Автоматизація процесів управління безпекою польотів в аеронавігаційній системі

9

Размещено на http://www.allbest.ru/

НАЦІОНАЛЬНИЙ АВІАЦІЙНИЙ УНІВЕРСИТЕТ

На правах рукопису

УДК 629.735.05:629.7.067 (042.3)

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук

Автоматизація процесів управління безпекою польотів в аеронавігаційній системі

Спеціальність 05.22.13 - “Навігація та управління рухом”

Алєксєєв Олег Миколайович

Київ 2009

Зміст

Перелік умовних скорочень

Вступ

1. Аналіз проблем управління безпекою польотів в аеронавігаційній системі

1.1 Загальний аналіз аварійності в аеронавігаційній системі України за період 1998-2008 років

1.2 Аналіз методів прийняття управлінських рішень. Нейронно мережевий підхід

1.3 Аналіз міжнародних керівних документів з управління безпекою польотів

1.4 Аналіз існуючих автоматизованих систем управління безпекою польотів

2. Формування математичних моделей, які забезпечують процес автоматизації управління безпекою польотів

2.1 Метод моделювання імовірності виникнення особливих ситуацій у польоті

2.2 Багатофакторна модель ризику виникнення авіаційних подій

2.3 Імовірнісна модель управління факторами ризику

2.4 Нейронно-мережева модель автоматизованого управління безпекою польотів

3. Розробка методики та алгоритмів автоматизованого управління безпекою польотів

3.1 Методика вибору об'єму допоміжної вибірки для визначення виникнення особливих ситуацій у польоті

3.2 Алгоритм побудови системи автоматизованої діагностики та прогнозування рівня безпеки польотів

3.3 Алгоритм роботи нейронних мереж

4. Автоматизація прогнозування та управління безпекою польотів в аеронавігаційній системі

4.1 Програмна реалізація штучної нейронної мережі автоматизованої системи управління безпекою польотів

4.2 Математична формалізація автоматизованої системи управління безпекою польотів

4.3 Структура та принципи роботи блоків діагностики, управління та прогнозування рівень безпеки польотів

4.4 Інформаційна технологія статистичного синтезу критеріїв і алгоритмів прийняття управлінських рішень

Загальні висновки

Список використаних джерел

Перелік умовних скорочень

АС - аварійна ситуація

АСУБП - автоматизована система управління безпекою польотів

АП - авіаційна подія

БП - безпека польотів

ЄС - європейський союз

ЗПР - задачі прийняття рішень

КС - катастрофічна ситуація

НМ - нейронна мережа

ОС - особлива ситуація

ПС - повітряне судно

ПР - прийняття рішення

РБП - рівень безпеки польотів

СОТ - система організації торгівлі

СС - складна ситуація

УБП - управління безпекою польотів

УР - управлінські рішення

УУП - ускладнені умови польоту

ФР - фактор ризику

Вступ

Актуальність теми. Цивільна авіація є стратегічним пріоритетом геополітичного, соціального та економічного розвитку України, і важливою складовою частиною виробничої та соціальної інфраструктури, а її стійке та ефективне функціонування - необхідна умова забезпечення національної безпеки, стійкого економічного росту та підвищення рівня життя населення [99].

З початком перебудови економічних відносин обсяги авіаційної діяльності України суттєво скоротилися. Ускладнилося фінансове становище авіаційних підприємств, що спричинило скорочення робіт по розвитку та вдосконаленню цивільної авіації, і привело не тільки до вповільнення науково-технічного прогресу, але й до погіршення її технічного стану.

Мода на створення «незалежних структурних одиниць» усередині підприємств і галузі в цілому в пошуках економічної вигоди відтіснила на другий план питання БП, щорічні, тривалі структурні реорганізації з Авіаційною адміністрацією України не дають можливості ефективно й оперативно управляти галуззю. Переважаючі інтереси «комерції», приводять до поголовного використання категорично заборонених методів: незворотному процесу розкомплектації ПС і перестановки агрегатів, двигунів, і обладнання з літака на літак, подовження ресурсів авіатехніки без належної реальної оцінки її стану, що неминуче спричиняє за собою усвідомлене порушення авіаційних законів плюс повна безконтрольність з боку Авіаційної адміністрації України свідчить про те, що РБП в аеронавігаційній системі України не забезпечений [99, 100].

В [85] передбачається процедура "регулювання ризику", а у [86] - "оцінка ризику" і "зменшення ризику", однак в зазначених джерелах відсутній методичний або математичний апарат кількісного оцінювання ризику виникнення АП, та автоматизації процесу УБП, що дозволить більш ефективно здійснювати належний контроль за РБП.

Аналізуючи праці вчених у галузі забезпечення БП визначено:

у [1, 84] - розглянуто розвиток автоматизованої системи попередження АП призначеної для автоматизації задач, пов'язаних з діяльністю командно-керівного складу центрального апарату, командно керівного складу територіальних управлінь цивільної авіації та авіапідприємств щодо попередження АП та інцидентів;

у [4] - проводиться аналітика переходу від системної ефективності інформаційно - управляючих систем до процесної. Висвітлені шляхи переходу від системної до процесної ефективності для забезпечення надійності, безпеки та ефективності процесів функціонування інформаційно управляючих систем;

у [24, 25, 26, 27, 28, 29, 30] - викладено методологічний підхід до попередження АП шляхом апріорного оцінювання та активного УБП та принципи формування процесу УБП. Наведено теоретичне обґрунтування методики кількісного оцінювання ризику АП в польотах за заданий період льотної експлуатації на основі інформації не тільки об АП, а серйозних інцидентах, інцидентах та їх передвісників. Розглянуто можливість застосування нейронно-мережевого підходу до УБП, які навчаються на маючих та накопичуваних статистичних даних;

у [35] - викладено системний підхід до УБП щодо дослідження відмов безпеки системи «ПС - екіпаж - середовище»;

у [37, 39] - розглянуто базові теоретичні положення забезпечення БП в авіаційно-транспортній системі;

у [38] - розглянуто ряд аспектів рішення проблем БП, основаних на аналізі льотної придатності ПС. Надано опис сучасних бортових систем експлуатаційного контролю, які знайшли широке використання в цивільній авіації РФ як для рішення задач збереження льотної придатності ПС, так і для забезпечення основної функціональної направленості реєстраторів, як інформаційній підтримки при розслідування АП та інцидентів;

у [45] - запропоновано нову класифікацію АП та інцидентів з ураху-ванням ризиків їх виникнення та виявлення причинно-наслідкових зв'язків;

у [69] - розглянуто підхід до кількісного оцінювання РБП;

у [77, 78] - у стислій структурованій формі викладено основи забезпечення БП цивільних ПС на сучасному етапі розвитку авіаційно-транспортної галузі Росії;

у [82, 83] - розглянуто методи УБП шляхом відповідного моніторингу реального стану системи, вдосконалення її ланок та забезпечення ефективності, у т.ч. за показником безпеки через виявлення та аналіз певних кількісних характеристик - критеріїв РБП.

у [97] - викладено розроблені основи теорії ситуаційного аналізу повітряної та наземної обстановки аеронавігаційного обслуговування, яка включає принципи формування ситуацій аеронавігаційних систем; побудову метрики, як міру ситуацій; вибір функцій, які характеризують небезпеку польотних ситуацій; побудову апріорних щільностей імовірності по зонам спектру ситуацій. Обґрунтовано та реалізовано багатокритеріальний підхід до рішення задач класифікації повітряної обстановки, який забезпечує прийняття адекватних висновків для попередження конфліктних ситуацій;

у [103] - визначено мінімізацію випадкових складових РБП, шляхом активізацією теоретичних досліджень з метою апріорного визначення головних, проміжних та безпосередніх причин АП та інцидентів;

у [107] - розглянуто можливість застосування інтервального аналізу в управління ризиками, а саме при рішенні задач кількісного оцінювання ФР АП в умовах невизначеності та неоднозначності, при умовах зв'язку ФР АП, обумовлених змінами зовнішніх умов;

у [116] - розглянуто моделювання виникнення ризику за допомогою методики оцінки польотно-експлуатаційного ризику;

у [117] - запропоновано модернізацію методу моделювання рідких випадків шляхом визначення об'єму допоміжної вибірки, що дозволяє більш точно оцінити вірогідність зближення ПС по одній координаті.

Слід зазначити, що значна увага зазначених наукових праць зосереджена на локальних діях по прогнозуванню, ідентифікації та управлінню ФР, також висвітлено основні методологічні питання щодо створення й застосування математичних моделей, методологічні підходи до виконання початкових етапів моделювання: концептуального проектування, формалізації й алгоритмізації моделей УБП, проте практично відсутні матеріали, що містять комплексне інтегроване рішення проблеми УБП та її автоматизації.

Аеронавігаційна система є джерелом підвищеної небезпеки для життя і здоров'я людей, незважаючи на суттєве збільшення надійності її технічних складових, тому має властивість небезпеки, а показники БП, фактично характеризує наскільки система небезпечна. Відповідний моніторинг реального стану системи, вдосконалення її ланок та забезпечення ефективності, у т.ч. за показником безпеки, неможливо здійснити без виявлення та аналізу певних кількісних характеристик - критеріїв рівня. Враховуючи системні особливості функціонування ергатичної системи "екіпаж - ПС- середовище дана задача набуває особливої значущості при виконанні польотів, однак дослідники приділяють недостатньо уваги характеристиці аеронавігаційної системи за відповідними узагальненими показниками рівня БП[80,81].

Отже, постає актуальна науково-практична задача, яка складається в розробці та вдосконаленні методологічних основ та технологій розробки моделей та алгоритмів, які забезпечують підвищення ефективності процесу УБП, із застосуванням нейронно-мережевих технологій, на основі яких можливо створення АСУБП.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Робота виконана в рамках:

- науково-дослідної роботи УДК 656.708(047.31) № Держреєстрації 01040008986 “Провести дослідження, розробити та впровадити правила розслідування надзвичайних подій та пошкоджень повітряних суден на землі в Україні;

- науково-дослідної роботи №147ДБ-04 “Розробка методів та алгоритмів розпізнавання конфліктних ситуацій у розподілених системах управління динамічними об'єктами;

- науково-дослідницької роботи №137 (557-Х08) «Провести дослідження, розробити Концепцію та Державну цільову програму безпеки польотів і авіаційні правила інформаційного забезпечення системи управління безпекою польотів», затвердженої Розпорядженням КМУ від 05.03.09 за №2730-Р.

Метою роботи є розробка методу, який включає моделі та алгоритми, на основі яких можливо створення АСУБП.

Для досягнення поставленої мети необхідно вирішити наступні задачі:

- здійснити аналіз, систематизацію, узагальнення проблем і методів УБП в аеронавігаційній системі;

- розробити комплекс математичних моделей та алгоритмів УБП;

- розробити математичну формалізацію автоматизованої системи УБП;

- показати програмну реалізацію складових АСУБП.

Об'єктом дослідження є процес управління безпекою польотів в аеронавігаційній системі України.

Предметом дослідження є методи управління безпекою польотів.

Методи дослідження у дисертаційній роботі використані методи математичного та системного аналізу, теорії імовірності, теорії управління динамічними системами, теорії мережевих моделей, теорії прийняття рішень.

Наукова новизна полягає в тому, що в роботі:

- вперше запропоновано теоретичний базис для створення АСУБП, який забезпечує інтеграцію методів УБП;

- вперше розроблені математичні моделі та алгоритми, які дозволяють визначати та прогнозувати ступень ризику, із застосуванням математичного апарату мережевих моделей;

- розвинута логічна модель діагностики та правила ПР на основі критеріального співвідношення Вальда, яка дозволяє підвищити точність діагностування РБП до 95%.

- удосконалена методика побудови експертної системи на базі НМ, яка забезпечує інформаційну підтримку ПР для підвищення РБП.

Практичне значення отриманих результатів полягає в тому, що вони дозволяють:

- визначати оптимальні періоди проведених УР спрямованих на підтримку нормативного РБП як експлуатантів, так і галузі в цілому;

- удосконалити проведення практичних занять з БП в авіаційних вищих навчальних закладах;

- використовувати запропоновані в роботі методи УБП для створення Державної концепції, програми та комплексного плану виходу РБП України на світовий рівень.

Результати кандидатської дисертації адаптовані та впроваджені в:

- Державіаадміністрації України.

- Авіакомпанії “Українсько-середземноморські авіалінії” (Um-Air).

- Повітряних Силах Збройних Сил України.

- Національному авіаційному університеті України.

Особистий внесок претендента. Основні результати досліджень, що увійшли до дисертаційної роботи, отримані автором особисто.

У роботах, написаних в співавторстві, претенденту належать аналіз і інтерпретація результатів. Так у роботах:

[31] - запропоновано методологію створення АСУБП та інформаційного її забезпечення;

[50] - визначено необхідність формування професійної надійності диспетчерського складу, як одної з частин проактивного УБП;

[51] - удосконалено шляхи попередження потенційно-конфліктних ситуацій в аеронавігаційній системі;

[52] - розглянуто стани ОС у польоті та запропоновано математичний апарат теорії марківських процесів, яка забезпечує сходимість експериментальних та теоретичних результатів;

[53] - проаналізовано проблеми діагностики та удосконалення професійно важливих якостей авіаційних фахівців, запропоновано методику зниження негативного впливу людського фактора на БП;

[54] - розроблено моделі та алгоритми визначення та аналізу причин виникнення помилкових дій, які виникають при здійсненні професійної діяльності людини оператора;

[76] - впроваджені нові підходи до розслідування АП та інцидентів, відповідно до керівництва з УБП;

[95] - Розглянуті аспекти встановлення системи менеджменту безпеки в цивільній авіації України, в частині застосування системного підходу до розвитку політики безпеки, процедур та практики так щоб організація досягала наміченої мети забезпечення БП;

[96] - розроблено алгоритми УБП, структуру блоків управління та прогнозування ФР. Представлено узагальнену модель АСУБП;

[99] - проведено факторний аналіз виникнення АП та інцидентів в Україні за період 1998-2007 роки;

[100] - проведено причинно-наслідковий зв'язок виникнення АП, та виявлення ФР з іноземними ПС, які мали місце на території України;

[118] - показано застосування мережевих моделей для розв'язання задач прогнозування РБП;

Апробація результатів дисертації. Результати дисертаційної роботи докладалися й обговорювалися на міжнародних науково-технічних конференціях: «Авіа-2002», «Авіа-2003”, ON THE THIRD WORLD CONGRESS “Aviation in the XXI-ST century” September 22-24, 2008.

Публікації. Наукові і практичні результати опубліковані в 13 друкованих роботах, у числі яких 6 статей, опублікованих в збірниках наукових праць визнаних ВАК України фаховими, 4 публікації в інших виданнях, 3 тези міжнародних науково практичних конференціях.

Структура й обсяг дисертації. Робота складається зі списку скорочень, введення, чотирьох розділів, висновку, списку літератури.

У вступі обґрунтовано актуальність теми, визначені мета, задачі та методологічна основа досліджень. Визначено наукову новизну та практичне значення роботи. Показано, яким чином здійснювалась апробація та впровадження результатів.

У першому розділі детально проаналізована загальна оцінка аварійності в аеронавігаційній системі України за період 1998-2007 рр.

Проведено аналіз методів ПР, розглянута і проаналізована ефективність вибору того, або іншого рішення, розглянуті фактори, від яких залежить ефективність ПР.

Проаналізовано вимоги міжнародних керівних документів по УБП та існуючі АСУБП. Здійснено постановку задачі дослідження. Вперше пропонується і розвивається використання системного аналізу при УБП.

У другому розділі систематизовано і здійснено комплексне використання математичних моделей прогнозування рівня ризику і вироблення УР, направлених на забезпечення нормативного РБП.

При вирішенні задач автоматизації процесів УБП показано застосування НМ, яка дозволяє ефективно проводити синтез (прогнозування й управління ризиками) і виробити ефективний вектор УР.

У третьому розділі розглянуто алгоритми процесів УБП та вперше проведена комплексна їх оптимізація.

У четвертому розділі запропоновано метод створення АСУБП та розвинутий комплексний підхід до постановки задачі автоматизації УБП.

На підставі розроблених моделей і алгоритмів розроблена, охарактеризована, і обґрунтована постановка задачі на створення АСУБП; структурована і поставлена задача створення блоку діагностики, управління, і прогнозування ФР. Розроблена система модифікація мереж Петрі, правила їх функціонування та алгоритмічна підтримка імітації функціонування процесу діагностики РБП, яка дозволить проводити формування функціональної моделі процесу діагностики та генерацію варіантів УР направлених на підвищення РБП. Розроблені принципи синтезу структури системи УБП, які дозволяють враховувати всі існуючі параметри аеронавігаційній системи. На підставі статистичної і багатокомпонентної інформації з аварійності проведено аналіз різних методів, і алгоритмів прийняття УР, які враховують вибір оптимального варіанта УР направлених на підвищення РБП. Реалізована алгоритмічна логіка на основі формули Байеса, для розрахунку умовної імовірності виникнення події, що дозволить розробити дії по ухваленню УР направлених на забезпечення належного РБП.

У висновках формулюються основні наукові результати виконаних досліджень.

1. Аналіз проблем управління безпекою польотів в аеронавігаційній системі

1.1 Загальний аналіз аварійності в аеронавігаційній системі України за період 1998-2008 років

Авіаційну діяльність в аеронавігаційній системі України за період 1998-2007 років здійснювали близько 90 сертифікованих в Авіаційній адміністрації України експлуатантів усіх форм власності.

За цей період загальний наліт на ПС усіх типів склав близько 4120342 годин, мали місце 17 катастроф; 28 аварій; 77 серйозних інцидентів, що відображено на рис. 1.1.

Рис. 1.1. Загальна кількість катастроф, аварій, серйозних інцидентів за 10-річний період

Значне зростання кількості інцидентів сталося через порушення технічного обслуговування літаків, що свідчить про недостатній рівень інженерного аналізу відмов авіатехніки, відсутність у експлуатантів необхідної кількості запасних частин і агрегатів, зниження вимог керівного складу авіакомпаній до якості виконання технічного обслуговування. Процентне співвідношення факторів показано на рис 1.2.

Стурбованість викликає фізичне старіння парку ПС і відсутність законодавчо врегульованих механізмів його оновлення в умовах низької кредитоспроможності державних підприємств. У зв'язку з виробітком призначених ресурсів і загального терміну служби авіатехніки відбувається різке щорічне скорочення її сертифікованої кількості.

Особливу стурбованість викликають катастрофи, обумовлені зіткненням справних ПС із земною поверхнею в гірській місцевості через недостатню підготовку екіпажів ПС до виконання таких польотів [99].

Рис. 1.2. Процентне співвідношення факторів за 10-річний період

Унаслідок АП гинуть і травмуються люди, авіакомпанії зазнають значних фінансових збитків, що негативно впливає на економічні показники їх діяльності [31].

За даними ІКАО, відносні показники РБП у вітчизняній авіаційній галузі значно гірші від загальносвітових показників.

Негативний внесок щорік вкладає постійно зростаючий сектор вантажних перевезень і авіаційних робіт в зонах підвищеного ризику - країнах Африки і Близького Сходу без належного державного регулювання і контролю. Частина керівників експлуатантів, переслідуючи комерційні інтереси і задоволення вимог і бажань замовників, ціною забезпечення БП, чинять тиск на підлеглі екіпажі ПС, які стають заручниками таких обставин і свідомо допускають порушення правил завантаження ПС і правил польотів, що приводить до трагічних наслідків [21, 58].

За результатами перевірки, експерти FAA USA рекомендують віднести Україну до категорії «European aviation safety agency (EASA) Category 2», поки не будуть прийняті заходи по виправленню положення.

Інспекторським складом авіаційних адміністрацій Європи, що виконують перевірки українських експлуатантів за програмою Safety assessment of foreign aircraft (SAFA), в 2004 році виконано 22 перевірки з визначенням невідповідностей стандартам IКAO по категоріях 2 і 3.

Відсутність в більшості матеріалах розслідування АП, які були делеговані експлуатантам, даних бортових і наземних засобів об'єктивного контролю; фотографій пошкоджених частин авіатехніки; оцінки професійної підготовки екіпажа і виконання ним технології роботи і вимог керівництва льотної експлуатації; інженерно-штурманського розрахунку польоту, аналізу динаміки руху ПС; оцінки психоемоційного стану екіпажа; оцінки льотної придатності і якостей технічного обслуговування ПС не дає можливості своєчасного прийняття рішення щодо попередження АП в майбутньому по одних і тих же причинах [3,75,76].

Помилки, що постійно повторюються, у пілотуванні своєчасно не виявляються і належним чином не аналізуються, обробка інформації бортових самописців рейсових польотів в авіакомпаніях здійснюється формально. Деякі льотні фахівці авіакомпаній не дають належної оцінки якості виконання польотів, що, зрештою приводить до масових порушень вимог керівництва з льотної експлуатації [53,54]. Таким чином, порушена система вдосконалення організації льотної і льотно-методичної роботи, чому у колишньому СРСР, приділялася найпильніша увага. Методичне забезпечення тренувань льотних екіпажів до парування небезпечних відмов потребує серйозного поліпшення, оскільки програми тренувань не лише не повною мірою відображають порядок введення відмов, але часто і виключають найбільш критичні для безпеки етапи польоту. Тренування проводяться не комплексно, оскільки не містять елементів відбору взаємодії членів екіпажа. Програми перенавчання льотного складу, курси навчально-льотної підготовки пілотів не переглядалися протягом багатьох років [31, 100]. Таким чином необхідно визначити теоретичний базис та підходи для прийняття ефективних управлінських рішень з метою мінімізації ризиків при застосуванні нейронно-мережевих технологій УБП.

1.2 Аналіз методів прийняття управлінських рішень. Нейронно мережевий підхід

Ефективність вибору того або іншого рішення визначається деяким критерієм F, що допускає кількісне уявлення.

Критерій оптимальності представимо у вигляді:

F = F(Х₁, Х₂, ..., X_l, А₁, А₂, …, А_p, Y₁, Y₂, …, Y_q, Z₁, Z₂, …, Z_r, t),

де X - контролюємі фактори, вибір яких визначається експертами, які приймають рішення;

А - детерміновані неконтролюємі фактори - невипадкові фіксовані величини, значення яких відомі;

Y- стохастичні - випадкові величини і процеси з відомими законами розподілу;

Z -невизначені, для яких відома область, всередині якої знаходиться закон розподілу, їх значення невідомі в момент прийняття рішення.

Неконтролюємі фактори, які характеризують умови, в яких здійснюється вибір на який експерти, які приймають рішення вплинути не можуть. До складу неконтролюємих факторів входить час t Значення контрольованих факторів зазвичай обмежені рядом природних причин, наприклад обмеженістю ресурсів -g, що розташовуються. Математично ці обмеження записуються у наступному вигляді:

(1.1)

Умови (1.1) визначають області , , …, ., простору, усередині яких розташовані можливі (допустимі) значення факторів Х₁, Х₂, ..., X_l. Аналогічно можуть бути обмежені й області можливих значень неконтрольованих факторів. Скористаємося класифікацією[8,9,10,17], в основу якої покладено важливі класифікаційні ознаки, які показані на рис 1.4.

Аналіз однокритеріальної статичної детермінованої ЗПР. Результат УР залежить від вибраного рішення (стратегії управління) і деяких невипадкових фіксованих факторів, повністю відомих особі, що приймає рішення [9]. Стратегії управління можуть бути представлені у вигляді значень n-мірного вектора Х = (х₁, х₂, …, х_п), на компоненти якого накладені обмеження, обумовлені рядом природних причин і що мають вигляд:

(1.2)

де А_i - вектор-строка фіксованих невипадкових параметрів, які характеризують властивості об'єктів, що беруть участь в управлінні, і умови його протікання. Умови (1.2) визначають область допустимих значень стратегій X.

Ефективність прийняття УР характеризується деяким чисельним критерієм оптимальності F:

F = F(X, С), (1.3)

де С- массив фіксованих, невипадкових параметрів, які характеризують властивості об'єктів, що беруть участь в управлінні, і умови протікання управління. Перед особою, що приймає рішення, стоїть завдання вибору такого значення вектора управління Х = (х₁, х₂, …, х_п) з області його максимально допустимих значень, :

(1.4)

де область представляється умовою (1.2). У (1.4) символи і позначають максимально досяжне в умовах (1.2) значення критерію оптимальності F і відповідне йому оптимальне значення вектора управління X.

Сукупність співвідношень (1.2), (1.3) і (1.4) є загальним видом математичної моделі однокрітеріальної статичної детермінованої ЗПР [10].

Багатокритеріальні ЗПР. Вибираємо одне з множини рішень Х з області їх допустимих значень. Але на відміну від викладеного вище, кожне вибране рішення оцінюється сукупністю критеріїв f₁, f₂, …, f_k, які можуть відрізняються своїми коефіцієнтами відносної важливості л₁, л₂, …, л_k. Критерії f_q, , називають частинними або локальними критеріями, вони утворюють інтегральний або векторний критерій оптимальності F = {f_q}. Коефіцієнти л_q, , утворюють вектор важливості Л = {л_q}. Кожен локальний критерій характеризує деяку локальну мету прийнятого рішення. Оптимальне рішення повинне задовольняти співвідношенню:

(1.5)

де - оптимальне значення інтегрального критерію; opt - оператор оптимізації, який визначає вибраний принцип оптимізації.

Область допустимих рішень може бути розбита на дві непересічні частки: - область згоди, в якій якість рішення може бути покращене одночасно по всіх локальних критеріях або без зниження рівня будь-якого з критеріїв; - область компромісів, в якій поліпшення якості рішення по одних локальних критеріях приводить до погіршення якості рішення по інших.

Оптимальне рішення може належати тільки області компромісів, оскільки в області згоди рішення повинно бути поліпшено по відповідних критеріях.

Виділення області компромісу звужує область можливих рішень, але для вибору єдиного варіанту рішення слід розкрити сенс оператора оптимізації (opt) вираження (1.5) або, інакше кажучи, вибрати схему компромісу шляхом вибору функції агрегування частинних показань ефективності.

Нейронно-мережевий підхід. Основу кожної НМ складають відносно прості, у більшості випадків -- однотипні, елементи (осередки), що імітують роботу нейронів мозоку [60]. Далі під нейроном матиметься на увазі штучний нейрон, тобто осередок НМ. Кожний нейрон характеризується своїм поточним станом по аналогії з нервовими клітками головного мозоку, які можуть бути збуджені або загальмовані. Він володіє групою синапсів - однонаправлених вхідних зв'язків, сполучених з виходами інших нейронів, а також має аксон - вихідний зв'язок даного нейрона, з яким сигнал (збудження або гальмування) поступає на синапси наступних нейронів. Кожний синапс характеризується вагою синаптичного зв'язку, яка по фізичному значенню еквівалентна електричній проводи мості [11].

Поточний стан нейрона визначається як зважена сума його входів:

, (1.6.)

де n - число входів нейрона; - значення i-го входу нейрона; - вага i-го синапсу.

Вихід нейрона є функція його стану:

,

де F - активаційна функція, називається, яка має наступний вигляд:

. (1.7)

Основна перевага (1.6) в тому, що вона диференційована на всій осі абсцис і має дуже просту похідну:

.

У загальному випадку задача навчання НM зводиться до знаходження якоїсь функціональної залежності Y=F(X) де X - вхідний, а Y - вихідний вектори. В загальному випадку така задача, при обмеженому наборі вхідних даних, має нескінченну множину рішень. Для обмеження простору пошуку при навчанні ставиться задача мінімізації цільової функції помилки НМ, яка знаходиться по методу найменших квадратів [33, 41]:

,

де - значення виходу нейромережі; - цільове значення виходу; - число нейронів у вихідному шарі

Навчання НМ проводиться методом градієнтного спуску, т. е. на кожній ітерації зміна ваги проводиться по формулі

, (1.8)

де h - параметр, що визначає швидкість навчання.

, (1.9)

де - значення виходу нейрона; - зважена сума вхідних сигналів, визначувана по формулі (1.6), при цьому множник:

,

де - значення входу нейрона.

Далі розглянемо визначення першого множника формули (1.8)

,

де д - число нейронів в шарі n+1.

За допомогою допоміжної змінної можливо визначити рекурсивну формулу для визначення n-ного шару, якщо нам відомо наступного (n+1) -го шару:

.

Знаходження ж для останнього шару НМ не уявляє труднощі, оскільки нам відомий цільовий вектор, т. е. вектор тих значень, які повинна видавати НМ при даному наборі вхідних значень

.

І нарешті запишемо формулу (1.8) в розкритому вигляді

. (1.10)

Простим методом удосконалення градієнтного спаду є введення моменту m, коли вплив градієнта на зміну вагів змінюється з часом. Тоді формула (1.10) прийме вигляд:

.

Додатковою перевагою від введення моменту є здатність алгоритму долати дрібні локальні мінімуми та на підставі вектору X, рекомендацій експертів з БП і статистичній інформації вибираються вагові коефіцієнти синаптичного зв'язку першого шару :

, (1.11)

де -- і-ий елемент А:-ого образу.

З малюнка функції одиничного стрибка видно, що порогові значення Т, у загальному випадку, може приймати невідоме наперед значення, яке підбирається на стадії навчання разом з ваговими коефіцієнтами

.

Даний етап можна назвати навчанням НМ і від того, наскільки якісно він буде виконаний, залежить здатність мережі вирішувати поставлені перед нею проблеми під час експлуатації. Виходи НМ формуються самостійно, а вага змінюється по алгоритму, що враховує тільки вхідні і похідні від них сигнали.

Виходячи з вектора X і вагових коефіцієнтів синаптичного зв'язку wі, розраховуються стани нейронів першого шару (1.11), які характеризують приватні показники чинників, що впливають на БП:

.

3. Після цього набутими значеннями ініціалізуються значення аксонів другого шару:

,

і обчислюються нові стани нейронів другого шару:

,

а значення їх аксонів:

.

Таким чином використання НМ в АСУБП дозволяє ефективно вирішувати задачі синтезу (прогнозування й управління ризиками) і виробити ефективний вектор УР[26, 61,62]. Однією із складових АСУБП є бази даних, яки визначаються міжнародними керівними документами з управління безпекою польотів.

1.3 Аналіз міжнародних керівних документів з управління безпекою польотів

Забезпечення БП є пріоритетом діяльності авіаційного транспорту і невід'ємною складовою національної безпеки. Відповідно до [46] як член Міжнародної організації цивільної авіації (ІКАО) Україна повинна чітко дотримуватись встановлених цією організацією стандартів, згідно з якими кожна держава - член ІКАО зобов'язана розробити і виконати національну програму БП, а суб'єкти авіаційної діяльності - впровадити систему УБП [31].

Важливо відзначити, що в 80-х роках минулого століття поняття «безпека польотів» розглядалася як властивість авіаційної транспортної системи, що полягає в її здатності здійснювати повітряні перевезення без загрози для життя й здоров'я людей [37, 39].

Сьогодні доведена неспроможність підходу до розгляду питань БП в аеронавігаційній системі винятково з позиції комплексної протидії негативному впливу середовища на забезпечення БП. В [86] наведене наступне визначення безпеки, а саме: безпека являє собою стан, при якому ризик заподіяння шкоди особам або завдання збитків майну знижений до прийнятного рівня й підтримується на цьому або більше низькому рівні за допомогою безперервного процесу виявлення джерел небезпеки й контролю ФР. Отже, одним актуальних напрямків удосконалення методів УБП є визначення ризику, їх оцінка й управління ними.

Саме тому міжнародні авіаційні організації такі як Євроконтроль та ІКАО запропонували нову модель забезпечення БП, яка передбачає проактивний метод і полягає в активному зборі інформації про події з різноманітних джерел (система добровільних сповіщень; матеріали засобів об'єктивного контролю; результати розслідування АП і інцидентів; активний обмін інформацією [86, 114].

Система УБП це сукупність заходів із застосування єдиного підходу до УБП, що передбачає оптимізацію організаційної структури, розподіл відповідальності між органами державної влади та суб'єктами авіаційної діяльності, визначення політики та експлуатаційних процедур щодо забезпечення БП.

В основі УБП лежить системний підхід до виявлення й усунення джерел небезпеки та здійснення контролю за ризиками для забезпечення БП з метою мінімізації людських втрат, матеріальних, фінансових, екологічних та соціальних збитків.

Спираючись на системний підхід УБП, існує можливість застосування характерних точок її оціночної функції, яка визначає ставлення до ризику в процесі ПР щодо розв'язання тої чи іншої конфліктної та небезпечної ситуації, для диференціації рівнів трикутника ризику. Використовуючи саме таку класифікацію ризиків за кількісним обчисленням, виникає можливість вдосконалювати інформаційно-методичне наповнення вже запропонованих системи підтримки ПР експертами з БП [80,81].

В усіх випадках, коли ФР не задовольняє критеріям прийнятності, що заздалегідь встановлені, необхідно спробувати знизити його до прийнятного рівня, використовуючи належні засоби задля зменшення ризику. Перед тим як той чи інший ризик буде класифіковано як прийнятний чи допустимй, необхідне виконання таких умов [80,81]:

- даний ризик нижче встановленої межі неприйнятного рівня;

- даний ризик був зменшений до найменшого практично можливого рівня;

- вигода від запропонованої системи достатньо значуща, щоб прийняти даний ризик.

Отримання кількісних оцінок для експертів, які здійснюють ПР дозволять одержати кількісну оцінку поточного ризику, і тим самим, оцінювати результати заходів щодо управління ризиком та ставлення до нього.

Для підвищення РБП органи державної влади та суб'єкти авіаційної діяльності повинні вжити ефективних заходів для впровадження СУБП згідно з вимогами ІКАО, Європейського агентства з БП та Європейської організації з безпеки аеронавігації (Євроконтроль) [31]. В умовах вступу України до СОТ та підготовки до укладення Угоди між Україною та ЄС про спільний авіаційний простір, розв'язання проблем БП, дасть змогу підвищити привабливість українського повітряного простору та конкурентоспроможність вітчизняних експлуатантів ПС. Безпека є відносним поняттям, і припускає, наявність природних ФР в «безпечній» системі. Саме тому УБП розглядається, як контроль над ФР, а управління ризиками, допускає прогнозування виникнення небезпек у рамках функціонування системи УБП [64, 74].

Необхідно відзначити, що прийняття сучасних і ефективних УР у значній мірі залежить від розуміння суті небезпеки, погрози й ризику, а також відносини до них з боку суб'єктів авіаційної діяльності. Необхідно, щоб у суб'єктів авіаційної діяльності було однозначне розуміння сутності такої категорії як «ризик» і пов'язаних з нею категорій «погроза» і «небезпека». Ризик визначається, як міра невизначеності відносно майбутнього події, як можлива небезпека [1,77,78]. Принципи управління безпекою польотів показано на рис 1.6 -1.10. Небезпеку можна охарактеризувати, як можливість будь-якого нещастя, у результаті дії системно зв'язаних між собою об'єктивних і суб'єктивних факторів, одні з яких можна спостерігати, а інші можуть бути сховані. Найпоширеніший підхід до визначення небезпеки визначений у [47,85,86] де застосовується винятково поняття «загроза безпеки», а далі перераховуються її види залежно від тієї галузі, до якої ставиться документ. Часто такі поняття як «ризик» і «небезпеку» ототожнюють. Необхідно відзначити, що погроза виникає у випадку відмови враховувати при моделюванні й аналізі ситуації комплекс системних і унікальних ризиків, які можуть бути як прогнозованими, так і частково не прогнозованими. У той час, коли небезпека виникає безпосередньо на етапі ПР з урахуванням можливих ризиків [84].

В ряді дестабілізуючих факторів для суб'єк тів авіаційної діяльності (ризик, небезпека або погроза) первинним є ризик, а небезпека й погроза є різновидами виникнення ситуацій, які приводять до порушення БП у випадку ігнорування ризиків, тобто виступають як вторинні фактори. Тому сукупність параметрів, що представляють небезпеку або погрозу БП, можна класифікувати як сукупність ФР, виявленням і протидією якому повинен займатися весь персонал суб'єкта авіаційної діяльності в умовах функціонування системи УБП. Рівень прийнятного ризику в більшій мірі залежить від ступеню корисності для людини, яка приймає рішення, остаточної мети її діяльності, рівно як і корисності проміжних результатів, яких вона може досягти, реалізовуючи ту або іншу дію. Характеризувати поняття ризику можна лише як якісну категорію, яку не оцінюється кількісно за допомогою безпосередніх вимірювань. Це означає, що ризик треба оцінювати за деякими якісними ознаками стану досліджуваної системи, а вже при наявності якісних ознак знаходити кількісний еквівалент, який допоможе визначити рівень ризику [1]. Цей рівень необхідно обов'язково знати, щоб одержати методології для належної підготовки фахівців до кризових ситуацій в процесі управлінської діяльності.

Виявлення і оцінка ризиків дозволяє отримати інформацію, необхідну для ПР щодо методів управління ризиком. Таким чином, оцінка ризику служить основою для вироблення заходів управління ризиком.

Заключна фаза процедури оцінки ризику одночасно є першою ланкою процедури управління ризиком, тобто в результаті проведення аналізу ризику виявляється картина можливих ризикових подій, імовірність їх настання і наслідків. Після порівняння отриманих значень ризиків з гранично допустимими

виробляється стратегія управління ризиком, і на цій основі - заходи його їх запобігання і зменшення [80-81].

На цій основі запропонована методологія, [31] яка базується на узагальненні досвіду трьох основних шкіл експлуатації:

радянської школи експлуатації літаків, що діє на основі національних авіаційних правил (наставляння по виробництву польотів й ін.);

європейської школи експлуатації, що регулюється системою європейських обов'язкових правил: JAR-OPS-1 (комерційні літаки); JAR-OPS-3 (комерційні вертольоти); PART-M, PART-145, що регулюють збереження літної придатності літаків; JAR-OPS-2, JAR-FCL і т.д.

школи, заснованої на дотриманні вимог стандартів і рекомендує практики, ІКАО (SARPs), у першу чергу Додатків 1, 6, 8 і 16, з урахуванням передового досвіду світового авіаційного співтовариства.

Розроблена методологія враховує наявність трьох видів власності - державна, приватна, приватно-державна, при цьому відбиті особливості експлуатації трьох станів парку літаків: розробки радянсько-російського виробництва; західного виробництва й змішаний парк (частково радянського й частково західного виробництва).

Національні авіаційні правила можна представити як трьохрівневу ієрархічну систему:

I рівень - Типовий повітряний кодекс, основний закон, що регулює діяльність цивільної авіації по всіх її напрямках, що враховує всі міжнародні конвенції, ратифікувані державою (затверджується Верховною радою і вводиться в дію Указом Президента).

II рівень - авіаційні правила, що включають державні вимоги до всіх експлуатантів, авіаційному персоналу й центрам технічного обслуговування й ремонту авіаційної техніки (розробляється Авіаційною адміністрацією).

III рівень - авіаційні правила є розвитком правил II-го рівня в умовах конкретної авіакомпанії, аеропорту і т.д. (розробляється авіакомпаніями, аеропортами й ін.).

На даний час згідно з вимогами ІКАО та ЄС впроваджується сучасний підхід до УБП як найбільш ефективна форма державного регулювання діяльності цивільної авіації шляхом проведення постійної роботи з виявлення та усунення ризиків для забезпечення БП в аеронавігаційній системі [31].

Підвищення РБП передбачається досягти шляхом упровадження всіма суб'єктами авіаційної діяльності АСУБП та поетапної модернізації інфраструктури аеронавігаційної системи [31].

1.4 Аналіз існуючих автоматизованих систем управління безпекою польотів

Поява на повітряних лініях нової, високо ефективної й у той же час усе більше складної авіатехніки закономірно обумовлює зростання обсягу інформації, обробка якої необхідна й для правильної й своєчасної оцінки РБП. У зв'язку зі значним обсягом інформації, необхідним для достовірної оцінки тенденцій зміни РБП навіть в одному авіапідприємстві, не говорячи вже в цілому по галузі, збір цієї інформації, а в перспективі вироблення рекомендацій з формування УР, повинні бути автоматизовані із залученням сучасних засобів електронно-обчислювальної техніки [35, 38] . Основні принципи існуючих автоматизованих систем відображено на рис 1.11 - 1.14.

Розуміння впливу людського фактору на вдачі та невдачі в авіації можна краще забезпечити шляхом моніторингу дій екіпажу в нормальних умовах,чим шляхом розслідування АП та інцидентів [48, 50].

Розглядаючи наявні АСУБП з урахуванням нових умов авіаційної діяльності постає задача розвитку підсистем галузевого й територіального рівнів, що дозволяють накопичувати статичну інформацію в цілому по галузі [92]. Підсистеми рівня експлуатантів будуть призначені для цілей обґрунтованого рішення завдань, пов'язаних із забезпеченням БП [87,101]. При побудові системи УБП, заснованої на використанні інформаційно-управляючих систем, виникає задача розробки її оптимальної структури, а критерієм оптимальності при цьому можна прийняти деякий показник наприклад кількість одержуваної інформації [2, 4]. Така декомпозиція дає можливість послідовно розробляти й уводити в експлуатацію фрагменти АСУБП, що замикає керуючий контур і перетворює всю систему в систему керування зі зворотним зв'язком [19,20,77]. Інформаційне забезпечення функціонування системи УБП, повинно включати створення баз даних про АП, зокрема причини їх виникнення та ФР, які були встановлені за результатами розслідування, результати аналізу записів бортових реєстраторів та іншої польотної інформації, обов'язкові та добровільні сповіщення авіаційного персоналу про АП, інциденти та ризики, зауваження інспекторського складу авіаційної влади [74,75,76].

В першому розділі вирішено задачу щодо здійснення аналізу, систематизації й узагальнення проблем і методів УБП в аеронавігаційній системі України, а саме:

проблем УБП в аеронавігаційній системі;

методів прийняття управлінських рішень;

методів використання мережевих моделей при УБП;

міжнародних керівних документів та існуючих автоматизованих систем по управлінню безпекою польотів. Так визначено:

Сучасний стан аеронавігаційної системи України по оцінках іноземних експертів уважається за критичний, і вимагає негайного втручання на найвищому державному рівні.

Результати аналізу причин виникнення АП та інцидентів за останні десять років свідчать:

що приблизно 80 % таких подій сталися через помилкові дії та порушення екіпажами ПС правил експлуатації (людський фактор);

система підготовки та підвищення кваліфікації пілотів цивільної авіації є недосконалою і не відповідає вимогам ІКАО та ЄС;

на даний час більшість авіакомпаній експлуатує парк морально, технічно та фізично застарілих повітряних суден. Відсутність достатньої кількості запасних частин та їх висока собівартість призводять до розукомплектування ПС та заміни агрегатів, систем, і обладнання деталями, узятими з інших ПС, а також до використання контрафактних деталей;

придбання або експлуатація авіакомпаніями дешевої авіаційної техніки іноземного виробництва, яка вичерпала значний запас ресурсів і як наслідок морально, технічно і фізично застаріла та має низький рівень надійності;

статус і структура авіаційної влади України не відповідають вимогам Міжнародної організації цивільної авіації ІКАО.

Розглянуті та проаналізовані класичні методи ПР, які дозволяють приймати обґрунтовані рішення при невизначеності даних і ситуацій, недоліку фактичної інформації і перспективних її змін. Однак розроблені, способи рішення задач в умовах ризику і невизначеності не обмежуються перерахованими методами. Залежно від конкретних обставин в процесі аналізу можуть бути використані й інші методи, сприяючі рішенню задач, пов'язаних з мінімізацією ризику.

Проаналізовано міжнародні керівні документи з УБП, з чого визначено, що з усіх існуючих систем авіаційних правил як основу потрібно обрати європейську систему по ознаці новизни стосовно існуючої, а також по ознаці максимальних міжнародних перевезень авіакомпаніями, з урахуванням національного менталітету, що детально відображено в [31].

З аналізу існуючих АСУБП можна зазначити, що основна їх позиція зосереджена на накопичуванні статистичної інформації, однак відсутні методи аналізу, прогнозування та виработки УР направлених на усунення ФР до того як наступе АП чи інцидент.

Постановка задачі дослідження. Для вирішення задачі створення АСУБП, необхідно застосовування методології системного аналізу [57,65], яка проводиться по наступних основних етапах:

- виявлення проблеми, оцінка її актуальності;

- визначення мети і функціональних зв'язків;

- розкриття структури існуючої системи визначення дефектних елементів, що обмежують отримання заданого виходу;

- оцінка впливу елементів системи на визначені критеріями виходи системи;

- визначення структури для побудови набору альтернатив;

- побудова набору альтернатив, та їх оцінка;

- вибір альтернатив для реалізації УР;

- визначення процесу реалізації УР;

- узгодження експертами ПР;

- реалізація ПР;

- оцінка результатів реалізації УР.

Критерії кількісної оцінки РБП ґрунтуються на розвитку методів математичної статистики і теорії імовірностей і застосовуються при аналізі стану проблеми БП у кожній країні й ІКАО в цілому. І оскільки АП має всі ознаки випадковості, то для обліку її наслідків або імовірності її прояву застосовуються статистичні і імовірнісні критерії.

Статистичні критерії безпеки польотів формуються на базі даних статистики про АП і корисну роботу парку ПС за визначений календарний період їхньої експлуатації.

Імовірнісні критерії безпеки польотів. Унаслідок того, що виникнення в польоті несприятливих факторів є випадковістю, то події, що відповідають благополучному або неблагополучному результатові польоту, також є випадковими і добре описуються методами теорії імовірностей. Тому основним критерієм кількісної оцінки РБП можна вважати імовірність благополучного результату польоту або імовірність неблагополучного результату польоту.

Для цього потрібні певні свідчення-підтвердження небезпечного фактору. котрі можуть бути отримані кількома шляхами з різних джерел:

- системи подання даних про ФР і інциденти;

- аналіз тенденцій;

- зворотній зв'язок від системи підготовки;

- моніторинг польотів в нормальних умовах;

- аналіз даних засобів об'єктивного контролю;

- огляд стану БП і перевірки організації контролю за її забезпеченням;

- розслідування АП і інцидентів;

- системи обміну інформацією.

Необхідно оцінити кожне виявлене джерело небезпеки і надати йому певний ступінь пріоритетності. така оцінка потребує узагальнення і аналізу всіх даних щоб з'ясувати, чи є небезпечний фактор "ізольованим" або системним.

Після підтвердження наявності недоліку в СУБП визначаються найбільш оптимальні заходи для запобігання або усунення цієї небезпеки або зменшення відповідного ризику. Зрозуміло, що при цьому не може бути вироблений "єдиний рецепт" як панацея розв'язання всіх можливих ситуацій. Після реалізації відповідних заходів необхідно провести моніторинг результатів, щоби переконатися в тому, що:

- небезпечний фактор ліквідований, або у крайньому разі відповідний ризик зменшений по показниках імовірності події чи за ступенем серйозності наслідків;

- здійснені дії дозволяють контролювати небезпечні фактори;

- в систему не було внесено нових джерел небезпеки.

Математична формалізація створення АСУБП, передбачає реалізацію гарантійного підходу до забезпечення нормативного РБП в стандартних та аварійних умовах діяльності. В системі повинен забезпечуватися індивідуальний підхід до діяльності кожного експлуатанта за рахунок адаптації, яка заключається в урахуванні індивідуальних особливостей експлуатантів, персональної моделі експлуатантів.

Дане питання можливо вирішити через комплексне інтегроване рішення проблеми УБП та її автоматизації через удосконалення методологічних основ та технології розробки моделей та алгоритмів, які забезпечують підвищення ефективності процесу УБП, на основі яких можливо створення АСУБП з використанням сучасних нейромережевих технологій, для цього потрібно вирішити наступні задачі:

1. Здійснити аналіз:

проблем УБП в аеронавігаційній системі;

методів прийняття УР;

використання мережевих моделей при УБП;

міжнародних керівних документів по УБП;

існуючих автоматизованих систем УБП.

...