Разработка методов повышения достоверности и автоматизации наземного контроля бортовых систем и комплексов воздушного судна для обеспечения безопасности полетов

1

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени доктора технических наук

Разработка методов повышения достоверности и автоматизации наземного контроля бортовых систем и комплексов воздушного судна для обеспечения безопасности полетов

Специальность 05.22.14 - Эксплуатация воздушного транспорта

Лебедев А.М.

Москва 2009

Работа выполнена в Московском государственном техническом университете гражданской авиации на кафедре безопасности полетов

Научный консультант

доктор технических наук, профессор Зубков Борис Васильевич.

Официальные оппоненты:

доктор технических наук, профессор Коняев Евгений Алексеевич;

доктор технических наук, профессор Барсоев Владимир Александрович;

доктор технических наук, профессор Попов Петр Михайлович.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность проблемы. Безопасность полетов - проблема, актуальность которой чрезвычайно велика. Обеспечение безопасности полетов является комплексной проблемой, требующей для решения своих задач системного подхода. Повышение безопасности полетов обеспечивается учетом неблагоприятных факторов, исследованием причинно-следственных факторов и разработкой мероприятий по снижению влияния этих факторов на уровень безопасности полетов.

Решению этих проблем посвящены работы многих авторов: Е.Ю. Барзиловича, Ю.К. Беляева, В.Г. Воробьева, Б.В. Зубкова, Л.Г. Евланова, Ю.В. Кожевникова, А.Н. Коптева, Е.И. Кринецкого, А.В. Мозгалевского, П.П. Пархоменко, Р.В. Сакач, И.Ю. Юсупова и других.

Повышение достоверности и автоматизации наземного контроля ведет к более полному выявлению отказов и неисправностей при испытаниях ВС и его систем и представляет собой один из основных путей повышения качества. Исследования показали, что повышение достоверности контроля (снижение роли явления дефекта назначения допусков и субъективных ошибок в процессе контроля) может быть предотвращено автоматизацией контроля и испытаний.

Автор принимал участие в проведении работ по проектированию, разработке и внедрению АСК, САПР программ контроля.

Несмотря на значительные достижения в создании этих систем, опыт эксплуатации показал необходимость уточнения теории контроля и испытаний бортовых систем, расширения области применения от серийного производства до этапа эксплуатации как наземных автоматизированных систем контроля, так и бортовых автоматизированных систем контроля с функциями «подсказчика», а также распространение их на области, связанные с обучением.

Обобщен опыт внедрения и эксплуатации систем, рассмотрены вопросы общетехнического применения (технико-экономические расчеты, повышение объективности и достоверности контроля; общетехнические характеристики: габаритно-массовые, энергетические, информационные).

Диссертационная работа базируется на материалах теоретических и экспериментальных исследований, выполненных автором в НПО прикладной механики (г. Красноярск-26), Ульяновском авиационном промышленном комплексе (УАПК) и в Ульяновском высшем авиационном училище гражданской авиации (УВАУ ГА) в период с 1993-2007 гг. Большинство работ выполнялось в соответствии с тематикой, утвержденной соответствующими постановлениями.

Объект исследования. Обеспечение безопасности полетов.

Предмет исследования. Методы повышения достоверности и автоматизации наземного контроля бортовых систем и комплексов ВС.

Цель работы. Разработка методов повышения достоверности и автоматизации наземного контроля бортовых систем и комплексов воздушного судна для обеспечения безопасности полетов.

Задачи работы.

1. Анализ отказов бортовых систем и воздушного судна (ВС), достаточности уровня достоверности контроля и методы его повышения.

2. Оценка влияния повышения достоверности и автоматизации контроля на уровень безопасности полетов.

3. Создание математической модели контрольных параметров при многоуровневой организации допускового контроля.

4. Разработка математической модели достоверности допускового контроля при наличии дефекта допусков, порождающих риски изготовителя и заказчика и исследование дефекта допусков.

5. Создание математической модели, описывающей комбинации контрольных параметров, параметры внешней среды и рекомендации для экипажа на всех этапах полета.

6. Разработка критериев качества, обеспечивающих требования к отклонению выходного сигнала бортовой системы или ВС в целом, исключающих дефект допусков. Исследование гиперповерхности качества.

7. Разработка метода бездефектного допускового контроля.

8. Анализ методологии создания, внедрения и эксплуатации автоматизированных систем контроля для окончательного производства самолетостроительного предприятия.

9. Обобщение результатов внедрения автоматизированных систем контроля и САПР программ контроля.

10. Разработка технических требований к автоматизированным системам контроля; требования к бортовым системам и комплексам ВС. Проработка технологических характеристик АСК для применения на ремонтных заводах.

Методы исследования

Для решения поставленных задач в работе используются математический анализ, аналитическая геометрия, элементы тензорного анализа, теория вероятностей и математическая статистика, теория автоматического управления, теория контроля и испытаний, теория проектирования автоматизированных систем управления техническими процессами (АСУ ТП), автоматизированных систем контроля (АСК), САПР.

Научная новизна

1. Проведен анализ отказов ВС, порожденных дефектом допусков. В рамках модели Л.Г.Евланова получены аналитические зависимости риска изготовителя и риска заказчика путем интегрирования в n-мерном пространстве при распределении контрольных параметров по закону равной плотности и по нормальному закону. Получены аналитические выражения условных вероятностей признания годного изделия годным, негодного негодным, негодного годным и годного негодным; общей достоверности контроля при наличии дефекта допусков. Исследованы зависимости рисков заказчика и изготовителя, условных вероятностей от числа контрольных параметров и от взаимного расположения зон контрольных допусков и гиперповерхности качества.

2. Разработана математическая модель контрольных параметров для многоуровневой организации допускового контроля, которая позволяет представить функцию критерия качества как функцию критерия качества от контрольных параметров, представленной в виде разложения в степенной ряд.

3. Выполнена оценка влияния дефекта допусков и субъективного фактора при наземном контроле на уровень безопасности полетов. Технико-экономический эффект, полученный за счет повышения достоверности контроля, позволяет сделать вывод о целесообразности дальнейшей автоматизации испытательных работ.

4. Из качественного анализа структуры решения системы линейных дифференциальных уравнений для различных этапов полета получена трехмерная диагностическая матрица, описывающая ситуации отказов (по комбинациям контрольных параметров) и параметров внешней среды для этапов полета.

5. Разработаны критерии качества, обеспечивающие отклонения выходного сигнала от заданного уровня или от расчетного переходного процесса бортовой системы или ВС в целом. Исследована гиперповерхность качества и получено ее более точное представление в виде гиперовалоида, вместо принятого ранее в теории гиперэллипсоида.

Применен гиперовалоид качества к техническим вопросам: комплексирования бортовых систем и комплексов ВС; представления диаграммы «ВС - внешняя среда» в n-мерном пространстве.

6. Разработан метод бездефектного допускового контроля, который позволяет исключить влияние рисков изготовителя и заказчика с точностью, определяемой количеством членов ряда Тейлора.

7. Проанализирован опыт внедрения автоматизированных систем контроля, САПР программ контроля и программных комплексов для испытаний; разработаны технические требования к новому поколению АСК и требования к бортовым системам ВС.

Практическая значимость работы заключается в следующем:

1. В промышленную эксплуатацию в цехах окончательного производства самолетостроительного предприятия внедрено: автоматизированных систем контроля на базе ЭВМ - 9, САПР программ контроля - 5, программных комплексов для решения испытательных задач - 12 с общим экономическим эффектом 1531313 рублей в ценах 1985 года. Проведенные работы позволили повысить достоверность и объективность контроля, снизить влияние субъективного фактора, снизить трудоемкость контроля.

2. Разработаны методы повышения достоверности наземного контроля путем разработки АСК для обеспечения безопасности полетов. Оценено повышение достоверности и автоматизации контроля на уровень безопасности полетов. Повышение уровня безопасности полетов составит от 4,91% до 7,85%, предотвращенный ущерб от повышения достоверности и автоматизации наземного контроля за счет исключения ущерба от дефекта допусков и субъективных ошибок оператора составит от 5,6 до 9,1 млрд. руб.

3. Разработаны комплекты конструкторской, технологической и эксплуатационной документации для развертывания отраслевого внедрения. Документация сдана в архив Министерства авиационной промышленности.

4. Разработана математическая модель контрольных параметров для многоуровневой организации допускового контроля.

5. Разработана математическая модель достоверности допускового контроля при наличии дефекта допусков. Исследован дефект допусков, получены формулы рисков изготовителя и заказчика в зависимости от числа контрольных параметров.

6. Разработаны критерии качества, которые можно применить для реальных бортовых систем. Исследована гиперповерхность качества и установлено, что она является гиперовалоидом, ранее принимаемая гиперэллипсоидом.

7. Разработан метод бездефектного допускового контроля.

8. Проанализированы методология проектирования, внедрения и эксплуатации, а также обобщенные результаты внедрения АСК и САПР программ контроля.

9. Разработаны технические требования к АСК; требования к бортовым системам и комплексам, которые можно использовать при составлении тактико-технических требований (ТТТ), общих технических требований (ОТТ), тактико-технических заданий (ТТЗ).

10. Обобщенные результаты внедрения могут быть применены при составлении ТЗ на новые образцы указанных систем.

Достоверность результатов исследования обеспечивается: верификацией полученных формул путем проверки их логического непротиворечия; проверкой теоретических положений на экспериментальных данных; практической эксплуатацией автоматизированных систем контроля и САПР программ контроля в окончательном производстве УАПК в течение нескольких лет.

Основные положения, выносимые на защиту

1. Математическая модель контрольных параметров при многоуровневой организации допускового контроля, позволяющая выразить критерии качества как функции контрольных параметров, при представлении критерия качества в виде ряда Тейлора.

2. Оценка влияния повышения достоверности контроля за счет исключения дефекта допусков и субъективных ошибок оператора при наземном контроле на уровень безопасности полетов.

3. Математическая модель дефекта допусков и метод расчета по полученным аналитическим зависимостям величины вероятности признания годного изделия негодным и наоборот. Результаты исследования зависимости рисков изготовителя и заказчика от числа контрольных параметров и от взаимного расположения гиперпараллелепипеда допусков и гиперповерхности качества.

4. Метод бездефектного допускового контроля, применение которого позволяет исключить влияние рисков изготовителя и заказчика на результаты контроля.

5. Критерии качества, обеспечивающие отклонения выходного сигнала бортовых систем от заданного уровня или от расчетного переходного процесса. Представление критерия качества в виде гиперповерхности качества, имеющей форму гиперовалоида, вместо принятого ранее в теории контроля и испытаний гиперэллипсоида. Применение гиперовалоида качества к следующим техническим вопросам: комплексирование бортовых систем и комплексов ВС; представление диаграммы «ВС - внешняя среда» в n-мерном пространстве.

6. Диагностическая трехмерная матрица как модель представления состояния ВС, описывающая ситуации отказов (по комбинациям контрольных параметров), параметров внешней среды для этапов полета и рекомендаций по их устранению.

7. Технические требования к проектированию нового поколения АСК и САПР программ контроля.

Апробация работы. Основные результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на 20 научно-технических конференциях и семинарах: на отраслевом семинаре «Состояние и перспективы развития автоматизированного технологического оборудования в области контроля и испытаний бортовых систем» (г. Москва, НИАТ) в 1984 г.; на республиканской конференции «Практика и проблемы создания гибких автоматизированных производств на предприятиях республики» (г. Казань) в 1984 г.; на отраслевом совещании «Состояние и перспективы развития производства автоматизированного технологического оборудования для контроля и испытаний бортовых систем» (г. Москва, НИАТ, ДСП) в 1987 г.; на отраслевой конференции «Проблемы комплексной автоматизации функциональных испытаний изделий в машиностроении» (г. Москва, НИАТ, ДСП) в 1988 г.; на НТС предприятия п/я А-1046 в 1988 г.; на научно-методической конференции Казанского авиационного института в 1990 г.; на межотраслевом семинаре «Автоматизация отработки и испытаний систем автоматики с цифровым обменом информации» (Москва-Куйбышев, НИАТ) в 1990 г.; на международной конференции «Современные научно-технические проблемы гражданской авиации» (г. Москва, МГТУ) в 1996 г.; на НПК «Проблемы совершенствования подготовки авиационных специалистов» (г. Ульяновск, УВАУ ГА) в 1997 г. и в 1999 г.; на международной конференции «Современные научно-технические проблемы транспорта России» (г. Ульяновск, УВАУ ГА) в 1999 г. и в 2000 г.; Interactive System: The Problem of Hu-men-Computer Interaction Proceeding of the International Conference 22-24 septem-ber 1999-Ulyanovsk-1999 г.; на НПК: «Подготовка специалистов гражданской авиации» (г. Ульяновск, УВАУ ГА) в 2001 г.; на международной конференции «Гражданская авиация на рубеже веков» (г. Москва, МГТУ ГА) в 2001 г.; на международной научно-технической конференции, посвященной 80-летию гражданской авиации России «Гражданская авиация на современном этапе развития науки, техники и общества» (г. Москва) в 2003 г.; на пятой международной научно-технической конференции «Чкаловские чтения» (г. Егорьевск, ЕАТК ГА им. В.П. Чкалова) в 2004 г.; на международной научно-технической конференции «Гражданская авиация на современном этапе развития науки техники и общества» (Москва, МГТУ ГА) в 2006 г.; международная научно-техническая конференция, посвященная 85-летию гражданской авиации «Гражданская авиация на современном этапе развития науки, техники и общества» (Москва, МГТУ ГА) в 2008 г.

Публикации. Основные результаты исследований изложены в 62 печатных работах, из них 11 статей в журналах, рекомендованных ВАК.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, пяти глав, основных результатов работы, списка литературы (207 наименований) и содержит 303 стр. основного текста, 68 рисунков, 12 таблиц.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы, определены основные цели, методы, охарактеризована научная новизна и практическая значимость; кратко описано основное содержание работы; сформулированы основные положения, выносимые на защиту.

В первой главе проработано состояние теории и практики испытаний ВС на окончательных стадиях производства и приведен анализ отказов. За основу для анализа взяты статистические данные прошлых лет, когда налет был достаточно велик и эти данные были достоверными. Полученные результаты показывают, что (80-90) % отказов и неисправностей приходятся на покупные изделия, а остальные (10-20)% связаны с неисправностями электрожгутов, электросборок, электрофидеров и с неправильным их монтажом на изделии.

Из анализа следует, что общее количество дефектов и отказов на изделиях достаточно велико (средняя наработка на отказ - 2 часа). Через входной контроль и приемосдаточные испытания на сборку проникает от 10 до 15 % отказавших изделий, из которых (40-50) % выявляются только в эксплуатации. Как показали собственные исследования, на входном контроле эта доля составляет 26,4 % отказавших изделий.

Для самолетостроительного предприятия важно не пропустить через входной контроль отказавшее изделие и выявить дефекты в электромонтажных изделиях. Причем, экономически целесообразно выявлять отказы на первоначальных стадиях. Все изделия, устанавливаемые на борт, проходят автономные испытания, технологический прогон, обкаточные стенды; при этом все контрольные параметры в норме, а на испытаниях в составе ВС они оказываются неработоспособными. Причина заключается в недостаточной достоверности, которая может заключаться в следующих причинах: дефект допусков; ошибочное назначение допусков; субъективные ошибки операторов; ошибки при составлении программ и методик испытаний; несоответствие конструкторской документации; организационные причины; несанкционированный допуск.

Для сокращения количества неисправных изделий надо исследовать достоверность допускового контроля. В процессе контроля возможны следующие ситуации: - исправное изделие признано исправным; - неисправное изделие признано неисправным; - исправное изделие признано неисправным (риск изготовителя); - неисправное изделие признано исправным (риск заказчика). В результате контроля стоит задача всемерного уменьшения вероятностей и .

Теоретическая сторона этого вопроса исследуется достаточно давно. Первоначально изучались риски заказчика и изготовителя, порожденные ошибками измерения. Эта задача доведена до уровня ОСТ. Недостоверность, обусловленная надежностью контрольно-проверочной аппаратуры, рассмотрена Б.В. Васильевым. Позже Л.Г. Евланов ввел новый источник недостоверности - дефект назначения допусков. Кроме этого, существует недостоверность, обусловленная человеческим фактором: ошибки при составлении программ контроля; ошибки испытателей; преднамеренное искажение результатов контроля и несанкционированный доступ.

Большое количество дефектов, проходящих через входной контроль и приемосдаточные испытания, может быть объяснено наличием методической погрешности, получившей название дефект назначения допусков.

Кардинальный выход из всех рассмотренных проблем заключается в разработке автоматизированных систем контроля (АСК), САПР программ контроля и программных комплексов для испытательных задач.

Во второй главе проведена оценка влияния достоверности и автоматизации наземного контроля на уровень безотказности полетов. Требования по безопасности полетов закладываются при конструировании ВС и реализуются в технологии изготовления и испытаний. В настоящее время ставится задача разработки методов комплексной оценки безопасности полетов на всём жизненном цикле ВС. Это сложная комплексная задача, решить которую можно методами системного подхода, путем анализа всех факторов для предотвращения их влияния на безопасность полетов. Таким образом, необходимо своевременно выявлять и устранять факторы, которые ведут к АП. Как показал анализ отказов и неисправностей бортовых систем, обеспечение безопасности полетов связано с проблемой парирования негативных факторов. Одним из таких сравнительно новых факторов является дефект назначения допусков. Признание негодного изделия годным позволяет ему пройти через производственный контроль и проявиться только в полете. Другим таким фактором является давно известный фактор - субъективность контроля. Этот фактор объединяет в себе ошибки операторов при проведении контроля, ошибки инженерного персонала при составлении программ контроля, любые другие ошибки, порожденные человеческим фактором, вплоть до преднамеренного искажения результатов контроля и испытаний. Поставлена и решена задача определения бортовых систем и видов работ, подлежащих автоматизации с учетом существующих ограничений. Задача сведена к задаче линейного программирования.

Выполнена оценка ожидаемого повышения безопасности полетов за счет повышения достоверности контроля средствами автоматизации. В результате ожидаемый уровень повышения безопасности полетов (УБП) повышается на 3,75 % за счет повышения достоверности и автоматизации наземного контроля. Проведена оценка субъективных ошибок оператора, исключение которой повысит УБП на величину от 1,16 до 4,1 %. Общий уровень УБП составит от 4,91 до 7,85 %. Принята средняя цифра 6,38 %.

В третьей главе рассмотрены вопросы развития теории контроля в части, касающейся математического описания контрольных параметров и дефекта допусков. Необходимость проведения этих исследований возникла из практики внедрения в опытную и промышленную эксплуатацию автоматизированных систем контроля. Контрольные параметры в настоящее время имеют иерархическую структуру: дежурные параметры, которые непрерывно опрашиваются, и сопутствующие, обращение к которым происходит при выходе за пределы допуска дежурных параметров.

1

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Выход системы автоматического управления представляется как функция значений (номиналов) конструктивных элементов и входных воздействий. В то же время все критерии качества и нормативы исправности представляются через контрольные параметры. Путем разложения этой функции в степенной ряд Тейлора с точностью до первых членов разложения получена формула перехода. Подобная формула получена и для многоуровнего контроля. Эти формулы позволяют преобразовать критерий качества, представленный как разложение в ряд Тейлора по значениям конструктивных элементов, к ряду по значениям контрольных параметров. Термин «дефект допусков» означает возможность недостоверного выявления неисправности из-за методического несовершенства назначения допусков. Из физических соображений ясно, что система всегда имеет экстремум показателя качества . Геометрически зависимость показателя качества контрольных параметров представляется гиперповерхностью, имеющей точку экстремума (максимума), что и изображено на рис. 1а.

1

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Выполнение условия геометрически интерпретируется пересечением гиперповерхности качества с гиперплоскостью. Известно, что этим пересечением является гиперэллипсоид, получивший название гиперэллипсоида качества. На рис. 2а изображен случай описания гиперпараллелепипедом допусков гиперповерхности качества. Если n-мерная точка, представляющая собой состояние системы, находится в области, заключенной внутри гиперпараллелепипеда и вне гиперповерхности качества, то объект признается годным при его неисправном в действительности состоянии. Эта область называется областью риска заказчика (). На рис. 2б изображен случай вписания гиперпараллелепипеда в гиперповерхность качества, при нахождении n-мерной точки внутри гиперповерхности качества, но вне гиперпараллелепипеда, исправный объект контроля признается негодным (область риска изготовителя ). На рис. 2в показан случай одновременного существования рисков изготовителя и заказчика. Исследование выполнено для равномерной плотности распределения и для распределения контрольных параметров по n-мерному нормальному закону.

В качестве гиперповерхности качества принимается гиперэллипсоид. В этом случае вероятность попадания случайной величины , являющейся совокупностью контрольных параметров и определяющей вероятность исправности системы, может быть записана:

.

безопасность полет бортовой воздушный

Далее проводилось n-кратное интегрирование по частям, которое позволило получить окончательно

где n - четное (n > 0), k - число средних квадратических отклонений.

При n - нечетном интеграл может быть выражен в элементарных функциях и выражается интегралом Эйлера-Пуассона Ф(k).

Получение аналитического выражения для вероятности попадания вектора контрольных параметров позволяет получить значение вероятности риска заказчика как разность вероятности попадания вектора контрольных параметров в гиперпараллелепипед допусков и в гиперэллипсоид качества:

,

где n > 0, n - нечетное.

Для всех случаев получены аналитические выражения. Проведено исследование формул риска изготовителя и риска заказчика в зависимости от числа контрольных параметров. Риск заказчика является монотонно возрастающей функцией и асимптотически стремится к единице. Риск изготовителя является монотонно убывающей функцией.

Общая достоверность контроля определяется через произведение инструментальной достоверности и достоверности по дефекту допусков

,

где - общая достоверность контроля; - инструментальная достоверность контроля; - инструментальная составляющая риска изготовителя; - инструментальная составляющая риска заказчика.

Поверхность, описывающая общую достоверность контроля, исследована и ее вид представлен в работе.

Рассмотрено современное ВС, которое является сложным техническим объектом, имеющим в своем составе 100-150 бортовых систем. Каждая из бортовых систем описывается системой дифференциальных уравнений, имеющей, в общем случае, конкретный вид для каждого этапа полета. Совместное решение такого количества систем является проблематичной задачей. Однако с практической точки зрения можно ограничиться качественным подходом. Систему нормальных дифференциальных уравнений можно свести к одному дифференциальному уравнению n-го порядка, имеющему правую часть, представляющую собой сумму возмущающих и управляющих воздействий. Решение есть сумма свободных колебаний, определяемых структурой характеристического полинома, внешних воздействий и воздействий управления. Решение раскладывается в степенной ряд Тейлора, где возмущающее воздействие представлено как функция параметров внешней среды (коэффициент сцепления, боковой ветер, возмущающие моменты, обледенение, снег, дождь), а собственные колебания как функция контрольных параметров. В результате матрица представляется в виде трехмерной матрицы, в которой каждому этапу полета будет соответствовать свой слой. Эта матрица подразделяется на матрицы нормальных и аномальных ситуаций.

Введение такой пространственной матрицы, описывающей параметры внешней среды, и диагностической матрицы для каждого этапа полета создает предпосылки для создания систем интеллектуальной поддержки на уровне экспертных и диагностических систем. В правой части диагностической матрицы, где обычно записываются рекомендации для конкретной ситуации, могут находиться подматрицы описания особой ситуации. Эти подматрицы могут быть представлены в виде графов развития особой ситуации.

В данной работе предложено два практических критерия.

Первый критерий предусматривает наличие выходного сигнала в пределах установленного допуска в комплексных испытаниях при фиксированном значении входного сигнала. При этом предусматривается установившийся режим, т.е. испытания в статике:

,

Где р - оператор Лапласа; - выходной сигнал системы; - номинальное значение выходного сигнала; - i-й контрольный параметр.

1

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

В качестве следующего критерия предлагается критерий качества бортовой системы, реализующей минимальное отклонение переходного процесса реальной системы от расчетного переходного процесса. Этот критерий реализует формулу , где - выходной сигнал системы; - реальный переходный процесс; - допустимое отклонение; - i-й контрольный параметр. Если , то это будет трубка значений, в которой лежит переходный процесс.

Далее рассмотрено разложение в ряд Тейлора функции, содержащей модуль. Вид этой поверхности в трехмерном случае представлен на рис. 3.

1

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Показано, что при разложении в ряд в точке начала координат или в точке, бесконечно близкой к ней, нечетные производные равны нулю, а четные не равны нулю (только в частном случае). Учитывая это свойство и некоррелированность контрольных параметров, легко видеть, что это будет разложение по четным степеням. Далее проводится исследование этой гиперповерхности, лежащей в системе координат отклонений контрольных параметров. Эта гиперповерхность имеет экстремум в точке начала координат. Матрица Гессе будет знакоположительной, что соответствует минимуму.

Сечение этой поверхности плоскостью, параллельной плоскости контрольных параметров, представляет собой линию типа овала (в частном случае для второго порядка - эллипс). Исследование поверхности проведено с помощью прикладного пакета SURFER FROM WINDOWS, версия 5.01. Результаты представлены на рис. 4. Из рисунков видно, что поверхность качества с увеличением степени полинома становится менее эллиптичной и стремится к прямоугольной форме. Область допустимых значений критерия стремится к гиперпараллелепипеду, что ведет к тому, что дефект допусков стремится к нулю.

Пространство контрольных параметров является n-мерным пространством, что проявляется в технических приложениях. Рассмотрено проявление этих свойств на следующих примерах: влияние n-мерности пространства контрольных параметров на комплексирование бортовых систем ВС; диаграмма «ВС - среда» в n-мерном пространстве контрольных и управляющих параметров.

Поставлена и решена задача разработки метода бездефектного допускового контроля по заданному уравнению гиперповерхности качества.

Для решения этой задачи зависимость показателя качества в функции от контрольных параметров задается в виде разложения в степенной ряд Тейлора в тензорной форме записи. Для нахождения требуемого преобразования координат получено и решено тензорное уравнение, связывающее уравнение гиперповерхности качества в исходной системе координат посредством тензора преобразования с выражением, определяющим гиперпараллелепипед качества.

Данная процедура бездефектного допускового контроля сохраняет все технические преимущества допускового контроля и позволяет исключить риск заказчика и риск изготовителя, порождаемые дефектом допусков.

В четвертой главе рассмотрены вопросы методологии проектирования, внедрения и эксплуатации АСК на опыте внедрения на Ульяновском авиационно-промышленном комплексе. Данные работы велись в рамках создания комплексной автоматизированной системы управления производством (КАСУ), включающей, наряду с другими системами, автоматизированную систему проведения наземных и летных испытаний (АСПИ). В результате технологического анализа были выбраны направления работ по автоматизации: входной контроль, испытания бортовых систем, контроль электротехнического оборудования, натурные испытания, средства универсального назначения.

Работы по созданию систем велись рядом предприятий и отделом 356 (УАПК), руководимым автором. Отличительной особенностью этих работ было значительно большее время, затраченное на составление ТЗ. Было уделено особое внимание оперативности работ по курированию разработки и тщательности приемки технической документации.

Техническая документация после изготовления и внедрения в эксплуатацию в одном экземпляре передавалась в централизованный архив Минавиапрома для организации отраслевого внедрения этих систем.

Внедренные системы находились в течение года в опытной эксплуатации, затем после устранения основного объема недоработок происходил перевод в промышленную эксплуатацию.

В данной главе приводятся краткие данные по назначению и составу и технические характеристики внедренных АСК, САПР и программных комплексов. Приведен внешний вид основных систем.

Подробно рассмотрен процесс внедрения автоматизированного контроля электрожгутов, приведены графики надежности устройств, графики сокращения количества неисправностей, коэффициент корреляции отказов в жгутах с долей жгутов, подвергаемых автоконтролю. Выполнен расчет вероятности ошибок оператора при ручном контроле и вероятность ошибки при автоматизированном контроле; рассчитан коэффициент повышения достоверности контроля.

Все внедрения выполнялись в окончательном производстве самолетостроительного предприятия: входном контроле; производстве электрожгутов и электросборок, окончательной сборке, контрольно-испытательной станции, летно-испытательной станции и подразделениях службы испытаний.

В пятой главе проведен анализ результатов внедрения АСК с точки зрения общетехнических показателей. Экономический эффект и предотвращенный ущерб от внедрения в производство АСК и САПР являются одними из основных критериев целесообразности выполнения этих работ.

Рассмотрены характерные для систем этого класса статьи экономического расчета и расчетные формулы, применительно к АСК и САПР. Приведена сводка технико-экономических показателей внедренных АСК, САПР и ПК: сроки внедрения в опытную и промышленную эксплуатацию, коэффициент автоматизации, относительное сокращение времени испытаний, относительное сокращение трудоемкости испытаний, повышение объективности контроля, экономический эффект. В результате осреднения сроков нахождения в опытной эксплуатации получены следующие цифры: опытная эксплуатация АСК бортовых систем, функционирующих в составе изделия - от 1,5 до 2,5 лет; опытная эксплуатация САПР - 1 год. Внедрено в эксплуатацию 26 систем и ПКС с общим экономическим эффектом 1531313 рублей в ценах 1985 года.

Выполнен расчет ожидаемого предотвращенного ущерба за счет повышения уровня безопасности полетов, который составит от 5,6 до 9,1 млрд. руб. Данный расчет является прикидочным.

По стоимости разработки и изготовления АСК получена экспериментальная зависимость коэффициента автоматизации от капитальных затрат на создание автоматизированных систем контроля. Получена аппроксимирующая кривая по критерию минимума среднеквадратического отклонения. Определен оптимальный коэффициент автоматизации контрольно-испытательных работ в экономических условиях 1985 г.

Проанализированы тенденции развития массо-габаритных, энергоемкостных характеристик и коммутационной емкости наземных автоматизированных систем по годам эксплуатации. Получены аппроксимирующие формулы по критерию минимума среднеквадратичного отклонения.

Рассмотрены вопросы достоверности, объективности и субъективности контроля. Приведены формулы оценки достоверности контроля, риски заказчика и изготовителя, вероятности ошибок оператора. Проведена классификация источников недостоверности контроля для испытаний на самолетостроительном предприятии.

Рассмотрены вероятность случайных ошибок оператора и повышение объективности контроля при ручном и автоматизированном контроле. Вычислены коэффициенты повышения достоверности контроля. Приведены примеры проявления субъективизма и несанкционированного доступа при испытаниях.

Рассмотрены конструктивные и технологические особенности ВС, сдерживающие внедрение автоматизированного контроля.

Рассмотрены технические требования к новому поколению АСК бортовых систем и комплексов. Разработаны технические требования к автоматизированным системам контроля. Создан теоретический задел для создания бортовых систем «подсказки» экипажу в особых ситуациях. Сформулированы требования к бортовым системам на основании исследований, приведенных в предыдущих главах. Разработаны организационно-технические мероприятия. Составлен перечень перспективных работ на основании опыта разработки и внедрения АСК.

Основные результаты работы

1. В результате проведенного анализа статистических данных по дефектам бортовых систем ЛА выделен типичный вид дефектов, не выявляемых в процессе приемосдаточных испытаний и при входном контроле, как это показали теоретические расчеты и полученные экспериментальные данные, в подавляющем большинстве случаев являются проявлением дефекта допусков.

2. Выполнена количественная оценка повышения уровня безопасности полетов за счет повышения достоверности (исключения дефекта допусков и субъективных ошибок) при автоматизации наземного контроля бортовых систем и комплексов ВС.

Повышение УБП составит:

- за счет исключения дефекта допусков - 3,75% (3,75 10^-9 л.час^-1);

- за счет исключения субъективных ошибок - (1,16ч4,1)%.

Общий уровень повышения УБП от прогнозируемого уровня 2010 г. составит (4,91ч7,85)%. Средняя величина повышения УБП - 6,38%.

3. Уточнена классификация контрольных параметров, соответствующая современному уровню развития летательных аппаратов. Разработана математическая модель системы контрольных параметров бортовых систем и комплексов воздушного судна. Получена формула перехода от функции, в которой аргументами являются элементы бортовых систем, к функции, в которой аргументами являются контрольные параметры, если исходная функция представлена в виде разложения в степенной ряд Тейлора. Этот подход расширен до многоуровневой системы организации допускового контроля.

4. Путем интегрирования в n-мерном пространстве контрольных параметров получены аналитические формулы для количественной оценки дефекта допусков - вероятности признания негодного изделия годным (риск заказчика), годного изделия негодным (риск изготовителя) и достоверности допускового контроля в зависимости от величин контрольных допусков и числа контрольных параметров при условии распределения контрольных параметров по законам равной плотности вероятности и по нормальному закону. Исследован вид этих функциональных зависимостей. Выявлено наличие линейной зависимости между риском заказчика и риском изготовителя, порожденных дефектом допусков.

5. Проведен качественный анализ структуры решений системы дифференциальных уравнений ВС в целях диагностики и контроля. Получена структура диагностической пространственной матрицы, являющейся объединением (суммой) матрицы контрольных параметров, матрицы воздействия внешней среды и матрицы рекомендаций или управляющих воздействий. Пространственная структура создается подобными матрицами, образующими ее слой, записанными для каждого этапа полета. Оценен общий объем информации. Определены пути сокращения информации до приемлемых объемов, реализуемых бортовыми ЭВМ. Предложена клеточная матрица, описывающая ВС отдельно по бортовым системам. Эти матрицы являются теоретическим основанием для реализации бортовых АСК и бортовых систем «подсказки» экипажу в усложненных ситуациях. В качестве основного носителя информации выбрана матрица, а не «дерево» отказов или дендрит.

6. Разработан критерий качества бортовых систем и ВС в целом, основанного на нахождении выходного сигнала канала управления в пределах допуска в статическом режиме. Определена возможность автоматизированного выполнения регулировочных работ.

7. Разработан критерий качества бортовой системы, реализующий минимальное отклонение переходного процесса реальной системы от расчетного переходного процесса.

8. Проведено исследование на экстремум гиперповерхности качества, с помощью определителя Гессе показана выпуклая форма этой гиперповерхности. Проведен анализ формы гиперповерхности, имеющей члены выше второго порядка малости. Расчетным путем показан переход от гиперэллипсоида к гиперовалоиду. Определены ошибки, возникающие за счет представления функции показателя качества в виде ряда Тейлора.

9. Рассмотрено влияние n-мерности пространства контрольных параметров и управляющих воздействий на проведение работ по комплексированию бортового оборудования и на диаграмму «Воздушное судно - внешняя среда».

10. Разработан метод бездефектного допускового контроля, что позволяет обеспечить проведение допускового контроля, свободного от проявления дефекта допусков. Разработаны алгоритмы и программное обеспечение вычисления риска заказчика и риска изготовителя, порожденные дефектом допусков (прямая и обратная задачи) в вариантах САПР и программах обработки результатов измерений в автоматизированных системах контроля.

11. Определены направления работ по автоматизации окончательных стадий производства самолетостроительного предприятия: цеха входного контроля, цехов электрожгутов и электросборок (включая средства механизации изготовления электротехнического оборудования), цеха окончательной сборки, контрольно-испытательной станции.

12. Выполнен расчет ожидаемого предотвращенного ущерба от повышения уровня безопасности полетов за счет повышения достоверности и автоматизации наземного контроля, который составит от 5,656 до 9,141 млрд. руб. Рассмотрен процесс внедрения в промышленную эксплуатацию девяти автоматизированных систем контроля на базе ЭВМ, пяти САПР программ контроля и двенадцати программных комплексов для решения испытательных задач с общим экономическим эффектом 1531313 руб. в ценах 1985 г. Оценены затраты на автоматизацию контроля бортовых систем.

13. Рассмотрена организация работ по курированию, проектированию, изготовлению, приемке техдокументации для дальнейшего отраслевого внедрения. Получены сводные данные по стоимости работ, технико-экономическим эффектам, коэффициентам автоматизации, повышению достоверности контроля, по сокращению времени и трудоемкости испытаний.

14. Построена и аппроксимирована зависимость коэффициента автоматизации от капитальных вложений, определен оптимальный по затратам коэффициент автоматизации. Проанализированы тенденции развития массо-габаритных, энергоемких, объемных характеристик и коммутационной емкости по годам.

15. Рассмотрена достоверность, объективность и субъективность контроля и уточнена их классификация для самолетостроительного завода.

16. Рассмотрен вопрос повышения производительности АСК при недостаточных объемах коммутационного поля. Решена задача условного экстремума.

17. В целях дальнейшего развития работ по созданию автоматизированных систем контроля разработаны:

- технические требования к автоматизированным системам контроля на основании опыта внедрения и эксплуатации АСК, САПР, ПК;

- технические требования к бортовым системам и комплексам, упрощающие создание автоматизированных систем контроля;

- организационно-технические мероприятия дальнейшего развития этих работ;

- составлен перечень перспективных работ в области автоматизации на основании опыта внедрения АСК, САПР, ПК.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ ДИССЕРТАЦИИ ОПУБЛИКОВАНЫ В РАБОТАХ

1. Лебедев А.М., Князев Б.Н., Князькин Ю.М. - инв. № 10256 - Красноярск, 1975. - Рукопись представлена предприятием п/я Г-4805. - Деп. в ЦНТИ «Поиск», 1975, № 035-1100-СИП, сер. «Б», 1975, № 11 (95).

2. Лебедев, А.М. Анализ применения в АСК микро-ЭВМ. / A.M. Лебедев, А.Е. Бирюков, Е.М. Мазур, В.С. Моисеев, И.Н. Урахчинский // Техническая справка, M-I-I7, № ГР 80068451. - Казань : КАИ, 1983. - 56 с.

3. Лебедев, A.M. Об одном подходе к разработке гибкой автоматизированной системы испытаний в условиях серийного производства / А. М. Лебедев, В.И. Кириллов // НТК «Практика и проблемы создания гибких автоматизированных производств на предприятиях республики» (Казань, 12 июня 1984 г.): тезисы докладов. - Казань : НТО Машпром, 1984. - С. 27-28.

4. Лебедев, А.М. К вопросу разработки метода бездефектного допускового контроля / А.М. Лебедев, B.П. Романов, А.Н. Коптев // Семинар «Состояние и перспективы развития автоматизированного технологического оборудования в области контроля и испытания бортовых систем» (5-7 сентября 1984 г.): тезисы докладов. - М.: НИАТ, 1984. - С. 16.

5. Лебедев, А.М. Методы допускового контроля и диагностики при натурных испытаниях изделия: отчет о НИР: M-I-30, № ГР 80068451 / А.М. Лебедев, В.А. Талызин, O.K. Мурга, Л.Ю. Александров. - Казань : КАИ, 1984. - 48 с.

6. Лебедев, А.М. Перспективные средства СМЭВМ для применения в автоматизированных системах контроля: техническая справка М-1-18 № ГР 8008451/ А.М. Лебедев, В.С. Моисеев, В.И. Кириллов, В.Н. Савинов.- Казань : КАИ, 1984. - 32 с.

7. Лебедев, А.М. Разработка рабочей документации и авторский надзор при изготовлении стенда АСК КСКВ для контроля системы КСКВ изд. «400» ЦОС. 3.2634.4201.534: технический отчет 2.0383.66. / А.М. Лебедев, Э.Д. Крылова, В.Ф. Королев, Ю.Э. Евзерихин. - М. : НИАТ, 1985. - 21 с.

8. Лебедев, А.М. Алгоритмы допускового контроля по оценке характеристики объекта испытаний: отчет о НИР: M-I-53 № ГР 80060451 / A.M. Лебедев, В.А. Талызин, А.Ю. Александров. - Казань : КАИ, 1985. - 32 с.

9. Лебедев, А.М. Методика сопровождения инженерных алгоритмов контроля: отчет о НИР: 5. 5642. 4201. 373. Методика 2. 0383. 231 / A.M. Лебедев, Г.Н. Колманович, И.С. Корнеичев, Э.Д. Крылова, А.А. Афанасьев. - M. : НИАТ, 1986. - 10 c.

10. Лебедев, А.М. Автоматизированный стенд для контроля системы кондиционирования воздуха на базе универсальной контрольно-проверочной аппаратуры систем автоматики / А.М. Лебедев, Э.Д. Крылова, В.Ф. Королев // Авиационная промышленность. - 1986. - № 10. - С. 66-67.

11. Лебедев, А.М. Авторский надзор и технологическое сопровождение опытной эксплуатации АСК КСКВ 5. 5642. 4201. 373: технический отчет 2.0383.634 / А.М. Лебедев, Э.Д. Крылова, В.Ф. Королев, T.B. Уткина. - M. : НИАТ, 1986. - 12 c.

12. Лебедев, А.М. Разработка метода бездефектного допускового контроля / А.М. Лебедев // Состояние и перспективы развития производства автоматизированного технологического оборудования для контроля и испытаний бортовых систем: материалы отраслевого совещания. - М. : НИАТ., 1987. - С. 37-44.

13. Лебедев, А.М. Алгоритмизация процессов поиска неисправностей в сложных электротехнических установках / A.M. Лебедев, В.П. Романов // Состояние и перспективы развития производства автоматизированного технологического оборудования для контроля и испытаний бортовых систем: материалы отраслевого совещания. - М. : НИАТ., 1987. - С. 30-36.

14. Лебедев, А.М. Опыт разработки автоматизированных систем на базе микро-ЭВМ для отработки и испытаний систем кондиционирования в цехе общей сборки / А.М. Лебедев, В.Ф. Королев, Э.Д. Крылова, А.Д. Горелов // Авиационная технология: сб. науч. тр. - М. : НИАТ, 1987. - С. 110-112.

15. Лебедев, А.М. Повышение достоверности обнаружения неисправностей при испытаниях бортовых систем самолетов за счет дефекта допусков: автореферат диссертации на соискание ученой степени к.т.н. / А.М Лебедев. - Куйбышев : КуАИ, 1988. - 16 с.

16. Лебедев, А.М. Повышение достоверности обнаружения неисправностей при испытаниях бортовых систем самолетов за счет дефекта допусков: дис. на соискание ученой степени к.т.н. / А.М. Лебедев - Куйбышев : КуАИ, 1988. - 188 с.

17. Лебедев, А.М. Построение автоматизированных рабочих мест испытателей бортового оборудования / А.М. Лебедев, В.С. Моисеев, В.П. Романов, М.А. Сафиуллин // Проблемы комплексной автоматизации функциональных испытаний изделий в машиностроении: сб. науч. тр. научно-технической отраслевой конференции. - M. : НИАТ, 1988. - С. 132-134.

18. Лебедев, А.М. Оценка достоверности производственного контроля с учетом субъективных ошибок оператора / А.М. Лебедев, М.П. Пильник, Э.Д. Крылова, В.П. Романов // Проблемы комплексной автоматизации функциональных испытаний изделий в машиностроении: сб. науч. тр. научно-технической отраслевой конференции. - M.: НИАТ, 1988. - С. 134-137.

19. Лебедев, А.М. Применение компьютерной технологии в обучении / А.М. Лебедев, И.А. Корниенко, А.Ю. Александров // Материалы научно-методической конференции Казанского авиационного института. - Казань : КАИ, 1990. - С. 19.

20. Лебедев, А.М. Автоматизированный способ логической проверки конструкторских документов «Таблицы соединений электрожгутов» / А.М. Лебедев, Т.А. Кулагина // Автоматизация отработки и испытаний систем автоматики с цифровым обменом информации: материалы межотраслевого научно-технического семинара. - М.-Куйбышев : НИАТ, 1990. - С. 56 - 60.

21. Лебедев, А.М. Система автоматизированного проектирования программ контроля бортовой кабельной сети / А.М. Лебедев, Т.А. Кулагина // Материалы межотраслевого научно-технического семинара «Автоматизация отработки и испытаний систем автоматики с цифровым обменом информации». - М.-Куйбышев : НИАТ, 1990. - С. 61 - 62.

22. Лебедев, А.М. Автоматизированная система проверки фидерных схем самолета Ту-204 (АСПФС-204, ТП): технический проект 204.00. 00. 00. П3 / А.М. Лебедев, О.А. Зуев, Ю.В. Пшеничников, Э.Д. Крылова. - М. : НИАТ, 1991. - 90 c.

23. Лебедев, А.М. Автоматизированная система проверки фидерных схем самолета Ту-204 (АСПФС-204, ЭП). 204.00. 00. 00. ЭП. / А.М. Лебедев, О.А. Зуев, Ю.В. Пшеничников, Э.Д. Крылова. - М. : НИАТ, 1991. - 86 c.: c приложениями.

24. Лебедев, А.М. Компьютерные технологии обучения / А.М. Лебедев, Ю.Ф. Пугачев, Т.Н. Кодратова // Международная научно-техническая конференция «Современные научно-технические проблемы гражданской авиации». - М. : МГТУ ГА, 1996. - С. 247 - 248.

25. Лебедев, А.М. Необходимость введения курса автоматизированных систем управления, контроля и диагностики для специализаций «инженер-пилот», «инженер УВД», «бортинженер» / А.М. Лебедев // НМК «Проблемы подготовки авиационных специалистов гражданской авиации»: сб. науч. тр. - Ульяновск : УВАУ ГА, 1999. - С. 39 - 40.

26. Лебедев, А.М. Опыт преподавания дисциплины по выбору «Математические модели в авиации» / А.М. Лебедев // НМК «Проблемы подготовки авиационных специалистов гражданской авиации»: сб. науч. тр. - Ульяновск : УВАУ ГА, 1999. - С. 130-131.

27. Лебедев, А.М. К вопросу создания базы данных для системы теоретического обучения курсантов действиям по предотвращению авиационных происшествий / А.М. Лебедев, В.С. Мехоношин, С.А. Долгополов // НМК «Проблемы подготовки авиационных специалистов гражданской авиации»: сб. науч. тр. - Ульяновск : УВАУ ГА, 1999. - С. 40-41.

28. Лебедев, А.М. Разработка технического задания на проектирование автоматизированной системы стендовых испытаний агрегатов гидрогазовых и топливных систем на этапе входного контроля и ресурсных испытаний: тех. отчет 1.4579.4120.346 - 2.0383.65. / А.М. Лебедев, В.Т. Крайнов, В.К. Лошаков, Н.П. Пропадеева, И.А. Жидких, С.Д. Лобанов, Г.И. Трусов. - М. : НИАТ, 1982. - 311 с.

29. Лебедев, А.М. О возможности формализации концептуальной модели принятия решений при особых ситуациях в полете / А.М. Лебедев, А.М. Рогонов, В.С. Мехоношин // Современные научно-технические проблемы транспорта России: материалы научно-технической конференции. - Ульяновск : УВАУ ГА, 1999. - С. 15-19.