автореферат диссертации по транспорту, 05.22.14, диссертация на тему:Оптимизация системы оценки качества полета воздушных судов на основе информации систем объективного контроля и использования компьютерных средств

Министерство транспорта Российской Федерации ' — ' " Департамент воздушного транспорта

С - 1 " ЛИЛКЗ'Ш ГРАГДЛКСЖЯ АЕЗШЩН

Г : т

— V у»:,' На правах рукописи

ПЕР1Ш0В Кастор Борисова

УДК 656. 7.03: 3891:681.3

. оптимизация смсшу оцешо! качества ПОЛЕТА поадупшх суда ил осгавн шюттцга сбшггишюго шпто'т и

ИОПОЛЬЗОВАШЯ ШЯШГГЕРЮК СРЕДСТВ

Специальность 05.22.14 - Эксплуатация воздушного транспорта

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени' кандидата технических наук

Санкт-Петербург 1995

Работа выполнена в Ордена Ленина Академии гражданской авиации НАУЧНЫЯ РУКОВОДИТЕЛЬ.

академик Академии транспорта Российской Федерации, доктор технических наук, профессор Куклев Е. А.

ОФИЦИАЛЬНЫЕ ОППОНЕНТЫ:

доктор технических наук, профессор Олянюк П. В. кандидат технических наук, доцент Знаменский А. А.

ВЕДУЩАЯ ОРГАНИЗАЦИЯ

Государственный научно-исследовательский институт гражданской авиации

Защита диссертации состоится "_"_ 1S95 г. в часов

на заседании Специализированного Совета Д 072.03.01 Академии ГА по адресу: 196210 г. Санкт-Петербург, ул. Пилотов, 38, Академия ГА

Автореферат разослан "_"_1Q95 г.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Академии ГА.

Отзывы и замечания в двух экземплярах, заверенные гербовой печатью, просим направить по адресу: 196210, г. Санкт-Петербург, 38, Академия ГА, Ученый Совет.

Ученый секретарь Специализированного Сочета, кандидат технических наук, профессор

0. И. Михайлов

- 1 -

ОЕЦАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность тени Статистические исследования в гражданской авиации мира за последнее время свидетельствуют о том,что АП происходят в основном по причинам сочетания неблагоприятных факторов в элементах авиационной транспортной системыГАТС). Изучение данных по статистике авиашинных происшествий свидетельствует о том, что происходит общий рост уровня безопасности1полетав за последние 20 лет. Однако отмечаемая нестационарность процессов обеспечения безопасности полетов по годам подтверждает, что пока .не найдены эффективные методы, способы и средства устойчивого обеспечения 'необходимого уровня безопасности полетов.

Разработка мероприятий, направленных на предотвращение авиационных происшествий, базируется на получении достоверной информации о функционировании авиационной транспортной системы и анализе этой информации. От информативности подсистем авиационной транспортной системы зависит степень наблюдаемости параметров или показателей, которые позволяют судить о текущем состоянии системы и ее элементов для проведения- анализа и прогноза качестза ее функционирования, принятия решений и выбора управляющих воздействий.

Показателем объективности информации о действительно!.! состоянии наблюдаемой системы, является достоверность оценки еэ параметров. Она слагается из методической и инструментальной составляющих. Пергая характеризуется совокупностью наблюдаемых параметров, методикой и критериями оценки состояния системы, вторая -точностью получаемых значений параметров.

Одним из основных источников информации о функционировании авиационной транспортной системы являются системы оценки качества летной деятельности, под которыми будем понимать комплекс техни-

ческих средств, алгоритмов и процедур, включающий: системы организации сбора информации; набор технических средств (магнитные регистраторы полетной информации, наземные средства: посадочные локаторы, систему обработки т;!г.а ЛУЧ-84, теоретические руководства, связанные с НЛП, Р.Т , инспектированием полетов и другие); методы учета психологических факторов и оиибок пилотирования.

В настояцэе время представляется актуальным оптимизировать систему оценки качества летней деятельности за счет поиска рациональных сочетания ыекду элементами этой системы при использовании высокоэффективных компьютерных средств.

Оптимизация системы оценки качества полета возможна благодаря тому, что развитие компьютерной техники в последние годы способствует Солее рационах ому использованию технических средств за счет перенесения акцента при анализе полетной информации в область разработки компьютерных программ, поскольку наличие универсальных персональных компьютеров высокой производительности позволяет реализовать автоматизацию многих мероприятий, которые ранее 'прОБОДШИСЬ вручную.

Одним из важных элементов системы оценки качества полета является совокупность средств объективного контроля, состоящих из бортовых и наземных средств, регистрирующих выходные параметры системы "эювах-воадушое судно". Для обработки полетной информации в ГА используются наземные вычислительные комплексы (,*Дуч-84","Рапин","Лайнер","ПС-90" и т.п.), позволяющие осуществлять автоматизированную и экспресс обработку полетных данных, а тага® их графическую интерпретация. В то же время автоматизация процесса интерпретации результатов обработки полетной информации в этих системах реализована й недостаточной степени для эффективного анализа д установления пркчкн лэтных происшествий, а также Для разработки рекомендаций по обеспечению безопасности полетов.

Это обусловлено, с одной стср'ни сложностью Формализации

- 3 - • -

процесса принятия решения, а с другой стороны - недостаточно;! точностью регистрации ряда лилотатных параметров, ограничивавшей достоверность оценки нерегистрируемьх параметров, таких как траектория движения воздуснг "о еу.лнз; его угловсе положение на этой траектории; эффективность управляе^х действий авто:.'.ат!!ки и пилота в аварийной ситуации при различных предполагаема отказах авиационной техники или внесних воздействиях. Точность регистрации пилотажных параметров, в своз очередь, определяется-точностью датчиков и регистрирующей аппаратуры.

Поэтому,- важной и своевременной является задача совершенствования системы оценки качества полета ВС, Еклкча-ацзя сероприя-тия по повышению точности определения параметров полета и поиску алгоритмов, способствующих повышению эффективности процессов обработки полетной информации и интерпретации результатов обработки.

Цель джсертациошгоЯ работы состоит в повьсзении эффективности существующей системы оиекк:! качества полета ВС на основе формирования комплекса мероприятий по псвыщеним точности регистрации ряда параметров полета. Фиксируешь системами сбъективнйго контроля и разработки алгоритмов функционирования систем накопления, классификации и упорядочения данных.. " . ■ .'

Для достижения этой цэлн были поставлены и ресены следуках-задач*

- разработка концептуальной модели блока повызэния_точности системы оценки качества полета ВС и построение его математической модели;

- анализ возможности идентификации параметров математической модели блока повышения точности системы оценки качества полета ВС и разработка мероприятий для их определения;

- расширение функциональных возможностей наземных вычислительных средств за счет создания, на базе разработанной в ГосШШ

ГА системы обработки полетной информации, программного комплекса, позволяющего упростить процесс анализа полетной информации;

- разработка комплекса программных оболочек для систематизации и упорядочения нормативной документации, облегчающего работу с этой документацией.

Ызтода исолэдовашш, примененные автором для решения задач включают: •

- общую теорию систем;

- теорию множеств;

- методы дискретной фильтрации;

- методы вычислительной математики:

- методы структурной оптимизации;

- методы оптимизации к 'а программных модулей.

Для реализации системы использовался подход генерации оптимального кода по критериям минимизации объёма занимаемой памяти и максимизации быстродействия программных модулей в рамках инструментального средства "ТАЗМ 2.0".

Научная новизна работы состоит в следующем:

1. Проведен анализ наблюдаемости погрешностей датчиков первичной информации акселерометрического и гироскопического типа с учетом расширенной модели ошибок определения ориентации.

2. Обоснована целесообразность применения метода, наименьших квадратов из области дискретной фильтрации для решения задачи идентификация погрешностей датчиков первичной информации.

3. Разработан подход к структурированию данных в исследуемой задаче систематизации и упорядочения нормативной документации, • состоящий в векторном представлении информации, характеризующей документацию.

4. Обоснована необходимость иерархического подхода к синтезу систем, осуществляющих накопление и визуализацию структурированных данных.

-5- ••

5. Сформулированы требования, предгявляемые к организации и интерфейсу программных компонент, осуществлявших работу со структурированными данными.

Практическая ценность работы .

1. Разработана методика проведения калибровочных мероприятий, позволявшая повысить точность датчиков первичной информации, находящихся на борту воздушного судна и измеряющих навигацион-но-пилотажные параметры полета. '

2. Разработана структура организации данных,"характеризующих многофункциональные системы, отличавшаяся универсальностью и малым объемом занимаемой памяти.

3. Предложен алгоритмический подход, использующий древовидное представление информации для организации программных средств накопления, упорядочения и визуализации дачных.

Реализация результатов.

Разработки, представленные в диссертации реализованы и внедрены в научно-исследовательских и опытно-конструкторских работах, выполняемых Академией ГА по заказам предприятий ГА, а такта и в учебном процессе. * * '

В Нижневартовском авиапредприятии:

- программное ядро.программно-аппаратного комплекса по отработке действий экипажа вертолета МИ-8 в особых случаях полета

В комплексе средств для расследования авиапроисшествий и оценки качества полета (НИР N 72.2.28.92/180) использованы:' •

- программное обеспечение по фильтрации сигналов датчиков первичной информации акселерометрического и гироскопического ти-.' па(НЧР N 72.3.46.94/1648};

- программные, компоненты накопления статистической пнформа-' ции на базе разработанного в ГосНИИ ГА программного обеспечения ПС-ЭОС НИР N 72.2.70.92/684, ПИР Н 72.2.93.92/994);

- система автоматизированного модульного проектирования для

подготовки и обработки нормативной документации НИР N 72.3. 27. 93/ 1311).

В системах автоматизации информационного обеспечения научных разработок в учебном процессе использованы:

- электронный справочник "ЛЛ-114" - программа научно-методического обеспечения ввода в серийную эксплуатацию самолетов нового поколения типа Ш1-114;

- электронный справочник "Транспортное право";

- электронный справочник "Программа работ по созданию нормативно-правовой базы, регламентирующей деятельность воздушного транспорта на 1994 год.

}£а ьадагу вшосятся :

1. Математические модели осибок датчиков первичной информации систем определения ориентации и навигации воздушных- судов и метрологических средств для их юстировки.

2. Методика определения• параметров математических моделей ошибок датчиков первичной информации.

3. Структура организации данных программных комплексов для упорядочения и систематизации нормативной документации.

4. Алгоритмический подход к построению программных комплексов, использующий иерархическое представление информации.

АгроОацкя работы. Основные результаты диссертационной работы докладывались автором на ряде научно-практических конференций: на VI Всесоюзной научно-практической конференции "Безопасность полетов и человеческий фактор в авиации'Ч Ленинград 1991);науч-но-техяических конференциях профессорско-преподавательского состава КирПИ (Киров, 1990 - 1934).

ПуОликацкж По результатам исследований опубликовано 12 работ, из них 6 авторских свидетельств.

Структура и объбм работы. Диссертационная работа состоит из введения, четырёх глав, заключения, списка литературы и приложе-

ния. Основная.часть содержит 100 страниц, 18 рисунков и 4 таблицу, список литературы из 100 наименований.

СОДЕРКА1ПШ РАБОТЫ

Во введении обосновывается актуальность исследования, выполненного автором, определяется цель и основные задачи, работы. Представлена аннотация глав и формулируется основные научные результаты, выносимые на заппту.

В первой главе "рассматривается состояние вопроса' в данной области, основные проблемы и критерии оптимизации систе.чы оценки качества полета ВС.

Состояние вопроса на сегодняшний день характеризуется тем, что ведутся разработки и получены результаты в области повышения точности регистрации полетных параметров ( известна система для регистрации полетных параметров на твердых носителях ), однако проблема повышения точности датчиков первичной информации остается открытой.

В настоящее время ведутся работы и в направлении расширения функциональных возможностей наземкой аппаратуры. Известна автоматизированная система обработки полэтнсй ик£зр>-зцки "ЦС'-90"( раз--работанная в ГссШ"! ГЛ.- Автором разработки является творческий коллектив во главе с Лившицем Г. Л. Однако эти рззрабоиси могут быть дополнены методами анализа и интерпретации полетных данных путем создания компьютерных библиотек. •

В области систематизации нормативной документации применение' современных систем управления базашг данных ( СУБД, таких как FOXPRO, DBASE, CLIPPER и др. ) оказывается зачастую недостаточно эффективным.

фи этом, при анализе направлений совершенствования систем оценки качества летной деятельности можно выявить следующие проб-

лечи: еначителъные еатраты времени на анализ полетной информации; Солькие ватраты труда руководящего состава; недостаток или отсутствие автоматизации в накоплении и обработке статистического материала лая выявления тенденций в деятельности экипажей. Эти проблемы обусловлены следующий обстоятельствами:

- отсутствие^ эффективных систем для упорядочения и систематизации нормативной документации;

недостаточной точность» регистрации полетных параметров;

- ограниченными, функциональными возможностями наземных вычислительных комплексов.

Оптимивация системы оценки качества полета может быть достигнута еа счет комплексного ревения этих задач. Процедура решения поставленных вадач базируется на применении системного подхода к аааливу структуры систе ' оценки качества Полета, ..модель которой моют выть представлена в виде:

- 5, - £5, .2, ,...,2, ГД },

. 1 Ч 2 1

г^е - подсистемы или подклассы системы 2^,

Г 1 "параметры, характеризующие структуру системы и факторы, воздействующие на систему, I - время.

Такой подхрд предусматривает оптимизацию данной системы, представленной, в структурном плане, в виде совершенствования отдельных ее элементов.

В качестве критериев оптимизации могут быть приняты : время

принятия ревения 6 системе т и достоверность оценивания полетной

оп

ситуации с .

к

... - д - ■ ' •

Время принятий решения В' системе складывается из времени

расшифровки данных - Т , времени интерпретации результатов - Т , .

. рс и

времени принятия решения оператором - Т . .•.•••

сп • '• ■■

В качестве второго критерия принята точность (ошибка) оценивания полетной ситуации с , которая определяется ошибками датчи- '

к • •

ков - Р .ошибками регистрирующей аппаратуры - Р ' , ошибками визу- .

Д РР • .

ализации .обусловленных дйскретностью представления информации - Р ,

. в

и ошибками в принятии решения оператором I . Предполагая ,• что

оп . ■ ■ •

ошибки аддитивны , ошибку . Оценивания полетной ситуации 8 можно

. к

представить в виде: , . : .

{ - а > э.' + р > I

к д - рр ' в оп

Ошибки в принятии решения являются функцией от многих параметров: ' ;

£ - Р(Р ,У.Э I Г ) • оп н н Ь Ь . .

Р - вид представления информации системой; 7- количество н

параллельных ветвей алгоритма принятия решения;Э - эргономические

н

параметры интерфейса; Г.- совокупность условий, при которых происходит функционирование системы " комплекс - оператор "; ч^'-эмо-ционаяьно-лсихологическое состояние оператора

В данном исследовании элемент I не рассматривается ,а опти- .

оп •

мизация по критерию с. сводится к его минимизации . к

Вторая глава диссертации посвящена'поиску путей оптимизации системы оценки Качества полета по критерию минимума ошибки оценивания полетной ситуации в части, касающейся минимизации элемен-

тов р и £ . Д РР

Данные о параметрах полета момю получить с помощью использования информации систем объективного контроля,в частности .магнитной системы регистрации параметров полета,называемой также МОРЕ

Информацию, полученную б результате расшифровки записей бортовых магнитных регистраторов можно в значительной степени уточнить, используя методы математической фильтрации и предварительную- калибровку датчиков, показания которых регистрируется магнитными системами.

■Для осуществления процесса калибровки, необходимо задаться математической моделью ошибок датчиков, которые и будут составлять вектор калибровочных параметров.

Уточнение таких параметров, как вертикальная, боковая и продольная перегрузки, скорости, курс, тангаж, крен будет рассматриваться как цель калибровочных мероприятий.

В качестве . математических моделей блока ошибок датчиков измеряющих линейные скорости и ускорения, целесообразно, при данном уровне знаний об этих объектах, принять модель:

. [аА ] - [ А 3+1 А ПА] хО 1)

где [ДА] - матрица ошибок блока чувствительных элементов;

[А ] - матрица систематических ошибок ВЧЭ; [А ] - матрица муль-10 1] , типликативных ошибок БЧЭ и ошибок перекоса; [ А ] - измеряемый

Еектор.'

Аналогично, для датчиков, измеряющих угловые параметры модель ошибок можно представить в виде:

[доз - св ]+св пенек пса 10 1] и

где [¿2] - матрица ошибок блока чувствительных элементов;

СВ ] - матрица систематических ошибок БЧЭ; [В ] - матрица муль-ш п ■ ■ •

типликативных ошибок БЧЭ и ошибок перекоса; [К ] - матрица ошибок

.и

БЧЭ, зависяЕйх от перегрузки; СЭ] - вектор ускорения свободного

падения; С а] - измеряемый вектор.

Задача калибровки заключается в определении матриц [А •] и [А ]

10 и .

при известном значении [АЗ; СВ [В ], [К 3 при известных С£1Э и'

¡0 и и

Ш. Такая ситуация возможна при расположении БЧЭ на поворотном

столе и измерении проекций вектора ускорения свободного падения (3

и вектора угловой скорости вращения Земли на оси БЧЭ. ' ■ ',

В качестве метода фильтрации обоснована, целесообразность

применения метода наименьших квадратов.

Третья глава посвясрна мероприятиям по минимизации времени

принятии решения . '

Время принятия решения в системе складывается из времени

расшифровки данных - Т , времени интерпретации результатов - Т , рс и

времени принятия решения оператором - Т :

оп

* - Т +' т + т

оп рс и оп

Т и Т зависят от ряда факторов : • рс и ...

Т - Е (а,Р.Г) Т - И (а,0,Т)

рс 1 ..и 2

а - параметры , . определяющие быстродействие используемой техники; Р - параметры , определяющие быстродействие программных модулей и интерфейса; у - количество параллельных ветвей алгоритмов расшифровки данных и интерпретации результатов соответственно . ■ • -

- 12 -

Время принятия решения оператором определяется

' Т - Р (В ,Г )

■ -оп з ь ъ ь

/где В - цепочка событий . отражающих последовательность технологических операций , я - эмоционально-психологическое состояние оператора , Г - совокупность условий , при которых происходит функционирование системы " комплекс <- оператор " .

. В-данном исследовании элемент Т не рассматривается ,а опти-

оп

мизация по критёрш г заключается в его минимизации .■ оп '

'■. В качестве основного решения проблемы минимизации времени принятия решения предложен подход, базирующийся на иерархическом представлении информации системой.

.При этом, решение проблемы заключается в использовании иерархических структур для визуализации данных.

.Идея упорядочения систематизированной документации в ГА с использованием принципа иерархического представления информации принадлежит руководителю диссертации Куклеву Е. А. Здесь эта идея развивается применительно к визуализации данных любого типа.

•. ■ В'четвертой главе рассмотрены мероприятия по минимизации времени принятия решения, заключающиеся в отыскании структуры представления информации сложных систем.

В качестве такой структуры предлагается использовать векторное представление информации, характеризующей сложные системы. Структура такого рода предполагает представление любого типа информации в следующем виде:

Номер раздела

Номер подраздела

Номер документа

Краткое имя элемента

Краткая характеристика элемента

Количество занимаемых блоков информации

Координаты 1-го блока

Размер 1-го' блока

Координаты 1-го блока Размер 1-го блока

Подобная структура позволяет реализовать систему представления данных, в которой оптимальным образом учтены требования быстродействия и объемов занимаемой памяти.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

1. Основным результатом проведенного исследования является подтверждение возможности представления ряда алгоритмов практической деятельности в области оценки качества полета ВС в виде эффективных компьютерных программ.

2. Проведен анализ направлений совершенствования существующей системы оценки качества летной деятельности с позиций оптимизации систем.

3. Разработаны математические модели ошибок датчиков, изме- ' ряющих основные пилотажно-навигационные параметры.

4.Проведен анализ наблюдаемости, параметров математических

моделей ошибок датчиков первичной информации и разработана последовательность калибровочных мероприятий по идентификации этих параметров.

5. Проведен анализ информационных структур и выявлены закономерности в распределении данных, описывающих систематизированную документацию.

6. Разработана структура, основанная на векторном представлении информации, оптимальная для хранения систематизированных данных- . ' .

.7. Разработаны и внедрены следующие программы: ' программное обеспечение по фильтрации сигналов датчиков первичной информации акселерометрнческого и гироскопического типа;

- программные компоненты накопления статистической информации на базе разработанного в ГосНИК ГА программного обеспечения ПС-90; ■

. --система автоматизированного модульного проектирования для подготовки и обработки нормативной документации;

' - программное ядро программно-аппаратного комплекса по отработке действий'экипажа вертолета МИ-8 в особых случаях полета;

. . - -электронный справочник "ИЛ-114" - программа научно-методическоГо обеспечения вврда в серийную эксплуатацию самолетов нового поколения типа ИЛ-114;

- -электронный справочник "Транспортное право";

- электронный справочник "Программа работ по созданию нормативно-правовой базы, регламентирующей деятельность воздушного транспорта на 1994 год.

- 15 - ' ;

Основные положения диссертации опубликованы в следуюпщх работах :

1. Посохин С. В., Перминов В. Б. К решению задачи повышения точности измерительных средств инерциальных навигационных систем .. //Математические методы в метрологии . Межвузовский сборник научных трудов под ред. Назарова ЕГ проф. ,д.т.н. Москва, '.Ш1 . 1939,0.43-55. • .

2. Перминов В. Б. .Перминов Б. А„,Сабов В. В. .Устройство для измерения крутящего момента на валу асинхронного электродвигателя. //Авторское свидетельство' Н 1732197. • | ..

3. Перминов Б. А. .Перминов Е Б. Устройство для контроля асинхронных-электродвигателей // Авторское свидетельство N 1742653.

4. Перминов Б. А. .Перминов ЕВ.' Способ измерения сопротивления и устройство для его осуществления //Авторское свидетельство N . 1748088 '.

5. Перминов Б. А. , Перминов В. Б. Устройство для измерения крутящего момента на валу асинхронного электродвигателя //Авторское свидетельство N 1747963.

6. Перминов Б. А. .Перминов В. Б. Устройство для измерения крутящего момента на валу асинхронного электродвигателя //Авторское свидетельство N 1747963.

7. Посохин С. В. , Перминов ЕЕ К анализу наблюдаемости погрешностей датчиков первичной информации в сдвоенных ИГО , имеющих относительное врашение //Тезисы докладов-XIV.студенческих Гага-ринских чтений: Москва1988.

8. Перминов Е Б. Отчет по рабочему проекту по ОКР "Нормаль 1-ПБ"

КирПИ, 1991,0.90-11б//Раздел отчета.

. 9. Перминов В. В. Повышение точности измерения параметров полета путем калибровки датчиков бортовых магнитных регистраторов. //Проблемы эксплуатации,применения и развития авиационной техни-■ ки. Региональный сборник научных трудов под ред. Куклева Е. А. проф. ,д. т.н. С.Петербург, изд.Академии ГА, 1993 г.

10. Куклев Е. А. .Дмитриев В. А. .Перминов В. Б. Оптимизация представления информации в задачах.сопровождения научных разработок // Проблемы эксплуатации, применения и развития авиационной техники. Региональный -сборник научных трудов под ред. Куклева Е. А. проф.,д.т.н. С.Петербург, изд. Академии ГА, 1993 г.

11. Лившиц Г. Л., Куклев Е. А., Дмитриев К А., Перминов Е Б., Подбелова П. Е. Классификатор событий в подсистеме распознавания ситуаций на базе ПС - 90 // Проблемы эксплуатации,применения и развития авиационной техники. Региональный сборник научных трудов под ред. Куклева Е. А. проф. ,д. т. н. 'С. Петербург, изд. Академии ГА, 1993 г.

12.' Перминов Б. А. .Перминов В. Б. .СаОов В. В. .Рабовский И. С. , ВЬро-хов Л. С. Способ регулирования скорости надвигания пилы при распиловке лесоматериалов и устройство для его осуществления //Авторское свидетельство N 1663377.