Критерії відмови підсистем ССА

 

Підсистеми ССА на відміну від ССА в цілому є топологічними системами, тому критерії їх відмови визначаються не тільки кількістю елементів, що відмовили, а і їх взаємним розташуванням на території літовища. При певному розташуванні вогнів, що відмовили, наприклад кілька вогнів поряд, пілот ПК може втрати візуальний контакт з ССА, що може привести до втрати орієнтації та виникненню особливої ситуації під час польоту.

Зрозуміло, що критерій працездатного тану і критерій відмови для підсистеми ССА певної категорії – зворотні поняття. Надалі для того, щоб краще пояснити сутність задачі, будемо використовувати обидві поняття.

Таким чином для підсистем ССА, як для багатоелементних, топологічних систем з інформаційним резервуванням критерій відмови повинен складатися з двох ознак:

- кількісна ознака – загальна кількість вогнів підсистеми, що відмовили, при якій підсистема ССА переходить до непрацездатного стану – K_max;

- топологічна ознака – кількість суміжних вогнів, що відмовили, при якій підсистема ССА переходить до непрацездатного стану – М_max.

При відмові певної кількості вогнів у підсистемі світлосигнальна картина, яку бачить пілот, перекручується настільки, що не може служити достовірним джерелом візуальної інформації для пілота ПК. У такому випадку пілот не може отримати необхідну йому інформацію про відстань до ЗПС, або про курс, яким прямує ПК, або про глісаду його планерування. Таким чином можна зробити висновок, про те, що при виконанні умови (3.3) загальний вигляд світлосигнальної картини неприпустимо перекручуються, а підсистема ССА перебуває у непрацездатному стані.

, (3)

де K – загальна кількість вогнів у підсистемі, що відмовили на момент часу t.

Однак відмова підсистеми ССА може виникнути і при невиконанні умови (3).

Припустимо, що , однак відмови вогнів, які мають місце, згруповані таким чином, що світлосигнальна картина буде перекручена. Це може статися у випадку, якщо кілька вогнів, що відмовили, розташовані поряд, тобто є суміжними.

Друга ознака критерію відмови підсистем ССА може бути записана у такому вигляді:

,

де М – загальна кількість вогнів у підсистемі, що відмовили на момент часу t, розташованих поряд (суміжних).

Отже задача обґрунтування критеріїв відмови підсистем ССА зводиться до знаходження значень кількісної та топологічної ознак – K_max та М_max.

Поставлена задача може бути вирішена за допомогою двох методів:

- метод визначення критеріїв відмови підсистем ССА в результаті проведення тренажерних та натурних досліджень;

- метод теоретичного визначення критеріїв відмови підсистем ССА за допомогою математичних моделей надійності підсистем ССА та математичної моделі процесу взаємодії екіпажу ПК з ССА.

Перший метод – експериментальний – ґрунтується на моделюванні різних відмов підсистем ССА за допомогою авіаційних тренажерів або у реальних льотних умовах з подальшою об’єктивною оцінкою траєкторних параметрів ПК, психофізіологічного стану пілотів при заході на посадку та експертними оцінками цих відмов пілотами ПК.

Даний метод потребує проведення тривалих випробувань з використанням спеціальної техніки та участю певної кількості пілотів різних кваліфікацій, а отже, потребує певних витрат часу, матеріальних та людських ресурсів. Крім того результати застосування цього методу не можна назвати в повній мірі об’єктивними, адже кількість пілотів, що приймають участь у експерименті, обмежена, досить важко дотримуватися ідентичності метеоумов, практично неможливо передбачити ролі людського фактору.

Головним обмеженням для використання експериментального методу до визначення критеріїв працездатного стану ССА в умовах України є організація таких випробувань, яка потребує наявності матеріальної бази та значних матеріальних витрат.

Однак саме цей метод був застосований англійськими фахівцями з департаменту DERA для перевірки можливості зменшення кількості вогнів у певних підсистемах ССА, та, ймовірно, експертами ІКАО для визначення припустимого відсотка вогнів, що відмовили у певних підсистемах ССА, для обслуговуючого персоналу.

Другий метод визначення критеріїв відмови підсистем ССА – теоретичний – полягає у математичному визначені критеріїв відмови підсистеми ССА на підставі створення математичних моделей надійності складних, топологічних систем та математичних моделей процесу взаємодії екіпажу ПК з ССА.

Вказані моделі були спеціально розроблені для визначення критеріїв відмови підсистем ССА та перевірки можливості їх застосування в умовах експлуатації.

Використання даного методу не потребує значних матеріальних витрат та застосування спеціального обладнання – необхідна лише ПЕОМ та стандартне програмне забезпечення, а отже цей підхід може бути досить просто реалізований і не потребує додаткових затрат на обладнання.

В результаті застосування обраного методу мають бути визначені та обґрунтовані значення кількісної та топологічної ознак критерію відмови підсистем ССА, що ґрунтуються на значеннях показників надійності елементів ССА, які об’єктивно можуть бути забезпечені на даний час виробниками світлосигнального обладнання аеродромів

Світлосигнальна система аеродрому є системою, що складається з певної, нормованої кількості підсистем, кожна з яких позначає певну ділянку аеродрому. Всі підсистеми ССА розташовані на ділянці загальною площею більш ніж 0,5 кв. км.

У своїй уяві досвідчені пілоти уявляють ”ідеальне” зображення ЗПС та підходів до неї у перспективі, тому будь які відхилення від уявного ідеального зображення будуть стимулювати пілота до певних заходів щодо зміни його місцеположення у просторі.

За допомогою наукових досліджень та завдяки великому практичному досвіду, що був накопичений за довгий період часу було встановлено чотири основні елементи, які характеризують світлосигнальну систему аеродрому: конфігурація, колір, сила світла та зона розповсюдження сили світла аеродромних вогнів (”чотири “С”) [2, 3].

Як конфігурація так і колір надають пілоту інформацію, необхідну для динамічної трьохвимірної орієнтації. Конфігурація забезпечує інформацію по виведенню пілота на необхідний азимут, а колір інформує його про місцеположення у межах даної системи. Сила світла та зона розповсюдження сили світла аеродромних вогнів відносяться до світлотехнічних характеристик, які необхідні для функціонування конфігурації та кольору.

Вогні розміщуються у подовжніх та поперечних рядах відносно осі ЗПС. Ці прямі та незамкнені ряди формують підсистеми, які вказують пілоту на його місцеположення відносно вісі ЗПС. До складу деяких підсистем входять так звані ”лінійні вогні”. ”Лінійні вогні” складаються з трьох – п’яти одиночних вогнів, розташованих на прямій лінії, поперечній осі ЗПС з таким інтервалом, що пілот ПК має сприймати їх як світлову смугу. ”Лінійні вогні” використовуються у підсистемах вогнів наближення та вогнів зони приземлення.

Пілот ПК ніколи не бачить ССА у плані, а завжди у перспективі, крім того, тільки у простих метеорологічних умовах він бачить її майже повністю. Частіше, особливо у СМУ, пілоту доводиться інтерпретувати елементи наведення, що видаються візуальною ділянкою вогнів, що рухається вниз від лобового стекла по мірі руху ПК по глісаді. Довжина ділянки, яку бачить пілот, змінюється в залежності від висоти ПК та наклонної дальності видимості з кабіни екіпажу. Кількість інформації, яку пілот отримує від порівняно малої ділянки схеми вогнів наближення, спостерігаючи її при високій швидкості та низької видимості, є вкрай обмеженою.

Дослідження експертів ІКАО [3] довели, що пілоту в середньому необхідно десь біля 2,5 секунд для того, щоб перевести увагу від зовнішніх орієнтирів на прибори і назад до зовнішніх орієнтирів. Так як сучасне ПК проходить за цей час біля 150 метрів, пілот повинен встановити надійний візуальний контакт за цей час на цій ділянці.

Отже можна стверджувати, що для успішного здійснення посадки, при переході на візуальне пілотування пілот повинен встановити.

надійний візуальний контакт з вогнями світлосигнальної системи на ділянці не менш ніж 150 метрів.

Порушення правильного співвідношення ”чотирьох С” на цій ділянці може привести до дезорієнтації пілота ПК та спровокувати його неправильні дії, що у свою чергу може привести до виникнення ”особливої” ситуації в польоті.

Відмова одного з вогнів на цій ділянці, наприклад, одного з лінійних вогнів у підсистемі вогнів зони приземлення приведе до зменшення видимої ділянки від 150 до 120 метрів, або до появи всередині ділянки провалу (відстань між сусідніми вогнями збільшиться від 30 метрів до 60 метрів). Так як ПК постійно рухається, до зони видимості пілота попадають інші вогні наближення і зменшення видимої ділянки через відмову одного вогню може бути швидко скомпенсоване завдяки наступному вогню, що попадає до зони видимості пілота.

До гірших наслідків може привести відмова двох вогнів (”лінійних” або ”одиночних”), що розташовані поряд. У цьому випадку довжина видимої ділянки складає лише 90 метрів або, якщо відбулася відмова двох суміжних вогнів всередині ділянки, відстань між сусідніми вогнями, які спостерігає пілот складає 90 метрів: умова ”чотирьох С” є повністю порушеною, з великою долею ймовірності можна стверджувати, що надійний візуальний контакт на цієї ділянці встановлено не буде або він буде помилковим.

Отже з описаних міркувань можна виділити топологічну ознаку критерію відмови підсистеми ССА – підсистема ССА знаходиться у стані відмови у разі, якщо відмовили два або більше суміжних аеродромних вогні. Адже основною задачею підсистем ССА є надання достовірної інформації про місцеположення ПК. В разі відмови двох або більше суміжних вогнів певної підсистеми, візуальна інформація перекручується і не може бути корисною для пілота ПК.

Можна припустити, що підсистеми осьових та бокових вогнів ЗПС ССА ІІ та ІІІ категорій резервують одна одну, так як надають схожу візуальну інформацію – про вісь та бокові межи одного об’єкту – ЗПС. В разі відмови двох суміжних вогнів підсистеми осьових вогнів ЗПС відстань між двома сусідніми вогнями збільшиться до 30 метрів (або до 60 м, якщо осьові вогні ЗПС розташовані через 30 м, як на аеродромі Донецьк) при відмові двох суміжних

вогнів підсистеми бокових вогнів ЗПС складе 120 метрів. Відмова двох суміжних вогнів обох підсистем на одній ділянці є такою малоймовірною подією, що нею можна знехтувати.

Така топологічна ознака повинна бути застосована для усіх підсистем ССА, однак вона може бути пом’якшена для підсистем осьових та бокових вогнів ЗПС ССА ІІ та ІІІ категорій тільки при наявності результатів додаткових досліджень в галузі можливого взаємного інформаційного резервування у двох згаданих підсистемах.

Для того, щоб визначити значення кількісної ознаки критерію відмови ПССА необхідно знайти значення ймовірності безвідмовної роботи підсистеми аеродромних вогнів за час t, причому значення K задати змінним. Значення K критерію відмови ПССА, що необхідно знайти буде знаходитися у точці перегину функції Р _АВ(t), тобто, у тій точці, де подальше збільшення значення кількісної ознаки критерію відмови не призведе до підвищення надійності ПССА.

Імовірність безвідмовної роботи ПАВ за час функціонування Р _ПАВ(t) без врахування топологічної ознаки критерію відмови має вигляд:

(4)

де N _АВ – загальна кількість вогнів у підсистемі; Р _АВ(t) – імовірність безвідмовної роботи аеродромного вогню за проміжок часу між двома перевірками їх технічного стану – t = 12год.; Q _АВ(t) – імовірність відмови аеродромного вогню за час t.

Для даного випадку, кількість сполучень з N _АВ елементів по і знаходиться за відомою формулою бінома Ньютона;

(5)

Імовірність безвідмовної роботи ПАВ за час функціонування Р _ПАВ(t) з урахуванням топологічної ознаки критерію відмови знаходиться як:

. (6)

Для випадку, коли враховується ще й топологічна ознака, кількість сполучень з N _АВ елементів по і знаходиться за спеціально розробленою формулою (3):

 

 

(7)

Враховуючи експоненціальний закон надійності для елементів підсистем ССА, значення Р _АВ(t) та Q _АВ(t) знаходяться за формулами:

, (8)

Ймовірність безвідмовної роботи підсистеми аеродромних вогнів за 12 годин, як функція кількісної ознаки критерію відмови, буде спочатку зростати зі збільшенням K, а потім, починаючи з певного моменту, буде лишатися незмінним, дорівнюючи певному значенню. Це є цілком зрозумілим, адже для багатоелементних систем з інформаційним резервуванням завдання більш м’якого критерію відмови приводить до збільшення ймовірності безвідмовної роботи за певний проміжок часу.

Максимальне значення ймовірності безвідмовної роботи підсистеми аеродромних вогнів за певний проміжок часу без врахування топологічної ознаки буде дорівнювати одиниці, а при врахуванні топологічної ознаки – певному значенню, яке належить проміжку значень від 0 до 1,що ілюструється графіком, рис.3.

Це пояснюється тим, що збільшення значення кількісної ознаки критерію відмови з певного моменту припиняє приводити до росту ймовірності безвідмовної роботи підсистеми за час t, адже вступає в дію топологічна ознака – починає впливати ймовірність появи пари (або більше) суміжних елементів, що відмовили.

У точці, де функція безвідмовної роботи підсистеми аеродромних вогнів за час t дійде до свого максимального значення і припинить зростати, отримаємо значення кількісної ознаки критерію відмови підсистеми – К.

Завдання кількісної ознаки критерію відмови підсистеми більше ніж максимальне К не має сенсу, адже не приводить до зростання ймовірності безвідмовної роботи підсистеми за час t. Крім того подальше збільшення значення кількісної ознаки критерію відмови підсистеми приведе до спотворення загальної світлосигнальної картини, що формується підсистемою.

 

 

Рис.3 Графіки залежностей ймовірностей безвідмовної роботи підсистеми аеродромних вогнів за 12 год. від значення К з урахуванням топологічного критерію (Р_пав1 (К)) і без урахування топологічного критерію (Р_{пав 2} (К)).