Системы обеспечения безопасности функционирования элементов бортового эргатического комплекса в контуре управления летательного аппарата

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени доктора технических наук

Системы обеспечения безопасности функционирования элементов бортового эргатического комплекса в контуре управления летательного аппарата

Общая характеристика работы

Актуальность темы. Эффективность применения авиационной техники неразрывно связана с проблемой безопасности полетов, успешное решение которой в значительной мере определяет перспективы развития как гражданской, так и военной авиации.

Сложность решения проблемы обеспечения безопасности полетов непрерывно возрастает в связи с повышением интенсивности использования авиационной техники и расширением круга выполняемых ею функциональных задач. Связанное с этим постоянное усложнение бортового оборудования не только увеличивает вероятность отказов техники, но и затрудняет деятельность экипажа, является причиной дополнительных ошибок пилотирования. Это обусловливает возрастание роли бортовых средств автоматизированного контроля, диагностики и управления бортовым оборудованием, разгрузки и информационной поддержки экипажа при обеспечении безопасности функционирования элементов бортового эргатического комплекса «Экипаж - Бортовое оборудование - Воздушное судно» в контуре штурвального и автоматического управления летательного аппарата (ЛА).

Для обеспечения безопасности полета в возможных нештатных ситуациях на ЛА, в частности на самолетах, используют специальные бортовые средства инструментальной поддержки экипажа: системы предупреждения критических режимов, системы контроля и сигнализации отказов, системы электронной индикации и другие системы контроля.

Значительный вклад в разработку методов и бортовых средств инструментального обеспечения безопасности функционирования элементов бортового эргатического комплекса в контуре управления ЛА внесли Б.М. Абрамов, З.С. Абутидзе, Е.Ю. Барзилович, Л.М. Берестов, В.А. Боднер, Г.С. Бюшгенс, Е.С. Вождаев, В.Г. Воробьев, В.В. Глухов, В.Б. Живетин, Б.В. Зубков, А.А. Красовский, Е.И. Кринецкий, Ю.В. Козлов, А.И. Коротеев, В.Г. Кравцов, С.П. Крюков, Ю.Ф. Кулифеев, В.Я. Кушельман, Г.Н. Лебедев, А.И. Логвин, Г.Н. Москатов, А.В. Мозгалевский, П.П. Пархоменко, Б.Н. Петров, В.А. Подобедов, Е.С. Сагимонян, Р.В. Сакач, И.М. Синдеев, А.Н. Синяков, В.М. Солдаткин, Р.В. Студнев, В.Н. Сучков, М.А. Тайц, Ф.Е. Темников, И.Ю. Юсупов, Е.А. Федосов, Б.Е. Федунов, Е.Г. Харин, Г.П. Шибанов, В.П. Школин и другие отечественные ученые и специалисты, а также ОКБ генеральных конструкторов, отраслевые институты ГосНИИ АС, ГосНИИ ГА, НИИ АО, НИИ ВВС, ЛИИ и другие организации авиационной отрасли.

По материалам публикаций известны зарубежные исследователи в данной области: D. Bartur, F.M. Benoit, T.R. Brown, Ch. Bulloch, H.L. Chevallier, M. Codish, T. Dhamelincourt, R.K. Heffley, W.P. Gilbert, S.M. John, J.K. King, W.H. King, C.E. Libbey, B. McConnel, D. McLean, W.W. Melvin, A. Miele, L. Milosivich, R.P. Quinlican, J.M. Ramsdon, R.M. Rarons, M. Samaka, R.C. Sangster, A.W. Scoott, I.P. Staples, R.A. Wilke, T. Wong и другие.

Возрастание количества функциональных систем, агрегатов и других объектов бортового оборудования современной авиационной техники, увеличение числа критических параметров полета, влияющих на уровень безопасности пилотирования, обусловливают необходимость дальнейшей автоматизации процессов контроля текущего состояния воздушного судна, бортового оборудования и действий экипажа, диагностирования отказов, формирования управляющих воздействий и принятия оперативных решений на всех этапах от наземного обслуживания и предполетной подготовки до посадки под общим контролем экипажа.

Объект исследования. Многообразие объектов авиационной техники и используемых бортовых средств инструментального обеспечения безопасности полета, определяет актуальность создания взаимоувязанных по идеологии и принципу построения систем обеспечения безопасности функционирования элементов бортовых эргатических комплексов самолетов, вертолетов и других воздушных транспортных средств, для которых критерий безопасности является определяющим.

Предмет исследования. Как показывает анализ, с позиции обеспечения уровня безопасности полета, регламентируемого Авиационными Правилами (АП) и Нормами летной годности самолетов (вертолетов) (НЛГС (В)), средства автоматизированного контроля, диагностики, управления и парирования отказов элементов бортового эргатического комплекса должны выполнять функции информационно-управляющей системы обеспечения безопасности функционирования элементов бортового эргатического комплекса в контуре управления ЛА.

Цель работы - обеспечение регламентированного уровня безопасности полета в нештатных ситуациях, связанных с непреднамеренным выходом ЛА за эксплуатационные границы из-за нарушений функционирования элементов бортового эргатического комплекса при воздействии внешних возмущений, отказах техники, ошибках пилотирования и их неблагоприятных сочетаниях.

Научная проблема исследования - разработка системной методологии построения, теории и методов проектирования алгоритмических аппаратных и программных средств, методик моделирования, экспериментального исследования и оценки эффективности применения информационно-управляющих систем обеспечения безопасности функционирования элементов бортового эргатического комплекса в контуре управления ЛА.

Решение сформулированной научной проблемы проводилось по следующим основным направлениям:

· разработка теоретических основ построения, проектирования и исследования автономных и интегрированных систем обеспечения безопасности функционирования элементов бортового эргатического комплекса в контуре штурвального и автоматического управления ЛА;

· формирование показателей и критериев, учитывающих влияние текущего состояния элементов бортового эргатического комплекса на уровень безопасности режима полета ЛА;

· разработка методов анализа и синтеза каналов обнаружения, идентификации и предупреждения нештатных ситуаций, управления, принятия решений и информационной поддержки экипажа с учетом специфики объекта применения и целевого назначения системы;

· разработка особенностей построения алгоритмических и аппаратных средств, внешних и внутренних информационно-управляющих магистралей обмена системы в контуре штурвального и автоматического управления ЛА;

· разработка методик моделирования и оценки эффективности работы каналов и информационно-управляющей системы обеспечения безопасности функционирования элементов бортового эргатического в контуре управления ЛА;

· разработка методик проектирования и изготовления, экспериментального исследования и применения вариантов информационно-управляющих систем обеспечения безопасности функционирования элементов бортового эргатического комплекса на летательных аппаратах различных типов.

Методы исследования. При решении поставленных задач использовались методы теории безопасности и надежности, математической статистики и теории вероятностей, системного анализа, параметрического и структурного синтеза, теории измерений и измерительных преобразователей, теории терминального управления и принятия решений, методы комплексирования и оптимальной фильтрации, математического и имитационного моделирования, стендовых и натурных испытаний бортовой аппаратуры.

Научная новизна диссертации заключается в развитии теории и методов проектирования элементов бортовых человеко-машинных информационно-управляющих систем активной безопасности и определяется следующими результатами исследования:

Разработаны основы теории и методы проектирования и исследования информационно-управляющей системы обеспечения безопасности функционирования элементов бортового эргатического комплекса «Экипаж - Бортовое оборудование - Воздушное судно» в нештатных ситуациях, связанных с ошибками пилотирования, отказами техники, опасными внешними воздействиями и их неблагоприятными сочетаниями.

Предложен и разработан метод формирования частных (по отдельным критическим параметрам) и интегральной (по режиму полета в целом) детерминированных информативных функций опасности, отражающих нормируемые АП и НЛГС (В) вероятностные критерии безопасности полета и требования к соответствующим особым ситуациям, влияние на них динамики движения воздушного судна, состояния бортового оборудования и общесамолетных систем, отдельных критических параметров полета. Разработаны методики построения информативных функций опасности для основных этапов полета самолета. Установлены, формализованы и исследованы связи предложенных информативных функций опасности с влияющими факторами и динамикой управляемого движения объекта, обоснованы возможности использования интегральной информативной функции, ее полной производной и вектора градиента ее изменения при решении задач анализа и синтеза каналов управления, принятия решений и информационной поддержки экипажа информационно-управляющей системы обеспечения безопасности функционирования элементов бортового эргатического комплекса.

На основе предложенных информативных функций опасности разработаны методы анализа каналов информационно-управляющей системы контроля и диагностики общесамолетного оборудования, включающего различные по принципу действия и динамическим характеристикам агрегаты и системы. Разработаны методики анализа сложности информационно-логических структур и синтеза алгоритмов оценки работоспособности, поиска неисправностей и диагностирования отказов общесамолетного оборудования. Выработаны рекомендации по обеспечению безотказности конструктивных модулей информационно-управляющей системы контроля и диагностики общесамолетного оборудования.

С учетом особенностей пилотажно-навигационного и радиосвязного оборудования разработаны методы анализа и синтеза информационно-управляющей системы контроля и парирования отказов интегрированного комплекса бортового оборудования. С использованием информативных функций опасности отказов разработаны методики проектирования каналов измерения, принятия решений и сигнализации отказов на основе методов нечетких множеств и нечеткой логики, методика построения управления с учетом критерия безопасности при типовых отказах функциональных элементов бортового оборудования.

Разработаны методы анализа и синтеза информационно-управляющей системы предотвращения критических режимов, обеспечивающей регламентируемый уровень безопасности полета в случаях, когда меры, принятые экипажем, системой контроля и диагностики общесамолетного оборудования и системой контроля и парирования отказов бортового оборудования, являются недостаточными или неэффективными. Получены математические модели различных этапов полета самолета с учетом его характеристик устойчивости и управляемости, параметров траекторного и углового движения. Разработаны методики формирования упреждающей сигнализации и синтеза алгоритмов автоматического управления на предельных режимах полета по критерию безопасности. Получены модели и алгоритмы, учитывающие особенности системы предупреждения и предотвращения критических режимов вертолета.

Разработаны имитационные модели каналов, методики моделирования и оценки эффективности работы информационно-управляющей системы обеспечения безопасности функционирования элементов бортовых эргатических комплексов магистрального и маневренного самолетов, позволяющие проводить разработку алгоритмического и программного обеспечения различных вариантов системы на этапе проектирования.

Разработанные основы теории и методы проектирования, алгоритмы и методики реализованы при разработке, производстве и применении автономных, частично-интегрированных и интегрированной информационно-управляющих систем обеспечения безопасности функционирования элементов бортового эргатического комплекса различных типов самолетов и вертолетов, производство и эксплуатация которых позволили повысить уровень безопасности полетов гражданской и военной техники, исключить закупку зарубежного оборудования, в том числе при экспорте авиационной техники.

Практическая ценность работы. Работа выполнялась в соответствии с основными направлениями Федеральной Целевой Программе «Развитие гражданской авиации России на 2001-2010 гг. и до 2015 г.», по отраслевой НИР «Конструктор-КБО» в рамках планов НИОКР ОАО «Ульяновское конструкторское бюро приборостроения».

Основным практическим результатом работы является создание научно обоснованной методологии построения, проектирования и исследования информационно-управляющей системы обеспечения безопасности функционирования элементов бортового эргатического комплекса, методик проектирования аппаратного, алгоритмического, информационного и программного обеспечения различных вариантов системы.

Полученные научно-технические результаты доведены до уровня методик, алгоритмов, расчетных зависимостей, практических рекомендаций, результатов численного моделирования и аналитических оценок, оригинальных технических решений, стендовой и натурной отработки вариантов, что облегчает их использование в практике построения, проектирования, исследования и реализации модификаций, разработки новых вариантов информационно-управляющих систем обеспечения безопасности функционирования элементов бортовых эргатических комплексов самолетов, вертолетов и других воздушных транспортных средств.

Реализация и внедрение результатов работы. Полученные научные и практические результаты внедрены в ОАО «Ульяновское конструкторское бюро приборостроения» при проектировании, разработке, опытном производстве, проведении государственных и летных испытаний созданных при непосредственном творческом участии и при научно-методическом руководстве диссертанта информационных и информационно-управляющих систем контроля и диагностики общесамолетного оборудования типа СУ ОСО, систем контроля и парирования отказов бортового оборудования типов КИСС, КСЭИС, БИСК, систем предупреждения и предотвращения критических режимов полета типов САС, СОС, СПКР, КСУ, использованы на ОАО «Утес» (г. Ульяновск) и ОАО «Электроприбор» (г. Воронеж) при их освоении и серийном производстве, а также на авиастроительных предприятиях ОАО «ОКБ Сухого», ОАО «Туполев», ОАО «АК им. С.В. Ильюшина», ОАО «ОКБ им. А.С. Яковлева», АНТК «Антонов», ОАО «Казанский вертолетный завод», ОАО «Камов» и др. при эксплуатации созданных систем на отечественных гражданских и военных самолетах и вертолетах.

Основные положения, выносимые на защиту:

Основы теории и методология системного проектирования информа-ционно-управляющей системы обеспечения безопасности функционирования элементов бортового эргатического комплекса в контуре управления ЛА.

Метод формирования и методики использования информативных функций опасности при идентификации состояния элементов эргатического комплекса и количественной оценке уровня безопасности режима полета, прогнозировании его изменения, при построении управлений, принятии оперативных решений и информационной поддержке экипажа в нештатных ситуациях.

Методы анализа и синтеза информационно-управляющих систем контроля и диагностики общесамолетного оборудования, контроля и парирования отказов бортового оборудования, предупреждения и предотвращения критических режимов полета, интегрированной системы обеспечения безопасности функционирования бортового эргатического комплекса.

Математические и имитационные модели, алгоритмы и расчетные зависимости, методики и результаты моделирования, оценки эффективности работы, проектирования, разработки, экспериментального исследования и применения вариантов информационно-управляющих систем обеспечения безопасности функционирования элементов бортовых эргатических комплексов самолетов и вертолетов, направления их совершенствования и развития.

Личный вклад автора. Автором разработаны:

· теоретические основы построения и исследования, научно обоснованная методология системного проектирования, моделирования и оценки эффективности применения информационно-управляющих систем обеспечения безопасности функционирования элементов бортового эргатического комплекса в контуре штурвального и автоматического управления ЛА;

· методика формирования информативных функций опасности и их использования в каналах информационно-управляющих систем обеспечения безопасности функционирования элементов бортового эргатического комплекса;

· методики анализа и синтеза каналов информационно-управляющих систем контроля и диагностики общесамолетного оборудования, контроля и парирования отказов бортового оборудования, предупреждения и предотвращения критических режимов полета с использованием информативных функций опасности;

· математические модели, алгоритмы, методики исследования, научно обоснованные рекомендации по разработке, применению и совершенствованию информационно-управляющих систем обеспечения безопасности функционирования элементов бортовых эргатических комплексов самолетов, вертолетов, экранопланов и других воздушных транспортных средств.

Апробация работы. Основные положения и результаты диссертации докладывались на Международной научно-технической конференции «Системные проблемы качества, математического моделирования, информационных, электронных и лазерных технологий» (Сочи, 2001 г.), Второй Всероссийской научно-технической конференции «Прикладные задачи механики и тепломассообмена в авиастроении» (Воронеж, 2001 г.), Всероссийской научно-технической конференции «Методы и средства измерения в системах контроля и управления» (Пенза, 2001 г.), научно-технической конференции Российского форума «Авиакосмические технологии и оборудование» (Казань, 2002 г.), XVI научно-технической конференции с участием зарубежных специалистов «Датчики и преобразователи информации систем измерения, контроля и управления» (Гурзуф, 2004 г.), Всероссийском семинаре «Аналитическая механика, устойчивость и управление движением» (Казань, 2005 г., 2008 г.), XIV, XV, XVI, XVII Международном научно-техническом семинаре «Современные технологии в задачах управления, автоматики и обработки информации» (Алушта, 2005, 2006, 2007, 2008 гг.), Международной научно-технической конференции «Приборостроение - 2005» (Ялта - Винница, 2005 г.), Международной научно-практической конференции «Авиакосмические технологии и оборудование» (Казань, 2006 г.), Международной конференции «Авиация и космонавтика - 2006» (Москва, 2006 г.), Всероссийской научной конференции «Информационные технологии в науке, образовании и производстве» (Казань, 2007 г.), Международной научно-практической конференции «Современные технологии - ключевое звено в возрождении отечественного авиастроения» (Казань, 2008 г.), а также на НТС ОАО «Ульяновское конструкторское бюро приборостроения» (1978-2008 гг.), на научно-технических семинарах кафедры «Приборы и информационно-измерительные системы» Казанского государственного технического университета им. А.Н. Туполева (2005-2008 гг.), на НТС факультета информационных систем и технологий Ульяновского государственного технического университета (2009 г.).

Результаты разработки экспонировались на Международных авиационно-космических салонах: г. Жуковский (1990, 1992, 1994, 1996, 1998, 2001, 2003, 2005, 2007 гг.), г. Берлин (Германия, 1996 г.), а также на ряде отраслевых научно-технических выставках.

Публикации. По теме диссертации опубликованы 77 печатных работ, в том числе 1 монография и 2 книги, 17 статей, из них 12 в научных журналах из перечня ВАК РФ, 17 материалов и 1 тезисы докладов, 20 авторских свидетельств и патентов на изобретения, 14 свидетельств и патентов на полезные модели и промышленные образцы, 5 свидетельств об официальной регистрации программ на ЭВМ.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, семи глав, заключения, списка литературы из 218 наименований и приложения и изложено на 367 страницах машинописного текста, содержит 105 рисунков и 26 таблиц.

Основное содержание работы

самолет управляющий контроль

Во введении обоснована актуальность темы, объект и предмет исследования, сформулирована цель работы и научная проблема исследования, направления ее решения, раскрываются методы исследования, научная новизна и практическая ценность диссертации, реализация и внедрение результатов работы, основные положения, выносимые на защиту, личный вклад автора.

В первой главе рассматривается проблема обеспечения безопасности функционирования элементов бортового эргатического комплекса в контуре управления ЛА.

Раскрываются общие вопросы безопасности полетов и требования к инструментальным средствам обеспечения функционирования элементов бортового эргатического комплекса (БЭК) «Экипаж - Бортовое оборудование - Воздушное судно» в составе контура штурвального и автоматического управления ЛА.

С учетом важности своевременного обнаружения и парирования последствий нарушений нормальных режимов работы элементов БЭК обоснована научно-техническая и народно-хозяйственная значимость разработки прогрессивных методов и специальных инструментальных средств автоматического контроля и диагностики, управления и информационной поддержки экипажа, максимально облегчающих его работу, повышающих надежность функционирования элементов БЭК, автоматически парирующих последствия отказов и сбоев в возникающих нештатных ситуациях. Показано, что для обеспечения уровня безопасности полета, регламентируемого АП и НЛГС (В), такие средства должны выполнять функции бортовых информационно-управляющих систем обеспечения безопасности функционирования (ИУС ОБФ) элементов БЭК и, следовательно, не только решать задачи контроля и предупреждения, но и определять текущий уровень безопасности полета, идентифицировать вид возникающей особой ситуации, прогнозировать ее развитие, формировать своевременные «команды-подсказки» экипажу и управляющие сигналы, позволяющие корректировать алгоритмы штурвального и автоматического управления воздушным судном, режимы работы и реконфигурацию элементов общесамолетных систем и бортового оборудования по обеспечению регламентированного уровня безопасности полета, в противном случае вырабатывать своевременные решения по изменению режима пилотирования.

По результатам анализа особенностей построения систем предупреждения критических режимов, систем автоматизированного контроля бортового оборудования и систем информационной поддержки экипажа предложена классификация систем обеспечения безопасности функционирования элементов бортового эргатического комплекса, которая отражает этапы развития, опыт эксплуатации и разработки современных бортовых средств обеспечения безопасности полета ЛА различных классов, определяет варианты построения и направления развития ИУС ОБФ элементов БЭК самолетов, вертолетов, экранопланов и других воздушных транспортных средств, пути совершенствования их каналов измерения и обнаружения, идентификации и предупреждения, управления, принятия решений, и информационной поддержки экипажа в особых ситуациях по критерию безопасности.

Предложена обобщенная структурная схема ИУС ОБФ элементов БЭК, которая раскрывает основные связи, организацию работы и функции, выполняемые ее каналами.

Показано, что в общей постановке проблема научного обеспечения создания ИУС ОБФ элементов БЭК должна рассматриваться как разработка системной методологии построения, теории и методов проектирования алгоритмических, аппаратных и программных средств, методик моделирования, экспериментального исследования и оценки эффективности их использования в контуре управления ЛА с учетом целевой и ситуационной направленности и объекта применения.

Во второй главе раскрываются теоретические основы построения и исследования информационно-управляющей системы обеспечения безопасности функционирования элементов бортового эргатического комплекса.

Анализ подходов к оценке безопасности функционирования сложных человеко-машинных систем показал, что традиционные статистические и вероятностные показатели безопасности полетов (БП), учитывающие количество, периодичность и вероятность возникновения, интенсивности и законы распределения потоков авиационных происшествий и инцидентов не позволяют в отдельном полете и, тем более, на отдельных его этапах и режимах оценивать текущий уровень безопасности, анализировать, какие неблагоприятные факторы снижают его или являются причиной возникновения нештатной ситуации, определять степень влияния неблагоприятных факторов или параметров полета на уровень безопасности функционирования бортового эргатического комплекса, прогнозировать его изменение, формировать алгоритмы штурвального и автоматического управления и принимать оперативные решения по обеспечению регламентированного уровня безопасности полета в нештатных ситуациях.

Основными факторами, влияющими на безопасное функционирование бортового эргатического комплекса и определяющими возникновение в полете регламентируемых АП особых ситуаций являются: действующие на воздушное судно внешние возмущения, возникающие с вероятностью , отказы техники с вероятностью , ошибочные действия экипажа при пилотировании с вероятностью . Каждый из влияющих факторов в процессе полета можно представить как случайный процесс с конечным множеством состояний и непрерывной областью изменения характерных критических параметров полета x_i. Этот случайный процесс предлагается описать марковской моделью функции работоспособности в виде вектора вероятности нахождения БЭК в любом из состояний S_j.

Процесс полета от предполетной проверки БЭК до приземления предлагается разбить на этапов, при этом события A_k успешного завершения k-го этапа считаются независимыми. При выполнении каждого k-го этапа используется известная j-ая комбинация элементов БЭК, при этом факт B_jk успешного (безопасного) функционирования j-ой комбинации, задействованных на k-ом этапе полета представляется в виде события S_ljk, при котором каждый l-ый функциональный элемент БЭК в j-ой комбинации на k-ом этапе полета выполняет свои функции (работоспособен). При использовании на воздушном судне для обеспечения безопасности полета q вспомогательных технических средств (резервных систем, каналов ИУС ОБФ элементов БЭК), где q - комбинация r вспомогательных средств. Степень опасности текущего режима полета при нарушении функционирования элементов БЭК предлагается оценить вероятностью возникновения аварии - катастрофической ситуации (КС) вида

(1)

где M - число возможных комбинаций вспомогательных технических систем на k-ом этапе полета; N - число вспомогательных технических систем в комбинации r на k-ом этапе полета; и - вероятности отказа l-го элемента БЭК в j-ой комбинации на k-ом этапе полета и отказа q-ой вспомогательной системы, обеспечивающей k-ый этап полета в комбинации r; и - условные вероятности возникновения особой ситуации H_i при отказе l-го элемента БЭК и q-ой вспомогательной системы в соответствующих комбинациях на k-ом этапе полета.

Условную вероятность возникновения регламентируемой АП особой ситуации H_i из-за отказа l-го функционального элемента БЭК можно определить также как вероятность P (X  X^Э) выхода параметров движения воздушного судна, характеризуемого вектором X(x₁, x₂, …, x_n), в область недопустимых значений (эксплуатационных ограничений), определяемых вектором ограничений X^Э(x₁^Э, x₂^Э, …, x_s^Э).

При допущении, что возможные причины появления в полете особых ситуаций, связанных с нарушениями функционирования элементов БЭК, составляют полную группу событий с учетом регламентированных АП степеней опасности и вероятностей возникновения за час полета катастрофической (КС), аварийной (АС), сложной (СС) ситуаций и усложнение условий полета (УУП) в предположении, что каждая из возможных особых ситуаций (КС, АС, СС, УУП) за час полета или за полет в целом не должны превышать уровень опасности P_A, равный по величине регламентируемой АП вероятности возникновения КС Р_КС = 10^-9, определены области регламентируемых АП изменений условных вероятностей непарирования ИУС ОБФ БЭК каждой из особых ситуаций H_i:

где - условная вероятность непарирования неблагоприятных факторов при полете в нормальных эксплуатационных условиях (НЭУ).

Каждая из возникающих особых ситуаций H_i на каждом этапе полета воздушного судна от разбега до посадки оценивается по вызываемому ею изменению критического параметра x_i и может быть идентифицирована следующими уравнениями:

(2)

где - значения критических параметров x_i на границах особых ситуаций данного этапа полета, задаваемых разработчиками авиационной техники.

Так как на границах последовательного перехода от нормальных эксплуатационных условий (нормальное функционирование элементов БЭК) к УУП и далее к СС, АС и КС вероятность принимает конкретные регламентируемые АП значения, то по граничным значениям и предложено построить детермини-рованную непрерывную информати-вную функцию опасности

(3)

однозначно характеризующую текущий уровень опасности режима полета при нарушении функционирования (отказе) элемента БЭК, вызывающего изменение критического параметра x_i (рис. 1).

При формировании информатив-ной функции опасности принимается допущение о том, что при нарушении функционирования элемента БЭК другие элементы БЭК и параметры движения воздушного судна находятся в пределах эксплуатационной области и не вносят заметного влияния на изменение условной вероятности .

При одновременном нарушении функционирования нескольких элемен-тов БЭК из-за воздействия нескольких неблагоприятных факторов возможно приближение к эксплуатационным

Рис. 1 ограничениям одновременно нескольких критических параметров x_i () и тогда уровень опасности режима полета в целом может быть оценен вероятностью в соответствии с которой по аналогии с предложено построить интегральную информативную функцию опасности режима полета в целом

(4)

Текущее значение интегральной информативной функции опасности F_оп(t) количественно отражает изменение уровня безопасности полета воздушного судна, обусловленное влиянием всех элементов бортового эргатического комплекса. При этом возникновение особой ситуации H_i на определенном режиме полета возможно и при невыходе частных функций или отдельных критических параметров x_i за соответствующие границы и , что убедительно свидетельствует о высокой информативности функции F_оп(t) и эффективности ее использования в каналах информационно-управляющей системы обеспечения безопасности функционирования элементов бортового эргатического комплекса. Достоинством информативной функции F_оп является также возможность выделения критического параметра, определяющего текущий уровень безопасности режима полета, управление по которому позволяет наиболее эффективно вывести воздушное судно из возникшей особой ситуации и обеспечить регламентируемый уровень безопасности полета.

Исследована связь информативных функций опасности, определяющих воздействие на элементы бортового эргатического комплекса различных неблагоприятных факторов и их сочетаний, с динамикой управляемого движения воздушного судна, описываемого системой уравнений вида

(5)

где x_i - фазовые координаты вектора X; U_j, W_k - параметры вектора управления U и вектора внешних возмущений W; t - время.

Показано, что полная производная и вектор градиента позволяют описать связь между динамикой движения воздушного судна и изменением уровня безопасности полета при нарушении функционирования элементов БЭК вида

 (6)

где - вектор обобщенной фазовой скорости объекта управления; - угол между векторами и .

Элементы и квадратных матриц Якоби в каждый момент времени t характеризуют степень влияния частных информативных функций опасности и параметров движения x_i на изменение уровня безопасности режима полета воздушного судна в целом.

Показано, что информация о функциях F_оп(t), и позволяет построить управление U_Б(t), при котором уменьшение F_оп(t) и повышение уровня безопасности полета будут происходить с наибольшим темпом. Указанная информация может быть также использована в качестве визуальной и директорной информации для информационной поддержки экипажа и принятия оперативных решений в особых ситуациях.

С учетом подходов, используемых в каналах упреждающей сигнализации, получены соотношения для определения порогов срабатывания и каналов предупреждения ИУС ОБФ БЭК по отдельным критическим параметрам и режиму полета в целом

(7)

где и - границы регламентируемых уровней опасности по параметру x_i и режиму полета в целом; - статический запас, учитывающий погрешности x_i и x_j измерения критического параметра x_i и других фазовых координат x_j, используемых при построении информативной функции опасности ; и - динамическое упреждение по критическому параметру x_i и x_p; - время переходного процесса канала управления по критическому параметру x_p.

Показано, что интегральную информативную функцию опасности F_оп можно рассматривать не только как сложную функцию фазовых координат с областью определения, задаваемой эксплуатационными ограничениями x_пi, но и как функцию аргументов с областью определения . Последнее позволяет перенести исследование поведения интегральной информативной функции опасности F_оп из фазового пространства переменных x_i в соответствующее пространство переменных . При этом эксплуатационное множество допустимых по критерию безопасности значений информативных функций будет существенно меньше, чем ограничений, накладываемых на фазовые координаты воздушного судна. Последнее особенно важно при принятии оперативных решений и построении управления по выводу воздушного судна из зоны критического режима полета и снижению степени опасности возникшей особой ситуации.

Раскрываются методики формирования предупреждения и построения стратегии управления по критерию безопасности при одновременном выходе на границы эксплуатационных ограничений r < m частных информативных функций опасности .

При синтезе терминального управления с учетом критерия безопасности в качестве показателя качества управления предлагается использовать штрафную функцию , определяющую выход воздушного судна за границы регламентируемого уровня безопасности полета . При этом вся совокупность ограничений, накладываемых на параметры полета воздушного судна, представляется в пространстве переменных в виде неравенства

(8)

Уровень риска терминального управления по критерию безопасности предлагается оценивать математическим ожиданием функции промаха , определяющей математическое ожидание величины промаха F_оп(t) и время t нахождения интегральной информативной функции опасности F_оп(t) за пределами эксплуатационного ограничения .

Решение задачи принятия решения при штурвальном управлении, обеспечивающего вывод воздушного судна из возникшей особой ситуации с наименьшими затратами времени и управлений, предложено проводить с использованием вектора . При этом построение кривой или поверхности изменения вектора в пространстве изменения критических параметров предложено проводить в параметрическом виде, например, для трехмерного вектора

(9)

где вектор представляет собой внутреннюю часть поверхности изменения вектора ; U, V - новые параметрические переменные с интервалом изменения [0, 1]; , , , - четыре известные граничные кривые этой поверхности.

Показано, что такой подход позволяет получить аналитические соотношения для линий и поверхностей уровня равной опасности, которые далее можно использовать при обнаружении и идентификации возникающих особых ситуаций, при принятии решений и построении эффективного штурвального управления по выводу из них, в качестве директорной или дополнительной информации канала информационной поддержки экипажа в нештатных ситуациях.

Эффективность предложенных подходов и разработанных методик принятия решений и построения управления подтверждается результатами моделирования траектории изменения F_оп(t), вектора и линий равной опасности F_оп = const для режима посадки самолета в условиях продольного сдвига ветра, где в качестве определяющих критических параметров используется воздушная скорость V_В и угол атаки .

В третьей главе раскрываются методы анализа и синтеза информационно-управляющей системы контроля и диагностики состояния агрегатов и систем общесамолетного оборудования.

Показано, что наличие в составе общесамолетного оборудования различных по принципу действия и физической природе носителей информации функциональных систем (система энергоснабжения, пневмо-, гидро-, маслосистемы, топливная система и др.), а также большого числа недублированных исполнительных устройств и агрегатов управления с различными диапазонами перемещений и разными динамическими характеристиками обусловливают необходимость поэлементного контроля их работоспособности путем задания большого числа управляющих воздействий, измерения большого количества контролируемых параметров, автоматизированного поиска, своевременного устранения неисправностей или парирования последствий отказов. Все это определяет выделение в составе бортовых средств обеспечения безопасности полета информационно-управляющей системы контроля и диагностики общесамолетного оборудования (ИУС КД ОСО), основной задачей которой является повышение боеготовности и снижение времени предполетной подготовки, разгрузка и снижение вероятности ошибок экипажа, повышение объективности и достоверности принимаемых решений в сложных условиях реального полета.

При использовании положений и подходов теории контроля работоспособности и диагностики сложных технических систем проведена формализация задачи синтеза алгоритмов функционирования ИУС КД ОСО, которая позволяет строить оптимальную с позиции временных затрат стратегию последовательных проверок и минимизировать число наблюдений в каждой проверке.

Разработана методика анализа алгебраической сложности информационно-логических структур формирования управляющих воздействий и обработки информации о состоянии общесамолетного оборудования. Путем сравнения коэффициентов избыточности информационных связей ИУС КД ОСО с различной архитектурой рекомендована для реализации универсальная централизованная архитектура, отличающаяся простотой организации автоконтроля, малыми аппаратными затратами и достаточно высоким быстродействием реализации функциональных алгоритмов.

Разработана методика синтеза алгоритмов оценки работоспособности и диагностирования отказов общесамолетного оборудования. В соответствии с теорией диагностики сложных технических систем задача оценки состояния функциональных систем и агрегатов общесамолетного оборудования сводится к определению диагностических характеристик элементов проверки, а процесс проверки работоспособности блоков общесамолетного оборудования представляется в виде модели, приведенной на рис. 2.

Рис. 2

Решение стохастического дифференциального уравнения, отражающего вероятность исправного состояния А₁ контролируемого блока, определенную по результатам анализа выходных сигналов датчиков ИУС КД ОСО за период времени T, получено в вид

(10)

где ; - допуск на разброс выходного сигнала контролируемого блока; - априорное значение вероятности исправного состояния контролируемого блока; - номера первой и последней проверок; - математическое ожидание выходного сигнала U_y(t), соответствующее исправному состоянию контролируемого блока.

Алгоритм поиска неисправного блока общесамолетного оборудования за минимальное число последовательных проверок при заданных значениях рисков первого и второго рода представляется в виде следующей последовательности:

1) если выполняется условие

(11)

где то принимается решение А₁ об исправности проверяемого блока;

2) если знак неравенства (11) изменяется на противоположный, то принимается решение А₂ о неисправности проверяемого блока;

3) если находится внутри верхней и нижней границ, то необходимо провести следующее n+1 измерение.

Выработаны рекомендации по обеспечению безотказной работы конструктивных модулей ИУС КД ОСО за счет резервирования каналов управления модуля формирования силовых команд, модулей сбора и преобразования параметрической информации и вычислителя.

Рассматриваются особенности информационно-управляющей системы контроля и диагностики общевертолетного оборудования, связанные с реализацией алгоритма опроса датчиков, расположенных на вращающихся агрегатах несущей системы, с использованием одного группового тракта передачи потока отсчетов контролируемых сигналов.

В четвертой главе раскрываются методы анализа и синтеза информационно-управляющей системы контроля и парирования отказов функциональных систем интегрированного комплекса бортового оборудования (ИКБО).

Подчеркивается, что в отличие от общесамолетного оборудования, пилотажно-навигационное и радиосвязное оборудование, входящее в состав ИКБО, включает в себя большое число функциональных систем и блоков, парирование возможных отказов которых в полете обеспечивается путем реконфигурации бортового оборудования (БО) за счет холодного или горячего резерва. Контролируемые функциональные системы и блоки БО в большинстве своем являются электронными и включают средства встроенного контроля, при этом значения времени, необходимые для контроля их состояния, являются близкими по величине, вследствие чего не требуется определять оптимальную очередность их проверок. Указанные обстоятельства определяют специфику методов проектирования и исследования информационно-управляющей системы контроля и парирования отказов бортового оборудования (ИУС КПО БО).

В качестве характеристики инструментальной достоверности каналов контроля ИУС КПО БО используются вероятности ложного и необнаруженного отказов, зависящих от верхнего b_i и нижнего a_i значений контролируемых параметров x_i, законов распределения f(x_i) и (_i) контролируемых параметров и погрешностей _i их измерения.

На основании разработанного в главе 2 подхода, проводится формирование частных информативных функций , характеризующих изменение уровня опасности режима полета при отказе i-ой системы БО, приводящем к изменению критического параметра x_i, и интегральной информативной функции опасности F_оп всех отказов БО на данном режиме полета.

Для описания частных информативных функций опасности отказов предлагается использовать аппроксимирующие зависимости вида

(12)

где х_i - текущее значение критического параметра, определяющего состояние воздушного судна при отказе i-ой системы БО, c_i и d_i, m_i и n_i - константы и целые числа, значения которых определяется в соответствии с характерными значениями критического параметра х_ni и регламентируемыми АП уровнями условных вероятностей на границах особых ситуаций (см. рис. 1); - нормальное эксплуатационное значение параметра x_i при отсутствии отказа i-ой функциональной системы.

Показано, что с помощью информативных функций опасности и F_оп можно контролировать возникновение и прогнозировать развитие особых ситуаций, связанных с отказами функциональных систем бортового оборудования, решать задачи синтеза алгоритмов автоматического и штурвального управления по выводу воздушного судна из возникшей нештатной ситуации.

Надежность функциональных систем бортового оборудования, поведение которых рассматривается как случайный процесс с конечным множеством состояний и непрерывной областью изменения контролируемых параметров, оценивается с помощью марковской модели. Это позволяет построить функцию работоспособности бортового оборудования S(S₁, S₂, …, S_m) в виде вектора вероятности P(t) = [P₁(t₁S₁), …, P_j(t₁S_j)] нахождения бортового оборудования в любом из состояний S_j. Рассматриваются модели отказов функциональных систем ИКБО и механизм учета их влияния на уровень безопасности текущего режима полета воздушного судна.

Разные скорости изменения критических параметров x_i и степени их влияния на уровень безопасности полета приводят к тому, что они должны контролироваться с разной точностью и периодичностью. В соответствии с этим обоснованы функции и требования к каналам измерения и преобразования, обработки, отображения и управления ИУС КПО БО, в том числе по надежности, быстродействию, полноте контроля.

Анализ и синтез каналов измерения ИУС КПО БО проводится на основе модели информационного канала с помехами с учетом вероятности безотказной работы канала.

Как показывает анализ, увеличение надежности и уменьшение погрешности измерительного канала в разной степени влияют на эффективность канала измерения ИУС КПО БО, что позволяет проводить его параметрический синтез с учетом точности и надежности.

Синтез каналов принятия решений и сигнализации отказов ИУС КПО БО предлагается проводить по критерию безопасности текущего режима полета с использованием информативных функций опасности на основе причинно-следственных связей между функциональными системами БО, участвующими непосредственно в формировании информативных сигналов для систем пилотирования и автоматического управления воздушного судна.

Раскрывается метод оценки безопасности текущего режима полета на основе логико-вероятностного анализа и с использованием аппарата нечеткой логики и нечетких подмножеств. В первом случае на основе булевых моделей отказов и структурной схемы безопасности функционирования БО строится функция алгебры логики (ФАЛ) монотонной работоспособности, по которой затем производится оценка уровня опасности отказов функциональных систем и построение интегральной функции опасности отказов БО в целом.

При отсутствии статистических данных об отказах функциональных систем БО и их взаимосвязи с изменением критических параметров режима полета предложено использовать аппарат нечеткой логики и нечетких подмножеств. В этом случае вместо вероятности отказа используется понятие возможности отказа в виде нечеткого подмножества, определенного в вероятностном пространстве, которая в предельном случае совпадает с вероятностью отказа функциональной системы БО. На конкретном примере схемы безопасного функционирования БО рассматривается алгоритм построения функции опасности отказов F_оп и схема формирования оперативных решений на основе нечетких подмножеств и нечеткой логики, выдачи уведомляющих сигналов по каналам индикации и сигнализации и управляющих воздействий по парированию отказов или их последствий на основе лингвистических терминов, содержащихся в базе знаний ИУС КПО БО и описывающих метод устранения отказа или возникшей нештатной ситуации.

При синтезе алгоритма управления воздушным судном в нештатных ситуациях, связанных с отказами функциональных систем БО, в каналах ИУС КПО БО производится регистрация и идентификация возникающих отказов. На основании методов теории терминального управления исследуется стратегия управления, качество которой оценивается значением риска определяющим математическое ожидание превышения интегральной информативной функции опасности отказов БО F_оп(t) и время t ее нахождения за пределами эксплуатационного ограничения .

Раскрывается методика построения управления с учетом критерия безопасности при отказах типов: обрыв в каналах измерения или в цепи исполнения управляющих команд, вызывающих исчезновение соответствующих сигналов; отказы в объекте управления, вызывающие скачкообразные изменения его состояния в момент отказа; отказы или сбои в работе канала формирования управления, например, сбои бортовой ЦВМ, приводящие к неисполнению или ошибочному исполнению части алгоритма управления.

В пятой главе раскрываются методы анализа и синтеза информационно-управляющей системы предотвращения критических режимов (ИУСПКР). Отмечается, что информационно-управляющие системы контроля и диагностики общесамолетного оборудования, контроля и парирования отказов бортового оборудования решают задачу раннего предупреждения и парирования нештатных ситуаций, связанных с отказами техники. В случаях, когда принятые экипажем и указанными информационно-управляющими системами меры по предупреждению возникающих особых ситуаций являются недостаточными для предотвращения опасной ситуации, включается в активную работу ИУСПКР.