Синтез отказоустойчивых комплексов бортового оборудования летательных аппаратов

(модели случайного процесса дрейфа параметров), и данных о характеристиках ошибок контроля и помех.

Основные трудности при решении задачи прогнозирования состояния для синтеза стратегии управления техногенными рисками связаны с тем, что прогноз приходится осуществлять для каждого объекта индивидуально, при малых объемах исходной информации (по небольшому набору результатов контроля), и в присутствии помех (ошибок контроля), статистические свойства которых достоверно не известны. В этих условиях классические методы математической статистики и теории случайных процессов теряют свои привлекательные свойства, а их использование для прогнозирования момента наступления рискового события приводит к существенным ошибкам и невысокой достоверности прогноза. В связи с этим необходимы расширение исходной информационной базы за счет проведения комплексного обследования УТС и последующего мониторинга системы эксплуатации и разработка новых методов прогнозирования, дополняющих уже известные.

Некоторые подходы к решению задачи индивидуального прогнозирования технического состояния УТС и планирования их эксплуатации при дефиците и неполной достоверности исходной информации, позволяющие получать в этих условиях достаточно надежные результаты рассмотрены в работах [68]. Здесь при оценке момента наступления рискового события задаются лишь границы, в которых может лежать неизвестная ошибка измерений, а управление строится с расчетом на наихудший случай, допускаемый данными наблюдений.

Если в качестве модели случайного процесса изменения параметров состояния исследуемого технического объекта может быть принята структура в виде полинома Чебышева со случайными коэффициентами, то предлагается использовать метод индивидуального гарантированного прогноза. В отличие от традиционных вероятностно-статистических методов прогноза он позволяет получать решение при отсутствии сведений о вероятностных характеристиках ошибок наблюдений и других помех. Метод основан на использовании экстремальных свойств полиномов Карлина и идеях минимаксного оценивания.

Метод гарантированного прогноза позволяет определить некоторую область, в пределах которой гарантированно будут находиться параметры состояния в заданный момент времени. Он обладает необходимыми свойствами несмещенности, одно-

значности и оптимальности. Результаты прогноза позволяют оценить момент наступления рискового события и остаточный ресурс УТС, а также определить стратегию управления техногенным риском (назначать целесообразные моменты контроля состояния, а также профилактических и ремонтных работ).

Стратегия управления рисками должна быть такой, чтобы суммарные потери, связанные с эксплуатацией исследуемой УТС были бы минимальными. В ряде случаев в качестве критерия выбора этой стратегии можно использовать показатель гарантированного уровня общих материальных потерь при эксплуатации системы в течение заданного времени T.

S = sup f H (y(t))dt + VT,

y(t)eYT T

где H(y(t)) - функция потерь, определяющих материальные потери, возникающие при отклонении вектора состояния объекта y(t) от номинального; VT - затраты на оценку (контроль) технического состояния и проведение мероприятий по техническому обслуживанию объекта во время эксплуатации.

Аддитивность критерия S открывает путь к решению задачи на основе принципа оптимальности Беллмана. При этом поиск искомой стратегии можно рассматривать как многошаговый управляемый процесс принятия решений для синтеза оптимальной системы управления, а S - финальная функция потерь (сумма потерь, связанных со всеми шагами принятия решений). Соответствующие алгоритмы являются адаптивными, так как совместно с принятием основных решений оценивают неизвестную обстановку, чем улучшают процесс принятия решений. Они достаточно просты и могут быть реализованы в рекуррентном виде.

Использование предлагаемого подхода для прогнозирования состояния и планирования эксплуатации машин и механизмов, индикатором состояния которых являются механические колебания (турбины, генераторы, компрессоры, вентиляторы, электродвигатели и др.), а также прогнозирования технического состояния мощных энергетических установок по полям излучений [9] подтвердило его эффективность.

Работа выполнена при частичной финансовой поддержке гранта ДВО РАН программы «Дальний Восток», проект №15-1-4-007 о.

1

ния.

2

1984 3

ЛИТЕРАТУРА

Абрамов О.В. Анализ и прогнозирование техногенных рисков // Информатика и системы управле-- 2012. - № 3. - С. 97-105. Хенли Э.Д., Кумамото Х. Надежность технических систем и оценка риска. М.: Машиностроение,

Абрамов О.В. Возможности и перспективы функционально-параметрического направления теории надежности // Информатика и системы управления. - 2014. - № 4. - С. 53-66.

4. Тихонов В.И., Хименко В.И. Выбросы траекторий случайных процессов. М.: Наука, 1987.

5. Абрамов О.В. Марковские модели техногенных рисков // Информатика и системы управления. -2013. - № 2. - С. 73-81.

6. Абрамов О.В. Управление состоянием сложных технических систем // Труды международного симпозиума "Надежность и качество 2010", Пенза: ПГУ, 2010. т. I, С. 24-26.

7. Абрамов О.В. Алгоритм оценки и прогнозирования остаточного ресурса сложных технических систем // Труды международного симпозиума "Надежность и качество 2 013", Пенза: ПГУ, 2013. т. I, С. 5-6.

8. Абрамов О.В. Мониторинг и прогнозирование технического состояния систем ответственного назначения // Информатика и системы управления. - 2011.- № 2. - С. 4-15.

9. Абрамов О.В., Борисов Б.Д., Киншт Н.В. и др. Техническая диагностика и мониторинг мощных энергетических установок по полям их излучений // Автометрия - 2003. - Том 39. - № 6. - С. 86-97.

УДК 519.24.001:512,643,5 Авакян А.А.

АО «НИИ авиационного оборудования», Жуковский, Россия

СИНТЕЗ ОТКАЗОУСТОЙЧИВЫХ КОМПЛЕКСОВ БОРТОВОГО ОБОРУДОВАНИЯ ЛЕТАТЕЛЬНЫХ АППАРАТОВ

Перед исследованием, результаты которого приведены в статье, была поставлена цель, показать преимущества отказоустойчивых комплексов бортового оборудования (КБО) летательных аппаратов перед теми КБО, которые не обладают отка-

зоустойчивостью. При этом ставились следующие задачи исследовать: архитектуру отказоустойчивой КБО; необходимый объем избыточности для обеспечения заданной надежности; методы и ха-

рабочего

рактеристики мониторинга рабочего состояния КБО.

В работе показано, что концепция интегральной модульной авионики (ИМА), изложенная в документе ДО-2 97 [4], наиболее полно отражает подходы к проектированию отказоустойчивых систем. В основе этой концепции лежит принцип синтеза систем ИМА, состоящих из платформы ИМА с интегрированными в неё аппаратными и программными приложениями [5, Стр. 369-371]. В работе была разработана отказоустойчивая платформа ИМА, характеристики безотказности которой удовлетворяют требованиям норм летной годности [1] и регулярности полетов [2]. Кроме того, была разработана архитектура КБО, состоящая из систем ИМА с отказоустойчивыми платформами, в которой обмен информацией между системами ИМА происходит по линиям связи без центрального коммутатора.

Практическая ценность работы заключается в том, что стоимость КБО с аналогичными характеристиками надежности, но синтезированных из федерации резервированных функциональных блоков, по предварительным оценкам, имеет стоимостные характеристики и характеристики затрат на техническую эксплуатацию существенно худшие, чем аналогичные характеристики КБО, разработанных по принципам, изложенным в данной работе.

Под отказоустойчивым комплексом бортового оборудования летательного аппарата (КБО ЛА) будем понимать КБО ЛА, способные исправно функционировать в заданный период (например, в период между регламентными работами на ЛА) с выполнением всех норм летной годности и регулярности полетов.

Наиболее полно отражает подходы к проектированию отказоустойчивых систем концепция интегральной модульной авионики (ИМА), изложенная в документе ДО-2 97 [4]. В основе концепции лежит принцип синтеза систем ИМА, состоящих из платформы ИМА с интегрированными в неё аппаратными и программными приложениями [5, Стр. 369-371].

Если, на какой-то из систем КБО, реализована функция, отказ которой может привести к катаст-рюфической ситуации, то, согласно нормам летной

годности [1, стр. 14], вероятность неконтролируемого отказа системы не должна превышать 10-9 отказа на час налета. Если, при этом, КБО

должна сохранять такую безотказность на периоде между регламентными работами ЛА, например, периоде 600 летных часов, то, согласно нормам регулярности полетов [2, пункт 6.8], вероятность отказа, приводящего к невыполнению системой норм летной годности, должна быть меньше 10-4 отказа на час налета.

В [3, стр. 72, 73] показано, что эти требования можно выполнить, если систему реализовать на платформе ПУИИМА, функциональная схема которой приведена на рис.1. На рисунке видно, что отказоустойчивость достигается за счет избыточности интерфейсно вычислительных трактов. Таких трактов в платформе четыре. В [3, стр. 31] были выведены следующие формулы для расчетов зависимости вероятности отказа и интенсивности отказов избыточной системы от периода функционирования:

Вероятность отказов

яЛ^Тс'Л-Т

1 = 1с

Интенсивность отказов

4 (' )=-

М> -1

¿С (-1)'-к (1 - е"4)- V"4

1 -¿с;

В [3, стр. 90] по формуле (1) был произведен расчет вероятности неконтролируемого отказа платформы за межрегламентный период 600 летных часов хотя бы двух из четырех трактов платформы 0нп(600) (отказ мажоритарной системы):

&л

Нормы летной годности [1, стр. 14] предъявляют следующие требования к надежности аппаратуры, на которой реализуются критические функции. Вероятность отказа за период полета, приводящая к таким последствиям, как:

катастрофическая ситуация, не должна превышать 10-9;

Рисунок 1 - Функциональная схема платформы ИМА

аварийная ситуация, не должна превышать 10-7; сложная ситуация, не должна превышать 10-6; На основании проведенных расчетов можно заключить, что характеристики безотказности платформы, структурная схема которой приведена на рис. 1, удовлетворяют требованиям норм летной годности.

В [3, стр. 94] по формуле (1) были проведены расчеты следующих характеристик безотказности платформы, которые позволяют оценить выполнение требований норм регулярности полетов:

вероятности контролируемого отказа хотя бы одного из трактов платформы за период 600 часов Qкп (600):

Оп

вероятности автоматического восстановления платформы при возникновении отказов хотя бы в одном из трактов в межрегламентный период, равный 600 часов налета:

йкп

К регулярности полетов предъявляются следующие требования. Нормативная допустимая продолжительность задержки отправлений в рейс по причине устранения отказов бортового оборудования регламентируется документом [2, пункты: 7.4, 7.6, 7.8] и не должна превышать 15 минут.

Зависимость интенсивности отказо!

и тракта в целом

Вероятность восстановления работоспособности и отказоустойчивости в заданное время оперативного ТО комплекса при подготовке самолета к полету при всех видах отказов и повреждений, в том числе и не диагностируемых бортовыми средствами контроля, должна быть не менее 0,998 [2, пункт 6.8].

Результаты расчетов, выполненные по формулам (3), (4) и (5), показывают, что характеристики безотказности платформы, структурная схема которой приведена на рис. 1, удовлетворяют как требованиям норм летной годности, так и регулярности полетов при эксплуатации платформы в межрегламентный период 600 летных часов с автоматическим восстановлением отказавших платформ. Таким образом, характеристики платформы позволяют реализовать в межрегламентный период 600 летных часов эксплуатацию по принципу без технического обслуживания (Maintenance Free Operating Periods - MFOPS).

Для иллюстрации расхода безотказности платформы в период 600 летных часов по формуле (2) были проведены расчеты зависимости от налета интенсивности отказов компонент тракта МИМ, МВУ, МОВ платформы и тракта в целом. Результаты расчетов приведены в таблице 1 и графиках рис. 2.

компонент тракта «МИМ - МВМ - МОВ» от налета ЛА Таблица 1

Устройство Интенсивность отказов Аэ-106 отказов в час, в зависимости от налета ЛА

100 200 300 400 500 600

Модуль вычислительного узла МВМ (ряд 2) 2,37 4,75 7,11 9,48 11,80 14,20

Интерфейсный модуль МИМ (ряд 3) 1,26 2,51 3,77 5,02 6,27 7,52

Выходные каналы ARINC-429 (ряд 4) 0,15 0,29 0,44 0,59 0,73 0,88

Объединительный элемент модуля объединения выходов МОВ (ряд 5) 8,69 8,69 8,69 8,69 8,69 8,69

Тракт МИМ-МВМ-МОВ (ряд 6) 12,50 16,20 20,00 23,80 27,50 31,30

Анализируя данные таблицы 1 и графика (рис. 2), можно сделать следующие выводы:

интенсивность отказов устройств и тракта в целом за межрегламентный период 600 часов растет линейно;

для тракта в целом интенсивность изменяется от 12,5Ф10_>> до 31,3Ф10_>> (соответственно сред-

ние периоды между отказами уменьшаются от 80 000 часов до 31 949 часов);

расход избыточной надежности в межрегламентный период происходит за счет автоматического ремонта тракта при отказах отдельных компонент.

Рисунок 2 - Зависимость интенсивности отказов компонент тракта МИМ - МВМ - МОВ

и тракта в целом от налета ЛА

На функциональной схеме платформы (рис.1) видно, что по интерфейсу ARINC-429 информация на входы каждого тракта платформы подается через многофункциональные интерфейсные модули (МИМ), а выдается из платформы через два модуля объединения выходов (МОВ). Информация по интерфейсам Ethernet и Fibre Chanel подается и выдается по дуплексным каналам связи через два коммутатора каждого интерфейса Ethernet и Fibre

Chanel. С точки зрения формирования входной в платформу и выходной из платформы информации коммутаторы выполняют функции реконфигурации структуры платформы для формирования исправного интерфейсно-вычислительного тракта при возникновении разладок (сбоев, перемежающихся и устойчивых отказов, программных и конструктивных ошибок) в компонентах платформы.

Каждый из модулей МИМ и МОВ платформы, кроме каналов необходимых для связи с аппаратными приложениями, имеют «n» входных и выходных каналов для обмена информацией с «n» системами ИМА. Точно также каждый коммутатор интерфейсов Ethernet и Fibre Chanel, кроме дуплексных каналов связи с аппаратными приложениями платформы, имеет «п» дуплексных каналов для связи с другими системами ИМА.

Наличие МИМ, МОВ и коммутаторов позволяет создавать на основе платформы ПУИИМА системы ИМА. При этом модули МИМ, МОВ интерфейса ARINC-429, коммутаторы интерфейсов Ethernet и Fibre Chanel выполняют следующие функции системы ИМА: интеграцию аппаратных приложений платформы как со стороны входа в платформу, так и со стороны выхода из платформы,

автоматическое восстановление системы ИМА при возникновении в ней разладок, посредством реконфигурацию структуры за счет избыточного множества компонент платформы и аппаратных приложений,

с помощью временных циклограмм доставку информации, принимаемой от других систем КБО ЛА и передаваемой в другие системы КБО ЛА, на дуплексные порты коммутаторов.

Таким образом, КБО ЛА, состоящая из систем, созданных на основе платформ ПУИИМА, получает возможность структурироваться посредством максимально простой архитектуры, приведенной на рис. 3.

Наличие в МВУ каждого тракта программ системы управления избыточностью, включающего в свой состав программы мониторинга рабочего состояния и реконфигурации структуры платформы при возникновении разладок, позволяет выполнять все функции аппаратных и программных приложений системы ИМА, а также изложенные выше функции коммутаторов с выполнением требований норм летной годности и регулярности полетов в межрегламентный период.

Ограничением архитектуры, приведенной на рис.3, является количество систем ИМА, которое не может превышать числа «п», т.е. относительно количества систем предлагаемая простая архитектура является закрытой. Однако это ограничение не является недостатком архитектуры, потому что не открытость по количеству систем не позволяет создавать чрезмерно сложные КБО ЛА. Производительность современных вычислительных средств позволяет интегрировать в систему ИМА достаточно большой набор) функций.

Рисунок 3 - Архитектура отказоустойчивого комплекса КБ и JTA

Для КБО ЛА характерны следующие системы ИМА:

обработки инерциальных и высотно-скоростных параметров;

самолетовождения и навигации; управления полетом;

обработки информации зависимых наблюдений; отображение информации и сигнализация о состоянии систем на многофункциональных индикаторах;

предупреждения критических режимов с искусственным интеллектом, содержащим информацию руководства летному экипажу и подсказки летному экипажу;

внутри самолетной и внешней связи.

Как видно из этого перечня типовых систем ИМА в КБО ЛА не более восьми. В перспективе, их количество может только уменьшиться за счет повышения вычислительной производительности, что позволит объединять родственные системы. Например, «Обработки инерциальных и высотно-

скоростных параметров» и «Самолетовождения и навигации», а также систем «Управления полетом» и «Предупреждения критических режимов с искусственным интеллектом, содержащим информацию руководства летному экипажу и подсказки летному экипажу».

Выводы:

В работе показано, основным преимуществом отказоустойчивой системы ИМА, из которых синтезируется отказоустойчивый комплекс бортового оборудования летательного аппарата КБО ЛА, яв-

ляется возможность достижения надежности обеспечивающей выполнение норм летной годности и регулярности полетов без технического обслуживания в межрегламентный период.

Эксплуатация отказоустойчивых КБО ЛА без технического обслуживания (принцип Maintenance Free Operating Periods) позволяет существенно (приблизительно до пяти раз) снизить их расходы на техническую эксплуатацию по отношению к тем ж расходам на комплексы, эксплуатируемые по техническому состоянию до отказа.

ЛИТЕРАТУРА

1. Авиационные правила. Ч. 25: Нормы летной годности самолетов транспортной категории. М.: Изд-во Межгос. Авиац. Комитета. 2009.

2. Типовые требования к эксплуатационно-техническим характеристикам комплексов бортового оборудования гражданских магистральных самолетов, самолетов МВЛ и авиации общего назначения. Утверждена заместителем директора ГосНИИ «Аэронавигация В.Я.Кушельманом 10 мая 1994 г.

3. А.А. Авакян, В.В. Клюев «Синтез сложных многофункциональных отказоустойчивых систем электроники», «Издательский дом «Спектр», Москва, 2014 г.

4. SC-200 © 2005, RTCA Inc. Руководство по вопросам разработки и сертификации интегрированного модульного авиационного радиоэлектронного оборудования (IMA) ДО-297. RTCA, Incorporated, 1828 L St NW„ NW„ 805 Washington, 2005 г.

5. А.А. Авакян, Н.К. Юрков «Создание отказоустойчивых систем электроники на основе управляющей избыточности», журнал «Труды международного симпозиума надежность и качество», издательство «Пензенский государственный университет», г. Пенза , 2011 г.

УДК 629.7.03:658.583

Болознев1 В.В., Застела1 М.Ю., Мирсаитов2 Ф.Н.

1КНИТУ-КАИ, Казань, Татарстан, Россия

2Департамент информационных технологий ООО «Тулпар-Техник», Казань, Татарстан, Россия БЫСТРОДЕЙСТВУЮЩИЕ РАДИОВОЛНОВЫЕ ДАТЧИКИ ПАРАМЕТРОВ РЕАКТИВНЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ

Введение. Интерес к быстропротекающим процессам в транспортных тепловых энергетических установках (ТЭУ) и особенно в двигателях летательных аппаратов (ДЛА) обострился еще в 70-е годы прошлого века по ряду причин:

- росту удельной мощности двигателе, в частности, вследствие применения специальных топ-лив;

- участившимися авиакатастрофами и срывам стартов космических аппаратов (за пятьдесят лет космонавтики имело место 6000 удачных стартов и 1000 - неудачных);

- научными успехами в нелинейной термодинамике (нобелевская премия И.М.Пригожину, 1977 [1]) выявившими новые диагностические параметры - быстропротекающие физические процессы, в принципе позволяющие предсказать состояние ТЭУ в полете на одной из доаварийных стадий [2].

Самым динамичным фактором работающей ТЭУ является пламя - поток ионизированного газа, главными энергетическими его параметрами - давление и температура. Однако регистрации этих параметров в динамике ТЭУ препятствует ряд причин. Поэтому внимание инженеров привлекают косвенные параметры, статистически взаимосвязаны с основными. В космических двигателях - жидкостных и твердотопливных - это электронная концентрация плазмы пламен, а в авиационных (газотурбинных) - вибрации лопаток турбин и компрессоров.

Известно множество вполне успешных попыток измерения названных параметров радиоволновыми методами [3]. Однако попытки конструктивного сопряжения датчиков с двигателями, их недостаточные помехозащищенность и эрозионная стойкость препятствуют внедрению известных методов в функциональную (полетную) диагностику ТЭУ. В то же время быстродействие радиоволновых методов и возможность выявления спектра диагностического параметра в широком диапазоне (присущие радиоволновым средствам) побуждают искать новые технические решения.

Цель работы состоит в описании разработанных авторами и их коллегами способов и средств оперативной диагностики внутрикамерных процессов в космических и авиационных ТЭУ путем зондирования сверхвысокочастотным радиоизлучением. Косвенными диагностическими параметрами являются электронная концентрация, плотность теплового потока и вибрации лопаток. Регистрации подлежа-

ла информативная высокочастотная часть спектров, в наибольшей степени отображающая аномальные режимы. Обязательными условиями ставились невозмущающий характер контроля при полной конструктивной совместимостью с действующими ТЭУ.

Функциональные и конструктивные особенности диагностической аппаратуры.

Быстродействующие датчики энергетических параметров по условиям их эксплуатации могут быть разделены на три группы в соответствии с длительностью рабочих циклов ТЭУ:

- короткий - несколько секунд - рабочий цикл, имеющий место в двигателях орбитального маневра космического аппарата; вариантом является ряд кратковременных включений ТЭУ.

- непродолжительный («стартовый») - несколько минут - до выхода космического аппарата на орбиту или для сведения с орбиты спускаемых аппаратов;

- длительный - несколько часов - характерный для авиадвигателей.

Датчики первой группы работают как «холодные», то есть не успевают заметно изменить под влиянием нагрева рабочие характеристики, например, чувствительность.

Датчики второй группы подвержены существенному изменению характеристик в ходе цикла, в том числе, выходу из строя (к концу цикла это допустимо).

Наконец, датчики третьей группы «успевают» прогреться до отрыва летательного аппарата от взлетно- посадочной полосы и в ходе полета имеют достаточно стабильные показатели.

В функциональном отношении все разработанные датчики представляют собой приемопередающие модули, возбуждающие электромагнитное поле в объеме камеры сгорания или проточного тракта и могут быть отнесены в этом плане к устройствам так называемой сверхближней или ближепольной (near-field) радиолокации. Для этой области радиолокации характерно непосредственное влияние объектов своим присутствием, физической природой и размерами на электрические характеристики антенны: структуру поля в ближней зоне и сопротивление излучения. О свойствах объекта (электронной концентрации, теплового потока или виброперемещения) судят по изменению сопротивления, поскольку его спектр адекватно отобража-