Методика збереження живучості системи "літак-екіпаж-середовище" у польоті

Размещено на http://www.allbest.ru

Размещено на http://www.allbest.ru

Національний авіаційний університет

05.13.03 - Системи та процеси керування

Автореферат дисертації на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук

Методика збереження живучості системи

“літак-екіпаж-середовище” у польоті

Тачиніна Олена Миколаївна

Київ - 2007

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана у Національному авіаційному університеті

Міністерства освіти і науки України.

Науковий керівник: доктор технічних наук, професор

Казак Василь Миколайович

Національний авіаційний університет,

завідувач кафедри автоматизації і енергоменеджменту

Офіційні опоненти: доктор технічних наук, професор

Шутко Микола Олександрович

Національний авіаційний університет

професор кафедри аеронавігаційних систем

кандидат технічних наук,

Рудюк Григорій Іванович

заступник Головного конструктора АНТК ім. О.К. Антонова

Провідна установа: Інститут кібернетики імені В.М. Глушкова

НАН України, м. Київ.

Захист відбудеться “ 3 ” липня 2007 р. о 1530 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 26.062.03 при національному авіаційному університеті за адресою : 03058, м. Київ, просп. Космонавта Комарова, 1.

З дисертацією можна ознайомитись у бібліотеці Національного авіаційного університету за адресою: 03068, м. Київ, просп. Космонавта Комарова, 1.

Автореферат розісланий “ ” червня 2007 р.

Вчений секретар спеціалізованої вченої ради,

к.т.н., доц., с.н.с. С.В. Павлова

Размещено на http://www.allbest.ru

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. Світовий досвід експлуатації повітряних кораблів (ПК) показує, що головне науково-технічне завдання розвитку сучасного авіаційного транспорту це забезпечення безпеки польотів і високої їх ефективності.

Одним із можливих шляхів вирішення цієї проблеми може стати збереження живучості системи “літак - екіпаж - середовище” в особливій ситуації (ОС) в польоті. Поняття живучості розглядається як властивість цієї системи протистояти впливу незапланованих деградуючих факторів і зберігати керованість процесом розвитку ситуації у разі раптового прояву різного виду аварійних порушень режиму польоту. Основна роль в забезпеченні збереження живучості системи “літак - екіпаж - середовище” в ОС в польоті належить екіпажу, оскільки, в умовах виникнення ОС у польоті безпосередньо екіпаж здійснює керування польотом, а від правильності його дій залежить подальший розвиток ситуації, що склалася. Так, аналіз стану безпеки польотів за даними міжнародної організації цивільної авіації (ІСАО) показує, що переважна більшість авіаційних подій спричинених помилками екіпажів (порядку 90%), зумовлені несвоєчасними й неправильними його діями. Це зумовлене тим, що розвиток ОС має швидкоплинний характер, і екіпаж не завжди має у своєму розпорядженні час, необхідний для її усунення або стабілізації. У зв'язку з цим актуальним є дослідження можливостей скорочення часу, потрібного екіпажу для усунення розвитку або запобігання переходу ОС у катастрофічну.

Таким чином, збереження живучості системи “літак - екіпаж - середовище” в ОС у польоті шляхом скорочення потрібного часу екіпажу на запобігання розвитку або усунення наслідків ОС в польоті є своєчасне та актуальне завдання дисертаційних досліджень, що передбачає отримання нових наукових результатів та їх значущість для підвищення безпеки польотів.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Робота є складовою частиною досліджень, які проводяться в Національному авіаційному університеті (НАУ) і спрямовані на подальше вдосконалення методів забезпечення безпеки польотів і підвищення ефективності авіації. Роботу виконано відповідно до Державної програми розвитку авіаційного транспорту України на період до 2010 року, розробленої згідно з Указом Президента України від 18 жовтня 2000 року № 1143/2000 про рішення Ради національної безпеки й оборони України від 27 вересня 2000 року “Про стан авіаційного транспорту й авіаційної промисловості України”.

Мета й завдання дослідження. Дослідження можливостей збереження живучості системи “літак-екіпаж-середовище” в ОС в польоті шляхом скорочення потрібного часу екіпажу на запобігання розвитку або усунення наслідків ОС в польоті при штурвальному керуванні. Для досягнення поставленої мети в роботі було поставлено такі науково-технічні завдання:

- проаналізувати причини виникнення ОС у польоті й переходу їх в аварійні та катастрофічні, а також обґрунтувати вибір типової ОС для дослідження; літак екіпаж середовище

- розробити методологію і на її основі розробити математичну модель системи “літак-екіпаж-середовище” в ОС в польоті;

- розробити методику оцінювання часу, що має у своєму розпорядженні екіпаж на запобігання розвитку типової ОС у польоті;

- розробити методику оцінювання часу, потрібного екіпажу для запобігання розвитку типової ОС у польоті;

- розробити структуру психологічного портрета особистості для дослідження впливу індивідуальних особливостей пілота на час, потрібний йому для парирування розвитку ситуації, що склалася;

- оцінити психофізіологічні можливості екіпажу щодо скорочення часу, потрібного йому на усунення або стабілізацію розвитку ОС у польоті;

- розробити структуру й алгоритм функціонування нечіткого регулятора для трьох режимів його роботи (спостерігач, коректор і формувач підказки);

- розробити алгоритм формування і видачі рекомендацій щодо дій екіпажу в умовах виникнення ОС в польоті

Об'єкт дослідження - процес розвитку ОС у польоті.

Предмет дослідження - шляхи збереження живучості системи “літак-екіпаж-середовище” в ОС у польоті за штурвального режиму керування.

Методи дослідження. Для вирішення поставлених завдань у роботі використовуються: методи системного аналізу та інженерної психології, методи теорії автоматичного керування, теорії ймовірностей, теорії нечітких множин; математичного моделювання для створення інструментарію дослідження живучості системи “літак - пілот -середовище” у типових ОС, а також методи комп'ютерного й когнітивного моделювання для дослідження роботи розробленої системи штурвального керування з нечітким регулятором.

Наукова новизна отриманих результатів. У дисертаційній роботі отримано такі наукові результати:

- уперше науково обґрунтовано визначення системи “літак - екіпаж - середовище” в ОС у польоті і на його основі розроблено математичну модель, в описі якої враховано аеродинамічні властивості літака, динамічні характеристики і психофізіологічні особливості екіпажу і навколишнього середовища, а також характер розвитку ОС, взаємозалежні і здійснюючі вплив на час, що має екіпаж у своєму розпорядженні для усунення або стабілізації розвитку ОС у даних умовах польоту;

- розроблено методику скорочення часу, потрібного екіпажу з даними динамічними та психофізіологічними характеристиками на усунення розвитку чи запобігання переходу типової ОС у катастрофічну ;

- розроблено структуру психологічного портрета особистості і на його основі рекомендації щодо цільового формування у членів екіпажу якостей, потрібних для запобігання розвитку аварійної або переходу її в катастрофічну ситуацію;

- на основі нечіткої логіки розроблено алгоритм формування і правило видачі рекомендацій щодо дій екіпажу в умовах виникнення і розвитку ОС в польоті;

- розроблено алгоритм формування бази знань на основі когнітивного моделювання;

- одержала подальший розвиток теорія застосування нечітких множин для збереження живучості системи “літак - екіпаж - середовище” в ОС у польоті.

Практичне значення отриманих результатів. Результати дисертаційної роботи впроваджено в проектну документацію АНТК ім. О.Б. Антонова для формування бази даних про рекомендації екіпажу для парирування позаштатних ситуацій у польоті. Крім того результати дисертаційної роботи впроваджено в навчальний процес підготовки фахівців і аспірантів НАУ. Впровадження результатів підтверджено відповідними актами.

Особистий внесок здобувача. В опублікованих працях у співавторстві особистий внесок автора полягає в такому: у роботі [1] проведено аналіз методів кількісного визначення властивостей живучості динамічних систем; у [2] проведено аналіз динамічних характеристик пілота як ланки системи “літак-екіпаж-середовище” в особливій ситуації у польоті та визначено їх показники; у [3] визначено основні фактори, що впливають на сприйняття пілотом вогнів аеродромного світлосигнального комплексу в особливій ситуації у польоті;, в [4] розроблено математичну модель системи “літак-екіпаж-середовище” в умовах розвитку особливої ситуації у польоті.

Апробація результатів дисертації. Основні положення і результати дисертаційних досліджень доповідались на науково-технічних конференціях: V Міжнародній науково-технічній конференції “Авіа - 2003” (м. Київ, НАУ, 2003 р.); 11-й Міжнародній конференції по автоматичному керуванню “Автоматика - 2004” (м. Київ, Національний університет харчових технологій, 2004 р.); Міжнародній конференції по автоматичному керуванню “TCSET2004” (м. Львів, “Львівська політехніка”, 2004 р.); Міжнародній науковій конференції “ISDMIT2007” (м. Євпаторія, Херсонський морський інститут, 2005 р.); Міжнародній науково-технічній конференції “Авіа - 2007” (м. Київ, НАУ, 2007 р.); Міжнародній науковій конференції “ISDMIT2007” (м. Євпаторія, Херсонський морський інститут, 2007 р.).

Публікації. Основний зміст дисертації опубліковано в 13 друкованих роботах: у 4 статтях у фахових наукових виданнях, 6 матеріалах та 3 тезах доповідей на міжнародних та вітчизняних конференціях.

Структура й обсяг дисертації. Дисертаційна робота складається зі вступу, чотирьох розділів, висновків, списку використаних джерел, додатків. Повний обсяг дисертації - 160 сторінок, з яких основну частину викладено на 138 сторінках друкованого тексту й містить 53 рисунки, 12 таблиць, 1 додаток. Список використаних джерел складається з 115 найменувань.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі обґрунтовано актуальність теми, сформульовано мету й завдання досліджень, визначено наукову новизну і практичну значущість отриманих результатів.

У першому розділі виконано аналіз основних причин виникнення та розвитку ОС у польоті. Установлено найважливішу роль екіпажу в усуненні розвитку і запобіганні переходу ОС у катастрофічну. Показано, що ОС у польоті, які завершилися аваріями або катастрофами, могли мати менш тяжкі наслідки (на рівні інцидентів або взагалі без наслідків) за умови своєчасних і правильних клерувальних дій екіпажу спрямованих на усунення (або компенсацію) небезпечних явищ, що виникли внаслідок розвитку ОС у польоті, обґрунтовано вибір типової ОС. Як типову ОС обрано ситуацію, що виникла під час обходу зони грозової дії і турбулентності літаком ТУ-154 (рейс 612, 22.08.2006, катастрофа під Донецьком). Обґрунтовано основні завдання дослідження.

У другому розділі науково обґрунтовано поняття системи “літак - екіпаж - середовище” в ОС у польоті із врахуванням стану та аеродинамічних властивостей літака, динамічних характеристик й психофізіологічних особливостей екіпажу, стану параметрів зовнішнього середовища, а також типу і характеру розвитку ОС, взаємозалежних між собою, які впливають на час, що має у своєму розпорядженні екіпаж для усунення або стабілізації розвитку ОС, що склалася у польоті. З метою оцінки можливості збереження безпечного функціонування системи “літак-екіпаж-середовище” в ОС проведено аналіз динамічних характеристик її складових і обґрунтовано умову його забезпечення:

де -час потрібний екіпажу для парирування розвитку ОС у польоті; Тр -час, що має у своєму розпорядженні екіпаж для усунення або недопущення переходу з аварійної ОС в катастрофічну.

У третьому розділі обґрунтовано поняття живучості системи “літак-екіпаж-середовище” в ОС у польоті. Під живучістю системи “літак-екіпаж-середовище” в особливій ситуації у польоті розглядається властивість цієї системи протистояти впливу незапланованих деградуючих факторів і зберігати керованість процесом розвитку ситуації у разі раптового прояву різного виду аварійних порушень режиму польоту. Як показник живучості системи в ОС, що склалася, був застосований аналог функції надійності - функцію динамічної живучості D(Тп), що характеризує умовну ймовірність того, що час функціонування Тр системи після моменту виникнення ОС і до переходу її в аварійну та катастрофічну буде більшим від потрібного Тп для її стабілізації і запобігання подальшому розвитку:

Залежно від типу ОС і характеру її розвитку можуть бути різні наслідки, кожний з яких характеризуватиметься своїм показником функції динамічної живучості. Розвиток ОС у різних умовах зведено до трьох можливих наслідків

Перший наслідок. Швидкість розвитку ОС не велика, а потрібний для її повної нейтралізації час достатній . З погляду динамічної живучості цю ситуацію можна пояснити тим, що динаміка зміни параметрів функціонування системи “літак-екіпаж-середовище” у процесі розвитку ОС така, що діями екіпажа можна домогтися її повної нейтралізації.

Другий наслідок. Швидкість розвитку ОС стрімко зростає, а потрібний час на її усунення досягає граничного значення часу, що має у своєму розпорядження екіпаж. У цьому випадку, основне завдання екіпажу-стабілізувати розвиток ОС, тобто динаміка зміни результатів функціонування системи “літак-екіпаж-середовище” має бути такою, що властивість динамічної живучості системи забезпечить досить тривале продовження польоту після виникнення ОС, що дозволить стабілізувати подальший розвиток ситуації та запобігти переходу її в аварійну або катастрофічну.

Третій наслідок. У разі неможливості домогтися першого або другого результату перед екіпажем постає завдання зведення негативних наслідків розвитку ОС до мінімально можливого рівня. Очевидно, що динамічна живучість системи в цій ситуації недостатня і потрібний час характеризує необхідний на зведенням до мінімуму потенційних збитків, час.

Для кожного із цих наслідків отримано три функціональні визначення функції динамічної живучості:

де, , - час потрібний для досягнення першого, другого або третього наслідків відповідно;,- наявний і граничний наявний час для усунення ОС у польоті. або запобігання переходу ОС у катастрофічну.

Із сутності визначення живучості, а також з виразів (2) і (3) випливає, що залежно від рівня динамічної живучості системи “літак-екіпаж-середовище” буде визначатись результат польоту в разі виникнення ОС у польоті. У свою чергу, показник динамічної живучості буде визначатися співвідношенням наявного і потрібного часу екіпажу для запобігання ОС у польоті. Отже, забезпечення живучості системи “літак-екіпаж-середовище” в ОС у польоті принципово може бути досягнуто:

-збільшенням наявного часу Тр;

-скороченням потрібного часу;

-одночасним збільшенням наявного часу Тр і скороченням потрібного часу.

У роботі було досліджено можливість збереження живучості системи “літак-екіпаж-середовище” в ОС у польоті скороченням потрібного часу . Досліджено можливі способи скорочення потрібного часу на прикладі поздовжнього руху літака в штурвальному режимі керування в умовах виникнення типової ОС у польоті та оцінено наявний час і його характеристики. Для цього прийнято ряд допущень: політ виконується з постійними початковими швидкістю V0, кутами тангажа і атаки, у якості збурення обраний помилковий вертикальний маневр. Для вирішення цього завдання розроблено структурну схему можливого варіанта штурвального режиму керування системою “літак - екіпаж - середовище” в ОС у польоті

Із внутрішнього контуру керування кутом тангажа визначено зображення кута атаки, що змінюється під впливом збурювального вертикального маневру:

На підставі цього рівняння та з урахуванням того, що отримано вираз для кутової швидкості тангажа:

Із зовнішнього контуру визначено зображення для нормального перевантаження, що змінюється під впливом збурювального вертикального маневру:

Отримані математичні моделі дозволяють досліджувати динаміку поведінки системи “літак - екіпаж - середовище” у типовий ОС у польоті.

Для моделювання процесу впливу на систему типу та характеру розвитку ОС у польоті використано програмний інструментарій SаmSim 1.1.3. Реакцію системи на вертикальний збурювальний маневр оцінювали спочатку без урахування втручання екіпажу, а потім з урахуванням його втручання з різними динамічними властивостями й у різні моменти часу. Аналіз результатів моделювання показує, що є деякий гранично пізній момент включення екіпажу в керування літаком, за якого кут атаки в процесі усунення наслідків виникнення ОС у польоті досягає, але ще не перевищує свого гранично - допустимого значення

Час від моменту прояву виникнення ОС до гранично пізнього моменту втручання екіпажу в керування літаком і буде становити час , що має у розпорядженні екіпаж, необхідний для парирування ОС, що виникла у польоті. Цей час відповідає гранично-допустимому періоду розвитку ситуації, що склалася. Очевидно, що чим менша величина, тим менше екіпаж має можливостей запобігти переходу із ситуації, що склалася в аварійну або катастрофічну.

Для визначення характеристик часу, що має у розпорядженні екіпаж під час виникнення типової ОС досліджено ізольований поздовжній рух літака в припущенні абсолютно жорсткої конструкції, а також що і, а як визначальний узагальнений параметр взято перевантаження, обмежене щодо звалювання (), перевищення якого призводить до зриву потоку із крила і до звалювання літака.

Інтегрування рівняння за початкових умов , , 1 дає змогу оцінити відносне збільшення перевантаження ny в умовах виникнення ОС у польоті:

де; - відносне збільшення перевантаження, викликане впливом на літак ОС; - відносний час розвитку ОС .

Залежність за різних відносних коефіцієнтів демпфірування досліджено за допомогою програмного інструменту побудови графіків 3D Grapher.

Частину отриманих результатів моделювання подано у вигляді графіків, з яких можна визначити час розвитку типової ОС без урахування втручання екіпажу в керування літаком. Відносне збільшення перевантаження після втручання пілота в керування (якщо ) за початкових умов, , визначено з виразів

Час, що має у розпорядженні екіпаж, визначили за умови, що при екстремальне значення перевантаження досягне, але не перевищуватиме з подальшим розвитком ОС граничного значення (у розглядуваному випадку).

Аналіз залежностей показує, що відносна величина екстремального перевантаження залежить від відносного моменту втручання і відносного коефіцієнта демпфірування.

За визначеними залежностями екстремальних відносних перевантажень за умови, що, отримано значення відносного часу звідки.

Отже, на підставі отриманих результатів моделювання, а також аналітичного методу дослідження зроблено висновки про те, що час, який має у своєму розпорядженні екіпаж, - величина випадкова й залежить від часу втручання екіпажу в процес керування для парирування розвитку ОС у польоті та динамічних характеристик літака, який можна подати у вигляді суми двох складових:

де - час втручання екіпажу в процес керування;, де j =1,2; - час, що витрачається на передачу керувальної дії від командних важелів до відповідних органів керування; - час реакції літака. За припущення, що і, час потрібний екіпажу на усунення розвитку типової ОС буде визначатися як час втручання екіпажу в процес керування літаком.

Для дослідження можливих способів скорочення часу, необхідного екіпажу на усунення або стабілізацію типової ОС, у дисертаційній роботі розроблено узагальнений алгоритм його дій і сформульовано основні етапи керування польотом які дозволили визначити складові часу, необхідного екіпажу для вироблення керувальних дій з метою усунення розвитку типової ОС у польоті.

На підставі аналізу кількісних і якісних характеристик етапів діяльності екіпажу зроблено висновки про те, що час, потрібний екіпажу для запобігання або стабілізації розвитку виниклої ситуації в польоті буде залежати від індивідуальних властивостей людини - пілота, його рівня підготовки, досвіду й тренованості.

Для дослідження впливу індивідуальних властивостей пілота на час, потрібний йому для усунення розвитку типової ОС у польоті розроблено структуру індивідуальності особистості пілота та на її основі структуру психологічного портрета особистості пілота

Таким чином, розроблені структури індивідуальних властивостей особистості та психологічного портрета особистості пілота дозволяють виявити його динамічні і психофізіологічні характеристики, які можуть несприятливо позначитися у випадку виникнення і розвитку ОС в польоті. Крім того, результати аналізу особистісних характеристик льотного складу, дозволяють організовувати цільовий відбір абітурієнтів в льотні навчальні заклади і потім цілеспрямовано виробляти або коригувати необхідні професійні якості.

У четвертому розділі розроблено модель послідовності вироблення рішення екіпажем і його реалізації для оцінювання можливості скорочення часу, потрібного екіпажу для виконання послідовних етапів дій, спрямованих на стабілізацію ОС у польоті

На підставі моделі було досліджено реакцію системи “літак - екіпаж - середовище” в умовах виникнення та розвитку типової ситуації на дії пілота з різними динамічними та психофізіологічними характеристиками. Першими були досліджені динамічні характеристики пілота, що відображають його здатність сприймати інформацію, а в якості показника використано латентний період простої сенсомоторної реакції пілота

Аналіз результатів моделювання показує, що збільшення запізнення в сприйнятті інформації екіпажем з 0,25 до 0,9 с спричинює збільшення кута атаки на 1є , що для даної типової ситуації неприпустимо.

Здатність до розподілу уваги - досить стійка якість суб'єкта, що випливає з особливостей його нервової системи й, зокрема з її рухливості й лабільності. Тому показники сприйняття інформації можна розцінювати як похідну характеристику темпераменту пілота з огляду на високі діагностуючі якості цього показника виділити час сприйняття як самостійний параметр професійного відбору.

Наступні два етапи обробки інформації й ухвалення рішення нерозривно зв'язані між собою, тому їх досліджували в комплексі взаємодії між собою. Як динамічну характеристику етапу обробки інформації використовували постійну часу попередження , що характеризує здатність екстраполювати розвиток ситуації, що склалася у польоті, а як динамічну характеристику етапу прийняття рішення - постійну часу , що характеризує інерційність пілота при обробці інформації й прийнятті ним рішення.

Аналіз отриманих результатів моделювання дозволяє зробити висновок, що для стабілізації розвитку типової ОС пілот повинен володіти здібністю компенсувати запізнення в прийнятті рішення за рахунок здатності екстраполювати розвиток ситуації, тобто =.

Оскільки ці властивості є придбаними властивостями особистості, то забезпечення наведеної рівності можливе цілеспрямованим тренуванням відповідних здібностей пілота.

Для дослідження рушійної реакції пілота як динамічну характеристику використовували постійну часу , а також коефіцієнт посилення пілота k, які характеризують його сенсомоторну координацію

З аналізу результатів моделювання випливає, що сенсомоторна координація є вкрай важливою динамічною характеристикою пілота в умовах запобігання виникнення та розвитку типової ОС у польоті. Загальний рівень сенсомоторной координації суб'єкта обумовлений як його перцептивними, так і психомоторними якостями. Оскільки і ті, й ті якості в психології належать до категорії вроджених, то необхідного і стійкого рівня психомоторної координації пілота можна досягти цільовим відбором абітурієнтів під час вступу в льотні навчальні заклади, а мінімізацію часу його рухової реакції - відпрацьовуванням відповідних дій у типових ОС у польоті.

На підставі отриманих результатів моделювання були визначені показники професійно важливих якостей членів екіпажу, яких не можна набути тренуванням чи компенсувати, і ті показники та недоліки, яких можна позбутися в процесі навчання або компенсувати за рахунок використання чи розвитку інших індивідуальних якостей. З урахуванням цих якостей запропоновано три стадії скорочення часу, необхідного пілотові на усунення розвитку особливої ситуації в польоті: на стадії первинної льотної підготовки - при відборі абітурієнтів у льотні навчальні заклади оцінювати час сприйняття ними інформації, запізнювання при її обробці й прийнятті рішень як самостійний тестовий параметр відбору; на стадії професійної підготовки-відпрацьовування пілотами на тренажерах навичок дій у типових ОС спрямованих на скорочення часу на прийняття рішення; на стадії підвищення кваліфікації льотного складу-відпрацьовування навичок дій в умовах розвитку аварійної ситуації в польоті й переходу її в катастрофічну з використанням запропонованих рекомендацій виведених на багатофункціональний індикатор щодо дій в умовах, що склалися у польоті.

З метою запобігання несвоєчасним та неправильним діям (втрати живучості) у роботі досліджено можливість щодо скорочення потрібного екіпажу часу за допомогою положень теорії нечітких множин (нечіткого регулятора в трьох режимах його роботи). Із цією метою було розроблено структурну схему штурвального режиму керування для поздовжнього каналу з нечітким регулятором

Алгоритм роботи нечіткого регулятора (НР). Поточне значення похідної кута тангажа порівнюється з її заданим значенням, неузгодженість надходить у блок фазифікації для перетворення її поточного значення в її лінгвістичне значення. Нечітка величина надходять у головний елемент нечіткого регулятора - базу знань. Базу знань НР пропонується формувати на основі алгоритму у вигляді “якщо..., то..., інакше - погіршення розвитку ОС”. Кожне керувальне правило (КП) являє собою фрагмент знань і має вигляд “умова-дія”.

Блок дефазифікації здійснює перетворення лінгвістичних значень , , у їх чіткі числові значення ., , . Знайдене чітке значення керувального впливу, яке залежно від режиму роботи НР (рис.13), буде надходити на:

- аналізатор (для випадку, коли рішення і дії екіпажа збігаються з рішенням НР);

- кермові поверхні літака (для випадку роботи НР у режимі коректора);

- багатофункціональний індикатор (БФІ) у вигляді рекомендаційної інформації екіпажу (у випадку роботи НР у режимі формувача підказки).

Для формалізації лінгвістичних правил керування пропонується описати вище зазначені причинно - наслідкові зв'язки природною мовою із застосуванням теорії нечітких множин і лінгвістичних змінних та з урахуванням позитивного попереднього досвіду дій інших екіпажів в аналогічних ситуаціях, отриманих у результаті застосування когнітивного моделювання.

Завдання полягає у тому, щоб для вектора фіксованих значень вхідних змінних заданої системи “літак - екіпаж - середовище” визначити необхідний керуючий вплив, тобто чітке значення регульованої величини, що подається на кермові органи літака або на БФІ. Для оцінки лінгвістичних змінних, і використовувались нечіткі множини: - нечітка множина змінної,; - нечітка множина змінної .

Встановлює зв'язок між вхідними параметрами, які характеризують позаштатну ситуацію, що склалася, і необхідним для запобігання розвитку ОС керувальним впливом , формалізовано у вигляді системи нечітких логічних висловлень, які ґрунтуються на матриці знань, фрагмент якої наведено в таблиці.

Матриця знань

Номер вхідної комбінації значень	Вхідні змінні	Вихідна змінна
			……
11
12
…	…	…	…	…
1

Наявні експертні дані, подані у вигляді матриці знань, установлюють зв'язок між набором вхідних параметрів, що характеризують поточний стан системи “літак-екіпаж-середовище” в ОС , і відповідним набором станів системи необхідних керувальних впливів у вигляді логічних висловлень типу “Якщо (склалася ситуація), то (для запобігання її розвитку необхідний певний керувальний вплив), інакше - погіршення розвитку ОС”:

Розроблені матриці знань дозволяють формалізувати польотну інформацію з урахуванням поточного розвитку ОС у вигляді нечітких логічних висловлень, що зв'язують лінгвістичні змінні та вихідний керувальний вплив, характер якого буде визначатися режимом роботи НР. Так, у режимі роботи формувача підказки НР буде видавати керувальний вплив у вигляді рекомендацій екіпажу на БФІ

У режимі роботи коректора, у випадку несвоєчасних та неенергійних дій екіпажу, НР виробляє керуючий вплив, який буде надходити у вигляді добавок до відповідних відхилень кермових поверхонь. Частина результатів моделювання реакції системи “літак - екіпаж - середовище” в ОС при несвоєчасному й неенергійному втручанні екіпажа в керування для двох випадків: без урахування втручання нечіткого регулятора в керування літаком та з урахуванням роботи НР у режимі корекції керування

З аналізу результатів моделювання можна зробити висновки про те, що застосування НР у режимі корегування керувальних впливів дозволить компенсувати несвоєчасні й неенергійні дії екіпажа, що дозволить скоротити час, потрібний йому для усунення розвитку типової ОС на 5 с.

Таким чином, на підставі зіставлення часу розвитку обраної типової ситуації з результатами моделювання можна зробити висновок про те, що застосування НР може дозволити скоротити час, потрібний екіпажу для усунення або стабілізації розвитку ОС, що в цілому дозволить запобігти переходу ситуації з аварійної в катастрофічну і тим самим зберегти живучість системи “літак - екіпаж - середовище” в ОС у польоті.

ОСНОВНІ ВИСНОВКИ ТА РЕЗУЛЬТАТИ

У дисертаційній роботі запропоновано нове вирішення науково-технічного завдання збереження живучості системи “літак - екіпаж - середовище” в ОС в польоті. Доведено, що одним з найбільш ефективних шляхів збереження живучості в умовах розвитку ОС є скорочення часу, потрібного екіпажу для парирування подальшого розвитку ситуації, або недопущення переростання її в катастрофічну.

У процесі дослідження отримано такі нові результати:

1. Обґрунтовано методологію збереження живучості системи “літак - екіпаж - середовище” в ОС у польоті і на її основі розроблено математичну модель, у якій враховано аеродинамічні характеристики літака, динамічні властивості та психофізіологічні особливості екіпажа, стан параметрів зовнішнього середовища, а також тип і характер розвитку ОС. Як показник динамічної живучості запропоновано ймовірність того, що час, потрібний на усунення розвитку ОС не перевищить часу що має у своєму розпорядженні на це екіпаж у даних умовах польоту.

2. Розроблено методику і алгоритм оцінювання часу, що має у своєму розпорядженні екіпаж для запобігання типової ОС у даних умовах польоту.

3. Розроблено методику й алгоритм визначення часу, потрібного екіпажу з даними динамічними та психофізіологічними характеристиками для усунення розвитку типової ОС у польоті, його складових та їх кількісних і якісних характеристик.

4. Розроблено структуру індивідуальності особистості пілота та на її основі структуру психологічного портрета особистості, що дозволяють враховувати вплив його індивідуальних особливостей на потрібний час.

5. За результатами моделювання дій екіпажу в типовій ОС обґрунтовано способи скорочення часу, необхідного екіпажу на запобігання розвитку ОС у польоті: на стадії первинної льотної підготовки - при відборі абітурієнтів у льотні навчальні заклади оцінювати час сприйняття ними інформації, запізнювання при її обробці й прийнятті рішень як самостійний тестовий параметр відбору; на стадії професійної підготовки-відпрацьовування пілотами на тренажерах навичок дій у типових ОС спрямованих на скорочення часу на прийняття рішення; на стадії підвищення кваліфікації льотного складу-відпрацьовування навичок дій в умовах розвитку аварійної ситуації в польоті й переходу її в катастрофічну з використанням запропонованих рекомендацій виведених на багатофункціональний індикатор щодо дій в умовах, що склалися у польоті.

6. Розроблено структуру й алгоритм функціонування нечіткого регулятора для трьох режимів його роботи (спостерігач, коректор і формувач підказки);

7. На основі нечіткої логіки і когнітивного моделювання розроблено алгоритм формування бази рекомендацій щодо дій екіпажу в умовах раптового виникнення ОС у польоті. Оцінено можливість скорочення часу, необхідного екіпажу на запобігання розвитку і переходу типової ОС у катастрофічну з використанням НР у режимі коректора.

8. Теоретичні результати, отримані в дисертаційній роботі використовуються в АНТК ім. О.К Антонова при розробці проектної документації формування бази даних по рекомендаціях екіпажу для парирування позаштатних ситуацій у польоті, а також у НАУ в навчальному процесі підготовки фахівців і аспірантів.

СПИСОК ОПУБЛІКОВАНИХ ПРАЦЬ ЗА ТЕМОЮ ДИСЕРТАЦІЇ

1. Тачиніна О.М., Шевчук Д.О., Казак В.М. та ін. Порівняльний аналіз методів кількісного визначення властивостей живучості динамічних систем // Вісн. Півн. наук. центру ТАУ. - 2003. - №6. - С.71-74.

2. Тачиніна О. М. Казак В. М Аналіз характеристик пілота як динамічної ланки системи “літак-пілот-середовище” в особливій ситуації в польоті //Вісн. Східноукр. нац. ун-ту ім. В.Даля.-2006.-Вип.1.-С. 83-86.

3. Тачиніна О.М. Попов П.В. Обґрунтування поняття відмови аеродромного світлосигнального комплексу //Вісн. Півн. наук. центру ТАУ.-2006.-Вип.9.-С.134-136.

4. Тачиніна О.М. Казак В.М. Математична модель системи “літак -пілот-середовище” в умовах розвитку особливої ситуації у польоті.// Зб. наук праць “Проблеми інформатизації та управління”. -К.: НАУ.- 2006.-Вип. 3 (18). - С.165-169.

5. Тачинина Е.Н. Оценка социально-психологических факторов оператора как звена эргатической системы // Матеріали міжнар. наук. техн. конф. МНТК “Авіа-2003”. -К.: НАУ.- 2003.- Т.II.-С. 159-162.

6. Тачинина Е.Н., Шевчук Д.О., Акмалдинов Е.Ф. Оценка возможности применения нечеткого регулятора для восстановления живучести воздушного судна и его управляемости // Матеріали 11-ї міжнар. конф. з автоматичного управління “Автоматика - 2004”. - К.: НАУ. - 2004. - Т.4. - С.27.

7. Tachinina E., . KazakV. Effect assessment of human element for operators activities under extreme conditions // Міжнародна конференція “TCSET2004” - Л.: Львів. політехніка.- 2004. -Р.378-381.

8. Тачиніна О.М. Роль рекомендательной информации при управлении воздушным судном в нештатной ситуации. // Міжнар. наук.- техн. конф. “Авіоніка - 2004” (Киев, 2004): Тезисы докл.-К.: НАУ.- 2004.-С.42-44.

9. Тачинина О.М. Человек в системе управления. //Міжнар. наук.-техн. конф. “Промислова гідравлика і пневматика” (Київ, 2004): Тези доп.- К.: НАУ.- 2004. С.12

10. Тачинина Е.Н. Казак В.Н. Анализ влияния запаздывания в принятии решения экипажем на развитие особой ситуации в полете// Міжнар. наук. конф. “ISDMIT2005”.- Херсон: Видавн. Херсон. морськ. ін.-ту.- 2005.-Т.II.-С.20-

11. Тачиніна О.М. Оптимізація показників функціональної ефективності діяльності екіпажу в особливій ситуації в польоті // VI Міжнар. наук. конф. студ. та молодих вчених “Політ 2006” (Київ, 2004): Тези доп.-К.: НАУ.- 2006.-С.182.

12. Тачинина Е.Н. Казак В.Н. Анализ живучести системы “самолет-экипаж-среда” в особой ситуации в полете // Матеріали міжнар. наук. техн. конф. МНТК “Авіа-2007”. -К.: НАУ.- 2007.- Т.II.-С. 34.69-34.72.

13. Тачинина Е.Н. Казак В.Н. Оценка возможности сокращения времени требуемого экипажу для предотвращения особой ситуации в полете путем применения нечеткого регулятора. // Міжнар. наук. конф. “ISDMIT2007”. - Херсон: Видавн. Херсон. морськ. ін.-ту.- 2007.-Т.II.-С.64-68.

АНОТАЦІЯ

Тачиніна О. М. Методика збереження живучості систем “літак - екіпаж - середовище” в польоті. - Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.13.03 - системи та процеси керування. - Національний авіаційний університет, Киів, 2006.

Дисертацію присвячено питанням збереження живучості систем “літак - екіпаж - середовище” в умовах розвитку особливої ситуації польоті за рахунок скорочення часу, потрібного екіпажу для усунення подальшого розвитку ОС, або недопущення переростання її в катастрофічну.

У роботі наведено аналіз особливостей виникнення і розвитку ОС у польоті, який показав, що позаштатні ситуації, які завершилися аваріями або катастрофами, могли б мати менш тяжкі наслідки за умови своєчасних і правильних керувальних дій екіпажу, спрямованих на їх усунення. Здійснено пошук шляхів скорочення часу, потрібного екіпажу на усунення розвитку або запобігання переходу ОС у катастрофічну.

Розроблено математичну модель, в описі якої враховуються аеродинамічні властивості літака, динамічні характеристики та психофізіологічні особливості екіпажу і навколишнього середовища, а також характер розвитку особливої ситуації, що взаємозалежні між собою і здійснюють вплив на час, який має екіпаж у своєму розпорядженні для усунення або стабілізації розвитку ОС у польоті;

Розроблено модель послідовності вироблення рішення екіпажем і його реалізації для усунення ОС в польоті, на основі якої досліджено реакцію системи “літак - екіпаж - середовище” в умовах розвитку типової ситуації на дії пілота з різними динамічними характеристиками, а також обґрунтовано способи скорочення часу, необхідного екіпажу на усунення розвитку ситуації, що склалася.

Досліджено можливість скорочення часу, потрібного екіпажу для усунення розвитку або запобігання переходу типової ОС у катастрофічну з використанням нечіткого регулятора в трьох режимах його роботи. Розроблено структурну схему штурвального режиму керування для поздовжнього каналу з нечітким регулятором.

Розроблено структуру і алгоритм функціонування нечіткого регулятора для трьох режимів його роботи (спостерігач, коректор і формувач підказки).

Розроблено алгоритм формування і видачі рекомендацій щодо дій екіпажу в умовах виникнення особливої ситуації в польоті, а також алгоритм створення бази знань із застосуванням когнітивного моделювання.

Ключові слова: особлива ситуація у польоті, час потрібний екіпажу, час, який є у розпорядженні екіпажу, нечіткий регулятор спостерігач, коректор, формувач підказки.

АННОТАЦИЯ

Тачинина О.М. Методика сохранения живучести системы “самолет - экипаж - среда” в полете.- Рукопись.

Диссертация на получение научной степени кандидата технических наук за специальностью 05.13.03 - системы и процессы управления. - Национальный авиационный университет, Киев, 2006 .

Диссертация посвящена вопросам сохранения живучести системы “самолет-экипаж- среда” в условиях развития особой ситуации в полете путем сокращения времени, требуемого экипажу для стабилизации развития ситуации или предотвращения перехода ее в катастрофическую. Разработана математическая модель системы “самолет-экипаж- среда”, в описании которой учитываются аэродинамические свойства самолета, динамические характеристики экипажа и окружающей среды, а также характер развития особой ситуации, взаимозависимые между собой и осуществляющие влияние на время, располагаемое экипажем для предотвращения или стабилизации развития ОС в полете.

Разработана методика сокращения времени, требуемого экипажу на стабилизацию развития или предотвращение перехода типовой ОС в катастрофическую. Разработан алгоритм формирования базы знаний и правило выдачи рекомендаций относительно действий экипажа в условиях возникновения и развития ОС в полете.

Ключевые слова: особая ситуация в полете, требуемое время, располагаемое время, нечеткий регулятор, наблюдатель, корректор, формирователь подсказки.

ABSTRACT

O. Tachinina. Technique of survivability preservation of Aircraft-Flight Crew-Environment system in flight. Manuscript.

The thesis for reception of scientific degree of engineering sciences candidate (PhD) under 05.13.03 speciality - Control Systems and Processes. National Aviation University, Kiev, 2006.

The thesis is dedicated to problems of survivability preservation of Aircraft - Flight Crew - Environment system under abnormal situation in flight, search of effective ways of controllability restoration of system due to reduction of time necessary crew for countering further development of situation or exclusion of it development in catastrophic situation. The mathematical model of Aircraft - Flight Crew - Environment system is developed. The description of this model takes into account aircraft aerodynamics, dynamic behavior of flight crew and environment as well as behavior of abnormal situation development which are cooperate one with the other and have an influence on flight crew available time for prevention or stabilization of development abnormal situation in flight. The reduction technique of crew available time for stabilization or prevention of typical abnormal situation transition to catastrophic is developed. In addition the algorithm of knowledge base forming and the rule for recommendations output about flight crew actions under appearance and development of abnormal situation in flight are developed.

Key words: abnormal situation in flight, required time, available time, fuzzy controller, observer, corrector, prompt former.

Размещено на Allbest.ru

...