CC BY
182
УДК 629.7.051.53
ОЦЕНКА ВЛИЯНИЯ СРЕДЫ НА БЕЗОПАСНОСТЬ ПОЛЕТОВ
В.Д. ШАРОВ
Статья представлена доктором технических наук, профессором Зубковым Б.В.
В статье исследуется возможность применения логико-вероятностной теории безопасности для оценки риска выполнения полетов, связанного с воздействием различных факторов естественной и искусственной среды.
Ключевые слова: авиационное событие(АС)/происшествие(АП), фактор опасности, среда.
Под окружающей средой понимаются все внешние условия и воздействия, влияющие на безопасность полета (БП). Среда делится на природную и искусственную. Возможна классификация факторов среды по различным признакам: физической природе, характеру влияния на ВС и экипаж, этапам полета, интенсивности воздействия, дискретности, взаимозависимости и т.д. [3].
На сайте Фонда безопасности полетов (ЕББ) http://aviation-safety.net/index.php. все события, связанные со средой, разделены на подгруппы: УВД и навигация, столкновения, внешние воздействия, авиационная безопасность (АБ) и погодные условия. События, приведшие к гибели людей и потере ВС в статистике ЕББ - это не только катастрофы и аварии в смысле ПРАПИ ГА-98, но и катастрофические последствия актов незаконного вмешательства, серьезные повреждения ВС на земле, в том числе и от природных факторов.
К группе «Среда» в статистике ЕББ отнесены также случаи поражения гражданских ВС боевыми самолетами и средствами ПВО. За 34 года из-за применения оружия по гражданским самолетам произошло 82 АС, из них 69 АП, в которых погибло 1937 чел. Далее будем все перечисленные типы событий называть авиационными происшествиями (АП).
На рис. 1 представлена гистограмма абсолютного числа АП за 1977-2011 гг. по группе факторов «Среда» и по другим факторам, а на рис. 2 - доля АС, АП и количества погибших в авиакатастрофах, связанных с внешней средой, от общего количества.
Рис. 1. Статистика авиационных происшествий за 1977-2011 гг. по данным ЕББ
□ Количество погибших в АП по группе "Среда" □ Количество погибших в АП по группам "Экипаж" и "ВС"
Рис. 2. Распределение числа погибших за период 1977-2011 гг.
Из графиков видно, что хотя доля АП по группе «Среда» не превосходила 20%, количество погибших в этих АП почти всегда превышало это значение и в отдельные годы составляло до 40% и более от общего количества.
На основе анализа статистики АП можно выделить четыре укрупненные категории событий, в которых факторы среды играют ключевую роль:
1. События типа СПТ. Большинство этих событий происходит в районе аэродромов со сложным рельефом, при недооценке неблагоприятных метеоусловий, некачественном УВД и отказах средств навигации и связи. Эти события традиционно выделяются в отдельную категорию из-за их серьезности (как правило, это катастрофы) и высокой повторяемости.
2. События, связанные с выполнением взлета/посадки. К таким событиям относятся все события при заходе на посадку, посадке и взлете, за исключением СБ1Т. Эти события могут быть связаны с отказами техники и ошибками экипажа, но важным усугубляющим фактором является среда, прежде всего, сложные метеоусловия, а также особенности аэродрома, плохое состояние ВПП, недостатки УВД, отказы наземных средств посадки.
3. Столкновения с различными объектами (другие ВС, аэродромная техника, птицы, животные и люди) выделяются в отдельную категорию из-за высокой повторяемости и серьезности. Это непосредственное воздействие окружающей среды.
4. События, связанные с авиационной безопасностью, представляют собой по статистике ЕББ наибольшую опасность из всех факторов среды. К ним относятся террористические угрозы, поражение ВС оружием, неконтролируемые действия пассажиров, нарушение правил перевозки опасных грузов и т.д.
Для оценки риска может быть использована известная логико-вероятностная теория безопасности (ЛВТБ) профессора И.А. Рябинина [1; 2]. Сущность ЛВТБ состоит в том, что структура системы (построения логических цепей событий и связей элементов) описывается математической логикой, а количественная оценка надежности и безопасности производится с помощью теории вероятностей. При этом используется специально разработанный математический аппарат - логико-вероятностное исчисление.
Детерминированная логическая модель позволяет выявить опасные комбинации элементов - инициирующих условий (ИУ) и инициирующих событий (ИС) - которые могут перевести систему в опасное состояние (ОС). Под ОС понимается состояние, при котором возникает ущерб «большого масштаба». ЛВТБ позволяет рассчитать вероятность попадания системы в ОС.
Расчет начинается с построения сценария опасного состояния (СОС). На этом этапе нужно уяснить, каким образом может возникнуть ОС. Аналитическое описание опасного состояния осуществляется с помощью логической функции опасности системы (ФОС), аргументами которой являются ИС и ИУ, обозначаемые в дальнейшем как . Составление ФОС сводится к составлению кратчайших путей опасного функционирования (КПОФ), представляющие собой такую конъюнкцию ИС и ИУ, ни одну из компонент которой нельзя изъять, не нарушив опасного функционирования системы.
Каждый такой путь представляется в виде булевой функции
Ф1 = П Zi
где КФ - множество номеров ИС и ИУ, соответствующих данному 1-му кратчайшему пути ОС; П - знак конъюнкции (логического умножения).
Каждое ИС (ИУ) принимает одно из двух значений: Zi = 1 — если 1-е условие выполняется
(произошло); Zi = 0 — если 1-е условие не выполняется (не произошло). Каждая реальная система имеет конечное число КПОФ.
Условие ОС системы записывается в виде дизъюнкции (логическое отрицание, обозначается ^ ) всех имеющихся КПОФ
d d У = )= У ^т )=П Фш =4
т , . . ш . .
i=1 i=1
п Z ■
(1)
Вероятность истинности булевой функции (1) представляет собой численное выражение опасности системы
Р(ОС) = Р{у (Z1,......z т ) = 1} . (2)
Для расчета этой вероятности необходимо заменить в ФАЛ все логические переменные вероятностями их истинности. Для выполнения этой операции в ЛВТБ разработаны специальные методы замещения: разрезания, ортогонализации, рекуррентный (или табличный), алгоритм наращивания путей.
Рассмотрим вариант расчета вероятности опасного состояния среды для аэродрома. При построении СОС используем выделенные 4 категории событий. В соответствии с принципом ЛВТБ необходимо определить инициирующие события (ИС) и инициирующие условия (ИУ). В качестве ИС могут быть назначены события, состоящие в проявлении факторов опасности (ФО), играющих основную роль в возникновении событий каждой из четырех категорий. Другие ФО учитываются как ИУ.
На рис. 3 представлен возможный вариант структуры СОС. В качестве ИС выбраны четыре фактора: z1 - z4, семь других отнесены к ИУ. Логическим блоком «и» обозначены конъюнкции (логическое умножение), а блоком «или» - дизъюнкции (логическое сложение) соответствующих ИС и ИУ.
^к ф
ОПАСНОЕ СОСГОЯН1 Е. СИСТЕМЫ ПО ГРУППЕ ФАКТОРОВ СРЕДА
1
ЛП прк крцАмкик«
Столкнфвгни'я с дрп г км рпскточ
Со Тилли«. гдй Айнл-ий с ЛБ М.1Н СЛИгНЬСи Г|Н ИМ
/ н.иг ■
^ Н.1Н -
!-щ-1 !-пцг-1
Ф Ф ^ Ф 'Ф^Ф'!?
I" !
14й
А-эродром павыикнного
рИСИ (рСЛЫф. [фСЯ.ТГП"&Т*5.
схема шщд, н^ое га точные срезстс-э окщрв)
г; Сгвдээте метеоусловия, опдс кыс геофк^ичг^лс ЯЕЛГ-Ш1Л
±± Азролрад С виюкой ЕНИСН-сзгеззос тью. скоплением ппш.
1|Т(ралт. воеяйо-политич еозя у грена, огретые грузин пассзм1ры
г- Соон Б фуНВЩКШНрОВЩНН СНСТ^' мы УВД
г-. Нелостати] регнональ-
НЫ>, ЙрабН.1 Полет ОД Н [:р,Э-ЕОВОГО реП'ЛНрОЕЖЧЯ
г* Нелослатш оргзниаиирннстоИ информационного обеспечения полеген
Z ■ Н СДОГТОВ?рнос ГЬ МЛ"И1 Пр^ГНСШЩ НС"КС"р-
ная оие^ ^ аЛсных геофизически*, .чьл енмй орнитологической обстановки
посадка1
¿•л Отг^а^и ЩДОМНВД Я ЕоСМИ^сйл* ср«ет в и^л Есгации, наб лхаештя п РВДВ ОТВЕЛ
Нел>«э-пл е^остояннн летного поля п аэрарро?.сной ннфрас тру муры, рр глний-ШШЛШШ!
Рис. 3. Формирование опасного состояния по группе факторов «Среда»
Конъюнкции и дизъюнкции логических элементов по каждому логическому блоку в соответствии с их нумерацией на рис. 3 представлены в табл. 1.
Таблица 1
Блок «или» (категория события) Блоки «и» (КПОФ) Номера логических переменных: ИС и ИУ в составе ФАЛ
СБГГ 1 1,5,6,10
2 1,5,6,11
3 1,6,8
4 1,7
АП на взле- 5 2,7,9
те/посадке 6 2,5,9,10
7 2,5,9,11
8 2,8,9
9 3,8
Столкновение 10 3,7
11 3,5,10
12 3,5,11
Авиационная 13 4,5,6
безопасность 14 4,6,8
Для удобства записи ФАЛ используется матричная форма, в которой конъюнкции обозначаются расположением логических символов в строке, а дизъюнкции их расположением в столбце. Например, для блока СБГГ имеем ФАЛ
/(2 Ы21 п27М21 п26 п 28 М21 п 25 п26 п2пМ21 п 25 п26 п 210) ,
после упрощения
/ ^ ) = п 17 и п и 2Ъ п г10 и 2Ъ п г11 = п 17 и 26 п и 2Ъ п г11 и г10
ее можно записать в матричной форме
'11
'10
z
z
1
7
z
z
6
8
z
5
После аналогичных преобразований по всем категориям событий в целом для ФАЛ опасной ситуации по группе факторов "Среда" имеем матричную форму (3).
{(г1,...г11 ) =
"10
(3)
Следующей и наиболее сложной задачей является замена логических переменных вероятностями их истинности. В данном случае использованы результаты применения рекуррентного алгоритма для аналогичной по структуре ФАЛ приведенного в [2]
р(ос) = рзд7 + дз37д8++ д23зд8д9 + + + дзр5§788д„ +
+ 8^8зд78зд9 + дзд58788дю8п + д28зР58788д9д„ + д18зР5дб878889дп +
+ д28зд58788д9д„ + д18зР5дб878889дп + д28зд58788д9д„8„ - [д^28зд7д8д9 + (4)
+ Рзд4д5дбР788 + р28зр48б8889 + р18зд4дбд7р8 + р18зд4д5дбр788 + дзр4д5дб8788д„ +
+р1р28зд4дбд7д8д9 + д^28з84дз87д8д9 + дзд4д5дб8788дюдц + 8^28зд4д5дбд788д9 + +д28зд4дздб8788р9д11+д1Р28з84дздб8788д9дп+д28зд4д5дб8788д9дю8„ + + д1д28з84д5дб8788д9д1о8„],
где Qi - исходные вероятности истинности или «опасности» аргументов системы (3); = 1 - Qi - соответственно вероятности «безопасности» этих элементов.
Из выражения (4) и вычисляется вероятность перехода АТС в опасное состояние. Полученное значение Р(ОС) сравнивается со средним («фоновым») значением по «светофорному принципу» и принимается решение о степени опасности полета и принятии дополнительных мероприятий.
Исходные вероятности могут быть получены на основе статистики или с помощью экспертных опросов. Но ЛВТБ позволяет оценить вклады каждого из ИС и ИУ в итоговое Р(ОС) и без известных Qi на основании того, что «вес» аргумента в монотонной булевой функции есть частный случай его «значимости» при одинаковой опасности всех аргументов, равной 0,5. Вычисление «значимости» gZi аргументов выполняется по формуле
к I
gII = £ 2- £ 2''(5)
Г=1
3=1
ъ
ъ
7
ъ
ъ
б
8
ъ
ъ
5
11
ъ2 ъ
ъ
7
ъ
б
ъ
ъ
5
ъ
11
ъ
ъ
3
7
ъ
б
ъ
ъ
5
ъ
11
ъ4 ъб
ъ
5
ъ
8
где к, т^- - число и ранг ортогональных конъюнкций, содержащих аргумент zi; I, rj - число и
ранг ортогональных конъюнкций, содержащих логическое отрицание .
Ортогональными называются конъюнкции, все члены которых попарно ортогональны, т.е. их произведения равны 0. Полученное по формуле (5) распределение gQi для рассматриваемой ОС представлено в табл. 2.
Таблица 2
Sz\ gZ 2 gZ 3 gZ 4 gZ 5 gZ6
0,181 0,105 0,137 0,0680 0,171 0,147
gZ 7 gZ 8 gZ 9 gZ10 gZ11 gQc
0,306 0,235 0,104 0,033 0,033 0,695
Как видим, самым опасным является наличие особых геофизических условий региона полетов и аэродромов (сложный рельеф, наличие препятствий, особенности схем аэродромов). Этот результат не вызывает удивления и подтверждается опытом.
Среди ИУ наибольшим весом обладает недостоверность прогнозирования метеоусловий, опасных метео и геофизических явлений и орнитологической обстановки. Далее следуют: несовершенство правил полетов в регионе и недостатки правового регулирования, сбои в системе УВД. Эти результаты были бы неочевидны без проведенного анализа и являются хорошей подсказкой для разработки мероприятий.
Таким образом, показано, что:
1. Применение ЛВТБ позволяет сформировать синтезированную функцию оценки по группе факторов «Среда» и решить задачу по прогнозированию повышенной опасности для аэродромов назначения.
2. Дополнительно, даже при отсутствии исходных вероятностей ИС и ИУ, ЛВТБ позволяет объективно выявлять наиболее опасные места, причины и инициирующие условия, побуждая специалистов концентрировать усилия на решении первостепенных задач.
Работа выполнена при поддержке Министерства образования и науки РФ в рамках Постановления Правительства РФ № 218.
ЛИТЕРАТУРА
1. Рябинин И.А. Надежность и безопасность структурно-сложных систем. - СПб.: Политехника, 2000.
2. Можаев А.С., Алексеев А.О., Громов В.Н. Автоматизированное логико-вероятностное моделирование технических систем (Руководство пользователя ПК АСМ версии 5,0). - СПб.: Военный инженерно-технический университет, 1999.
3. Зубков Б.В., Шаров В.Д. Теория и практика определения рисков в авиапредприятиях при разработке системы управления безопасностью полетов. - М.: МГТУ ГА, 2010.
ASSESSMENT OF AN ENVIROMENT INFLUENCE ON FLIGHT SAFETY
Sharov V.D.
This article is devoted to research of use of logical- probabilistic theory for flight safety risk connected with différent factors of natural and manmade environment.
Key words: aviation incident/accident, hazard, environment.
Сведения об авторе
Шаров Валерий Дмитриевич, 1955 г.р., окончил Академию ГА (1977), кандидат технических наук, заместитель директора департамента предотвращения авиационных происшествий ГрК «Волга-Днепр», автор более 50 научных работ, область научных интересов - безопасность полетов, аэронавигация.
