Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1. Применение экспертных систем интеллектуальной поддержки экипажа в пилотажно-навигационных комплексах 15
1.1. Задачи и структура современных пилотажно-навигационных комплексов 16
1.2. Психофизиологические особенности взаимодействия экипажа летательного аппарата с пилотажно-навигационным комплексом 21
1.3. Оценка существующих методик интеллектуальной поддержки экипажа при решении пилотажно-навигационных задач 31
1.4. Анализ современных направлений интеллектуальной поддержки 37
1.5. Структура пилотажно-навигационного комплекса с интеллектуальной поддержкой экипажа летательного аппарата 45
1.6. Выводы по первой главе 50
ГЛАВА 2. Интеллектуальная поддержка экипажа летательного аппарата 51
2.1. Классификация типовых полётных ситуаций 54
2.2. Технология получения экспертных знаний для разработки интеллектуализированного пилотажно-навигационного комплекса 59
2.2.1. Методика анализа нормативной документации летательного аппарата 60
2.2.2. Методика анализа отчётов Межгосударственного авиационного комитета 62 Стр.
2.2.3. Работа с экспертами, разработчиками, лётчиками испытателями 64
2.2.4. Методика анализа научно-технической документации 64
2.2.5. Методика анализа сообщений от экипажей летательного 65
аппарата
2.2.6. Анализ данных системы объективного контроля 67
2.2.7. Методика анализа файлов послеполётной информации 68
2.3. Методика определения лингвистических переменных летательного аппарата 70
2.4. Реализация и тестирование системы 73
2.5. Представление и индикация рекомендаций экипажу летательного аппарата 75
2.6. Выводы по второй главе 77
ГЛАВА 3. Полунатурное моделирование пилотажно навигационного комплекса с интеллектуальной поддержкой экипажа летательного аппарата 78
3.1. Программно-аппаратный комплекс полунатурного моделирования 79
3.1.1. Аппаратная часть комплекса 80
3.1.2. Программная часть комплекса 81
3.1.3. Моделирование навигационных систем 84
3.1.4. Моделирование бортовой системы ситуационной 87
осведомлённости
3.1.5. Интеграция экспертной системы в основную программу 88
3.2. Многофункциональный стенд комплекса бортового оборудования 91 Стр.
3.3. Экспериментальное исследование работы пилотажно навигационного комплекса с интеллектуальной поддержкой при возникновении типовой ситуации «Сваливание самолёта в плоский штопор» 94
3.3.1. Выбор типовой ситуации 95
3.3.2. Получение экспертных знаний 96
3.3.3. Определение лингвистических переменных 109
3.3.4. Проведение эксперимента 114
3.4. Экспериментальное исследование работы пилотажно навигационного комплекса с интеллектуальной поддержкой при возникновении типовой ситуации «Режим работы двигателя меньше номинального» 120
3.5. Выводы по третьей главе 127
Выводы и заключение по диссертации 130
Список используемой литературы .
- Оценка существующих методик интеллектуальной поддержки экипажа при решении пилотажно-навигационных задач
- Технология получения экспертных знаний для разработки интеллектуализированного пилотажно-навигационного комплекса
- Аппаратная часть комплекса
- Экспериментальное исследование работы пилотажно навигационного комплекса с интеллектуальной поддержкой при возникновении типовой ситуации «Режим работы двигателя меньше номинального»
Введение к работе
Актуальность проблемы. Большинство существующих ПНК информирует экипаж о достижении предельных режимов полёта, об отказах навигационного оборудования и общем состоянии ПНК, либо даёт рекомендации, установленные в рамках руководства по лётной эксплуатации. Более современные ПНК ограничивают управляющие воздействия, поступающие от экипажа, не давая пилотажно-навигационным параметрам выйти за допустимые эксплуатационные пределы. При этом они не имеют возможности накопления знаний и учёта опыта эксплуатации. При определённых сочетаниях внешних факторов и отказов навигационного оборудования, возникающих в особых полётных ситуациях, экипаж подвергается сильным психоэмоциональным перегрузкам и имеет ограниченное время принятия решения, что приводит к появлению критических ошибок управления ЛА (человеческий фактор).
Поскольку возможности экипажа по парированию возникающих на борту особых ситуаций ограничены, требуется внедрение в ПНК интеллектуальной составляющей, т.н. «виртуального эксперта», который аккумулирует опыт поведения реальных экспертов в области навигации и пилотирования ЛА в особых ситуациях. На данный момент методики получения экспертных знаний в этих областях отсутствуют. Поэтому актуальной является задача создания перспективных ПНК, оснащённых бортовыми экспертными системами (ЭС), способ-1
ными повысить ситуационную осведомлённость экипажа ЛА и обеспечить его интеллектуальную поддержку в особых ситуациях. Важный вклад в создание интеллектуальных и экспертных систем в нашей стране внесли отечественные учёные Г.В. Рыбина, Т.А. Гаврилова. Известны исследования в области искусственного интеллекта таких зарубежных учёных как С. Рассел, П. Норвиг, Л. Заде и др. Вопросами построения бортовых оперативно-советующих экспертных систем занимаются учёные ГосНИИАС В.А. Стефанов, Б.Е. Федунов и др.
К настоящему времени глубоко проработаны теоретические основы создания интеллектуальных систем (разработка баз знаний, методики получения экспертных знаний, создание машин логического вывода), появились программные пакеты, реализующие эти методы, определены основные направления интеллектуализации бортового оборудования современных ЛА. На первый план выходят прикладные исследования по реализации принципов интеллектуализации ПНК современных ЛА, опирающиеся на широкий спектр не только физических, но и когнитивных методов и направленные на общее повышение безопасности полётов, обеспечение ситуационной осведомлённости и создание новых типов ПНК за счёт внедрения ЭС.
Целью диссертационной работы является совершенствование пило-тажно-навигационных комплексов посредством внедрения в их состав специальных бортовых ЭС, аккумулирующих знания экспертов в области практической навигации, а также в области пилотирования ЛА при возникновении особых ситуаций.
Для достижения этой цели были поставлены и решены следующие задачи:
анализ основных направлений развития ПНК перспективных ЛА;
исследование причин возникновения авиационных происшествий;
разработка технологии получения экспертных знаний для создания перспективных ПНК на базе ЭС;
составление перечня типовых полётных ситуаций и анализ информативности пилотажно-навигационных параметров;
разработка методик выбора лингвистических переменных состояния ЛА и наполнения базы знаний ЭС ПНК.
разработка структуры и полунатурное моделирование ПНК с бортовой ЭС;
Объектом исследования является пилотажно-навигационный комплекс нового поколения для перспективного ЛА.
Предметом исследования являются методы и средства усовершенствования пилотажно-навигационного комплекса за счёт:
внедрения в состав пилотажно-навигационного комплекса бортовой динамической экспертной системы, реализующей интеллектуальную поддержку экипажа ЛА путём анализа складывающейся особой ситуации и формирования рекомендаций по действию в данной ситуации;
снижения времени распознавания особой полётной ситуации при решении пилотажно-навигационных задач;
повышения эффективности реагирования на возникновение особой ситуации;
ситуационной осведомлённости экипажа о внутреннем состоянии ПНК и внешней навигационной обстановке. Научная новизна полученных результатов состоит в следующем:
разработана структура ПНК с системой интеллектуальной поддержки решения пилотажно-навигационных задач в виде бортовой ЭС, интегрированной с навигационным оборудованием;
дана классификация типовых (особых) полётных ситуаций, возникающих при решении пилотажно-навигационных задач;
разработана технология получения и использования экспертных знаний для перспективных ПНК с интеллектуальной поддержкой экипажа. Практическая ценность полученных результатов:
сформулированы технические требования к облику ПНК с интеллектуальной поддержкой экипажа, быстродействию и объему памяти бортовой ЭВМ, каналам связи ПНК, составу навигационных датчиков и информационно-управляющему полю кабины ЛА;
разработанная структура ПНК с интеллектуальной поддержкой экипажа ЛА обеспечивает повышение качества решения пилотаж-но-навигационных задач, в частности: снижение времени распознавания на борту возникновения особой ситуации и обеспечение экипажа ЛА рекомендациями по действиям в особой ситуации;
разработаны технологии интеграции ЭС в состав ПНК и технологии получения экспертных знаний в области решения пилотажно-навигационных задач;
на базе универсального вычислителя и программного комплекса CLIPS разработан программно-аппаратный комплекс полунатурного моделирования экспертной системы интеллектуальной поддержки экипажа ЛА;
методами полунатурного моделирования показана возможность комплекса по своевременному предупреждению экипажа ЛА о развитии особой ситуации (уменьшение времени распознавания возникновения на борту особой ситуации на 7..10 секунд).
Основные положения диссертации, выносимые на защиту:
структура и облик пилотажно-навигационного комплекса с системой интеллектуальной поддержки экипажа ЛА в виде бортовой экспертной системы ПНК;
технологии получения и использования экспертных знаний по группам особых ситуаций в области решения пилотажно-навигационных задач;
результаты полунатурного моделирования макета ПНК с интеллектуальной поддержкой экипажа ЛА. Внедрение результатов работы. Материалы исследований использованы
при выполнении этапов НИР «Интеллектуальный борт», ОКР «Бортовая система ситуационной осведомлённости для объекта 450», выполняемых АО «РПКБ» в 2012 – 2016г.; НИР «Разработка алгоритмов бортовой системы обеспечения безопасности полёта для предотвращения столкновения в воздухе и выполнения маловысотного полёта с использованием малогабаритной РЛС», выполняемой ЗАО «Техавиакомплекс» в 2014 – 2016г. Внедрение подтверждается соответствующими актами.
Апробация работы. Основные результаты работы докладывались и обсуждались на 11 конференциях, в частности:
Научно-техническая конференция «Системы управления, стабилизации, навигации, ориентации и их базовые элементы» МГТУ им. Н. Э. Баумана (Москва, 2013);
12-я Международная конференция «Авиация и космонавтика – 2013» МАИ (Москва, , 2013);
II Всероссийская научно-техническая конференция «Моделирование авиационных систем» ГосНИИАС (Москва , 2013); XXXIV Академические чтения по космонавтике, МГТУ им. Н.Э. Баумана (Москва, 2014);
-
Международная конференция «Наукоемкие технологии и интеллектуальные системы – 2014», МГТУ им. Н.Э. Баумана (Москва, 2014); II Всероссийская научно-практическая конференция «Академические жуковские чтения», ВВА имени проф. Н.Е. Жуковского и Ю.А. Гагарина (Воронеж, 2014);
-
Конференция молодых учёных «Навигация у правление движением», ЦНИИ «Электроприбор» (Санкт-Петербург, 2015);
II Всероссийская научно-техническая конференция «Навигация, наведе
ние и управление летательными аппаратами», ГосНИИАС (Москва, 2015);
III Всероссийская научно-практическая конференция «Академические
жуковские чтения» ВВА им. проф. Н.Е. Жуковского и Ю.А. Гагарина
(Воронеж, 2015).
Публикации. Основные теоретические положения и практические результаты работы опубликованы в 13 статьях и научных работах, в том числе 3 – в изданиях, входящих в перечень ВАК РФ и приравненных к ним.
Личный вклад автора. Все научные положения и результаты, представленные в диссертации, получены автором лично или при его решающем вкладе в исследования, которые выполнялись совместно с учёными и специалистами МГТУ им. Н.Э. Баумана, АО «Раменское приборостроительное конструкторское бюро», АО «Камов» и ЗАО «Техавиакомплекс».
Структура и объем диссертации. Диссертация объёмом 172 страницы состоит из введения, 3 глав, выводов, заключения, списка литературы из 75 наименований, а также 5 приложений. В диссертации содержится 60 рисунков и 15 таблиц.
Оценка существующих методик интеллектуальной поддержки экипажа при решении пилотажно-навигационных задач
Для полноценного понимания психофизиологических особенностей взаимодействия экипажа ЛА с ПНК и особенностей работы системы «экипаж - ЛА», рассмотрим классификацию авиационных происшествий и статистику их возникновения.
Исходя из основных российских и международных документов, регламентирующих действия, направленные на повышение безопасности полётов и расследования инцидентов, существует несколько классификаций авиационных событий и происшествий. Приведём некоторые из этих классификаций.
«Правила расследования авиационных происшествий и инцидентов с гражданскими судами в Российской Федерации» [13] (ПРАПИ-98) являются нормативным актом и регулируют деятельность в области расследования авиационных происшествий и инцидентов с гражданскими ЛА. Исходя из этого документа, авиационные события делятся на авиационные происшествия и авиационные инциденты.
Авиационные происшествия в общем случае подразумевают, что какое-либо лицо получает телесное повреждение, либо ЛА получает повреждение или разрушение конструкций, либо ЛА пропадает без вести. В зависимости от последствий, авиационные происшествия разделяются на: - Катастрофы - это «авиационные происшествия с человеческими жерт вами» [13]; - Аварии - это «авиационные происшествия без человеческих жертв»[\3]. В свою очередь авиационные инциденты разделяются на: - Непосредственно авиационные инциденты - авиационное событие, «могущее оказать влияние на безопасность полётов, но не закончившееся авиационным происшествием» [13]; - Серьёзные авиационные инциденты - «авиационный инцидент, обстоятельства которого указывают на то, что едва не имело место авиационное происшествие» [13]. Кроме случаев выхода ЛА за пределы нормальных условий эксплуатации, вредных и разрушающих воздействий, к серьёзным инцидентам относят и «значительное снижение работоспособности членов экипажа» [13], а также «значительное повышение психофизиологической нагрузки на экипаж» [13]. Это обстоятельство делает актуальной разработку бортовых систем, снижающих психофизиологическую нагрузку на экипаж ЛА.
Классификация авиационных событий за рубежом определяется организациями, отвечающими за исследования безопасности полётов.
Международными организациями ICAO и EUROCONTROL, отвечающими за безопасность гражданской авиации, в ежегодных отчётах публикуются данные по безопасности полётов в мире [6, 14, 15]. По статистическим данным из отчёта, выпущенного ICAO в 2014 году [6], частота возникновения авиационных происшествий в мире в 2013 году составила 28 происшествия на миллион вылетов. Динамика изменения данной статистики по годам более подробно показана на Рис. 1.4.
Частота возникновения авиационных происшествий на миллион вылетов по данным [6] В целях определения причин возникновения авиационных происшествий был проанализирован отчёт о программах повышения безопасности полётов на воздушном транспорте [15], а также годовые отчёты о состоянии безопасности полётов в мире [6, 14, 16], выпущенные разными организациями за несколько лет. Исходя из вышеуказанных отчётов, ICAO разделяет авиационные происшествия на происшествия с высокой степенью риска и другие происшествия [16].
В годовом отчёте, выпущенном в 2014 году [16], ICAO устанавливает три категории происшествий с высокой степенью риска: - События, связанные с безопасностью полётов на ВПП; - Потеря управляемости в полёте; - Столкновение исправного ЛА с землёй. Исходя статистики, приведённой в отчёте, «эти три категории составляют 63% от общего количества происшествий, 69% от общего количества происшествий с человеческими жертвами и 66% от общего числа погибших в период с 2006 по 2011 год» [16]. Распределение происшествий повышенного риска в мире за указанный период показано на Рис. 1.5.
По данным отчёта [6], в 2013 году ситуация ухудшилась: указанные категории происшествий высокого риска составили 68% от общего количества авиационных происшествий и 78% от общего количества происшествий с человеческими жертвами. Кроме того, 80% от общего числа погибших в авиационных происшествиях пришлось на происшествия с высокой степенью риска. Распределение авиационных происшествий высокого риска, произошедших в 2013 году, показано на Рис. 1.6. Рис. 1.6. Распределение происшествий повышенного риска в 2013 году [6] В отчёте [16] приведено сравнение распределения происшествий, несчастных случаев со смертельным исходом и количества погибших, которые относятся к указанным трем категориям происшествий с высокой степенью риска. Данное сравнение показано на Рис. 1.7.
Проведя анализ этих данных можно выяснить, что в отчётах [6, 14, 16] определение «происшествия с высокой степенью риска», вероятно, принято для замены понятия «человеческий фактор», это напрямую следует из названия категорий таких происшествий: «столкновение исправного воздушного судна с землёй, потеря управляемости в полёте, события, связанные с безопасностью на ВПП». При этом из Рис. 1.7 видно, что события, связанные с безопасностью на ВПП составляют практически 60% от всех авиационных происшествий. В примечании к отчёту указано, что эти события следующие: «аварийный контакт с взлетно-посадочной полосой, столкновение с птицами, столкновение с землей, наземное обслуживание, выезд за пределы ВПП, неразрешенный въезд на ВПП, потеря управления на земле, столкновение с преградами, недолет / перелет при посадке и аэродром» [16]. Кроме того, указанная выше статистика полностью согласуется со следующим утверждением: «60 – 80% авиационных происшествий … связаны с человеческим фактором» [1, 17].
Исследованием вопросов влияния человеческого фактора долгое время занимались учёные, исследующие методики повышения взаимодействия экипажа. Так, по данным профессора Канки (B. Kanki) [5], в период с 1959 по 1989 годы человеческий фактор явился причиной возникновения более 70% авиационных происшествий. Технические неисправности ЛА, а также происшествия, связанные с техническим обслуживанием, погодной обстановкой, управлением воздушным движением и прочими факторами суммарно составляют оставшиеся 30% . Данная статистика графически показана на Рис. 1.8.
Технология получения экспертных знаний для разработки интеллектуализированного пилотажно-навигационного комплекса
После этапа выбора типовой ситуации для реализации в бортовой ЭС необходимо определить некоторые критерии оценки данной ситуации, ответив на следующие вопросы: - Насколько опасна данная ситуация? - Какие параметры движения ЛА, состояние систем, действия экипажа, внешние условия могут быть причиной возникновения данной ситуации? - Какими могут быть последствия сложившейся ситуации? - Какие действия должен предпринять экипаж, чтобы избежать возникновения данной ситуации? Исходя из ответов на указанные вопросы и вышеуказанной схемы классификации, определяется степень опасности ситуации как основной критерий её оценки.
На этапе получения экспертных знаний необходимо получить как можно более конкретный ответ на данные вопросы. Данный этап является самым трудоёмким и сложным при построении бортовой ЭС. В некоторых источниках [31, 35] используется также понятие «концептуализация экспертных знаний», которая представляет собой непосредственно получение знаний и их структурирование. На этом этапе «производится содержательный анализ предметной области, включающие определение метода решения задачи и выделение используемых понятий и их взаимосвязи» [35].
В [35] под знаниями понимают «закономерности предметной области (принципы, связи, законы), полученные в результате практической деятельности и профессионального опыта»[35], при этом под извлечением знаний понимают «получение наиболее полного из всевозможных представлений о предметной области способах принятия решения в ней»[35]. Осуществляется это получение с использованием различных методов: анализ текстов, диалогов, экспертных игр, лекций, наблюдений и т.д. В процессе построения ЭС интеллектуальной поддержки экипажа ЛА можно рассматривать различные источники для получения экспертных знаний как о типовой ситуации, так и о летательном аппарате, в котором будет применяться данная ЭС. Некоторые из этих источников являются формализованными знаниями (техническая литература, руководства по лётной эксплуатации, официальная документация и т.д.), другие требуют формализации, т.е. определения способа представления полученных знаний [35]. Схема, описывающая возможные источники получения экспертных знаний для построения бортовой ЭС показана на Рис. 2.4. Опишем каждый из указанных источников отдельно.
Анализ документации является основным методом получения экспертных знаний при начальном построении системы и производится в первую очередь.
Данная документация является первичным источником информации, регламентирующим действия экипажа ЛА в процессе осуществления им профессиональной деятельности и обязательна для изучения в процессе профессиональной подготовки экипажей. В основном таковая документация разрабатывается и поставляется производителем ЛА. К официальной нормативной документации отечественных ЛА, относится: - Руководство по лётной эксплуатации [25, 26] (РЛЭ); - Руководство по технической эксплуатации (РТЭ); - Руководство по производству полётов; - Программа подготовки и проверки лётного экипажа; - Программа подготовки и проверки лётного состава; - Инструкция по взаимодействию и технология работы экипажа. Для зарубежных ЛА данной документаций является: - FCOM (Flight Crew Operation Manual) - руководство по действиям лётного экипажа [28] - аналог РЛЭ; - QRH (Quick Reference Handbook) - краткое руководство по действиям; - SOP (Standard Operating Procedures) - стандартные операционные процедуры; - FCTM (Flight Crew Training Manual) - руководство по обучению лётных экипажей. Анализ типовой ситуации производится по следующему алгоритму: 1. В РЛЭ находится раздел «Действия в сложных ситуациях»; 2. Производится поиск ТС в данном подразделе; 3. Изучаются и записываются возможности выявления и критерии оценки данной ситуации на борту, влияние её на поведение ЛА, а также дальнейшие рекомендации по действиям экипажа; 4. Выявляется список параметров для оценки в ЭС, проводится окончательная формализация путём составления лингвистической переменной; 5. ТС записывается в виде правила: «Если состояние параметров , то выводы или рекомендуемые действия ». 2.2.2. Методика анализа отчётов Межгосударственного авиационного комитета
Анализ отчётов о расследовании авиационных происшествий является вторым по значимости методом получения экспертных знаний, т.к. при расследовании авиационных происшествий в чистом виде проводится работа с экспертами, комплексная лётно-техническая экспертиза, а полученный отчёт с выводами причин авиационного происшествия является официальным документом. При проведении расследования происшествий работают следующие группы экспертов, входящих в комиссию по расследованию авиационного происшествия [13]:
Окончательный отчёт является результатом работы комиссии по расследованию авиационного происшествия, а работы, проводимые экспертами, подробно описаны в [13]. Т.к. отчёты указанных выше специалистов являются материалами для служебного пользования и зачастую находятся в закрытом доступе, для получения знаний в ЭС возможно использовать только открытый отчёт о результатах расследования.
Аппаратная часть комплекса
Исследование действий экипажа самолёта Ту-154М RA-85794, приведших к возникновению серьёзного авиационного инцидента (раскачке по тангажу) под Котласом в 2000 году: Краткая информация по авиационному инциденту, согласно заключению об авиационном инциденте [72]: «Ночью, в простых метеоусловиях, при выполнении полета в зоне УВД Вологды, во время смены эшелона с 10100 на 11100 метров произошел серьезный инцидент с самолетом Ту-154М RA-85794» [72].
После подробного анализа данного отчёта была построена Таблица 8, которая отображает изменение параметров самолёта и действия экипажа в процессе возникновения раскачки самолёта в продольной оси. Полужирным текстом выделены этапы полёта, являющиеся, по мнению экспертов, критическими.
Перечень параметров, указанных в Таблице 8 приведён в Приложении 1. Таблица 8. Действия экипажа, приведшие к раскачке под Котласом Параметры движения Предпринятые действия Результат H=10100…11100м САУ – Режим стаб. М Перевод самолёта в горизонтальный полёт с запозданием в результате отвлечения внимания от пилотирования H=11450м, превышение заданного эшелона на 350м H=11450мСАУ – Режим стаб. М Автоматическая бортовая система управления – отключение продольного канала управления. Режим – малый газ Несоразмерное отклонение штурвала и триммера, не сбалансировав самолёт. «Раскачка» в продольном канале самолёта с изменением вертикальной скорости с Vy=-11 м/с до Vy=11 м/с. «Падение приборной скорости до 450 км/ч, выход на режим тряски» [15], трёхкратное срабатывание АУАСП, дополнительный набор 50 м высоты H=11500мРРД – близок к маломугазу Увеличение РРД, приборной скорости, перевод самолёта в снижение Vy=0.5 м/с Занятие H=11100
Кроме того, в отчёте [71] также имеется сравнение данной ситуации с катастрофой под Донецком, а именно: «Экипаж самолета Ту-154М RA-85794 несоразмерными отклонениями колонки управления с одновременным триммировани-ем усилий раскачал самолёт в продольном канале, что с уменьшением режима работы двигателей трижды привело к выходу самолета на углы атаки срабатывания АУАСП» [71]. Изменение параметров самолёта в процессе вывода из режима раскачки показано на Рис. 3.11. Данный пример ситуации показывает, что при отсутствии других внешних факторов экипаж успешно справился с задачей вывода самолёта из режима раскачки, однако случай признан серьёзным инцидентом, а экипаж понёс административное наказание.
Для получения наиболее полной информации о развитии процесса сваливания необходимо рассмотреть все факторы, которые могут повлиять на возникновение данного процесса. Ярким примером сопутствующего фактора, результатом которого явилось сваливание самолёта в штопор, является потеря пространственной ориентировки. Катастрофа, произошедшая в Иркутске, иллюстрирует данный факт наиболее полно. Кроме того, данный случай интересен тем, что сваливание произошло без возникновения процесса раскачки, как это было описано выше, а в результате резкого взятия “на себя” штурвальной колонки.
Исследование действий экипажа самолёта Ту-154М RA-85845, приведших к катастрофе под Иркутском в 2001 году. Краткая информация по авиационному происшествию, согласно окончательному отчёту о результатах расследования катастрофы [73]: «Причиной катастрофы самолета Ту-154М RA-85845 явился вывод управляющими действиями экипажа на закритические углы атаки с последующим переходом в режим сваливания и штопора» [73] … «и разрушению самолёта при столкновении с землёй» [73].
Согласно алгоритму получения экспертных знаний в результате обработки отчётов по расследованию авиационных происшествий, описанному в Разделе 2.2, была составлена таблица с параметрами движения ЛА.
В Таблице 9 приведён анализ действий экипажа, в результате которых возникло данное происшествие. Как и в предыдущем случае, полужирным текстом выделены этапы полёта, являющиеся, по мнению экспертов, критическими. Перечень параметров, указанных в Таблице 9 приведён в Приложении 1. Из окончательного отчёта [73], сваливание в штопор произошло из-за вывода на закритические углы атаки интенсивным и значительным отклонением руля высоты. Эти действия стали результатом резкого повышения психоэмоционального напряжения, возникшего из-за загорания светосигнализатора автомата углов атаки и степени перегрузки, свидетельствующего о превышении угла атаки. Поле начала процесса перехода в штопор «психоэмоциональное напряжение членов экипажа достигло уровня стресса» [73].
Одной из самых резонансных катастроф недавнего времени, произошедших в результате сваливания в штопор, является катастрофа под Донецком. Расследование данной катастрофы велось под особым контролем, а материалы уголовных дел находятся в открытом доступе, что является показателем высшей степени проработки данной ситуации.
Исследование действий экипажа самолёта Ту-154М RA-85145, приведших к катастрофе под Донецком в 2006 году.
Краткая информация по инциденту, согласно окончательному отчёту о результатах расследования катастрофы [74]:
«Причиной катастрофы самолета Ту-154М авиакомпании «Пулково» явился вывод самолета при полете в штурвальном режиме на закритические углы атаки и режим сваливания с последующим переходом в плоский штопор и столкновением с землей с большой вертикальной скоростью» [74].
Экспериментальное исследование работы пилотажно навигационного комплекса с интеллектуальной поддержкой при возникновении типовой ситуации «Режим работы двигателя меньше номинального»
Функцию принадлежности для терма «допустимый угол атаки» зададим S-функцией с таким учётом, что степень принадлежности, равная 1 определит достижение этого угла, а значит, опасность начала сваливания. График этой функции для частного случая, в котором адоп=8,5 показан на Рис. 3.17.
Функция принадлежности терма «Допустимый угол атаки» В реальной жизни допустимый угол атаки зависит и от числа М и определяется отдельной системой - АУАСП. Но так как в работе не ставится цель создать реальную систему предупреждения сваливания, а необходимо показать общие принципы работы экспертной системы, это значение будет уточняться дополнительно. Таким образом, при написании правил для базы знаний окончательно зададим три режима работы системы: - При подходе к допустимому углу атаки система должна предупредить об этом экипаж сообщением «опасность сваливания!»; - При достижении данного угла атаки и на всех углах атаки выше допустимого система должна выдавать сообщение «Сваливание в штопор! Отдай штурвал от себя!»; - При возникновении раскачки система должна выдавать сообщение «Предельно опасная ситуация! Раскачка!».
Для этих трёх ситуаций определяются факты и правила для базы знаний ЭС, после чего она реализуется в конечном коде. Полный листинг файла базой знаний и начальными настройками ЭС приведён в Приложении 2, а сообщений экспертной системы - в Приложении 5.
Для первого режима работы системы (подход к допустимому углу) по степени принадлежности (переменная local ), полученной с помощью приведённой выше S-функции определяют близость к допустимому углу. Данное правило формулируется следующим образом: Если степень принадлежности больше или равно 0,99 и меньше 1, то необходимо выдать экипажу сообщении о возможном сваливании. Для второго режима работы системы (сваливание) по этой же степени принадлежности судят о сваливании. Правило записывается следующим образом: Если степень принадлежности больше или равна 1, выдать экипажу сообщение о сваливании. Для третьего режима работы (определение раскачки) в каждый момент времени считается изменение угла атаки для получения максимума(переменная stall ) в случае, когда он вышел за пределы допустимого.
Для проведения моделирования и проверки работы ЭС реального времени, предупреждающую возникновение опасной ситуации «Сваливание в штопор» была выбрана катастрофа самолёта Ту-154М RA-85185 под Донецком в 2006 году. Имея в электронном виде исходные циклограммы изменения угла атаки, получили оцифрованный файл с данными для полунатурного моделирования.
Экспериментальное исследование работы ПНК с интеллектуальной поддержкой при возникновении типовой ситуации «Режим работы двигателя меньше номинального»
Выставка номинального или взлётного режима работы двигателей может иметь критическое значение как при осуществлении взлёта, так и при попадании самолёта в режим сваливания.
Так, одним из сопутствующих факторов, приведших к катастрофе самолёта Як-42 б/н RA-42434 в аэропорте Туношна в 2011 году, являлся фактически установленный режим работы двух двигателей из трёх ниже рекомендованного: обороты первого двигателя соответствовали минимально допустимым расчётным значениям (номинального режима работы двигателей) для фактических условий взлёта, а обороты второго и третьего двигателя были ниже на 2%. [75].
Исходя из предшествующего анализа данных, при начале сваливания выставленный режим работы двигателей «малый газ» ведёт к еще большей потере скорости и дальнейшему развитию процесса сваливания, как это было в катастрофе под Учкудуком (см. Таблицу 7) и раскачке под Котласом (см. Таблицу 8).
Кроме того, рекомендация увеличить режим работы двигателей вплоть до взлётного при развитии сваливания имеется в РЛЭ самолёта Ту-154М [68], но по каким-то причинам во всех приведённых выше авиационных происшествиях данная рекомендация экипажем игнорировалась. На данный момент нет системы, которая могла бы контролировать выставку или невыставку необходимого режима работы двигателей.
Следовательно, на этапе получения знаний необходимо дополнить имеющуюся информацию знаниями о режиме работы двигателя.
Исходя из таблицы, выбираются лингвистические переменные, соответствующие режимы работы двигателей: номинальный РРД(«ном.») и взлётный РРД («взл».). Кроме того, задаются лингвистические переменные «0.6 ном», «0.7 ном», «МГ (малый газ)», «посадочный МГ»
Можно заметить, что ЛП «взлётный режим» определяется интервалом n1 = 94.5 … 96.0%, ЛП «номинальный режим» – интервалом 93.5 … 95.0, т.е. при использовании обычной, двоичной логики, РРД, соответствующий n1=95.0% чётко определён быть не может: он попадает как под значение «номинальный РРД», так и «взлётный РРД».
Для терма «Взлётный режим» функция принадлежности определяется через S-функцию, а график её показан на Рис. 3.24: Функция обращается в 0 при режиме 91.5%, степень принадлежности больше 0.5 определяется режимами более 93%, а 1 функция возвращает при режимах более 94.5%
Для терма «Номинальный режим» и «Малый газ функции принадлежности определяется через П-функции. Графики функций принадлежности для вышеуказанных переменных показаны на Рис. 3.25 и Рис. 3.26 соответственно. Параметры для определения ширины интервала /3 выбраны, исходя из данных Таблицы 11.