CC BY
249
УДК 629.735.015
МЕТОДИКА АНАЛИЗА РАЗВИТИЯ ОСОБЫХ СИТУАЦИЙ НА ОСНОВЕ МАТЕМАТИЧЕСКОГО МОДЕЛИРОВАНИЯ ДИНАМИКИ ПОЛЕТА ВОЗДУШНЫХ СУДОВ
К.О. ЧЕРНИГИН
Статья представлена доктором технических наук, профессором Ципенко В.Г.
В статье показана необходимость разработки методики анализа развития особых ситуаций в целях предоставления информации летному составу для повышения ситуационной осведомленности в особых ситуациях. Рассмотрены основные этапы такого анализа на основе математического моделирования динамики полета воздушных судов, а также приведены примеры применения методики.
Ключевые слова: система управления безопасностью полетов, анализ, особая ситуация, летная эксплуатация, авиационное происшествие, ситуационная осведомленность, математическое моделирование.
Введение
Основной задачей гражданской авиации (ГА) является воздушная перевозка пассажиров и грузов. Современное развитие ГА характеризуется тем, что для повышения ее конкурентоспособности требуется неуклонное повышение эффективности эксплуатации. Эффективность летной эксплуатации (ЛЭ), в процессе которой происходит непосредственное предоставление услуги перевозки, подразумевает необходимость реализации заданного в качествах воздушного судна (ВС) и системе его эксплуатации уровня экономичности и регулярности перевозок в как можно более широких условиях эксплуатации (при этом под условиями эксплуатации следует понимать как состояние внешней среды, так и состояние техники и человека, управляющего ею).
Принятие решений человеком (как управляющим звеном) в условиях полета представляет собой компромисс между стремлением достичь определенного результата и обеспечить безопасность. Для всех производственных систем - и авиация не исключение - характерно то, что вследствие стремления к экономии и эффективности люди вынуждены действовать на границах пространства, определяющего безопасность работы системы. В связи с этим возможно попадание ВС в особые ситуации (ОС) - ситуации, возникающие в полете в результате воздействия неблагоприятных факторов или их сочетаний и приводящие к снижению уровня безопасности полета (БП).
Развитие коммерческой авиации всегда характеризовалось постепенным, но устойчивым снижением частоты авиационных происшествий, а также ростом тенденций к регулированию. В результате этого появилась распространенная точка зрения о том, что безопасность полетов можно гарантировать, если следовать установленным правилам, а отклонение от этих правил обязательно приведет к сбоям в обеспечении БП. В связи с этим сформировалась традиционная парадигма БП, которая строилась на допущении, что большей частью авиационная система работает в соответствии с проектными спецификациями и соблюдение нормативных положений гарантирует основную деятельность системы и поэтому обеспечивает БП.
Сегодня авиацию надо квалифицировать, прежде всего, как большую систему, т.е. описываемую большим числом (сотнями) факторов. В такой системе происшествия являются, как правило, результатом сочетания целого ряда одновременно действующих факторов. Большую систему уже невозможно "зарегулировать" нормативными актами, т.к. невозможно в процессе разработки этой системы предусмотреть все возможные ситуации.
Основы обеспечения безопасности полетов воздушных судов
В основе безопасности полетов лежит летная годность ВС, закладываемая при разработке, реализуемая в производстве и поддерживаемая в эксплуатации, а также соблюдение процедур и ограничений в эксплуатации. Требования к летной годности самолетов транспортной категории изложены в Авиационных правилах, часть 25 (АП-25) [1]. Прежде чем поступить в эксплуатацию, воздушное судно проходит сертификацию, которая заключается в определении соответствия требованиям Норм летной годности ВС. Оценка соответствия ВС требованиям происходит с помощью Методов определения соответствия требованиям Норм летной годности ВС [2].
В разделе "Общие требования к летной годности самолета при отказе функциональных систем" АП-25 выдвигаются требования к возникновению отказных состояний. Например, каждое отказное состояние, приводящее к возникновению катастрофической ситуации (КС), должно оцениваться как практически невероятное (ПН). При этом под практической невероятностью подразумеваются следующие условия: а) вероятность возникновения ОС меньше 10-9; б) ОС является следствием механического отказа и имеет обоснованную невероятность отказа; и т.д. Таким образом, при сертификации необходимо доказать, что соответствующие отказные состояния происходят с допустимой частотой. В настоящее время такие вопросы рассматриваются при проектировании самолета, когда выполняется анализ безопасности полета при отказах функциональных систем. Основная задача такого анализа - это соотнесение степени опасности ОС с вероятностью ее возникновения, основная цель такого анализа - задать архитектуру и надежность систем ВС.
В летной эксплуатации (ЛЭ) основным источником информации для экипажа является Руководство по летной эксплуатации (РЛЭ) типа ВС. Согласно требованиям АП-25 процедуры по эксплуатации самолета должны включать в себя:
- нормальные процедуры, которые характерны для данного типа самолета или его модели, при обычной эксплуатации;
- особые процедуры для случаев неисправностей и отказных ситуаций, требующих использования специальных систем или альтернативного использования обычных систем;
- аварийные процедуры для предсказуемых, но необычных ситуаций, для которых немедленные и точные действия экипажа могут существенно уменьшить риск катастрофы.
Информация или процедуры, не связанные впрямую с летной годностью, или которые не могут быть применены экипажем, не должны быть включены, также не должны быть включены процедуры, которые приняты как базовые для летной подготовки.
Система управления безопасностью полетов
По мере роста глобальной авиационной деятельности и ее сложности претерпевшие глубокие изменения условия эксплуатации со своими новыми сложными задачами делают традиционные методы поддержания БП на приемлемом уровне менее эффективными и действенными. В настоящее время формируется новая парадигма безопасности, основанная на том, что большей частью авиационная система не работает в соответствии с проектными спецификациями, и вместо того, чтобы исключительно полагаться на соблюдение нормативных положений, осуществляется постоянный мониторинг работы системы в реальном времени; небольшие, не имеющие последствий отклонения, в ходе регулярных операций постоянно отслеживаются и анализируются.
В связи с этим Международная организация гражданской авиации (ИКАО) рекомендует государствам внедрять систему управления безопасностью полетов (СУБП). Согласно Руководству по управлению безопасностью полетов (РУБП) ИКАО [3] эксплуатанты должны выстроить систему управления безопасностью полетов, которая предусматривает раннее выявление
опасностей, их оценку, управление рисками, руководствуясь в первую очередь интересами пассажиров, которым не безразлична БП как показатель качества предоставляемой услуги. А чтобы управлять БП, нужно выстроить механизмы получения информации, принятия решений и обратной связи. При этом механизм получения информации об угрозах БП должен основываться не столько на реагирующем (по результатам расследования свершившихся АП), сколько на прогностическом подходе (поиск и анализ недостатков и факторов опасности, не дожидаясь их проявления).
В Руководстве по управлению БП подразумевается прогностический подход, основанный на:
- выделении факторов опасности, исходя из наблюдения за нормальной эксплуатацией;
- оценке их возможной степени опасности;
- предложении действий по ослаблению их влияния на БП.
К примерам источников выявления факторов опасности, имеющихся у организации, относятся: анализ полетных данных; государственная система добровольного представления данных; проверки состояния безопасности полетов; программы мониторинга деятельности в штатных условиях; обратная связь от подготовки персонала; расследование инцидентов; отчеты о происшествиях; системы обмена информацией.
Анализ безопасности полетов в РФ за период 2006-2011 гг.
Анализ безопасности полетов воздушных судов в России за 5 лет (2006-2011 гг.) [4] показывает, что авиационные происшествия (АП) можно разделить на следующие группы:
- отказ, приводящий к изменению динамики полета ВС (но обычно классифицируемый не хуже "сложной ситуации"), совмещенный с несвоевременной или недостаточной реакцией экипажа (авиакатастрофа самолета А-310 09.07.2006 в г. Иркутск, катастрофа самолета В-737 14.09.2008 в г. Пермь);
- ошибочные заходы на посадку в сложных метеоусловиях с непринятием решения об уходе на второй круг и снижением ниже допустимой высоты (Ту-134А 17.03.2007г. - г. Самара; Ту-154М 10.04.2010г. - г. Смоленск; Ан-24РВ 02.08.2010г. - г. Игарка, Ту-134А 20.06.2011г. -г. Петрозаводск);
- существенные отказы, для которых не прописано действие в РЛЭ (Ан-12 26.05.2008г. -г. Челябинск);
- выход за эксплуатационные ограничения в управляемом полете (Ту-145М 22.08.2006г. - г. Донецк (Украина)).
Все рассмотренные АП имеют общие признаки:
- изначально ситуации не были катастрофическими, и свою роль сыграло развитие ОС и ее последовательный переход в более критические ситуации под воздействием определенных факторов;
- в большинстве ситуаций виновным оказывается экипаж, так как он не смог нормально оценить ситуацию и не принял соответствующих мер по парированию негативных факторов;
- АП происходят как в зоне эксплуатационных ограничений, так и вне ожидаемых условий эксплуатации. В одном случае несущественный отказ привел к катастрофе, в другом, наоборот, произошел такой отказ, который не предусматривается в РЛЭ, но экипаж практически смог исправить ситуацию, но не успел.
Таким образом, если считать причинами рассмотренных авиационных происшествий "ошибки экипажа", то можно разделить АП на следующие группы: ошибки в процедуре (посадки ниже минимума), ошибки из-за отказов и внешних условий и ошибки из-за незнания ограничений.
Методика анализа развития особых ситуаций на основе математического моделирования динамики полета воздушных судов
По результатам анализа АП можно сделать вывод, что экипажи, как правило, проявляют недостаточность опыта работы в сложной многофакторной особой ситуации. Также следует отметить, что в основном АП происходят не в результате возникновения ОС, которые имеют высокую степень опасности (и низкую вероятность) при анализе безопасности систем, а тех ОС, которые имеют большую вероятность и меньшую степень опасности, но проявляющихся в сочетании с другими факторами.
Как было выявлено выше, в процессе разработки воздушного судна при проведении анализа безопасности систем не рассматриваются ОС в развитии и при сочетаниях различных факторов (и отказы, и ошибки, и воздействие среды). Существующие методы не учитывают разнообразие условий, а также методы работы экипажа, хотя все эти факторы оказывают влияние на развитие ОС. В связи с этим такой анализ недостаточен для эксплуатации, так как он не учитывает состояние других частей системы "экипаж - ВС - среда".
Источником информации в РЛЭ по действиям в нормальных и особых ситуациях являются экспертные оценки, расчеты, выполненные в процессе разработки ВС, а также результаты летных испытаний. Однако все эти методы имеют очень ограниченное применение по причине недостатка информации (при разработке), дороговизны или опасности (при проведении летных испытаний), в связи с чем они в основном применяются для доказательства соответствия типа ВС требованиям сертификационного базиса. Поэтому, а также для систематизации информации, в РЛЭ особые ситуации описываются процедурно (содержат перечень действий по парированию ситуации), что явно недостаточно для обеспечения пилота полной картиной ситуации.
В связи с этим появляется необходимость исследовать и анализировать развитие особых ситуаций для повышения информированности экипажа (как единственного управляющего звена системы "человек - машина - среда"), предоставления возможности прогностического анализа возможных в эксплуатации ОС для того, чтобы, исходя из полетной ситуации, не допускать возникновения ОС, а в случае невозможности предотвращения возникновения ОС - минимизировать ее последствия. Предоставление такой информации летному составу должно способствовать повышению ситуационной осведомленности в ОС в летной эксплуатации ВС. Под ситуационной осведомленностью подразумевается восприятие элементов среды во времени и пространстве, осмысленное понимание их значений и прогнозирование их состояния на ближайшую перспективу [5].
Безопасность полетов - комплексное свойство, которое обеспечивается сложным взаимодействием в системе "экипаж - ВС - среда". Мы имеем дело с большой системой, в которой для эффективного решения необходимо обеспечивать комплексность и широту охвата, рассмотрения и отслеживания большого числа условий, связей и факторов, влияющих на возникновение, ход и исход особых ситуаций полета. В связи с этим проблема обеспечения БП требует системного подхода к ее решению. Внедряемая система управления БП базируется на наблюдении за реальной эксплуатацией и выявлении факторов опасности из реальных полетов, что влечет за собой определенные ограничения. В таких условиях сложно выделить определяющие многофакторную ОС физические процессы и соответствующие им параметры полета, на которые экипаж может воздействовать для снижения последствий развития ситуации.
Таким образом, появляется настоятельная необходимость применения таких научно-технических методов, которые позволяют с малыми затратами получить как можно более точные характеристики движения ВС в условиях воздействия на него множества факторов различной природы. С развитием вычислительной техники роль одного из таких методов, безусловно, самого эффективного и экономичного, стало брать на себя математическое моделирование. В связи с этим анализ предлагается проводить на основе Системы математического моделирования динамики полета летательных аппаратов (СММ ДП ЛА), разработанной сотрудниками кафедры
аэродинамики, конструкции и прочности летательных аппаратов (АКПЛА) МГТУ ГА. Достоинство СММ ДП ЛА заключается в том, что она позволяет проводить такой анализ для любого типа ЛА, любых участков полета, факторов опасности, отличающихся лишь набором входных данных [6]. Достоверность результатов расчетов подтверждается оценкой адекватности (точности и непротиворечивости) данным полетов ВС с помощью статистических критериев, а также оценкой адекватности данным реальных полетов с помощью эвристического метода [7].
Применение СММ ДП ЛА для анализа развития ОС позволяет проследить влияние факторов опасности на БП и за пределами диапазона параметров эксплуатации, который может обеспечить анализ полетных данных, считающийся основным источником информации для управления БП в ЛЭ. Так, например, используемая в СММ ДП ЛА нелинейная математическая модель шасси обеспечивает получение "физичных" результатов для любых значений угла увода колес шасси и позволяет оценить поведение воздушного судна на ВПП при движении "боком", что невозможно выявить на практике ни на тренажерах, ни, тем более, в реальных полетах.
Основные этапы анализа развития особой ситуации заключаются в следующем:
1. Задание фактора опасности, определяющего особую ситуацию (в том числе исходя из наблюдения за реальными полетами).
2. Математическое моделирование фактора (например, при отказе силовой установки важны динамические характеристики отказа, что может решаться с помощью эвристического метода и решения задачи идентификации; погодные явления, например ветер, описываются соответствующими профилями).
3. Ранжирование факторов по группам: выявление дополнительных факторов, которые оказывают влияние на развитие ситуации (безусловно ухудшают ситуацию, влияние факторов сомнительно, не влияют).
4. Проведение вычислительного эксперимента (ВЭ).
5. Анализ развития ситуации (ОС рассматривается с позиции определенных критериев, формирующих характеристики ОС, таких как воздействие фактора на ВС ("амплитуда" и продолжительность воздействия), скорость распознавания ситуации экипажем, а также резервы управления ВС для парирования воздействия данного фактора).
6. Ранжирование путей развития ситуации (оценивается запас в заданных условиях до выхода ВС за пределы эксплуатационных ограничений (до перехода ситуации в аварийную или катастрофическую); запас может быть выражен в скорости изменения параметра, во времени, доступном экипажу для изменения параметра или в разнице текущего и критического значений параметров).
7. Выявление параметров полета, определяющих развитие ОС, для выдачи рекомендаций экипажу по управлению ими.
В качестве примеров применения методики ниже предложено несколько случаев анализа развития ОС на основе математического моделирования движения самолета Ил-96Т.
1. Пример последовательного ухудшения ситуации, связанного с влиянием различных факторов опасности на изменение динамики полета на примере продолженного взлета. ВЭ происходит в следующей последовательности:
- взлет исправного ВС (состояние ВС определяется только центровкой и массой):
- в "стандартных условиях";
- с ветром (сдвигом ветра);
- с уменьшенным коэффициентом сцепления;
- в условиях повышенных температур и пониженного давления;
- взлет с отказом двигателя (в том числе с учетом вышеперечисленных факторов).
2. Анализ опасного сочетания факторов на примере выявления допустимых условий среды, в которых ВС в определенном техническом состоянии может совершать полет:
- заклинивание одной секции руля направления - катастрофа на посадке при любом значении бокового ветра;
- отказ всех двигателей на посадке - пример того, что можно избежать КС в благоприятных условиях;
- заклинивание 2-х и 4-х секций руля высоты на пикирование (+15°) - возможна посадка при альтернативном управлении стабилизатором.
3. Оценка запаса по парированию ОС на примере рассмотрения возможных ошибок пилотирования при продолженном взлете с попутным сдвигом ветра.
Выводы
Предложенная методика анализа развития особых ситуаций, основанная на применении СММ ДП ЛА, ставит своей задачей выявление параметра (группы параметров) полета, определяющего ОС, ее развитие под воздействием дополнительных факторов, а также влияние ОС на возможность безопасного завершения полета. Применение СММ ДП ЛА позволяет проводить такой анализ для любого типа ЛА, любых участков полета и факторов опасности, определяющих любую полетную ситуацию в ЛЭ.
Основной целью методики является повышение ситуационной осведомленности летного состава в ОС за счет мониторинга определяющих параметров и управления ими в пределах ограничений.
Методика может быть использована в качестве основы системы управления БП в части выявления факторов опасности на основе моделирования полета в определенных условиях эксплуатации, оценки их возможной степени опасности и предложении действий по ослаблению их влияния на БП.
Результаты применения методики могут также быть использованы:
- в процессе проектирования ЛА для формирования перечня расчетных случаев и проведения анализа безопасности систем;
- при сертификации типа ВС, как дополнение к методам оценки соответствия НЛГ;
- в методике обучения летного персонала в авиационных учебных центрах;
- в эксплуатации при планировании рейсов для обеспечения допустимого уровня БП путем подбора ВС с учетом особенностей динамики его полета при известных факторах угрозы по маршруту полета.
ЛИТЕРАТУРА
1. АП-25. Нормы летной годности самолетов транспортной категории. - М.: Авиаиздат, 2004.
2. Методы определения соответствия гражданских самолетов требованиям ЕНЛГ-С. Глава М.2. Определение соответствия общим требованиям к летной годности. - М., 1986.
3. Doc 9859 AN/474. Руководство по управлению безопасностью полетов (РУБП). Международная организация гражданской авиации (ИКАО). -2-е изд. - Монреаль, Канада, 2009.
4. Официальные отчеты Межгосударственного авиационного комитета (МАК) по расследованию авиационных происшествий (АП), www.mak.ru.
5. Endsley, M.R., Garland, D.J. Situational Awareness Analysis and Measurement. - Mahwah, NJ: Lawrence Erlbaum Associates - 2000.
6. Система математического моделирования динамики полета воздушных судов на базе персональных ЭВМ: Отчет о НИР (промежуточный) / Моск. ин-т инженеров гражд. авиации (МИИГА); Руководитель Ципенко В.Г. Ответственный исполнитель М.С. Кубланов. - № ГР 01910018045; Инв. № 02910024435 - М., 1991.
7. Анализ точности имитации движения самолета в особых случаях взлета и посадки с помощью математического моделирования: Отчет о НИР (промежуточный) / Моск. ин-т инженеров гражд. авиации (МИИГА); Руководитель Ципенко В.Г. Ответственный исполнитель М.С. Кубланов. - № ГР 01890017440; Инв. № 02890065188 - М., 1989.
METHOD OF ABNORMAL SITUATIONS EVOLUTION ANALYSIS BASED ON AIRCRAFT FLIGHT DYNAMICS MATHEMATICAL MODELING
Chernigin K.O.
The necessity of development of abnormal situations evolution analysis method in order to provide information to flight crews for situational awareness improvement is shown in article. The main stages of such an analysis based on aircraft flight dynamics mathematical modeling as well as examples of method realization are provided.
Key words: safety management system, analysis, abnormal situation, flight operations, accident, situational awareness, mathematical modeling.
Сведения об авторе
Чернигин Константин Олегович, 1986 г.р., окончил МГТУ ГА (2008), старший преподаватель кафедры аэродинамики, конструкции и прочности летательных аппаратов МГТУ ГА, автор 15 научных работ, область научных интересов — летная и техническая эксплуатация воздушных судов, безопасность полетов, математическое моделирование динамики полета летательных аппаратов.
