автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.01, диссертация на тему:Разработка моделей и методов управления качеством объектов воздушного транспорта при испытаниях и эксплуатации

На правах рукописи

ЕВДОКИМОВ ВЛАДИМИР ГРИГОРЬЕВИЧ

РАЗРАБОТКА МОДЕЛЕЙ И МЕТОДОВ УПРАВЛЕНИЯ КАЧЕСТВОМ ОБЪЕКТОВ ВОЗДУШНОГО ТРАНСПОРТА ПРИ ИСПЫТАНИЯХ И ЭКСПЛУАТАЦИИ

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Специальность 05.13.01 - Системный анализ, управление и обработка информации (транспорт)

Научный руководитель Доктор технических наук Гипич Г.Н.

Москва - 2008

003455828

Работа выполнена в Учебно-методическом центре Открытого акционерного общества «Авиатехприемка».

Научный руководитель: - доктор технических наук

1'ипич Геннадий Николаевич Официальные оппоненты:

- доктор технических наук Грущанский Василий Аркадьевич

- доктор технических наук, профессор Ципенко Владимир Григорьевич

Ведущая организация: ОАО НПО «НАУКА».

Защита диссертации состоится " 18 " декабря 2008 года в 16 часов на заседании диссертационного Совета Д 002.017.03 в Вычислительном центре им. А.А Дородницына РАН по адресу: 119991, г.Москва, ул. Вавилова, д.40.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Вычислительного центра им. А.А Дородницына РАН.

Автореферат разослан

2008 г.

Ученый секретарь диссертационного Совета Д 002.017.03 кандидат физико-математических наук

Мухин А.В.

Актуальность темы. Вопросами обеспечения надежности и безопасности объектов воздушного транспорта занимаются многие научные коллективы, инженерно-конструкторские и технологические подразделения предприятий промышленности, а также инженеры-эксплуатационники. При этом особенно важна роль инженерно-авиационной службы, которая непосредственно обеспечивает надежность и безопасность эксплуатации воздушного транспорта. Следует отметить, что указанная проблема становится все острее в последнее время, при этом частота возникновения неисправностей и авиакатастроф не снижается. Многие задачи, связанные с обеспечением надежности и безопасности авиационного транспорта, в нынешней экономической обстановке для своего решения требуют нестандартного подхода.

К числу обострившихся проблем, в частности, относится проблема проведения испытаний в условиях жестких ресурсных и финансовых ограничений, оценивание технических и эксплуатационных характеристик объектов воздушного транспорта по малым выборкам, по ограниченному числу измерений параметров и т.п., приводящих к возрастанию рисков как производителей авиационной техники, так и эксплуатационников.

Одной из мало изученных и важных задач является задача учета влияния на надежность и безопасность объектов воздушного транспорта так называемого человеческого фактора, т.е. влияния индивидуального или коллективного оператора (экипажа) на безопасность применения авиационной техники. Современный самолет является примером такой системы, обеспечение надежности и безопасности эксплуатации которой во многом определяется качеством теоретической и практической подготовки оператора.

По статистическим данным до 70% аварий, поломок и катастроф связано с ошибками летного состава. Вместе с тем известно, что отрасли машиностроительной промышленности, разрабатывающие и производящие наукоемкие комплектующие элементы и подсистемы, начиная с 90-х годов, находятся в глубочайшем кризисе, сопровождающемся сокращением объемов заказов и производства. Задача усложняется и тем, что около 70% объема производства запасных частей для авиакосмической техники и других сложных систем после распада СССР осталось в странах СНГ. В связи с этим многие функции контроля качества комплектующих элементов, а также многие центры экспериментального моделирования работы этих элементов в условиях эксплуатации, выключены из активной работы. Такие тенденции привели к тому, что служба обеспечения надежности объектов воздушного транспорта и тесно связанная с ней служба обеспечения безопасности значительно ослаблены. Современное состояние авиационной и космической промышленности отрицательно отразилось на таком важном показателе как аварийность, а также способствовало непредсказуемости процессов эксплуатации и использования воздушного транспорта.

Исходя из современных экономических требований в основу разрабатываемых в диссертации моделей управления системой испытаний положен «затратный» принцип, и в этом

главное отличие новых моделей оценивания эффективности испытаний от моделей, использованных ранее.

Отсюда можно сделать вывод, что в нынешней ситуации значительно возросла роль методов моделирования, прогнозирования надежности и безопасности отдельных элементов, блоков и подсистем, управляемых человеком и входящих в состав системы воздушного транспорта.

Научным базисом диссертации послужили работы многих известных ученых как в области теории и практики заводских испытаний, так и в области обеспечения надежности и безопасности воздушного транспорта на этапе эксплуатации. К таким работам в первую очередь относятся работы Воробьева В.Г., Кузнецова Н.И., Дедкова В.К., Маркова В.М., Барзиловича Е.Ю., Воскобоева В.Ф., Новикова B.C., Судакова P.C., Волкова Л.И, Волкова Е.Б. и др. Фундаментальные работы в области надежности и безопасности систем выполнены крупными учеными: Гнеденко Б.В., Соловьевым Н.Д., Беляевым Ю.К., Каштановым В.А., Северцевым H.A. и др.

Однако, ситуация, сложившаяся к настоящему времени в системе испытаний и эксплуатации объектов воздушного транспорта, обусловленная предельной изношенностью испытательного оборудования и значительным расходом ресурса авиационной техники, требуют разработки новых подходов к учету человеческого фактора в управлении ОВТ, поскольку роль этого фактора для воздушного транспорта является определяющей как в решении задач надежности управления, так и точности выполнения программ движения и безопасности движения. Подчеркнем, что решение поставленной задачи во многом опирается на результаты исследований в данной области таких авторов как Маныпин Г.Г., Воскобоев В.Ф., Шлаен М.Я., Креденцер Б.Г., Судаков P.C., Ишин С.С. и др.

Целью диссертации является решение новой научно-практической задачи разработки методов управления системой испытаний и эксплуатации ОВТ, вытекающей из современных подходов к оцениванию эффективности системы испытаний и новых условий эксплуатации ОВТ. Новизна этих условий связана, во-первых, с деградацией испытательной базы и, во-вторых, с возросшей ролью человеческого фактора при управлении объектами авиационной техники, с продленным ресурсом.

Объект исследования. Объектом исследований диссертации являются характеристики качества заводских испытаний ОВТ и характеристики надежности и безопасности эксплуатации объектов воздушного транспорта, управляемых человеком. Техническим объектом, на примере которого реализуется применение разработанных новых методов, является авиационный газотурбинный двигатель (ГТД).

Методы исследования. В качестве основных методов исследований в диссертационной работе использованы методы системного анализа, теории управления, теории вероятностей, теории

надежности, теории эффективности, математического и имитационного моделирования, теории принятия решений и квапиметрии.

Научная и практическая значимость диссертационной работы заключается в разработке новых подходов к оцениванию характеристик системы испытаний, отвечающих современной ситуации в испытательном комплексе, и разработке новых методов оценивания роли человеческого фактора в обеспечении на практике безотказной и безаварийной эксплуатации ОВТ.

Практическая ценность работы. Практическая ценность диссертации заключается в разработке новых методов оценки надежности и безопасности объектов воздушного транспорта, управляемых человеком, и в частности, инженерных методов оценки безаварийной работы ГТД и их приложений. Предлагаемый метод впервые и в простой форме позволяет учесть фактор управления ОВТ человеком, что повышает объективность и достоверность оценки надежности, безаварийности и безопасности полетов.

Реализация результатов исследований. Новые научные результаты, полученные в диссертации, используются в практической деятельности ряда научно-производственных организаций (НПО им, С.А. Лавочкина, завод «Сокол», завод им. Климова и др.). Инженерные методики, разработанные в диссертации, используются в НИИ и КБ при расчетах надежности и безопасности ГТД с учетом фактора управления оператором.

Научная новизна работы. Разработаны новые методы оценивания характеристик системы испытаний ОВТ и результатов испытаний объектов воздушного транспорта с учетом показателей «затратности» испытаний. Предложен новый подход к оцениванию характеристик ОВТ как эргатических систем, на основе которого получены новые научные результаты по оценке надежности и безопасности объектов воздушного транспорта. Практическое применение разработанных в диссертации инженерных методик для ГТД в своей совокупности представляет новый подход к оценке эксплуатационной надежности объектов воздушного транспорта, управляемых человеком.

На защиту выносятся:

- методика определения затрат, требующихся для выполнения типовой задачи с заданной вероятностью при заданной стоимости однократного применения ОВТ;

- методика оценивания качества заводских испытаний ОВТ по величине затрат на испытания и потерь в эксплуатации, обусловленных ограниченной достоверностью результатов испытаний;

- методика расчета частичных потерь («недополучения» полезного эффекта), обусловленных погрешностями измерения при испытаниях и прогнозирования параметров ОВТ, и обоснован подход к оптимизации затрат на испытания и эксплуатацию ОВТ;

- методика определения «достаточности» перечня контролируемых при испытаниях параметров, обеспечивающего адекватность модели ОВТ, построенной с использованием этих параметров, реальной действительности;

- новый подход к оцениванию вероятности успешного выполнения задачи ОВТ, как комплексного свойства эргономической системы, с учетом безопасности управления и надежности работы ОВТ;

- методика определения показателя безопасного управления ОВТ на основе критериев освоения оператором теоретических знаний и практических навыков, обеспечивающих безопасное управление.

- методика учета влияния оператора на надежность работы ОВГ, и методика определения «коэффициента значимости неисправности».

Апробация работы. Основные положения и результаты диссертационной работы доложены, обсуждены и одобрены:

1. На международном симпозиуме «Надежность и качество» (INERNATIONAL SYMPOSIUM «Reliability & Quality»), Россия, Пенза, 21-30 мая, 2007.

2. На международной научной конференции «Проблемы системной безопасности». Москва, Центральный дом ученых РАН. 17.10 2007 г.

3. На 3-й Международной научно-технической конференции «Космонавтика. Радиоэлектроника. Геоинформатика» Рязань, ноябрь 2006.

Объем и структура работы. Диссертация изложена на 158 страницах машинописного текста и состоит из введения, трех глав, списка литературы из 108 наименований. Список публикаций по теме диссертации приводится в конце реферата.

Список публикаций по теме диссертации приводится в конце реферата.

Содержание работы

Во введении обоснована актуальность диссертационной работы, определены область исследований, методология и научные методы решения поставленных в работе задач. Дано обоснование цели исследования и новизны полученных результатов.

В первой главе «Методологические основы оценивания качества технических систем при испытаниях» рассмотрены методологические и методические основы исследования эффективности испытаний ОВТ, а также оценивания влияния заводских испытаний на эффективность применения ОВТ по назначению. Испытания современных сложных систем - важнейший этап жизненного цикла технических объектов, определяющий уровень качества как на момент проведения испытаний, так и обоснованность прогнозов надежности на весь срок эксплуатации. В структуре испытаний важнейшее место занимают заводские испытания.

Затраты на испытания во многих случаях превышают другие виды расходов, связанных с разработкой и производством современной техники. Поэтому вопросы оптимизации процессов испытаний, такие, например, как определение оптимального объема испытываемой выборки или оценка эффективности испытаний, являются предметом многих теоретических и прикладных исследований. Важнейшим элементом исследования системы является оценка ее эффективности. Под эффективностью технической системы понимается свойство процесса ее функционирования, выражающееся в приспособленности к решению поставленных перед ней задач.

Показатели эффективности выбирается исходя из основного назначения системы. Наиболее информативным показателем эффективности является вероятность выполнения задачи, стоящей перед системой. В качестве критериев, используемых для оценивания пригодности или оптимальности системы по показателям эффективности, применяются условия:

Сх 1 ! {т<п> £ > |) ~ - (пригодности по принадлежности);

(5*2 I из — ? ~~ (пригодности по превосходству);

С?з = Р^ Т - (пригодности по оптимальности).

В диссертации особое внимание уделяется терминам, определяющим фундаментальные понятия, правильное понимание которых имеет принципиальное значение. Прежде всего, следует различать понятия оценки качества и оценивания качества Оценка качества - это числовая характеристика показателя качества, получаемая опытным путем или с помощью расчетов (при косвенных измерениях) с использованием модели показателя качества. Оценивание качества - это процедура принятия решения о качестве объекта. Оценивание качества возможно только в замкнутой

схеме, т.е. когда к качеству объекта предъявлены требования. Именно требования «замыкают» схему оценивания. Эта задача решается с помощью критериев оценивания качества. Таким образом, не следует смешивать понятия «показатель» и «критерий оценивания», первое из которых означает числовую характеристику, т.е. меру (количественную или качественную), а второе - совокупность условий, т.е. высказываний и предикатов, реализующих принятые принципы и определения.

Для достижения поставленной цели заводских испытаний реализуется целенаправленная деятельность, т.е. операция. Под операцией понимают упорядоченную совокупность взаимосвязанных действий, объединенных общим замыслом и направленных на достижение цели операции.

Содержательно цель операции может определяться по-разному, однако во всех случаях она заключается в получении требуемых результатов, соответствующих цели операции, что формально означает выполнение условия

где I <3> - компоненты вектора допустимых значений результатов заводских испытаний

технического объекта У <3>~У <3> где - характеристики условий

применения объекта;

в<цр> - показатель целевого результата заводских испытаний (операции), характеризуемый выражениями: «цель операции достигнута» или «задача системой выполнена».

Соотношение (1) равносильно условию пригодности системы по результатам проведенных испытаний для использования по назначению с требуемой целью, и, таким образом, представляет собой формальное выражение цели заводских испытаний.

Очевидно, что качество любого сколько-нибудь сложного объекта (системы) не может быть охарактеризовано лишь одним свойством, и, следовательно, показатель качества такого объекта есть вектор. При сравнительном оценивании качества различных объектов возможно возникновение противоречий из-за неоднозначности ситуации принятия решения, поскольку по одним свойствам более качественным может оказаться один объект, а по другим - другой. Задачи принятия решений в подобных ситуациях принято называть «многокритериальными». Поэтому все известные методы решения таких задач посвящены поискам компромиссных решений путем построения так называемых «обобщенных показателей» качества, называемых еще «целевыми» или «критериальными» функциями. Обобщенные показатели представляют собой различные функции от частных (единичных) показателей. Поэтому возникает задача свертки этих показателей. Решение задач оптимизации по многим показателям называется векторной оптимизацией.

При решении задач векторной оптимизации используются принципы равномерности, справедливой уступки и предпочтительности.

Принцип составления обобщенного показателя реализуется в различных видах:

показатель который желательно увеличить, а в знаменатель -такой показатель ¡У2, который желательно минимизировать.

Б. Показатель в виде разности: IV- IV¡- (У: (3). В этом случае в качестве \Уи выбирается такой показатель, который желательно увеличить, а 1У2 - показатель, который желательно уменьшить.

Показатели эффективности вида (2) и (3) обладают тем недостатком, что одно и то же значение показателя эффективности можно получить при различных значениях IV! и

т

В. Составной показатель: цг = ^к-УУ^ где ' число частных показателей

/=1

эффективности; к,- коэффициент важности (веса), 1-го частного показателя эффективности.

Г. Функциональный показатель: IV- Ц'(\¥¡, Щ,..., (5). Вычисление функционального показателя эффективности системы, как правило, вызывает трудности.

Оптимизация обобщенного показателя эффективности, как и оптимизация главного показателя, производится с применением обычных методов: линейного и нелинейного программирования, теории игр, сетевого метода, принципа максимина и т.п.

В диссертации рассмотрены различные подходы к свертыванию частных показателей качества в обобщенные показатели, получившие распространение на практике. В качестве критериальных функций, используемых при разработке методов анализа результатов испытаний, в диссертации нашли применение функции следующего вида:

Аддитивные критериальные функции: \У = \У (У^ ) = У\ = Э ~ функция целевого эффекта операции;

А. Показатель в виде дроби: (2). В числитель отношения (2) записывается

7 (У У') ~ сепаРа®ельная Функция результатов операции; или при

р п ,=1 ' ' '

возможности линеаризации функции

1=1

- сепарабельная функция параметров и эксплуатационно-технических характеристик

(ЭТХ) системы и процесса ее функционирования

если

1=1

функции СС (х;) линеаризуются, то

«Мультипликативные» критериальные функции.

Наряду с приведенными выше «аддитивными» критериальными функциями в диссертации нашли применение:

- функция целевого эффекта операции и расходуемых на его получение ресурсов

W = Wp{Y<2>) = yx|y2=Э|r: (б)

- функции результатов_операции в виде цг = \у ^у ) = П /а' (у ) или в виде

Р " ¿=1 '

К = '!Гр(Г<я>) = \-Т1[\-/1{у1)] - ™

1=1

- функции параметров и ЭТХ системы и процесса функционирования

т

т м I \

7=1

(В)

(9)

(10)

J=1

В ряде случаев использованы функции от целевых функций

^о

* К-Щ

где (V/, - значение, принятое к -й целевой (критериальной) функцией (из числа приведенных выше) в результате проведения операции; - значение, принимаемое к -й целевой функцией без

проведения операции; - значение, принимаемое к-й целевой функцией при проведении

операции в идеальных условиях (при идеальной организации).

Рассмотренные в первой главе способы получения обобщенных показателей выходного эффекта испытаний применяются в диссертации при обосновании методики оптимизации характеристик системы испытаний.

Во второй главе «Модели и методы вероятностно-статистического анализа заводских испытаний объектов воздушного транспорта», показано, что попытка уменьшить продолжительность разработки объектов воздушного транспорта путем сокращения объема заводских испытаний и числа испытываемых образцов приводит к обратным результатам - время полигонных испытаний, а,

следовательно, и время разработки увеличивается, экономические затраты возрастают. При оценке эффективности испытаний применяется системный подход. В этом случае заводские испытания следует рассматривать как подсистему системы создания и применения авиационной техники, и, исходя из этого, оценивать эффективность заводских испытаний.

Показатель результатов испытаний (эффект) связан с характеристиками системы, измеряемыми при испытаниях. При этом достоверность результатов измерения отражает качество испытаний. Главная цель испытаний - объективное отражение технического состояния испытываемой системы. Показатель результатов испытаний можно записать в форме

математического ожидания некоторого функционала У, который зависит от результатов измерений (Д£<„>; <т>

случайного вектора измеренных величин

где У{АХ<п> ; А<т> ) - функция

АХ<п> — (Лх,,...,ДГл) и неслучайного вектора А<т> — ,..., (Хт ) -параметров системы испытаний. Эффект испытаний можно оценить по критерию пригодности как вероятность

того, что величина У находится в заданных пределах

= <¥{АХ<п>,Л<т>)<е2)=Рдч,

где £1= £,(дХ<п>,А<т>) и е2 =£2(АХ<п>,Л<т>) ~ заданная область изменения результатов

испытаний. Вектор А<т> = А<т> ((Х^,..., СХт) характеризует процесс испытаний - их длительность, трудоемкость, результативность и т. п, а случайный вектор АХ<п> определяет

достоверность результатов испытаний. Составляющие Дх.=хи—х"р вект°Ра представляют собой ошибки измерений.

Эффективность испытаний определяется как степень соответствия результатов испытаний требуемым значениям

Р > Т>тр

гдц ~ гдц '

Важную роль как в оценке эффекта испытаний, так и оценке их эффективности играет выбор функционала У, являющегося по сути дела неслучайной функцией случайных аргументов. Опыт показывает, что в качестве интегральной функции У, зависящей от многих случайных

переменных, нередко принимается стоимость испытаний. Поэтому целесообразно в качестве

обобщенной функции (функционала) ¥ взять функцию затрат. С учетом принятых обозначений математическое ожидание функции затрат можно представить в следующем виде:

= м[?м]+Л4?"[ (12)

где У - функция затрат, приходящихся на испытания, з(аХ< >,А< >) ~ функция

стоимости проведения испытаний; ) - функция стоимости потерь при эксплуатации

системы вследствие ошибок измерений (да - математическое ожидание функции затрат,

обусловленное достоверностью определения состояния системы в момент ее испытаний, -

математическое ожидание функции затрат, обусловленное достоверностью результатов прогноза состояния системы на период ее эксплуатации.

Таким образом, потери из-за недостаточного качества информации, полученной при испытаниях, можно разделить на две группы: потери, связанные с непредвиденной затратой средств в эксплуатации сверх запланированных расходов, и потери вследствие недополучения полезного эффекта в процессе эксплуатации ОВТ.

Обозначим математическое ожидание дополнительных затрат при эксплуатации летательных аппаратов (ЛА), вызванных ошибками измерений, через

М[И^<т>)] = М[Мэ], (13)

где _М[Д5Э] - математическое ожидание дополнительных затрат на эксплуатацию с

тем, чтобы ОВТ могли выполнить поставленную задачу. К примеру, для выполнения определенной задачи потребуется увеличить число летательных аппаратов сверх запланированного числа, если надежность летательного аппарата не достаточно высока. Пусть требуемая вероятность выполнения

некоторой задачи равна Ртр, а вероятность ее выполнения одним ЛА равна , причем « Р „р. Требуемое для выполнения задачи количество ЛА (N) найдется из выражения

1 тр

откуда:

Ртр=\-(\-РУ, 04)

лг=

М1 ~Ртр)

(15)

1п{\-Рд

Дополнительный наряд средств, используемых для выполнения задачи, следует отнести к незапланированным затратам, вызванным ошибками измерения.

Функция стоимости потерь, которые могут иметь место в эксплуатации, вследствие ошибок измерения показателя надежности при испытаниях, принимает вид

у(АХ<п>) = 8э1АЫ, Об)

где АЫ = - дополнительный наряд ЛА.

Дополнительные затраты на эксплуатацию ЛА можно записать как

(17)

где Яэ1 - стоимость эксплуатации одного ЛА, Л/[Д/У] - математическое ожидание дополнительного числа ЛА.

Решение задачи при условии, что Р^ « Р тр, приводит к недополучению (частичной потере) полезного эффекта в эксплуатации. Обозначим математическое ожидание полезного эффекта

системы через

Ж = М[Э].

где э=т - полезный эффект функционирования системы, н - случайная

величина, характеризующая количество работы, выполненной за время эксплуатации, к -масштабный коэффициент, руб./единиц измерения работы.

Если функция Н мало отличается от линейной в окрестности математических ожиданий своих аргументов, то зависимость между значениями параметров и величиной потерь можно определить по формуле

Н(Тф;х1,... ,х„) - Н(Тфо ;лг1о ,...,л:Ло)-

- т \01ф1о ¿=1

\дх> у

ДХ;

где АГф — (Гф0 — Тф ) , Ах — (х.^ — Х-) - ошибки прогнозирования

длительности работы и измерений параметров системы при испытаниях. Математическое ожидание недополученного полезного эффекта, связанного с ошибками измерения выходных параметров системы, будет

М[<р(АХ<п>)] = к

'дН}

чэгф,

АГ+1

/=1

Гдн}

Кдхи

Ах,

(18)

При обосновании стоимости испытаний следует учитывать характер накопления результатов функционирования системы во время эксплуатации.

При отсутствии ошибок измерений

При наличии ошибок измерений

I

__

Рис. 1

На рис 1 приняты следующие обозначения: & - доход от применения системы, £„ - затраты на разработку, изготовление и испытания, ус, - прирост положительного эффекта, - потери в

эксплуатации, связанные с ошибками измерений при испытаниях.

Чем выше требования к измерению выходных параметров изделия при испытаниях

А Ж

, тем больше риск поставщика (и затраты на испытания). При этом затраты на эксплуатацию изделия М ] и риск потребителя минимальны. Чем ниже требования к достоверности измерений

выходных параметров при испытаниях, тем меньше затраты на испытания Д/[5] . но стоимость

эксплуатации и, соответственно, риск потребителя возрастают (рис. 2).

Для нахождения оптимума затрат на испытания следует построить область возможных изменений стоимости испытаний и стоимости эксплуатации ЛА (см. рис. 2).

На рис 2 приняты следующие обозначения: Л/^] - математическое ожидание затрат на испытания в зависимости от ошибок измерения выходного эффекта

М^] - математическое ожидание затрат в эксплуатации в зависимости от ошибок прогнозирования выходного эффекта АIV по результатам испытаний, математическое

ожидание суммарных затрат на испытания и эксплуатацию, ДИ^ - оптимальная погрешность измерения выходного эффекта системы, соответствующая Л/■

М[?\ М[¥] , М[5]

ы

IV а М[?] с I м[¥] /

—Л /

* /

——' гк ____м[з]

1

дж

Рис.2

Вопрос об обосновании перечня контролируемых параметров системы является одним из фундаментальных вопросов теории систем, от решения которого зависит как сложность аналитической модели системы, так и стоимость ее испытаний. В диссертации предложен метод обоснования перечня контролируемых параметров на основе исследования функций чувствительности. Допустим, что система характеризуется т параметрами х,, ..., хт, значения которых определяют результативный эффект данной системы Я

Я = я{ххг.,хт). (19)

Обозначим допустимое или требуемое значение результативного признака функционирования системы Я через Я тр. По критерию превосходства система считается пригодной к использованию, если выполняется условие

)2/г

(20)

Условие (2.27) называется критерием превосходства, а степень удовлетворения этого условия - есть показатель приспособленности системы к выполнению своей задачи, т.е. является иоказа1едем эффекшвноои исаьиании. Слепень влияния измеряемых, при исиьааниях аараме[ров х/, ..., хт на показатель выходного эффекта К можно оценить с помощью функций чувствительности:

ЭК ЭК дя

, при условии, что эти производные существуют.

Эх] дх2 дхп

Тогда возрастающий ряд производных

Ж > дп > эя

¿хк2 дхк Кт

позволяет

расположить множество параметров системы х/, .... х„ в порядке возрастания степени их влияния на

показатель ее эффекта Я; »-"-¿2 »•••»-^ 1' Заметим, что чем больше число

контролируемых параметров тем шире программа испытаний, тем большее количество контрольно-измерительной аппаратуры привлекается для проведения испытаний и, в конечном счете, тем больше стоимость испытаний.

Однако может оказаться, что система обладает высокой чувствительностью к изменениям некоторого параметра, тогда как сам параметр является более стабильным, чем параметр, оказывающий меньшее влияние на выходные характеристики системы. При этом может оказаться, что

дК

дХ:

Ж

дху

, но

— Ах,-

ОХ:

дК .

-Ах,-

дХ; '

, где Ах,. Ах.

соответственно,

вариации /-го и ./'-го параметров. Поэтому для определения перечня контролируемых параметров в диссертации предложен критерий отбора параметров следующего типа:

(

дя

у

Эхе

>1 /

>...>

Г \2

* Ж Эх с

V

(21)

т /

где (7? ... - дисперсии соответствующих параметров.

» ¡2' ''

Определенная приведенными выше неравенствами последовательность параметров, расположенных в порядке убывания степени влияния их вариации на эффект функционирования системы, принимает вид

П2~ V^i'xs2 '••••>xsm

(22)

В третьей главе «Методики оценивания надежности и безопасности объектов воздушного ipaHcnopia с учеюм влияния человеческою фаыора» p<updöoiaiibi кршерии и 1юказа1сли надежности и безопасности ОВТ, как эргономических систем, управляемых человеком, и разработаны соответствующие методики определение этих показателей.

В качестве основных показателей безопасного управления и безаварийной работы ОВТ в диссертации предложено использовать вероятность безопасного управления ОВТ -Ре* и вероятность безаварийной работы ОВТ - Рс.

Показатель Р6» назван техническим показателем надежности ОВТ, а вероятность Р6„ -эргономическим показателем надежности ОВТ. Обобщенный показатель надежности ОВТ определяется в виде произведения вероятностей

Р = РбЛ а. (23)

Для определения вероятности безаварийной работы и безопасного управления ОВТ в диссертации разработаны оригинальные методики оценивания соответствующих показателей и методы обработки исходных данных.

Для оценивания вероятности безопасного управления ОВТ, предложены критерии, определяющие допустимые границы теоретических знаний и практических навыков операторов, допущенных к управлению ОВТ, исключающие возможность возникновения аварийных ситуаций. В качестве показателей уровня освоения оператором ОВТ теоретических знаний и практических навыков в области управления ОВТ, предлагается использовать неравенства

р(Т, То) < ртр, А/7, Л„) < р'щ„ (24)

и г(Т, Т„) > rmp, г(Л, П0) > rmp, (25)

где /3(7", То) и р(П, По) - расстояния между матрицами теоретических знаний оператора Т и практических навыков П и матрицами их требуемых значений Т0 и П0. При этом подразумевается, что совокупности оценок (в баллах) теоретических знаний и практических навыков оператора могут быть выражены, соответственно, в форме матрицы оценок теоретических знаний (7) и матрицы оценок практических навыков (П) управления объектом воздушного транспорта.

Первые два критерия (24) означают, что расстояния р(Т, Т0) и р{П, П„) (называемые евклидовой нормой) не превысят допустимых значений р,„р и р',„р этих расстояний. Вторые два критерия (25) означают, что коэффициенты корреляции r{T, Т„ ) и г(П/1„) между матрицами Т и П теоретических знаний и практических навыков оператора и матрицами их требуемых значений Т0 и П0 будут не меньше допустимых значений rmp и г'„р этих коэффициентов.

Так как ответы оператора от одного теста опроса к другому могут изменяться в зависимости от многих и трудно учитываемых факторов, то следует признать, что элементы матриц Г и П имеют определенный разброс, т.е. являются случайными. Поэтому о выполнении (или о не выполнении) критериев (25) успешного овладения оператором навыков безопасного управления ОВТ можно говорить лишь с определенной вероятностью.

В качестве показателя безопасного управления оператором объектом воздушного транспорта в диссертации предложена вероятность выполнения следующих условий

Р6„=Р(р{Т,Т0)<ртр- р(Я,Я0)<р;р; г(Т,Т0)>гтр г(П,П0)>г^р)

(26)

Выполнение условий (26) означает успешное (на требуемом уровне) освоение оператором теоретических знаний и практических навыков, обеспечивающих безопасное управление ОВТ.

Для оценки показателя безаварийной работы ОВТ (Р&,) в диссертации предложен метод учета роли оператора в предотвращении возможности возникновения аварийной ситуации в условиях полета. Степень влияния оператора на безаварийную работу ОВТ отражается коэффициентом значимости неисправности. Методика оценки коэффициентов значимости неисправности заключается в следующем.

Обозначая через = Р(а,< Х{ - Ь,) (где 1< /< N - число элементов в системе) вероятность

нахождения характеристики х, в допуске [а„ Ы\, выразим ее через вероятность выхода за допуск:

р.=1—д., где д. = Р([йг,,^,]^ - вероятность того, что требования технической

документации к характеристике х, не выполняются (характеристика х, выходит за допуск).

Событие [а„ Ь,] далее называется неисправностью ОВТ по / - й характеристике. В некоторых случаях это событие может привести к выходу технического устройства (элемента, блока, агрегата и т.п.) из строя, и тогда оно называется отказом. Во многих случаях оказывается, что при выходе характеристики х„ например, некоторой характеристики газотурбинного реактивного двигателя (ГТД), за допуск, т.е. при х,<£ [а„ Ь,], ОВТ может выполнить возложенные на него функции.

Вероятность безотказной работы ОВТ по характеристике х, определим как

Р1 — 1—• гДе число 7, определяется посредством соотношения т], = Р( А / А /).

Число 77, представляет собой условную вероятность события А., заключающегося в выполнении ОВТ возложенных на него функций на заданном интервале времени [0,7], при условии,

что имела место неисправность ;-го элемента А ¡. При этом вероятность события А вычисляется

при условии, что имело место событие А с=х,£ [а„Ь,], т.е. при условии выхода характеристики х, за установленный допуск [а„ 6,].

Число изменяется в пределах 0 <т],< 1 и называется коэффициентом значимости неисправности х,е[а„ 6,1. Если при выходе х, за установленный допуск ОВТ не выполняет

возложенные на него задачи, то 77 ,= Р( А / А ,) = 1. Если при выходе х, за установленный допуск

ОВТ выполняет возложенные на него задачи, то Г) ,= Р( А / А ,) = 0. Для оценивания показателя Рса безаварийной работы ОВТ, состоящего из п элементов, предложена формула следующего вида:

рба = Л>0 " ~ ЯгЛг)-^ ~

(27)

N

Рб„ = Р„ПР1 ,Р, = (1-Я,Ц), (28)

/=1

где Ро - вероятность выполнения задачи системой в целом, на заданном интервале времени [0,7], определяемая при условии, что все характеристики ОВТ находятся в установленных допусках.

Практические расчеты по этой формуле безаварийной работы ГТД показывают, что неучет коэффициента значимости неисправности может приводить к занижению надежности ГТД, а, следовательно, и ОВТ, на несколько десятков процентов.

В диссертации разработаны методики оценивания коэффициента значимости неисправности (весового коэффициента неисправности) и вероятности безопасного управления ОВТ по результатам летных испытаний, по результатам тренировочных работ на авиационных тренажерах и др. Приведены примеры практических расчетов этих показателей.

Разработана также методика получения исходных данных для расчета вероятности безопасного управления ОВТ и методика оценивания вероятности безопасного управления ОВТ с практическим приложением.

Особое внимание уделяется разработке методик расчета показателей безопасного управления и безаварийной работы ГТД. Разработана классификация параметров ГТД по отношению к весовым коэффициентам, для чего все параметры ГТД разделены на критические, некритические параметры первой группы и некритические параметры второй группы. Разработаны методики определения весовых коэффициентов неисправностей ГТД по результатам работы на тренажере и по результатам статистического моделирования.

Основные научные результаты

В диссертации решена актуальная научная и практическая задача разработки комплекса моделей и методов управления качеством объектов воздушного транспорта при испытаниях и эксплуатации. Результаты работы позволяют ЛПР принимать решения по управлению испытаниями и эксплуатацией ОБ Г, взвешенные по критериям и показателям функциональной и экономической эффективности. При решении этой задачи получены следующие научные результаты:

1. Дано обоснование критериев и показателей качества технических систем и процессов их функционирования, определяемых при испытаниях, и показано принципиальное различие между понятиями оценки качества и оценивания качества ОВТ.

2. Дан сравнительный анализ обобщенных показателей качества систем, на основе которого сделан вывод о целесообразности использования в качестве такового показатель эффективности операции. Показатель эффективности операции удовлетворяет всем требованиям, предъявляемым к обобщенным показателям, и характеризует комплексное операционное свойство («качество») функционирования технической системы, определяющее приспособленность к выполнению стоящей перед ней задачи.

3. Разработана схема оценивания эффективности операции, включающая два этапа: на первом этапе определяется показатель виртуального качества результатов операции, а на втором этапе определяется показатель эффективности операции или вероятность достижения цели системой.

4. На основе проведенного анализа показано, что для многокомпонентного («многокритериального») оценивания и анализа качества операций, вводятся в рассмотрение различные функции - «свертки» компонент вектора качества (показателя результатов операции). Показаны принципы построения таких «сверток» на основе аддитивных критериальных функций, «мультипликативных» критериальных функций и функции от целевых функций, позволяющие решить проблему скаляризации «многокомпонентных» показателей эффективности.

5. Разработан комплекс моделей и методик, являющихся составной частью системы управления качеством объектов воздушного транспорта, обеспечивающих планирование, организацию и оценивание результатов испытаний ОВТ на этапе наземных испытаний и отработки.

6. Разработан новый (ранее не применявшийся в подобных исследованиях) подход к оцениванию эффективности заводских испытаний ОВТ на основе «затратного принципа», адаптированного к современному состоянию предприятий машиностроения и испытательной базы.

7. Разработана математическая модель оценивания качества заводских испытаний ОВТ по величине затрат на испытания и потерь в эксплуатации, обусловленных ограниченной достоверностью результатов испытаний.

8. Разработана методика оценивания дополнительных затрат, обусловленных погрешностями измерений, проводимых при испытаниях.

9. Разработана методика расчета частичных потерь («недополучения» полезного эффекта), обусловленных погрешностями измерения и прогнозирования параметров ОВТ при испытаниях, и обоснован подход к оптимизации затрат на испытания и эксплуатацию ОВТ.

10. Разработана методика определения «достаточности» перечня контролируемых при испытаниях параметров, обеспечивающего адекватность модели ОВ Г, построенной с использованием этих параметров, реальной действительности.

11. Разработаны критерии и показатели надежности и безопасности ОВТ, управляемого человеком, и дано определение надежности и безопасности ОВТ как комплексного свойства эргономической системы.

12. Разработаны математические модели оценивания уровня теоретической и практической подготовленности оператора к управлению сложной технической системой.

13. Разработан вероятностный показатель безопасного управления ОВТ (Р~п ) на основе

критериев освоения оператором теоретических знаний и практических навыков, обеспечивающих безопасное управление.

14. Разработан показатель безаварийной работы ОВТ с учетом воздействия оператора на возникновение неисправности, компенсирующего возможность развития ее в форму отказа. Предложен коэффициент учета влияния оператора на безаварийную работу ОВТ, названый «коэффициентом значимости неисправности».

15. Разработана методика расчета весовых коэффициентов (коэффициентов значимости неисправности) применительно к авиационным газотурбинным двигателям (ГТД), и дана оценка степени их влияния на безаварийную работу ОВТ.

Публикации по теме диссертации:

1. Евдокимов В.Г. Применение метода весовых коэффициентов при оценке безаварийной работы объектов воздушного транспорта. //Международный симпозиум «Надежность и качество». Труды, г. Пенза. 21 -31 мая, 2007, с 296-298.

2. Евдокимов В.Г. Методика оценивания подготовки оператора к управлению объектом воздушного транспорта. //Международный симпозиум «Надежность и качество». Труды, г. Пенза. 21 -31 мая, 2007, с 298-301.

3. Евдокимов В.Г. Оценивание уровня подготовки оператора и безопасность управления объектом воздушного транспорта. //Вопросы теории безопасности и устойчивости систем, №9. М.: ВЦ РАН, 2006.-с 145-155.

4. Евдокимов В.Г. Роль человека в обеспечении безаварийной работы объектов воздушного транспорта. //Вопросы теории безопасности и устойчивости систем, №9. М.: ВЦ РАН, 2006. - с 156— 163.

5. Евдокимов В.Г., Мартынов В.В. мл. К вопросу системной безопасности. Труды ИСА РАН. Динамика неоднородных систем. 29(1) с.116-120.

6. Северцев H.A., Евдокимов В.Г. Формализация критериев оценивания безопасности сложных технических комплексов. Материалы Всероссийской научно-технической конференции Академии управления МВД России. 16.06.2006 г. М., Академия управления МВД России. 2006 г., с.181-187.

7. Евдокимов В.Г. Модели снижения рисков при минимальных затратах на управление состоянием систем различной природы на основе единых алгоритмов // 5-я международная конференция «Авиация и космонавтика 2006». Тезисы докладов. М., 2006: с. 76-77.

№