CC BY
31УДК 629.7.08
МОДЕЛЬ УПРЕЖДАЮЩЕГО ОБСЛУЖИВАНИЯ АВИАЦИОННОЙ ТЕХНИКИ*
А. М. Гареев, Ю. П. Злобина, А. Н. Коптев, Л. Р. Гареева
Самарский государственный аэрокосмический университет имени академика С. П. Королева (Национальный исследовательский университет) Российская Федерация, 443086, г. Самара, Московское шоссе, 34, E-mail: [email protected]
Рассматриваются вопросы математического моделирования упреждающего обслуживания авиационной техники, а также основные принципы построения математических моделей, принципы принятия решений о техническом состоянии системы, способы оптимизации стратегии обслуживания.
Ключевые слова: авиационная техника, модель, техническое обслуживание, техническое состояние.
MODEL OF AIRCRAFT PROACTIVE MAINTENANCE
A. M. Gareyev, Y. P. Zlobinaa, A. N. Koptev, L. R. Gareeva
Samara State Aerospace University named after academician S. P. Korolev (National research university) 34, Moskovskoye shosse, Samara, 443086, Russian Federation. E-mail: [email protected]
The mathematical modeling of aircraft proactive maintenance is presented. The basic principles of mathematical models, the principles of decision-making on the technical condition of the system, the optimization maintenance strategies are considered.
Keywords: aircraft, model, maintenance, technical condition.
В настоящее время при эксплуатации авиационной техники (АТ) в основном принята стратегия технического обслуживания (ТО), учитывающая только априорную (известную заранее, до опыта эксплуатации) информацию. Однако априорная информация не является исчерпывающей или универсальной, и полученная модель ТО может оказаться весьма неточной и не соответствующей условиям применения. Часто это выливается в значительное повышение расходов эксплуатанта по проведению ТО вследствие неучтенных условий эксплуатации, проблемы повышения ресурсов частей АТ, снижения надежности отдельных узлов вследствие частых нарушений технологии производства.
Одним из перспективных направлений в мире по совершенствованию системы послепродажного обслуживания АТ является внедрение технологий автоматизированного контроля и оценки состояния диагностируемого объекта, основанных на сборе и обработке информации о текущем техническом состоянии в «реальном» масштабе времени. Но для эффективного внедрения данной технологии необходимо иметь соответствующие методы, средства диагностирования и контроля состояния и технологии их реализации, позволяющие получать необходимую информацию в «реальном» масштабе времени.
Препятствием для построения гибких («адаптивных») [1] систем управления техническим состоянием (ТС), использующих текущую (апостериорную) информацию, получаемую в ходе эксплуатации АТ, является недостаточное развитие научно-методического аппарата, что можно заметить при анализе отечественных и зарубежных публикаций.
Целью упреждающего обслуживания является управление ТС AT с помощью стратегии, параметры которой изменяются в зависимости от полученной в ходе эксплуатации информации. Известно, что для построения моделей таких стратегий широко применятся процессы Маркова и их свойства. Анализ ряда отечественных и зарубежных публикаций показывает, что основная масса разработанных моделей - модели обслуживания по состоянию (Condition Based Maintenance Model, CBMM) [2], а модели упреждающего обслуживания (Predictive Maintenance, РМ) встречаются пока сравнительно редко, особенно в обслуживании AT.
При построении моделей упреждающего обслуживания задача состоит в определении оптимального состава проверок и критерия ремонта разрушающей системы [3]. В этом случае система считается подверженной постепенному разрушению, при котором вид отказа неизвестен и выявляется в ходе проверки. Когда наблюдаемое состояние превысит уровень М, изделие считается изношенным, и проводится упреждающая операция обслуживания. Время проведения проверок, равно как и величина М, являются основными неизвестными при решении данной проблемы.
Для моделирования процесса разрушения были введены следующие допущения:
1. Состояние системы в момент времени t может быть описано случайной величиной Xt. В случае если
* Данная статья написана по результатам выполнения научно-исследовательской работы по гранту Президента Российской Федерации для государственной поддержки молодых российских ученых МК-5999.2014.8
Эксплуатация и надежность авиационной техники
не производятся действия по обслуживанию или ремонту, эта переменная старения превращается в возрастающую. Начальное состояние системы принимается равным 0. Система считается отказавшей, если Xt < L.
2. Процесс разрушения между операциями по обслуживанию (X)/ > 0 считается однородным по времени, и разрушение в пределах между временем / и и (/ < и) не зависит от его величины до наступления времени /. Для описания процесса перехода между этими состояниями хорошо подходит гамма-распределение с параметрами (а, Р). Принимается, что процесс (X) > 0 и случайная величина X/; - Х5 при 0 < 5 < / имеют гамма-распределение.
3. Наблюдение за системой производится не постоянно, однако ее состояние определяется в ходе проверок. Каждая проверка обнаруживает текущее состояние мгновенно и безошибочно.
4. Отказ обнаруживается лишь во время проверки, таким образом, отказавшая система остается в неисправном состоянии до следующей проверки. Характерным примером являются труднодоступные (трубопроводы) или пассивные системы. Время нахождения в отказавшем состоянии [0;/] обозначается С(/), при этом возникают затраты Сс в единицу времени, когда система не функционирует.
Стратегия обслуживания управляется сведениями о состоянии системы после проверки. На каждой стадии проверки (Тп)пеЛт (Т0 = 0) следует принять два решения: первое - должны ли быть произведены упреждающие воздействия на систему, второе - определить следующий этап проверки. При построении модели можно использовать следующую схему:
- если ХТп > L (имеет место отказ), производится упреждающее действие (замена) и возникают затраты Сс. После воздействия состояние системы считается полностью восстановленными: ХТп = 0;
- если М < ХТп < L (система функционирует, но слишком изношена), производится упреждающее воздействие и возникают затраты Ср (Ср < Сс). После воздействия состояние системы считается полностью восстановленным: ХТп = 0;
- если М < ХТп, никаких действий не предпринимается (Хтп = ХтП).
Во всех перечисленных случаях время проведения следующей проверки определяется по правилу Nп+1 = Тп+т(ХТп), где т (.) - убывающая функция от [0, М] до L, ограниченная снизу тт1П > 0. При каждой проверке возникают затраты С.
Определение эксплуатационных затрат и оптимизация стратегии ТО требуют вычисления вероятностных характеристик процесса эксплуатации системы в рамках одной стратегии. В [3] приведено несколько полезных свойств процесса (X.)/ > 0, позволяющих упростить решение задачи, поскольку они дают возможность применить общепринятые принципы теории восстановления и вывести выражения для плотности распределения.
Решение задачи оптимизации стратегии обслуживания состоит в определении порога предупреждения М и функции т(.), минимизирующих затраты в единицу времени на большом отрезке времени. В дейст-
вительности речь в данном случае идёт о совокупностях [М, т] таких, что затраты на проведение проверок и упреждающие действия уравновешивают затраты, вызванные отрезками при / ^ да. Таким образом, решение должно выражать затраты на бесконечном отрезке времени относительно двух переменных -М и т(.).
Примем N(1) как число проверок, Ыр(() - как количество упреждающих воздействий, Жс(/) - как количество ремонтов и С(/) - как время нахождения в неисправном состоянии в интервале [0, /]. Суммарные затраты на обслуживание за время / в этом случае определяется как:
С(/) = С^Ыт + С*Щ(/) + Се^с(/) + Са*сС(/).
Эта функция затрат зависит от упомянутых двух переменных. Дальнейшей задачей является оптимизация функции на большом отрезке времени:
Е0(с(/))
CL = limt
t
Проблемой является определение предела к бесконечности оценки Е каждой из случайных величин N, Np, Nc и d в единицу времени. В [3] описывается решение задачи с применением свойств полувосстановительных процессов, где получаемые оценки Еп параметров N, Np, Nc и d по отношению к мере п определяются в ходе интегрирования, например:
Еп (Np (T1 ) = f 0,M] (Fp,am(x)M - x) - Fp,am(x) (L - x)) n(dx).
В численном виде решение можно представить в виде изограмм функции двух параметров процесса проверок для заданных затрат Ct Ср, Cc, Cd и порога М. Можно найти величину оптимальных затрат и значений параметров проверки, определить применимость избранной стратегии ТО для заданных условий.
Таким образом, рассмотренные модели упреждающего обслуживания позволяют решать задачи оптимизации процессов ТО, таких как минимизация затрат на ТО и затрат на простой АТ, позволяя определить параметры системы ТО на основании полученной в эксплуатации информации.
Полученная модель положена в основу разработки методологии анализа и управления состоянием рабочей жидкости в рамках реализации упреждающего обслуживания АТ [4].
Библиографические ссылки
1. Гареев А. М. Моделирование процесса контроля чистоты рабочей жидкости // Вестник Самар. гос. аэрокосмич. ун-а им. акад. С. П. Королёва. 2010. № 4. С. 117-124.
2. Гренандер У. Лекции по теории образов. Т. 1. М. : Мир, 1979. 382 с.
3. Гареев А. М., Тиц С. Н. Упреждающее обслуживание гидравлических систем летательных аппаратов. Самара : Изд-во СНЦ РАН, 2010. 112 с.
4. Gareev A. Modeling of fluid condition of aircraft hydraulic system // 28th Congress of the International Council of the Aeronautical Sciences. Australia, Brisbane, 2012. P. 121-126.
References
1. Gareyev A. M., The Modeling of the fluid contamination control process // Vestnik of Samara State Aerospace University. 2010. № 4. P. 117-124.
2. Grenander U. Lectures on image theory. Vol. 1. Moscow: Mir, 1979. 382 pp.
3. Gareyev A. M., Tiz S. N. Proactive maintenance of aircraft hydraulic systems. Samara: Publishing house "SSC RAS", 2010. 112 p.
4. Gareev A. Modeling of fluid condition of aircraft hydraulic system / 28th Congress of the International Council of the Aeronautical Sciences. Australia, Brisbane, 2012, p. 121-126.
© Гареев А. М., Злобина Ю. П., Коптев А. Н., Гареева Л. Р., 2014
УДК 351.814.2; 656.7.08
СИСТЕМА ПРЕДУПРЕЖДЕНИЯ СТОЛКНОВЕНИЙ САМОЛЕТОВ В ВОЗДУХЕ TCAS
И. В. Герасев, Е. С. Золкина
Сибирский государственный аэрокосмический университет имени академика М. Ф. Решетнева Российская Федерация, 660014, г. Красноярск, просп. им. газ. «Красноярский рабочий», 31
E-mail: [email protected]
Исследуется проблема столкновений летательных аппаратов в воздухе. Рассмотрено использование систем TCAS 1 и TCAS 2.
Ключевые слова: столкновение самолета в воздухе, траектория движения, антенна.
THE TRAFFIC ALERT AND COLLISION AVOIDANCE SYSTEM TCAS
I. V. Gerasyov, E. S. Zolkyna
Siberian State Aerospace University named after academician M. F. Reshetnev 31, Krasnoyarsky Rabochy Av., Krasnoyarsk, 660014, Russian Federation E-mail: [email protected]
The article contains an investigation of mid-air collisions problem and analytical treatment of systems TCAS1 and TCAS2 usage.
Keywords: the collision of the plane in the air, the trajectory of the antenna.
Проблема столкновений летательных аппаратов в воздухе стала ощутимой еще в 50-х годах. Когда стали происходить летные происшествия с массовой гибелью людей, ICAO (Международная организация гражданской авиации) вплотную занялась этим вопросом. Была разработана концепция, а затем международные стандарты Бортовой системы предупреждения столкновений (Airborne collision avoidance system (ACAS)).
Из всех разработок согласно этой концепции основное распространение получила система TCAS (Traffic alert and Collision Avoidance System) (URL: http://avia-simply.ru/sistema-tcas/). Литературный перевод с английского так и звучит: Система предупреждения столкновений самолетов в воздухе.
Эта система (в последних ее вариантах и модификациях) обозревает воздушное пространство вокруг самолета, обнаруживает другие воздушные суда, анализирует полученную информацию, выдает ее экипажу, а в случае возникновения опасности столкновения, предупреждает об этом пилотов и выдает необходимые рекомендации к немедленному действию. На
данный момент существуют системы TCAS 1 и TCAS 2. Однако в основном на данный момент используется система TCAS 2, в связи с полным соответствием стандартам ACAS(airborne collision avoidance system-бортовая система предупреждения столкновений летательных аппаратов). Производят ее фирмы Rockwell Collins, Honeywell и ACSS. В России такие системы, к сожалению не производятся. В комплект TCAS обычно входят:
1. Электронный блок вычисления, выдающий команды на изменение траектории движения воздушного судна и просчитывающий возможные варианты развития дальнейшего безопасного полета.
2. Две приемопередающие антенны, устанавливаемые сверху и снизу фюзеляжа, одна из которых направленная, устанавливаемая сверху фюзеляжа, другая ненаправленная.
3. Отдельные антенны для S-транспондеров. Транспондер - это приемопередающее устройство, которое посылает свой радиосигнал в ответ на принятый. В английском это будет transponder (от transmitter-responder - передатчик-ответчик). То есть
