Размещено на http://www.allbest.ru/

НАЦІОНАЛЬНИЙ АВІАЦІЙНИЙ УНІВЕРСИТЕТ

УДК 656.71.057.004.15 (043.3)

ВИЗНАЧЕННЯ НАДІЙНОСТІ СВІТЛОСИГНАЛЬНИХ СИСТЕМ

АЕРОДРОМІВ НА ЕТАПАХ ПРОЕКТУВАННЯ,

СЕРТИФІКАЦІЇ ТА ЕКСПЛУАТАЦІЇ

05.22.20 “Експлуатація та ремонт засобів транспорту”

Автореферат дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата технічних наук

Дев'яткіна Світлана Сергіївна

Київ - 2002

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана на кафедрі систем управління та метрології Національного авіаційного університету Міністерства освіти і науки України.

Науковий керівник - доктор технічних наук, професор Азарсков Валерій Миколайович Національний авіаційний університет, декан факультету систем управління

Офіційні опоненти: доктор технічних наук, професор Соломенцев Олександр Васильович. Національний авіаційний університет, професор кафедри радіоелектронних комплексів

кандидат технічних наук Кордянін Юрій Іванович Державний департамент авіаційного транспорту України, заступник директора

Провідна установа: Авіаційний науково-технічний комплекс імені О.К. Антонова, м. Київ.

Захист дисертації відбудеться 30 січня 2003 року о 15 годині в аудиторії 1-213 на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 26.062.03 в Національному авіаційному університеті за адресою: 03058, м. Київ, проспект Космонавта Комарова, 1, корпус 1.

З дисертацією можна ознайомитися в бібліотеці Національного авіаційного університету за адресою: 03058, м. Київ, проспект Космонавта Комарова, 1.

Автореферат розісланий “18” грудня 2002 р.

Вчений секретар

спеціалізованої вченої ради Запорожець О.І.



АНОТАЦІЇ

Дев'яткіна С.С. Визначення надійності світлосигнальних систем аеродромів на етапах проектування, сертифікації та експлуатації. - Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.22.20 “Експлуатація та ремонт засобів транспорту”. - Національний авіаційний університет, Київ, 2002.

Розроблено опис надійності ССА та її підсистем, створено математичні моделі надійності ССА на базі двох методів - аналітичного та методу статистичного моделювання.

Визначено види станів і формальні критерії цих станів для ССА та її підсистем. Розглянуто особливості функціонування ССА в різних категоріях метеорологічних умов і визначено ситуації, що виникають у процесі її функціонування. метеорологічний світлосигнальний аеродром

Результатом дисертаційної роботи є розробка науково обґрунтованих методик визначення надійності ССА. Використання цих методик дозволить визначати показники надійності ССА на різних етапах її життєвого циклу та оцінювати їх вплив на рівень безпеки польотів.

Ключові слова: безпека польотів, світлосигнальна система аеродрому, надійність, аналітичний метод визначення надійності, метод статистичного моделювання.



Девяткина С.С. Определение надежности светосигнальных систем аэродромов на этапах проектирования, сертификации и эксплуатации. - Рукопись.

Диссертация на соискание научной степени кандидата технических наук по специальности 05.22.20 “Эксплуатация и ремонт средств транспорта”. - Национальный авиационный университет, Киев, 2002.

В сложных метеоусловиях днем и ночью, начиная с высоты принятия решения, заход на посадку, посадка, пробег по взлетно-посадочной полосе, руление, взлет воздушных судов (ВС) проводятся визуально с использованием светосигнальной системы аэродрома (ССА). На этапе визуального пилотирования ССА является единственным источником визуальной информации для пилота ВС, поэтому правильное функционирование ССА гарантирует обеспечение нормированного уровня безопасности полетов на этом этапе.

Обзор и анализ отечественной и зарубежной литературы, нормативно-технических документов гражданской авиации Украины, стран СНГ, стандартов и рекомендаций ИКАО продемонстрировал отсутствие количественных требований к надежности ССА. В то же время в российских нормативных документах нормируются численные значения показателей надежности наземных радиотехнических средств обеспечения захода на посадку, при которых гарантируется требуемый уровень безопасности полетов ВС.

Данный факт свидетельствует об актуальности проблемы определения, оценки, контроля и обеспечения надежности наземных средств управления полетами, в том числе и ССА.

Для решения проблемы проектирования отечественных ССА, сертификации импортных ССА и ССА, находящихся в эксплуатации, необходимо иметь информацию о показателях их надежности. Основным условием в процедуре продления срока службы ССА является определение, оценка и контроль как значений показателей надежности ССА, так и характера изменения их во времени.

Таким образом, задача определения надежности ССА является актуальной и своевременной в общей программе развития гражданской авиации Украины.

Целью диссертационной работы является разработка моделей состояний, количественного описания надежности и методик ее определения на этапах проектирования, сертификации и эксплуатации ССА.

Первый раздел посвящен обзору и анализу состояния проблемы определения надежности ССА. Дана общая характеристика ССА, проанализирована их роль в процессе обеспечения полетов на этапе визуального пилотирования в сложных метеоусловиях. Раскрыта актуальность проблемы определения надежности ССА, определены цель и задачи диссертационной работы.

Во втором разделе дана общая характеристика методов определения надежности ССА на этапах проектирования, сертификации и эксплуатации. Выбраны два метода определения надежности ССА - аналитический и метод статистического моделирования. Дана сравнительная характеристика обоих методов, определены их достоинства и недостатки. Проведен инженерный анализ предмета исследования - ССА. Определены состояния, в которых может находиться ССА, и ситуации, которые возникают в процессе ее функционирования. Разработано количественное описание надежности ССА и проведен анализ ее влияния на уровень безопасности полетов ВС. Проведена формальная постановка задачи определения надежности ССА и ее подсистем. Сформулированы исходные данные, допущения и ограничения, а также ожидаемые результаты.

Для количественной оценки влияния показателей надежности ССА на уровень безопасности полетов разработана математическая модель этапа визуального пилотирования, отражающая роль ССА на этом этапе.

В третьем разделе разработана математическая модель надежности ССА и ее подсистем с учетом того, что ПССА является многоэлементной, неоднородной, топологической системой с информационным резервированием. Разработана методика определения показателей надежности ССА и ее подсистем аналитическим методом. Приведен контрольный пример определения показателей надежности ССА типа ОВИ-II аналитическим методом.

В четвертом разделе дана подробная характеристика метода статистического моделирования ССА и ее подсистем. Предложен алгоритм моделирования функционирования ССА и ее подсистем. Разработана методика определения показателей надежности ССА и ее подсистем методом статистического моделирования. На основании методики и алгоритма создана компьютерная программа для автоматизации процесса определения показателей надежности ССА. Проведен контрольный пример определения показателей надежности ССА типа ОВИ-II методом статистического моделирования.

Проведена количественная оценка сходимости результатов, полученных при практическом применении обеих методик. Идентичность результатов свидетельствует о правильности и достоверности разработанных научных положений.

Выполнена количественная оценка влияния показателей надежности ССА на уровень безопасности полетов на этапе визуального пилотирования в сложных метеоусловиях, с использованием методики, разработанной на базе математической модели этапа визуального пилотирования.

В заключении приведены основные выводы по результатам диссертационной работы.

Ключевые слова: безопасность полетов, светосигнальная система аэродрома, надежность, аналитический метод определения надежности, метод статистического моделирования.



Devyatkina S.S. The definition of airfield lighting systems reliability on the engineering, certification and operation stages. - Manuscript.

Thesis for a Candidate of Technical Sciences degree on the specialty 05.22.20. - Operation and Repair of Transport's Aids. - National Aviation University, Kyiv, 2002.

The description of airfield lighting systems (ALS) and their subsystems reliability is designed. The mathematical models of ALS and their subsystems reliability, based on two methods - analytic and method of statistical testing - are developed.

The types of states and formal criterions of this states for ALS and their subsystems are defined. The operation specialties of ALS in different weather conditions categories are considered and the situations, occurred during it operation are defined.

The result of the thesis is working out the procedures of airfield lighting reliability definition. The practical usage of this procedures allows estimation and assessments of ALS reliability during their design, certification and operation, and makes possible the assessment of ALS reliability influence the flight safety level.

Key words: flight safety, airfield lighting system, reliability, analytic method of reliability definition, method of statistical testing.



ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. У складних метеорологічних умовах (СМУ) світлосигнальна система аеродрому (ССА) є єдиним джерелом візуальної інформації для екіпажу повітряного судна (ПС) на найбільш відповідальному етапі польоту - етапі візуального пілотування. За даними статистики близько 60% авіаційних пригод відбувається на етапі візуального пілотування через втрату екіпажем ПС орієнтування. Таким чином, працездатний стан ССА є необхідною умовою для забезпечення нормованих рівнів безпеки та регулярності польотів на аеродромах цивільної авіації (ЦА) на етапі візуального пілотування у СМУ вдень і вночі.

Проблема надійності ССА існує на всіх етапах її життєвого циклу: проектуванні, виробництві, сертифікації та експлуатації. На всіх зазначених етапах мають бути сформульовані вимоги щодо надійності ССА та її елементів і визначено їх відповідність цим вимогам.

Огляд літератури та аналіз нормативно-технічної документації України, Росії, стандартів та рекомендацій ІКАО показав, що на цей час відсутні опис надійності ССА та її підсистем (ПССА), критерії їх станів, номенклатура показників надійності та їх нормовані чисельні значення, затверджені методики визначення надійності ССА та оцінки її впливу на рівень безпеки польотів у СМУ. Це робить неможливим визначення, оцінку, нормування та керування надійністю ССА на етапах її проектування, сертифікації та експлуатації.

На даний час у більшості аеропортів України ССА експлуатуються за межами гарантованого заводом-виробником терміну служби. Відсутність методик визначення та нормування показників надійності ССА робить неможливим кількісну оцінку впливу надійності ССА на рівень безпеки польотів, ускладнює сертифікацію вітчизняних та імпортних ССА, продовження терміну служби ССА, з урахуванням показників їх надійності.

Практичне застосування методик визначення надійності ССА та оцінки її впливу на рівень безпеки польотів допоможе визначити оптимальні стратегії технічного обслуговування і ремонту (ТОіР) ССА з урахуванням індивідуальних особливостей аеродрому та при необхідності розробити заходи щодо підвищення її надійності до рівня, який дозволяє забезпечити нормований рівень безпеки польотів на етапі візуального пілотування у СМУ.

Зв'язок роботи з науковими програмами, темами. Робота виконувалася згідно з розпорядженням Державної авіаційної адміністрації України (Укравіації) № 14 від 01.03.1999 р. про підготовку до сертифікації аеропорту “Бориспіль”, програмою підтримки міських вищих навчальних закладів міста Києва, Постановою колегії Київської міської державної адміністрації і президії НАН України від 18.05.2001 р., розпорядженням Київської міської державної адміністрації № 2256 від 22.10.2001 року про реконструкцію міжнародного аеропорту “Київ” (Жуляни), науково-дослідних робіт за темами №905-Х99, ДР 0102U006713 (№11/058-Х01) (виконавець), №2.6.25-122, (виконавець).

Мета і задачі дослідження. Основною метою дисертаційної роботи є визначення надійності ССА на етапах проектування, сертифікації та експлуатації.

Для досягнення вказаної мети було сформульовано та вирішено такі основні задачі:

1) аналіз ролі ССА в забезпеченні польотів на аеродромах ЦА;

2) інженерний аналіз об'єкта дослідження - ССА;

3) створення моделей технічних станів ССА;

4) розробка кількісного опису та математичних моделей надійності ССА та її складових частин;

5) розробка математичної моделі етапу візуального пілотування з точки зору впливу надійності ССА на рівень безпеки польотів в СМУ та методики кількісного аналізу впливу надійності ССА на рівень безпеки польотів;

6) розробка методики визначення надійності ССА аналітичним методом;

7) розробка методики визначення надійності ССА методом статистичного моделювання;

8) практичне застосування розроблених методик для визначення надійності ССА на етапах проектування, сертифікації та експлуатації.

Об'єктом дослідження є світлосигнальні системи І - ІІІ категорій аеродромів ЦА.

Предметом дослідження є надійність ССА на етапах проектування, сертифікації та експлуатації.

Методи дослідження. У дисертаційній роботі використано методи теорії надійності, у тому числі аналітичний метод та метод статистичного моделювання для визначення надійності, методи теорій імовірностей та математичної статистики. Для моделювання надійності ССА і автоматизації розрахунків спеціально розроблено пакет прикладних програм.

Наукова новизна одержаних результатів. Унаслідок проведених досліджень вперше отримані такі результати:

1) основні терміни та їх визначення у галузі надійності світлосигнальних засобів забезпечення польотів на аеродромах ЦА України;

2) математична модель етапу візуального пілотування, яка характеризує роль ССА на цьому етапі та вплив її технічного стану на рівень безпеки польотів в СМУ вдень і вночі ;

3) математичні моделі надійності ССА та її підсистем, які базуються на аналітичному методі визначення надійності та алгоритм моделювання процесу функціонування ССА для визначення її надійності, складений на основі метода статистичного моделювання;

4) методики визначення показників надійності ССА та її підсистем на етапах проектування, сертифікації та експлуатації;

5) методика кількісної оцінки впливу показників надійності ССА на рівень безпеки польотів на етапі візуального пілотування у СМУ вдень і вночі.

Практичне значення одержаних результатів полягає в можливості їх широкого застосування для вирішення таких задач:

1) визначення показників надійності ССА та їх підсистем на етапах проектування, сертифікації та експлуатації;

2) вибір і наукове обґрунтування структури та складу ССА з заданими значеннями показників надійності на етапі проектування;

3) кількісна оцінка впливу надійності ССА на рівень безпеки польотів у процесі експлуатації та нормування показників надійності ССА, виходячи з критеріїв забезпечення світлосигнальною системою нормованого рівня безпеки польотів;

4) порівняльний аналіз показників надійності різних ССА та їх елементів під час вибору і сертифікації обладнання ССА;

5) модернізація ССА, щодо раціонального вибору кількості аеродромних вогнів (АВ) та кабельних ліній (КЛ) за умови забезпечення нормованих значень показників їх надійності;

6) вибір та обґрунтування конкретних напрямів щодо керування надійністю ССА та їх підсистем під час проектування, сертифікації, експлуатації і перехід на стратегію ТОіР ССА за станом із контролем рівня надійності;

7) можливість розробки науково обґрунтованих критеріїв працездатного стану ССА в різних метеоумовах та критеріїв граничного стану їх елементів.

Застосування розроблених методик дозволить отримати економічний ефект при оснащенні аеродромів новими ССА або реконструкції ССА, що перебувають в експлуатації.

Розроблені методики прийняті для впровадження у таких організаціях:

Державний проектно-технологічний та науково-дослідний інститут ЦА “Украеропроект” - “Методика визначення надійності ССА на етапі проектування”;

Управління розвитку та сертифікації аеропортів Державного департаменту авіаційного транспорту України і Державний міжнародний аеропорт “Бориспіль” - “Методика визначення надійності ССА на етапах сертифікації та експлуатації” та “Методика кількісної оцінки впливу надійності ССА на рівень безпеки польотів ПС”;

Міжнародний аеропорт “Київ” (Жуляни) - матеріали дисертаційної роботи використовуються у процесі підготовки програми технічного переоснащення ССА “Київ” (Жуляни).

Результати дисертаційної роботи використовуються також у навчальному процесі факультету систем управління Національного авіаційного університету.

Особистий внесок здобувача. У роботах, що виконані в співавторстві, особисто автором розроблено: [1] - структурну схему системи дистанційного бездротового керування ССА; [3] - математичну модель етапу візуального пілотування; [4] - методику кількісного аналізу впливу надійності ССА на рівень безпеки польотів; [9] - математичну модель для визначення впливу надійності системи електропостачання на рівень безпеки польотів у СМУ; [11] - обґрунтування інтегрального показника сертифікаційного базису; [13] - терміни та визначення у галузі надійності ССА; [14] - аналітичні співвідношення для визначення показників надійності ССА.

Апробація результатів дисертації. Основні положення дисертаційної роботи доповідалися і отримали позитивну оцінку на чотирьох міжнародних науково-технічних конференціях “Авіа-99”, “Авіа-2000”, “Авіа-2001”, “Авіа-2002” (м. Київ, Національний авіаційний університет, 1999 - 2002).

Публікації. Основні результати роботи опубліковані в 14 друкованих роботах: 6 з яких статті, опубліковані у наукових виданнях, затверджених ВАК як фахові (3 одноосібно); 6 тезах і доповідях конференцій, 2 навчально-методичних посібниках та 3 звітах про НДР.

Структура та обсяг роботи. Дисертаційна робота складається з вступу, чотирьох розділів, висновків, списку з 52 використаних джерел та 8 додатків. Робота містить 145 сторінок основного тексту, 21 рисунок, 14 таблиць та пакет прикладних програм. Обсяг дисертаційної роботи разом з додатками складає 256 сторінок.

ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі подано обґрунтованість та актуальність теми дисертаційної роботи, висвітлено об'єкт і предмет дослідження, визначено мету, задачі та методи дослідження, сформульовано наукову новизну та практичну цінність отриманих результатів.

У першому розділі дисертаційної роботи проведено огляд та аналіз сучасного стану проблеми визначення надійності ССА різних категорій.

Огляд і аналіз нормативно-технічних документів ЦА України, Міждержавного авіаційного комітету (МАК), стандартів та рекомендацій ІКАО, Об'єднаних авіаційних вимог (JAR-OPS 1) продемонстрував відсутність опису надійності ССА, номенклатури показників їх надійності, вимог щодо їх нормування та визначення.

Проблема надійності ССА охоплює множину наукових задач, які потребують вирішення. Можна вважати, що задачі розробки термінів та визначень в галузі надійності світлосигнального забезпечення польотів, створення моделей станів і математичної моделі надійності ССА, методик визначення надійності ССА на етапах проектування, сертифікації, експлуатації та методики кількісної оцінки впливу надійності ССА на рівень безпеки польотів є науковою базою для вирішення всіх інших задач, які складають проблему надійності ССА.

Світлосигнальна система аеродрому є складною, неоднорідною, топологічною системою, яка містить у собі такі макроелементи, як функціональні ПССА і систему керування (СК) ССА. Підсистеми ССА функціонують одночасно, але незалежно одна від одної, створюючи певну світлосигнальну картину, що є джерелом візуальної інформації для екіпажу ПС. Система керування єдина для всіх ПССА, тому відмови СК впливають на технічний стан усіх ПССА та ССА в цілому.

Визначення надійності ССА необхідно проводити на основних етапах її життєвого циклу - проектуванні, сертифікації та експлуатації.

На етапі проектування визначення надійності ССА дозволяє проектувати нові CCА з нормованими значеннями показників їх надійності, що забезпечують необхідний рівень безпеки польотів.

На етапі сертифікації ССА головною задачею є визначення та оцінка її надійності, тобто потенційної здатності забезпечувати нормований рівень безпеки польотів.

На етапі експлуатації для керування надійністю ССА та забезпечення нормованого рівня безпеки польотів необхідно мати інформацію про показники її надійності.

Обов'язковою процедурою при продовженні терміну служби ССА є визначення та оцінка показників її надійності, що може бути зроблено тільки за допомогою спеціально розроблених методик.

На підставі проведеного аналізу визначено мету дисертаційної роботи та сформульовано перелік основних задач дослідження.

У другому розділі наведено загальну характеристику методів вирішення задач визначення надійності ССА на етапах проектування, сертифікації та експлуатації. Для визначення надійності ССА обрано два методи - аналітичний метод та метод статистичного моделювання.

Аналітичний метод визначення надійності пропонується використовувати, коли необхідно провести орієнтовне визначення показників надійності ССА, наприклад, на етапі проектування.

Метод статистичного моделювання може бути застосований, коли необхідно визначити показники надійності ССА з заданою точністю, але дані щодо її статистики відмов відсутні, або коли закон розподілу середнього наробітку до відмови елементів ПССА відрізняється від експоненціального.

У дисертації проведено інженерний аналіз об'єкта дослідження, визначено склад, структуру і режими функціонування, складено та класифіковано моделі станів ССА та її підсистем, розроблено кількісний опис надійності ССА та її підсистем.

До номенклатури показників надійності ССА та її підсистем належать одиничні показники надійності (ймовірність безвідмовної роботи Р(t) та ймовірність відмови Q(t) за певний проміжок часу t, середній наробіток між відмовами Т₀, середній час відновлення працездатного стану Т_В) та комплексні показники надійності (нестаціонарні та стаціонарні коефіцієнти готовності К_Г(t), К_Г; неготовності К_НГ(t), К_НГ; вимушеного простою К_ВП(t), К_ВП; аварійного використання К_АВ(t), К_АВ).

На підставі нормативних документів з урахуванням видів станів ССА та її підсистем і ситуацій, що виникають під час функціонування ССА в кожному з визначених станів, складено математичну модель етапу візуального пілотування, яка визначає вплив надійності ССА на рівень безпеки польотів у СМУ на цьому етапі. За нормований показник безпеки польотів Q_ОС(t) було обрано ймовірність виникнення особливої ситуації на борту ПС з вини ССА на етапі візуального пілотування в СМУ за час t:

(1)

де Р_{ПС кр} - імовірність заходу на посадку “критичного ПС”, екіпаж якого не має можливості перервати захід на посадку;

Q_АВ(t) - імовірність застати ССА в непрацездатному стані через відмову АВ на проміжку часу t;

Q_CАК(t) - імовірність відмови системи автоматичного контролю (САК) технічного стану АВ за час t;

К_{Г ССА}(t) - імовірність застати ССА у працездатному стані на момент встановлення візуального контакту екіпажу з АВ ССА на проміжку часу t;

Q_ССА(t_вп) - імовірність відмови ССА за час візуального пілотування t_вп;

Q_ПЕАВ(t) - імовірність застати ССА в непрацездатному стані через відмову підсистеми електропостачання аеродромних вогнів (ПЕАВ) на проміжку часу t;

К_СМУ - коефіцієнт, який враховує захід на посадку ПС у СМУ.

Формула (1) має такий фізичний зміст: особлива ситуація, пов'язана з відмовою ССА, потенційно може виникнути у чотирьох випадках.

Випадок 1. Захід на посадку здійснює не “критичне ПС”, і ССА перебуває в непрацездатному стані через відмову АВ. Даний випадок виникає при відмові підсистеми аеродромних вогнів (ПАВ) у будь-якій ПССА одночасно з відмовою САК технічного стану аеродромних вогнів, що приводить до ситуації, коли ССА перебуває у непрацездатному стані, але інформація про її відмову відсутня. Екіпаж ПС, що заходить на посадку (або злітає) бачить спотворену світлосигнальну картину, тобто взаємодіє з фактично непрацездатною ССА.

Випадок 2. Світлосигнальна система аеродрому перебуває в працездатному стані до початку візуального контакту екіпажа ПС з АВ, але відмова ССА відбувається на проміжку часу візуального пілотування t_вп, тобто екіпаж ПС також взаємодіє з фактично непрацездатною ССА.

Випадок 3. Світлосигнальна система аеродрому перебуває в непрацездатному стані через відмову ПЕАВ. Інформація про відмову є, та проводиться аварійне відновлення ССА, проте є “критичне ПС”, що вимагає здійснення посадки.

Випадок 4. Посадку здійснює “критичне ПС”, і ССА перебуває в непрацездатному стані через відмову АВ (САК технічного стану АВ перебуває у будь-якому стані).

Усі ці випадки розглядаються за умови правильного функціонування ергатичного комплексу “Екіпаж - ПС” та радіотехнічних засобів забезпечення польотів і зв'язку за час заходу на посадку.

Нормованих значень ймовірностей виникнення форм особливих ситуацій, пов'язаних із відмовами аеродромних візуальних аеронавігаційних засобів забезпечення польотів, не існує. Аеродромне обладнання, яке безпосередньо бере участь у процесі забезпечення польотів ПС, впливає на рівень безпеки польотів, так само як і бортове, отже нормовані значення ймовірності виникнення форм особливих ситуацій у польоті логічно використовувати для аеродромних візуальних засобів забезпечення польотів, тобто ССА.

На етапі візуального пілотування у СМУ ймовірності виникнення таких форм особливої ситуації на борту ПС, як ускладнення умов польоту та складної ситуації через відмови ССА, відповідно дорівнюють 10^-3 і 10 ^-5 на одну посадку або зліт.

Третій розділ роботи присвячено визначенню надійності ССА та її підсистем аналітичним методом. Розроблено математичні моделі надійності ПССА та ССА. На базі розроблених математичних моделей складено методику визначення надійності ССА на етапі проектування, яка містить алгоритм визначення надійності ССА аналітичним методом та комп'ютерну програму для автоматизації розрахунків.

Кожна ПССА складається з двох функціональних підсистем - ПАВ і ПЕАВ, відмови яких вважаються незалежними. Підсистема ССА перебуває у працездатному стані, коли і ПАВ, і ПЕАВ перебувають у працездатному стані.

Елементами ПАВ є аеродромні вогні. Умова працездатного стану ПАВ визначається відповідно до критеріїв працездатного стану для ПССА: ПАВ працездатна у тому випадку, якщо серед кожних М суміжних елементів (АВ) хоча б один перебуває в працездатному стані і загальна кількість елементів, що відмовили, не перевищує К (К і М - відповідно кількісний та топологічний критерії відмови ПССА).

Елементами ПЕАВ є регулятори яскравості (РЯ), ізолюючі трансформатори (ІТ) та кабель. ПЕАВ перебуває у працездатному стані у випадку, коли всі КЛ, що входять до її складу, перебувають у працездатному стані.

Для визначення одиничних показників надійності ПССА розглянемо її як невідновлювану на проміжку часу 12 год. (час між двома відновленнями працездатного стану ПССА) систему.

Імовірність безвідмовної роботи ПЕАВ РПЕАВ(t) знаходиться як

, (2)

де NКЛ, NРЯ, NІТ - відповідно кількість КЛ, РЯ і ІТ у підсистемі;

РЯ і ,ІТ і - інтенсивності відмов і-х РЯ та ІТ відповідно;

_к - інтенсивність відмов кабелю певної КЛ.

Імовірність безвідмовної роботи ПАВ Р_ПАВ(t) при врахуванні тільки кількісного критерію визначається за формулою бінома Ньютона, а при врахуванні топологічного критерію, наприклад, заборони пари суміжних елементів, що відмовили - за спеціально виведеною формулою:

, (3)

де К_mах - максимальна припустима кількість вогнів, що відмовили, у ПАВ;

N_АВ - загальна кількість АВ у ПАВ;

P_AB(t), Q_AB(t) - ймовірності безвідмовної роботи і відмови АВ за час t відповідно.

Імовірність безвідмовної роботи ПССА за час t знаходиться на підставі формул (2), (3):

.

Імовірність відмови ПССА розраховується за формулою:

. (4)

Для визначення всіх інших показників надійності ПССА розглянемо її як відновлювальну у процесі функціонування систему. Відновлювальними елементами у ПССА вважаються тільки елементи ПЕАВ.

Нестаціонарний коефіцієнт готовності ПЕАВ знаходиться за формулою:

, (5)

де _i , _i - інтенсивність відмов та інтенсивність відновлення i-ої КЛ.

Комплексні показники надійності ПССА, нестаціонарні коефіцієнти готовності, неготовності, вимушеного простою та аварійного використання визначаються з урахуванням (5) наступним чином:

коефіцієнт готовності ПССА:



коефіцієнт неготовності ПССА:

; (6)

коефіцієнт вимушеного простою ПССА - імовірність застати ПССА у будь-який момент часу у стані “відмова КЛ - непланове відновлення працездатного стану ПССА”:

коефіцієнт аварійного використання ПССА - імовірність застати ПССА в будь-який момент часу у стані “відмова ПАВ, інформації про відмову немає”:

.

Середній наробіток між відмовами ПССА визначається як

. (7)

Середній час відновлення ПССА розраховується за формулою

; , (8)

де Т_{В i} - середній час відновлення i-го елементу КЛ ПЕАВ, що відмовила.

Після розрахунку показників надійності кожної з ПССА за наведеним алгоритмом визначається надійність ССА в цілому. Критерій працездатного стану ССА може бути задано так, що вона розглядається як система з навантаженим резервуванням певних підсистем (осьові та бокові вогні злітно-посадкової смуги) або як система без резервування.

Критерій працездатного стану задамо так: ССА перебуває у працездатному стані у випадку, якщо у працездатному стані перебувають всі підсистеми, що входять до її складу. Тоді ймовірність безвідмовної роботи ССА за час між двома перевірками її технічного стану визначається за формулою

,

де N_ПССА - загальна кількість функціональних підсистем у складі ССА;

Р_СК(t) - імовірність безвідмовної роботи системи керування ССА за час t.

Імовірність відмови ССА знаходиться аналогічно розрахунку Q_ПССА(t) за формулою (4). Нестаціонарний коефіцієнт готовності СК визначається аналогічно розрахунку К_{г ПЕАВ}(t) за формулою (5).

Комплексні показники надійності ССА визначаються так:

нестаціонарний коефіцієнт готовності ССА:

;

нестаціонарний коефіцієнт неготовності ССА - за формулою (6);

нестаціонарний коефіцієнт вимушеного простою ССА:

,



де К_{НГ СК}(t) - коефіцієнт неготовності СК знаходиться аналогічно К_{НГ ПССА}(t) за формулами (5) і (6);

нестаціонарний коефіцієнт аварійного використання ССА:

.

Середній наробіток між відмовами та середній час відновлення ССА визначаються за формулами (7) і (8) відповідно.

У даному розділі дисертаційної роботи детально розглянуто також випадки, коли допускається відмова одної КЛ у ПССА та коли ССА розглядається як система з резервуванням певних підсистем. Розроблено методику визначення надійності ПССА аналітичним методом та пакет прикладних програм, призначений для автоматизованого розрахунку всіх показників надійності.

Після визначення всієї номенклатури показників надійності ССА необхідно оцінити, чи забезпечує даний рівень надійності ССА нормований рівень безпеки польотів.

Кількісна оцінка впливу надійності ССА на рівень безпеки польотів здійснюється на підставі математичної моделі етапу візуального пілотування.

Імовірність виникнення особливої ситуації на борту ПС з вини функціональних систем, що забезпечують політ Q_{ОС н}, нормується на одну посадку:

. (9)

Для практичного визначення ймовірності виникнення особливої ситуації через показники надійності ССА формула (1) набуває вигляду



.

Отримане значення Q_ОС(t) порівнюється з нормованим значеннями (9).

Якщо нерівність (9) виконується, можна зробити висновок про те, що ССА забезпечує нормований рівень безпеки польотів ПС за 12 год. (значення Q_ОС(t) отримане на кінець 12 год.).

Якщо нерівність (9) не виконується, необхідно простежити динаміку зміни Q_ОС(t) за 12 год. (рис.1).

За даними графіку (рис.1) можна визначити відрізок часу, протягом якого ССА задовольняє нормованим вимогам щодо безпеки польотів, і час, коли необхідно проводити її ТОіР.

За результатами кількісного аналізу впливу надійності ССА на безпеку польотів можна запропонувати певні заходи щодо керування її надійністю.

Проводити визначення та оцінку впливу надійності ССА на рівень безпеки польотів для конкретного аеропорту в межах усіх стадій життєвого циклу ССА, що дозволяє забезпечувати нормований рівень безпеки польотів на етапі візуального пілотування в СМУ.

Науково обґрунтовувати для кожного аеропорту доцільності комплектування ССА такими засобами забезпечення її надійності, як

елементами з невиправдано високими з позицій вартості значеннями показників безвідмовності;

спеціальними системами автоматичного контролю і діагностування АВ.

Наприклад, чи є рація купувати високо надійні і, як наслідок, дорогі вогні і засоби автоматичного контролю їхнього стану для аеропорту, що перебуває в кліматичній зоні переважаючих простих метеорологічних умов.

Розробка оптимальної стратегії ТОіР ССА для конкретного аеропорту з використанням як критерію оптимальності показника рівню безпеки польотів і матеріальні витрати на технічну експлуатацію ССА.

У четвертому розділі розроблено методику визначення надійності ССА та її підсистем на базі метода статистичного моделювання на ПЕОМ. Цей метод варто використовувати, коли неможливо застосувати аналітичний метод для визначення надійності ССА та її підсистем, наприклад, для ПССА зі складними критеріями станів або у випадку, коли закон розподілу середнього наробітку до відмови елементів ПССА відрізняється від експоненціального.

Сформульовано основні принципи, на базі яких проводиться моделювання та складено його алгоритм. Вихідними даними для створення моделі ПССА та ССА є опис їх надійності. У процесі моделювання визначаються дані про об'єкт та параметри моделювання: крок кусково-лінійної апроксимації, сумарну похибку, достовірність оцінки результатів та кількість незалежних реалізацій.

Алгоритм моделювання функціонування ПССА (рис. 2.) складається із семи основних блоків: блока введення вихідних даних, блока генерації випадкового числа з рівномірним законом розподілу, блока перетворення випадкового числа з рівномірним законом розподілу на число з заданим законом розподілу, блока інтерпретації стану об'єкта за результатами інформації, отриманої з блока перетворення, блока розрахунку результатів, блока накопичення даних та блока видачі результатів моделювання.

Алгоритм моделювання функціонування ССА в цілому майже не відрізняється від алгоритму функціонування ПССА, лише додається блок моделювання функціонування СК ССА.

Вихідними даними для моделювання функціонування ССА є кількість ПССА, що входять до її складу, дані про критерії відмови ПССА та показники надійності її елементів, дані про показники надійності СК, режим функціонування ССА, категорія метеоумов, функція, яку виконує ССА.

Згідно з алгоритмом проводиться моделювання функціонування кожної ПССА і СК, фіксуються факти та причини відмов, накопичується інформація про час, проведений підсистемою у кожному зі станів. Цикл моделювання повторюється доти, доки не будуть зроблені всі іспити і накопичена відповідна статистика. На підставі цих даних статистичними методами розраховуються всі основні показники надійності ССА за певною номенклатурою.

Описані методика і програма успішно пройшли апробацію при виконанні науково-дослідних робіт для визначення показників надійності конкретних ССА різних типів.

Також у даному розділі дисертаційної роботи визначено показники надійності ССА типу ВВІ-ІІ виробництва фірми “Honeywell”, яка експлуатується в аеропорту “Бориспіль” та проведено кількісну оцінку збіжності результатів, отриманих при практичному застосуванні обох методик.

Ідентичність результатів, отриманих при застосуванні обох методик, підтверджує правильність методик і достовірність та обґрунтованість розроблених наукових положень.

На базі метода статистичного моделювання та складеного алгоритму розроблено “Методику визначення надійності ССА на етапах сертифікації та експлуатації” і комп'ютерну програму, яка її реалізує.



ОСНОВНІ РЕЗУЛЬТАТИ РОБОТИ ТА ВИСНОВКИ

1. Встановлено, що на етапі візуального пілотування в складних метеоумовах вдень і вночі єдиним джерелом візуальної інформації для пілота ПС є світлосигнальна система аеродрому, надійність якої безпосередньо впливає на рівень безпеки польотів.

2. Встановлено, що на цей час у нормативно-технічних документах ЦА України, МАК, стандартах і рекомендаціях ІКАО, “Об'єднаних авіаційних правилах” (JAR-OPS 1) відсутнє поняття надійності стосовно світлосигнальних систем аеродромів, їх кількісний опис, методики визначення та оцінки показників надійності, а також вимоги щодо їх нормованих значень та умов забезпечення на етапах проектування, сертифікації та експлуатації.

3. Розроблено та обґрунтовано термінологічний апарат стосовно об'єкту дослідження, який було застосовано для створення структурно-логічних моделей станів світлосигнальної системи аеродрому і математичних моделей її надійності. Даний апарат рекомендовано до використання при визначенні надійності світлосигнальних систем аеродромів на етапах проектування, сертифікації та експлуатації.

4. Проведено аналіз технічних станів світлосигнальної системи аеродрому та пов'язаних з ними ситуацій, які виникають на етапі візуального пілотування в складних метеоумовах, що дозволило розробити математичну модель етапу візуального пілотування та визначити об'єктивну можливість забезпечення світлосигнальною системою нормованих рівнів безпеки польотів.

На базі цієї моделі створено методику кількісної оцінки впливу показників надійності світлосигнальної системи аеродрому на рівень безпеки польотів на етапі візуального пілотування з урахуванням інтенсивності повітряного руху та кліматичних характеристик аеродрому.

5. Розроблено математичні моделі надійності світлосигнальної системи аеродрому та її підсистем, на базі яких створено методику визначення показників їх надійності на етапі проектування, що надає можливість проектувати сучасні світлосигнальні системи з заданими значеннями показників надійності та проводити порівняльний аналіз надійності спроектованих систем. Дана методика базується на аналітичному підході до визначення надійності технічних систем.

6. Спеціально для визначення надійності світлосигнальних систем аеродромів на етапах сертифікації та експлуатації розроблено методику на базі метода статистичного моделювання.

Особливістю даної методики є її універсальність, тобто вона дозволяє визначати показники надійності світлосигнальної системи та її підсистем за показниками надійності їх елементів, які мають різні закони розподілення середнього наробітку до відмови, що знімає обмеження щодо використання експоненціального закону надійності.

7. Правильність наукових положень та аналітичних співвідношень, отриманих при розробці математичних моделей і застосованих в відповідній методиці визначення надійності світлосигнальних систем аеродромів на базі аналітичного методу, була підтверджена результатами статистичного моделювання надійності світлосигнальної системи аеродрому при ідентичних умовах та припущеннях.

8. Обґрунтованість наукових результатів, отриманих при використанні математичної моделі етапу візуального пілотування, обумовлена детальним аналізом нормативних документів, які регламентують технологію етапу візуального пілотування.

9. Свідченням наукової та практичної цінності отриманих результатів є те, що їх застосування дозволяє ефективно вирішувати наступні задачі з світлотехнічного забезпечення польотів цивільної авіації України:

проектування світлосигнальних систем аеродромів з заданими показниками надійності;

нормування показників надійності світлосигнальних систем аеродромів та її елементів виходячи із критеріїв забезпечення безпеки та регулярності польотів на етапі візуального пілотування;

порівняльного аналізу з позицій надійності обладнання світлосигнальних систем аеродромів різних виробників;

раціонального вибору кількості аеродромних вогнів та кабельних ліній за умови забезпечення їх нормованих показників надійності, що дозволяє отримати економічний ефект;

вибору та обґрунтування конкретних напрямів щодо керування надійністю ССА в процесі проектування, сертифікації та експлуатації;

розробки науково обґрунтованих критеріїв граничного стану для світлосигнальних систем аеродромів, які перебувають в експлуатації;

переходу на стратегію технічного обслуговування світлосигнальних систем в залежності від їх технічного стану з контролем рівня надійності.

10. Результати дисертаційної роботи в цілому є базою для розробки нових нормативно-правових актів у галузі світлотехнічного забезпечення польотів на аеродромах цивільної авіації України.



ПУБЛІКАЦІЇ ЗА ТЕМОЮ ДИСЕРТАЦІЇ

Девяткина С.С., Ильницкий Л.Я. Дистанционное беспроводное управление светосигнальным оборудованием аэродрома // Вісн. КМУЦА. - 2000. - № 1-2 (6). - С. 237-240.

Дев'яткіна С.С. Основні проблеми надійності світлосигнальних систем аеродромів // Вісн. НАУ. - 2001. - №2. - С. 121-125.

Азарсков В.М., Дев'яткіна С.С. Надійність світлосигнальної системи аеродрому та безпека польотів на етапі візуального пілотування у складних метеоумовах // Вісн. Центрального наук. центру Транспортної Акад. України. - 2001. - №4. - С. 12-14.

Азарсков В.М., Дев'яткіна С.С. Кількісний аналіз впливу надійності світлосигнальної системи аеродрому на безпеку польотів // Вісн. Центрального наук. центру Транспортної Акад. України. - 2002. - №5. - С. 48-50.

Дев'яткіна С.С. Методика визначення показників надійності категорованих світлосигнальних систем аеродромів // Вісн. НАУ. - 2002. - №1. - С. 193-197.

Дев'яткіна С.С. Аналіз надійності електропостачання вогнів світлосигнальних систем аеродромів цивільної авіації // Вісн. НАУ. - 2002. - №2. - С. 221-227.

Девяткина C.С., Ильницкий Л.Я. Дистанционное беспроводное управление светосигнальным оборудованием аэродрома // Труди І Міжнар. конф. “Авіа-99” - Київ: КМУЦА. - 1999.

Девяткина С.С. Надежность светосигнальной системы аэродрома и безопасность полетов на этапе визуального пилотирования в сложных метеоусловиях // Труди II Міжнар. конф. “Авіа-2000” - Київ: НАУ. - 2000.

Ванецян С.Г., Девяткина С.С. Анализ влияния надежности системы электроснабжения аэропорта на безопасность полетов // Труди II Міжнар. конф. “Авіа-2000” - Київ: НАУ. - 2000.

Дев'яткіна С.С. Методика визначення надійності світлосигнальних систем аеродромів // Труди ІІІ Міжнар. конф. “Авіа-2001” - Київ: НАУ. - 2001. - С. 6.76 - 6.79.

Ванецян С.Г., Дев'яткіна С.С. Основні принципи побудування сертифікаційного базису для сертифікації систем технічної експлуатації світлосигнального обладнання аеродрому // Труди ІІІ Міжнар. конф. “Авіа-2001” - Київ: НАУ. - 2001. - С. 6.80 - 6.82.

Дев'яткіна С.С. Аналіз надійності модернізованих світлосигнальних систем аеродромів цивільної авіації // Труди ІV Міжнар. конф. “Авіа-2002” - Київ: НАУ. - 2002. - С. 23.87 - 23.90.

Системи світлосигнальні аеродромні: Українсько-російсько-англійський термінологічний словник. / Уклад. В.М. Азарсков, С.Г. Ванецян, С.С. Дев'яткіна. К.: НАУ, 2002. - 44 с.

Світлотехнічні комплекси аеропортів. Завдання та методичні вказівки до виконання курсової роботи. / Уклад. С.Г. Ванецян, С.С. Дев'яткіна. - К.: НАУ - 2001. - 20 с.

Размещено на Allbest.ru