Структурно-параметричний аналіз і синтез системи експлуатації перспективних радіоелектронних засобів аеронавігаційного обслуговування

Размещено на http://www.allbest.ru/

Національний авіаційний університет

УДК 629.735.085

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня доктора технічних наук

Структурно - параметричний аналіз і синтез системи експлуатації перспективних радіоелектронних засобів аеронавігаційного обслуговування

05.22.20 - Експлуатація та ремонт засобів транспорту

Мелкумян Вальтер Гайкович

Київ 2003

Загальна характеристика роботи

радіоелектронний засіб аеронавігаційне обслуговування

Актуальність теми. У процесі корінної модернізації системи аеронавігаційного обслуговування (АНО) необхідно вирішення проблеми оптимізації структури і характеристик системи експлуатації радіоелектронних засобів (РЕЗ) АНО із метою раціоналізації експлуатаційних витрат у забезпеченні вимог міжнародної організації цивільної авіації (ІCАО) до рівня безпеки польотів.

Вирішення проблеми підвищення ефективності складної поліергатичної системи експлуатації РЕЗ АНО в цілому потребує системного підходу до аналізу і синтезу її елементів з урахуванням складної, багаторівневої структури системи і стохастичного характеру зв'язків між її елементами.

У цій предметній області вітчизняними та іноземними вченими досліджені й отримані достатньо вагомі результати з окремих аспектів проблеми. але на цей час відсутні комплексні дослідження системи експлуатації РЕЗ АНО, які із системних позицій дозволяють розробити методи й інженерні методики визначення її оптимальної структури й обґрунтування вимог до характеристик, які у сукупності визначають ефективність функціонування системи та її окремих елементів.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Дослідження виконані за планами найважливіших науково-дослідних робіт, серед яких:

Ї шифр ГКНТ-6.6.3 /7 СП - тема "Розробка оптимальної системи експлуатації засобів аеронавігаційного обслуговування України";

Ї шифр 07 КМ 94 - тема "Розробити систему технічного обслуговування повітряного руху над територією України. Розробка нормативних документів по створенню, сертифікації та введенню в дію АС КПР";

Ї шифр 425-ГТ 93 - тема "Провести дослідження по нормуванню та сертифікації радіоелектронних засобів цивільної авіації згідно з міжнародними стандартами";

Ї шифр 422-ГТ 93 - тема "Розробити концепцію оптимізації процесів технічної експлуатації радіоелектронних комплексів України";

Ї шифр 488-Х 94- тема "Розробити вимоги до системи технічного обслуговування автоматизованого радіосвітлотехнічного комплексу навігації, посадки і зв'язку”.

Ї шифр 344/2000 - тема “Провести дослідження та розробити Концепцію розвитку нормативної бази системи технічного забезпечення аеронавігації цивільної авіації України з метою її адаптації до відповідних норм Європейського Союзу”;

Ї шифр 345/2000 - тема “Провести дослідження та розробити Перелік нормативно-правових актів, які складають основу нормативної бази системи технічного забезпечення аеронавігації цивільної авіації”.

Мета і задачі дослідження. Метою дисертаційної роботи є розробка методів і інженерних методик структурно-параметричного аналізу і синтезу системи експлуатації РЕЗ АНО нової генерації з підвищеними тактичними й експлуатаційно-технічними характеристиками, які дозволять раціоналізувати рівень експлуатаційних витрат при забезпеченні (у частині АНО) заданих показників безпеки і регулярності повітряного руху.

Досягнення висунутої мети дослідження забезпечується розв'язанням таких ієрархічно пов'язаних задач:

Ї визначення основних напрямків підвищення ефективності її функціонування з урахуванням сучасного стану проблеми модернізації системи експлуатації РЕЗ АНО повітряного руху України;

Ї вибору й обґрунтування методології синтезу та аналізу складних технологічних систем обслуговуючого типу і на її основі розроблення концепції проектування (модернізації) системи експлуатації РЕЗ АНО;

Ї розробки базової моделі функціонування системи експлуатації РЕЗ АНО і розроблення методів й інженерних методик визначення вимог до характеристик системи і її основних елементів на прийнятому в базовій моделі рівні декомпозиції, що забезпечують у сукупності (у частині АНО) необхідний рівень безпеки й економічності повітряного руху:

Ї- розробки рекомендації по раціоналізації структури й оптимізації характеристик системи експлуатації перспективних РЕЗ АНО України, і відновленню нормативної бази системи.

Методи дослідження. Виконані дослідження базуються на системних позиціях теорії проектування складних технологічних систем, теорії експлуатації авіаційної техніки, теорії імовірностей і теорії нечітких множин.

Наукова новизна одержаних результатів дисертаційної роботи полягає в тому, що вперше із системних позицій обґрунтована методологія структурно-параметричного аналізу і синтезу системи експлуатації перспективних РЕЗ АНО як складної технологічної системи (СТхС) обслуговуючого типу, у межах якої:

1.Проведено аналіз понятійно-термінологічного апарату наукового напрямку теорії і практики проектування технологічних систем, виконана експлікація і запропоновані більш розширені за змістом визначення основних понять і термінів, що дозволить використовувати результати досліджень у виробничій сфері, у тому числі новітніх технологій, у суміжних областях господарства.

2. Визначено клас технологічних систем обслуговуючого типу і розглянуті нові підходи до аналізу і синтезу із застосуванням як імовірнісних методів оцінки характеристик стохастичних процесів, так і ряду прикладних поділів теорії нечітких множин, у межах яких:

Ї розроблена узагальнена структура моделі системи, отримані аналітичні вирази для оцінювання ефективності функціонування її елементів і системи в цілому;

Ї сформульовані і доведені дві теореми домінування нечітких відношень, ряд висновків, та тверджень і наведені приклади їхнього використання у проектуванні СТхС.

3.Розроблено базову модель функціонування СТхС експлуатації РЕЗ АНО. Отримано нові аналітичні вирази і розроблені відповідні методи й інженерні методики визначення вимог до характеристик її основних підсистем і ланок на прийнятому в базовій моделі рівні декомпозиції, які у сукупності забезпечують (у частині АНО) заданий рівень безпеки й економічності повітряного руху.

4.Розроблені рекомендації з оновлення нормативної бази системи експлуатації РЕЗ АНО цівільної авіації України.

Запропоновано метод експертного оцінювання результатів апробації нормативної документації з використовуванням прикладних розділів теорії нечітких множин.

Практичне значення одержаних результатів полягає в тому, що отримані результати дозволяють:

1.Розв'язати із системних позицій задачу оптимізації структури і характеристик системи експлуатації РЕЗ АНО і її елементів у процесі модернізації системи АНО і оптимізувати процес її проектування на різних етапах створення і впровадження в експлуатацію перспективних РЕЗ АНО.

2. Оцінити якість функціонування системи радіотехнічного забезпечення на етапах маршруту польоту повітряних суден і в зонах керування повітряним рухом.

3. Визначити вимоги до характеристик надійності РЕЗ АНО, які у сукупності забезпечують заданий рівень безпеки й економічності повітряного руху (у частині АНО).

4. Оцінити ефективність стратегій системи технічного обслуговування РЕЗ АНО і її алгоритмічного забезпечення в процесі експлуатації.

Результати досліджень послужили теоретичною основою для розробки:

Ї Технічного завдання і проекту системи експлуатації розроблюваного на цей час в Україні перспективного радіотехнічного аеродромного комплексу;

Ї Концепції розвитку нормативної бази системи радіотехнічного забезпечення цивільної авіації України;

Ї- Переліку нормативно-правових актів, які складають основу нормативної бази системи РТЗ цивільної авіації”;

Ї Інструкції з подовження ресурсу (терміну служби) засобів радіотехнічного забезпечення польотів та електрозв'язку і проектів ряду нормативних документів галузі.

Особистий внесок здобувача. Основні результати дослідження, що увійшли до дисертаційної роботи, отримані автором особисто. У працях із співавторами здобувачу належать постановка й методи розв'язання задач [16,19-21] та основні аналітичні співвідношення [13-15,18,22].

Апробація результатів дисертації. Автор доповів про результати досліджень і отримав позитивну оцінку на 18 міжнародних, всесоюзних й республіканських науково-технічних конференціях (НТК) і семінарах, серед яких міжнародні НТК: “АВІА-99” (Київ,1999 р.);“АВІА-2000” (Київ,2000 р.); “АВІА-2001” (Київ,2001 р.); “АВІА-2002” (Київ,2002 р.); “Международный форум по радиоэлектронике” (Харків, 2002 р); “Проблеми розвитку систем аеронавігаційного обслуговування й авіоніки повітряних кораблів”(Київ,1998 р.); “Проблеми удосконалювання систем аеронавігаційного обслуговування і керування рухомими об'єктами” (Київ, 1996 р) “Проблеми удосконалювання радіоелектронних комплексів і систем забезпечення польотів” (Київ,1989 р, 1992 р, 1994 р) “Статистичні методи передачі й перетворення інформаційних сигналів”,(Київ, 1995 р.);

Публікації. За результатами проведених досліджень видано 75 друкованих робіт, серед яких дві монографії, вісім навчальних посібників, 29 статей, два авторських свідоцтва і 19 тез доповідей на НТК. Особисто видано монографія, 12 статей і п'ять тез доповідей на НТК. Матеріали дослідження ввійшли до 17 звітів науково-дослідних робіт.

Структура й обсяг роботи. Дисертаційна робота складається з вступу, шести розділів, висновків, списку використаних джерел, і додатків. Загальний обсяг роботи 315 сторінок (з них 51 ілюстрація на 21 сторінках.,14 таблиць на 12 сторінках, додатки на 5 сторінках і список використаних джерел на 7 сторінках).

Основний зміст

У вступі обґрунтовано актуальність теми, визначені мета і задачі дисертаційної роботи розв'язання яких необхідні для досягнення мети, визначена наукова новизна й практичне значення отриманих результатів.

У першому розділі розглядаються основні положення концепції розвитку системи експлуатації РЕЗ АНО повітряного руху України, з урахуванням її сучасного стана і перспектив упровадження РЕЗ АНО нової генерації.

Показано, що модернізована структура системи експлуатації РЕЗ АНО має бути раціональною, як у частині капітальних вкладень на переоснащення системи сучасними РЕЗ, так і в частині витрат на технічне обслуговування (ТО), і повинна бути адаптивною з урахуванням розвитку засобів РЕЗ та новітніх супутникових технологій АНО.

З огляду на багатопараметричність досліджуваної системи, у дисертаційної роботі визначення вимог до характеристик системи і її основних елементів на прийнятому в базовій моделі рівні декомпозиції обмежено розглядом характеристик її n елементів, які у сукупності забезпечують виконання:

де: - показники безпеки й економічності АНО (у частині АНО), відповідно; z_i - вектор вихідних (визначальних) параметрів i - того елемента системи; - задані рівні показників безпеки в зоні керування ПР і рівні експлуатаційних витрат за час експлуатації t_E, відповідно.

У другому розділу із системних позицій розглядаються методологічні аспекти аналізу і синтезу складних технологічних систем обслуговуючого типу, до класу яких належить система експлуатації РЕЗ АНО.

У запропонованій моделі СТхС обслуговуючого типу (рис.1) ТхС-Ф є основною системою формування і надання "вихідної продукції" (послуги), ТхС-Н виконує роль допоміжних структур системи. Функції ТхС-Р і ТхС-У в СТхС будь-якого класу зводяться відповідно до своєчасного забезпечення необхідними ресурсами ТхС-Ф і керування процесами, які протікають у СТхС

Для опису СТхС можна використовувати складеного функціонала

F_СТхС(s,t)=(F(U_С(v) / L_С(v); F_Т (S,t); T_СE(S,t); Е_С (t); D_С (,t)),

де F_СТхС(s,t) - функціонал опису СТхС з структурою S; U_С(v) - функціонал, який визначає рівень відповідності характеристик наданої послуги; L_С (v), - вектор вимог заявок споживачів послуг до “вихідного продукту” СТхС; v-характеристика послуги Е_С (t) - функціонал, який визначає досяжні рівні ефективності СТхС; D_С (,t)- функціонал, який визначає параметри зовнішньої умови (включно нормативну базу) функціонування СТхС; T_СE(s, t) - функціонал, який задає технологію взаємодії ТхС і необхідний рівень керованості в структурі СТхС.

Вектор вимог заявок споживачів послуг L_С (v) до характеристик послуги (“вихідної продукції”) СТхС у загальному випадку можна подати у вигляді складеного функціонала:

L_С (v)={L(v(y,t), L(v(s,t)), L(v(t))},

де L(v(y,t), L(v(s,t)), L(v(t)) - функціонали, які описують специфічні вимоги до груп характеристик послуги, сформованої СТхС в межах заявки L_С (v).

Наприклад, під L(v(y,t)) можна припускати комплексні вимоги до кількісних і якісних характеристик; L(v(s,t)) - до характеристик координат місця надання послуги; L(v(t)) - до часових характеристик.

Значення параметрів наданих СТхС послуг внаслідок стохастичності характеристик структурних елементів і дестабілізуючих чинників у загальному випадку матимуть певний розкид у фазовому просторі вимог заявок.

Заявку на послуги з характеристиками v(y,s,t) вважають задоволеною, якщо виконується умова:

U_С (v)D(L_С (v(y,s t))),

де U_С(v)-характеристика наданих послуг; а D(L_С(v(y,s t))), - фазовий простір припустимих значень характеристик заявленої послуги

Задача системи обслуговуючого типу полягає у забезпеченні умов для задоволення вимог споживачів до ознак запропонованих послуг із можливо найменшими додатковими витратами.

Запропоновані методи розв'язання задачі.

Нехай множину споживачів X, ознаки запропонованих послуг Y, обмеження Z і витрати на зменшення рівня C обмежень подані у вигляді упорядкованих множин.

Взаємозв'язок елементів множин, подамо у вигляді нечітких відношень xRy, zGy і cSy із функціями приналежності відповідно

_R (x,y)0,1, _G (z,y)0,1 й _S(c,y)0,1.

Нечіткі відношення xRy, ,zGy, cSy певною мірою може інтерпретуватися відповідно як вимоги до характеристик послуги задачі, оцінкою ступеня впливу наявних у системі ресурсів на ознаки запропонованої послуги, ступінь впливу додаткових витрат на зменшення обмежень або збільшення можливостей системи за рахунок нових капіталовкладень.

У загальному випадку необхідно забезпечити умову домінування можливостей системи відносно вимог споживачів послуг.

Розглянуті й доведені теореми.

Теорема 2.1. Нехай X=x₁,x₂,x_3.,…, x_n, Y = y₁, y₂ , y₃,...,y_m, Z = z₁, z₂, z₃,...,z_k - упорядковані множини, а xRy : _R (x,y)0,1 і zGy : _G (z,y)0, 1 - відповідні нечіткі відношення.

Тоді нечітке відношення zGy строго домінує над відношенням xRy за параметром y, якщо при еквівалентному оцінюванні виконуються умови:

при

або при

Висновок 2.1. Нечітке відношення zGy домінує над відношенням xRy за параметром max y, якщо при еквівалентному оцінюванні другі проекції цих відношень задовольняють умови:

.

Теорема 2.2. Нехай: X = x ,x₂,x₃,…,x_n, Y =y₁,y₂, y_3,…, y_m, Z =z₁, z₂, z_3,…, z_k, C=c₁, c_2, c₃,_…,c_p упорядковані множини, а xRy: _R (x,y) 0,1, zGy:_G (z,y)0,1 і cSy:_S(c,y) 0,1 відповідні нечіткі відношення.

Тоді недомінуюче нечітке відношення zGy умовно домінує над відношенням xRy за параметром y, якщо при еквівалентному оцінюванню , для яких виконуються умови:

, при

або , при

Висновок 2.2. Нечітке недомінуюче відношення zGy умовно домінує над відношенням xRy за параметром max y, якщо за еквівалентного оцінювання ,для яких другі проекції цих відношень задовольняють умови:

Сукупність додаткових витрат очевидно не повинна призвести до порушення умов корисності рішень для сервісних систем, тобто

,

де D_U -можливий сумарний прибуток від послуги; C_k, C капіталовкладення і додаткові витрати системи, відповідно; (c ) - функція корисності (очікуваний прибуток).

Наведені приклади використання теорем при проектуванні СТхС.

У межах прийнятої моделі (рис. 1), у загальному вигляді опис процесів, які протікають у СТхС, можна подати такою спрощеною схемою: Подія - Рішення - Дія.

Під Подією розуміється поява різних збурень із детермінованими і (або) стохастичними характеристиками.

Під Рішенням та Дією розуміється процес вибору методів для забезпечення необхідної якості функціонування СТхС за умов появи подій певного виду та реалізація прийнятих рішень.

За стаціонарних умов функціонування СТхС спрощену схему опису динаміки процесів у СТхС можна трансформувати й подати у вигляді схеми: Стан - Рішення - Дія.

У цьому випадку під Станом слід розуміти потенційну здатність СТхС виконувати покладені на неї функції.

Залежно від стану СТхС і її елементів під Рішенням і Дією слід розуміти процеси вибору і реалізації певного набору керуючих впливів на елементи системи, необхідні й достатні для підтримки і при необхідності відновлення певного рівня якості функціонування СТхС.

Динаміка процесів СТхС може бути описана у фазових просторах взаємозалежних областей S, F і R зведених до тривимірної координатної системи S, F, R.

На площинах координатної системи S, F і R можна виділити області D(S), D(F) і D(R), де СТхС забезпечує формування і надання заявлених послуг.

Динамічний стан СТхС (рис.3) може бути описаний функцією типу: (S, F, R, t), яку. можна привести до кінцевовимірних значень:

У випадку ₆(.), коли відновлення стану ₁(.) неможливе або недоцільне, система припиняє своє подальше функціонування або перепрофілюється, тобто потрібне змінення координатної системи S F R .

Важливою проблемою створення СТхС є вирішення задачі формування певного класу процесів регенерації у СТхС, адекватних ступеню деградації характеристик її елементів з метою усунення впливу дестабілізуючих чинників.

Твердження 2.2. Підмножина fF методів усунення дестабілізуючих чинників є досить ефективною, якщо

.

Твердження 2.3. Якщо для усунення впливу дестабілізуючих чинників _j є підмножина f_k f_B методів усунення, а оцінка техніко-економічних витрат cC подана у вигляді нечіткого відношення cSf, то оптимальним f_opt вважається метод усунення, який задовольняє умови

Під слід розуміти оцінку припустимого рівня техніко-економічних витрат на реалізацію обраного методу. В роботі розглянуті приклади використання теорем і тверджень при проектуванні СТхС.

Будь-яка складна ТхС характеризується різноманітними показниками. У більшості випадків ці поняття використовують для якісного порівняння проектованих ТхС, оскільки вони зазвичай не мають числового виразу, таких як гнучкість, динамізм, керованість, живучість, безпека, спеціалізація і комплексація, пропорційність, надійність і стійкість, гнучкість, мобільність, адекватність і узгодженість, адаптивність і самоорганізація, автономність і керованість

Наведені обґрунтування цих характеристики цих показників.

Обґрунтовані такі принципі концепції проектування СТхС:

1.Системність постановки задач. 2. Пріоритетність інтересів і вимог споживачів послуг системи. 3. Безпека функціонування системи. 4. Несперечливість схем прийняття рішень на різних ієрархічних рівнях протягом усього часу функціонування системи. 5. Функціональна повнота структурної побудови, системи опису цілей, задач і технологій. 6. Адаптивність структури і характеристик системи до змін зовнішніх і внутрішніх умов її функціонування. 7. Контрольованість і керованість процесів, в системі. 8. Раціональність витрат на створення і підтримку системи на певному рівні якості її функціонування. Наведені принципи далі трансформуються з урахуванням специфіки цільового призначення й особливостей функціонування системи експлуатації РЕЗ АНО.

У третьому розділі у межах обраної методології дослідження СТхС розглянуті задачі узагальненого опису моделі системи експлуатації РЕЗ АНО та визначення характеристик системи на етапі проектування.

Споживачами інформації системи експлуатації РЕЗ АНО (СТхС-Е) є елементи системи СТхС-П, а само сукупність повітряних суден (ТхС-ПР) і пункти диспетчерського обслуговування (ТхС-ДО). Елементи структури СТхС -Е на визначеному рівні декомпозиції: ТхС РТЗ - технологічна система, яка формує радіотехнічними методами необхідну для споживачів оперативну аеронавігаційну інформацію; ТхС ТО - технологічна система технічного обслуговування РЕЗ, яка виконує заявки на формування і реалізацію керуючих впливів для підтримки надійного функціонування РЕЗ; ТхС-Р - технологічна система забезпечення ресурсами; ТхС - В - технологічна система введення РЕЗ АНО до експлуатації, яка підключається на етапі розгортання і введення в дію нових РЕЗ.

Імовірність P_i(t) вирішення оперативних задач ПР (у тому числі усунення конфліктної ситуації) у частині СТх С-Е:

P_i (t)= ( P_{L/ PTЗ}(t), P_{L PTЗ},P_{D/ PTЗ} (t) , P_{D PTЗ} (t)),

де P_{L/ PTЗ} (t) ,P_{D/ PTЗ} (t)- умовна ймовірність виконання екіпажами ПС і диспетчерами КПР своїх функцій з урахуванням надійного інформаційного забезпечення системою РТЗ; P_{L (PTЗ)} (t), P_{D (PTЗ)} (t) - ймовірності виконання СТхС-Е заявок екіпажів ПС і диспетчерів КПР на радіотехнічну інформацію.

Узагальнений показник ефективності СТхС-Е врахує сумарні витрати C_ki(z) на створення (придбання) й експлуатацію C_Еi(z,t) РЕЗ АНО протягом часу t з урахуванням функціональної значущості у системи АНО.

,

де z_і - вектор вихідних параметрів i -тої РЕЗ системи; N_E - кількість РЕЗ системи.

Запропоновано метод оцінювання впливу технічного стану РЕЗ на цілісність системи. Наведена агрегативна модель цілісності і граф станів РЕЗ як джерела аеронавігаційної інформації

У виборі і впровадженні нових РЕЗ на початкових етапах проектування (або корінної модернізації) СТхС -Е особи, які приймають рішення, стикаються з певними труднощами через недостатній обсяг або відсутність необхідних статистичних даних.

Зпропановано один із методів розв'язання задачі вибору РЕЗ з порівняно невеликим рівнем витрат на підтримку визначальних її параметрів із застосуванням експертних систем.

Нехай оцінки m експертів xXm ступеня впливу вихідних параметрів zZ_n на ефективність функціонування РЕЗ у системі РТЗ і оцінки значень відповідних експлуатаційних витрат cC_n на підтримку вихідних параметрів РЕЗ протягом експлуатації й з урахуванням значущості думок експертів подано у вигляді нечітких відношень: xRz і xGc.

Подамо стовпчики матриць: xRz і xGc у вигляді таких упорядкованих нечітких множин:

D (x,z _і )= ₁(x₁,z _i), ₂ (x₂,z _i),,..., _m (x _m,z _i),

D (x,c_і)= ₁ (x₁,c _i), ₂ (x₂,c_i),,..., _m (x _m , c _i).

Підмножини найбільш значущих оцінок, які перевищують середнє значення m₁D (x,z_i):

Подальшою ітерацією можна виділити підмножину кращих оцінок експертів. Приймаючи рішення “обережних оцінок”, шукану підмножину можна отримати використовуючи умову:

Підмножина оцінок, які задовольняють такійї умові:

D(x ,z)= _{L 1} (x _{L 1},z₁), _{L 2} (x _{L 2},z₂), ..., _{L P} (x _LP , z_n).

з множин D(x,c) необхідно вилучити підмножину оцінок тих експертів, думка яких врахована:

D(x ,c)= _{L 1} (x _L1,c₁), _{L 2} (x _{L 2},c₂₎, ... , _{L P} (x _LP ,c_n).

З альтернативних варіантів обирають РЕЗ з порівняно невеликим рівнем витрат на підтримку її параметрів.

Основною і найбільш важливою системою, з погляду забезпечення безпеки і регулярності польотів у СТхС-Е, є ТхС РТЗ, яка знаходиться на верхньому ієрархічному рівні системи.

Структурні елементи ТхС РТЗ подані у вигляді радіоінформаційних каналів, технічну основу яких складуть РЕЗ АНО певного типу.

У четвертому розділі розглядаються задачі визначення оптимальних рівнів показників надійності радіоінформаційних каналів (РІК), які у сукупності забезпечують ефективність функціонування ТхС РТЗ на різних етапах маршруту польоту ПС і в зонах КПР.

З урахуванням функціональної значущості елементів детермінованої конфігурації системи РТЗ на j-й ділянці маршруту польоту (або в зоні КПР) як узагальнений показник ТхС РТЗ можна використовувати значення ймовірності P_j^РТЗ(t) виконання (у частині АНО) задачі забезпечення безпеки та регулярності ПР:

,

де P_jj^РІК(t) - характеристика надійного функціонування i-ого РІК РТЗ на j-й ділянці маршруту _i польоту ПС й зоні КПР _j; N - кількість ділянок маршруту польоту; L - кількість РІК

Розглянуто один із підходів до визначення P_j^РІК (t) системи РТЗ найбільш складного і відповідального, із погляду забезпечення безпеки, етапу польоту - передпосадкового маневру і посадки з використанням агрегативної моделі системи радіотехнічного забезпечення етапу посадки, де P_jj^РІК(t) - характеристика надійного функціонування i-ого РІК РТЗ позначені назвою типів РЕЗ аеродрому посадки.

Радіоінформаційні канали РМСП і ОСП служать для інформаційного забезпечення роботи екіпажів ПС а РІК ОРЛ-А і РІК ПРЛ разом із РІК АРП є засобами інформаційного забезпечення роботи диспетчерів КПР.

Основними показниками безпеки і регулярності польотів на цій ділянці маршруту польоту ПС є:

P_У (t) - ймовірність успішної посадки ПС на цьому аеродромі;

P_ВК (t) - ймовірність відправлення ПС на друге коло;

P_ЗА (t) - імовірність відправлення ПС на запасний аеродром;

Р_ПКС(t) - імовірність виникнення потенційних конфліктних ситуацій на етапі передпосадкового маневру і посадки ПС.

Поновлювану складну систему можна описати системою диференціальних рівнянь, які пов`язують імовірність знаходження системи у тому чи іншому стані із вихідними параметрами потоків відмов й поновлень.

З врахуванням того, що кожний з об'єктів РІК може знаходитися лише в одному з двох технічних станів (працездатному або непрацездатному) з відповідними інтенсивностями відмов і відновлення , систему можна описати. п'ятьма типами диференціальних рівнянь

Матриця коефіцієнтів і , , складається з урахуванням переходів за графами станів системи.

Наприклад система зі стану S_16.у разі відмови РІК може переходити до стану S₂₆ або S₂₇ з інтенсивностями відмов _16,26 і _16,27, а відновлення переводить систему до стану S₁₆ з інтенсивностями відновлення _26,16 і _27,16.

При цьому можливі також переходи зі станів S₆, S₇, S₁₀ до стану S₁₆ і зворотно з відповідними інтенсивностями _6,16 , _7,16 і _10,16, _16,6, _16,7, і _16,10.

Тоді для цього стану диференціальне рівняння набуде вигляду:

.

Матрицю коефіцієнтів і у стані системи S₁₆ подати у вигляді табл. 1.

Таблиця 1. Матриця коефіцієнтів і у стані S₁₆

РИК	j,k	j,k	j,k	j,k
РМС	16,10	10,16	-	-
ПРЛ	16,7	7,16	-	-
ОРЛ-А	16,6	6,16	-	-
ОСП	-	-	16,26	26,16
АРП	-	-	16,27	27,16

Так само формуються інші рядки матриці коефіцієнтів і .

Зміна метеомінімумів до певних значень обмежує посадку деяких типів ПС на даному аеродромі. Тому наявність декількох типів ПС і встановлених для них метеомінімумів з використанням РІК різної конфігурацій має бути спеціально обумовлена додатковими операторами моделі РТЗ.

Вплив кінцевої кількості градацій метеомінімумів і типів ПС на ймовірність забезпечення посадки ПС можна врахувати підсумовуванням всіх обчислених ймовірностей забезпечення посадки кожного типу ПС P_i (t) з вагами _i і m_j :

,

де P_i (t) - ймовірність посадки i-тим типом ПС;

_i - вага (частка) i-того типу ПС у загальному потоку ПС;

m_j - вага j-ого погодного мінімуму; N - кількість типів ПС;

M - кількість метеомінімумів.

Вираз для визначення ймовірності забезпечення РІК РТЗ безпечної посадки i-го типу ПК з урахуванням погоди аеропорту посадки набуде вигляду:

P_У(t)=(P_m1(t)+P_m2(t))A_ПРЛ(t)+P_m3(t)A_СП(t)A_ОСП(t))A_ОРЛ(t)A_АРП(t),

де P_m1(t), P_m2(t), P_m3(t)- імовірності метеомінімумов, за яких посадка ПК дозволяється при відповідній конфігурації РІК;

A_ПРЛ(t), A_РМСП(t), A_ОСП(t), A_ОРЛ(t), A_АРП(t)- коефіцієнти оперативної готовності відповідних РІК системи РТЗ повної конфігурації.

Розглянуті приклади розв'язання задач визначення узагальненого показника якості функціонування ТхС РТЗ певного типу аеропорту за відомими значеннями коефіцієнтів оперативної готовності РІК (пряма задача) і визначення коефіцієнтів оперативної готовності РІК, які задовольняють встановлений рівень безпеки (у частині РТЗ) посадки ПС (зворотна задача).

Показано, що у випадку відомих рівнів градацій метеомінімумів аеропорту з РЕЗ АНО повної конфігурації і значеннях коефіцієнтів готовності

A_РМС(t)=0,9998, A_ПРЛ(t)=0,9998, A_ОСП(t)=0,99994, A_ОРЛ(t)=0,99994, A_АРП(t)=0,99992, значення ймовірності виконання посадки (у частині РТЗ) P_У(t)= 0,96824.

Метою вирішення зворотної задачі є визначення необхідних характеристик надійності РІК РТЗ, що забезпечують заданий рівень регулярності повітряного руху при мінімізації суми витрат на експлуатацію об'єктів РІК і збитків від порушення регулярності повітряного руху.

Показано що такі задачі належать до оптимізаційних задач. Запропонований метод визначення необхідних характеристик надійності РІК РТЗ.

Цільова функція оптимізаційної задачі має вигляд:

,

за умов P_У (t) P_o(t) ,

де: P_o(t) - заданий рівень регулярності повітряного руху; C_i -витрати на експлуатацію об'єктів РІК i-того типу з загальної кількості N; C_{ВК j} C_{ЗА j} - розміри економічних втрат у разі відходу ПС j-ого типу із загальної кількості типів п на друге коло і на запасний аеродром; P_{ВК j}(t), P_{ЗА j}(t) - імовірності відходу ПС j-ого типу на друге коло і запасний аеродром відповідно; V_j - інтенсивність повітряного руху за j-им типом ПС; A_i -коефіцієнт готовності i-того РІК.

Показано що коефіцієнти готовності A_i РІК, які сукупності забезпечують ймовірності P_У(t)= 0,96824 виконання посадки обирається за умов:

A_РМСП(t) 0,999435, A_ПРЛ(t) 0,999791, A_ОСП(t) 09961,

A_ОРЛ(t) 0,99985, A_АРП(t) 0,99961.

Запропоновано метод визначення вимог і до часу перерв у роботі радіоінформаційних каналів ТхС РТЗ.

У п'ятому розділі розглянуті питання визначення оптимального рівня характеристик технологічних систем експлуатаційного (ТхС-ТО) та ресурсного (ТхС-Р) забезпечення.

Розроблено методи які дозволяють оцінювати ефективність системи технічного обслуговування перспективних РЕЗ АНО, в процесі експлуатації у залежності до прийнятої стратегії ТО.

Для стратегій ТО з двоальтернативною класифікацією вираз для оцінювання середньозважених втрат на експлуатацію n РЕЗ з урахуванням витрат на планові C_KВ та через помилкове виведення РЕЗ на контрольно-відновлювальні роботи C і витрат C_П пов'язані з виведенням РЕЗ з контурів системи РТЗ на час проведення цих робіт й при невиявленій відмові C у межах припустимої області a_i,b_i параметра який контролюється та щільності f (x_i) розподілу параметра x_i, і похибок вимірювання (), можна подати у вигляді:

Для стратегій ТО з триальтернативною класифікацією з попереджувальними допусками (a_Пі,b_Пі) вираз для оцінювання підсумкових середньозважених експлуатаційних витрат набуде вигляду:

Наведений новий опис стратегії ТО, де проведення керуючих впливів планується і провадиться на основі контролю швидкості “дрейфу” параметрів. Випадковий процес H(t), який описує можливі області фазового простору технічного стану РЕЗ за цією стратегією подано у вигляді

де під станами H_г, H_У і H_о H_i, H_РВ, H_В, відповідно розуміються стани “придатний”, “передвідмовний” і “відмова” і усунення причин погіршення технічного стану або відмови РЕЗ.за параметром x у момент t, із значенням швидкості V_xi “дрейфу” контрольованого параметра з відомим рівнем припустимих значень D(V_xi).

Значення витрат C₂ і C₃, певною мірою залежать від достовірності контролю. Це пояснюється непродуктивними витратами на контрольно-відновлювальні роботи на справних РЕЗ унаслідок помилок прийняття рішень першого роду, а також витратами, пов'язаними з наслідками використання несправного устаткування через наявність помилок другого роду. Тому у проектуванні системи експлуатації РЕЗ актуальною є задача визначення вимог до оптимальних рівнів характеристик точності систем контролю (СК) параметрів РЕЗ, оскільки високі вимоги до точності вимірювання призводять до підвищення рівня виробничих і експлуатаційних витрат.

Витрати на створення й експлуатацію СК тим вища, чим вища точність вимірювання. Одночасно зниження точності вимірювання призводить до збільшення втрат за рахунок появи додаткових непродуктивних витрат внаслідок збільшення значень імовірностей помилок класифікації технічного стану РЕЗ у процесі експлуатації. Оптимізаційна задача зводиться до знаходження такого значення вектора середнеквадратичного відхилення (СКВ) системи контролю, при якому функція витрат C₀() на створення й експлуатацію СК має мінімум.

Оптимізаційна задача визначення вимог до вимірювальних каналів систем контролю (СК) параметрів РЕЗ у процесі експлуатації з урахуванням функціональної значущості РЕЗ у системі РТЗ за умови фіксованих значень імовірності помилок другого роду можна сформулювати так:

Знайти

,

де C_ij - витрати на створення й експлуатацію j-го вузла i -го каналу СК; m_i - кількисть функціональних вузлів i-го каналу СК; n_K - кількість каналів СК; - допускова область параметра, який контролюється і-тим каналом СК; k_j - коефіцієнт пропорційності C_L- питомі витрати на L-і контрольно-відновлювальні роботи; t_L - тривалість L-х контрольно-відновлювальних робіт; n - кількість випадків помилкового виведення РЕЗ із системи РТЗ на контрольно-відновлювальні роботи; N_T,N - кількість ПС R-ого типу і кількість типів ПС у зоні керування; P_RL(t) - ймовірність виникнення заявки на РТЗ ПС R-ого типу C_R- питомі витрати внаслідок виведення РЕЗ із ланок керування польотами R-ого типу ПС.

Стратегії ТО, які засновані на триальтернативній класифікації технічного стану РЕЗ вимагають визначення граничних значень попереджувальних допусків.

Звуження границь допускової області контрольованих параметрів РЕЗ до граничних значень попереджувальних допусків приведе до зменшення імовірності помилок, тобто імовірності використання несправної РЕЗ за певним параметром в системі керування ПР.

Проте звуження допускової області може призвести до збільшення імовірності помилок іншого класу, що в свою чергу збільшить імовірність проведення регулювальних робіт на справній апаратурі. Отже це обумовлює необхідність оптимізації методів вибору попереджувальних допусків.

Розв'язанні таких задач зазвичай обмежуються обрахуванням непродуктивних витрат через помилки контрольних процедур першого роду. Але при цьому не враховують того, що проведення регулювальних робіт у свою чергу потребує відповідних техніко-економічних витрат пов'язаних з виведенням РЕЗ з контурів системи РТЗ на час проведення цих робіт.

Отримані нові аналітичні співвідношення сумарних непродуктивних витрат C з відомим рівнем імовірності похибок класифікації технічного стану РЕЗ:

C=......

де a_i b_i a_iП b_{iП -}межі експлуатаційної та попереджувальної допускової області контрольованих параметрів РЕЗ відповідно;

C_кр- витрати на контрольно-відновлювальні роботи, C ,C_П відповідно витрати при регулюванні справної РЕЗ і техніко-економічні втрати, пов'язані з виведенням РЕЗ з контурів системи РТЗ на час проведення цих робіт, C - витрати при експлуатації несправної РЕЗ, і - імовірності помилок класифікації технічного стану РЕЗ.

У синтезі та аналізі технологічних систем важливе місце займає задача оптимізації процесу споживання і розподілу трудових і матеріальних ресурсів.

Серед задач ТхС-Р і алгоритмічного забезпечення керування ресурсами (КР) особливе місце займають задачі: оцінювання поточного рівня споживання ресурсів СТхС експлуатації РЕЗ;; виявлення невідповідностей у рівнях споживання ресурсів і ефективності роботи ТхС; аналіз причин виявлених невідповідностей та діагностування "вузьких" місць; прийняття рішень щодо відповідних керуючих вплив та їхня реалізація.

Оператор типу S(r) виконує задачу оцінки стану S_rі ТхС за ознакою рівня споживання ресурсів. Оператор типу F(S(r)) формує одне з альтернативних рішень F(S_rі ).

S_rі = F(S_rі ) =

де S_0r- стан ТхС, що не потребує поповнення ресурсів;

S_Kr - стан ТхС, у якому необхідне оперативне поповнення ресурсів; S_Br - стан ТхС, у якому відбувається перевитрата ресурсів; r - поточний рівень поповнення ресурсів, необхідних для функціонування ТхС; r_n - нормативний рівень поповнення ресурсів. F_0r (S_ri) - рішення про відсутність необхідності поповнення ресурсів; F_K (S_ri ) - рішення про поповнення ресурсів; F_B (S_ri )) - рішення про проведення керуючих впливів на ТхС з метою усунення причин перевитрати ресурсів.

Оператор типу R (F (.)) реалізує прийняте рішення.

Величина r_D характеризує граничний рівень споживання ресурсів. Характерні точки функції r_і(t) відповідають моментам часу t_i, i=, коли необхідно реалізовувати керуючі впливи на систему. До моменту t_n-₁ відбувається планове поповнення або перерозподіл ресурсів, а у момент t_n виникає необхідність формування і реалізації керуючих впливів на ТхС для усунення причин перевитрат ресурсів. Зазначені зміни можуть відбуватися з різними рівнями деталізації й узагальнення аналізованого кола задач.

Розглянуто один із методів розв'язання таких задач. Нехай є множина альтернативних способів усунення причин перевитрат ресурсів F ={F₁, F₂, …, F_m-1, F_m}, вибір якім може призвести до економічних x C_m і соціальних y G_m наслідків. Потрібно вибрати з можливих альтернативних варіантів спосіб усунення перевитрат ресурсів із найменшими економічними й соціальними наслідками за одночасним забезпеченням рівня середнього прибутку D₀ від реалізації "вихідного продукту" СТхС.

Показані що рішення має знаходитися в областях:

F:(_C(x,F)_C (x,F);_G(y,F)_G(y,F)),

де зберігається умова економічної ефективності реалізації прийнятого рішення: D (F) D₀ .

У шостому розділі розглядається ряд аспектів розробки й обґрунтування структури і характеристик системи ТО аеродромного автоматизованого радіотехнічного комплексу (АК) навігації, посадки і керування ПР який, створюється в Україні, використовуючи підходи до проектування СТхС-Е та розроблені рекомендації з відновлення нормативної бази системи експлуатації РЕЗ АНО України

Обґрунтовані структура і характеристики системи експлуатації аеродромного комплексу АНО. Розроблені вимоги до сумісності засобів аеродромного комплексу і системи експлуатаційного забезпечення. Наведений приклад визначення вимог до характеристик однієї з РЕЗ АК та визначення структури системи ТО та її алгоритмічного забезпечення.

Розроблені рекомендації з оновлення нормативної бази галузі. Як показує досвід роботи над створенням нормативних документів (НД) цивільної авіації, одним із складних етапів розробка та впровадження НД є етап апробації. Певна частина відгуків має суперечливий характер, а деякі зауваження та пропозиції - нечітке та неоднозначне викладення або не відповідають вихідним вимогам до розробки НД. Питанням оптимізації процесу прийняття рішення за умови нечіткого опису альтернатив та (або) обмежень приділяється значна увага в теорії нечітких множин. Залежно від ступеня припустимості розрізняють ряд градацій переваги, серед них: нечітке відношення строгої переваги, нечітке відношення еквівалентності, нечітке відношення неупередженості .Однак відомі результати, за умов цієї задачі не дозволяють отримати бажаного результату. Запропонований метод експертного оцінювання результатів апробації НД, використання якого набагато спрощує процес прийняття рішення про остаточну редакцію проекту нормативних документів.

Подамо нечітке відношення xRy: _R (x,y)0,1 і у вигляді матриці значущості думок (відгуків) експертів x X за розділами НД y Y .Вибір альтернативних відгуків, які отримані в процесі апробації НД і засновані на врахуванні ступеня значущості думок авторів зауважень та пропозицій по конкретних розділах (пунктах) проекту документа пропонується з ви користування наступних правил, а саме:

нечітке відношення строгої переваги

нечітке відношення еквівалентності

.

нечітке відношення неупередженості

.

Таким чином, редакційна група враховує зауваження отримані у процесі апробації НД з використанням наведені у відповідних нечітких відношеннях оцінок експертів.

Висновки

1. Вирішена важлива науково-технічна проблема розробки методів синтезу і аналізу складної поліергатичної системи експлуатації перспективних радіоелектронних засобів аеронавігаційного обслуговування з метою підвищення її ефективності і раціоналізації експлуатаційних витрат із забезпеченням вимог міжнародної організації цивільної авіації ІСАО до рівня безпеки польотів.

2. Вперше обґрунтована методологія і розроблені із системних позицій методи й інженерні методики структурно-параметричного аналізу і синтезу системи експлуатації перспективних РЕЗ АНО, як складної технологічної системи обслуговуючого типу, межах яких розроблена узагальнена структура моделі системи, отримані аналітичні вирази для оцінювання ефективності функціонування її елементів і системи в цілому; сформульовані і доведені дві теореми домінування нечітких відношень, ряд висновків, та тверджень і приведені приклади їхнього використання у проектуванні СТхС;

3. Обгрунтовані основні положення концепції розвитку системи експлуатації РЕЗ АНО повітряного руху України з урахуванням її сучасного стана і перспектив упровадження РЕЗ нової генерації.

4. Розроблено базову модель функціонування СТхС експлуатації РЕЗ АНО. Запропоновано метод оцінювання впливу технічного стану РЕЗ на її цілісність. Наведена агрегативна модель цілісності та граф станів РЕЗ як джерела аеронавігаційної інформації.

5. Отримано нові аналітичні вирази і розроблені відповідні методи й інженерні методики визначення вимог до характеристик її основних підсистем і ланок на прийнятому в базовій моделі рівні декомпозиції, які у сукупності забезпечують (у частині АНО) заданий рівень безпеки й економічності повітряного руху.

6. Розроблено методи, інженерні методики оцінювання якості функціонування технологічної системи РТЗ польотів, а також визначені вимоги до характеристик надійності РЕЗ АНО, які у сукупності забезпечують (у частині АНО) заданий рівень безпеки й економічності повітряного руху, в тому числі до характеристик надійності РЕЗ АНО, що забезпечують необхідні рівні безпеки і економічності повітряного руху (у частині АНО) на найскладнішій, із погляду забезпечення безпеки, ділянці маршруту - передпосадкового маневру і посадки ПС;

7. Розроблено методи оптимізації структури і характеристик технологічної системи експлуатаційного забезпечення функціонування РЕЗ, які дозволяють оцінювати ефективність системи ТО перспективних РЕЗ АНО в процесі експлуатації, враховуючи ступінь їхньої експлуатаційної технологічності і функціональної значущості в системі АНО.

...