Системный анализ, модели и методы обеспечения безопасности авиационных транспортных систем при управлении в условиях критических сочетаний событий Филимонюк Леонид Юрьевич

Содержание к диссертации

Введение

Глава 1. Анализ состояния проблемы обеспечения безопасности авиационных транспортных систем 19

1.1. Анализ работ, посвященных обеспечению безопасности авиационных транспортных и других сложных систем 19

1.2. Авиационная транспортная система как объект исследования.. 34

1.3. Анализ систем бортового оборудования воздушных судов, позволяющих повысить безопасность авиационных транспортных систем 37

1.4. Анализ проблемы человеческого фактора в авиационных транспортных системах 46

1.4.1. Понятие человеческого фактора в авиационных транспортных системах 49

1.4.2. Человеческий фактор как основная причина авиационных происшествий 51

1.4.3. Разработка новых подходов к решению проблемы человеческого фактора 52

1.5. Выводы 54

Глава 2. Проблема критических сочетаний событий в авиационных транспортных системах 56

2.1. Причинно-следственный подход к построению связей событий и процессов в авиационных транспортных системах 56

2.2. Подход к построению причинно-следственных связей событий в виде бинарных отношений 59

2.4. Понятие критических сочетаний событий в авиационных транспортных системах 69

2.5. Формальная постановка общей проблемы обеспечения безопасности авиационных транспортных систем в условиях критических сочетаний событий 83

2.3. Классификация процессов функционирования и их сочетаний в авиационных транспортных системах 88

2.5.1. Предотвращение критических сочетаний событий в авиационных транспортных системах 90

2.5.2. Прогнозирование характеристик безопасности авиационных транспортных систем на различных интервалах времени 90

2.5.3. Вывод авиационных транспортных систем из опасного состояния в условиях неопределенности 91

2.7. Классификация критических сочетаний событий в авиационных транспортных системах 92

2.6. Проблема комплексного ресурса авиационных транспортных систем 102

2.8. Формализация критических сочетаний событий с помощью ресурсного подхода 107

2.9. Выводы 113

Глава 3. Модели и методы обеспечения безопасности авиационных транспортных систем в условиях критических сочетаний событий 114

3.1. Постановка задачи обеспечения безопасности авиационных транспортных систем 114

3.2. Подход к решению задачи 115

3.3. Модели для определения вероятностей возникновения аварий и катастроф в авиационных транспортных системах 116

3.4. Информационно-логическая схема для обеспечения безопасности авиационных транспортных систем при управлении в условиях критических сочетаний событий 135

3.5. Выводы 141

Глава 4. Разработка моделей и методов для прогнозирования значений показателей безопасности авиационных транспортных систем 143

4.1 Системная динамика как основа моделей для прогнозирования значений показателей безопасности авиационных транспортных систем 143

4.2 Постановка задачи 146

4.3 Выбор показателей безопасности авиационных транспортных систем 146

4.4 Определение и формализация причинно-следственных связей между показателями безопасности авиационных транспортных систем 149

4.5. Выводы 199

Глава 5. Модели и методы обеспечения безопасности авиационных транспортных систем за счет предотвращения критических сочетаний событий и коррекции ошибок персонала 200

5.1 Задача обеспечения безопасности воздушного судна в условиях угрозы возникновения пожара в одном из двигателей 200

5.2 Построение дерева событий в авиационной транспортной системе 201

5.3 Определение и минимизация вероятностей возникновения критических сочетаний событий 205

5.4 Автоматизированная информационно-управляющая система для коррекции ошибочных действий персонала в авиационных транспортных системах 214

5.5. Выводы 219

Глава 6. Анализ и прогнозирование значений параметров безопасности функционирования авиационных транспортных систем 220

6.1 Подход и основные этапы решения задачи прогнозирования значений параметров безопасности авиационных транспортных систем 220

6.2 Выбор характеристик авиационных транспортных систем и внешних факторов, влияющих на безопасность 221

6.3 Построение графов причинно-следственных взаимосвязей между параметрами безопасности авиационных транспортных систем 222

6.4 Построение систем дифференциальных уравнений для прогнозирования значений параметров безопасности авиационных транспортных систем 228

6.5 Подтверждение адекватности модели 239

6.6 Анализ неустойчивых режимов функционирования авиационных транспортных систем 241

6.7. Выводы 244

Глава 7. Информационно-программные комплексы, реализующие модели и методы обеспечения безопасности авиационных транспортных систем в условиях критических сочетаний событий 245

7.1 Структура тренажерных систем для обучения персонала авиационных транспортных систем действиям в условиях критических сочетаний событий и поиска их причин 245

7.2 Комплекс программных средств для моделирования критических сочетаний событий и поиска их причин в авиационных транспортных системах 248

7.3 Программный комплекс для анализа возникновения критического сочетания событий вследствие недостатка комплексного ресурса авиационных транспортных систем 253

7.4 Комплекс программных средств для прогнозирования значений показателей безопасности авиационных транспортных систем 258

7.5 Программный комплекс для прогнозирования и предотвращения критических сочетаний событий при входе воздушных судов в зону ответственности аэропорта 262

7.6. Выводы 267

Заключение 269

Список сокращений и условных обозначений 272

Список литературы 274

Приложение А. Акт о внедрении в ПАО «Ил» 308

Приложение Б. Акт о внедрении в АО «КБПА» 309

Приложение В. Акт о внедрении в ПАО «ПрограммПРОМ» 310

Приложение Г. Акт об использовании в СГТУ имени Гагарина Ю.А. 311

Приложение Д. Акт о внедрении в ИПТМУ РАН 312

• Анализ систем бортового оборудования воздушных судов, позволяющих повысить безопасность авиационных транспортных систем
• Модели для определения вероятностей возникновения аварий и катастроф в авиационных транспортных системах
• Определение и минимизация вероятностей возникновения критических сочетаний событий
• Комплекс программных средств для прогнозирования значений показателей безопасности авиационных транспортных систем

Введение к работе

Актуальность темы. Постоянное обеспечение, поддержание и неуклонное повышение уровня безопасности функционирования авиационных транспортных систем (АТС) играют огромную роль для воздушного транспорта, необходимого для устойчивого экономического и социального развития России и мира в целом. В авиационной отрасли, которая напрямую или опосредованно обеспечивает занятость более 56 миллионов человек, обеспечивает вклад около 2 триллионов долларов США в мировой валовый внутренний продукт и осуществляет перевозку более 2500 миллионов пассажиров и грузов общей стоимостью более 5 триллионов долларов США в год, поддержание безопасности полетов является одной из приоритетных задач.

Глобальный план обеспечения безопасности полетов предусматривает реализацию целей в области обеспечения безопасности полета на уровне государства и на уровне авиационно-транспортных систем. Это связано с тем обстоятельством, что отдельные компоненты АТС, в первую очередь воздушные суда, уже достигли такого уровня надежности и безопасности, что дальнейшее повышение безопасности полетов, главным образом, определяется на уровне сочетаний процессов в АТС и международных организаций регулирования и управления ими. Актуальной является в первую очередь задача обеспечения безопасности авиационных транспортных систем в целом, а не только безопасности воздушного судна (ВС).

Долгосрочная цель этих действий направлена на внедрение моделей и методов обеспечения безопасности, которые интегрированы в авиационные транспортные системы будущего. Постоянный рост международной авиационной транспортной системы требует создания более широких возможностей для обеспечения безопасности полетов, позволяющих учесть человеческий фактор, а также критические сочетания событий в АТС.

Причиной большинства аварий и катастроф являются сочетания разнородных неблагоприятных событий: воздействий среды, отказов техники, сбоев программного обеспечения, ошибок персонала. При этом по отдельности такие события, как правило, не приводят к авариям и могут не выделяться из ряда устранимых отказов и неблагоприятных воздействий, обычно сопровождающих функционирование человеко-машинных систем. Однако в некоторых случаях эти события сочетаются таким образом, что парировать их не удается, что в конечном итоге приводит к авариям и катастрофам. Такие сочетания называются критическими сочетаниям событий. Возникновение таких сочетаний является проблемой, существенно снижающей безопасность авиационного транспорта. Решение этой проблемы требует математического обеспечения

в виде моделей, методов и комплексов программ для анализа и предотвращения критических сочетаний событий.

Степень разработанности проблемы. Разработке подходов к обеспечению безопасности сложных человеко-машинных систем посвящены труды В.Н. Буркова, Н.П. Бусленко, В.М. Глушкова, Ю.И. Клыкова, В.В. Клюева, В.В. Кульбы, В.А. Кушникова, Д.А. Поспелова, И.В. Прангишвили, А.Ф. Резчикова, А.Д. Цвиркуна и других ученых. Вместе с тем многоаспектность опубликованных работ требует их обобщения, классификации и решения на их основе новых задач для неуклонного повышения безопасности авиационных транспортных систем.

Среди ученых, исследовавших процесс обеспечения безопасности авиационных транспортных систем, следует отметить А.В. Ефремова, Г.В. Новожилова, Б.В. Зубкова, Н.Н. Макарова, М.С. Неймарка, С.В. Петрова, Г.Г. Себрякова, В.М. Солдаткина, Е.А. Федосова, C.B. Sheehy, R. John Hasman, P.S. Williams-Hayes и других ученых.

По итогам анализа теоретических и практических разработок систем обеспечения безопасности сложных систем можно сделать вывод о том, что в настоящее время практически отсутствуют автоматизированные комплексы, позволяющие определять вероятность критических сочетаний событий и рекомендации по их предотвращению в процессе функционирования АТС. Системы, рассматриваемые в научных публикациях и технической документации, позволяют получать совокупности сигналов об отдельных неблагоприятных событиях, как правило, без анализа общего эффекта возникновения этих событий. Подходы, в которых такой анализ частично присутствует, существуют, однако они ранее не применялись в авиационной отрасли на этапе функционирования сложных систем. Кроме этого, в большинстве случаев результатом применения таких подходов является статистическая оценка без численных рекомендаций по уменьшению вероятности возникновения критических ситуаций. Это обусловливает актуальность темы исследования, выбор целей и задач диссертационной работы, а также новизну разработанного математического обеспечения, которое может быть использовано для создания перспективных систем с целью обеспечения безопасности АТС при управлении в условиях возникновения критических сочетаний событий.

Объект исследования – процессы функционирования авиационных транспортных систем в условиях возникновения критических сочетаний событий.

Предмет исследования – модели, методы, алгоритмы и комплексы программ для обеспечения безопасности функционирования авиационных транспортных систем при возникновении критических сочетаний событий.

Целью работы является решение важной научно-технической проблемы, заключающейся в разработке теоретических основ, моделей и методов обеспечения безопасности авиационных транспортных систем в условиях возникновения критических сочетаний событий, что позволит обеспечить принятие и реализацию адекватных и эффективных управленческих решений, направленных на повышение безопасности функционирования авиационных транспортных систем.

Для достижения цели исследования необходимо решить следующие

задачи:

выполнить анализ состояния проблемы безопасности авиационных транспортных систем, сформировать основные направления исследования в части разработки методологии обеспечения их безопасности в условиях критических сочетаний событий;

выполнить классификацию и формализацию критических сочетаний событий и установить их связь с авариями и катастрофами в авиационных транспортных системах;

выполнить постановку задачи обеспечения безопасности авиационных транспортных систем в условиях критических сочетаний событий по предложенному и обоснованному критерию, разработать методы и модели для ее решения;

разработать математические модели для определения вероятностей возникновения критических сочетаний событий в процессе функционирования авиационных транспортных систем;

построить комплекс математических моделей, позволяющих определять вероятности возникновения аварий и катастроф из-за критических сочетаний событий в процессе функционирования авиационных транспортных систем;

построить комплекс математических моделей, позволяющих на различных временных интервалах определять значения основных показателей безопасности авиационных транспортных систем, сформулировать общий подход к разработке данного комплекса моделей;

разработать, обосновать и выполнить проверку адекватности методов и моделей, основанных на использовании математического аппарата теории причинно-следственных комплексов и системной динамики, для построения систем нелинейных дифференциальных уравнений, позволяющих осуществить прогнозирование значений показателей безопасности авиационных транспортных систем на различных временных интервалах;

разработать концепцию построения программных комплексов, обеспечивающих реализацию предложенных моделей, методов и алгоритмов обеспечения безопасности авиационных транспортных систем;

провести апробацию разработанных моделей и методов обеспечения безопасности авиационных транспортных систем.

Методы и средства исследования. В основу исследований положе
ны методы системного анализа, теории множеств, теории графов,
объектно-ориентированного программирования, математического

моделирования, системной динамики и теории принятия решений, а также общей теории систем, комбинаторики, математической логики, теории вероятности, методы решения дифференциальных уравнений.

Научная новизна работы заключается в следующем:

1. На основе системного анализа разработаны теоретические основы обеспечения безопасности авиационных транспортных систем, отличающиеся учетом возникновения критических сочетаний событий при управлении, включающие новые постановки задач, математические модели, методы и алгоритмы, основанные на использовании аппарата системной динамики, теории графов и вероятностного анализа безопасности. Это позволило впервые сформулировать единый методологический подход к созданию комплексов взаимосвязанных методов, моделей и алгоритмов для обеспечения безопасности функционирования авиационных транспортных систем в условиях критических сочетаний событий.

2. Предложены формализация и классификация критических сочетаний событий в авиационных транспортных системах, отличающиеся тем, что позволяют выявить маловероятные аварии и выполнить конструктивный анализ возможных аварийных и катастрофических ситуаций при управлении авиационными транспортными системами.

3. Предложен и обоснован критерий безопасности функционирования авиационных транспортных систем, отличающийся тем, что включает в себя вероятностную оценку возможности возникновения критических сочетаний событий, что позволило формализовать постановку проблемы критических сочетаний событий и выполнить математические постановки задач, направленных на решение данной проблемы.

4. Разработаны постановка задачи и модель управления авиационными транспортными системами по критерию безопасности их функционирования, отличающиеся учетом возникновения критических сочетаний событий, что позволило обеспечить безопасность авиационных транспортных систем при управлении в условиях критических сочетаний событий.

5. Разработаны математические модели для определения вероятностей возникновения критических сочетаний событий в процессе функционирования авиационных транспортных систем, отличающиеся тем, что позволяют получить количественные оценки опасности возникновения неблагоприятных событий и их сочетаний, что позволяет обеспечить безопасность авиационных транспортных систем в критических ситуациях.

6. Разработан комплекс математических моделей, состоящий из графов причинно-следственных связей, систем нелинейных дифференциальных уравнений, отличающийся учетом взаимодействий подсистем различной природы, позволяющий осуществить прогнозирование значений показателей безопасности авиационных транспортных систем в условиях возникновения критических сочетаний событий и использовать его результаты при принятии управленческих решений для обеспечения безопасности полетов. Выполнена проверка адекватности разработанных моделей.

7. Проведена апробация методологии обеспечения безопасности авиационных транспортных систем, отличающейся учетом возникновения критических сочетаний событий, и предложена концепция построения программных комплексов, реализующих разработанные модели и методы, позволяющие обеспечить безопасность авиационных транспортных систем.

Достоверность и обоснованность научных результатов обеспечивается математической корректностью поставленных задач, применением классических математических методов, которые строго обоснованы в научной литературе, и подтверждается успешным внедрением разработанных моделей и методов в различных организациях.

Основные положения, выносимые на защиту:

1. Результаты системного анализа авиационно-транспортных систем, представленные в виде причинно-следственных графов и комплексов, позволяющих разработать модели и методы обеспечения безопасности авиационных транспортных система при управлении в условиях критических сочетаний событий.

2. Формализация и классификация критических сочетаний событий в авиационных транспортных системах, необходимые для корректной структуризации и систематизации различных аспектов проблемы обеспечения безопасности авиационных транспортных систем.

3. Формальная постановка задачи управления авиационными транспортными системами по критерию безопасности в условиях критических сочетаний событий.

4. Математические модели деревьев событий высокой размерности и критических сочетаний событий, используемые при определении вероятностей возникновения аварийных и катастрофических ситуаций в процессе эксплуатации авиационных транспортных систем.

5. Модели и методы решения комплекса задач обеспечения безопасности авиационных транспортных систем, позволяющие минимизировать вероятность возникновения аварий и катастроф в авиационных транспортных системах.

6. Комплекс математических моделей, состоящий из графов причинно-следственных связей, систем нелинейных дифференциальных

уравнений, позволяющий осуществить прогнозирование значений показателей безопасности авиационных транспортных систем в условиях возникновения критических сочетаний событий.

7. Структуры программно-информационных комплексов, в основу построения которых положены модели и методы обеспечения безопасности авиационных транспортных систем при возникновении критических сочетаний событий.

Теоретическая значимость диссертационного исследования заключается в решении важной научной проблемы по разработке методологии обеспечения безопасности авиационных транспортных систем в условиях возникновения критических сочетаний событий. Разработанные модели и методы позволяют определять значения вероятностей возникновения критических сочетаний событий, получать прогнозные оценки значений показателей безопасности авиационных транспортных систем в условиях возникновения критических сочетаний событий, что вносит существенный вклад в развитие концепции обеспечения безопасности авиационных транспортных систем.

Практическая значимость работы состоит в разработке методов, моделей, алгоритмов и программ, положенных в основу создания и дальнейшего совершенствования модели надежности и безопасности авиационных транспортных систем ПАО «Ил» (г. Москва). Она использована в качестве математического и программного обеспечения систем для управления, прогнозирования и поддержки принятия решений при управлении авиационными транспортными системами в условиях критических сочетаний событий, а также поиске их причин. Это способствует снижению риска возникновения авиационных происшествий, аварий и катастроф.

Разработанные информационно-программные комплексы включены в состав программных продуктов ОАО «ПрограммПРОМ» (г. Москва) для организаций и предприятий авиационной отрасли.

Теоретические результаты, полученные в диссертации, внедрены в учебный процесс при подготовке студентов в Саратовском государственном техническом университете имени Гагарина Ю.А.

Личный вклад. Все основные результаты, выводы и положения, выносимые на защиту, получены автором лично. В совместных работах автору принадлежит ведущая роль в разработке общей концепции работы, ее структуры, методологии обеспечения безопасности авиационных транспортных систем, создании математических моделей, методов и реализующих их программных комплексов.

Реализация и внедрение результатов исследований. Результаты диссертационной работы в виде моделей, методов, алгоритмов и программных комплексов внедрены в системы обеспечения безопасности авиационных транспортных систем и тренажеров, что подтверждается

актами внедрения, полученными от ПАО «Ил» (г. Москва), АО «Конструкторское бюро промышленной автоматики» (г. Саратов) и ОАО «ПрограммПРОМ» (г. Москва).

Материалы работы применяются при подготовке студентов по направлению 09.04.01 «Информатика и вычислительная техника» в Саратовском государственном техническом университете имени Гагарина Ю.А.

Результаты работы являются составной частью фундаментальных научных исследований, выполняемых Институтом проблем точной механики и управления РАН по темам «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) и «Разработка основных положений, моделей и методов управления сложными человеко-машинными системами (СЧМС), включающего эффективное парирование критических ситуаций, с целью обеспечения безопасности функционирования» (№ гос. регистрации 0120. 0 803005).

Связь работы с крупными научными программами и темами.

Диссертационная работа выполнена при финансовой поддержке Российского фонда фундаментальных исследований (проекты 14-08-00490, 16-01-00536).

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), Выездном заседании Президиума Академии навигации и управления движением (Саратов, 26-28 июня 2014 г.), Семинаре в Академии гражданской авиации России (Красный Кут, 20 января 2015 г.), Семинаре в ГосНИИ АС (Москва, 1 марта 2016 г.), Семинаре в конструкторском бюро имени С.В. Ильюшина и ОАО «Ил» (Москва, март 2016 г.), Сессии Научного Совета РАН по автоматизированным системам диагностики и испытаний в рамках Форума «Территория NDT» (Москва, 2 марта 2016 г.), 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), XXV Международной научной конференции

«Математические методы в технике и технологиях – ММТТ-25» (Саратов, 2012), Всероссийской научной конференции с Международным участием «Проблемы критических ситуаций в точной механике и управлении» (Саратов, 2013), 6-й Всероссийской мультиконференции по проблемам управления «Управление в интеллектуальных, эргатических и организационных системах (УИнтЭргОС-2013) (Дивноморское, 2013), XXVI Международной научной конференции «Математические методы в технике и технологиях – ММТТ-26» (Саратов, 2013), XXVII Международной научной конференции «Математические методы в технике и технологиях – ММТТ-27» (Саратов, 2014), XVI Международной конференции «Проблемы управления и моделирования в сложных системах» (Самара, 30 июня – 3 июля 2014 г.), XXVIII Международной научной конференции «Математические методы в технике и технологиях -ММТТ-28» (Саратов, 22-24 апреля 2015 г.), IV Международной научной конференции «Проблемы управления, обработки и передачи информации (УОПИ-2015)» (Саратов, 22-25 сентября 2015 г.), XII Международной научно-технической конференции «Новые информационные технологии и системы» (НИТиС-2015) (Пенза, 17-19 ноября 2015 г.), The 5^th Computer Science On-line Conference 2016 (27-30 апреля 2016 г.), XXIX Международной научной конференции «Математические методы в технике и технологиях – ММТТ-29» (Санкт-Петербург, 31 мая – 3 июня 2016 г.), Международном семинаре UNESCO QED’16: Technology Advanced Quality Learning for ALL (София, Болгария, 13-15 июня 2016 г.), 9-й Международной конференции «Управление развитием крупномасштабных систем» (Пленарный доклад, Москва, 3-5 октября 2016), 3^rd International Conference on Computing, Technology and Engineering (ICCTE 2016), Singapore, (Сингапур, 21-22 ноября 2016 г.), а также на научных семинарах лаборатории № 33 «Управления развитием крупномасштабных систем» Института проблем управления РАН (Москва, 3 марта 2016) и лаборатории системных проблем управления и автоматизации в машиностроении Института проблем точной механики и управления РАН (Саратов, 2009-2017).

Основные публикации

По теме диссертации опубликованы 55 печатных работ, из которых 26 – в ведущих рецензируемых журналах, рекомендованных ВАК при Минобрнауки России, 5 – в международных журналах, индексируемых в базах Web of Science и Scopus, 2 монографии.

Структура и объем диссертации

Диссертационная работа состоит из введения, семи глав, заключения, списка сокращений и условных обозначений, списка литературы и пяти приложений. Общий объем работы составляет 312 страниц, включая 104 рисунка и 16 таблиц. Список литературы включает 280 наименований.

Анализ систем бортового оборудования воздушных судов, позволяющих повысить безопасность авиационных транспортных систем

Одним из направлений повышения безопасности полетов является разработка и внедрение перспективных систем бортового оборудования, например, информационно-управляющих и радиолокационных систем. Кроме того, это позволяет оптимизировать затраты времени и средств авиационных предприятий.

Разработанная компанией Honeywell технология SVS (Synthetic Vision System) [201], обладающая функцией искусственного зрения, позволяет предоставлять экипажу изображение окружающего пространства в сложных условиях полета, в т.ч. при плохой видимости (рисунок 1.3).

Для поддержки принятия решений системы искусственного зрения может оказаться недостаточно, поэтому она дополняется системой улучшенного видения EVS (Enhanced Vision System). Данное дополнительное оборудование, включающее инфракрасную камеру, позволяет экипажу видеть некоторые важные особенности ландшафта, например, огни на взлетно-посадочной полосе.

Для того чтобы позволить экипажу в реальном полете, а диспетчерам на соответствующем пункте управления воздушным движением видеть метеорологическую обстановку, аэронавигационные данные и перемещения воздушных судов с высокой точностью разработана система автоматического зависимого наблюдения-вещания (АЗН-В) (рисунок 1.4).

Она позволяет существенно повысить информированность экипажа об окружающей навигационной обстановке, однако принятие решений осуществляется экипажем самостоятельно, что не исключает возникновение ошибок.

Система автоматического управления полетом, структура которой приведена на рисунок 1.5, включает в себя датчик на борту ВС, приемник и вычислительную машину с базами данных (БД) об окружающей навигационной обстановке и данных, характеризующих параметры полета ВС.

Система позволяет получить информацию о положении ВС и управляющие воздействия в виде команд для управления полетом. Эта информация выводится на экран для экипажа или используется автопилотом.

Система автоматического управления полетом позволяет обеспечить требуемую точность навигации на различных временных интервалах, но необходимо отметить, что условия безопасности выполняются только при строгом соблюдении правил соответствующих эксплуатационных процедур.

Развитие технических характеристик ВС привело к росту числа технических проблем, например, обеспечению устойчивости полета, кратного резервирования систем управления, повышению управляемости ВС и др.

Чтобы решить эти проблемы была разработана электродистанционная система управления ВС (рисунок 1.6). Она позволяет передавать управляющие воздействия от органов управления к исполнительным механизмам в электронном виде.

Важным достоинством данной системы является то, что она позволяет вводить комплексные алгоритмы управления, которые физически затруднительно реализовать экипажу. Кроме того, система предполагает возможность контроля действий экипажа и предотвращение возникновения опасных режимов полета.

Тем не менее, система, призванная контролировать режимы полета ВС, не способна контролировать воздействие внешних факторов в полете.

Более того, некоторые системы электродистанционного управления ВС не предполагают взаимосвязи между органами управления различных членов экипажа даже методом определения приоритета. Это может привести к тому, что система управления работает неустойчиво, что, например, послужило причиной катастрофы А-330 01.06.2009 г.

Одной из распространенных причин аварий и катастроф является ситуация, когда из-за ошибок экипажа технически исправное ВС сталкивается с землей или препятствиями на земле.

Для своевременного предупреждения экипажа о том, что ВС опасно приближается к земле, разработана система TAWS (Terrain Awareness and Warning System). Система раннего предупреждения приближения к земле анализирует полетную информацию о рельефе местности, положении и параметрах полета ВС и др. и вырабатывает для экипажа как визуальную, так и звуковую информацию об опасном сближении и землей (рисунки 1.7 и 1.8).

Для своевременного предотвращения столкновения воздушных судов разработана система TCAS (Traffic alert and Collision Avoidance System). Она в автоматическом режиме анализирует обстановку вокруг воздушного судна и выдает экипажу информацию, позволяющую избежать опасного сближения.

Существуют различные модификации системы TCAS. Изначально данная система позволяла экипажу получать информацию о высоте и курсе полета других воздушных судов (рисунок 1.9).

Однако впоследствии появились модификации, которые выдают согласованные с другими ВС рекомендации о необходимых маневрах, позволяющих избежать столкновения.

Например, о снижении или наборе высоты, коррекции скорости набора высоты или снижения и др. (рисунок 1.10) [259].

Несмотря на очевидные преимущества, данная система имеет ряд недостатков. Во-первых, список рекомендованных действий может быть существенно расширен, что позволит экипажам воздушных судов получить более широкие возможности для предотвращения опасных ситуаций.

Но не менее важным является тот факт, что система TCAS представляет лишь систему поддержки принятия решения, но не позволяет выполнить в автоматическом режиме действия, необходимые для предотвращения аварий и катастроф. Кроме того, рекомендации данной системы могут противоречить другим системам, предназначенным для повышения безопасности полетов.

Примером несогласованности директив диспетчера и системы TCAS является катастрофа 1 июля 2002 г. над г. Юберлинген, произошедшая вследствие столкновения Ту-154 и Boeing 757 [259].

Это говорит о необходимости проведения дальнейших исследований для предотвращения сочетаний действий различных систем безопасности, которые по отдельности призваны предотвратить возникновение опасных ситуаций, но при одновременном действии могут не только не достичь своей цели, но и привести к аварии или катастрофе.

Важным подходом к совершенствованию бортовых комплексов ВС является, направление называемое интегрированной модульной авионикой [217]. Это позволяет интегрировать как вычислительные, так и технические ресурсы, а также уменьшить стоимостные и массогабаритные характеристики бортового оборудования ВС (рисунок 1.11).

Модели для определения вероятностей возникновения аварий и катастроф в авиационных транспортных системах

В качестве моделей критических сочетаний событий предлагается рассматривать такие сочетания, при которых не опасные в отдельности события в силу своего совместного возникновения приводят к аварийной ситуации. Формализуем понятие критических сочетаний событий следующим образом [83].

Пусть на отрезке времени [tн,tк ] состояние авиационной транспортной системы характеризуется вектором s(t) = (s1(t),...,sk (t)) s(t) є S где S- x $i - универсальное множество значений s(t), St- множества допустимых значений координат состояния s(t), а состояния внешней среды АТС кс характеризуется вектором x(t) = x1(t),...,xk(t) x(t)eX где х= х ХІ универсальное множество значений x(t), Xt- множества допустимых значений координат состояния x(t).

Тройку, состоящую из значений состояний АТС, среды и момента времени (s(t),x(t),t) будем считать элементарным событием, а кортежи вида (s(t1),s(t1),t1),...,(s(tm),x(tm),tm),m 1,tH t1 ... tm tK,будем рассматривать как события в процессе функционирования АТС на отрезке времени [tH,tK] . Множество всех событий на отрезке времени [tH,tK] обозначим через E[tH,tK] и выделим в нём подмножество ЕА с Е н к ] , элементы которого будем рассматривать как аварийные ситуации.

Пусть причинно-следственные отношения между событиями из множества E[tHjK] заданы в виде некоторого множества ЕМ] с 2E [tK] х Qnp х Псл х 2E [tK] , где 2 [нМ - множество всех подмножеств [tH,tK], пР - множество логических операций над событиями, входящими в причины, Ц?л- множество логических операций над событиями, входящими в следствия. Отношение E [tH,tK] основано на структуре и свойствах АТС, известных из конструкции и опыта её эксплуатации. На основе таких отношений могут быть образованы причинно-следственные структуры, в частности - логические деревья, общий вид которых представлен на рисунке 3.1 [83]. Вершины логических деревьев соответствуют событиям из множества E[tH,tK], а дуги - причинно-следственным связям между событиями.

Для рассматриваемых логических деревьев множество &Пр состоит из операций конъюнкции, дизъюнкции, а множество &Сл состоит из одной тождественной операции, так как все следствия состоят из одного события.

На рисунке 3.1 приняты следующие обозначения: е1,...,е - концевые вершины, е1 ,е2 ,...,еj - вершины уровня /, / = 1,…,т, w - знак операции v или л , соответствующей условию следования события, с которым он связан, из связанных с ним по дереву событий предшествующего уровня. Вершина е соответствует аварии из множества ЕА.

Критическим сочетанием событий будем считать множество концевых событий логического дерева, реализация которых приводит к его корневой вершине - аварии из ЕА.

В качестве модели для критических сочетаний событий рассматриваются минимальные сечения [149] логических деревьев – множества концевых вершин, при реализации которых корневая вершина реализуется независимо от реализации остальных концевых вершин. При удалении любой вершины из минимального сечения оно теряет это свойство.

Анализ минимальных сечений осуществляется с использованием графов событий. Множество E(D) всех минимальных сечений дерева D может быть разбито на классы E1(D), …, Ek(D), содержащие все минимальные сечения из 1, …, k вершин соответственно.

Для каждого класса Ep(D) может быть построен граф событий Gp – схема, отражающая возможные варианты развития критических сочетаний из p событий. Граф критического сочетания событий Gp содержит 2p вершин (рисунок 3.2) [83].

Направление стрелок в графе Gp означает возможное наступление событий e1,...,ep и противодействие им.

По графу Gp могут быть построены системы дифференциальных уравнений, из решения которых определяются вероятности критических сочетаний событий.

Система дифференциальных уравнений состоит из 2p уравнений относительно P0(t), …, P2p-1(t) – вероятностей событий, соответствующих вершинам графа Gp, включая P2p-1(t) – вероятность наступления всех событий e1,...,ep

Определение и минимизация вероятностей возникновения критических сочетаний событий

В качестве критического сочетания событий рассмотрим набор, представленный минимальным сечением, состоящим из событий Q12, Q15, Q16, Q18, Q9. Обозначим эти события как d1, d2, d3, d4, d5 соответственно. В этом случае имеем:

d1 – утечка из топливного трубопровода;

d2 – перегрев поверхностей мотогондолы;

d3 – отказ пожарного крана двигателя;

d4 – ошибка пилота при отключении исправного двигателя;

d5 – ошибка пилота, не отключившего неисправный двигатель.

Критическому сочетанию этих событий соответствует следующий сценарий. Рассмотрим ситуацию возгорания в одной из мотогондол в процессе полета. Из практического опыта подобных случаев известно, что возгорание в двигателе ВС во время полета происходит при утечке из топливного трубопровода (событие d1) в сочетании с возникновением источника возгорания (событие Q13 – следствие события d2). Возгорание распространяется в случае, если подача топлива продолжается, что происходит в результате отказа пожарного крана двигателя, событие d3.

Сигнал о возгорании поступает экипажу, но пилот в стрессовой ситуации ошибается, не выключает горящий двигатель (событие d5), а выключает исправный двигатель, событие d4, и этот двигатель останавливается. В это время пожар в мотогондоле развивается, в результате в условиях нерабочего состояния двух двигателей происходит авария.

На рисунке 5.3 представлен граф событий G5, соответствующий данному критическому сочетанию пяти событий. Каждой вершине графа G5 соответствует совместное наступление некоторых событий из множества {d1, d2, d3, d4, d5}, эти соответствия приведены в таблице 5.1.

Далее обозначим через Pi(t) вероятность наступления события, соответствующего вершине графа G5 с номером i. Составим систему дифференциальных уравнений по графу событий для определения вероятностей возникновения критических сочетаний пяти событий [219]

Решение данной системы уравнений получено при следующих начальных условиях: P0(0) = 1, Pi(0) = 0, i = 1, 2, …, 31.

Поиск значений интенсивностей восстановления отказов для различных наборов интенсивностей возникновения отказов осуществляется перебором. При этом выбираются такие наборы значений интенсивностей восстановления отказов и соответствующих им действий, при которых вероятность возникновения аварийной или катастрофической ситуации минимальна. Так как количество наборов определяется нормативными документами, опытом эксплуатации и результатами анализа статистики, то число комбинаций наборов значений интенсивностей возникновения и восстановления отказов является конечным.

Из общего числа указанных наборов рассмотрим такой, при котором совокупность действий по обеспечению безопасности авиационной транспортной системы и соответствующих им значений интенсивностей восстановления отказов и парирования ошибок пилотов не позволили достигнуть минимального значения вероятности возникновения аварии.

Значения интенсивностей наступления событий d1, d2, d3, d4, d5 возьмем 1(t) = 2(t) = 3(t) = 4(t) = 5(t) = 3. Рассмотрим ситуацию, когда утечка в топливном трубопроводе (d1), перегрев поверхности (d2) и отказ пожарного крана двигателя (d3) ликвидируются с 1(t) = 2(t) = 3(t) = 2. Интенсивности устранений ошибок пилота при переключении рычагов выберем 4(t) = 5(t) = 2.

Результаты решения системы дифференциальных уравнений (5.1) для данного случая приведены на рисунке 5.4.

Из рисунка 5.4 видно, что вероятность возникновения критического сочетания пяти рассматриваемых событий возрастает с течением времени и существенно превышает нормативные значения безопасного функционирования авиационных транспортных систем. Это означает, что данный вариант вектора интенсивностей восстановления отказов и парирования ошибок пилота и соответствующие ему действия не позволяют обеспечить безопасность авиационной транспортной системы в рассматриваемой ситуации.

Рассмотрим случай, когда совокупность действий по обеспечению безопасности авиационной транспортной системы и соответствующих им значений интенсивностей восстановления отказов и парирования ошибок пилотов позволили обеспечить безопасное функционирование авиационной транспортной системы.

Значения интенсивностей возникновения событий d1, d2, d3, d4, d5 возьмем 1(t) = 2(t) = 3(t) = 4(t) = 5(t) = 2. Рассмотрим ситуацию, когда утечка в топливном трубопроводе (d1), перегрев поверхности мотогондолы (d2) и отказ пожарного крана двигателя (d3) ликвидируются с 1(t) = 2(t) = 3(t) = 3. Восстановление отказа в виде ошибки пилота при переключении рычагов выберем 4(t) = 5(t) = 3.

Из рисунка 5.5 видно, что вероятность возникновения критического сочетания пяти рассматриваемых событий наименьшая. Это означает, что найденный вариант вектора интенсивностей восстановления отказов и парирования ошибок пилота и соответствующие ему действия позволяют обеспечить безопасность авиационной транспортной системы в рассматриваемой ситуации.

Комплекс программных средств для прогнозирования значений показателей безопасности авиационных транспортных систем

Для реализации математической модели прогнозирования значений показателей безопасности авиационных транспортных систем был разработан программный комплекс, интерфейс которого представлен на рисунке 7.10.

Для расчета прогнозных значений показателей безопасности АТС с помощью данного программного комплекса разработан алгоритм, состоящий из следующих этапов:

1. Осуществляется выбор одного из показателей Х1, Х2, …, Хm.

2. Определяются значения функциональных зависимостей fi(Xi) для выбранного показателя.

3. Задаются границы временного интервала, на котором требуется осуществить прогнозирование.

4. Производится расчет прогнозных значений остальных показателей безопасности авиационных транспортных систем.

5. Осуществляется отображение графов причинно-следственных связей между переменными в модели.

6. Полученные значения показателей безопасности авиационных транспортных систем сохраняются в базе данных с целью дальнейшего использования.

На первом этапе работы программного комплекса необходимо ввести начальные данные. Далее осуществляется выбор показателя из Х1, Х2, …, Хm, задаются функциональные зависимости, которые определяют взаимное влияние показателей друг на друга. После этого задается временной интервал и выбирается показатель безопасности АТС, величину которого необходимо рассчитать.

Затем для расчета прогнозных других значений показателей безопасности АТС необходимо также ввести начальные значения, задать начальную и конечную точки временного интервала (рисунок 7.11).

Программа отображает результаты вычислений в виде графиков динамики значений показателей безопасности АТС на заданном интервале (рисунок 7.12).

На следующем этапе программный комплекс позволяет отобразить графовые модели, которые отражают причинно-следственную структуру взаимосвязей между показателями безопасности АТС. Для вывода соответствующего графа причинно-следственных связей необходимо выбрать показатель из Х1, Х2, …, Хm (рисунок 7.13).

Полученная при прогнозировании информация служит основой для принятия управленческих решений различного уровня.