Выбор методов анализа надёжности для технических средств аэронавигационной системы

УДК 629.735.017.1

ВЫБОР МЕТОДОВ АНАЛИЗА НАДЁЖНОСТИ ДЛЯ ТЕХНИЧЕСКИХ СРЕДСТВ АЭРОНАВИГАЦИОННОЙ СИСТЕМЫ

О.В. МИЩЕНКО, А.А. АПАНАСОВ

Статья представлена доктором технических наук, профессором Логвиным А.И.

В настоящей работе приводится обоснование выбора методов анализа надёжности для технических средств аэронавигационной системы России.

Ключевые слова: методы анализа надёжности, аэронавигационная система России.

Введение

Воздушный транспорт является одной из важнейших частей, составляющих транспортную систему России. В связи с этим, на гражданскую авиацию (ГА) возлагаются важнейшие задачи, связанные с построением современной системы государственного регулирования отрасли. Поэтому в настоящее время создаётся аэронавигационная система России (АНС) - перспективная система, которая позволит объединить комплексы технических систем и средств наземного, бортового и космического сегментов, установленные по единым правилам на объектах, взаимодействующие между собой и со смежными системами, которые при участии оперативного и инженерно-технического персонала, принимающего решения и действующего в соответствии с установленными правилами, выполняют функции аэронавигационной системы России. АНС России должна строиться на базе единой технической архитектуры, обеспечивающей функциональное и организационное единство системы и интеграцию ее элементов.

С увеличением интенсивности воздушного движения повышаются требования к обеспечению безопасности полетов (БП), что входит в понятие «обеспечение качества» предоставляемых транспортных услуг. Обеспечение качества производства и услуг на основе использования стандартов Международной организации стандартизации (ИСО) является общемировой практикой, направленной на создание безопасных условий жизнедеятельности человека. Соответственно одним из аспектов безопасных условий жизнедеятельности человека является обеспечение безопасности полетов ГА. Поддержание заданного уровня безопасности полетов, определенного документами Международной организации ГА (ИКАО), определяется очень многими факторами, среди которых одним из главенствующих является фактор, связанный с процессами летной и технической эксплуатации авиационной техники (АТ). В настоящее время эффективная техническая эксплуатация авиационной техники уже невозможна без проведения научных исследований, применения современных стратегий, методов управления эффективностью производственных процессов, методов и средств диагностики и контроля. Научная, теоретическая и экономическая база технической эксплуатации авиационной техники нуждается в совершенствовании и развитии. Для этого требуется создать централизованное хранение информации об эксплуатации технических средств перспективной АНС России. В связи с чем разрабатывается комплексная система анализа надёжности функционирования технических средств АНС России (САН ТС АНС), которая позволит хранить и обрабатывать данные о функционировании средств радиолокации, радионавигации, авиационной электросвязи, средств планирования и управления воздушным движением на основе оценки их текущего состояния.

В разрабатываемой системе будут регистрироваться события, которые произошли во время эксплуатации технического средства на каждом из этапов его эксплуатации, на какие системы это оказало влияние и что было причиной события. Следовательно, нужно определить метод для анализа надёжности этих систем.

Основные процедуры анализа надежности

Общая процедура анализа надежности состоит из следующих задач в порядке их применения:

а) определение системы;

б) определение требований/целей обеспечения надежности;

в) распределение требований по надежности;

г) анализ уровня надежности.

Так как разрабатываемая информационная система позволяет хранить и обрабатывать данные о функционировании средств радиолокации, радионавигации, авиационной электросвязи, средств планирования и управления воздушным движением, то определение системы включает идентификацию конкретной системы и описание её функциональных связей.

Расчет надежности средств АНС России на разных стадиях жизненного цикла может проводиться в следующих целях:

- оценка вероятности достижения требуемого уровня надежности технического средства АНС;

- оценка вероятности достижения требуемого уровня надежности технического средства АНС в установленные сроки и при выделенных ресурсах;

- определение ожидаемого уровня надежности АНС и/или его составных частей, в том числе расчетное определение показателей надежности или параметров распределения характеристик надежности технических средств АНС в качестве исходных данных для расчета их надежности в целом;

- обоснование и проверку эффективности предлагаемых в результате испытаний технического средства АНС мер по его доработкам, технологии изготовления, системы технического обслуживания и ремонта, направленных на повышение его надежности;

- решение различных оптимизационных задач, в которых показатели надежности выступают в роли целевых функций, управляемых параметров или граничных условий, в том числе таких, как оптимизация структуры объекта, распределение требований по надежности между показателями отдельных составляющих, выбор стратегий технического обслуживания и ремонта, обоснование гарантийных сроков и назначенных сроков службы;

- проверка соответствия ожидаемого уровня надежности объекта установленным требованиям (контроль надежности), если прямое экспериментальное подтверждение их уровня невозможно технически или нецелесообразно экономически.

На основе обработки содержащихся в разрабатываемой системе событий и рассчитываемых показателях надёжности можно производить анализ достижения поставленных целей.

Категории методов

Методы анализа надежности классифицируют в соответствии с их главной целью по следующим категориям [1]:

- методы для предотвращения неисправностей;

- методы анализа архитектуры системы и распределения надежности;

- методы для оценки характеристик основных событий.

Заполнение разрабатываемой информационной системы САН ТС АНС о событиях технических средств АНС России производится обслуживающим персоналом с опытом выполнения работ по сбору, учету, обобщению и анализу информации. На данном этапе не предусматривается ввод данных в САН ТС АНС самими техническими средствами в автоматическом режиме, основываясь на анализе их работы (данное расширение функциональности возможно в будущем). Поэтому информация носит больше статистический характер. Следовательно, оперативное предотвращение неисправностей, например при определении приближения к допустимым пределам параметра системы, пока что не рассматривается.

В разрабатываемой САН ТС АНС должна быть возможность использования методов анализа архитектуры АНС России и распределения надежности для определения надёжности её компонент через исследования последствий единичных неисправностей и последствия комбинаций неисправностей, например:

- производить анализ дерева событий;

- производить анализ видов и последствий отказов;

- производить исследования опасностей отказа и удобства использования;

- определять эксплуатационную готовность;

- анализировать структурную схему надежности.

Выбор методов анализа технических средств САН ТС АНС

Выбор методов анализа надёжности технических средств АНС в САН ТС АНС, которая включает в себя данные о функционировании средств радиолокации, радионавигации, авиационной электросвязи, средств планирования и управления воздушным движением, затрудняется тем, что нужно унифицировать расчёт надёжности и представить его на едином интерфейсе вывода информации.

Подведём технические средства, информацию о состояниях которых должна содержать САН ТС АНС, под критерии выбора методов анализа надежности [1]. САН ТС АНС содержит информацию:

- о сложных технических средствах АНС России, например систем, включающих резервирование;

- о вновь разработанных технических средствах АНС России;

- о технических средствах АНС России, где нужно провести количественный анализ (т.к. должно производиться определение эксплуатационной готовности, расчёт числовых оценок показателей надёжности);

- о технических средствах АНС России, где существенно влияние комбинации неисправностей;

- о технических средствах АНС России, меняющих свои состояния по заданным параметрам на разных этапах их эксплуатации и зависящих от последовательности событий;

- о технических средствах, где присутствует зависимость характеристики отказа или восстановления отдельного элемента системы от состояния в целом АНС;

- для компьютерной обработки;

- о событиях, происходящих с техническими средствами, вызванных влиянием человеческого фактора.

Таблица 1

Метод Подходит для сложных систем Подходит для новых проектов Количест- венный анализ Подходит для комбинаций неисправностей Подходит для обработки с учетом последовательности и зависимости событий Может использовать зависимые события Подходит для распределения надежности Применимость и унифицированность

Прогнозирование интенсивности отказов Нет Да Да Нет Нет Нет Да В

Анализ дерева неисправностей (FTA) Да Да Да Да Нет Нет Да В

Анализ дерева событий (FTA) Ш. Ш. Да Ж Да Да Ш. С

Анализ структурной схемы надежности (RBD) Ш. Ш. Да Да Нет Нет Да С

Марковский анализ Да Да Да Да Да Да Да С

Продолжение табл. 1

Анализ сети Петри Да Да Да Да Да Да Да Н

Анализ видов и последствий отказов ^МЕА) Ш. Ш. Да Нет Нет Нет Ш. В

Исследование ИАгОР Да Да Нет Нет Нет Нет Нет С

Анализ надежности человеческого фактора (ЖА) Да Да Да Да Да Да Нет В

Анализ нагрузок и напряжений ЫА ЫА Да Ыа ЫА Нет Нет с

Таблица истинности Нет Да Да Да Нет Нет Да с

Статистические методы надежности Да Да Да Да Да Да Ж с

Примечание. Обозначения, принятые в настоящей таблице: N. - может использоваться для анализа простых систем. Не рекомендуется использовать как автономный метод (только совместно с другими методами); ТЭ - нисходящий метод анализа; Ви - восходящий метод анализа; NA - критерий не применим для этого метода; В - высокий; С - средний; Н - низкий.

При использовании критериев табл. 1 из [1] выберем подходящие методы для анализа надёжности

1. Анализ дерева неисправностей [2]. Данный метод предназначен для идентификации и анализа условий и факторов, которые вызывают или способствуют появлению нежелательного результата и влияют на эффективность, безопасность, экономичность и другие характеристики системы. Анализ дерева неисправностей имеет двойное применение: как способ идентификации причины известного отказа и как метод анализа режима отказа, для моделирования и для прогнозирования уровня надежности [1]. Ключевые элементы дерева неисправностей включают клапаны, события и наборы вырезок. Клапаны представляют собой результат, а события - вход в клапан. Наборы вырезок представляют собой группы событий, возникновение которых вызывают отказ системы. Минимальные наборы вырезок содержат минимальное количество событий, которые необходимы для анализа отказа системы. При удалении одного события отказ системы не происходит. САН ТС АНС содержит необходимые данные о технических средствах АНС для построения дерева неисправностей.

2. Марковский анализ. Вероятностный метод, который учитывает статистическую зависимость отказов или характеристики ремонта отдельных компонент для описания состояния системы. Следовательно, марковское моделирование может учитывать как воздействие независимых отказов компонент, так и интенсивности перехода состояний под воздействием разных факторов. По этой причине марковский анализ применяют для оценки надежности функционально сложных систем со сложными стратегиями ремонта и технического обслуживания. Для прикладных задач надежности обычно используют гомогенную во времени марковскую модель, которая предполагает, что интенсивности переходов

выявляют зависимости, которые не могут быть получены другими методами. Метод состоит из следующих ключевых элементов:

- определения пространства состояний системы;

- назначения интенсивностей перехода состояний (постоянных во времени);

- определения характеристик выхода (группировка состояний, которые приводят к отказу системы);

- разработки математической модели (матрицы интенсивностей переходов) и решений марковских моделей для использования подходящего пакета программ;

- анализа результатов.

При вычислении интенсивности перехода состояний и определения групп, которые приводят к отказу системы используется марковский анализ, т.к. САН ТС АНС описывает разные технические средства АНС России, то преимущество данного метода заключается в том, что он может быть адаптирован к сложным избыточным конфигурациям.

3. Анализ сети Петри. Сеть Петри - графический метод представления и анализа сложных логических взаимодействий компонентов или событий в системе. Сеть Петри отражает такие сложные взаимодействия, как конкуренция, конфликт, синхронизация, взаимное исключение и ограничение ресурса.

Статичная структура исследуемой системы может быть представлена графом сети Петри. Граф сети Петри состоит из трех примитивных элементов:

- мест (обычно изображаемых в виде кругов), которые представляют состояния системы;

- переходов (обычно изображаемых в виде линий), которые представляют события, после которых состояние системы изменяется;

- дуг (изображаемых в виде стрелок), которые подключают места к переходам, а переходы к местам и представляют логически допустимые подключения между состояниями и событиями.

Состояние допустимо в данной ситуации, если соответствующее место отмечено одним маркером, изображаемым в виде точки «•». Динамика системы представлена посредством движения маркеров в графе. Переход допускают, если его входные места содержат, по крайней мере, один маркер. Допускаемый переход может быть выполнен. При удалении перехода удаляют один маркер из каждого входного места и помещают один маркер в каждое место вывода. Правила постановки и удаления маркеров позволяют получить все достижимые маркировки, называемые набором достижимости сети Петри. Набор достижимости включает все состояния, в которые система может попасть из начального состояния.

Для каждого вида технического средства необходимо выполнить большой объём работы для построения графов. Поэтому данный метод не подходит для использования в системе САН ТС АНС.

4. Анализ видов и последствий отказов. Метод для определения воздействий на следующий более высокий функциональный уровень системы отказом более низкого уровня. Итерации этих шагов (идентификация одиночных режимов отказов и оценка их воздействия на следующий более высокий уровень системы) заканчиваются идентификацией всех режимов единичных отказов системы.

Ключевые элементы (этапы):

- идентификация требований к функционированию компонента системы;

- идентификация потенциальных видов, последствий и причин отказов;

- идентификация риска, связанного с видами и последствиями отказа;

- идентификация рекомендуемых действий для устранения или уменьшения риска;

- завершающие действия.

При составлении матрицы зависимости состояний технических средств от его компонентов и распределении средств на зависимые уровни возможен данный вид анализа, но эти вопросы требуют дополнительных исследований.

ЛИТЕРАТУРА

1. ГОСТ Р51901.5-2005 (МЭК 60300-3-1:2003) Руководство по применению методов анализа надежности, 2005.

2. ГОСТ Р51901.13-2005 (МЭК 61025:1990) Менеджмент риска. Анализ дерева неисправностей.

CHOICE OF METHODS OF ANALYSIS OF RELIABILITY FOR TECHNICAL MEANS AIR NAVIGATION SYSTEM

Mischenko O.V., Apanasov A.A.

In this paper, the rationale for the choice of methods for reliability analysis of means air navigation system in Russia.

Key words: methods of reliability analysis, air navigation system Russia.

Сведения об авторах

Мищенко Олег Владимирович, 1987 г.р., окончил МГТУ ГА (2009), аспирант кафедры управления воздушным движением МГТУ ГА, область научных интересов - надежность технических средств в авиации, информационные технологии.

Апанасов Ахмед Анатольевич, 1987 г.р., окончил МГТУ ГА (2009), аспирант кафедры управления воздушным движением МГТУ ГА, область научных интересов - информационные технологии, аэронавигация.