Критерии оптимизации структуры необслуживаемого в межрегламентный период бортового комплекса беспилотного летательного аппарата Текст научной статьи по специальности «Компьютерные и информационные науки»

УДК 629.73.07

КРИТЕРИИ ОПТИМИЗАЦИИ СТРУКТУРЫ НЕОБСЛУЖИВАЕМОГО В МЕЖРЕГЛАМЕНТНЫЙ ПЕРИОД БОРТОВОГО КОМПЛЕКСА БЕСПИЛОТНОГО ЛЕТАТЕЛЬНОГО АППАРАТА

Д.В. Морозов, И.А. Сафонов

В статье рассматривается зависимость между показателями надежности проектируемого комплекса и эффективностью его применения. Предложен подход к определению критерия оптимизации для решения задачи оптимального резервирования при формировании структуры необслуживаемого в межрегламентный период бортового комплекса беспилотного летательного аппарата

Ключевые слова: необслуживаемое оборудование, надежность, критерии оптимизации

Сложность нового самолета растет наряду со стоимостью ремонтопригодности. Это неизбежно усложняет управление безопасностью, делая фактор ремонтопригодности существенным, при усовершенствовании существующих схем управления безопасностью. Новая модель управления безопасностью должна уменьшить роль человеческого фактора и быть переориентирована на интенсивное использование коммуникационных технологий и информации об объекте.

Российские ученые предлагают кардинально изменить концепцию авиационной бортовой электроники [1 - 2]. Разрабатывать необслуживаемое в межрегламентный период оборудование, которое обладает функцией автоматического самовосстановления без участия персонала.

Концепция необслуживаемого оборудования подразумевает, разработку комплекса бортового оборудования, в котором процессы оценки технического состояния, поиска и локализации отказов, реконфигурации полностью автоматизированы и не требуют участия человека. При этом летная эксплуатация осуществляется несмотря на наличие отказов, возникающих в комплексе (если, конечно, они не носят критического характера). Отказы устраняются при окончании межрегламентного периода.

Синтез структуры бортового комплекса, отвечающего концепции необслуживаемого оборудования, необходимо начинать с рассмотрения предъявляемых требований по надежности и выявления критерий оптимизации.

В настоящее время наметились два основных направления в методике задания требований по надежности [3]. Первое направление ба-

Морозов Дмитрий Владимирович - ВУНЦ ВВС «ВВА», преподаватель, тел. 8 (910) 285-07-64 Сафонов Иван Александрович - ВГТУ, канд. техн. наук, доцент, e-mail: [email protected]

зируется на использовании данных реально существующих прототипов для определения возможных характеристик надежности перспективных систем. Второе - предполагает определение требуемых характеристик надежности систем с целью получения высокой эффективности всего комплекса, в котором используется изделие.

Определение аналитической зависимости между показателями надежности перспективных систем и эффективностью применения комплекса является сложной задачей. До настоящего времени пригодной для инженерной практики методики решения этой задачи в целом не создано.

Существует подход к формированию требований на основе модели надежности и безопасности полета (МНиБ) самолета [3].

Для беспилотных систем существующий подход так же может быть применен, но с некоторыми изменениями. Необходимость обеспечения безопасности полетов в принятом понимании отпадает из-за отсутствия экипажа. Главным становится регулярность полетов -способность беспилотной системы соблюдать график и режим на каждом этапе полета, своевременно выполнять все предписанные функции и производить посадку в месте назначения. Регулярность полета считается обеспеченной, если за время полета не произошло вынужденной посадки, прерванного взлета, изменения плановой траектории полета. Регулярность полетов оценивается следующими показателями:

- к1000 - среднее число прерванных взлетов и вынужденных посадок, обусловленных функциональным отказом, приходящихся на 1000 взлетов;

- к1000ПВ - среднее число прерванных взлетов, обусловленных функциональным отказом, приходящихся на 1000 взлетов.

Требуемые значения этих коэффициентов для беспилотных систем можно взять из требо-

вании для гражданских самолетов различного класса, потому что их регулярность полетов сопоставима с регулярностью полетов перспективных беспилотных систем. Значения коэффициента кюоо находятся в пределах 0,05...0,5, а для кюоопв — 0,01... 0,3.

Неработоспособное состояние системы, характеризующееся нарушением ее функционального назначения, называется функциональным отказом (ФО) [3]. В общем случае техническая система может находится в нескольких технических состояниях. Для каждого вида состоянии, исходя из задач решаемых системои, задается максимально допустимый уровень вероятности возникновения функционального отказа. Некоторые функциональные отказы могут и не приводить к нарушению регулярности полетов.

Исходными данными для определения допустимой вероятности возникновения функционального отказа, нарушающего регулярность полетов, является предварительный анализ системы и требований по регулярности полетов. Максимально допустимая вероятность возникновения функционального отказа, приводящего к нарушению регулярности полетов, определяется [3] по формуле:

бри=.„ кШ00 , (1)

1000крппрп

где Qрп - максимально допустимая вероятность возникновения ФО, исходя из обеспечения требований по регулярности полетов; к1000 - среднее число прерванных взлетов и вынужденных посадок, обусловленных функциональным отказом, приходящихся на 1000 взлетов; крп - коэффициент запаса по числу отказов, нарушающих регулярность полетов (для беспилотных систем его можно сопоставить с коэффициентом запаса по числу отказов, вызывающих аварийную ситуацию, который на ранних этапах проектирования принимается равным 1,5 □ 1,7); прп - число функциональных отказов, нарушающих регулярность полетов.

На предварительном этапе проектирования к1000 должно быть максимально [3] и приниматься равным 0,5. Коэффициент запаса по числу отказов, нарушающих регулярность полетов, крп должен быть минимальным [3] и приниматься равным 1,5.

В работе [4] для оценки эффективности технической эксплуатации системы предлагают использовать следующие показатели:

1. Коэффициент оперативной готовности объекта, который равен вероятности безотказ-

ной работы объекта в планируемом 1-ом полете, г = 1, к .

К° = р (50^ (2)

где в качестве 80 обозначено работоспособное состояние объекта, вероятность того, что в 1-м полете объект находился в работоспособном состоянии.

2. Математические ожидания числа полетов на планируемом интервале эксплуатации, когда объект функционировал безотказно

к

М[Ж0(к)] = 2Р (50),

І = 1

(3)

где к - количество полетов на планируемом интервале эксплуатации.

3. Математическое ожидание числа полетов с отказавшим объектом

М[ы1(к)] = к -М[м0(к)]. (4)

4. Среднее время нахождения объекта в неработоспособном состоянии

п

W(и, Гп) = М[у(и, tn)] + 2 ТрМ г (и, tn), (5)

р=\ и и

где М[у(и,tп)] - математическое ожидание

времени нахождения объекта в состоянии скрытого (необнаруженного) отказа; Тр - среднее время выполнения работы ир; п - количество типов выполняемых работ; М р(и, tп ) -

математическое ожидание числа работ определенного типа.

5. Средние потери в самолетовылетах

W (и, tп) = РНз М [ ^(и, tп)] +

(6)

1п )

где Рнз - условная вероятность невыполнения полетного задания при отказе объекта, V -интенсивность полетов. Первый член в (6) определяет математическое ожидание потерь в самолетовылетах из-за отказов объекта. Второй член характеризует математическое ожидание требований на вылет, которые будут отклонены из-за проведения различных видов работ по программе эксплуатации и.

6. Средние затраты при эксплуатации объекта

С (и, *п) = СпМ [П(и, *п)] +

+ Єнм [у2(и, іп)] +

п

+ 2 СрМ [и р(и, іп)],

Р = 1 г Г

(7)

где Сп - удельные потери из-за нахождения объекта в отказавшем состоянии в полете; Сн -

удельные потери из-за нахождения объекта с

необнаруженным отказом на земле; Ср, р = 1n

- затраты, связанные с работой по обслуживанию up.

Критерии (5) - (7) учитывают потери времени или затраты, связанные с техническим обслуживанием. Такие критерии целесообразно использовать при разработке регламента технического обслуживания. Для синтеза структуры системы целесообразно использовать более простые критерии. Таким критерием может быть коэффициент оперативной готовности (2). Однако концепция необслуживаемого в межре-гламентный период оборудования подразумевает возможность полета с отказами, которые не влияют на функциональные возможности комплекса и регулярность полетов. Таким образом, в качестве критерия для оптимизации структуры бортового комплекса беспилотного летательного аппарата можно выбрать коэффициент оперативной готовности (2), имеющий следующий вид, адаптированный к решаемой задаче:

к■ = Z p. (S:), i = 1,2,З,..., m,

і=0 1 J

(В)

где 80 - работоспособное состояние (отказы в бортовом комплексе беспилотного летательного аппарата отсутствуют), 81, 82, ... 8Г - состояния бортового комплекса с отказами, не влияющими на возможность выполнения полетов.

Но в этом случае критерий (8) становится в зависимость критерию (1) ог

к,.

1 - Q

рп

При этом (В) основан на конкретной статистической выборке из 1000 полетов.

Зададимся минимально-возможным уровнем коэффициента оперативной готовности

Кщіт в межрегламентный период. Тогда максимально допустимая вероятность возникновения функционального отказа, приводящая к нарушению регулярности полетов, будет составлять

Єрп = 1 - К"™. (9)

Критерии (В) и (9) можно использовать для определения структуры бортового комплекса с оптимальным резервированием.

Известно [5], что у системы с резервированием, даже при постоянной интенсивности отказов составных элементов, интенсивность отказов X(t) имеет вид нелинейной возрастающей функции. Это объясняется тем, что в начальный момент времени, когда все резервированные эле-

менты исправны, вероятность безотказной работы системы в течении времени полета максимальна. Затем по мере накопления отказов резервированных элементов она становится все меньше.

Пусть межрегламентный период тр содержит m полетов. Средняя продолжительность полета составляет Тп (тр = тТп). Тогда для необслуживаемого в межрегламентный период объекта коэффициент оперативной готовности в первом полете после начала эксплуатации (когда все резервированные элементы исправны) будет определяться по формуле:

Т

1 п

- j1(t)dt

<г = Pi(So) = e 0 .

Коэффициент оперативной готовности второго полета будет определяться по формуле:

Тп 2Тп

- j1(t)dt - \1(t)dt

К? = Pl(So)P2(So) = e 0 X e Тп =

2Тп

- j1(t) dt

= e 0 .

Он представляет собой вероятность того, что объект был работоспособен и первом полете, и во втором полете. По аналогии для m-го полета ог

Km = Pl(S0)P2 (S0) X ...X pm (S0) =

=е

mTп

- j 1(t) dt

0

= P( mTи) = P (Гр),

где Р(тр) - вероятность того, что объект сохранит работоспособность в течении времени межрегламентного периода тр. Заметим, что сохранение работоспособности не означает отсутствие отказов у объекта, а означает только отсутствие функциональных отказов, приводящих к нарушению регулярности полетов. При этом отказы резервированных элементов могут иметь место.

Изменение коэффициента оперативной готовности у резервированной системы приведено на рисунке.

Таким образом, при формировании структуры необслуживаемого в межрегламентный период бортового комплекса беспилотного летательного аппарата необходимо обеспечить такой уровень резервирования, что бы выполнялось условие:

ог (10)

< = P (Гр) * Ког

i min

r

Изменение коэффициента оперативной готовности необслуживаемой в межрегламентный период резервированной системы

1. Буков В.Н., Чернышов В.А., Кирк Б., Шагаев И. Принцип активной системы безопасности для авиации: проблемы, теория, реализация, приложение и будущее // Международная научно-техническая конференция «Новые рубежи авиационной науки» ASTEC’07, Москва, 19-23 августа, 2007.

2. Bukov V. N., Schagaev I., Kirk B. Analytical Synthesis of Aircraft Control Laws // 2nd European Conference for Aerospace Sciences (EUCASS), Report 3_07_08, Brussels, Belgium, July 1-6, 2007.

3. Новожилов Г.В., Неймарк М.С., Цесарский Л.Г. Безопасность полета самолета. Концепция и технология. -М.: Машиностроение, 2003.

4. Барзилович Е.Ю., Данилов В.Ю., Матвиенко Г.П., Прокопьева Е.А. Об экономии эксплуатационных затрат за счет оптимизации параметров технического обслуживания авиационных систем // Научный вестник МГТУ ГА. - 2006. - № 106. - С. 108-113.

5. Ушаков И.А. Курс теории надежности систем: учебное пособие для вузов. - М.: Дрофа, 2008.

Военный учебно-научный центр ВВС «Военно-воздушная академия имени профессора Н.Е. Жуковского и Ю.А. Гагарина» (г. Воронеж)

Воронежский государственный технический университет

THE CRITERIA FOR OPTIMIZATION OF THE STRUCTURE OF THE UAV ONBOARD SUITE NOT SERVICED BETWEEN MAINTENANCE PERIODS

D.V. Morozov, I.A. Safonov

The dependence between the reliability indexes of the onboard suite being developed and the efficiency of its employment is discussed. An approach to establishing an optimization criterion for solving a redundancy optimization problem when forming the structure of the UAV onboard suite which is not serviced between maintenance periods is proposed

Key words: nonserviceable equipment, reliability, optimization criteria