автореферат диссертации по транспорту, 05.22.01, диссертация на тему:Композиция и декомпозиция структур авиатранспортного предприятия с целью повышения безопасности полетов путем распределения ресурсов между его подструктурами

На правах рукописи

РЫБАЛКИНА Александра Леонидовна

КОМПОЗИЦИЯ И ДЕКОМПОЗИЦИЯ СТРУКТУР АВИАТРАНСПОРТНОГО ПРЕДПРИЯТИЯ С ЦЕЛЬЮ ПОВЫШЕНИЯ БЕЗОПАСНОСТИ ПОЛЕТОВ ПУТЕМ РАСПРЕДЕЛЕНИЯ РЕСУРСОВ МЕЖДУ ЕГО ПОДСТРУКТУРАМИ

05.22.01 - Транспортные и транспортно-технологические системы страны, ее регионов и городов, организация производства на

транспорте

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

5 ДЕК 2013

Москва - 2013

005541874

Работа выполнена на кафедре «Технической эксплуатации радиоэлектронных систем воздушного транспорта» Московского государственного технического университета гражданской авиации

Научный руководитель: Заслуженный деятель науки и техники РФ,

профессор, д-р физ.-мат, наук Козлов Анатолий Иванович

Официальные оппоненты: д-р. техн. наук, профессор

Зайцев Евгений Николаевич, Санкт-Петербургский государственный университет гражданской авиации, профессор кафедры «Организация и управление в транспортных системах»

д-р техн. наук, доцент Акиншин Руслан Николаевич

Секция прикладных проблем при Президиуме Российской академии наук, ведущий научный сотрудник

Ведущая организация ФГБОУ ВПО «Ульяновское высшее

авиационное училище гражданской авиации (институт)», г. Ульяновск

Защита состоится 25 декабря 2013 г. в 10 часов на заседании диссертационного совета Д 223.012.01 при Санкт-Петербургском государственном университете гражданской авиации по адресу: 196210, г. Санкт-Петербург, ул. Пилотов, 38

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке университета

Автореферат разослан «21.» ноября 2013 г.

Ученый секретарь диссертационного совета кандидат тех. наук, доцент

/О

Я. М. Далингер

Общая характеристика работы

Актуальность работы. Сегодня от успешной организации, технологии и управления транспортным, и авиационным в частности, производством зависит не только экономический успех и выживаемость самого производства, но зачастую и жизнь тех людей, для которых транспортные «ошибки» носят роковой характер. Имевшие место в последнее время авиационные катастрофы еще в большей степени высветили проблему обеспечение безопасности транспортных производств. Однако относительная «редкость» таких событий очень часто приводит к тому, что в условиях финансового дефицита руководителями транспортных, и авиационных в том числе производств, на обеспечение транспортной безопасности и безопасности полетов выделяются «остаточные» средства, поскольку на первый план их регулярных ежедневных забот выходят задачи приобретения новой техники и ее технического обслуживания и ремонта, необходимость решения социальных задач коллектива и развития необходимой инфраструктуры и т.д. Именно поэтому декомпозиции достаточно ограниченных ресурсов, имеющихся в распоряжении авиапредприятий и авиакомпаний, между их подразделениями и структурами в условиях обязательного выделения необходимых средств для поддержания уровня безопасности производства на максимальном или заданном уровне представляет собой весьма серьезную для успешного функционирования авиапредприятия задачу. При этом важнейшей статьей обязательных расходов являются расходы на обеспечение безопасности производства и вытекающих из нее авиационной безопасности и безопасности полетов. Сказанное свидетельствует как об актуальности, так и злободневности задачи распределения ресурсов авиапредприятай и авиакомпаний, решению которой посвящена диссертационная работа, имеющая своей целью разработку принципов распределения ресурсов с учетом основного требования - обеспечения максимального (или заданного) уровня безопасности производства - основы безопасности полетов.

Достижение поставленной цели связано с решением следующих основных

задач:

1. Обоснование целевой функции авиатранспортного предприятия в современных условиях.

2. Разработка принципов декомпозиции ресурсов авиатранспортного предприятия с целью обеспечения экономического управления безопасностью полетов.

3. Разработка принципов декомпозиции средств авиатранспортного предприятия между функциональными структурами с целью повышения уровня безопасности полетов.

4. Разработка математических моделей ресурсного обеспечения уровня безопасности полетов воздушных судов.

5. Оптимизация распределения ресурсов авиатранспортного предприятия между его структурными подразделениями и службами в рамках обеспечения заданного или максимального уровня безопасности полетов и авиационной безопасности.

Научная новизна диссертации состоит в том, что в ней:

1. Установлена, опираясь на Лорановские разложения, прямая функциональная связь «ресурс-вероятность безотказной работы», позволяющая с более высокой точностью описывать процессы, связанные с эксплуатацией высоко надежных систем.

2. Разработаны принципы декомпозиции ресурсов авиатранспортного предприятия, определяющие пути экономического управления безопасностью

полетов, путем перераспределения между его структурами имеющегося ресурса.

3. Разработаны математические модели и вытекающие из них рекомендации, дающие возможность использовать минимальный ресурс авиапредприятия для обеспечения заданного уровне безопасности полетов.

4. Разработаны математические модели и вытекающие из них рекомендации, дающие возможность обеспечивать максимальную безопасность полетов при заданном ресурсе авиапредприятия.

Практическая значимость работы состоит в том, что ее результаты позволяют:

1. Распределять ресурсы авиатранспортного предприятия, обеспечивая заданный или максимальный уровень безопасности.

2. Использовать методы декомпозиции ресурсов авиатранспортного предприятия с целью решения задач экономического управления безопасностью полетов.

На защипу выносится:

1. Формулировка целевой функции авиатранспортного предприятия в современных условиях.

2. Принципы декомпозиции ресурсов авиатранспортного предприятия с целью обеспечения экономического управления безопасностью полетов. .

3. Принципы декомпозиции ресурсов авиатранспортного предприятия между функциональными структурами с целью повышения уровня безопасности полетов.

4. Математические модели ресурсного обеспечения уровня безопасности полетов воздушных судов.

5. Оптимизация распределения ресурсов авиатранспортного предприятия между его структурными подразделениями и службами в рамках обеспечения заданного или максимального уровня безопасности полетов и авиационной безопасности.

Апробация и публикация материалов работы

Результаты работы докладывались на следующих научных конференциях:

1. К. Э. Циолковский и современность. XLV Научные чтения памяти К. Э. Циолковского, Калуга, 2010 г.

2. IX Международная научно-техническая конференция «Гражданская авиация на современном этапе развития науки, техники и общества», Москва, 2011 г.

3. К.Э. Циолковский и будущее космонавтики: XLVI Научные чтения памяти К.Э. Циолковского, Калуга 2011 г.

4. Московская молодёжная научно-практическая конференция «Инновации в авиации и космонавтике - 2012», Москва, 2012 г.

5. Гражданская авиация: XXI век: IV Международная молодежная научная конференция, Ульяновск, 2012 г.

6. Идеи К.Э. Циолковского: прошлое, настоящее, будущее XLVII Научные чтения памяти К.Э. Циолковского. Калуга, 2012 г.

7. Гражданская авиация: XXI век: V Международная молодежная научная конференция (11-12 апреля 2013 г.), Ульяновск, 2013 г.

8. X Международная научно-техническая конференция «Гражданская авиация на

современном этапе развития науки, техники и общества», Москва, 2013 г.

По материалам диссертации опубликовано 16 работ, из которых 7 в изданиях, входящих в перечень изданий, рекомендованных ВАК для публикации материалов

диссертаций.

Результаты работы внедрены в ОАО «НПО «Лианозовский электромеханический завод», ФГБОУ ВПО «Московский государственный технический университет гражданской авиации», что подтверждается соответствующими актами о внедрении.

Структура и объем работы

Работа состоит из введения, трех разделов, заключения, списка используемой литературы, содержащих 49 наименований. Общий объем диссертации составляет 125 страниц, 28 рисунков, 14 таблиц.

Содержание работы

Первая глава диссертации посвящена анализу проблем, вытекающих из взаимосвязи требований к обеспечению безопасности полетов и материально-финансовыми возможностями авиакомпаний и авиапредприятий.

Стремление к росту прибыли со стороны авиакомпаний сдерживается, в первую очередь, жесткими требованиями на безопасность полетов и авиационную безопасность. Естественно, что во главу угла здесь ставится надежность авиационной техники, т.е. безотказность ее работы, количественно оцениваемая вероятностью безотказной работы. Причем это относится как к воздушному судну, так и к многочисленным службам обеспечения полетов.

Однако удовлетворение названным требованиям требует серьезных материальных затрат. Здесь возникает узловое противоречие между стремлением к получению максимальной прибыли и необходимыми расходами на поддержание авиационной техники в надежном состоянии. В этих условиях руководство авиатранспортным предприятием сталкивается с задачей, как распределить, имеющиеся у него средства между различными структурами и подструктурами производства, воздушного судна, его оборудования, чтобы минимизировать свои расходы при условии обеспечения заданного уровня надежности. Естественен и второй подход, сводящийся к аналогичной задаче - как распределить ограниченные ресурсы, чтобы обеспечить максимальную надежность, т.е. максимальную вероятность безотказной работы.

При обоих подходах возникает необходимость иметь прямую функциональную взаимосвязь между вкладываемыми средствами и вероятностью безотказной работы всей структуры и ее подструктур.

Если такая модель всей структуры будет построена, то неизбежен следующий этап - этап декомпозиции такой структуры на ряд подструктур, а распределение ресурса нужно будет производить между этими подструктурами. Аналогично для подструктуры также можно будет проводить декомпозицию на подструктуры следующего уровня и т.д.

Здесь же имеет место и обратная ситуация, когда с целью повышения вероятности безотказной работы целесообразно укрупнять подструктуры, т.е. речь идет о задачах композиции.

Однако во всех случаях возникает органическая цепочка безопасность полетов, иными словами, вероятность безотказной работы (ВБР), - ресурсы авиапредприятия. Сказанного достаточно, чтобы утверждать, что безопасность полетов пусть не в полной мере, но во вполне достаточной должна быть отнесена к экономической категории.

В работе приводятся многочисленные сведения, представленные в виде таблиц,

об экономических потерях, вызванных авиационными происшествиями, имевшими место в России и различных странах мира за последние 8-10 лет (абсолютные и относительные показатели безопасности полетов, структурирование причин авиационных происшествий и инцидентов, экономический ущерб от авиационных происшествий и инцидентов^

Для разработки аналитической модели необходимо связать категории безопасности полетов и прибыли авиапредприятий, которую целесообразно определять некоторым денежным эквивалентом - П. Будем считать, что прибыль, в итоге, сводится к разнице между полученным доходом И и затратами на покупку (цена - Ц) и последующую эксплуатацию (эксплуатационные расходы Э).

Что касается безопасности полетов, то ее в рамках проводимого рассмотрения можно описывать надежностью авиационной техники, которую, в свою очередь, будем описывать вероятностью безотказной работы Р.

Будем считать, что при нулевой цене на авиационную технику или услугу (в дальнейшем будем говорить «авиационный товар» или просто «товар»), т.е. при Ц=О, надежность покупаемого авиационного товара также равна 0, т.е. Р(Ц=0)=0. Напротив, для того, чтобы вероятность безотказной работы стремилась бы к 1, цена товара должна монотонно возрастать, т.е. в пределе Р(Ц=<х>)=\.

В рамках проводимых рассуждений сформулируем требования на функцию, описывающую эксплуатационные расходы. Ясно, что ненадежная техника требует больших расходов и в пределе, когда Р—>0, имеем .Э—ко, т.е. Р(Э=оо)=0. Напротив, надежная техника не требует эксплуатационных расходов, т.е. Р(3=0)=1.

Рис. 1 дает представление о зависимости вероятности безотказной работы авиационного товара от выделенного ресурса Я, под которым можно понимать цену на авиационный товар и расходы на его эксплуатацию.

Рис. 1. Зависимость вероятности безотказной Рис. 2. Иллюстрация влияния способа работы от выделяемого ресурса на закупку эксплуатации

авиационного товара и его эксплуатацию, а, Р - параметры зависимостей

Проиллюстрируем влияние методов технической эксплуатации на возможности использования ресурса.

Итак, пусть куплен авиационный товар, характеризуемый параметром а. Будем считать, что его рыночная цена соответствует некоторой вероятности безотказной работы Р0. Различным способам эксплуатации, т.е. различным параметрам р, будут соответствовать различные точки пересечения этих кривых

с прямой Л)=сопб1. Эти точки на рис. 2 обозначены буквами Я2,

Как видно, с целью обеспечения более высокого уровня надежности приходится покупать более дорогой авиатовар, при этом расходы на эксплуатацию уменьшаются. При этом возникает естественная задача минимизации суммарных расходов. В работе показано, что можно говорить об определенной эквивалентности между выделенными ресурсами и уровнем надежности, варьируя которыми можно выбрать максимально возможный в этих условиях уровень безопасности полетов.

Рассматриваемый подход позволяет определить два класса задач.

Практически любая авиационная техника и ее оборудование (авиатовар) представляют собой композицию отдельных структур, которые по своей сложности в общем случае могут быть сами достаточно сложны, это дает возможность путем определенной декомпозиции варьировать распределением надежности между структурами решить задачу при заданной степени надежности обеспечить минимум потребного ресурса.

Второй класс задач сводится к проведению необходимой композиции и декомпозиции сложной многофункциональной структуры в рамках имеющихся ресурсов с целью обеспечить максимально возможную вероятность безотказной работы всей структуры.

Первый класс задач акцентирует внимание на этап закупки авиатовара и связан с умением в последующем грамотно определять последующие эксплуатационные расходы.

Второй класс, напротив, на первое место ставит проблему эксплуатационных расходов.

Во всех случаях речь, в конечном итоге, идет о распределении ресурса авиапредприятия, единственным источником которого в условиях рыночных отношений является прибыль.

Как показал проведенный автором социологический опрос, которым было охвачено более 100 человек из числа среднего и руководящего состава авиакомпаний, среди этой категории работников отсутствует единый взгляд на проблему распределения ресурсов авиапредприятия между теми или иными направлениями его деятельности, влияющими на обеспечение безопасности полетов.

Так, 22% опрошенных руководителей считают, что средства, выделяемые на обеспечение безопасности полетов, в первую очередь, следует направлять на приобретение новой техники, 19% - на техническое обслуживание, ремонт и эксплуатацию, а 18% вообще считают, что их следует направлять на направления, напрямую не связанные с техникой, - на финансовое стимулирование персонала

Таким образом, экспертная оценка поставленного вопроса вообще не выявила каких-либо приоритетов, по существу посчитав все три направления расходов равнозначимыми.

В качестве меры оценки безопасности полетов, как правило, выбирают вероятность безотказной работы систем и структур воздушного судна, а также инфраструктуры, обеспечивающей полет самолета. Естественно, что эта вероятность, в конечном счете, зависит от выделяемых для функционирования перечисленных выше систем и структур денежных и материальных ресурсов. Это позволяет «перекинуть мостик» между такими понятиями как вероятность безотказной работы и материальным и денежным средствами, что дает основание

говорить об определенной эквивалентности между безопасностью полетов и используемым ресурсом. Именно поэтому, когда говорят о повышении уровня безопасности полетов, то, в первую очередь, имеют в виду качество и надёжность комплектующей элементной базы, а поэтому в работе рассматриваются вопросы, связанные с безотказностью элементной базы авиационного оборудования.

Вторая глава диссертации посвящена проблеме распределения ресурсов авиатранспортного предприятия с целью обеспечения заданного или наивысшего уровня безопасности полетов.

Любая система, и авиационная в частности, представляет собой совокупность связанных или несвязанных между собой структур. Если речь идет о сверхнадежных системах, то и образующие ее структуры также должны относиться к классу сверхнадежных.

Борьба за рост надежности сверхнадежных структур требует нарастающего роста ресурсов, что является следствием очевидного закона природы и техники: «Абсолютная надежность требует бесконечно большого ресурса», что приводит к естественному формализованному следствию — функция Р\Р), связывающая между собой материальные средства и ресурсы с вероятностью безотказной работы - Р, при Р—»1 должна бесконечно нарастать, т.е. Г\Р)—>оз при Р—>1.

Какова бы ни была реальная структура, всегда можно провести ее декомпозицию на отдельные подструктуры, надежность функционирования которых не зависит от надежности других подструктур, как показано на рис. 3.

| Система |

4 * 1 * 4 1

1 ' 1 1 2 | 13 1 14! 1 ... 1 1 И 1

Рис. 3. Схема декомпозиции структуры на отдельные подструктуры, где М- количество структур, Р} - вероятность безотказной работы^й структуры, Sj-расходы на обеспечение и поддержание надежности в ]-ой структуре, Ро - вероятность безотказной работы системы, 5 - расходы на обеспечение и поддержание надежности в системе

Представим сложную структуру в виде набора некоторых независимых в упомянутом выше смысле подструктур общей численностью М. При этом под надежностью каждой из них будем понимать вероятность ее безотказной работы (ВБР) - рь, к = 1,М. В этом случае надежность всей системы, т.е. вероятность ее

м

безотказной работы будет определяться как Р-£ = \\Рк ■

к=1

Однако построение сверхнадежных систем, как уже упоминалось выше, требует больших ресурсов, в качестве которых может выступать самое большое их многообразие. Это могут быть энергетические, финансовые, материальные, интеллектуальные, людские и прочие ресурсы.

В этой связи возникают задачи двух классов. Первая требует ответа на вопрос: «Как распределить имеющийся ресурс между подструктурами, чтобы обеспечить наивысшую надежность всей структуры?». Вторая состоит в поиске ответа на вопрос: «Как минимизировать используемый ресурс, чтобы обеспечить заданный уровень надежности всей структуры?».

Для получения ответов на сформулированные выше вопросы была построена модель, в которой обоснована функциональная зависимость между ресурсом и надежностью структуры. Для этого было использовано обобщенное разложение Тейлора, когда разложение функции _Д~) ведется по положительным и отрицательным степеням аргумента 2. В этом случае, искомое разложение

оо

около точки а имеет вид /(:)= ^ с„ (г - а)" .

И=-00

Входящие в разложение коэффициенты с„ показывают, насколько изменяется потребный ресурс у и-ой подструктуры декомпозиционного представления всей структуры АЯ* при изменении надежности на Дг.

При таком подходе искомую связь ресурс-надежность можно представить

лг-1 ы-1

в виде Я = 4 + .

у=1 м

В руках лица, принимающего решения, для влияния на размер ресурса есть только одна возможность варьировать распределением надежности Zj при

заданных весовых коэффициентах ск, т.е. распределять ресурсы между подструктурами. Естественно, что при определенном наборе Zj требующийся ресурс будет минимальным. Было получено соотношение, которое дает возможность найти эту величину и определять требуемое значение надежности

N

для каждой из подструктур: = .

Проведя необходимые подстановки, можно записать выражение для

минимального ресурса:

а соответствующие

надежностные характеристики - вероятности безотказной работы будут иметь

вид: Р, = 10^, где 7 = (Л/ - с )/ .

В работе вводится количественный критерий, характеризующий эффективность распределения ресурса ц = АЯ/ Ятт = (Л-Лт1„)/йт1П. с учетом

полученных выше соотношений И =

т-1 /7=1

N

У=1

Достаточно часто встречающимся случаем является ситуация, когда в период функционирования структуры вследствие технологического или технического прогресса, совершенствования эксплуатируемого оборудования, удешевления используемых ресурсов и т.п. высвобождается некоторый ресурс. Перед лицом, принимающим решение, возникает вопрос, об использовании этого ресурса. На языке рассматриваемой модели это означает, что один из коэффициентов Cj уменьшится (соответственно изменится коэффициент с^,

который обозначим с# и который по отношению к старому коэффициенту представим в виде см=с^+8.

Вследствие изменения коэффициента сдг ресурс, требующийся для функционирования структуры, уменьшится на величину

Щ = 8(2сп-8)/2ы = 5{2с„ -8)^ск Шс„.

Если этот высвобождающийся ресурс распределить по полученным алгоритмам, обеспечивающим минимум потребного ресурса, то получим соотношения по изменению надежности подструктур Дг = г'1-г1 =

8 М 2, 8 г, д , _

= —-лт2--= -=

(!>)£>,+0 Iе*-* Iе*-5

М 1=1 4-1 *=1

Из полученной формулы видно, что при переводе структуры в состояние «заданная надежность - минимальный ресурс» надежность всех подструктур должна быть увеличена (Дгу>0,у=1, N-1), исключение составляет подструктура,

в которой образовался излишек ресурса, где надежность может быть уменьшена (Дг<0).

Перевод структуры в новое состояние «заданная надежность -минимальный ресурс» дает следующее значение изменения ресурса:

ДДтЬ1 - ДЛ, = — Г У ск /с„ -11 = 8г- —\

1 м\£А * " ) и" М у

Анализ решения задач декомпозиции и композиции структур авиапредприятия, преследующих цель минимизации используемых языке ресурсов или повышение вероятности безотказной работы (надежности), показывает, что задача выделения ресурсов на ту или иную подструктуру носит хаотический характер, не основываясь на какой-либо математической модели. Для создания такой модели необходимо учесть, что распределение ресурса между подструктурами в общем случае носит классический случайный характер, а поэтому в качестве адекватного математического аппарата были выбраны теория вероятностей и математическая статистика, где центральная роль принадлежит плотности распределения вероятности исследуемых величин. Принято несколько допущений. В первом допущении предполагается, что в результате декомпозиции структуры образовано N некоторых подструктур, надежность каждой из которых, т.е. ее вероятность безотказной работы, не зависит от вероятности безотказной работы других подструктур. Второе допущение состоит в том, что декомпозиция проведена таким образом, что

плотности распределения вероятностей каждой Zj представляют собой одинаковые законы, различающиеся только числовыми параметрами. Третье допущение состоит в том, что каждый из этих законов является равномерным. Таким образом, находится выражение для плотности распределения вероятностей:

, г2,..., ) = ) = 1 / М • 1 / М •... • 1 / Л/ = 1 / Л/ .

Полученное соотношение дает возможность получить искомую величину -плотность распределения ресурса - ЩЯ), выделенного на все подструктуры. Воспользовавшись известными формулами теории вероятностей, получим искомую плотность распределения вероятностей использованного ресурса:

N-2

М-

М-2\(К) М-(Ч+22) 1-Х

\d--2 \d--i ... |

N-1

dz.

dR

-л •

Детальный анализ полученных соотношений проводился на примере распределения ресурсов между двумя структурами. Искомая плотность распределения вероятностей в этом случае имеет вид

А/Л(с,2 +с22)-(с,2 -с\) ЩЯ)= , / , , , , , ее графическое представление приведено Л/Л2 ,/(с2 - с\ + А/Л) - 4с,2 Л/Л F v

на рис. 4. В работе в явном виде приводятся значения математического

ожидания и дисперсии стоимости, формула для минимального значения Rmin

имеет компактный вид Rmm = (с, + с2 )2 / M.

В работе вводится понятие степени эффективности использования ресурса:

£ = (R~Rmi„)/(R +Rmax) и показывается, что ее плотность распределения

„,/■=/■ n\\ 2(ci + с2 )2 2[Я/2-/ + 1) + /] вероятностей имеет вид lV(ç(R))=——--^^-J ' J 1 ,

М( 1-4) (l + /)(l + £)2V£2(l + /)2+2yÇ

где: / = —, что дало возможность найти для степени эффективности ее ci

математическое ожидание Есо и дисперсию стЕ. m,h

О 2 4 б 8 10

Рис. 4. Плотность распределения \\'(2=МК) при С1=0,2 и С2=0,1

В работе показано, что среднее и среднее квадратичное значения слабо зависят от параметра /. При этом отношение R/Ro всегда больше 1,66, что соответствует неравенству > 0,25. В предельном случае отношение R/R0

достигает значения 2,1. При среднем квадратичном значении, совпадающим по порядку со средним значением 4Ср проигрыш приближается к величине 4...5. Как видно, даже при наличии двух подструктур проблема распределения ресурса играет важную роль. Грамотное его распределение позволяет добиться заметных выигрышей.

При решении аналогичной задачи относительно N подструктур, число которых больше 2, получить замкнутое аналитическое решение не представляется возможным. В этой связи необходимые оценки были получены на основе математического моделирования, а распределение ресурса между подструктурами осуществлялось при помощи генератора случайных чисел, который при различном числе подструктур N (в работе рассматриваются случаи N=4, 6, 8, 10) генерирует в интервале [1,10] N случайных чисел с^. Следующий шаг состоит в генерировании других случайных чисел 2к в таком же количестве

N

Ы, однако на эти числа накладывается условие = М. Опираясь на

¿=1

традиционные приемы статистической обработки массива данных было произведено нахождение суммарного ресурса Я, а также искомых значений минимальных ресурсов Ят(п и оценочного параметра В работе такие операции выполнялись 10000 раз, опираясь на полученные результаты, находились искомые плотности распределения вероятностей, а в дальнейшем математическое ожидание и дисперсия.

Повышение требований к надежности различных авиационных систем, оборудования и аппаратуры, возрастающих с течением времени в качестве первого шага требует привлечения дополнительных ресурсов. Это приводит к задаче распределения этих ресурсов между подструктурами с целью обеспечения нового уровня надежности всей структуры, т.е. вероятности ее безотказной работы.

В работе было получено соотношение, которое позволяет распределить

дополнительные ресурсы Лд, чтобы обеспечить максимальное увеличение

N

вероятности безотказной работы Дг^ = У^Аг,. Показывается, что в этом случае

7=1

э с24 с2/ с^Ьг,

на у'-ую структуру необходимо выделить АЛ,- =-----— = ——-—

*у-Дгу 2}

средств, при этом выигрыш по надежности будет определяться выражением

Д- . -_I_I_

7 2^+С)'

Суммарное приращение вероятности безотказной работы будет

2 д

определяться равенством = ^ Дг^ =---н ^ 2 —

>1 4+*„(*-¿Л>

Размер ресурса, необходимого добавить у'-ой структуре определяется

* .с1 с,с.

следующим выражением ~су)]С( ' ) + .

[*=1 2к 2) ) *=1

В работе показано, что для увеличения вероятности безотказной работы

требуется не только использовать дополнительный ресурс, но и

перераспределять ранее выделенные ресурсы.

В дальнейшем в работе рассматривался случай синтеза подструктур в одну

новую подструктуру со своими свои обобщенными характеристиками z¡ и с2},

к

£тР

Я д2 р. 1 т,

как показано на рис. 5. В этом случае Я = , где: а\ = X су > (а12 = Хсу ;

Ы\2к . у=1

Р=1

Щ +т2

а2 = X с^; и т. д.). Выражение для ресурса, обеспечивающего минимальные

У=1+ш,

1 я

расходы 5=5тш можно записать в виде — (Ут/й^)2.

м у=1

1 2 3 4 №1 N

/1 ¡2 к к

—Л— —А— А ,-*-,

1 2 3 4 .....г г.. N

1 К £

Рис. 5. Принцип композиционного синтеза на базе 2 подструктур

Проведенный выше композиционный синтез естественно уступает по эффективности рассмотренному выше «синтезу по одному элементу». Оценку этих потерь можно получить путем сравнения достижимых минимумов требуемых ресурсов, что и реализует вводимый коэффициент

дО) ^ _ 5- .у _ ,.) х

гпш *=1 *=1 ^ *=1

Полученные общие соотношения используются для анализа ряда частных случаев, связанных с группировками по 2, 3 и 4 подструктурам, где центральное место отводится определению максимальных и минимальных значений коэффициента эффективности. Анализ показал, что при объединении различных подструктур в пары и последующей оптимизации образовавшейся новой конфигурации коэффициент эффективности может оказаться вплоть до 2 раз меньше, чем при оптимизации без объединения.

Для получения соответствующих статистических оценок использовался метод Монте-Карло. Рассматривался частный случай из 4 структур, объединяемых в две пары. Для этого генерировались 4 числа в интервале [1,15], затем по десятитысячному числу реализаций строились гистограммы распределений для и g^¡>n и проводилась их аналитическая

аппроксимация при группировке по 2 и 4 элемента. Соответствующие кривые хорошо описываются параболической зависимостью, что позволяет легко найти средние и средние квадратичные значения этих величин, а также увеличение требуемого ресурса как результат группировки подструктур.

В работе также детально рассматриваются случаи группировок по трем, четырем и восьми структурам. Во всех случаях удачной аппроксимацией для плотности распределения вероятностей максимального и минимального значения коэффициента эффективности является квадратичная функция.

Рассмотренные выше задачи композиционного синтеза и декомпозиции опирались на зависимость вероятности безотказной работы сложной структуры и ее подструктур различного уровня от потребного ресурса в виде, вытекающем из обобщенного разложения Тейлора. Однако, как показывает практика, нередко встречаются структуры с более «мягкой», нежели Тейлоровская, зависимостью, каковой является логарифмическая аппроксимация.

Исходя из предположения, что достижение вероятности безотказной работы Р=1, требует бесконечного ресурса Я, в качестве искомой зависимости

выбирается функция Rj=gJ^g(l-Pj). Полный ресурс будет R=^dgj 1ё(1 - Р/) •

В работе приведено решение двух оптимизационных задач. Первая представляет собой декомпозицию (распределение) заданной вероятности безотказной работы V между подструктурами структуры таким образом, чтобы ее достижение реализовывалось бы при минимальном ресурсе. Вторая задача состоит в декомпозиции выделенного ресурса между подструктурами таким образом, чтобы это реализовывалось бы при максимальной вероятности безотказной работы.

Решением первой задачи является выражение для минимального ресурса

N N

Оценку степени эффективности декомпозиции можно получить, соотнося полученное значение минимального ресурса с ситуацией равномерного распределения вероятности безотказной работы. В этом случае степень эффективности с, будет иметь следующее представление:

Для нахождения плотности распределения вероятностей степени эффективности также, как и при Тейлоровской аппроксимации, генератором случайных чисел выдавались выборки случайных чисел проводилась g]■ из

/=1

интервала [1,15] для различных N=5; 10; 15; 100 и различных К=1-10 ; 1-10 ; 1-10" . Всего было получено 10000 реализаций. С ростом числа подструктур искомые плотности распределения вероятностей приближаются к закону Гаусса. Расчет для 1-К=10"5 показал крайне слабое влияние параметра V.

Решением второй задачи распределения ресурса между подструктурами, чтобы обеспечить максимальную вероятность безотказной работы является

выражение Ктах ).

>1

Полученные выражения дают возможность оценить степень эффективности § по сравнению с равномерным распределением ресурса:

К„

N N N

° I 7=1 7=1 ] 7=1

В третьей главе рассматривалось распределение ресурса в сложной системе на примере системы обработки и отображения метеоинформации от нескольких радиолокационных комплексов.

Радиолокационные комплексы (доплеровские радиолокаторы) осуществляют геофизический мониторинг окружающей среды, целью которого является контроль и обнаружение метеорологических явлений, влияющих на обеспечение безопасности полетов воздушных судов, анализ и прогнозирование состояния облачности, появления осадков и связанных с ними опасных явлений погоды для получения краткосрочного прогноза и штормовых предупреждений.

Была произведена декомпозиция системы на ряд подструктур с целью найти пути уменьшения стоимости системы. Путем вычисления по формулам, полученным во второй главе была найдена минимальная стоимость системы, а также определены подсистемы, на которые целесообразно сократить затраты, как показано на рис. 6. Также были выделены подсистемы, на которые целесообразно выделить дополнительные средства. Важно отметить, что при этом не происходит снижение надежности системы. Схема системы приведена на рис. 7.

Р = 0,999383

23456789 10 И Изначальная стоимость подсистем, тыс. руб. ■ Минимальная стоимость подсистем, тыс. руб.

£=5205 тыс. руб.

=4515,832 тыс. руб.

Рис. 6. Сравнение изначальной и минимальной стоимости подсистем Цифрами обозначены подсистемы: 1-6 - монитор - персональный компьютер - источник бесперебойного питания (ИБП), 7 - система единого времени - ИБП, 8- система хранения данных - ИБП, 9 - сервер - ИБП, 10 - маршрутизатор - ИБП, 11 - коммутатор - ИБП.

ИБП

1

Монитор — Системный блок

ГР=П

ИБП

1

Монитор Системный блок

ИБП

1

Монитор — Системный блок

ИБП

1

Монитор Системный блок

«а.

о'

к-

(з £

ИБП

ИБП

1

Системный блок — Монитор

ИБП

1

Системный блок - Монитор

СЕВ — ИБП

Система хранения данных

ИБП

Система обработки информации

— ИБП

Маршрутизатор — ИБП

Рис. 7. Схема подструктур системы обработки метеоинформации

Таким образом, используя полученную методику можно добиться существенного снижения стоимости системы обработки и отображения авиационной метеоинформации. Однако уменьшение стоимости до расчетного представляется маловероятным из-за ограниченной номенклатуры специального оборудования. Тем не менее, на основании проведенного расчета можно показать на какие подсистемы можно направить большие или меньшие финансовые ресурсы.

При проектировании системы может оказаться, что вероятность безотказной работы всей системы меньше, чем требуется предприятием-заказчиком. В этом случае целесообразно применить дублирование подсистем и произвести расчеты, аналогичные недублированной системе.

В работе рассмотрены пути повышения надежности системы путем дублирования элементов, отказ которых наиболее опасен для системы. Для такой системы также была произведена декомпозиция ресурсов и найдены пути снижения стоимости системы, как показано на рис. 8.

2000

1500

1000

500 0

123456789 10 11 11 Изначальная стоимость подсистем, тыс. руб. ■ Минимальная стоимость подсистем, тыс. руб.

Рис. 8. Сравнение изначальной и минимальной стоимости при дублировании подсистем.

Цифрами обозначены подсистемы: 1-6 - монитор - персональный компьютер - источник бесперебойного питания (ИБП), 7 - дублированная система единого времени - ИБП,

8 - система хранения данных - ИБП, 9 - дублированный сервер - ИБП, 10 - дублированный маршрутизатор - ИБП, 11 - дублированный коммутатор - ИБП.

Заключение

Целью настоящей работы являлась разработка принципов распределения ресурсов авиатранспортного предприятия и авиакомпании, предназначенных для обеспечения безопасности полетов и авиационной безопасности.

Для достижения поставленной цели в работе в работе были решены следующие задачи:

1. Обоснована целевая функция авиатранспортного предприятия в современных условиях.

2. Разработаны принципы декомпозиции ресурсов авиатранспортного предприятия с целью обеспечения экономического управления безопасностью полетов.

3. Разработаны принципы декомпозиции ресурсов авиатранспортного предприятия между функциональными структурами с целью повышения уровня безопасности полетов.

4. Разработаны математические модели ресурсного обеспечения уровня безопасности полетов воздушных судов.

5. Проведена оптимизация распределения ресурсов авиатранспортного предприятия между его структурными подразделениями и службами в рамках обеспечения заданного или максимального уровня безопасности полетов и авиационной безопасности.

В ходе выполнения работы были получены следующие новые научные результаты:

1. Принципы декомпозиции ресурсов авиатранспортного предприятия с целью экономического управления безопасностью полетов.

2. Принципы декомпозиции ресурсов авиапредприятия между функциональными структурами с целью повышения уровня безопасности полетов.

3. Математические модели ресурсного обеспечения уровня безопасности полетов воздушных судов.

£ = 7830 тыс. руб. £„,,„ = 5953,713 тыс. 1............

' Р = 0,9999118 |Ц № 1т

/в Л ЛлЛ Л Л

4. Решение задачи оптимизации распределения ресурсов авиатранспортного предприятия между его структурными подразделениями и службами в рамках обеспечения заданного или максимального уровня безопасности полетов и авиационной безопасности. Полученные результаты дают возможность:

1. Распределять ресурсы авиатранспортного предприятия, обеспечивая заданный или максимальный уровень безопасности.

2. Использовать методы декомпозиции ресурсов авиатранспортного предприятия с целью решения задач экономического управления безопасностью полетов.

Основное содержание диссертации опубликовано в следующих работах автора в журналах, включенных в Перечень изданий ВАК для публикаций материалов диссертаций:

1. Рыбапкина A.J1. О возможности сохранения надежности системы, обеспечивающей безопасность полетов, при дефиците финансовых средств. // Научный вестник МГТУ ГА №173 (11). - М: МГТУ ГА, 2011. - с. 61-64.

2. Рыбалкина А.Л. О распределении надежностного ресурса в сложной системе при фиксированных средствах. // Научный вестник МГТУ ГА №174 (12). - М: МГТУ ГА, 2011.-с. 151-154.

3. Рыбалкина А.Л. Влияние уровня безотказности на восстановление работоспособности авиационного оборудования. // Научный вестник МГТУ ГА №177 (3). - М: МГТУ ГА, 2012. - с. 132-136.

4. Рыбалкина А.Л. К вопросу об экономическом управлении безопасностью полетов. И Научный вестник МГТУ ГА №177 (3). - М: МГТУ ГА, 2012. - с. 137139.

5. Николайкин Н.И., Рыбалкина А.Л. Чрезвычайные ситуации и аварии на воздушном транспорте и их экологическая опасность. Известия Самарского научного центра Российской академии наук. Специальный выпуск «ELPIT-2007». Том 2. Серии «Машиностроение» и «Экология». - Самара: Самарский НЦ РАН, 2007 г.-с. 126-132.

6. Николайкин Н.И., Зубков Б.В., Рыбалкина А.Л. Анализ статистики чрезвычайных ситуаций в современной гражданской авиации // Проблемы анализа риска, т. 5, 2008 №1, - с. 38-52.

7. Николайкин Н.И, Рыбалкина А.Л. Чрезвычайные ситуации последних лет на территории России. // Безопасность в техносфере №2 (17) / 2009. - с. 41-46.

а также в гаданиях:

1. Рыбалкина А.Л. Системный подход к оптимизации затрат на обеспечение безопасности полетов. Наука, техника, человек: межвузовский сборник научных работ. Вып. 2 - М.: МГТУ ГА, 2010, с. 55-58.

2. Рыбалкина А.Л. К вопросу об оптимизации затрат на безопасность полетов. К. Э. Циолковский и современность: материалы XLV Научных чтений памяти К.Э. Циолковского - Калуга: ИП Кошелев А.Б. (Издательство «Эйдос»), 2010, с. 216218.

3. Рыбалкина А.Л. Математическая модель оптимизации использования ресурсов для обеспечения безопасности полетов. Гражданская авиация на современном этапе развития науки, техники и общества. Сб. тезисов докладов участников Международной НТК, посвященной 40-летию образования МГТУ ГА. - М.: МГТУ ГА, 2011, с. 91.

4. Рыбалкина А.Л. Оптимизация распределения материальных средств между структурами сложной системы с целью обеспечения ее максимальной надежности. К.Э. Циолковский и будущее космонавтики: материалы ХЬУ1 Научных чтений памяти К.Э. Циолковского. - Калуга: Издательство «Эйдос», 2011, с. 164-165.

5. Рыбалкина А.Л. К вопросу о повышении надежности авиационных систем. Московская молодёжная научно-практическая конференция «Инновации в авиации и космонавтике - 2012» 17-20.04.12г. Москва. Сб. тезисов докладов. -М.: ООО «Принт-салон», 2012, с. 26-27.

6. Рыбалкина А.Л. Оптимизация распределения материальных средств между структурами сложной системы, обеспечивающей безопасность полетов. Гражданская авиация: XXI век: сб. материалов IV Международной молодежной научной конференции 12-13.0412/ под общ. редакцией Н.У. Ушакова. -Ульяновск: УВАУ ГА(И), 2012, - с. 108-109.

7. Рыбалкина А.Л. К вопросу о зависимости стоимости и надежности технических систем, обеспечивающих безопасность полетов. Идеи К.Э. Циолковского: прошлое, настоящее, будущее: материалы ХЬУН Научных чтений памяти К.Э. Циолковского. Калуга, Издательство «Эйдос», 2012, - с. 235-236.

8. Рыбалкина А.Л. Оптимизация затрат на ремонт и гарантийное обслуживание авиационной техники при обеспечении заданного уровня безопасности полетов. Гражданская авиация: XXI век: Сборник материалов V Международной молодежной научной конференции (11-12.04.13г.) - Ульяновск: УВАУ ГА(И), 2013,-с. 110-111.

9. Рыбалкина А.Л. Квазиоптимальное распределение ресурсов между структурами, обеспечивающими безопасность полетов. Гражданская авиация на современном этапе развития науки, техники и общества: Сб. тезисов докладов МНТК, посвященной 90-летию гражданской авиации. - М.: МГГУ ГА, 2013, с. 93.

Соискатель А.Л. Рыбалкина

Подписано а печать: 22.11.13 Тираж: 100 экз. Заказ № 1074 Объем: 1,5 усл.п.л. Отпечатано в типографии «Реглет» г. Москва, Ленинградский проспект д.74 (495)790-47-77 www.reglet.ru

МИНИСТЕРСТВО ТРАНСПОРТА РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ВОЗДУШНОГО ТРАНСПОРТА ФГБОУ ВПО «МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ ГРАЖДАНСКОЙ АВИАЦИИ»

КОМПОЗИЦИЯ И ДЕКОМПОЗИЦИЯ СТРУКТУР АВИАТРАНСПОРТНОГО ПРЕДПРИЯТИЯ С ЦЕЛЬЮ ПОВЫШЕНИЯ БЕЗОПАСНОСТИ ПОЛЕТОВ ПУТЕМ РАСПРЕДЕЛЕНИЯ РЕСУРСОВ МЕЖДУ ЕГО ПОДСТРУКТУРАМИ

05.22.01 - Транспортные и транспортно-технологические системы страны, ее регионов и городов, организация производства на транспорте

V си

04201454729

Рыбалкина Александра Леонидовна

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель Заслуженный деятель

науки и техники РФ, доктор физ.- мат. наук, профессор Козлов А.И.

Москва-2013

Содержание

Стр.

Введение 3

1. АВИАЦИОННЫЕ ПРОИСШЕСТВИЯ КАК ПРИЧИНА ДЛЯ КОМПОЗИЦИИ И ДЕКОМПОЗИЦИИ МНОГОЭЛЕМЕНТНЫХ АВИАЦИОННЫХ СТРУКТУР 7

1.1. Гражданская авиация и рынок 7

1.2. Структурирование авиационных происшествий и инцидентов 9

1.3. Структурирование причин авиационных происшествий 17

1.4. Финансовое структурирование авиационных происшествий 24

1.5. Краткие сведения по авиационной безопасности 30

1.6. Аналитические модели 36

1.7. Безотказность элементной базы - основа обеспечения безопасности полетов 49

1.8. Выводы к главе 1 52

2. КОМПОЗИЦИЯ И ДЕКОМПОЗИЦИЯ РЕСУРСОВ АВИАЦИОННЫХ СТРУКТУР С ЦЕЛЬЮ ПОВЫШЕНИЯ НАДЕЖНОСТИ ЕГО СТРУКТУР 54

2.1. Проблема декомпозиции ресурсов в сложных структурах 54

2.2. Хаотическое рассредоточение ресурсов 62

2.3. Декомпозиция дополнительных ресурсов с целыо обеспечения максимального повышения вероятности безотказной работы 70

2.4. Декомпозиция ресурсов на этапе проектирования с целыо обеспечения максимальной вероятности безотказной работы 72

2.5. Композиционный синтез подструктур 75

2.5.1. Композиционный синтез на базе 2 подструктур 77

2.5.2. Композиционный синтез на базе 4 подструктур 81

2.5.3. Композиционный синтез на базе 8 подструктур 82

2.5.4. Композиционный синтез на базе 3 подструктур 82

2.5.5. Некоторые общие соотношения композиционного синтеза 83

2.6. Декомпозиция и композиционный синтез

для «идеальных» подструктур 84

2.7. Композиционный синтез подструктур при логарифмической зависимости вероятности безотказной работы от потребного ресурса 87 2.8 Выводы к главе 2 92

3. ДЕКОМПОЗИЦИЯ РЕСУРСА СИСТЕМЫ ОБРАБОТКИ И ОТОБРАЖЕНИЯ АВИАЦИОННОЙ МЕТЕОИНФОРМАЦИИ 95 3.1 Увеличение надежности системы обработки и отображения авиационной метеоинформации путем дублирования ее элементов 106 3.2. Выводы к главе 3 111 Заключение 112 Список использованных источников 116

Введение

Актуальность работы. Сегодня от успешной организации, технологии и управления транспортным, и авиационным в частности, производством зависит не только экономический успех и выживаемость самого производства, но зачастую и жизнь тех людей, для которых транспортные «ошибки» носят роковой характер. Имевшие место в последнее время авиационные катастрофы еще в большей степени высветили проблему обеспечение безопасности транспортных производств. Однако относительная «редкость» таких событий очень часто приводит к тому, что в условиях финансового дефицита руководителями транспортных, и авиационных в том числе производств, на обеспечение транспортной безопасности и безопасности полетов выделяются «остаточные» средства, поскольку на первый план их регулярных ежедневных забот выходят задачи приобретения новой техники и ее технического обслуживания и ремонта, необходимость решения социальных задач коллектива и развития необходимой инфраструктуры и т.д. Именно поэтому декомпозиция достаточно ограниченных ресурсов, имеющихся в распоряжении авиапредприятий и авиакомпаний, между их подразделениями и структурами в условиях обязательного выделения необходимых средств для поддержания уровня безопасности производства на максимальном или заданном уровне представляет собой весьма серьезную для успешного функционирования авиапредприятия задачу. При этом важнейшей статьей обязательных расходов являются расходы на обеспечение безопасности производства и вытекающих из нее авиационной безопасности и безопасности полетов. Сказанное свидетельствует как об актуальности, так и злободневности задачи распределения ресурсов авиапредприятий и авиакомпаний, решению которой посвящена диссертационная работа, имеющая своей целыо разработку принципов распределения ресурсов с учетом основного требования - обеспечения максимального (или заданного) уровня безопасности производства - основы безопасности полетов.

Достижение поставленной цели связано с решением следующих основных

задач:

1. Обоснование целевой функции авиатранспортного предприятия в

3

современных условиях.

2. Разработка принципов декомпозиции ресурсов авиатранспортного предприятия с целыо обеспечения экономического управления безопасностью полетов.

3. Разработка принципов декомпозиции средств авиатранспортного предприятия между функциональными структурами с целыо повышения уровня безопасности полетов.

4. Разработка математических моделей ресурсного обеспечения уровня безопасности полетов воздушных судов.

5. Оптимизация распределения ресурсов авиатранспортного предприятия между его структурными подразделениями и службами в рамках обеспечения заданного или максимального уровня безопасности полетов и авиационной безопасности.

Научная новизна диссертации состоит в том, что в ней:

1. Установлена, опираясь на Лорановские разложения, прямая функциональная связь «ресурс-вероятность безотказной работы», позволяющая с более высокой точностью описывать процессы, связанные с эксплуатацией высоко надежных систем.

2. Разработаны принципы декомпозиции ресурсов авиатранспортного предприятия, определяющие пути экономического управления безопасностью полетов, путем перераспределения между его структурами имеющегося ресурса.

3. Разработаны математические модели и вытекающие из них рекомендации, дающие возможность использовать минимальный ресурс авиапредприятия для обеспечения заданного уровне безопасности полетов.

4. Разработаны математические модели и вытекающие из них рекомендации, дающие возможность обеспечивать максимальную безопасность полетов при заданном ресурсе авиапредприятия.

Практическая значимость работы состоит в том, что ее результаты позволяют:

1. Распределять ресурсы авиатранспортного предприятия, обеспечивая заданный или максимальный уровень безопасности.

2. Использовать методы декомпозиции ресурсов авиатранспортного предприятия с целыо решения задач экономического управления безопасностью полетов.

На защиту выносится:

1. Формулировка целевой функции авиатранспортного предприятия в современных условиях.

2. Принципы декомпозиции ресурсов авиатранспортного предприятия с целью обеспечения экономического управления безопасностью полетов.

3. Принципы декомпозиции ресурсов авиатранспортного предприятия между функциональными структурами с целыо повышения уровня безопасности полетов.

4. Математические модели ресурсного обеспечения уровня безопасности полетов воздушных судов.

5. Оптимизация распределения ресурсов авиатранспортного предприятия меяеду его структурными подразделениями и службами в рамках обеспечения заданного или максимального уровня безопасности полетов и авиационной безопасности.

Апробация и публикация материалов работы

Результаты работы докладывались на следующих научных конференциях:

1. К. Э. Циолковский и современность. ХЬУ Научные чтения памяти К. Э. Циолковского, Калуга, 2010 г.

2. IX Международная научно-техническая конференция «Гражданская авиация на современном этапе развития науки, техники и общества», Москва, 2011 г.

3. К.Э. Циолковский и будущее космонавтики: ХЬУ1 Научные чтения памяти К.Э. Циолковского, Калуга 2011 г.

4. Московская молодёжная научно-практическая конференция «Инновации в авиации и космонавтике-2012», Москва, 2012 г.

5. Гражданская авиация: XXI век: IV Международная молодежная научная конференция, Ульяновск, 2012 г.

6. Идеи К.Э. Циолковского: прошлое, настоящее, будущее ХЬУП Научные

5

чтения памяти К.Э. Циолковского. Калуга, 2012 г.

7. Гражданская авиация: XXI век: V Международная молодежная научная конференция (11-12 апреля 2013 г.), Ульяновск, 2013 г.

8. X Международная научно-техническая конференция «Гражданская авиация на современном этапе развития науки, техники и общества», Москва, 2013 г.

По материалам диссертации опубликовано 16 работ, из которых 7 в изданиях, входящих в перечень изданий, рекомендованных ВАК для публикации материалов диссертаций.

Результаты работы внедрены в ОАО «НПО «Лианозовский электромеханический завод», ФГБОУ ВПО «Московский государственный технический университет гражданской авиации», что подтверждается соответствующими актами о внедрении. Структура и объем работы

Работа состоит из введения, трех разделов, заключения, списка используемой литературы, содержащих 49 наименований. Общий объем диссертации составляет 125 страниц, 28 рисунков, 14 таблиц.

1. АВИАЦИОННЫЕ ПРОИСШЕСТВИЯ КАК ПРИЧИНА КОМПОЗИЦИИ И ДЕКОМПОЗИЦИИ МНОГОЭЛЕМЕНТНЫХ АВИАЦИОННЫХ СТРУКТУР

1.1. Гражданская авиация и рынок

Смена экономической формации в стране, произошедшая более 20 лет назад, коснулась всех организаций и предприятий. Перед руководителями всех уровней со всей остротой встал вопрос о месте и роли возглавляемых ими организаций, где, с одной стороны, довлеет желание получить максимальную прибыль, а, с другой, - сдерживающие запреты и ограничения, накладываемые государством, как выразителем интересов общества. Естественно все это коснулось и гражданскую авиацию. При этом практически монопольное владение правом и возможностями быстрых перевозок объективно ставит гражданскую авиацию в определенное привилегированное положение.

Именно такое положение объективно способствует при падении объема перевозок завышению их стоимости при дороговизне основных фондов и, в первую очередь, воздушных судов и их оборудования, использованию старой и устаревающей технике, росту цен на керосин и горюче смазочные материалы, перекладыванию их стоимости на стоимость авиабилетов и перевозку грузов.

Стремление к монополизации и росту прибыли со стороны авиакомпаний государство сдерживает, в первую очередь, жесткими требованиями на безопасность полетов и авиационную безопасность. Естественно, что во главу угла здесь ставиться надежность авиационной техники, т.е. безотказность ее работы, количественно оцениваемая вероятностью безотказной работы. Причем это относится как к самому воздушному судну, так и к многочисленным службам обеспечения полетов.

Однако удовлетворение названным требованиям требует серьезных

материальных затрат. Здесь возникает узловое противоречие между

стремлением к получению максимальной прибыли и необходимыми

расходами на поддержание авиационной техники в надежном состоянии. В

7

этих условиях руководство авиатранспортным предприятием сталкивается с задачей, как распределить, имеющиеся у него средства между различными структурами и подструктурами производства, воздушного судна, его оборудования, чтобы минимизировать свои расходы при условии обеспечения заданного уровня надежности. Естественен и второй подход, сводящийся к аналогичной задаче - как распределить ограниченные ресурсы, чтобы обеспечить максимальную надежность, т.е. максимальную вероятность безотказной работы.

При обоих подходах возникает необходимость иметь прямую функциональную взаимосвязь между вкладываемыми средствами и вероятностью безотказной работы всей структуры и ее подструктур. Установление такой зависимости требует обобщения громадного количества прямых экспериментальных данных. Однако, поскольку авиационная техника является сверхнадежной техникой, у которой вероятность надежной работы оценивается 6-7 девятками после запятой [1], набрать большой статистический материал представляется не реальным. Именно поэтому для решения такого круга задач на первый план выходят модельные подходы, в основе которых лежат физически обоснованные и математически поддающиеся решению модели, анализ которых, по крайней мере, определяет пути решения практических задач. В противном случае распределение ресурсов будет происходить, по сути, случайным, хаотическим образом.

Если такая модель всей структуры будет построена, то неизбежен следующий этап - этап декомпозиции такой структуры на ряд подструктур, а распределение ресурса нужно будет производить между этими подструктурами. Таким образом, появляются дополнительные «степени свободы», помогающие решать исходную задачу. Аналогично для подструктуры также можно будет проводить декомпозицию на подструктуры следующего уровня и т.д.

Здесь же имеет место и обратная ситуация, когда с целыо повышения вероятности безотказной работы целесообразно укрупнять подструктуры, т.е. речь идет о задачах композиции.

Однако во всех случаях возникает органическая цепочка безопасность полетов, иными словами, вероятность безотказной работы (ВБР), - ресурсы авиапредприятия. Кроме того, в эту цепочку вклинивается проблема решения социальных задач коллектива, в чем заинтересованы все работники. Такова объективная ситуация, следствием чего является объективная сиюминутная незаинтересованность работников авиапредприятия в выделении средств на повышение безопасности полетов, что усиливается тем, что авиационные происшествия, предпосылки к ним и катастрофы являются крайне редкими событиями.

Сказанного достаточно, чтобы утверждать, что безопасность полетов пусть не в полной мере, но во вполне достаточной должна быть отнесена к экономической категории.

Однако отношение персонала к расходованию ресурсов на обеспечение безопасности полетов резко меняется, после того, как происходит авиационное происшествие. Для большей наглядности проведенных рассуждений ниже приводится ряд фактических данных, иллюстрирующих сказанное.

1.2. Структурирование авиационных происшествий и инцидентов

По данным Росавиации, на сегодня в российских авиакомпаниях летает более полутора тысяч различных самолетов [2]. Чуть меньше трети из них -самолеты зарубежного производства. Остальные - самолеты еще советского периода с незначительным количеством авиатехники, построенной за годы после распада Союза.

Средний возраст самолетов, летающих в России - 21 год. Это достаточно большая цифра для гражданской авиации. В Министерстве чрезвычайных ситуаций считают, что подобный показатель является

критическим, и именно его изменение есть самая главная задача для повышения уровня авиационной безопасности [2].

Безопасность на воздушном транспорте включает в себя две составляющие: безопасность полетов и авиационную безопасность [3]. Под безопасностью полетов понимают состояние, при котором риски, связанные с авиационной деятельностью, относящейся к эксплуатации воздушных судов или непосредственно обеспечивающей такую эксплуатацию, снижены до приемлемого уровня и контролируются. Авиационной безопасностью называют состояние защищенности объектов воздушного транспорта от актов незаконного вмешательства в их деятельность.

На безопасность полетов влияют следующие факторы [4]:

1. Человеческий фактор. По концепции международной организации ГА (ИКАО) человеческий фактор - люди в той обстановке, в которой они живут и трудятся, взаимодействуют с машинами, процедурами и окружающей обстановкой, а также между собой.

2. Технический фактор включает характеристики воздушных судов и другой авиационной техники, средства навигации и управления воздушным движением.

3. Неблагоприятные условия, например неблагоприятные метеорологические условия, сдвиг ветра, спутный след, наличие птиц в воздушном пространстве и т.п.

В результате воздействия неблагоприятных факторов в полете могут

возникать особые ситуации, приводящие к снижению безопасности полетов.

По степени опасности особые ситуации подразделяются на усложнение

условий полета, сложную, аварийную и катастрофическую ситуации [5].

Усложнение условий полета характеризуется незначительным

увеличением психофизиологической нагрузки на экипаж либо

незначительным ухудшением характеристик устойчивости и управляемости

или летных характеристик.

В сложной ситуации происходит заметное повышение

психофизиологической нагрузки на экипаж или заметное ухудшение летных

10

характеристик, устойчивости и управляемости, а также выход одного или нескольких параметров полета за эксплуатационные ограничения, но без достижения предельных ограничений и расчетных условий.

Аварийная ситуация характеризуется значительным повышением психофизиологической нагрузки на экипаж, значител