CC BY
62
-►
Системный анализ и управление
УДК 608.4.
М.А. Смольникова
СТРУКТУРА СИСТЕМЫ ПРЕДОТВРАЩЕНИЯ СТОЛКНОВЕНИЯ ВОЗДУШНОГО СУДНА С ЗЕМНОЙ ПОВЕРХНОСТЬЮ
По данным ИКАО большинство катастроф, связанных со столкновением с подстилающей поверхностью в управляемом полете, были вызваны недостаточной информированностью летного экипажа о препятствиях вблизи самолета и вдоль планируемой траектории полета. В связи с этим в состав бортового оборудования были введены системы, обеспечивающие обзор впереди самолета в пределах предустановленного рабочего пространства и своевременную сигнализацию, в случае попадания в него элементов подстилающей поверхности [1]. Такие системы получили название TAWS (Terrain Awareness and Warning System). В русскоязычной технической литературе такие системы называют системами раннего предупреждения близости земли (СРПБЗ). Минимальные требования к ним определены в стандарте ИКАО TSO-151a, принятом в 1999 г. [2]. Система TAWS выполняет несколько функций, одна из которых - FLTA (Forward Looking Terrain Avoidance) - функция раннего предупреждения близости земли. Функция включает обзор ограниченной области пространства впереди самолета вдоль и ниже горизонтальной и вертикальной траектории полета и обеспечивает необходимую сигнализацию в случае возникновения потенциальной опасности столкновения.
Бортовая система, реализующая указанную функцию, использует навигационную информацию о координатах и параметрах движения воздушных судов, полученную от приемника GPS, а также от других навигационных систем, например ИНС. В состав СРПБЗ входит база данных рельефа (БДР), база данных искусственных препятствий и аэронавигационная база данных (в дальнейшем, говоря о БДР, будем подразумевать как природные, так и искусственные препятствия). Информация из БДР, а также сведения о широте и долготе текущего местоположения
воздушного судна, путевой скорости, угле пути, высоте полета, вертикальной скорости, поступают в модуль определения наличия препятствий около воздушного судна, где обрабатываются функцией оценки угрозы. В случае, если угроза существует, система выдает предупреждающую звуковую и визуальную сигнализацию.
Для определения уровня угрозы, которую представляет собой то или иное препятствие, перед воздушным судном в направлении его движения строят рабочее пространство. Размер и форма его зависят от ряда факторов: от режима и этапа полета, текущих параметров полета самолета и совершаемых им эволюций, условий полета.
Цель данной статьи - проведение подробного анализа и обоснование структуры рабочего пространства.
Рабочее пространство состоит из двух зон: зоны внимания (ЗВ) и зоны предупреждения (ЗП). В существующих системах данные о рельефе и искусственных препятствиях, отображаемые на дисплее, окрашены в цвета, согласно степени опасности, которую они представляют.
Зоны ориентированы по направлению полета воздушного судна, каждая из них представляет собой трехмерную область пространства. Вертикальное и горизонтальное сечение зон, принятых в СРПБЗ [3, 4], показано на рис. 1.
Размер зон в продольном направлении является функцией от скорости движения воздушного судна Уп, и временных параметров, которые выбирают исходя из требований по безопасному маневрированию при обнаружении препятствий, а также учитывают возможные изменения параметров полета.
Полное время прогноза Тп должно учитывать летно-технические характеристики данного типа воздушного судна и выбираться с расчетом
а)
+
б)
Нмд
Рис. 1. Зона внимания и зона предупреждения: а - горизонтальное сечение; б - вертикальное сечение
успешного маневрирования воздушного судна без выхода за эксплутационные ограничения. В то же время, зоны должны быть жестко ограничены, т. к. избыточная сигнализация будет отвлекать внимание экипажа и со временем притуплять свою значимость. Полное время прогноза также должно учитывать время реакции экипажа на поступившее предупреждение. После подачи сигнала на дисплее пилот должен осмыслить полученный сигнал, проанализировать сложившуюся ситуацию, принять решение и начать выполнение маневра уклонения. Назовем это время временем запаздывания t ; обычно оно составля-
* зал'
ет 5-10 с [4]. Маневр уклонения чаще всего проводят в вертикальной плоскости, как наиболее быстрый. С учетом данных рассуждений полное время прогноза для среднемагистральных воздушных судов составляет от 40 до 90 с.
Вокруг воздушного судна строится цилиндрическая защищенная зона, в которой нельзя допустить нахождение препятствий.
Вертикальное сечение данной области имеет размер, равный величине минимально допустимой высоты пролета над препятствием Нмд, определяется нормами стандарта [2] и, в зависимости от этапа полета, варьируется от 30 до 150 м.
Угол расширения боковых границ рабочего пространства а в горизонтальной плоскости (рис. 1 а) в простых условиях должен составлять не менее 5°, а в случае выполнения воздушным судном маневра разворота угол увеличивают пропорционально скорости выполнения разворота.
В существующих системах вертикальной плоскости границы ЗВ И 3П имеют достаточно сложную конфигурацию, показанную на рис. 1 б.
Для обоснования формы вертикального сечения рабочего пространства и выбора его параметров используются следующие основные предположения:
1. Пилоту до начала выполнения маневра уклонения необходимо время для восприятия и анализа изображения, предъявляемого на экране кабинного индикатора. Если воздушное судно имеет вертикальную скорость V то на интервале времени запаздывания самолет продолжает снижаться/набирать высоту.
2. При выполнении маневра должен выполнятся ряд эксплутационных ограничений, среди которых большое значение имеет допустимый угол атаки и допустимая вертикальная перегрузка.
3. Если воздушное судно выполняет вертикальный маневр по уклонению от препятствия при снижении, то необходимо учитывать просадку, т. е. потерю высоты от момента подачи сигнализации до момента начала набора высоты.
4. Во время выполнения маневра уклонения, а также во время запаздывания экипажа на самолет воздействуют различные возмущающие факторы, наиболее опасным среди которых является сдвиг ветра [5].
5. Рассматривается следующий подход к конструированию вертикального профиля рабочей зоны. Представим нижнюю границу рабочего пространства в виде ломаной, которая является аппроксимацией траектории движения воздушного судна, выполняющего вертикальный маневр. Типичный вид такой траектории хорошо известен. На рис. 2 представлены результаты компьютерного моделирования процесса выполнения вертикального маневра уклонения средне-магистральным воздушным судном. На графике оси соответствуют координатам воздушного судна: X' - продольной, Г' - вертикальной.
На графике 1 начальный участок траектории соответствует времени задержки и при отсутствии внешних возмущений представляет собой прямолинейный отрезок с углом наклона траектории 0. После указанной временной задержки вертикальная скорость начинает уменьшаться из-за действия руля высоты и увеличения тяги двигателей. Наибольшая просадка имеет место в момент, когда вертикальная скорость равна нулю. Затем вертикальная скорость увеличивается и до-
4
Системный анализ и управление
Рис. 2. Аппроксимация нижней границы траектории движения самолета
стигает установившегося значения, которое зависит от величины избытка тяги. Пунктирная линия 2 была получена путем смещения вниз траектории движения 1 на величину, равную Нмд. Аппроксимация опущенной траектории представляет собой ломаную ABCDEF. Первый отрезок АВ имеет наклон, соответствующий углу наклона траектории 0, увеличенного на А. Величина А учитывает вариации вертикальной скорости. Проекция отрезка АВ на горизонтальную ось соответствует расстоянию, которое преодолеет воздушное судно за время ?зап +Аt, т. е. время запаздывания, увеличенное на запас Аt. Проекция отрезка ВС на горизонтальную ось соответствует дистанции полета до момента, когда вертикальная скорость
хд
равна нулю, увеличенного на запас У^. Наклон отрезка ВС равен 0. Следующий отрезок CD горизонтальный и продолжается до тех пор, пока скорость набора отличается более чем на 10 % от установившейся. Из точки D граница идет вертикально вверх, не доходя до линии 2 на величину Ак. Отрезок EF имеет наклон 6° и продолжается до величины УпТзп, где Тзп ° заранее установленное время для зоны предупреждения.
На траекторию вертикального маневра существенное влияние оказывает воздействие внешней среды, прежде всего опасен попутный ветер, а также сдвиг ветра. Примерный вид траектории при внезапном появлении попутного ветра в момент принятия решения о выполнении маневра
Нмд
Рис. 3. Аппроксимация нижней границы траектории движения самолета при сдвиге ветра
показан на рис. 3. Проведя построения, аналогичные указанным выше, получим аппроксимацию. Если провести расчеты для наихудшего случая, т. е. для максимально допустимого ветра, то полученную аппроксимацию можно использовать для обоснования параметров рабочей зоны внимания. При наличии на борту устройства, позволяющего обнаружить сдвиг ветра и оценить продольную составляющую скорости ветра, следует соответствующим образом изменить параметры ЗП. Один из вариантов реализации такого способа построения рабочего пространства предложен
СПИСОКЛ
1. Бабуров, В.И. Принципы интегрированной бортовой авионики [Текст]/В.И. Бабуров, Б.В. Папоморенко.-СПб.: Агенство «РДК-Принт», 2005.-448 с.
2. TSO-C151a Terrain Awareness and Warning System [Электронный ресурс] www.rgl.faa.gov
3. СРПБЗ. Руководство по технической эксплуатации, ВНИИРА «Навигатор» [Текст]
4. Патент №US 5839080 от 1998.11.17 Terrain
в [6]. Подобная перестройка ЗП позволит, с одной стороны, повысить достоверность оценки угрозы, а, с другой стороны, снизить уровень псевдоложных тревог.
Проведенный анализ характеристик СРПБЗ и предложение по построению рабочего пространства позволяют усовершенствовать характеристики эксплуатируемых систем и, тем самым, повысить безопасность полетов.
Автор выражает благодарность А.И. Красову за помощь при подготовке статьи.
awareness systems [Электронный ресурс] www. freepatentsonline.com
5. Филатов, Г.А. Безопасность полетов в возмущенной атмосфере [Текст]/Г.А. Филатов, Г.С. Пумино-ва, П.В. Сильвестров.-М.:Транспорт, 1992.-272 с.
6. Патент №RU 2297047 от 2005.08.03. Способ обнаружения и предупреждения угрозы столкновения воздушного судна с препятствиями подстилающей поверхности [Электронный ресурс] www.fips.ru
УДК 621.316.72
М.Б. Гузаиров, А.П. Костюкова
СИСТЕМА УПРАВЛЕНИЯ ЭКСПЛУАТАЦИОННЫМИ РИСКАМИ СЛОЖНОСВЯЗНЫХ НАГРЕВАТЕЛЬНЫХ ОБЪЕКТОВ
Вопрос управления рисками сложнонагру-женных плавильных объектов (СПО), в частности, индукционных тигельных печей, достаточно подробно освещен в отечественных и иностранных публикациях [1-3]. Предпочтения российских предприятий и подобных предприятий в странах СНГ, занимающихся плавкой металлов, сводятся к диагностике СПО и в меньшей мере - к его автоматизации. Общие требования по безопасности промышленных объектов установлены Федеральным законом «О промышленной безопасности опасных производственных объектов», где немалая роль уделяется технической диагностике. Уровень безопасности плавильного модуля связан с его техническим состоянием, а также с режимами и условиями эксплуатации. Данные о выявленных дефектах технического состояния
собираются, анализируются и служат основой для принятия решения о корректирующих воздействиях. Так обеспечивается обратная связь, замыкающая контур при управлении рисками на предприятии, занимающемся плавкой металлов (рис. 1).
В плавильной печи, равно как и в другом сложнонагруженном объекте, характер протекания процессов во времени является непрерывным, а период использования - регулярно-постоянным или регулярно-периодическим. Такой объект должен диагностироваться в рабочем режиме, причем непрерывно. Поэтому наиболее целесообразно рассмотрение печи в процессе изменения ее состояния во времени с применением статистических и вероятностных оценок. Такой процесс описывается кортежем X = (Т, S, Г), где 5" - про-
