях конструкции или изделиях функциональных систем самолетов, и с помощью этих моделей определить оптимальную периодичность осмотров (контроля технического состояния), а также моменты предупредительных замен агрегатов, узлов или элементов, в наибольшей степени подверженных ударным нагрузкам. Постановка задачи предполагает предварительный выбор критерия для оптимизации. Граничными условиями должны рассматриваться: обеспечение требований безопасности полетов и экономичность технической эксплуатации. Обобщая рассмотренный материал, можно выделить необходимость разработки следующих моделей. 1. Модели оптимальной эксплуатации авиационных систем с учетом ударных внешних воздействий. Эти модели детально рассмотрены в ряде работ, на которые есть ссылки в [73]. 2, Модели оптимальной эксплуатации авиационных систем с учетом внезапных отказов. Изделия функциональных систем ВС и элементы конструкции подвержены внезапным и постепенным отказам. Их восстановление происходит при проведении периодического технического обслуживания ВС. При этом очень важно предварительно обосновать наработку изделий, для которой повреждения (или отказы резервных систем) будут носить предельный характер. Возникает задача определения оптимальной периодичности технического обслуживания для таких систем при формировании регламента их технического обслуживания. Наиболее разработаны методы определения оптимальной периодичности технического обслуживания в случае возникновения постепенных отказов, когда по накоплению и развитию повреждений можно прогнозировать их техническое состояние. Однако интересно и рассматривать зависимости интен-сивностей внезапных отказов и параметров потоков отказов от наработок, т.к. повреждения, вызываемые случайными воздействиями, накапливаются и снижают надежность и функциональную способность изделий систем ВС. Эти вопросы нашли отражение в настоящей диссертационной работе. 3. Модели выбора оптимальных сроков профилактик элементов сложной технической системы с учетом их внезапных отказов. Обзор немногих публикаций в этой области с указанием сложности получения оптимальных решений приводится в следующей главе данного раздела (в главе 1.2). В диссертации приводятся две модели, позволяющие оптимизировать процедуры обслуживания авиационных радиоэлектронных систем (АРЭС) с функциональной избыточностью и обеспечивать профилактики элементов систем с заданными периоличностями. Для простых систем, неисправность которых обнаруживается лишь в моменты контрольных профилактик, оптимизация периода контроля по различным критериям рассматривались во многих работах. При этом оказалось (см., например, [1-5]), что оптимизация контроля дает существенный выигрыш по всем показателям надежности. В [45] рассматривается вопрос оптимизации контроля сложных систем, каждый элемент которой может независимо от других периодически контролироваться, причем периоды контроля отдельных элементов не обязаны совпадать.
Поясним сказанное двумя примерами. Пусть некоторая система состоит из двух элементов, соединенных параллельно, длительности контрольных профилактик которых равны в. Вся система исправна тогда и только тогда, когда в исправном состоянии находится хотя бы один элемент. Ясно, что оптимальная стратегия состоит в асинхронном контроле с тем, чтобы пока один элемент контролируется, другой находится в рабочем состоянии, обеспечивая тем самым нормальное функционирование всей системы. Если же система представляет собой последовательное соединение двух (и более) элементов, то периоды, наоборот, должны совпадать, так как во время профилактики одного из элементов система все равно неисправна и целесообразно в это же время проверять состояние остальных элементов. При этом, очевидно, что оптимум периода, вычисленного для всей системы, не обязан совпадать с периодом, полученным для отдельного элемента в силу различия в критериях эффективности.
Пусть S - сложная система, состоящая из S„ і = 1,л, элементов, каждый из которых может находиться в двух состояниях: исправном и неисправном. Структурную функцию системы S (или в других терминах, логическую функцию работоспособности) обозначим через q = q s — (ps(x\ Xi, ..., Хц), ХІ — О или 1 в зависимости от неисправности или исправности элемента Si, (ps - монотонная булева функция л булевых переменных Х\, Хъ ..., хп.Функцию надежности системы S обозначим через h = h(S) = hs(pb Рг, ..., Рп) [45]. О вычислении и оценке ps и hs см. [6, 7]. Время исправной работы элемента есть случайная величина. Каждый элемент контролируется периодически с периодом ТІ и длительностью контрольной профилактики #, причем неисправность обнаруживается только во время контрольных профилактик. После обнаружения неисправности элемент восстанавливается в течении времени щ, также случайного.
Оптимальная замена зарезервированных элементов авиационных радиоэлектронных систем и оценка их надежности
Современные наземные и бортовые авиационные радиоэлектронные комплексы обладают функциональной избыточностью. Рассмотрим в качестве примера системы с избыточностью автоматизированную систему управления воздушным движением.
Автоматизированная система УВД (АС УВД) представляет собой совокупность многих взаимодействующих элементов (комплексов, подсистем и т.д.), функции которых частично перекрываются. Поэтому отказ отдельных элементов (или совокупности элементов) системы УВД не прекращает ее функционирование, системы УВД при этом продолжает работать. Не исключена в этих ситуациях и перестройка структуры системы с целью локального повышения ее качества (в тех секторах воздушного пространства, в которых отказы элементов УВД снижают качество ее функционирования). Качество функционирования системы УВД принято характеризовать экономичностью, пропускной способностью, безотказностью. Как и любую систему управления (регулирования), систему УВД можно характеризовать и степенью отклонения траекторий воздушных судов (ВС) от заданных (по координатам и времени), т.е. среднеквадратической ошибкой управления, стараясь ее минимизировать. Однако наибольшее влияние, происходящее в системе УВД отказы оказывают на ее безопасность. Поэтому влияние отказов элементов системы УВД на качество ее функционирования будем анализировать с по- зиций влияния таких отказов на безопасность системы УВД. В этой связи введем понятие живучести системы УВД, определив его как свойство системы выполнять свои функции при отказе некоторых из ее элементов. Это свойство количественно можно определять показателем снижения безопасности системы УВД при отказах ряда элементов, при этом учитываются только те отказы, которые, снижая безопасность работы системы УВД, не приводят к снижению ее ниже некоторого заданного уровня. Первый (качественный) уровень оценки таких показателей - экспертный, второй - количественный, в комплексных моделях системы УВД.
Остановимся в общих чертах на функционировании АС УВД, которая для обеспечения безопасности воздушного движения должна быть снабжена средствами мониторинга (СМ), то есть научно спроектированными средствами и методами непрерывно-дискретных наблюдений за работой АС УВД и измерений ее параметров функционирования с применением соответствующих оценочных процедур идентификации, анализа текущего состояния, распознавания особых ситуаций, краткосрочного (до нескольких секунд) и долгосрочного (минуты, часы) прогнозирования и автоматического принятия оперативных решений. Средства мониторинга системы АС УВД состоят из датчиков и сенсоров с интерфейсами, устройств буферного хранения информации, компьютера остаточного ресурса всех элементов (технических комплексов) систем АС УВД с математическим обеспечением и пакетами прикладных программ, каналов обратной связи с системами предотвращения и защиты.
СМ в АС УВД должны непрерывно отслеживать фактическое состояние каждого технического (и вычислительного) комплекса, входящего в состав АС УВД, оперативно диагностировать их узлы и агрегаты, выдавать информацию для принятия оперативных решений о структурной перестройке системы УВД.
Появление бортовых цифровых навигационных комплексов, в которых отсутствуют традиционно измеряемые аналоговые выходные параметры, заставило по-новому взглянуть и на процесс организации их эксплуатации как сложных систем с избыточностью.
Таким образом, предлагаемая ниже оптимальная математическая модель управления состоянием авиационных радиоэлектронных систем и комплексов как сложных систем с избыточностью имеет универсальное применение.
Рассмотрим сложную систему с различными формами избыточности. Такие системы являются отказоустойчивыми (по отношению к отказам ряда элементов). При отказе некоторых элементов в них либо вообще не происходит снижения эффективности (при подключении резерва), либо допускается снижение эффективности системы, но не настолько, чтобы она оказалась ниже заданного (приемлемого для выполнения конкретной задачи) уровня. Пусть система (далее будем оперировать этим понятием) состоит из п элементов.
Определение условных вероятностей отказов авиационной радиоэлектронной системы
Рассмотрим правила определения условной вероятности в левой части оптимального алгоритма (3.10).
Выше мы видели, что аналитическое вычисление условных вероятностей в левой части неравенства (3.10) для реальных авиационных комплексов возможно далеко не всегда. В более общих случаях для определения таких вероятностей приходится использовать метод статистического моделирования. Покажем, как это можно сделать.
Пусть в зависимости от состояния тех или иных элементов система может находиться в одном из возможных состояний, из которых R (R сХ+) состояний являются работоспособными, а С (С cXJ) - неработоспособными. Пусть в момент о = 0 начинается эксплуатация системы (все элементы работоспособны, а их наработка равна нулю). Через фиксированный интервал времени At в моменты ґ, = і -At, (i=l,2, ...) производится контроль за состоянием элементов системы, в результате которого определяется вектор состояния X(t), указывающий на одно из возможных состояний системы, и наработка неотказавших элементов. Если в результате наблюдений в момент t, обнаруживается, что система отказала (находится в одном из С состояний), то проводится аварийное восстановление, стоимость которого составляет Сг условных единиц затрат. Если же система находится в одном из R состояний, то принимается решение либо о проведении предупредительной профилактики (восстановлении отказавших элементов), стоимость которой составляет Сі условных единиц затрат, либо о продолжении эксплуатации до следующего момента контроля tf+i = ti+ At, в который последовательность рассуждений повторяется.
Примем, что после окончания предупредительной профилактики или аварийного восстановления система обновляется и процесс обслуживания после таких восстановлений повторяется. Тогда моменты окончания профилактических или восстановительных работ, в силу обновления системы, являются моментами регенерации (возобновления) процесса, описывающего состояние системы.
Выбор стратегии обслуживания системы определяется способом разбиения области возможных состояний системы на три непересекающиеся подобласти: Аь А2, А3 = С, при попадании в которые вектора X(t) принимается решение о продолжении наблюдений, проведении предупредительной профилактики или аварийного восстановления соответственно. При профилактике или восстановлении системы производится перевод ее из области состояний А2 или Аз = Съ область Ao({v(0), 0} czAi).
Оптимальное правило нахождения границы между областями А\ и Аг определяется алгоритмом (3.10). Рассмотрим один из возможных алгоритмов вычисления условных вероятностей отказа системы с использованием метода статистического моделирования. Оговоримся сразу, что алгоритм строится для определения условной вероятности работоспособного состояния системы, а затем по полученным результатам определяется условная вероятность отказа. Такое правило построения алгоритма обусловлено тем, что для всякой сложной системы число работоспособных состояний всегда значительно меньше числа неработоспособных. Это позволило значительно сократить объем вычислений и необходимое количество машинного времени. Вычисление условных вероятностей отказа системы на каждом шаге контроля выполнено на основе моделирования реализаций моментов отказов ts (S = 1,М), где М - количество элементов в системе, и знания функций распределения времен до отказа Fs(t) элементов системы. Особенности построения алгоритма моделирования рассмотрим, используя рис. 3.1, на котором изображены реализации моментов отказов элементов системы; q - номер реализации; t(sq) - момент отказа S-ro элемента, і - номер шага контроля, At - интервал между шагами контроля. Временная ось каждой из V реализаций отказов ts элементов системы разделена на интервалы, равные интервалам At между моментами контроля. Вычисление по предлагаемому алгоритму можно разделить на 4 этапа. На первом этапе производится моделирование реализаций моментов отказов t[q) элементов системы, где q - номер реализации, S - номер элемента. На втором этапе определяется попадание системы на заданном с начала эксплуатации интервале U - U + At, і = \,L в одно из возможных работоспособных состояний. Все состояния системы описываются матрицей состоянии.
Оптимальное расписание профилактик комплекса призаранее выбранных периодах профилактик систем комплекса
Для системы с приведенными выше данными можно утверждать, что наиболее приемлемым интервалом между моментами контроля является интервал в 4 - 6 часов. Дальнейшее увеличение интервала хотя и приводит к сокращению удельных затрат на эксплуатацию, но не вызывает существенного повышения условного полезного налета (см. табл. 3.2) и показателя оперативной готовности.
Кроме того, установление большего интервала между моментами контроля приводит к существенному увеличению наработки системы в неисправном состоянии и снижает эффективность предупредительной профилактики.
Повышение эффективности стратегии 2 при рассмотренной системе контроля может быть достигнуто увеличением интервала эксплуатации до плановой профилактики и снижением затрат на проведение контроля и предупредительной профилактики.
Одним из путей внедрения и повышения эффективности стратегии 2, основную долю затрат в которой составляют затраты на контроль состояния системы, является использование бортовых компьютеров для оценки состояния системы и принятия решения на проведение каких-либо работ на ней. В этом случае затраты на контроль при использовании специальных контрольных тестов опроса элементов системы могут быть сведены до минимума.
При внедрении контроля с помощью бортовой компьютерной системы эффективность применения оптимального правила управления (3.10) состоянием АРЭС значительно возрастает, так как шаг между моментами контроля за счет снижения затрат на сам контроль может быть уменьшен. В этом случае повышается количество предупрежденных отказов системы в полете, возрастает коэффициент оперативного использования системы и, вследствие этого, эффективность эксплуатации в целом.
Технические средства, реализующие правила оптимального управления состоянием систем (случайными процессами различного вида), могут быть различными в зависимости от конструктивного выполнения авиационных систем, применяемых средств автоматизированного контроля, требуемого качества решения задач технического обслуживания и т.д.
При наличии систем контроля возможно реализовать правила оптимального обслуживания либо с помощью бортовых компьютеров, либо с помощью специальных приставок к системам наземного контроля. Наличие компьютерного комплекса позволяет построить такую систему обслуживания, в которой информация о техническом состоянии аппаратуры от автоматов контроля собирается централизованно и централизованно обрабатывается. При таком варианте системы технического обслуживания компьютер должен иметь запоминающее устройство для хранения информации об оптимальном допуске (вычисленном заранее) для каждого процесса логической программы, позволяющей выбирать из этого массива нужные величины (при решении задачи оптимального управления). Необходимо также выделить определенный объем памяти для хранения информации, поступающей от системы контроля (при инструментальном контроле или обобщенном, качественном контроле по принципу «да» - «нет»).
Можно иметь в виду и более совершенную систему обработки эксплуатационной информации, включающую элементы самообучения. В такой системе на основе дополнительных данных о параметрах производится уточнение оценок условных вероятностей и с учетом этих новых данных реализуется правило (3.10) для определения оптимальных уровней остановки наблюдаемых случайных процессов, а затем с этими уровнями сравниваются текущие данные от автоматов контроля. Следует отметить, что при такой системе обработки информации к компьютеру необходимо предъявить требования как по объему (памяти) запоминающего устройства, так и по быстродействию.
Вторым возможным направлением реализации методов оптимального управления параметрами авиационных радиоэлектронных систем является создание специальных приставок к автоматам контроля. (Здесь возможны как автоматические приставки с заложенной жесткой программой проверки, так и полуавтоматические с ручным управлением порядком проверки аппаратуры.) Это позволит, например, непосредственно на проверяемом объекте определить блок, подлежащий замене или регулировке.
Третье направление связано с созданием решающих элементов, встроенных в блоки проверяемой аппаратуры. Этот способ весьма удобен, например, при выполнении аппаратуры на твердых схемах и пленках.
Следует заметить, что при таком исполнении аппаратуры вопрос об использовании бортовых компьютеров и централизованных автоматов контроля в системе обслуживания требует специального исследования, так как неизбежны большие трудности при стыковке такой аппаратуры с автоматическими системами контроля.
Встроенные в блоки аппаратуры элементы, принимающие решения (терминалы), могут выполняться непосредственно на заводах-изготовителях. Это должно способствовать удешевлению системы технического обслуживания. Вместе с тем такой подход требует, с одной стороны, большой априорной статистики о поведении каждого выбранного параметра или об условной функции распределения времени до отказа авиационного комплекса, а с другой, при этом не имеется возможности производить корректировку принимаемых оптимальных решений для вывода комплекса на регулировочные и восстановительные работы.
