ФОРМАЛИЗОВАННОЕ ОПИСАНИЕ ОБЪЕКТОВ СИСТЕМЫ УПРАВЛЕНИЯ БЕЗОПАСНОСТЬЮ ПОЛЕТОВ

1.2.1. Объект управления

Модели объекта управления. Объектом управления в рассматри­ваемой системе является летная деятельность авиапредприятия, а уп­равляемой координатой — уровень БП. В качестве типового авиапред­приятия рассмотрим объединенный авиаотряд (ОАО), который пред­ставляет собой большую авиационную ‘ эргатическую систему (АЭС). Моделью большой системы может служить дерево. На рис. 2 представ­лено дерево ОАО, которое включает три функциональных комплекса (1-й уровень детализации). Каждый комплекс состоит из двух систем: организационной (ОС) и технической (ТС) (2-й уровень). На 3-м уров­не осуществляется детализация этих систем на множества подсистем,

Рис. 2. Модель-дерево ОАО: 1, 2, 3 — уровни; ЛТК — летно-технический комплекс; АТК — аэродромно — технический комплекс; КУВД — комплекс управления воздушным движе­нием; ЛТС — летно-технический состав; АТ — авиационная техника; ОП — обслуживающий персонал; АТС — аэродромно-технические средства; РД — руководители полетов, диспетчеры; ТСУВД — технические средства УВД; ТС — технические системы; ОС — организационные системы

групп, блоков, которые обозначены ОС-1.1, ОС-1.2, . . .; ТС-1.1, ТС-1.2,.. . .

При анализе и исследовании БП представляет интерес детальное рассмотрение отдельных аспектов деятельности авиапредприятий. В этих целях можно представить в виде дерева ОАО как авиационную транспортную систему (АТС). Такое дерево изображено на рис. 3, при этом детализированы те системы и элементы, которые оказывают более существенное влияние на БП. Такими системами в данной модели явля­ются УВД и Э-ВС-Д. Элементы детализируются до 4-го уровня.

Вопрос декомпозиции ВС на функциональные комплексы, системы, группы или блоки является специальной задачей, которая решается в зависимости от целей оценки, анализа или исследований БП. При этом должны учитываться требования достоверности оценок, кото­рая определяется полнотой исходных данных.

Важное значение при оценке и анализе БП имеет унификация при­меняемых алгоритмов. В этих целях необходимо произвести декомпо­зицию объектов (ОАО) на типовые классы, для каждого из которых должны использоваться единые алгоритмы оценки и анализа БП. Один из возможных вариантов декомпозиции основан на концепции о том, что все множество факторов, определяющих БП, можно объединить

Рис. 3. Модель-дерево АТС: 1, 2, 3, 4 — уровни; СОЛР — система организации летной работы; СОП — сис­ тема организации полетов; Э-ВС-Д — система экипаж-воздушное судно—дис­петчер; СПИКЭ — система перевозок и коммерческой эксплуатации; ША — штурманское и аэронавигационное обеспечение; МЕТ — метеообеспечение; ИА — инженерно-авиационное обеспечение; А — аэродромное обеспечение; СВТ — светотехническое обеспечение; РТ — радиотехническое обеспечение, МЕД — медицинское обеспечение; Э-ВС — система экипаж-воздушное судно; УВД — система управления воздушным движением; Э — экипаж; ВС — воздуш­ное судно; Д — диспетчер; ТС — технические средства; К — командир; 2П — второй пилот; Ш — штурман; ФК — функциональный комплекс

в два класса: 1) надежность авиационных эргатических систем; 2) эффективность специальных технических или организационных бло­ков, предназначенных для предотвращения аварийных ситуаций в полете — средств обеспечения безопасности полетов (СОБ) .

В этом случае ОАО можно представить (рис. 4) как большую АЭС и условно выделенный комплекс СОБ, объединенный в систему обеспе­чения БП (СБП) или систему предотвращения аварийных ситуаций (СПАС) (1-й уровень детализации). 2-й уровень детализации содер­жит АЭС1, АЭС2, . . . , на которые разделена большая АЭС и СОБІ, С0Б2, . . ., которые выделены из общего комплекса СОБ (СБП, СПАС), обеспечивающего большую АЭС, в соответствии с принятой класси­фикацией.

Декомпозицию ОАО как большой АЭС на функциональные АЭС можно осуществить одним из изложенных выше методов (см. рис. 2 и 3) в зависимости от постановки задачи исследований БП.

Рис. 4. Декомпозиция авиапред­приятия (ОАО) на АЭС и СПАС: 1,2— уровни; АЭС — авиацион­ная эргатическая система; СПАС — система предотвращения аварийных ситуаций; СОБ — средства обеспе­чения БП

Система обеспечения БП. Вторая концепция предполагает объеди­нение всего множества факторов, определяющих БП, в два класса: надежность АЭС и эффективность СОБ.

В системах объекта управления можно выделить такие элементы, которые предназначены для предотвращения аварийных ситуаций при от­казах технических устройств или отклонениях от требований руководя­щих документов специалистами авиапредприятия, а также при действии на эти системы внешних возмущений. Такие элементы будем называть средствами обеспечения безопасности полетов. Ош вступают в работу только при возникновении опасности появления аварийной ситуации. В качестве СОБ может выступать человек-оператор (пилот, диспетчер и т. д.), действующий в особых случаях полета по специальной инст­рукции, или техническое устройство, которое включается в работу в случае появления необходимости предотвращения авиационного проис­шествия или предпосылки к нему.

Комплекс СОБ, примененных в системах объекта управления, составляет систему обеспечения безопасности полетов или систему предотвращения аварийных ситуаций в полете.

Структура СОБ в общем случае состоит из следующих элементов (рис. 5);

чувствительного элемента (ЧЭ), который контролирует изменения параметров £, выбранных для определения аварийной ситуации;

преобразователя (П), изменяющего контролируемый параметр в сигнал, который обеспечивает срабатывание исполнительного эле­мента (ИЭ). Сигнал на выходе преобразователя tj назовем контроль­ным, ИЭ обладает порогом срабатывания т;п и задержкой времени т. Она срабатывает при т? [Дг > (0, т )] >Рт? п_„. управляющего ор — гана (УО), осуществляющего предотвращение аварийной ситуации в соответствии с заданным алгоритмом его работы.

Первые три элемента составляют систему (устройство) контро­ля (УК).

Все СОБ можно классифицировать по принципу работы системы контроля и по алгоритму работы управляющего органа (рис. 6) В зави­симости от принципа работы УК или метода формирования контрольно­го сигнала все СОБ делятся на пороговые, аналоговые и тестовые. Поро­говые СОБ непрерывно или дискретно контролируют изменение харак­терных с точки зрения безопасности полета параметров в = Л. Формирование контрольного сигнала может осуществляться по отдель­ным каналам для каждого контролируемого параметра — монопара — метрические СОБ, при этом ц = со. Д 0. . Величина т? пред в этом случае однозначно определяется значением Д в. пред-

Контрольный сигнал может представлять собой взвешенную сумму

параметров т? = f со. Д в. — полипараметрические СОБ. Исполнитель — i =1 ‘ [1]

ный элемент в этом случае имеет несколько двоичных входов и один двоичный выход. Каждый входной, сигнал характеризуется весом ы. , при этом

Очевидно, что логическая сумма принимает значение 0, когда однов­ременно все члены принимают значение 0. Как только один из членов примет значение 1, сумма становится равной 1.

Аналоговые СОБ работают на принципе сравнения параметров реальных систем с параметрами их аналогов. Контрольный сигнал фор­мируется в сравнивающем устройстве (компараторе) и представляет собой разность сравниваемых сигналов, т. е.

V (Р) — ЛГ, Wl (Р) (Р) +к2 W2 (Р) %2 (Р),

где W (Р) и W (F) — операторы, преобразующие сравниваемые сиг­налы. 1 2

Возможно непрерывное или дискретное сравнение сигналов одинако­вых систем, а также реальных систем с их аналогами или неодинаковых систем с предварительными преобразованиями сравниваемых сигналов. При этом может осуществляться сравнение мгновенных значений сиг­налов во всем диапазоне их изменения, в ограниченной области и толь­ко знаков сигналов.

Аналоговые СОБ успешно могут применяться в схемах резервиро­вания. Одной из важных задач, решаемых СОБ в этом случае, является автоматическое распознавание отказавшей системы и своевременное прекращение ее работы (отключение).

Тестовые СОБ работают на принципе использования в УК пробных сигналов (тестов), вырабатываемых специальным генератором. Воз­можно также использование в качестве тестов некоторых параметров систем. Контрольный сигнал в этом случае пропорционален сумме тес­та и полезного сигнала. ИЭ срабатывает при несоответствии контрольно­го сигнала какому-либо признаку.

По алгоритму работы управляющего органа СОБ можно разделить на следующие виды:

осуществляющие замещение отказавшей системы или элемента исправным, равноценным по качеству работы резервом (замещение понимается в широком смысле: сюда относятся и те случаи, когда тех­ническое устройство замещается оператором и наоборот. Замещение может производиться как вручную, так и автоматически);

осуществляющие ограничение управляющих сигналов до величи­ны, при которой характерные с точки зрения БП параметры не превы­шают допустимых значений (характерными параметрами таких СОБ являются ограничители предельных режимов (ОПР) в системах управ­ления полетом или предупреждения в инструкциях летному составу);

осуществляющие управление в аварийной ситуации (оно вклю­чается временно для ликвидации аварийной ситуации в полете, имеет отличный от основной системы закон управления и может работать как автономно, так и параллельно с основной системой).

Средствам обеспечения безопасности присущи ошибки первого и второго родов. Ошибками первого рода являются ложные сраба­тывания — это срабатывания ИЭ СОБ при исправной системе. Ошибки второго рода — это несрабатывания ИЭ СОБ при отказах системы. Такие события будем условно считать отказами СОБ, поскольку возможны случаи, когда СОБ нечувствителен к отказам, при которых т) [ Д t > >(0,г3)] >V ■

Управляемые факторы и координаты БП. В соответствии с приня­той моделью летной деятельности ОАО как объекта управления (см. рис. 4) все множество факторов, определяющих уровень безопасности полетов, можно обобщить в два класса — это надежность работы АЭС УО и эффективность функционирования СБП по предотвращению ава­рийных ситуаций. Управление уровнем БП может осуществляться путем воздействия на эти факторы.

Характеристики надежности элементов АЭС могут определяться известными в теории надежности методами по информации об отка­зах технических устройств и отклонениях действий человека-операто — ра от требований руководящих документов. Их можно рассматривать как управляемые координаты при повышении надежности ОУ.

При разработке мероприятий (управляющих воздействий), направ­ленных на повышение надежности авиационной техники, отказы в за­висимости от причин делятся на конструктивно-производственные и эксплуатационные. Если первыми занимаются в основном организации промышленности и предприятия ГА, то вторые исследуются непосред­ственно специалистами научных центров и эксплуатационных органи­заций ГА.

Отклонения действий операторов можно классифицировать на ошибки, нарушения и потерю работоспособности. Мероприятия (управ­ляющие воздействия) разрабатываются соответственно в направлениях обучения, воспитания и медицинского обслуживания, которые входят в сферу деятельности соответствующих учреждений ГА.

Эффективность СБГ1 определяется ее структурой и параметрами отдельных СОБ. Эти категории можно рассматривать как управляе­мые координаты при повышении эффективности СБП.

Таким образом, повышение уровня безопасности полетов можно осуществлять двумя путями: увеличением надежности работы подсис­тем и элементов ОУ и повышением эффективности СБП. В соответствии с этим в МАСУ ’’Безопасность” должно быть два контура управления: контур управления надежностью АЭС и контур управления эффектив­ностью СБП.

Математическая модель авиапрёдприятия как объекта управления безопасностью полетов. Летная деятельность авиапредприятия (ОАО) как объект управления S є Мj, в системе управления факторами БП, представляющей большую АЭС, является динамическим объектом (системой), входы и выходы которого описываются соответственно векторными функциями u(t) и со (?). Входом (управлением) являют­ся мероприятия по повышению БП, вводимые управляющим органом в момент времени t и действующие на интервале времени [?0, ?] . Сле­довательно, и представляет собой множество:

И[, ,] = [(‘.И (О) |-°о<* <°°} •

Выходом являются значения уровня БП (со), полученные в ре­зультате обработки в М2 исходных данных d, по каждому фактору на том же интервале времени. t 1

Следовательно, на входе М2 d f j = j(?, d (f)) |— 00 < f < 00 ?,

а на выходе M2 со fj = | (t, со (Г)) | — °° < ? < °° При этом об­разуются упорядоченные пары (и, со): вход — мероприятие, выход — уровень БП.

Мероприятия реализуются по направлениям, которые обычно иден­тифицируют в соответствии с организационной структурой авиапред­приятий. При исследованиях удобно использовать докомпозицию ОАО на АЭС и комплексы СОБ и каждое мероприятие относить к соответст­вующим АЭС или СОБ. Следовательно, объект S можно охарактеризо­вать множеством Е пар вход — выход так, что (и, со) є Е составляют пространство входов и и соответственно пространство выходов W. Тогда модель летной деятельности авиапредприятия как динамического объекта управления определяется следующей тройкой:

S=(u, W,E), (1.5)

где Е — отношение, определяющее зависимость выхода от входа и Е со ■*= => (и, со) ЄЕ; ЕС UxW.

На практике между входом и выходом нет строгой однозначности, так как мероприятие, предназначенное для одного фактора, часто ока­зывает влияние и на другие. Однако этим можно пренебречь, посколь­ку такое взаимное влияние не мешает, а способствует достижению це­ли управления, т. е. при одном входе в и eU возможно несколь­ко выходов из М2 cjj, оо2,. . є W, причем (и, cjj) є Е, (и, со2) е Е,. . . . Множество Е в данном случае определено не как функция или опера­тор, а как бинарное отношение. Оно служит для комплексного опи­сания отдельных частей системы, которые поддаются описанию функ­циональными зависимостями или операторами.

Управления (мероприятия), вводимые в действие управляющим органом, реализуют на интервале времени [rQ, t] стратегию или осу­ществляют распределение ресурсов U ^ f j е R (U). В соответствии

с принятой декомпозицией факторов БП будем рассматривать управ­ления надежностью 1-й АЭС Uja и эффективностью і-го СОБ Uj(,. Выхо­дом является уровень БП как одна из оценок летной деятельности авиапредприятия. Уровень БП однозначно определяется управ­

ляющими координатами, характеризующими состояния и последст­вия возможных состояний АЭС и СОБ.

Обозначим параметры (характеристики^ ^возможных состояний АЭС, СОБ и их последствий соответственно х, у, Qxy Тогда

^ У’ ®ху)’

Если параметры состояний и поаіедствий возможных состояний АЭС и СОБ связать формальными или неформальными операторами с U и U, то получим следующую модель летной деятельности ОАО как объекта управления факторами БП:

х(0 Fx (х°, t, Ua, Vа [ro>f]):

Fy(yt, Uc[totVVc[tott]y, (1.6)

Qxy ^ =F(2^°’f> Ua[t0,t]’Uc [t0,t]’Va [t 0,t]’Vc[t

гдеx® = x (fQ); y° = y(tQ); £?° = Q0q) — начальные значения состояний и пос­ледствий состояний АЭС и СОБ соответственно; V и Vс — внешние воздействия на АЭС и СОБ.

Оценка надежности авиационных эргатических систем. При статистических анализах и исследованиях БП исходными данными являются такие состояния АЭС, в которых они не могут выполнять свои функции, или их рабочие характе­ристики и параметры выходят за установленные пределы. Следовательно, все опре­деления, которые установлены госстандартами для технических систем, можно распространить на АЭС в целом. Статистические данные собирают отдельно по отказам и неисправностям элементов авиационной техники (АТ) и по недостат­кам работы членов экипажей в полете — летного состава (ЛС). Однако к чело­веку или коллективу людей аппарат теории надежности нельзы применять без специальных оговорок и некоторых ограничений, Действительно, человек в от­личие от технической системы может выполнять ряд функций с высоким ка­чеством даже тогда, когда его состояние здоровья имеет отклонения от нор­мального.

В технике различают внезапные и постепенные отказы. Постепенные отка­зы появляются в результате развития дефектов, причинами которых могут быть конструктивные, технологические и эксплуатационные факторы. В работе [4] проводится аналогия между отказами техники и живых организмов. Отказы организма также можно разделить на внезапные и постепенные. Если внезапные отказы немедленно выводят человека из строя, то постепенные появляются в ре-
зультатс развития дефектов организма, которые, как и в технике, могут быть конструктивными — недостатки, передаваемые по наследству, технологическими — недостатки повседневной жизни человека, Этот подход может успешно применять­ся при статистической обработке данных об отказах АЭС, возникающих вследствие заболеваний человека.

Такие события, как ошибочные действия, нарушения преднамеренные или по недисциплинированности требований руководящих документов и временная потеря работоспособности иногда называют отклонениями. При сборе статисти­ческих данных и анализе причин АП и ПАП с отклонениями можно оперировать так же, как с отказами АТ: производить количественные оценки, давать заключе­ния о свойствах операторов, АЭС и разрабатывать мероприятия, исключающие ошибки, нарушения, случаи потери работоспособности и опасные последствия этих событий.