Разработка методов повышения уровня безопасности полётов воздушных судов путем улучшения качества функционирования систем информационного обеспечения УВД

Гражданская авиация Российской Федерации находится на таком этапе своего развития, когда при решении вопросов безопасности полётов необходимо учитывать стремительный рост объемов перевозок, массовое обновление парка ВС, средств АС ОрВД и смену поколения авиационных специалистов.

Исследования показывают, что наиболее эффективным способом повышения безопасности полетов в Гражданской Авиации является применение системного подхода к управлению безопасностью полётов [1,6].

Управление безопасностью должно объединять различные виды деятельности в единое целое требует планирования и организации мероприятий, налаживания взаимодействия между различными службами и соответствующего нормативного обеспечения.

Система управления Безопасностью Полётов (БП) должна давать организации (предприятию) возможность прогнозировать и устранять проблемы БП до того, как они приведут к авиационному происшествию [2,6].

С целью оказания практической помощи государствам в реализации системного подхода к решению вопросов безопасности полётов в 2006 году ИКАО выпущено Руководство по управлению безопасностью полётов. Поэтому РФ, как и многими другими авиационными державами взято направление на разработку и принятие государственной программы безопасности полётов гражданской авиации, внедрение которой, по предварительной оценке эффективности реализации всех направлений работ, показало, что частота авиационных происшествий может быть снижена примерно в 2 — 2,5 раза.

Вклад аэронавигационного обслуживания воздушного движения в общую безопасность полётов ВС гражданской авиации составляет примерно 20%. Государственным требованием, определяющим приемлемый уровень безопасности воздушного движения в Российской Федерации, является условие снижения количества авиационных происшествий и человеческих жертв, прямо или косвенно связанных с функционированием системы аэронавигационного обеспечения в условиях непрерывного роста воздушного движения. Указанные требования являются интегральными и оценивают безопасность воздушного движения на всех этапах полёта «от перрона до перрона».

Программные мероприятия обеспечения безопасности полётов при аэронавигационном обслуживании воздушного движения направлены на управление процессом создания и совершенствования аэронавигационной системы с целью уменьшения факторов риска для достижения установленных государством приемлемых уровней безопасности. Эти мероприятия должны осуществляться на всех этапах жизненного цикла системы: от разработки и проектирования её компонентов до сертификации, внедрения и эксплуатации всей системы в целом.

В процессе эксплуатации на поддержание работоспособности средств и систем УВД расходуются большие средства.

Процессы создания, испытаний, ввода в действие и эксплуатации средств УВД регламентируются рядом государственных и отраслевых документов. Их требования не всегда в полном объеме учитываются в производственной деятельности предприятий. Сложившаяся ситуация приводит к ухудшению качества выполнения функций, снижению эффективности использования средств УВД, затрудняет взаимодействие разработчиков, заказчиков и эксплуатантов.

Значительной части расходов можно было бы избежать за счет рациональной организации работ на этапе создания и эксплуатации средств УВД [3].

В связи с этим вопрос повышения качества функционирования систем информационного обеспечения УВД с позиции многофункциональности является весьма актуальным.

Основным фактором, ограничивающим пропускную способность являются возможности диспетчера-оператора, который в обозримом будущем остается центральным звеном системы управления воздушным движением. В этих условиях большое значение имеет организация информационного обеспечения полетов, в частности, качество функционирования и надежность каналов авиационной командной связи, по которым передается речевая информация, достоверность и своевременность доведения которой до экипажей воздушных судов и диспетчеров службы движения в наибольшей степени влияет на достигаемый уровень безопасности полетов.

Авиационная радиосвязь является одним из основных звеньев комплекса радиоэлектронных средств (РЭС) управления воздушным движением. С целью обеспечения требуемого уровня безопасности и регулярности полетов действия экипажей и диспетчеров направлены на поддержание непрерывного соответствия воздушной обстановки принятой организации УВД.

Постоянно увеличивающаяся интенсивность воздушного движения сопровождается усложнением задач по его управлению и ведет к росту объема оперативной информации о воздушной обстановке, получаемой с помощью связных РЭС экипажами воздушных судов и диспетчерами службы движения. В этих условиях все большую актуальность приобретают вопросы обеспечения требуемого качества функционирования средств авиационной радиосвязи, как основной системы информационного обеспечения полетов.

С целью обеспечения требуемого качества функционирования.

РЭС связи в процессе их эксплуатации проводится определенный объем упорядоченных по месту и времени восстановительных работ, в результате проведения которых параметры радиосредств поддерживаются в заданных пределах. То есть, принято считать, что качество функционирования радиосредств полностью определяется их техническим состоянием. Однако, опыт эксплуатации авиационных РЭС показывает, что такой подход не в полной мере позволяет решить задачу обеспечения их требуемого качества функционирования в реальных условиях эксплуатации. Эта задача может быть решена в том случае, если критерий качества функционирования выбирается из условий выполнения возложенных на РЭС функциональных задач.

Исходя из назначения, качество функционирования связных РЭС должно оцениваться достоверностью и своевременностью получаемой информации, которые определяется всеми звеньями радиоканала. То есть качество функционирования определяется не только техническим состоянием средств связи, но и характеристиками воздействующих помех, что является характерной особенностью радиоэлектронных средств. На возможность нарушения работоспособности РЭС вследствие влияния помех указывается в ряде литературных источников [44,64]. Применяемая в настоящее время программа эксплуатации не учитывает влияние помех на качество функционирования радиосредств. Поэтому гарантируется не заданное качество функционирования, а некоторое состояние РЭС, в котором оно функционирует с требуемым качеством при отсутствии помех.

Обеспечение требований безопасности и регулярности полетов в условиях увеличивающейся интенсивности воздушного движения связано с увеличением оснащенности зон УВД радиоэлектронными средствами обеспечения полетов. Специфика размещения РЭС гражданской авиации в пределах ограниченной территории (аэропорт, зона УВД и т. п.), наличие неосновных каналов приема и неосновных излучений передающих устройств приводит к увеличению числа и уровней воздействующих помех и повышению вероятности их прохождения на выход радиоприемных устройств, что, в конечном счете, ухудшает качество функционирования каналов информационного обеспечения.

Снижение качества функционирования ниже допустимого уровня под воздействием, помех приводит к невозможности выполнения поставленных перед РЭС задач и, в соответствии с требованиями к надежности, является отказом. Это подтверждается и практикой. Качество функционирования средств связи в процессе их использования оценивается операторами субъективно, а его снижение ниже допустимого фиксируется как отказ. При этом причина отказа не всегда может быть установлена и радиосредство в дальнейшем не используется. Однако, отказы РЭС за счет влияния помех являются в подавляющем большинстве случаев самоустраняющимися. То есть, по прекращению действия помехи РЭС является работоспособным. Ввиду того, что процесс использования средств радиосвязи и инструментальный контроль их работоспособности разнесены во времени, фиксация отказа при воздействии помех не подтверждается инструментальной проверкой. Следствием этого является недопустимо большое число неподтвержденных отказов средств авиационной радиосвязи. Большое число неподтвержденных отказов приводит к увеличению расходов, связанных с необоснованными восстановительными работ, и снижение эффективности процесса технической эксплуатации. Разработка новых методов технической эксплуатации, с целью обеспечения требуемого качества функционирования средств радиосвязи, основывается на глубоком знании характеристик их надежности, четкой организации и совершенствовании методов объективного контроля технического состояния и качества функционирования средств радиосвязи.

Методы расчета показателей надежности по отказам, вызванным изменением технического состояния радиосредств широко освещены в литературе [15,19,46]. Однако, как следует из изложенного ранее, для оценки показателей надежности в реальных условиях эксплуатации необходимо учитывать и отказы, обусловленные влиянием помех [64].

В настоящее время до 30% каналов информационного обмена авиационной командной связи функционирует в «сложной» электромагнитной обстановке, характеризующейся возможностью нарушения работоспособности канала вследствие воздействия помех.

Характерно, что наиболее эффективный метод повышения надежности — резервирование, по отношению к отказам, обусловленным воздействием помех, неприемлем. Помехой поражается как основное, так и резервное радиосредство.

Несмотря на то, что возможность влияния непреднамеренных помех на качество функционирования каналов авиационной командной связи не вызывает сомнений, при рассмотрении вопросов технической эксплуатации средств связи, отказы, обусловленные их воздействием, не принимаются во внимание. Это приводит, с одной стороны к низкой эффективности реализуемых мероприятий, с другой — к тому, что реализуемая пропускная способность зон УВД оказывается ниже обоснованной теоретически, что, в свою очередь, либо влечет за собой необходимость снижения интенсивности воздушного движения, либо приводит к снижению уровня безопасности воздушного движения.

Исходя из этого, поставленная в диссертационной работе задача обоснования требований к качеству информационного обеспечения воздушных судов, исходя из обеспечения безопасности полетов, а также разработки методов их обеспечения в сложной электромагнитной обстановке при минимальных затратах, является актуальной.

С целью решения указанной проблемы, в диссертационной работе последовательно поставлены, формализованы и решены следующие основные задачи, решение которых и является основными вопросами, выносимыми на защиту:

— обоснование критерия качества функционирования каналов авиационной связи, отражающего влияние обоих существенных факторов эксплуатации: аппаратурной надежности радиосредств и воздействие непреднамеренных помех, а также влияние качества функционирования канала на эффективность непосредственного УВДмодель, описывающая процесс изменения качества функционирования средств авиационной командной связи при воздействии помех в зависимости от характеристик воздействующих помех и технического состояния этих средствразработка методики комплексной оценки показателей надежности и эффективности функционирования средств авиационной радиосвязи, учитывающей влияние воздействующих помех и технического состояния радиосредств;

— разработка аналитических моделей взаимосвязи качества функционирования и надежности канала авиационной командной связи с пропускной способностью зоны УВД;

— обоснование требований к стационарным показателям надежности каналов авиационной командной связи, гарантирующих требуемый уровень безопасности полетов в конкретных зонах УВД;

— разработка методов распределения требований к надежности канала по составляющим, соответственно аппаратурной и надежности по отказам, обусловленным воздействием помех и мероприятий, реализующих указанные требования при минимальных затратах.

ВЫВОДЫ И РЕЗУЛЬТАТЫ ЧЕТВЕРТОГО РАЗДЕЛА.

1. Сформулированы ограничения на коэффициент готовности канала, являющийся основным показателем надежности восстанавливаемых систем, исходя из совместного обеспечения нормированных значений риска столкновений воздушных судов и коэффициента загрузки диспетчера службы движения. Получены допустимые значения коэффициента готовности канала для сорока конкретных зон УВД.

2. Предложен подход к нормированию допустимого времени восстановления канала и определены значения указанного интервала для ряда конкретных зон УВД.

3. Разработан метод учета степени автоматизации УВД при обосновании требований к надежности каналов авиационной командной связи, на основе определения степени уменьшения интенсивности обращения диспетчера к радиоканалу.

4. Получены коэффициенты уменьшения интенсивности обращения диспетчера к радиоканалу для наиболее распространенных систем автоматизации управления воздушным движением для ряда зон УВД и определены требования к коэффициенту готовности канала при использовании систем с различным уровнем автоматизации.

5. Рассмотрены основные методы обеспечения надежности канала по отношению к аппаратурным отказам, обусловленным воздействием помех. Приведены рекомендации по использованию конкретных методов.

6. Сформулированы условия целесообразности применения различных методов резервирования капалообразующей аппаратуры в зависимости от ограничений па коэффициент готовности и время восстановления канала.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

В диссертационной работе проведен анализ условий функционирования каналов авиационной командной связи и показано, что до 30% каналов информационного обмена работают в сложной электромагнитной обстановке, характеризующейся наличием срывов работоспособное ш канала, обусловленных влиянием непреднамеренных помех. Поскольку каналы информационного обеспечения авиационной командной связи непосредственно включены в контур управления воздушным движением, требования к качеству и надежности их функционирования должны определяться, исходя из обеспечения необходимой эффективности непосредственного УВД. Используемые методы оценки эксплуатационных показателей надёжности не учитывают влияния воздействующих помех, что не позволяет гарантировать заданный уровень безопасности полетов при номинальных значениях пропускной способности зоны УВД, либо реальную пропускную способность в реальных условиях эксплуатации.

Показано, что качество функционирования и надежность каналов информационного обмена авиационной, командной связи определяется как надежностью каиалообразующей аппаратуры, так и характеристиками воздействующих помех.

Обосновано, что качество непосредственного УВД целесообразно характеризовать загрузкой диспетчера по каналу информационного обмена и по условной вероятности опасного сближения ВС при наличии потенциально-конфликтной ситуации (ПКС). Показано, что эти показатели непосредственно зависят от надежности функционирования каналов информационного обмена авиационной командной связи. В качестве критерия эффективности функционирования канала, отражающего влияние обоих существенных факторов эксплуатации: надежность каиалообразующей аппаратуры и влияние непреднамеренных помех принята вероятность переспросов в канале, имеющая смысл величины обратной коэффициенту оперативной готовности канала за длительность сеанса связи.

Предложена и обоснована модель для описания процесса изменения качества функционирования средств радиосвязи при воздействии помех в виде дискретного полумарковского процесса, характеристики которого определяются характеристиками воздействующих помех.

Разработана методика расчета показателей надежности и эффективности функционирования средств радиосвязи с учетом влияния помех и технического состояния приемопередающих средств.

Получено выражение для функции и коэффициента готовности средств радиосвязи с учетом влияния воздействующих помех и случайных значений параметров приемопередающих средств.

Определена область допустимого изменения энергетических параметров приемопередающих средств, в пределах которой обеспечивается заданное значение коэффициента готовности.

Предложены алгоритмы адаптивной регулировки параметров средств связи для различных помеховых ситуаций в комплексе РЭС, максимизирующие среднее значение отношения сигнал/шум+помеха за длительность сеанса связи.

Проведен анализ возможных ситуаций нарушения качества функционирования канала связи за счет воздействия помех и показано, что эти ситуации можно свести к случаям воздействия одной, двух и трех помех сеансного характера.

Предложен метод определения характеристик надежности канала при воздействий сеансных помех и для каждого из указанных выше случаев получены выражения для стационарных показателей надежности канала: вероятности переспросовкоэффициента готовностисреднего времени наработки на отказ и среднего времени восстановления канала.

Сформулированы условия обеспечения заданного уровня безопасности полетов в зоне при неабсолютной надежности каналов авиационной командной связи, заключающиеся в совместном обеспечении нормативного значения вероятности опасного сближения ВС при наличии ИКС.

Предложена модель и получено аналитическое выражение, устанавливающее взаимосвязь коэффициента загрузки диспетчера с вероятностью переспросов в канале авиационной командной связи. Предложена модель и получено аналитическое выражение, устанавливающее взаимосвязь вероятности опасного сближения при наличии Г1КС с вероятностью переспросов в канале авиационной командной связи.

Разработан метод распределения требований к показателям надежности канала по составляющим, отражающим как аппаратурные отказы радиоканала, так и отказы, обусловленные воздействием электромагнитных помех. Проведен анализ мероприятий, позволяющих реализовать указанные требования и показаны области их применимости. Показана возможность и высокая эффективность скользящего резервирования как средства обеспечения требуемой аппаратурной надежности канала авиационной командной связи. Сформулированы требования к надежности переключающего устройства и количеству резервных радиостанций в зависимости от числа одновременно резервируемых каналов.

Большинство результатов доведено до инженерных методик, алгоритмов и программ, реализованных на ЭВМ. Полученные в диссертационной работе результаты позволяют обосновать требования к качеству функционирования и надежности каналов информационного обмена авиационной связи, реализующие заданную пропускную способность конкретной зоны УВД и предложить методы их обеспечения.