CC BY
84
2005 НАУЧНЫЙ ВЕСТНИК МГТУ ГА №90(8)
серия Эксплуатация воздушного транспорта и ремонт авиационной техники.
Безопасность полетов
УДК: 629.519:084.3
О НЕКОТОРЫХ НАУЧНО-ТЕХНИЧЕСКИХ ПРОБЛЕМАХ В ЭКСПЛУАТАЦИИ И ОБЕСПЕЧЕНИИ БЕЗОПАСНОСТИ ПОЛЕТОВ ОТЕЧЕСТВЕННЫХ ВОЗДУШНЫХ СУДОВ
Е.Ю. БАРЗИЛОВИЧ, В.И. ЛЮЛЬКО
Рассматриваются проблемы повышения эффективности технического обслуживания и ремонта эксплуатируемых и перспективных воздушных судов, а также обеспечения безопасности полетов. Обсуждаются некоторые организационные проблемы, проблемы контроля состояния летного состава и диспетчеров УВД, проблемы противодействия терроризму на воздушном транспорте.
В настоящее время проблем в отечественной гражданской авиации накопилось такое большое количество, что одно только их перечисление может составить «Содержание» всей статьи. Поэтому ниже мы остановимся на тех, на наш взгляд, важных проблемах, для решения которых собственными силами имеются в России соответствующие научные заделы или потребуется взаимовыгодное сотрудничество с зарубежными, и прежде всего с европейскими авиационными партнерами.
Экономические и некоторые организационные проблемы развития отечественной гражданской авиации были отражены в декабрьском номере экономической газеты (№24, 2004) [1] с участием одного из авторов настоящей статьи, а также в [12].
Поэтому обратим внимание читателей на ряд проблем, требующих проведения дальнейших научных исследований или внедрений.
Начнем с проблемы эксплуатации по техническому состоянию (ЭТС) воздушных судов (ВС) и их оборудования. Эта проблема, как ни парадоксально, еще далека от своего разрешения как теоретически (в плане выбора контролируемых параметров управления состоянием авиационных систем и комплексов), так и технически (в плане точности измерения параметров и создания бортовых систем компьютерного отображения информации о состоянии ВС и их оборудования и диагностики).
Отмеченное выше можно продемонстрировать на ряде примеров. Рассмотрим ЭТС современного газотурбинного авиационного двигателя (АД). Параметры газовоздушного тракта АД отличаются большой стабильностью. Значит, для ЭТС следует обратить внимание на параметры вибраций (в частности, уровней вибраций), параметры масляной системы, расходов топлива, уровни шумов и эмиссий. Для ЭТС АД необходимо создание высокотехнологичных датчиков масла и вибраций, уровней эмиссий. Следует своевременно получить от наземных источников информацию об уровнях авиационного шума. Актуальным является оценка физической природы посторонних частиц в масле непосредственно на борту ВС, а также измерение характеристик электрических частиц в потоке выхлопных газов.
Если в теоретическом, да и практическом плане выбор диагностических параметров авиационной техники более или менее обоснован и апробирован, то выбор и измерение параметров для ЭТС (в том числе не только выходных, но и промежуточных или рассчитываемых косвенно) еще далеко не отработан.
В настоящее время создано математическое обеспечение для организации ЭТС авиационных систем и комплексов на базе новейших математических методов и алгоритмов (при количественном контроле параметров состояния авиационной техники) [2-4].
Однако поступление в эксплуатацию ВС, оборудованных системами и комплексами, сконструированными на цифровой основе, не имеющих традиционных выходных параметров, требовало разработки и нового математического обеспечения на основе информации о наработках элементов и их состояния по принципу «да» - «нет» (отказал - не отказал) [3,5].
Такой вид ЭТС с учетом специфики не только авиационных систем и комплексов на цифровой основе (например, цифровых навигационных комплексов), но и зарезервированных бортовых систем различного назначения и в целом авиационных комплексов, обладающих свойством избыточности (например, комплекса бортовых и спутниковых систем навигации) потребовал создания и новых алгоритмов оптимального управления - алгоритмов векторного управления состоянием системы на основе бинарной информации о состояниях составляющих элементов. [5].
При оптимальном управлении техническим состоянием авиационной системы на основе контроля набора стохастически зависимых непрерывных случайных выходных параметров удалось разработать универсальные алгоритмы оптимального управления, применяя специально организованное моделирование [4, 13], так как в замкнутом (аналитическом) виде получить решение не удалось в силу общего вида исходного векторного случайного процесса. Математически эти алгоритмы остаются неизменными и при управлении физиологическим состоянием летного и диспетчерского персонала на основе количественного контроля параметров кислотно-щелочного равновесия, некоторых параметров сердечно-сосудистой и дыхательной систем; при организации мониторинга состояния окружающей среды. Мы видим область приложений этих алгоритмов и в энергетике, и на других видах транспорта, и в сельском хозяйстве; вообще - там, где необходимо организовать безопасное функционирование важнейших для страны объектов при минимальных затратах на их эксплуатацию.
Для систем механического типа упомянутый выше подход к организации ЭТС усложняется из-за трудностей измерений накапливаемых в процессе эксплуатации повреждений. Обзор моделей и алгоритмов математического обеспечения ЭТС таких систем содержится в [7].
Предложенный выше общий подход к оптимальному управлению состоянием систем различной природы сейчас принято называть синергетическим.
Принципиально при ЭТС должны измениться сбор, анализ, обработка и обобщение данных о техническом состоянии авиационных систем как динамических объектов на основе специального матобеспечения. Эти данные уже будут представлять не только статистику случайных величин (наработок на отказ) для однотипных изделий, но и случайных функций времени (реализаций составляющих вектора состояний как функций времени). Использование обработанной соответствующим образом такой статистики позволит не только предотвращать многие внезапные отказы «стареющих» (не восстанавливаемых в процессе эксплуатации элементов), но и эффективно эксплуатировать авиационные системы и комплексы до предотказовых состояний при минимуме средних затрат на их эксплуатацию и при существенном повышении уровня безопасности полетов воздушных судов.
В случае большого массива исходных данных статистическое оценивание рассчитываемых параметров и критериев как при ЭТС, так и при эксплуатации по ресурсу, производится с использованием традиционных методов математической статистики.
Однако, если объем исходной статистики ограничен несколькими десятками реализаций, то статистическое оценивание результатов невозможно с использованием традиционных методов.
В последние годы для такого оценивания было разработано два метода: бутстреп-метод и метод перевыборок [8].
Остановимся на более простом и вместе с тем более строгом методе статистического оценивания параметров надежности безопасности полетов и ЭТС авиационных систем и комплексов по ограниченным исходным данным - методе перевыборок, разработанным автором [8]. Ситуация с ограниченной исходной статистикой естественно возникает при оценке уровней безопасности полетов ВС, оценке параметров надежности высоконадежных систем и в других нередко встречающихся случаях. Изложим физическую суть перевыборочной процедуры на примере статистического оценивания параметров неизвестной функции распределения, представленной ограниченной выборкой и общей для последовательности независимых случайных величин (с такими последовательностями, называемыми процессом восстановления, мы, например, имеем дело в теории надежности, в исследованиях по безопасности полетов).
Пусть имеем дело со статистическим оцениванием математического ожидания М [Т] некоторой случайной величины Т -наработкой однотипных авиационных систем на отказ. О функции распределения случайной величины Т ничего неизвестно. Известно только ограниченное число реализаций случайной величины Т: Т15Т2,...,Тп, где п - порядка нескольких десятков реализаций (выборка объема п ).
Известно, что точечной оценкой, сходящейся к М [Т], является величина
Т =
ср.о
IТ
i=1
n
(і)
Особо подчеркнем, что имеем только одну ограниченную выборку объема п . Если бы выборок того же объема было, например, 1000, то мы могли бы по простой формуле (1) определить тысячу значений Т 1, Тср 2,..., Т юоо и имели бы всего 1001 значение точечных
оценок М[Т] (включая одно имеющееся у нас реальное значение Т' ). Тогда бы мы имели
такое возможное виртуальное расположение значений Т ,,Т 2,...,Тс
относительно
ср.1’~ ср.2’’"’ с^.1000
M [Т ], которое показано на рис.1, где представлено, что
(Тср.1, Тср.2 ,..., Тср.1000 , Тср ), а Тс
Тср..500 = тІПг с^
ср.3
max T^.2,..., Tср.1000, Тср ).
0 Тср.ш ТсрЛ00 ТсрЛ ТсрЛ ЩТ\ ^.999
ср. 3
Рис. 1. Расположение значений Тср 1, Т 2,..., Тср 1000 относительно M [Т ]
Из рис.1 видно, что разности M[T] — Tcpi, i = 0,1,2,...,1000 являются реализациями некоторой случайной величины Х - разности между M[T] и случайной точечной оценкой Т'
случайной выборки одного и того же объема n :
F(t) = FP{x < t} = P{(M[T] — Тср )< t}.
Чтобы наглядно представить и понять (чуть ниже) суть перевыборочной процедуры, трансформируем рис. 1 следующим образом (см. рис. 2):
ср.500
Т,
ср.1000
Рис. 2.Реализация случайной величины
На рис.2 расстояния до М[Т] для каждого значения Тср{(■ = 1,2,...,1000) условно (т.к. не
все 1000 значений) изображены относительно одного единственного известного значения (точки на оси t) Тср 0 , т.е. представлены разности Тср 0 — М[Т], ■ = 1,2,...,1000 .
П
t
В такой интерпретации M [T] является случайной величиной с реализациями M[T]i,M[T]2,...,M[T]i000 и функцией распределения Fi(t) соответственно случайной разности Тср0 — М [T ]:
Fi(t) = Р{Гср .0 — M [T ])< t}. (2)
Перевыборочной копией первоначальных выборочных данных ограниченного объема n назовем выборку того же объема n из первоначальных данных с возвращением. Число перевыборочных копий равно числу перестановок из n .
Для получения устойчивых результатов при построении вводимой ниже функции распределения число перевыборочных копий берем равным 1000. Для каждой копии определяем по формуле (1) 1000 значений перевыборочных средних
Т * Т * Т *
Т ср.1’Т ср.2?'"с^.1000
*
и строим функцию распределения случайной разности Тср 0 — Тср :
F2(t) = 4^.0 — Т*р )< t}. (3)
В [8] строго доказано, что полученное распределение F2(t) асимптотически точно повторяет распределение F (t) - см. выражение (2). При числе перевыборочных копий, равном 1000, распределения F1(t) и F2(t) практически совпадают, что дает возможность
статистически строго оценивать неизвестное математическое ожидание неизвестной функции распределения, представленной ограниченным числом реализаций. Кроме того, полученный результат позволяет формализовать процедуру проверки соответствия задаваемых требований, например, по надежности, уровням безопасности полетов, истинным значениям и корректировать задаваемые требования.
Статистическое оценивание дисперсии и моментов более высоких порядков на основе изложенной выше перевыборочной процедуры.
Первые успешные попытки применения теории перевыборок для оценивания уровней безопасности полетов по реальным (ограниченным) данным сделаны в [9-11]. В [13] предложена процедура оценивания средних эксплуатационных затрат при эксплуатации авиационных двигателей по техническому состоянию.
Решение проблемы реализации уже полученных на основании теории перевыборок результатов позволит, с одной стороны, получить строгие результаты для принятия решений там, где до сих пор этого не удавалось сделать, а с другой, - в ряде случаев избежать организацию дорогостоящих испытаний и экспериментов при оценках параметров безопасного функционирования объектов ответственного назначения.
Следующая научная проблема, которая возникла в последнее десятилетие - проблема поддержания функциональной готовности дорогостоящего хранящегося или вынужденно простаивающего дорогостоящего авиационного оборудования. Данных о надежности такого оборудования практически нет. Почти аналогичная ситуация возникает и при организации технического обслуживания и ремонта новейших образцов авиационной техники.
Отсутствие информации или наличие минимальной информации о надежности системы (знание всего лишь одной точки функции распределения времени пребывания системы в исправном состоянии) обусловлено для решения задач технического обслуживания авиационных систем и нетрадиционного математического аппарата, широко используемого в теории игр. О возможностях применения минимаксного подхода в теории надежности, по-видимому, впервые было обращено внимание в статье [14], затем вышла монография [15], полностью посвященная моделям обслуживания авиационных и других систем в условиях минимальной информации о надежности. Обзор последних зарубежных публикаций в этой области дан в [16]. Использование минимаксных подходов в практике эксплуатации сложных
систем дает некоторый гарантированный результат для наихудшего случая развития событий. Однако появление наихудшего случая требует вероятностной оценки.
Но даже использование такой минимальной информации о надежности авиационных и других технических систем позволяет заметно снизить эксплуатационные расходы и обеспечить более высокую функциональную готовность к работе.
Известно, что стоимость длительной эксплуатации технических систем ответственного назначения в десятки раз превосходит стоимость их производства. Внедрение в практику эксплуатации (при техническом обслуживании, ремонте, при различного вида проверках) авиационных систем и комплексов новейших математических методов и алгоритмов анализа и оперативной обработки больших массивов информации в интересах оптимального управления техническим состоянием и диагностики может не только существенно повысить безопасность полетов ВС за счет предупреждения отказов и предотвращения катастрофических ситуаций, но и привести к колоссальной экономии эксплуатационных расходов и это только за счет внедрения современного математического обеспечения процессов эксплуатации авиационных систем и комплексов, да и в целом воздушных судов. Такая математическая поддержка эксплуатации сложных технических систем длительного применения в [4] названа эксплуатационной логистикой. По нашему мнению эксплуатационная логистика является такой же обобщенной характеристикой любых сложных технических систем, включая и авиационные системы, как и эффективность системы, ее экономическая эффективность и приспособленность систем к работе с оператором (операторами).
Научная, техническая и организационная проблема в современной гражданской авиации заключается во внедрении методов, конкретных методик эксплуатационной логистики на базе бортовых компьютерных систем, включая в комплексе составляющих эксплуатационной логистики и модели искусственного интеллекта, в практику конструирования и эксплуатации воздушных судов и их оборудования. Это повысит, безусловно, и эффективность летной эксплуатации воздушных судов, позволит более широко реализовывать на борту воздушного судна алгоритмы управления нештатными ситуациями [18].
Если рассматривать более глобальные научные проблемы в области гражданской авиации, то одна из них неизбежно возникнет не в столь уж отдаленном будущем - это проблема создания концепции авиационно-космической транспортной системы России, интегрированной в мировую аналогичную систему, которая может быть создана на базе промышленных авиационно-космических центров США, Объединенной Европы и России.
Предстоит на базе имеющегося опыта в недалеком будущем формировать комплексный облик такой системы: наземную инфраструктуру, включая аэродромы-космодромы и их оборудования, глобальное управление воздушно-космическим пространством. Возможно, опыт создания и эксплуатации Международной Космической станции, технического
функционирования кораблей посещения, первых полетов кораблей-самолетов будет положен в основу создания не только транспортных, но и пассажирских кораблей-самолетов воздушнокосмического назначения.
Система управления воздушным движением будет дополнена системой взаимодействия и помощи экипажам со стороны службы летно-космических диспетчеров.
Первый опыт создания в гражданской авиации России службы летных диспетчеров описан в [19, 20].
В [21] сформулированы главные направления развития гражданской авиации в России и в странах СНГ. Нам представляется возможным сформулировать на государственном уровне основные направления развития авиационно-космической транспортной системы России, привлекая к этой работе ученых-энтузиастов, практиков, космонавтов и используя накопленный в мире опыт в области авиационной и космической деятельности.
Одним из перспективных и практически важных научных направлений в настоящее время является разработка теории рисков. В России имеется государственная программа «смягчения рисков», созданная МЧС России.
В гражданской авиации риски прежде всего связаны с безопасностью полетов (это, прежде всего, риски, по вине человеческого фактора, риски техногенного, технологического происхождения, природного характера, а также риски от террористических актов).
В [21] приведен комплекс мер по антитеррористической безопасности на воздушном транспорте.
В научном плане по борьбе с терроризмом на воздушном транспорте возникают проблемы комплексной обработки информации о готовящемся террористическом акте, поступающей из различных по степени достоверности источников. При этом комплексная обработка такой разнородной информации должна обеспечить максимальную достоверность для принятия окончательного решения о противодействии надвигающейся угрозе. По-видимому, решение здесь можно получить на пути дискретной оптимизации.
Следующая, совершенно новая научная проблема - разработка математической модели действий террориста, ставящего перед собой цель нанести тому или иному объекту максимальный ущерб. Противоборствующая сторона должна думать о предотвращении возможного теракта или (в случае его осуществления) о минимизации возможного ущерба, если теракт будет осуществлен.
На наш взгляд, в силу отмеченного, модель действий террориста можно попытаться создать с использованием минимаксного подхода.
И еще одна научная проблема, которую пока еще никто не пытался даже строго сформулировать. Это - проблема прорыва террориста-камикадзе к цели или группы таких террористов. При определенных допущениях, по-видимому, можно определить вероятность прорыва такого террориста к цели в условиях существующих средств и действий, направленных на предотвращение этого наиболее опасного и наименее уязвимого теракта.
По причине ограниченного объема статьи мы не затронули и такие важные проблемы, как обобщение опыта эксплуатации иностранных ВС в условиях российских климата и возможностей технического обслуживания, ремонтов, продления ресурсов и др. Осталась в стороне и проблема эксплуатации ВС на альтернативном топливе, по которой в России проводились прорывные исследования, а также проблема определения последних достижений в области создания миниатюрных радаров и лазеров.
Авторы статьи ставили перед собой единственную цель - привлечь внимание авиационных специалистов к затронутым проблемам и призвать их к совместной работе над ними.
ЛИТЕРАТУРА
1. Люлько В.И., Скибин В.А. Становой хребет экономики / Экономическая газета, №24, 2004.
2. Барзилович Е.Ю., Беляев Ю.К., Каштанов В.А. и др. Математические вопросы теории надежности; Под ред. Б.В. Гнеденко. М.: Радио и связь, 1983.
3. Люлько В.И. Эксплуатация авиационных двигателей по техническому состоянию (теория и практика). М.: МГУ, 2002.
4. Барзилович Е.Ю. Оптимально управляемые случайные процессы и их приложения (теоретические основы эксплуатации авиационных систем по состоянию). Егорьевск, ЕАТК ГА, 1996.
5. Прокопьев И.В. Методы выявления старения в технических системах, повышения их надежности и ресурсосбережения. М.: МГУ, 2002.
6. Лончаков Ю.В. О мониторинге состояний и принятии решений на основе единого оптимального алгоритма управления в звене «человек-машина-среда» // Научный Вестник МГТУ ГА, серия Эксплуатация воздушного транспорта и ремонт авиационной техники. Безопасность полетов, №75, 2004.
7. Красько С.Е. Обоснование оптимальных процедур обслуживания по состоянию систем воздушных судов гражданской авиации, подверженных в процессе эксплуатации случайным ударным нагрузкам и деградациям. Дисс. на соиск. уч. ст. к.т.н. М.: МГТУ ГА, 2003.
8. Belyaev Yu.K. Bootstrap, resampling and Mallow metric. Institute of Mathematical Statistics. Umea University, Umea, Sweden. Lecture notes, №1, 1995.
9. Зубков Б.В. Методологические основы анализа и оценки безопасности полетов и летной годности воздушных судов (теория и практика). М.: МГТУ ГА, 1997.
10. Бецков А.В. Разработка и обоснование методики оценки показателей безопасности воздушного движения в Российской Федерации на основе ограниченной исходной статистики. Дисс. на соиск. уч. ст. к.т.н. М.: МГТУ ГА, 2002.
11. Люлько С.В. Обоснование и разработка адаптивных методик оценки безопасности полетов воздушных судов. Дисс. на соиск. уч. ст. к.т.н. М.: МГТУ ГА, 2002.
12. Люлько В.И. Чтобы не опоздать навсегда / Экономическая газета, №21, 2004.
13. Лончаков Ю.В. Управление состоянием авиационных комплексов как эргатических объектов на основе единого обобщенного оптимального алгоритма с целью минимизации эксплуатационных затрат и повышения безопасности полетов. Дисс. на соиск. уч. ст. к.т.н. М.: МГТУ ГА, 2004.
14. Барзилович Е.Ю., Каштанов В.А., Коваленко И.Н. О минимаксных критериях в задачах надежности. - «Изв. АН СССР. Сер. Техническая кибернетика», №3, 1971.
15. Барзилович Е.Ю., Каштанов В.А. Организация обслуживания при ограниченной информации о надежности системы. М.: Сов. радио, 1976.
16. Радивил Д.В. Обоснование сроков проверок авиационных систем, находящихся на хранении и в режиме вынужденного простоя. Дисс. на соиск. уч. ст. к.т.н. М.: МГТУ ГА, 2003.
17. Научный Вестник №63, серия Эксплуатация воздушного транспорта и ремонт авиационной техники. Безопасность полетов. М.: МГТУ ГА, 2003.
18. Барзилович Е.Ю., Гладун В.П., Нартов В.Н., Люлько С.В. Управление нештатными ситуациями и определение вероятности благоприятного исхода // Научный Вестник МГТУ ГА, серия Эксплуатация воздушного транспорта и ремонт авиационной техники. Безопасность полетов, № 90, 2004.
19. Нартов В.Н. Летный диспетчер авиакомпании - новая профессия в гражданской авиации России. Авиаглобус, март-апрель 2003.
20. Нартов В.Н. Создание службы летных диспетчеров в гражданской авиации России -веление времени (см. настоящий Научный Вестник).
21. Основные направления развития гражданской авиации содружества независимых государств на период до 2020 года (пояснительная записка), проект. М.: МАК, 2004.
Barzilovich E.U., Lulco V.I.
The problems of increasing of efficiency of maintenance service and repairing of maintained and perspective air ships and safety of flights. Some organizational problems, problems of the control of a condition pilots and dispatchers, problems of counteraction to terrorism of a problem are discussed.
Сведения об авторах
Барзилович Евгений Юрьевич, 1932 г.р., окончил КВИАВУ ВВС (1956), профессор, доктор технических наук, доктор экономических наук, автор более 300 научных работ, профессор МГТУ ГА, область научных интересов - эксплуатация воздушного транспорта, организация производства (транспорт).
Люлько Владимир Иванович, 1952 г.р., окончил КИИ ГА (1975), доктор технических наук, генеральный директор ГосНИИ ГА, автор более 50 научных работ, область научных интересов - эксплуатация воздушного транспорта.
