CC BY
121
2005
НАУЧНЫЙ ВЕСТНИК МГТУ ГА сер. Радиофизика и радиотехника
№ 93
УДК 629.735
Оценка уровня безопасности полетов ВС в условиях непрерывного
радиолокационного контроля
В.В. КРАВЦОВ, В.П. КУРАНОВ, В.Б. СПРЫСКОВ, Е.К. ЩЕРБАКОВ
После вступления в силу Поправки №40 в Приложении 11 появился параграф 2.26, содержащий стандарты и рекомендуемую практику по обеспечению безопасности полетов при обслуживании воздушного движения (ОВД) в воздушном пространстве и на аэродромах. В частности в стандарте 2.26.4 “предусматриваются постоянный контроль и регулярная оценка обеспечиваемого уровня безопасности полетов”.
В статье описаны результаты деятельности специалистов ГосНИИ “Аэронавигация” по разработке нового подхода к оценке уровня безопасности полетов при ОВД по критерию “риск катастроф” в верхнем воздушном пространстве.
ЗАДАЧИ КОНТРОЛЯ УРОВНЯ БЕЗОПАСНОСТИ
Рассмотрим деятельность некоторого органа управления воздушным движением (УВД) с точки зрения выполнения его основных функций. Целевой функцией службы движения является возможно более полное удовлетворение запросов экипажей (обеспечение наилучшей экономической эффективности фактического потока ВС) при выполнении ограничений по обеспечению безопасности полетов. В такой постановке целевая функция деятельности по организации воздушного движения трактуется с первых дней ее существования. В целом никто не сомневается в ее правильности, важности и актуальности. Вопросы появляются тогда, когда ставится задача строго формализовать понятную каждому неспециалисту категорию “безопасность полетов при ОрВД”. Очевидно, что начинать здесь надо с определения категории.
Специалисты гражданской авиации, получившие представления об основных понятиях авиационно - транспортной системы из Наставлений по производству полетов в гражданской авиации (см. НИИ ГА-71,...,НПП ГА-85), трактуют безопасность полетов как “Свойство авиационно-транспортной системы, заключающееся в ее способности осуществлять перевозки без угрозы для жизни и здоровья людей” (см. Жулев В.И., Иванов В.С. Безопасность полетов летательных аппаратов, 1986 г.). Однако анализ функционирования отечественной гражданской авиации, а также мировой опыт ИКАО показывают, что реальные транспортные системы функционируют с некоторым риском причинения экономического вреда и нанесения ущерба здоровью и жизни летного состава и пассажиров. В этой связи в документе ИКАО Doc 9735 AN 1960 “Руководство по проведению проверок организации контроля за обеспечением безопасности полетов (2000 г.)” дано, на наш взгляд, верное определение этой категории. “Безопасность полетов - состояние, при котором риск причинения вреда или нанесения ущерба не превышает приемлемого уровня”.
Деятельность, направленная на организацию воздушного движения в воздушном пространстве, связана с риском столкновения ВС. Объективными причинами этого риска являются:
- эксплуатационные ошибки связи, навигации и наблюдения;
- профессиональные ошибки диспетчерского состава органа УВД, приводящие к неприменению или неправильному использованию правил и процедур ОВД в случаях, когда надо обеспечивать приемлемый уровень безопасности;
- отказы или значительные ухудшения технических характеристик подсистем связи, навигации, наблюдения, приводящих к невозможности осуществлять деятельность по обслуживанию;
- принятые процедуры и правила ОВД;
- характер структуры воздушного пространства (ВП) и распределения потока ВС по структуре ВП.
Поскольку названные причины существования риска катастроф при ОрВД существуют всегда и вне зависимости от нас, то возникает необходимость оценить значение этого риска с целью определения доминирующих факторов, его порождающих, и сравнить это значение с некоторым приемлемым (установленным) для данных условий работы уровнем. Этот подход сегодня положен в основу концепции управления безопасностью полетов (пришедшей на смену концепции обеспечения безопасности полетов), которая была принята ИКАО на 11 Аэронавигационной конференции. Согласно концепции управления безопасностью полетов необходимо установить индикатор безопасности полетов, который выражает меру требуемой и/или достигнутой безопасности полетов и который может использоваться на различных стадиях функционирования системы ОрВД.
Принципиально, критерии, используемые для оценки текущей безопасности полетов (safety performance), получаемые путем мониторинга, и критерии, используемые для оценки будущих систем и процедур ОрВД, могу различаться. Более того, ИКАО допускает существование как качественных, так и количественных критериев оценки безопасности на разных стадиях. Однако использование такого подхода крайне неудобно, так как ведет к невозможности сравнения планируемых и достигнутых результатов. На наш взгляд существует принципиальная возможность использовать единый количественный критерий оценки безопасности - риск катастроф, который может использоваться на всех стадиях жизненного цикла системы ОрВД, от стадии проектирования до стадии ее вывода из эксплуатации. Тогда в зависимости от жизненного цикла системы мы можем говорить об ожидаемом, текущем и фактическом риске катастроф.
Будем в дальнейшем понимать под риском столкновения ВС отношение ожидаемого (возможного, фактического) числа столкновений к налету ВС, оцененного за астрономическое время, в течении которого оценивалось ожидаемое (возможное, фактическое) число столкновений. Риск столкновений ВС является более узким критерием по отношению к общепринятому универсальному критерию риска катастроф. Однако, если принять во внимание, что одно столкновение магистральных ВС практически всегда приводит к двум катастрофам, риск катастроф ВС будет в два раза больше соответствующего риска столкновений.
С нашей точки зрения при оценке безопасности полетов на основе количественного значения риска катастроф следует различать три задачи, разнесенных последовательно во времени:
1. Оценка ожидаемого риска.
2. Оценка текущего риска катастроф, который обеспечивает система ОВД (задача текущего мониторинга).
3. Оценка фактического риска катастроф.
Каждая из этих задач имеет свою цель и самостоятельную практическую значимость. При решении первой задачи проводится количественная оценка риска, который предположительно будет обеспечивать система ОрВД, находящаяся еще в стадии разработки, при ее будущем функционировании (ожидаемый риск). Решение второй задачи необходимо для проведения оценки текущего состояния системы ОВД и оперативного реагирования на существующие, но не обнаруженные, системные ошибки или на появившиеся изменения внутри системы (текущий риск). Она подразумевает существование постоянного мониторинга и решается на достаточно коротких интервалах времени работы системы. Авиационные специалисты знают о степени влиянии так называемого «человеческого фактора» и отказов технических средств на безопасность полетов. Задача оценки текущего риска не включает в себя оценку влияния человеческого фактора и
решается без учета фатальных или сознательных нарушений правил и процедур службой движения и/или экипажами, террористических актов и отказов технических средств. Третья задача традиционна и решается с полным учетом влияния человеческого фактора и отказов технических средств на продолжительных интервалах времени (фактический риск).
ПОДХОД К ОЦЕНИВАНИЮ ТЕКУЩЕГО РИСКА КАТАСТРОФ В УСЛОВИЯХ НЕПРЕРЫВНОГО
РАДИОЛОКАЦИОННОГО КОНТРОЛЯ
Объективные предпосылки существования риска катастроф ВС в условиях непрерывного радиолокационного контроля были перечислены ранее. Цели оценки текущего риска позволяют нам не рассматривать вопросы ошибок диспетчера, в результате чего расстояния между ВС могли быть значительно меньшими предписанных правилами, и отказов технических средств. Рассмотрим влияние других факторов более предметно. Пусть диспетчер наблюдает ВС на некотором расстоянии друг от друга в момент времени 1:0. Отличается ли фактическое расстояние между ВС от наблюдаемого? Если искать ответ на этот вопрос в духе советских НПП ГА, то ответ будет: “Нет, не отличается”. Обоснования такого ответа могут быть различными, в том числе основанными на убеждениях о том, что локационные ошибки по своей природе имеют финитные плотности вероятностей. Однако, если стать на более реалистическую позицию и отбросить гипотезу финитности ошибок, то ответ будет: “Да, отличается!” В том числе фактическое расстояние может быть таким, что на следующем обзоре локатора эту конкретную пару диспетчер наблюдать не сможет!
Следующий вопрос. Будет ли фактическое расстояние между ВС для момента времени X є (0, ї0 + Тл), где Тл-период обзора локатора, отличаться от фактического расстояния в
момент времени ї0 ? Будет, и не только из-за того, что ВС совершали движение с некоторой
относительной скоростью Уотн. в течение интервала времени (0, Ї), но и из-за
навигационного характера движения, вследствие чего к неопределенности, связанной с ошибками наблюдения, добавляются неопределенности фактических положений ВС, связанные с навигационными факторами. Чем больше интервал времени (0, Ї), тем больше
влияние навигационных факторов в суммарной неопределенности фактических положений ВС по отношению к номинальным.
Итак, для любого момента времени X в условиях непрерывного радиолокационного контроля могут быть определены суммарные характеристики неопределенностей фактических положений ВС по отношению к их номинальным и оценены вероятности столкновений ВС за интервал времени (/0, ї0 + Тл) из-за этих неопределенностей. Формальная
сторона оценки указанных вероятностей описана в работах [1,2,3]. Если представить себе, что за астрономическое время Т (один час или одна диспетчерская смена, или...) было п обзоров локатора и для каждого обзора были получены попарные оценки вероятностей столкновений ВС РСТі , то риск катастроф ВС за время Т будет равен
22 РСТу (і0- , *0- + Тл )
Naz=^-------------------------------------------------Т-, (1)
ТЕ
где Т - суммарное полетное время, обслуженное диспетчером за астрономическое время Т; РСТі (ї0і., 70.. + Тл) - вероятность столкновения ] - й пары ВС за интервал времени і -го обзора (і =1,п); N - риск катастроф ВС за время мониторинга уровня безопасности
продолжительностью Т часов.
Формула (1) оценивает риск катастроф при мониторинге уровня безопасности из-за действия факторов, связанных с ошибками наблюдения, навигации, применения правил и
процедур УВД. В случае отказа технических средств ОрВД в течение времени Т процедуру оценки риска в общем виде следует строить по другим принципам, которые не рассматриваются в рамках данной статьи.
МАКЕТИРОВАНИЕ АВТОМАТИЗИРОВАННОГО РАБОЧЕГО МЕСТА (АРМ) ДЛЯ ОЦЕНКИ ТЕКУЩЕГО РИСКА КАТАСТРОФ ВС В УСЛОВИЯХ НЕПРЕРЫВНОГО РАДИОЛОКАЦИОННОГО КОНТРОЛЯ В ВЕРХНЕМ ВОЗДУШНОМ ПРОСТРАНСТВЕ
Для практического решения задачи оценки текущего риска катастроф в ГосНИИ «Аэронавигация» был разработан стенд. На стенде отрабатывались варианты решения задач, необходимых при создании АРМ “Безопасность”, для последующего включения такого АРМ в состав технических средств АС УВД. АРМ “Безопасность”, с нашей точки зрения, должно быть предназначено для мониторинга безопасности полетов при ОВД на основе оценки наблюдаемого уровня безопасности полетов (текущего риска), полученного путем объективного анализа результатов обслуживания воздушного движения поставщиком аэронавигационных услуг.
Целью создания АРМ “Безопасность” является:
1) оценка текущего риска ВС и идентификация характерных событий, возникающих при обслуживании воздушного движения, для которых риск катастроф превышает приемлемый уровень;
2) выявление системных причин возникновения идентифицируемых опасных событий, для которых риск катастроф превышает приемлемый уровень;
3) выработка системных рекомендаций по устранению возможности возникновения событий при ОВД, характеризующихся превышением приемлемого риска катастроф.
Для достижения поставленных целей в рамках АРМ “Безопасность” на стенде было выполнено макетное решение следующих задач:
• расчет риска катастроф ВС в реальном масштабе времени на основе имитируемых радиолокационных данных о воздушном движении ВС;
• автоматическая идентификация ситуаций, в которых риск катастроф превышает приемлемый;
• описание и хранение статической информации о характеристиках зоны УВД, необходимых для осуществления расчета текущего риска катастроф;
• хранение информации по ситуациям, в которых риск катастроф превышает заданный;
• формирование информационных пакетов по ситуациям, в которых риск катастроф превышает заданный;
• экспорт информационных пакетов по ситуациям, в которых риск катастроф превышает заданный, для дальнейшего анализа причин и ведения единой базы данных.
Разработанный стенд позволяет проводить моделирование движения ВС в соответствии с зонами видимости радиолокатора и его точностными характеристиками. На рис. 1 приведен фрагмент моделируемой динамической воздушной обстановки для структуры Великолукского РЦ. Имитация движения воздушных судов на стенде осуществляется на основании летно-технических характеристик ВС в соответствии с предварительно заданными имитационными планами полета.
Рис.1. Фрагмент моделируемой динамической воздушной обстановки для Великолукского РЦ
Информация от имитатора радиолокационных данных поступает в систему расчета риска катастроф, где производится ее обработка в реальном масштабе времени с отображением текущих результатов (рис. 2).
85511 77.892 49.017 10.600 47,925 10,287 10.600 205 -138 000 123,9 Т11154_(47х37...
85503 8.535 143.700 9,600 21,325 142,109 9.600 184 -148 000 128,8 Т1Л54_(47х37...
85512 133.452 35.790 10,600 -2,147 -35,726 10.600 -032 -245 000 187,4 ТШ54_(47х37...
65522 111.386 29.391 8,600 27,369 -10,714 8.600 211 -078 000 110,3 ТІЛ34_(37х29...
65521 111.130 44.541 8,600 41,549 -16,050 8.600 200 -074 000 110,3 Тиі34_(37х29...
85502 10.515 152.868 9,600 27,895 150,301 9.600 042 234 000 10,2 ТІІ154_(47х37...
85501 110.774 139.136 9,600 130,098 -49,331 9.600 222 -083 000 110,5 ТІЛ54_(47х37...
35511 & 85512 -15.3 -65.7 0.000 247.1 -136.9 -221,1 0.0 0,19 0.27 0.05 0.40 6.2Є-004 Ыаху 1,0е-050
35502 & 85503 -8.9 5.2 0.000 237.7 -350.9 -207,3 0.0 0,06 1.23 0.96 0.65 6.2Є-004 Ыаху 5.3Є-009
85501 & 85503 -168.9 141.3 0.000 237.0 -12.8 -74,2 0.0 0,12 1.16 0.96 0.65 6,2е-004 Ыаху 1,0е-050
65521 & 65522 -15.2 0.1 0.000 213.3 11.7 0,1 0.0 0,12 0.33 0.12 0.20 6.2Є-004 Мах 1,0е-050
85501 8і 85502 -165.4 151.0 0.000 237.0 -279.6 233,9 0.0 0,12 1.16 0.06 1.23 6,2е-004 Маху 1,0е-050
Рис. 2. Отображение текущих результатов расчета риска катастроф
При этом выводятся:
-исходные данные по задаваемым ошибкам и положению локаторов, а также навигационным ошибкам;
-список ВС, по которым поступает РЛ информация;
-список анализируемых пар ВС, которые автоматически выделяются для анализа исходя из типа их относительного движения;
-результаты мониторинга.
Список ВС содержит данные о положениях и скоростях ВС в неподвижной системе координат, а также тип ВС, автоматически определяемый исходя из их бортовых номеров.
Список анализируемых пар ВС содержит характеристики относительного движения ВС, включая их относительные координаты и скорости. Кроме того, он содержит характеристики отклонений фактических положений ВС от наблюдаемых за счет ошибок локатора и навигационных средств, а также идентификаторы типа относительного движения и вероятность столкновения для выделенной пары.
Текущий результат мониторинга включает:
-время начала интервала мониторинга;
-продолжительность интервала мониторинга;
-суммарное полетное время, обслуженное диспетчером;
-риск катастроф ВС на интервале мониторинга.
В процессе мониторинга производится запись текущих результатов. Возможности стенда позволяют представить записанные данные в виде графиков для проведения дальнейшего анализа результатов обслуживания ВД. Например, на рис. 3 приведены графики изменения во времени вероятностей столкновения ВС по парам, а также график изменения суммарного риска катастроф для рассматриваемого расчетного случая. В частности, они наглядно отражают, что в этом случае наиболее опасным с точки зрения текущего риска катастроф являлось взаимное движение ВС 85502 и 85503. Движение пары ВС 65521 и 65522 на интервале времени 9° 17' - 9°20' характеризуется резким уменьшением вероятности столкновения, так как в это время ВС этой пары находятся в области минимальных ошибок наблюдения моделируемого локатора.
Результаты анализа безопасности
Рис. 3. Изменения суммарного риска катастроф
Стенд позволяет проводить работы по исследованию организации воздушного движения в конкретном воздушном пространстве с целью оптимизации технических средств и адаптации правил и процедур ОВД для обеспечения установленного уровня риска катастроф.
РЕЗЮМЕ
Разработан макет автоматизированного рабочего места для оценки текущего риска катастроф ВС в условиях непрерывного радиолокационного контроля в верхнем воздушном пространстве. В качестве специального математического обеспечения на стенде используются последние разработки специалистов ГосНИИ “Аэронавигация”.
Выполненная работа позволяет приступить к практической реализации требований 11-го Приложения ИКАО по организации постоянного контроля и регулярной оценке уровня безопасности полетов при ОВД в воздушном пространстве.
ЛИТЕРАТУРА
1.Грибков И.М., Спрысков В.Б., Щербаков Л.К. Модель оценки риска катастроф ВС при движении по одной трассе на одной высоте. // Научный Вестник МГТУ ГА, серия Эксплуатация воздушного транспорта и ремонт авиационной техники, № 90, 2005.
2.Грибков И.М., Спрысков В.Б., Щербаков Л.К. Модель оценки риска катастроф ВС при движении по пересекающимся воздушным трассам на одной высоте. // Научный Вестник МГТУ ГА, серия Эксплуатация воздушного транспорта и ремонт авиационной техники, № 90, 2005.
3.Грибков И.М., Спрысков В.Б., Щербаков Л.К. Модель оценки риска катастроф ВС при пересечении занятых эшелонов. // Научный Вестник МГТУ ГА, серия Эксплуатация воздушного транспорта и ремонт авиационной техники, № 90, 2005.
V.V. Kravtsov, V.P. Kuranov, V.B. Spryskov, E.K. Shcherbakov
The estimation of flight safety performance in conditions of continuous radar control
When the amendment No 40 had come in force the paragraph 2.26 appeared in the Annex 11. This paragraph contains the standards and recommended practice for the provision (management) of the flight safety in the area and aerodrome control air space. In particular the standard 2.26.4 requires from the States to make the permanent monitoring and assessment of the safety level.
The main results of the new approach to the ATC safety level assessment developed by the GosNII “Aeronavigatsia” specialists are described in article. The approach is based on the accident risk criteria and can be practically used for the area control sectors.
Сведения об авторах
Кравцов Вадим Всеволодович, 1965 г.р, окончил МАИ (1988), старший научный сотрудник ГосНИИ «Аэронавигация», автор боле 20 научных работ, область научных интересов - безопасность полетов при УВД.
Куранов Виктор Петрович, 1937 г.р., окончил Балтийское высшее военно-морское училище (1959), ВЗЭИ (1967), кандидат технических наук, автор боле 200 научных работ, область научных интересов - анализ аэронавигационных систем.
Спрысков Владимир Борисович, 1951 г.р., окончил МАИ (1975), доктор технических наук, главный научный сотрудник ГосНИИ «Аэронавигация», автор боле 100 научных работ, область научных интересов -безопасность полетов при УВД.
Щербаков Евгений Константинович, 1955 г.р., окончил КИИГА (1977), кандидат технических наук, начальник отдела ГосНИИ «Аэронавигация», автор боле 30 научных работ, область научных интересов -безопасность полетов при ОрВД.
