Разработка комплексной методики подтверждения соответствия требований к безопасности систем автоматической посадки самолета нормам летной годности

Актуальность работы. В современном менеджменте безопасности господствует концепция приемлемого (допустимого) риска, базирующаяся на аксиоме невозможности достижения абсолютной безопасности и необходимости компромисса между риском применения и полезностью для общества относительно безопасной продукции.

При этом для потенциально опасных систем, таких как системы летательных аппаратов, ядерной энергетики и прочих, требования к Я безопасности чрезвычайно высоки, а риск составляет 10″ ° -НО .

В настоящее время, когда количество авиационных происшествий растет, в нашей стране, как и во всем мире, чрезвычайно остро стоит проблема обеспечения безопасности для жизней людей. Как известно, наибольшее количество аварий происходит при посадке, самом сложном и опасном этапе полета самолета. Направление по разработке системы автоматической посадки самолета по III категории (в условиях отсутствия видимости взлётно-посадочной полосы) является актуальным и включено в планы работ МИЭА, КБ Ильюшина, ЛИИ. К данной системе впервые в отечественной практике заданы требования к безопасности посадки в количественной форме. В настоящее время теоретические методы подтверждения требований к сверхвысоким вероятностям по малому числу испытаний отсутствуют.

Оценка соответствия столь высоким требованиям безопасности может быть проведена лишь на основе математического моделирования на современных средствах вычислительной техники.

Выбор рационального подхода при решении задач подтверждения требований к безопасности возможен лишь на основе разработки соответствующей теоретической и научно-методической базы, использующей системный анализ, теорию рисков, математическую статистику, теорию вероятности.

Теоретическим и научно-методическим проблемам подтверждения требований к безопасности посвящены работы отечественных и зарубежных ученых Александровской Л. Н., Аронова И. З., Грозовского Г. И., Кушельмана В. Я., Исламова Р. Т., Елизарова А. И., Калугина А. П., Неймарка М. С., Роднищева Н. Е., Барлоу Р., Прошана Ф., Брауна Д., Хенли Э., Кумамото X.

Все методы анализа рисков в задачах менеджмента безопасности можно разделить на две основные группы: системные или структурные методы и параметрические методы оценивания рисков.

Первые методы используются при анализе влияния внезапных отказов, вызываемых особыми причинами, связанных с нарушением нормального функционирования. Эти методы базируются на описании исследуемого объекта как совокупности отдельных элементов, связанных между собой некоторым образом и взаимодействующих с окружающей средой как единое целое.

Вторые методы применяются для оценки влияния параметрических отказов, вызываемых общими причинами, вклад каждой из которых невелик, однако суммарное воздействие может быть весьма существенным.

Основное количество работ в области безопасности посвящено методам первой группы. Спецификой применяемых статистических методов к решению задач второй группы является необходимость экстраполяции ненаблюдаемых хвостов распределения по ограниченному объему экспериментальных данных. Публикации в данной области мне неизвестны, исключение составляет докторская диссертация Кушельмана В. Я., в которой обосновывается нетрадиционный подход к аппроксимации на основе смеси распределений. Однако там рассмотрен только частный случай смеси при совпадающих математических ожиданиях.

В связи с этим проведение исследований для решения проблемы подтверждения требований к безопасности является исключительно актуальной задачей.

Целью диссертации является разработка комплексной методики подтверждения соответствия требований к безопасности систем автоматической посадки самолета нормам летной годности, позволяющей в г о количественной форме оценить предельно допустимый риск 10 -НО .

Для достижения поставленной цели в диссертации решался следующий комплекс основных теоретических и практических задач, выносимых на защиту:

— анализ требований безопасности систем автоматической посадки самолетов по ША категории;

— аттестация известных методов подтверждения требований к безопасности, позволяющая определить область их применения;

— модификация выбранных наиболее применимых на практике методов с целью адаптации их к специфике решаемой задачи;

— систематизация рассмотренных методов, позволяющая построить логическую схему оценивания «от простого к сложному»;

— апробация разработанной методики на большом объеме экспериментального материала (летные испытания ТУ-154 и математическое моделирование ИЛ-96).

Исследования по теме диссертации проводились в ОАО «МИЭА» и в ГОУ ВПО «МАТИ» — Российском государственной технологическом университете имени К. Э. Циолковского.

Объектом исследования настоящей диссертации являются системы автоматической посадки самолетов по III, А категории.

Предмет исследования — комплексное исследование результатов математического моделирования и подтверждение требований к безопасности посадки самолета нормам летной годности.

Научная новизна диссертационной работы заключается в следующем:

— выделены ограничения на использование ряда известных методов подбора аппроксимирующих распределений;

— разработан модифицированный метод «проходит — не проходит», позволяющий существенно (в десятки раз) сократить необходимый объем испытаний;

— разработана оригинальная инженерная методика оценки параметров распределения Джонсона;

— проведено обобщение аппроксимации смесью распределений с несимметричным засорением;

— сформирована оригинальная комплексная методика подтверждения требований безопасности систем автоматической посадки самолетов нормам летной годности.

Практическая ценность. Практическая ценность диссертации заключается в создании новой оригинальной комплексной методики подтверждения требований к безопасности, представляющей собой логическую схему использования ряда статистических методов с переходом, в зависимости от специфики решаемых задач, от простейших по все более сложным.

Разработанная методика уникальна, т.к. дает возможность даже по ограниченному объему выборки путем экстраполяции ненаблюдаемых «хвостов» распределений прогнозировать значения случайной величины (исследуемого параметра системы) при сверхвысоких вероятностях.

Несмотря на то, что методика разработана и апробирована для автоматической системы самолета, она может найти применение для анализа и оценки риска и подтверждения соответствия требованиям безопасности сложных технических систем различного назначения, так как охватывает широкую область практически важных случаев.

Апробация результатов. Основные результаты диссертации апробированы на Международной молодежной научной конференции «XXXI.

Гагаринские чтения", 2005 г, «XXXII Гагаринские чтения», 2006 г, «XXXIII Гагаринские чтения», 2007 г.

Реализация и внедрение. Апробация методики проведена на основе математического моделирования системы автоматической посадки по III, А категории самолета ИЛ-96.

Результаты работы реализованы в отчете Московского института электромеханики и автоматики «Комплексная методика оценки соответствия требованиям безопасности систем автоматической посадки самолета ИЛ-96 III, А категории по результатам математического моделирования».

Публикации по теме исследования. Основные результаты диссертации опубликованы в 10 научных трудах.

Структура и объем диссертации

Диссертация изложена на 161 странице и включает в себя оглавление, введение, четыре главы собственных исследований, список литературы из 66 наименований и три приложения. Работа проиллюстрирована 25 рисунками и содержит 33 таблицы.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ.

1. Исходя из особенностей рассмотренных подходов и рекомендаций по их применению, разработана уникальная комплексная методика, представляющая собой логическое «меню» по использованию ряда статистических методов с переходом от самых простых к более сложным в зависимости от специфики решаемых задач и охватывающая широкую область практически важных случаев при анализе и оценке риска и подтверждения соответствия требованиям безопасности сложных технических систем различного назначения. Разработка методики потребовала решения ряда практических задач, перечисленных ниже.

2. На основе большого объема экспериментальных данных были выделены ограничения на использование известных распределений:

— биномиального при непараметрическом методе «проходит — не проходит»;

— семейств распределений Пирсона и Джонсона при подборе аппроксимирующих распределений.

3. Разработан комбинированный метод, основанный на интеграции непараметрического метода «проходит — не проходит» и информации об оценках математического ожидания и дисперсии параметров движения самолета, лимитирующих безопасность при его автоматической посадке.

4. Предложена оригинальная инженерная методика оценки параметров распределения Джонсона, позволяющая облегчить решение инженерных задач, благодаря использованию соотношений, применяемых при обработке косвенных измерений в теоретической метрологии.

5. Исследована универсальная модель аппроксимации ненаблюдаемых «хвостов» распределений, основанная на использовании смеси распределений, а также разработан алгоритм расчета параметров такой смеси.

6. Все проведенные разработки апробированы на основе математического моделирования системы автоматической посадки по III, А категории самолета ИЛ-96−300, получившей сертификат, и используются в ОАО «МИЭА» в задачах подтверждения требований к безопасности этой системы, т. е. доведены до стадии практической реализации.

7. Разработанная комплексная методика является универсальной при разработке систем автоматического управления для различных самолетов.