Методы и модели надежности и безопасности эксплуатации сложных технических систем воздушного транспорта

Проблема надежности и безопасности сложных технических систем (СТС) относится к числу приоритетных, требующих постоянного контроля и внимания как профессионалов в данной области, так и Государственныхктур, определяющих необходимые объемы финансирования, материальные и ресурсные затраты. В настоящей работе в качестве объекта исследования рассматривается СТС воздушного транспорта, так как обеспечение их надежности и безопасности на этапе эксплуатации является не только актуальной, но и жизненно необходимой задачей.

Вопросами обеспечения надежности и безопасности СТС воздушного транспорта занимались и занимаются многие коллективы научных работников, инженерно-конструкторские и технологические подразделения предприятий промышленности. Особенно важная роль принадлежит тем организациям, которые непосредственно обеспечивают надежность и безопасность эксплуатации воздушного транспорта. Тем не менее, указанная проблема существует, а многие задачи еще не имеют своего решения и зачастую требуют особого нестандартного подхода.

Одной из мало исследованных и еще не решенных задач является учет в количественной и простой форме влияния на надежность и безопасность СТС воздушного транспорта так называемого человеческого фактора, т. е. влияния индивидуального или коллективного оператора (экипажа) на процессы функционирования системы. Примером такой.

СТС является современный самолет, обеспечение надежности и безопасности эксплуатации которого во многом определяется качеством подготовки оператора как в вопросах знания основ протекающих процессов, так, в особенности, в вопросах практических навыков принятия решений и управления. Самолет как сложная динамическая и техническая система впитал в себя многие достижения науки и практики. Будучи скомплектован из различного рода типов элементов, агрегатов и подсистем, начиная от энергомеханических, радиоэлектронных и кончая устройствами связи и управления, самолет имеет основное звенооператор (экипаж), осуществляющее управление и принятие решений в штатных и нештатных ситуациях. По статистическим данным около 70% аварий, поломок и катастроф приходится на долю летного состава. Вместе с тем известно, что для отраслей промышленности, разрабатывающих и производящих комплектующие элементы и подсистемы СТС, в данный момент времени наблюдается сокращение объемов заказов и производства. Задача усложняется и тем, что около 70% объема производства запасных частей для авиакосмической техники и других СТС после распада СССР осталось в странах СНГ. В связи с этим многие функции контроля качества элементов техники, а также многие центры экспериментального моделирования работы этих элементов в условиях эксплуатации, выключены из активной работы. Такие тенденции приводят к тому, что служба обеспечения надежности элементов СТС воздушного транспорта и тесно связанная с ней служба обеспечения безопасности значительно ослаблены. Современное состояние промышленности отрицательно сказаться на таком показателе как аварийность, а также способствует непредсказуемости процессов эксплуатации и использования воздушного транспорта.

Отсюда приходим к выводу, что в настоящее время значительно возрасла роль методов моделирования, прогнозирования надежности и безопасности отдельных элементов, блоков и подсистем, управляемых I человектом и входящих в состав системы воздушнго транспорта.

Методы моделирования и прогнозирования призваны меньшими средствами (чем натурные испытания) решить многие задачи оценки, контроля и обеспечения надежности и безопасности системы воздушного транспорта и ее отдельных подсистем.

Все вышеизложенное подтверждает актуальность и необходимость решения научной задачи, поставленной в настоящей работе и состоящей в разработке методов и моделей надежности и безопасности эксплуатации СТС воздушного транспорта с учетом влияния фактора управленш человеком.

В настоящее время существует значительное число работ [1.12] в области теории и практики обеспечения надежности и безопасности воздушного транспорта на этапе эксплуатации. В числе цитируемых источников этому вопросу посвящены исследования Воробьева В. Г., Кузнецова Н. И., Барзиловича Е. Ю., Воскобоева В. Ф., Новикова B.C. и др. Фундаментальные работы в области надежности и безопасности СТС выполнены Гнеденко Б. В., Соловьевым Н. Д., Беляевым Ю. К., Каштановым В. А., Северцевым H.A. и др. Однако новых подходов к учету фактора управления СТС человеком недостаточно. Этот фактор обычно упускается из внимания, или рассматривается на уровне качественного описания. Вместе с тем, как отмечалось, роль этого фактора для воздушного транспорта является определяющей в решении задач надежности управления, точности выполнения программ движения и безопасности движения. Подчеркнем, что решение поставленной задачи во многом подготовлено результатами исследований в данной области таких авторов как Маныпин Г. Г., Воскобоев В. Ф., Шлаен М. Я., Креденцер Б. Г. и др.

В настоящей работе предлагается новый подход к учету влияния фактора управления человеком СТС воздушного транспорта на показатели его надежности и безопасности. Новизна состоит в разработке показателей уровня подготовки оператора и уровня его способностей к выполнению задач управления СТС воздушного транспорта. Предлагаемый подход позволяет оценить эти показаетли по результатам тренажерных тренировочных работ и испытаний, а также в количественной форме учесть их влияние на критерии безопасного управления и безаварийной работы СТС.

Цели исследования. Целью диссертации является разработка новых методов решения научно-практических задач моделирования и прогнозирования надежности СТС воздушного транспорта с учетом фактора управления человеком.

Представим основные научные задачи, решение которых позволило достичь поставленной цели.

1. Разработка методов моделирования процесса обучения оператора (летного экипажа) безопасному управлению СТС воздушного транспорта и показателей уровня подготовки, а также уровня способностей оператора к решению задач управления.

Данная задача является новой как по постановке, так и по методам ее решения. Предложен показатель уровня подготовки оператора по управлению СТС воздушного транспорта, выражаемый в виде расстояния р (Г, Т0) между матрицей Т задания и матрицей Г0 ответов оператора. Дополнительно к этому впервые предложен показатель г (Т, Т0) склонности (способностей) оператора к управлению СТС. Число г (Т, Т0) определяется в работе как коэффициент корреляции между матрицами Т задания и матрицей Т0 ответов оператора. Для расчета данного показателя введено новое понятие коэффициента корреляции между матрицами.

2. Разработка информационной модели процесса обучения по управлению СТС воздушного транспорта, а также модели освоения и утраты знаний оператора.

В матричной форме информационная модель имеет вид Т0= А07| и выражает взаимосвязь между матрицей Т учебного плана и матрицей Т0 ответов оператора, где Ааматрица его подготовки. Эта модель впервые позволяет осуществить учет взаимовлияния различных разделов и различных тем учебного плана на качество его усвоения оператором в процессе обучения. В работе поставлена и решена задача оценки матрицы А0 подготовки оператора по опытным данным.

Здесь впервые предлагаются и исследуются количественные динамические модели, позволяющие осуществить прогноз развития процессов освоения и утраты знаний в процессе обучения управлению СТС.

3. Разработка условий и критериев безопасного управления СТС воздушного транспорта на этапе эксплуатации, а также разработка методов оценки:

— основного вероятностного критерия надежности СТС воздушного транспорта с учетом возможных ошибок оператора;

— вероятностного критерия безопасного управления СТС при участии оператора (экипажа);

— вероятностного критерия безаварийной работы СТС на заданном интервале времени.

Методы впервые позволяют в простой количественной форме найти значение указанных критериев по результатам обучения оператора на тренажерах или на специализированных обучающих комплексах.

Методы учитывают весовые коэффициенты влияния возможного выхода за допуск основных характеристик СТС. Они позволяют исключить необоснованное занижение основного показателя надежности СТС за счет учета компенсационных возможностей СТС воздушного транспорта.

4. Разработка обобщенной расчетной модели надежности элементов СТС воздушного транспорта на этапе эксплуатации с учетом фактора управления человеком и частных инэюенерных методик (на примере авиационного газотурбинного двигателя — ГТД).

Модель использует классификацию распределений по признакам стареющих и молодеющих распределений и учитывает универсальные качества распределения Вейбулла.

К числу основных инженерных методик относятся:

1. Инженерная методика расчета вероятности безопасного управления ГТД.

Методика впервые позволяет в простой форме учесть «человеческий фактор» при оценке надежности ГТД. В качестве исходных данных предлагается использовать результаты тренировочных работ на авиационных тренажерах.

2. Инженерная методика оценки вероятности безаварийной работы ГТД.

Методика впервые позволяет оценить коэффициенты значимости основных характеристик ГТД. Она исключает возможное занижение показателей надежности за счет учета компенсационных возможностей ГТД.

Объект исследования. Объектом теоретических исследований диссертации является СТС воздушного транспорта, управляемая человеком. Техническим объектом, на примере которого реализуется применение предлагаемых новых методов, является авиационный газотурбинный двигатель (ГТД).

Научная новизна работы. Изложенные выше и полученные в диссертации новые научные результаты по оценке надежности СТС воздушного транспорта и их практическое применение в виде инженерных методик для ГТД в своей совокупности представляют новый подход к оценке эксплуатационной надежности СТС воздушного транспорта, управляемой человеком.

Содержание этих результатов изложено выше при описании целей и задач исследований.

Практическая ценность работы. Практическая ценность диссертации заключается в разработке новых методов оценки надежности СТС воздушного транспорта, управляемых человеком, и в частности, методов оценки надежности ГТД. Предлагаемый метод впервые и в простой форме позволяет учесть фактор управления СТС человеком, что повышает объективность и достоверность оценки надежности, безаварийности и безопасности полетов.

Реализация результатов исследований. Новые научные результаты, полученные в диссертации, внедрены в ряде учебных заведений и учебных центров, в ряде научно-производственных организаций («Рыбинские авиамоторы», завод «Сокол»). Инженерные методики работы используются при оценке надежности и безопасности ГТД учетом фактора управления оператором.

Апробация работы. Основные положения и результаты диссертационной работы должены, обсуждены и одобрены: 1. На ряде семинаров ВЦ РАН.

2. На научной конференции «Надежность и качество-99» (г. Пенза, 1999 г.).

3. На международной конференции «Тронском-99» (г. Санкт-Петербург, 1999 г.).

Объем и структура работы. Диссертация изложена на 146 страницах машинописного текста, содержит один рисунок, одну таблицу и состоит из введения, трех глав, списка литературы из 24 наименований. Публикация результатов работы. По теме диссертации автором.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

ПО РАБОТЕ.

1. Установлено, что в настоящее время в работах в области оценки надежности сложных технических систем (СТС) воздушного транспорта, управляемых оператором или экипажем, «человеческий фактор» в количественной форме не учитывается, а СТС рассматривается как чисто техническая система.

Вместе с тем, отказы по вине оператора могут составлять до 70% от их общего числа.

Сформулирована постановка новой задачи: разработка методов оценки надежности СТС воздушного транспорта, управляемых оператором, с учетом коэффициентов влияния возможного выхода за допуск основных характеристик.

2. Разработана новая модель процесса обучения оператора управлению СТС воздушного транспорта на современных средствах обучения (например, на авиационных тренажерах).

В отличие от существующих моделей обучения предлагаемый метод в количественной форме учитывает процесс преобразования потоков информации в процессе обучения.

В матричной форме модель выражает взаимосвязь Т0= А0Т между матрицей Г учебного плана и матрицей Т0 ответов оператора, где А0-матрица его подготовки. Модель впервые позволяет осуществить учет взаимовлияния различных разделов и различных тем учебного плана на качество его усвоения оператором в процессе обучения.

2.1. Разработаны новые показатели уровня оператора СТС воздушного транспорта.

Показано, что показателем уровня подготовки оператора и освоения им учебного плана может служить расстояние р (Г, Г0) между матрицей Т задания и матрицей Т0 ответов оператора.

Дополнительно к р (Т, Т0) впервые предложен показатель г° склонности (способностей) оператора к управлению СТС воздушного транспорта.

Показатель способностей определяется в работе как коэффициент корреляции между матрицами Т задания и матрицей Т0 ответов оператора.

2.2. Разработана динамическая модель процесса обучения оператора воздушного транспорта.

Метод позволяет дать прогноз во времени процентных долей операторов, аттестуемых на квалификационные категории. Он обладает новизной в части оценки стационарных значений этих долей.

2.3 Разработана новая модель учета процессов освоения и утраты знаний при обучении оператора СТС воздушного транспорта.

Впервые предлагаются и исследуются количественные динамические модели, позволяющие осуществить прогноз развития процессов освоения и утраты знаний и дать рекомендации к построению процесса обучения.

3. Разработан основной вероятностный критерий надежности СТС воздушного транспорта, управляемой человеком.

Критерий представляет собой вероятность успешного выполнения СТС, управляемой оператором, назначенных функций на заданном отрезке [0,Т] времени работы.

Основной критерий выражается в виде произведения Р = Р6пРба. Здесь Р6п — вероятность безопасного управления СТС, а Рба — вероятность безаварийной работы СТС на заданном интервале [0,Т] времени.

3.1. Впервые предложен метод оценки вероятностного критерия Рбп безопасного управления оператором СТС воздушного транспорта.

Метод основывается на использовании предложенного в работе показателя уровня подготовки оператора, а также показателя уровня его способностей к управлению СТС.

3.2. Разработан новый метод оценки вероятностного критерия Рба безаварийной работы СТС воздушного транспорта с определением весовых коэффициентов, учитывающих компенсационные возможности СТС.

Метод позволяет исключить необоснованное занижение основного показателя надежности СТС при не учете весовых коэффициентов.

3.4. Предложена обобщенная расчетная модель надежности элементов СТС воздушного транспорта.

Модель использует классификацию распределений по признакам стареющих и молодеющих распределений и учитывает универсальные качества распределения Вейбулла.

4. На основании проведенных теоретических исследований разработаны инженерные методики расчета показателей надежности ГТД:

4.1. Инженерная методика расчета вероятности безопасного управления ГТД.

Методика впервые позволяет в простой форме учесть «человеческий фактор» при оценке надежности ГТД. В качестве исходных данных предлагается использовать результаты тренировочных работ на авиационных тренажерах.

4.2. Инженерная методика оценки вероятности безаварийной работы ГТД.

Методика впервые позволяет оценить весовые коэффициенты основных характеристик ГТД. Она исключает необоснованное занижение показателей надежности за счет учета компенсационных возможностей ГТД.