автореферат диссертации по транспорту, 05.22.13, диссертация на тему:Разработка и обоснование методики оценки показателей безопасности воздушного движения в Российской Федерации на основе ограниченной исходной статистики

Введение.

1 .Состояние безопасности воздушного движения ГА РФ.

1.1. Общая характеристика безопасности воздушного движения.

1.2.Обоснование заданного уровня безопасности полетов.

1.3.Модель уменьшения вероятностей столкновений воздушных судов вследствие потерь эшелонирования.

2.Информационная поддержка в интересах безопасности воздушных судов.

2.1.Современные требования к организации информационного обеспечения.

2.2.Учет специфики транспортных систем при определении безопасности движения.

2.3.Пример оценивания показателей безопасности полетов воздушных судов.

3.Методика расчета точности показателей безопасности полетов, определяемых по ограниченному числу исходных статистических данных.

Вопросам безопасности воздушного движения как в Российской Федерации, так и в других странах, особенно в таких развитых в авиационном отношении странах, как США, Великобритания, Франция, Германия, уделяется повышенное внимание. Международная организация гражданской авиации - ИКАО - постоянно разрабатывает и уточняет требования к показателям безопасности воздушного движения для стран, входящих в ее состав.

Однако до сих пор не существует строгих количественных методик оценки реальных показателей безопасности воздушного движения и проверки их на соответствие задаваемым требованиям в силу ограниченного объема исходных статистических данных о тяжелых летных происшествиях воздушных судов.

Все существующие методики строятся на получении точечных оценок (средних значений) истинных, остающихся неизвестными, показателей безопасности полетов воздушных судов именно на основе ограниченной статистике по авариям и катастрофам.

Поэтому получаемые в каждом конкретном случае точечные оценки неизвестных значений математических ожиданий, дисперсий (СКО) и моментов более высоких порядков на основе фиксированной ограниченной выборки являются лишь реализациями случайных величин - точечных оценок истинных показателей безопасности полетов однотипных воздушных судов (ВС). По имеющейся ограниченной статистике даже нельзя построить истинную (устойчивую) функцию распределения интересующих показателей безопасности полетов.

В диссертации и обосновывается на основании последних фундаментальных достижений в области математической статистики (точнее, в ее современном разделе -компьютерной статистики) принципиально новая и строгая оценка истинных статистических показателей безопасности полетов ВС.

Методика базируется на основе реальных данных для показателя безопасности полетов - наработки на одно летное происшествие (катастрофу) однотипных ВС (проводится статистическое оценивание математического ожидания такой наработки и ее дисперсии (СКО)). Тем не менее она остается справедливой и для оценки любого другого статистического показателя безопасности ВС (например, для оценки истинных значений математического ожидания и дисперсии - числа летных происшествий (катастроф) на фиксированное (заданное) число часов налета однотипных ВС и для любых других статистических показателей безопасности полетов.

В диссертации также предлагается новый подход, ориентированный на широкое использование вычислительной техники - к сбору, анализу и отображению разнородных статистических данных по безопасности полетов ВС.

И последний элемент новизны, отраженный в диссертации - модель полета ВС на маршруте по упреждающим коридорам движения. Реализация этой модели (по данным моделирования) позволяет на 2-3 порядка уменьшить вероятность столкновения воздушных судов на маршруте (при наличии точного измерения координат ВС, например, с помощью спутниковых систем навигации и связи).

Таким образом, цель работы состоит в

- создании принципиально новой методики (и современной вычислительной программы) статистического оценивания истинных показателей безопасности полетов на основе ограниченного (несколькими десятками реализации) объема исходной информации о тяжелых летных происшествиях ВС;

- разработке общих подходов к анализу и обработке с помощью вычислительной техники больших динамических массивов информации о безопасности полетов ВС;

- создании эффективного алгоритма упреждающего управления полетом воздушного судна в пределах заданного коридора движения.

Объектом исследования является система организации воздушного движения (ОВД РФ) и парк однотипных ВС.

Предмет исследования - безопасность воздушного движения в Российской Федерации.

Теоретическую и методологическую основу диссертационного исследования составили труды отечественных и зарубежных авторов по проблемам надежности и безопасности транспортных систем.

К числу таких ученых относятся Б.М. Абрамов, Е.Ю. Барзилович, В.Ю. Болтачев, Ю.К. Беляев и его ученики в Швеции, где проф. Ю.К. Беляев преподает в настоящее время, Б.В, Зубков, В.Е. Емельянов, Г.А. Крыжановский, A.A. Кузнецов, Е.А. Куклев, В.И. Люлько, Р.В. Сакач, В.Б. Спрысков, Ю.М. Федоров, В.А. Уманский и другие ученые.

Информационной базой исследований послужили публикации в отраслевых изданиях, информационно-аналитические материалы Государственной службы гражданской авиации и ее предшественников - ФС ВТ РФ и ФАС РФ, труды ГосНИИ «Аэронавигация», ГосНИИ ГА и кафедры «Безопасности полетов» МГТУ ГА.

Практическая значимость работы состоит в том, что реализация ее результатов позволит определить эффективность существующих точечных оценок статистических показателей безопасности полетов ВС, упорядочить и ускорить обработку больших массивов данных о безопасности полетов как в системе ОВД РФ, так и в объемах парков однотипных ВС, и существенно уменьшить вероятность столкновений ВС на маршруте.

Апробация работы. Основные результаты опубликованы в 3-х научных статьях (в «Научных вестниках» МГТУ ГА), в 3-х тезисах докладов научных конференций. Они также докладывались на юбилейной Международной научно-технической конференции в МГТУ ГА (дважды) в мае 2001 года, на семинаре РАН «Проблемы воздушного транспорта РФ» (1999 год), на Всероссийской НТК по проблемам развития транспорта России (сентября 2001 года).

Внедрение результатов диссертации. Результаты диссертации внедрены в действующей методике по расчету показателей безопасности воздушного движения в системе ОВД России, утвержденной двумя заместителями руководителя Департамента государственного регулирования в 2000 году, о чем имеется соответствующий акт.

Таким образом, на защиту выносятся следующие вопросы:

- обзор материалов по безопасности воздушного движения ГА РФ;

- предложения по совершенствованию информационного обеспечения в целях оценки безопасности В Д и надежности авиационной техники;

- основные положения современной теории перевыборок, используемые в диссертации;

- новая методика оценки показателей безопасности ВД ВС ГА по ограниченной статистике;

- примеры расчетов показателей безопасности ВД по реальным данным.

Выводы по работе.

1. Анализ безопасности полетов и безопасности воздушного движения целесообразно проводить отдельно по двум большим группам ВС, существенно отличающимися друг от друга методами и средствами УВД и навигации, спецификой осуществления полетов, летно-техническими характеристиками и др., а именно - для магистральных воздушных судов и ВС, осуществляющих полеты по местным воздушным линиям 1-й категории (1-я группа ВС); для ВС, осуществляющих полеты по МВД 2-й категории и ПАНХ (2-я группа ВС).

2. За все годы наблюдений, начиная с 1965 года, имело место 164 катастрофы ВС 1-й группы, из которых 54 связаны с недостатками функционирования системы УВД, т.е. приблизительно одна треть. Из 182 авиационных происшествий без человеческих жертв (АП БЧЖ), 31 происшествие связано с УВД, что составляет ~ 17%.- Наконец, лишь 3-4% инцидентов от общего количества связано с неудовлетворительной деятельностью УВД.

3. Анализ безопасности полетов за последние 11 лет (до 1997 года включительно) выявил тенденцию ухудшения безопасности полетов в СССР/СНГ. Такая тенденция явилась следствием и отражением ухудшившийся в те годы политической и экономической ситуации в стране (распад СССР, нарушение налаженных политических и экономических связей, в т.ч. налаженной инфраструктуры авиационной транспортной системы, экономический спад и др.).

4. Анализ безопасности полетов США для ВС аналогичной группы и сравнение с безопасностью полетов в СССР/СНГ и РФ показал:

-уровень безопасности полетов США за последние 10-11 лет практически стабилен, составляя 4,3 - 4,4-10"71/л.ч.;

-уровень безопасности полетов в СНГ и РФ в настоящее время отстает от США в 3 -3,5 раза.

5. Анализ безопасности полетов транспортной авиации США, аналогичной отечественной транспортной авиации, осуществляющей полеты по МВЛ-2, показал:

-уровень безопасности полетов США за последние 10 лет стабилен и составляет около 27-10 "7 1/л.ч.;

-уровень безопасности полетов США в настоящее время превосходит уровень безопасности полетов в СНГ - в 2,4 раза, в РФ - в 3,6 раза.

6. Все существующие модели и методики определения показателей безопасности полетов (средней наработки воздушных судов на одно летное происшествие по различным причинам, в том числе и по причинам УВД) не дают возможность в общем случае (при неизвестном законе распределения случайной наработки на происшествие) оценить по принципиально ограниченной выборке неизвестное математическое ожидание, дисперсию такой наработки, а также моменты и более высоких порядков.

7. Отсюда возникают трудности в достоверности существующих расчетов показателей безопасности полетов и невозможности ответить на вопрос: соответствуют ли определяемые показатели заданным требованиям (в частности, требованиям ИКАО).

8. Бурное развитие в последние годы методов математической статистики, опирающихся на широкое использование вычислительной техники, позволило дать строгое научное обоснование построению на базе первоначально ограниченной статистической выборки некоторых искусственных распределений, асимптотически точно повторяющих неизвестные распределения отклонений средних от математических ожиданий наработок на одно летное происшествие. Это дало возможность ликвидировать пробелы, указанные в выводах 1 и 2.

9. Предложенная в диссертации методика может быть рекомендована для централизованного использования не только для воздушного транспорта, но и для других видов транспорта (автомобильного, водного, железнодорожного, трубопроводного).

10. Данная методика не противоречит существующим методикам расчета показателей безопасности полетов, разработанным и используемым в ГосНИИ ГА и ГосНИИ «Аэронавигация», а удачно дополняет эти методики.

1. Уманский В.А. Анализ состояния безопасности полетов за рубежом и подход ИКАО к определению заданного уровня безопасности, ГосНИИ «Аэронавигация», М., 1993.

2. Уманский В. А. Анализ состояния безопасности воздушного движения ГА СНГ и РФ и разработка методики обоснования целевых уровней безопасности воздушного движения, ГосНИИ «Аэронавигация», М., 1994.

3. Разработка предложений по совершенствованию методов оценки уровня безопасности полетов и соответствия его заданным требованиям при ОВД РФ. Отчет по НИР, отв. исполнитель Барзилович Е.Ю, ГосНИИ «Аэронавигация», М., 1998.

4. Анализ состояния безопасности полетов при УВД за последние 10 лет и разработка рекомендаций по совершенствованию ОВД. Отчет по НИР, отв. исполнитель Спрысков В.Б, ГосНИИ «Аэронавигация», М., 1999.

5. Разработка методики расчета показателей безопасности воздушного движения в системе ОВД России. Отчет о НИР, ГосНИИ «Аэронавигация», М., 2000.

6. Данные АСУ «Безопасность» за 1976-1993 г.г.

7. Анализ состояния безопасности полетов, связанной с недостатками функционирования КС УВД, на магистральных самолетах Аэрофлота за период их эксплуатации (Ил-86, Ил-76, Ту-154, Ту-134). Отчеты по НИР, ГосНИИ «Аэронавигация», М, 1992-1993 г.г.

8. Статистические данные по безопасности полетов США. «News», National Transportation Safety Board. Washington, DC 20594, 1997.

9. Методика определения минимумов эшелонирования, применяемых для разделения параллельных линий пути в структурах маршрутов ОВД,Монреаль. Циркулятор ИКАО 120 А/82/2,1976.

10. RGCSP-WG/A-WP/17, 22/4/92. Derivation of a future TLS for use in NAT airspace. Montreal, 1992.

11. Review of the target level of safety for NAT MNPS airspace. CS Report 9301-CAA London, 1993.

12. Target level of Safety: FAA System Análisis Branch Draft Technical note, Montreal, 1996.

13. Четыркин E.M. Статистические методы прогнозирования. M.: Статистика, 1977.

14. Мартино Дж. Технологическое прогнозирование. М.: Прогресс, 1977

15. Барзилович Е.Ю., Зубков Б.В., Бецков А.В. и др. О новом подходе к определению эффективности точечных оценок показателей безопасности полетов. Научн. вестник МГТУ ГА, №3 5, М., 2001. с. 115-126.

16. Уманский В.А. О некоторых подходах к оценке уровня безопасности воздушного движения. В сб. Вопросы кибернетики. Проблемы управления воздушным движением. М.: АН России, 1992.,

17. Бецков А.В. Оценка показателей безопасности полетов при ограниченной статистике. Тезисы докладов МНТК, МГТУ ГА, М., 2001. с. 44.

18. PGCSP WG/A - WP/17, 22/4/92. Derivation of a future TLS for use in NAT airspace. - Montreal, 1992.

19. Review MNPS Airspace of Target level of Safety (TLS) Concept. NAT SPG/27, WP/47,1994.

20. Группа экспертов по рассмотрению общей концепции эшелонирования, 5-е совещание. Монреаль. DOC. 9465, RGCSP/5,1995.

21. W. Canell. Target level of Safety for Vertical Separation. RGCSP -WG/B, WP/61, January, 1991.

22. Report of the North Atlantic Traffic Forecasting Group, 26-th Meeting, June 1992.

23. Report of the Mathematicians Working Group. WP/55, NAT SPG/28. Paris, May 1992.

24. RGCSP, 6-е совещание. Вертикальное эшелонирование на больших высотах. RGCSP WG/WHL WP/103,15/11/83. - Монреаль, 1990.

25. Risk: Analisis, Perception and Management. Report of the Royal Society Study Group, the Royal Society, 1992.

26. Бецков A.B. Методика определения точности средних показателей безопасности полетов. Научи, вестник МГТУ ГА, № 35, М., 2001. с. 36-41

27. Implementation of 1000 ft Vertical Separation Minimum between FL 290 and FL 410. LTMNAT WP/15,1992.

28. P. Brooker and T. Ingham. Target level of Safety of Controlled airspace. CAA Paper 77002,1977.

29. E.H. Davies. The Introduction of new parameter values within the collision Risk Model and their Possible effect on the decision making Process, NATSPG/26,1990.

30. Федеральная программа модернизации Единой системы ОВД РФ на период до 2005 года. М., 1993.

31. Анализ существующего состояния системы ОВД РФ и возможных организационно-правовых форм ее функционирования. Отчет / ГосНИИ «Аэронавигация», М., 1995.

32. Надежность и эффективность в технике. Справочник в 10-и томах. Том 8 Эксплуатация и ремонт. Под ред. В.И. Кузнецова и Е.Ю. Барзиловича, М., Машиностроение, 1990.

33. Проблемы управления воздушным движением. Сб. Вопросы кибернетики, АН СССР, М., 1992.

34. Belyaev Yuri К. Bootstap, Resampling and Mallows Metric Institute of Mathematical Statistics Umea University, Umea, Sweden, Lecture notes, N 1, 1995.

35. Belyaev Yuri K. Central Limit Resampling Theorems for m Dependent Heterogeneons Random Variable. Department, of Mathematical Umea. University, Umea, Sweden, Research Report, N 5,1995.

36. Барзилович Е.Ю. Приложение математических методов к задачам эксплуатации авиационной техники. ВВИА им. проф. Жуковского, М., 1965.

37. Барзилович Е.Ю., Беляев Ю.К., Каштанов В. А. и др. Математические вопросы теории надежности. Радио и связь. М., 1983.

38. Зубкав Б.В. Методологические основы анализа и оценки безопасности полетов и летной годности воздушных судов (теория и практика). МГТУ ГА, М., 1997,

39. Барзилович Е.Ю. Оптимально управляемые случайные процессы и их приложения. ЕАТК, Егорьевск, 1996.

40. Барзилович Е.Ю. Оптимальное управление движением ВС по отклонениям от заданной траектории. Труды международной НТК по глобальной навигации. М., 1997.

41. Барзилович Е.Ю., Беляев Ю.К. Об алгоритме оптимальногоуправления векторным случайным процессом. В сб. трудов IX школы понадежности больших систем. Екатеринбург, 1990.160

42. Разработка предложений к модернизации системы ОВД РФ. Отчет по НИР. М., НП «Инновационное Агентство», 1998.

43. Анодина Т.Г., Галкин В.Я., Мастрюков A.C., Федоров Ю.М. Проблема модели автоматизированной системы ОВД. Отчет по НИР. ГосНИИ «Аэронавигация», М., 1997.

44. Разработка концепции создания системы мониторинга и принятия решения для транспортных, промышленных и энергетических комплексов. Отчет по НИР, НП «Инновационное Агентство», М., 1996.

45. Бецков A.B. Статистическая оценка точности определения средних показателей безопасности полетов (новый подход). Научи, вестник МГТУ ГА, № 35, М., 2001. с 42-44