Методи та засоби забезпечення ефективності інформаційно-управляючих систем повітряних суден

Размещено на http://www.allbest.ru/

Національний транспортний університет

УДК 629.735.05:004(042.3)

05.13.06 - Інформаційні технології

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня

доктора технічних наук

МЕТОДИ ТА ЗАСОБИ ЗАБЕЗПЕЧЕННЯ ЕФЕКТИВНОСТІ ІНФОРМАЦІЙНО-УПРАВЛЯЮЧИХ СИСТЕМ ПОВІТРЯНИХ СУДЕН

Аль-Амморі Алі

Київ - 2010

Дисертацією є рукопис

Робота виконана в Національному транспортному університеті Міністерства освіти і науки України, м. Київ

Науковий консультант: доктор технічних наук, професор Левковець Петро Романович, Національний транспортний університет Міністерства освіти і науки України, завідувач кафедри "Транспортне право, системний аналіз та логістика"

Офіційні опоненти:

- доктор технічних наук, професор Петрашевський Олег Львович, Національний транспортний університет Міністерства освіти і науки України, професор кафедри "Аеропорти"

- доктор технічних наук, професор Дем'янчук Вільгельм Степанович, ДП Навчально-сертифікаційний центр обслуговування повітряного руху України (Украерорух) Міністерства транспорту та зв'язку України (м. Київ), начальник науково-дослідного центру

- доктор технічних наук, професор Корченко Олександр Георгієвич, Національний авіаційний університет Міністерства освіти і науки України, завідувач кафедри "Безпека інформаційних технологій"

Захист дисертації відбудеться 28 вересня 2010 р. о 14 годині, на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 26.059.01 у Національному транспортному університеті за адресою: Україна, 01010, м. Київ, вул. Суворова, 1, зал засідань (ауд. 333).

З дисертацією можна ознайомитись в бібліотеці Національного транспортного університету за адресою: 01103, Україна, м. Київ, вул. Кіквідзе, 42.

Автореферат розісланий " " серпня 2010 р.

Вчений секретар спеціалізованої вченої ради к.т.н., доцент О.І. Мельниченко

Анотації

Аль-Амморі Алі. Методи та засоби забезпечення ефективності інформаційно-управляючих систем повітряних суден. - Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня доктора технічних наук за спеціальністю 05.13.06 - інформаційні технології. - Національний транспортний університет Міністерства освіти і науки України, Київ, 2010.

Дисертація присвячена розробці теоретичних та практичних методів забезпечення ефективності інформаційно-управляючих систем повітряних суден при виробництві польотів в різних умовах експлуатації. Вирішення проблеми грунтується на аналізі діяльності льотного складу літаків нового покоління. Проведений в роботі аналіз існуючих структур інформаційно-управляючих систем, а також методів дослідження їх ефективності виявив цілий ряд методологічних недоліків функціонування інформаційно-управляючих систем, які усуваються в дисертації за допомогою запропонованих наступних нових методів: аналітика поліфакторних процесів польоту, інформаційне резервування, вибір та оптимізація структур інформаційно-управляючих систем для забезпечення ефективності і безпеки польотів.

У дисертації розглядається також специфіка факторних, контурних і режимних переходів у системах управління літаків нового покоління на основі процесної концепції безпеки польотів. Запропоновано методику інформаційного прогнозу помилок льотного складу за новими інформаційними технологіями, технологіями процесного аналізу польоту для забезпечення зняття електронних катастроф. Детально проаналізовано за технологіями процесного аналізу польоту навантаження членів екіпажу в складних та аварійних умовах польоту, і визначено основні розрахункові формули для їх мінімізації.

У роботі проводиться на основі інформаційно-факторних моделей дослідження структури нерегулярних польотів, та пропонуються підходи до мінімізації їх аварійності за допомогою спеціальних методів антистресової підготовки льотного складу. При оптимізації структури антистресової підготовки вперше побудовані діаграми факторних переходів від нормальної до факторної експлуатації на літаках нового покоління, і визначені причини невизначеностей границ цих переходів.

Ключові слова: інформаційно-управляючі системи, інформаційно-факторні підходи, ефективність, надійність, безпека, інформаційні технології розгортання, вірогідність інформації.

Аль-Аммори Али. Методы и средства обеспечения эффективности информационно-управляющих систем воздушных судов. - Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени доктора технических наук по специальности 05.13.06 - информационные технологии. - Национальный транспортный университет Минстерства образования и науки Украины, Киев, 2010.

Диссертация посвящена разработке теоретических и практических методов обеспечения эффективности информационно-управляющих систем воздушных судов при производстве полетов в различных условиях эксплуатации. Решение проблемы основывается на анализе деятельности летного состава самолетов нового поколения. Проведенный в работе анализ существующих структур информационно-управляющих систем, а также методов исследования их эффективности выявил целый ряд методологических недостатков их функционирования:

- появление "электронных катастроф" на самолетах нового поколения;

- увеличение количества ошибок летного состава при работе с цифровой авионикой;

- значительное увеличение количества сбоев и ложных срабатываний;

- отсутствие специальных устройств распознавания опасных полетных ситуаций в первые моменты их возникновения;

- возникновение значительных неопределенностей и логических сложностей при принятии решения экипажем.

Для снятия этих недостатков в диссертации применяются новые подходы.

Актуальность темы диссертационной работы заключается в том, что в ней содержится целый ряд теоретико-прикладных исследований, которые позволяют решить проблему обеспечения эффективности информационно-управляющих систем воздушных судов, устраняя указанные выше недостатки, а также учесть перспективы развития новых информационно-управляющих систем и качественное повышение их эффективности по сравнению с существующими на основе предложенных новых методов:

- методы обеспечения эффективности информационно-управляющих систем на основе информационно-факторных подходов;

- метод анализа полифакторных процессов производства полетов с позиции процессного подхода;

- методы оценки специфики факторных переходов в системах управления самолетов нового поколения, ведущих к различным типам ошибок при их управлении;

- методики анализа потоков ошибок экипажа при эксплуатации самолетов нового поколения, их сравнительного анализа по летно-эксплуатационным характеристикам и информационного прогноза по аварийной статистике по человеческому фактору;

- метод определения расчетной нагрузки членов экипажа по циклограммным функциям развертывания;

- построение графо-аналитической модели деятельности экипажа по потоку ошибок и определение зон неопределенностей при усложнении структуры функциональных систем летающих автоматизированных электронных комплексов;

- построение математических моделей информационного резервирования и разработка новых принципов модификации систем информационного резервирования, а именно, мажоритарного принципа принятия решения, метода вложенных модулей, комбинированного и полипараметрического информационного резервирования, как средства обеспечения эффективности функционирования информационно-управляющих систем воздушных судов;

- обоснование математического аппарата, методов выбора и оптимизации структур информационно-управляющих систем воздушных судов.

Рассмотрены функциональные элементы бортовых информационно-управляющих систем при автоматическом управлении как предельно сложном процессе управления при определенных архитектурах авионики и сложных видах полетов. В обобщенной структуре информационно-управляющих систем обращается внимание на результаты обработки полетной информации, необходимой для принятия решений летного состава при полирежимном управлении воздушных судов.

Разработанная обобщенная методика информационно-факторного анализа исследует первые моменты возникновения проблемно-информационных ситуаций, оценку больших и малых объемов информации с целью обобщения опыта эксплуатации предельно сложных машин, включающую организацию антистрессовой подготовки авиаспециалистов.

Предложено три направления методов и средствам обеспечения эффективности: аналитика полифакторных процессов полета, информационное резервирование как способ обеспечения эффективности, выбор и оптимизация структур информационно-управляющих систем для обеспечения эффективности.

Разработанные методы анализа полифакторных процессов производства полетов позволяют на основе экспоненциального закона взаимосвязи факторного и общего приращений эффективности увеличить уровень безопасности полетов путем анализа зон безопасности и опасности полета.

В работе рассматриваются также процессный подход и специфика факторных и режимных переходов в системах управления самолетов нового поколения на основе процессной концепции безопасности полетов.

Предложена методика информационного прогноза ошибок летного состава по новым информационным технологиям, технологиям процессного анализа полета для обеспечения снятия электронных катастроф на начальном этапе эксплуатации самолетов нового поколения. Детально проанализированы по технологиям процессного анализа полета нагрузки членов экипажа в сложных и аварийных условиях полета, и определены основные расчетные формулы для их минимизации.

В работе проводится на основе информационно-факторных моделей исследование структуры нерегулярных полетов, и предлагаются подходы к минимизации их аварийности с помощью специальных методов антистрессовой подготовки летного состава. При оптимизации структуры методов антистрессовой подготовки впервые построены диаграммы факторных переходов от нормальной к факторной эксплуатации на самолетах нового поколения, и определены причины неопределенностей границ переходов.

Ключевые слова: информационно-управляющие системы, информационно-факторные подходы, эффективность, надежность, безопасность, информационные технологии развертывания, достоверность информации.

Al-Ammouri Ali. Methods and facilities of providing efficiency of aircrafts informative-control systems. - Manuscript.

Dissertation for a Doctor of technical sciences degree by speciality 05.13.06 - Information technologies. - National Transport University of the Minіstry of education and sciences of Ukraine, Kiev, 2010.

Dissertation is dedicated to development of theoretical and practical methods of providing efficiency of aircrafts informative-control systems under the production of flights in various exploitation conditions. The solving of problem is based on the analysis of activity of new generation aircrafts flight personnel. There was carried out the analysis of existing structures of informative-control systems, as well as of the research methods of their efficiency which revealed quite a number of methodological lacks of informative-control systems functioning which were removed in the dissertation by the followings offered new methods: polyfactor flight processes analytics, information redundancy, choice and the optimization of informative-control systems structures for providing efficiency and safety of flights.

There was examined the specific character of factor, contour and regime transitions also in the control system of new generation aircrafts on the basis safety of flights process conception in the dissertation. The method of flight personnel errors information prognosis is offered according to new information technologies, technologies of flight process analysis for providing the removal of electronic catastrophes. There was thoroughly analyzed the stress load of crew members by the technologies of flight process analysis in difficult and emergency flight conditions, and defined basic calculation formulas for their minimization.

The research of irregular flights structure based on informative-factor models, and offers approaches to minimization of their accident rate by the special methods of anti-stress training of flight personnel. The diagrams of factor transitions were first built from normal to factor exploitation at new generation aircrafts, and were defined the reasons of uncertainty of these transitions limits during optimization of anti-stress training structure.

Key words: informative-control systems, informative-factor approaches, efficiency, reliability, safety, information technologies of development, authenticity information.

Загальна характеристика роботи

Актуальність теми. На даний час авіація є не лише однією з результативних галузей транспорту, але і гранично складною за технологією та процедурами експлуатації. Тому авіаційні катастрофи (АК) та інші авіаційні події (АП) супроводжують експлуатацію повітряних суден (ПС) і знижують рівень надійності і ефективності функціонування ПС, призводять до порушення циклічності авіаційних перевезень та до людських жертв.

За даними ІКАО (система ADREP), АП розподіляються таким чином: 20 % обумовлені технічним фактором, а 80 % - людським фактором (ЛФ). Зараз ці групи налічують більше 2000 факторів, які впливають на безпеку польотів (БП). Тому завдання обліку поліфакторних явищ та великої кількості факторів, які взаємопов'язані або взаємодіють між собою, є актуальним і центральним в аналітиці транспортних процесів. Новим завданням є не просто облік великої кількості факторів, що впливають на політ, але і облік взаємодії факторів. Звідси випливає необхідність застосування нового методологічного підходу - процесного підходу. На основі процесного підходу необхідно розробити методи та нові інформаційні моделі за допомогою інформаційно-факторного аналізу (ІФА).

Створення літаків нового покоління (ЛНП) при їх початковій експлуатації призвело як до позитивних, так і до негативних результатів. Головним негативним результатом в експлуатації сучасних ПС на початку 90-х років були, так звані, електронні катастрофи. Поява таких катастроф різко ускладнила початковий етап експлуатації. З'явилася необхідність наукового обґрунтування експлуатації сучасних ПС, методів і засобів забезпечення інформаційно-управляючих систем (ІУС) ПС, розробки їх нових класифікацій, оцінки причин помилок пілотів на сучасних ПС, глибшого аналізу роботи ІУС із метою виключення "електронних катастроф". По суті, ці катастрофи носили методологічний характер та були пов'язані з помилковим розумінням "простоти" авіоніки сучасних ПС і новим розумінням складнощів в умовах польотів. Такі катастрофи тривають і в даний час.

Саме така методологічна помилка в оцінці складності експлуатації авіоніки та бортової комп'ютерної техніки і призвела до численних катастроф "літаючих комп'ютерів": А- 320, Б- 737, АН- 140 та ін.

Відомо, що вимоги нормативно-технічної документації (НТД) в Україні та в інших країнах щодо експлуатації ПС і систем допускають певні рівні виникнення особливих польотних ситуацій на годину польоту:

- ускладнені умови польоту (УУП)	;
- складна ситуація (СС)	;
- аварійна ситуація (АС)	;
- катастрофічна ситуація (КС)	.

Це призвело до необхідності перегляду методології ІУС та концептуальних положень льотної експлуатації. Безумовно, якість функціонування ІУС безпосередньо впливає на рівень БП, на властивості поліергатичної системи "екіпаж - ПС" і на виникнення та запобігання електронних катастроф.

Як правило, враховуючи надзвичайно складні функції прийняття рішення екіпажем, відмови ІУС поки що пов'язані з електронними (АП). Це спричинено тим, що існуючі ІУС за рівнем якості мають цілий ряд недоліків:

- низький рівень надійності;

- дуже високий коефіцієнт помилкових спрацьовувань (більше 70 %);

- відсутність спеціальних пристроїв розпізнавання небезпечних польотних ситуацій (НПС) в перші моменти виникнення цих ситуацій в польоті;

- утворення значних невизначеностей та логічних складнощів при прийнятті рішення екіпажем.

Ці невизначеності викликані, крім того, складністю визначення початкового моменту розвитку аварійності або катастрофічної ситуації через складність його ідентифікації, розпізнавання, раптовість та несподіваність виникнення. Крім того, для розпізнавання початкового моменту АП актуальним є вирішення питань забезпечення безпеки та надійності ІУС. Ці питання вимагають різностороннього розгляду. Відомо, що ефективність та якість процесів управління істотно залежать від вірогідності інформації, яка надходить до входу управляючих обчислювальних систем, від різного роду вимірювачів, так званих, датчиків інформації, які контролюють стан та хід виконання технологічного процесу. Реальні датчики мають кінцеву точність надання контрольованої ними інформації. Тому актуальною є розробка способів підвищення ефективності цих систем за допомогою паралельного, послідовного та комбінованого інформаційного резервування.

Аналіз технічних причин катастроф доводить, передусім, що недоліки систем збору та обробки інформації по ІУС про поточний стан контрольованих систем, часто призводять до неможливості усунення аварійних або катастрофічних ситуацій. Потрібно враховувати, що автоматизоване управління може бути ефективним, тільки тоді, коли до управляючого пристрою надходить достовірна та надійна інформація.

Завдання використання мікропроцесорної техніки в ІУС, вибору структури багатоканальної системи обробки та передачі інформації, вибору і організації оптимальних структур багатоканальних систем масового обслуговування (СМО), можна звести до завдання вибору такої оптимальної структури багатоканальної СМО, яка забезпечила б максимальну пропускну здатність при мінімальних економічних витратах. Таким чином проблема створення методів та засобів забезпечення функціонування ІУС ПС є актуальною, передусім, для підвищення БП і запобігання АП.

Зв'язок з науковими програмами, планами, темами. Робота виконувалась у відповідності до основних напрямів "Концепції розвитку транспортно-дорожнього комплексу України на період до 2020 р." і "Державної цільової програми по безпеці польотів на період до 2015 р.".

Мета роботи та завдання дослідження. Мета дисертації полягає в розробці методів та засобів забезпечення ефективності функціонування інформаційно-управляючих систем сучасних ПС шляхом зниження помилок, обумовлених ЛФ, і впровадження інформаційних систем з високою вірогідністю розпізнавання ситуації, що контролюється, реалізованих на основі різних способів інформаційного резервування, вибору та оптимізації структур ІУС.

Для досягнення мети дисертаційної роботи вирішувались наступні завдання в методологічному, теоретичному і прикладному аспектах:

1. Методологічний аспект проблеми забезпечення ефективності функціонування ІУС базується на процесному підході до аналізу діяльності льотного та експлуатаційного складу ЛНП, при цьому, вирішуються наступні завдання:

- визначення ЛНП як літаючих автоматизованих електронних комплексів (ЛАЕК);

- розробка методів забезпечення ефективності ІУС на основі інформаційно-факторних підходів;

- аналіз поліфакторних процесів виробництва польотів з позиції процесного підходу;

- дослідження специфіки переходів в системах управління (СУ) ПС нового покоління, що призводять до різних типів помилок в системах управління ЛНП;

- розробка методики аналізу потоків помилок екіпажу при експлуатації ЛНП;

- розробка методик порівняльного аналізу ЛНП за льотно-експлуатаційними характеристиками;

- визначення структури методики та результатів інформаційного прогнозу за аварійною статистикою по ЛФ на ЛНП;

- розробка способів визначення розрахункового навантаження членів екіпажу за циклограмними функціями;

- розробка методів дослідження вірогідності інформації контрольованих параметрів в ІУС, як основи ефективної роботи усієї системи;

- розробка методів вибору оптимальних структур ІУС.

2. Теоретичний аспект проблеми дослідження полягає в розробці математичних основ забезпечення ефективності ІУС та вирішенні наступних завдань:

- побудова графо-аналітичної моделі діяльності екіпажу за потоком помилок та визначення зон невизначеностей при ускладненні структури функціональних систем і ПС, таких як ЛАЕК;

- побудова математичних моделей інформаційного резервування та розробка нових принципів модифікації систем інформаційного резервування, а саме, мажоритарного принципу прийняття рішення, методу вкладених модулів і поліпараметричного інформаційного резервування, як засобу забезпечення ефективності функціонування ІУС;

- обґрунтування математичних основ вибору і оптимізації структур ІУС.

3. У прикладному аспекті на основі отриманих методологічних і теоретичних результатів реалізовані методи, моделі та алгоритми забезпечення ефективності функціонування ІУС ПС, а також розроблені і запропоновані конкретні рішення, які можна використовувати в нових сучасних умовах функціонування авіаційної, зокрема, і, в цілому, транспортної галузі. Для цього вирішуються наступні завдання:

- аналіз діяльності льотного складу ЛНП в нормальних і екстремальних умовах польотів;

- обґрунтування нових шляхів та способів забезпечення ефективності інформаційного резервування;

- розробка конкретних шляхів впровадження та технічної реалізації ідей і методів інформаційного резервування;

- запропоновані нові способи візуалізації параметрів управління польотом;

- розробка методики вибору оптимальної структури ІУС на основі нових математичних принципів;

- оцінка ефективності стабілізованого електроживлення, як основної умови ефективної роботи сучасних цифрових ІУС.

Об'єкт дослідження - інформаційно-управляючі системи повітряних суден.

Предмет дослідження - методологія забезпечення ефективності ІУС ПС.

Методи дослідження - методологічні аспекти, засновані на процесному підході, як методології оцінювання якості ІУС, теоретичні дослідження базуються на методах теорії імовірності, дослідженні операцій, факторному аналізі, теорії інформації та узагальнюючих методах нового ІФА.

Наукова новизна полягає в поглибленні існуючих і розробці нових положень, спрямованих на забезпечення ефективності ІУС ПС при організації виробництва польотів і льотно-технічної експлуатації ПС із застосуванням нових аналітичних та математичних підходів, методів і моделей. Наукова новизна формується в дисертації на основі нових концептуальних підходів - процесній концепції виробництва польотів, поліфакторних транспортних процесах, аналізі помилкових дій екіпажа на ЛНП та інформаційно-факторній концепції БП.

Уперше отримані результати зі створення принципово нових підходів до інформаційно-факторного аналізу як процесного етапу узагальнення факторного аналізу та теорії інформації.

Уперше проводяться дослідження факторної структури нерегулярних польотів та мінімізація їх аварійності методами антистресової підготовки.

Для вирішення проблеми підвищення ефективності функціонування ІУС та ПС, як ЛАЕК проводяться:

- математичне обґрунтування центральної моделі взаємозв'язку показників приросту ефективності польоту з діапазоном поліфакторності;

- інформаційно-факторний аналіз діяльності екіпажу при експлуатації ЛНП в складних та аварійних ситуаціях;

- інформаційний прогноз на початковому етапі експлуатації ЛНП за аварійною статистикою по ЛФ;

- розробка узагальнених математичних моделей забезпечення вірогідності інформації за допомогою інформаційного резервування ІУС ПС на основі узагальненого поняття відмови, як гранично-складної і несподіваної проблемної ситуації для екіпажу, а також, аналіз зв'язку цього визначення з вимогами НТД по виробництву польотів в нормальній та факторній експлуатації;

- отримані нові математичні залежності оцінки ефективності паралельного, послідовного та комбінованого інформаційного резервування, що є важливим і актуальним при реалізації принципів інформаційного резервування при створенні комбінованих і поліпараметричних структур ІУС ПС;

- вибір економічно оптимальної структури ІУС, оцінка вірогідності контрольованих даних на вході ІУС, вибір ефективного завантаження мікропроцесорів (МП) в ІУС, що працюють в режимі реального часу;

- вибір оптимальної структури введення в МП даних, які швидко змінюються та надходять у великий кількості цих каналів.

Практичне значення роботи полягає в науковому узагальненні результатів дослідження за допомогою інформаційно-факторного підходу і створенні підходів, при реалізації яких на практиці з'являється можливість мінімізувати негативний вплив авіоніки та ЛФ на результат польоту, а саме:

- аналізується природа помилок екіпажу для ЛНП, також запропоновано шляхи зниження помилок льотного складу на початковій стадії експлуатації сучасних ПС за допомогою інформаційного аналізу;

- розробляється ряд методик оцінки впливу на ефективність ІУС паралельного, послідовного і комбінованого інформаційного резервування, що мають практичну цінність, та які можуть бути впроваджені у виробництво з великою ефективністю;

- створюється ряд ефективних функціональних схем із розпізнавання НПС, розроблених на основі проведених в роботі досліджень, які можуть бути покладені в основу технічних проектів автоматизованих систем сучасних ПС;

- розробляється та впроваджується в стадію проектування і експлуатації метод вибору оптимальних структур ІУС;

- запропоновано алгоритм саморегулювання ефективності ІУС в процесі динамічних змін умов функціонування.

Пропонується ряд методів та практичних схем для зменшення впливу негативного технічного фактору на ефективність і безпеку ІУС:

- щодо вибору і оптимізації технічно надійних структур ІУС;

- щодо створення ефективних структур стабілізації електроживлення ІУС.

Особистий внесок здобувача. Усі положення, які виносяться на захист, а також ідеї, розробки та результати, які вони містять, належать особисто автору.

Апробація результатів роботи: Основні положення та результати роботи доповідались та обговорювались на: IV Міжнародній науково-технічній конференції "АВІА-2002" (м. Київ, 2002 р.), V Міжнародній науково-технічній конференції "АВІА-2003" (м. Київ, 2003 р.), Международной научно-технической конференции "Университетская наука - 2007" (г. Мариуполь, 2007 г.),

І Международной научной молодежной школе "Системы и средства искусственного интеллекта" (ССИИ - 2007) (г. Дивноморское, 2007 г.), Всеукраїнській науковій конференції "Актуальні проблеми аналізу та моделювання складних систем" (м. Черкаси, 2007 р.), Міжнародній науково-технічній конференції пам'яті академіка В. І. Моссаковського "Актуальні проблеми механіки суцільного середовища і міцності конструкцій"

(м. Дніпропетровськ, 2007 р.), 63-ій-65-ій науково-практичних конференціях науково-педагогічних працівників, аспірантів, студентів та структурних підрозділів Національного транспортного університету (м. Київ, 2007-2009 рр.), 11-ій міжнародній науково-практичній конференції Міністерства транспорту та зв'язку України (м. Київ, 2009р.).

Публікації: Результати дисертаційних досліджень опубліковані в 51 науковій роботі, серед яких 1 монографія, 1 авторське свідоцтво, 49 статей в журналах та наукових збірках за фахом.

Структура та обсяг дисертаційної роботи. Дисертаційна робота складається з вступу, шести розділів, висновків і додатку, списку використаних джерел із 235 найменувань. Основний текст викладений на 307 сторінках, містить 115 рисунків і 39 таблиць, 14 додатків обсягом 128 сторінок, які оформлені окремим томом.

Основний зміст роботи

У вступі обґрунтовано актуальність, сформульовано цілі та завдання дослідження, відображено наукову новизну і практичну цінність роботи, а також прийнято методи дослідження в дисертації.

У першому розділі розглядаються загальні питання забезпечення ефективності ІУС ЛНП.

Розглядається огляд літератури із загальних питань теорії надійності, ефективності та безпеки польотів, основоположниками яких є провідні учені: Колмогоров А.Н., Глушков В.М., Гнеденко Б.В., Ушаков І.О., Денисов В.Г., Бєляєвський Л.С., Комаров А.О., Ломов Б.Ф., Синдеєв І.М., Кунцевич В.П., Скурихин В.І., Анцелович Л.Л., Буловський П.І., Зайденберг М.Г., Вентцель О.С., Гличев О.В., Новожилов Г.В., Смірнов Н.Н., Федоров С.М., Теймуразов Р.А., Рябінін І.О., Дмитриченко М.М., Петрашевський О.Л., Дмирієв М.М., Дем'янчук В.С., Кулик М.С., Корченко О.Г., Тимченко А.А., Воробйов В.М., Левковець П.Р. та ін.

Наведено основні методи оцінки надійності та ефективності авіоніки на етапах ЖЦ відповідно до НТД щодо виробництва польотів та технічного обслуговування і ремонту (ТЕ і Р) для забезпечення безпеки і регулярності польотів.

Стосовно ІУС, що мають складну структуру, дуже непросто оцінити поняття надійності та ефективності і виробити їх кількісну оцінку. Ці поняття для ІУС мають особливі відмінні сторони та глибший зміст у порівнянні з поняттями надійності і ефективності для елементів блоків. Значною мірою ці складнощі викликані обмеженістю об'єму фундаментального поняття теорії надійності-відмови. У дисертації надається нове представлення поняття "відмова" на основі процесного підходу як гранично складної ситуації, яка завжди раптова та несподівана, виводить екіпаж на граничний ризик.

Основними критеріями із забезпечення ефективності є вимоги з відповідності технічним, надійносним, експлуатаційним нормам льотної придатності ПС. При цьому, визначаються шляхи виконання відмовобезпеки та відмовостійкості.

Викладені проблеми забезпечення ефективності ІУС ПС та шляхи їх рішення, розглянута узагальнена класифікація бортових ІУС, а також, переходи від аналогових до цифрових (комп'ютерних) БІУС.

Враховуючи те, що нині питання експлуатації автоматизованих ПС є найбільш актуальними, розглянуті функціональні елементи БІУС при автоматичному управлінні як гранично складному процесі управління при певній архітектурі авіоніки та складних видах польотів. В узагальненій структурі ІУС звертається увага на результати обробки польотної інформації, необхідної для прийняття рішень ЛС при полірежимному управлінні ПС.

У розділі досліджено закономірності, що характеризують порядок імовірності небезпечної помилки екіпажу в залежності від числа несприятливих факторів, розглянуто існуючі підходи до експлуатації авіоніки та зроблено їх узагальнення в трьох напрямах - теорії надійності, ефективності і безпеки.

Розроблено узагальнену теорію ІФА, яка досліджує моменти виникнення проблемно-інформаційних ситуацій, оцінку великих і малих обсягів інформації з метою узагальнення досвіду експлуатації гранично складних машин, що включає організацію антистресової підготовки авіаційних фахівців.

У розділі дано аналіз методів дослідження ефективності ІУС ПС. Показано, що в загальному випадку ефективність функціональних систем ПС для різних етапів ЖЦ визначається полікомпонентним функціоналом виду:

,

де - складність системи, - якість (точність, вірогідність, швидкодія, коливальність та ін.), - відмовостійкість, - відмовобезопека, -завадозахищеність, - адаптивність системи до умов експлуатації, - ергономичність, - надійність, - безпека, - живучість та ін.

Такий полікомпонентний функціонал несе в собі граничну невизначеність та при практичному застосуванні на стадії експлуатації складних транспортних машин вимагає виділення спеціальних типів ефективності.

При розгляді типів ефективності ІУС уперше виділяються два основні типи ефективності: системна та процесна.

Під системною ефективністю ІУС розуміється результативність дії поліергатичної системи "екіпаж - ІУС" з розпізнавання ситуації.

Процесна ефективність - кількісна або якісна зміна (збільшення) показника ефективності виробничої або іншої системи, що створює прирости - імовірносного або іншого метричного показника, що забезпечує позитивний результат виробничого або іншого процесу.

Процесна ефективність застосовується при аналізі як кількісних, так і якісних змін (з переходом з одного боку процесу до іншого), результативності функціонування або експлуатації ІУС. У цих випадках теоретична база обґрунтування сфери застосування розширюється, необхідно використовувати не один, а декілька підходів: Р - імовірносний підхід, Н - інформаційний підхід, Р - Н - інформаційно-імовірнісні підходи, IFA - інформаційно-факторний аналіз (рис.1).

Рис.1. Загальна класифікація підходів оцінки ефективності ІУС та узагальнені критерії ефективності ІУС при застосуванні ентропії процесу (ентропії факторних переходів)

Сфера застосування способів оцінки процесної ефективності - це зовнішні та внутрішні процеси ІУС. Універсальними зовнішніми процесами в життєвому циклі ІУС є процеси випробування та експлуатації ІУС, а внутрішніми процесами - власне управління процесами і процеси управління. Саме у рамках процесної ефективності повинна розглядатися ефективність експлуатації авіоніки ЛНП з урахуванням нормальної і факторної експлуатації. Показники ефективності при нормальній експлуатації авіоніки ЛНП: безпека, надійність, якість виконання цільової функції, якість роботи основних функціональних систем (ФС); при факторній експлуатації авіоніки ЛНП: небезпека, відмовобезпека, якість парирування відмови, якість роботи зарезервованих ФС; інформаційний прогноз.

На підставі вищесказаного, пропонується комплексний критерій показника ефективності як узагальнюючого критерію двох теорій: теорії імовірності та теорії інформації, де одночасно можна врахувати як імовірнісні показники системи (імовірність благополучного результату та ін.), так і інформаційні показники НПС. Як видно з рис. 1, процесний підхід заснований на новому понятті ентропії процесу у рамках загальної теорії процесів.

У розділі розглядається інформаційно-факторна ефективність ІУС, що визначається як один з видів процесної ефективності, що заснований на математичній формулі та номограмі ІФА, одночасно враховує ступінь інформування ІУС та перелік факторів, необхідних для процесу прийняття рішення. Так відбувається облік факторної структури та інформації для прийняття рішення за принципом: чим більше інформації про фактори, тим краще для прийняття рішення про стан ІУС.

У розділі також запропоновано три напрями щодо методів та засобів забезпечення ефективності ІУС ПС: аналітика поліфакторних процесів польоту, інформаційне резервування як спосіб забезпечення ефективності, вибір і оптимізація структур ІУС для забезпечення ефективності.

Ці напрями забезпечують перехід до високоефективних ІУС на усіх етапах існування ПС.

Таблиця 1 Утворення ІФА та його узагальнені моделі

У другому розділі надається аналіз поліфакторних процесів виробництва польотів з позиції процесного підходу. Процесний підхід щодо обліку поліфакторності в складних процесах польоту припускає не лише використання існуючих підходів (факторний аналіз, багатомірний статистичний аналіз), але і облік невідомих раніше закономірностей ІУС. При цьому дуже важливим є запровадження експоненціального закону зв'язку двох приростів: - загального приросту ефективності та - факторного приросту, поява якого викликана дією комплексу адитивних або мультиплікативних аварійних факторів. Цей зв'язок має наступний вигляд:

,

де А - коефіцієнт масштабності.

При цьому поліфакторні процеси у польоті розглядаються за наступними етапами:

- реєстрація даних щодо обліку факторних накладок за допомогою систем об'єктивного контролю;

- побудови узагальненої статистичної моделі поліпараметричних приростів ефективності;

- створення узагальненого критерію ефективності з урахуванням факторних накладок через експоненту факторної матриці;

- визначення приросту через приріст - факторних впливів;

- побудова номограм експоненціального факторного аналізу.

Розглянемо за допомогою процесного підходу загальну класифікацію процесів польотів, що розділяє їх на позитивні та негативні польоти.

Існуюча теорія БП, як показав процесний аналіз, враховує тільки негативні польоти і розробляє класифікації тільки за негативними явищами (авіаційними подіями, аварійними факторами, показниками небезпеки та ін.). Частка негативних польотів, по суті, складає 2 % від загальної статистики процесів польоту (рис. 2).

З точки зору процесного підходу та процесного аналізу, треба обробляти всю статистику польотів, розділивши її на статистику позитивних польотів (польотів без зауважень) і статистику негативних польотів (польотів із зауваженнями, відхиленнями … катастрофами). Таким чином, здійснюється дослідження питань безпечних польотів за загальною теорією процесів (ЗТП). Аналіз стану теорії та практики показав, що, фактично, управління позитивними польотами з метою безпеки випадає зі сфери системного управління "безпекою". Класифікація безпечних польотів без зауважень авіаційних фахівців з аналізу польотних даних при управлінні щодо позитивних польотів конче потрібна.

Класифікація позитивних польотів дозволила проводити управління безпекою не апостеріорно, а apriori, тобто до здійснення негативних явищ (рис. 2).

Рис.2.Аналіз польотів як поліфакторних процесів та виділення зон небезпеки і безпеки польотів

Нормальний політ може містити "у зародку" катастрофу у вигляді факторних невизначеностей, тобто невизначених змін параметрів, етапів польоту. Наприклад, факторні невизначеності розворотів нормального польоту полягають у зміні форми розвороту, при вході та виході з розвороту при вході в наявність коливань із зростаючою амплітудою на вершині розвороту, в невизначеній тривалості розвороту та ін.

Нормальні факторно-невизначені польоти - це джерело майбутніх катастроф та аварій, саме вони при збільшенні числа факторів, що впливають на екіпаж, переходять в аварії та катастрофи.

У третьому розділі розглядаються процесний підхід та специфіка переходів в системах управління ПС нового покоління (рис. 3). Досліджено специфіку переходів в СУ ПС нового покоління, що ведуть до різних типів помилок в СУ ЛНП (рис. 3); помилки при факторних, режимних, контурних переходах.

Рис. 3. Загальні типи переходів в СУ ЛНП та їх специфіка при інформаційних прогнозах проблемних ситуацій

У цьому розділі пропонується концепція процесної безпеки польотів ПС нового покоління, розглядаються основи застосування процесного підходу до виробництва польотів як сукупності гранично складних виробничих процесів, при цьому акцентується увага на процесах виконання в особливих умовах і випадках.

Виробничі процеси, центральним серед яких є сам політ, первинно можна розділити на позитивні та негативні процеси. В існуючих підходах до рішення проблем БП розглядаються тільки негативні ефекти польотів - катастрофи, аварії, інциденти, порушення, відхилення і так далі. Такий підхід себе не виправдав, тому акцентується увага на аналізі позитивних польотів - як новий погляд на безпеку польотів. За своєю природою помилки ЛС на ЛНП слід розділити на два методологічні типи - системні та процесні помилки.

Під час обліку технологічної або конструктивної складності ЛНП слід відрізняти склад, характер та структуру помилок на ПС, таких як ЛАЕК. Слід розділити за ступенем технологічної складності ПС як ЛАЕК на три групи - гранично прості, середньої складності та гранично складні ЛАЕК. Тенденція зміни характеру помилок в простих ЛАЕК: спостерігаються області частих і поодиноких помилок; у ЛАЕК середньої складності, крім того, при переході від частих помилок до рідкісних з'являються серії випадкових помилок; у гранично складних ЛАЕК - в таких переходах спостерігаються регулярні, систематичні області з серії помилок.

За наявності помилок ПС дуже важливо зробити інформаційний прогноз вже на початковому етапі експлуатації, що спрямовано на мінімізацію цих помилок. Такий прогноз доцільно робити за новими льотними технологіями - технологіями розгортання, як виду технологій процесного аналізу польоту (ТПАП). Аналіз циклограм розгортання для

Б-747-400 та Іл-96-300 по ТПАП наведений на рис. 4, а також формули розрахунку в таблиці 2.

З рис. 4 видно, що на початку експлуатації Іл- 96-300 слід було чекати рівень помилок ЛС не вище за рівень помилок ЛС на Б-747, оскільки рівень технологічної складності за технологією розгортання на Іл-96-300 не вище за рівень розгортання рахункових операцій Б-747 по КЛЕ. Експлуатація Іл 96-300 в 1995-2010 роках підтвердила цей інформаційний прогноз - рівень помилок ЛС на Іл-96-300 був не вищий, ніж такий же рівень зареєстрованих помилок ЛС на Б-747-400.

Рис. 4. Результати інформаційного прогнозу помилок ЛС на ЛНП ІЛ-96-300 та порівняльного аналізу Б-747-400 та ІЛ-96-300 за технологіями процесного аналізу польоту: НККП - нормальні карти контрольних перевірок. 1 - посадка пасажирів, рулювання; 2 - зліт; 3,4 - набір висоти; 5 - крейсерський політ (маршрут); 6 - зниження; 7 - етап первинної підготовки; 8 -кінцевий етап заходу; 9 - посадка.

При інформаційному прогнозі необхідно враховувати типові формули розрахункового навантаження реальних членів екіпажу та їх циклограмні функції (табл. 2).

Таблиця 2. Типові формули розрахункового навантаження реальних членів екіпажу в умовах складних та аварійних ситуацій

Члени экипажу	Розрахункові формули
Командир повітряного судна (КПС)	а) складні ситуації (СС): б) аварійні ситуації (АС) - аналогично: , де NCCi - навантаження КПС в i- АС визначається за таблицею-зведенню АС
Другий пилот (2П)	а) складні ситуації: б) аварійні ситуації:
Бортінженер (БІ)	а) складні ситуації: б) аварійні ситуації:

У четвертому розділі визначаються імовірнісні характеристики - імовірність правильного виявлення; - імовірність помилкової тривоги; - імовірність невиявлення події геометричним способом. При цьому розглядаються два варіанти: перший варіант, коли функція (рис. 5) зміни контрольованого процесу детермінована, а джерело інформації (ДІ) реальне, і ознака спрацьовування має гістерезисний характер. Другий варіант, коли функція випадкова, а ДІ - ідеальне (немає вираженої гістерезисної характеристики спрацьовування та відключення). При цьому, геометричним способом визначаються системні характеристики та визначено, що

.

Рис. 5. Зона невизначеності спрацьовування реального ДІ

Інформація від реального ДІ завжди надходить з певним ступенем вірогідності, тому при збільшенні числа ДІ можна створити ефективну систему контролю ситуації, у функціональному сенсі, за допомогою простих за конструкцією, технічно надійних та недорогих ДІ.

Для вибору ефективнішого способу контролю інформації в роботі розроблені математичні моделі інформаційного резервування ІУС ПС за допомогою паралельного, послідовного та комбінованого використання ДІ.

Відповідно до фізичного уявлення роботи реального ДІ була побудована узагальнена модель паралельного інформаційного резервування за допомогою триномінального розподілу імовірності, для будь-якого числа ДІ та будь-якого індексу мажоритарності , що змінюється в границях , де з ДІ , взагалі, не виявлять контрольовані явища, ДІ спрацюють з помилковою тривогою, та ДІ повідомлять правильну інформацію про контрольоване явище. За умови коли усі ДІ мають ідентичні і різні характеристики, отримані наступні узагальнені залежності:

Джерела інформації мають ідентичні характеристики:

(1)

Джерела інформації мають різні характеристики:

(2)

На основі наведених вище досліджень розроблена методика вибору структур ІУС із застосуванням мажоритарного принципу прийняття рішення, при якому інформаційна система видає сигнал про наявність події, коли не менше датчиків з підтвердять його наявність. Розроблено структурну схему інформаційно-резервованої системи (рис. 6), та отримано математичні залежності, що визначають значення імовірності у відповідності з мажоритарною логікою на підставі формул 1, 2.

Рис.6. Схема об'єднання груп датчиків системи первинної інформації (AND і OR).

Вид такої структурної схеми однозначно визначається параметром , який представляє необхідне число датчиків, що одночасно "проголосували" за наявність НПС.

Для вибору оптимальної структури інформаційної системи, в значенні мінімуму параметра , був розроблений алгоритм та програми моделювання.

Запропонована структурна схема (рис. 6) має один істотний недолік: для цієї схеми імовірність помилкової тривоги має також максимальне значення, для зменшення імовірності необхідно збільшити імовірнісні характеристики резервованих датчиків, тому в роботі вперше пропонується модульний принцип паралельного інформаційного резервування ДІ ІУС ПС.

Рис.7. Інформаційний модуль

На рис. 7 зображений первинний модуль інформаційної системи , що складається з трьох ДІ, який реалізовує мажоритарний принцип "2 із 3" для прийняття рішення про вірність повідомлення. Системні імовірності вірного повідомлення, не виявлення і помилкової тривоги для модуля оцінюються наступними співвідношеннями

,

Рис.8. Інформаційний модуль

На основі модуля побудована ефективніша інформаційна система , що зображена на рис. 8, вона об'єднує 9 ДІ та реалізує мажоритарний принцип "6 із 9". При цьому схема виконана на модулях та її імовірнісні характеристики , відповідно, визначають імовірність вірного повідомлення, невиявлення і помилкової тривоги та оцінюються наступними залежностями:

(3)

Альтернативний варіант побудови систем паралельного резервування джерел за мажоритарним принципом "6 із 9" прийняття рішення про вірність повідомлення наведений на рис. 9.

Рис.9. Альтернативний варіант паралельного резервування ДІ за мажоритарним принципом "6 із 9".

Імовірності ,,, як показано на рис. 9, оцінюються загальними формулами (3), але оскільки мажоритарний принцип "6 із 9" для схем (рис. 7, 8) один і той самий, а ДІ мають ідентичні імовірнісні характеристики , тому нескладно отримати наступні залежності:

(4)

Методом математичної індукції отримані узагальнені математичні формули визначення імовірнісних характеристик для модуля , що об'єднує ДІ, що приймає рішення за мажоритарним принципом " із ", вони матимуть вигляд:

Для визначення числа логічних схем AND першої і другої ієрархії отримані наступні формули:

Отримані математичні залежності економічної ефективності , що полягає в скороченні схем AND для реалізації мажоритарного принципу за критерієм " із ", за допомогою вкладених модулів:

- для першого ступеня ієрархії

- для другого ступеня ієрархії

Результати порівняння модульних схем та їх альтернативних варіантів надані в таблиці 3.

Таблиця 3 Результати порівняння модульних схем , , та їх альтернативних варіантів , ,

Модулі	Ступінь ієрархії	Вкладені модулі	Кількість схем AND	Тип альтернативних схем	Кількість схем AND
	1		21		84
	2		129		246675
	1		42		2704156

Наведені дані вказують на те, що технічна реалізація мажоритарного паралельного резервування інформації повинна проводитися на основі принципу вкладених модульних схем, оскільки при найнижчий якості ДІ, коли , імовірність для модуля , а для модулів імовірність . Це говорить про те, що існує принципова можливість створення високоефективних інформаційних модулів за типом із малоінформативних простих з високою технічною надійністю ДІ.

При застосуванні послідовного інформаційного резервування отримана математична модель визначення, впливи апріорної імовірності ? на апостеріорну імовірність :

, (5)

де - коефіцієнт якості ДІ, - коефіцієнт апріорності.

Аналіз формули (5) показує, що апостеріорна імовірність залежить від апріорної імовірності, що виражається через коефіцієнт b, від якості g ДІ та від числа послідовних запитів.

Для вибору оптимального критерію послідовного та паралельно-послідовного інформаційного резервування " із ", отримані на основі виробляючої функції узагальнені формули системних імовірностей.

При дослідженні комбінованого (паралельно-послідовного) резервування інформація від кожного з цих джерел спочатку резервувалася послідовно за критерієм " із ", потім за отриманими даними, взявши за вихідні характеристики , було зроблено паралельне резервування за критерієм " із ". При цьому були знайдені коефіцієнти , відношення імовірностей та як при паралельному, так і при послідовному резервуванні, відповідно, та отримані відношення імовірностей , відповідно, для однотипних джерел після тільки паралельного і тільки послідовного резервування

Результати обчислень коефіцієнтів зведені в таблиці 4.

Таблиця 4. Коефіцієнти відношень імовірностей помилкової тривоги та не виявлення при паралельному і послідовному резервуванні

0.7	0.21	8.63	172.28	204.61
0.8	0.13	16.69	910.07	1135.95
0.9	0.06	42.82	11441.35	14838.03
0.95	0.026	107.76	156702.18	206575.23

При оцінці інформаційних систем із джерелами високої якості, практично , та формули коефіцієнтів , , відношення імовірностей та як при паралельному, так і при послідовному резервуванні, відповідно:

Виходячи із аналізу даних (табл. 4), можна зробити висновок, що інформаційна система сигналізації НПС буде ефективнішою тоді, коли застосовується мала кількість високоякісних джерел із послідовним інформаційним резервуванням, та менш ефективною, коли застосовується більша кількість ДІ низької якості та тільки паралельне резервування.

Необхідно також врахувати реальні обмеження на реалізацію обох способів підвищення вірогідності інформації. Для першого способу обмеженням є збільшення матеріальних витрат, пов'язаних із збільшенням числа ДІ. Для другого способу обмеженням є час старіння інформації, яке залежить від швидкоплинності керованих процесів, а також час кореляції між випадковими збоями або самоусуваючимися технічними відмовами запитуваємого ДІ, яке не повинне перевищувати часовий інтервал між двома зняттями інформації від одного і того ж ДІ. Проте, можна вважати, що в конкретній ситуації існують резерви як по (паралельному резервуванню), так і по (послідовному резервуванню), які дозволяють істотно підвищити вірогідність інформації.

Послідовне інформаційне резервування виуває вищі вимоги до технічної надійності ДІ, ніж паралельне резервування.

У роботі виводяться залежності оцінки імовірнісних характеристик для ДІ із різними імовірнісними характеристиками і різними імовірностями безвідмовної роботи i -го ДІ.

Доведена теорема, яка показує що система з N ДІ з різними імовірнісними характеристиками при індексі мажоритарності завжди матиме вищу системну імовірність вірогідного визначення контрольованого явища в порівнянні із системою з ДІ, що має однакові усереднені імовірнісні характеристики , такі, як

Ця теорема дуже важлива для обліку технічної надійності ДІ.

На підставі викладеного вище, можна зробити наступний висновок. Якщо підібрати джерела інформації так, щоб джерелу із найбільш високою імовірнісною характеристикою відповідала найбільш висока імовірність безвідмовної роботи, тоді системна імовірність вірного виявлення контрольованого явища матиме максимальне значення , в порівнянні з іншими варіантами ранжирування.

...