Читать книгу Методы и средства обеспечения безопасности полета - В. Б. Живетин - Страница 5

Прибыль и убытки в авиации, как и везде в экономике, взаимосвязаны, взаимозависимы. Это антиподы, не существующие друг без друга. Таков основной закон среды жизнедеятельности.

В необходимости учета потерь при разработке проекта (создания ЛА и его систем или организации эксплуатационного предприятия) заинтересованы следующие его участники: заказчик, инвестор, исполнитель, страховая компания. При анализе потерь и соответствующих рисков любого из участников проекта используются положения, предложенные американским экспертом Б. Берлимером:

– потери от рисков независимы друг от друга;

– потеря по одному направлению «портфеля рисков» не обязательно увеличивает вероятность потери по другому (за исключением форс-мажорных обстоятельств);

– возможный максимальный ущерб не должен превышать финансовые и другие возможности участника проекта.

При рассмотрении характеристик риска выделим два взаимно дополняющих друг друга вида анализа: количественный и качественный [11]. Качественный анализ может быть сравнительно простым, его главная задача – определить факторы, влияющие на риск, этапы и работы, при выполнении которых риск возникает. Количественный анализ сводится к численному расчету размеров отдельных компонент риска и риска проекта в целом. Этой проблеме посвящена данная работа.

Все факторы, так или иначе влияющие на рост величины риска в проекте, можно условно разделить на две группы: объективные и субъективные факторы риска.

К объективным относятся факторы, независящие непосредственно от самой фирмы или авиационного комплекса: это инфляция, анархия, политические и экономические кризисы, экология, таможенные пошлины, наличие режима наибольшего благоприятствования.

К субъективным относятся факторы, характеризующие непосредственно данную фирму, данный проект, данный авиационный комплекс. Эти факторы включают: производственный потенциал, техническое оснащение, уровень предметной и технологической специализации, организация труда, уровень производительности.

При разработке нового ЛА или доработке старой модификации (путем установки нового бортового оборудования) возникают как взаимный интерес инвестора и конструкторского бюро, так и противоречия. Задача заказчика состоит в том, чтобы при минимальных затратах создать такой ЛА, который по основным показателям превысил бы известные ЛА. Задача конструкторского бюро в том, чтобы найти возможность удовлетворить требования заказчика. Как правило, не удается полностью достичь того, что хочет заказчик на те средства, которые он выделил. При этом эксплуатационники, а также пользователи услуг, страховые компании, организации типа ICAO требуют ЛА с заданной надежностью.

В качестве основного показателя, предъявляемого к ЛА, является экономический. Все остальные порождены этим показателем, за исключением показателя, который связан с человеческими жертвами. Так, например, такой показатель, как «регулярность» обеспечивает заданную величину отложенных полетов, учитывая их высокую стоимость. Показатель «безопасность» связан с расходами на поломку или восстановление техники, а также со страховыми выплатами. При этом, по существу, из одного показателя экономичности был введен векторный показатель: экономичность, безопасность, регулярность.

Введем общее расчетное (максимальное) количество полетов n, которые может совершить самолет за время Т. Пусть из-за погодных условий он не сможет совершить (при его низком показателе регулярности) n₁ полетов. Из-за аварийных ситуаций (в том числе поломок) он не завершит n₂ полетов, а из-за недостоверной информации как бортового оборудования, так и средств управления воздушным движением – n₃ полетов. Таким образом, полеты n₀ = n – (n₁ + n₂ + n₃)=n – n₄ завершены благополучно и могут принести прибыль, а полеты n₄ = n₁ + n₂ + n₃ принесут убытки. Каждая из составляющих вектора = {n₀, n₁, n₂, n₃} несет в себе определенную информацию с позиции функционирования бортового оборудования:

n₀ – выполнение поставленной цели;

n₁ – невыполнение поставленной цели при правильном функционировании систем контроля и управления бортовым оборудованием;

n₂ – возникновение аварийных ситуаций, включая катастрофы, обусловленные превышением критических значений параметров состояния ЛА из-за погрешностей функционирования систем контроля бортового оборудования;

n₃ – недостижение поставленной цели, в том числе отказ ее достижения из-за ложной информации систем контроля и средств управления воздушным движением.

Таким образом, убытки, следовательно, технический риск обусловливают те события, которые связаны с {n₁, n₂, n₃}, из них {n₂, n₃} обусловлены погрешностями δx получения и обработки информации.

Если в качестве цели ставится полет на дальность L, то в этом случае потери будем характеризовать частотой n₁ – невыполнение полетов (в том числе по погодным условиям); безопасность характеризовать частотой n₂; экономичность будем оценивать совокупностью {n₁, n₂, n₃}, характеризующей потери в процессе эксплуатации; а с помощью n₀ – прибыль, связанную с благополучным выполнением поставленной цели.

Для современной авиации характерны наперед заданные ограничения на компоненты потерь, связанные с безопасностью полетов, т. е., по существу, задана плата за риск эксплуатации и связанная с ним прибыль. Так, на посадке суммарный риск не должен превышать Р = 10^–9. При этом предполагается, что современная авиация с современным оборудованием гарантированно имеет потери (убытки). Если абстрагироваться от реальности, то можно добиться от бортового оборудования такого функционирования, при котором нет катастроф, но стоимость такого самолета будет так высока, что доходы за счет n₀, как правило, не покрывают эти расходы.

В общем случае количественные характеристики риска представляют векторные величины, а задача построения и прогноза их чрезвычайно сложна [1, 21]. Таким образом, приступая к проектированию самолета, мы должны учитывать:

– затраты на создание и эксплуатацию;

– прибыль при эксплуатации;

– потери в процессе создания и эксплуатации.

В качестве примера рассмотрим техническую постановку задачи создания новых образцов авиационной техники.

Одной из основных задач, стоящих перед проектировщиками и разработчиками таких сложных и дорогостоящих технических систем, как авиационный комплекс, включающий: самолет и его бортовое оборудование; системы управления воздушным движением; аэродромные средства, – является задача выбора и обоснования технических требований к комплексу, в которых отражалось бы его целевое назначение и которые соответствовали бы научно-техническому потенциалу разработчиков. При проектировании авиационного комплекса выбор технических требований к нему должен производиться исходя из целей и задач, стоящих перед проектировщиком самолета, в том числе и его бортовым оборудованием. Такие цели формулируются, как правило, на качественном уровне и позволяют судить лишь об общем направлении работ по созданию авиационного комплекса и его совершенствованию. Для обеспечения необходимой ясности и однозначности формулировок целей последние лучше задать в терминах характеристик авиационного комплекса. Для этого генеральную цель – выполнение самолетом полетного задания – приходится разбивать на совокупность более частных, более простых и конкретных подцелей, т. е. проводить квантификацию целей.

Из множества технических показателей систем авиационного комплекса лицо, принимающее решение, выделяет тот или те, которые, по его мнению, в наибольшей степени характеризуют соответствие системы заданному целевому назначению. Поскольку авиационный комплекс служит для обеспечения регулярности (R), безопасности (Б) и экономичности (Э) полета самолета, последние являются показателями эффективности авиационного комплекса. Отсюда следует, что задача проектирования авиационного комплекса заключается в том, чтобы создать такой авиационный комплекс, который обеспечивал бы самолету значения показателей регулярности, безопасности и экономичности его полета не хуже существующих, и при этом обеспечивал бы прибыль.

Таким образом, целью создания нового авиационного комплекса или совершенствования старого является, как следует из вышеизложенного, повышение регулярности, безопасности и экономичности полетов самолета. Как правило, реализация этой цели поддается экономической оценке, в результате чего могут быть получены зависимости

J₁ = J₁(ΔR, ΔБ, ΔЭ, Т), J₂ = J₂(ΔR, ΔБ, ΔЭ, Т),

где J₁ – прибыль за время эксплуатации самолета, оснащенного таким авиационным комплексом; ΔR, ΔБ, ΔЭ – соответственно приращения показателей регулярности, безопасности и экономичности полета нового самолета по отношению к аналогичным показателям старого варианта самолета; J₂ – затраты на создание авиационного комплекса; Т – время эксплуатации. Очевидно, что эффект от внедрения

ΔJ = J₁ – J₂.          (1.1)

Пусть А – вектор параметров, полностью характеризующих авиационный комплекс. Тогда R = R(A), Б = Б(А), Э = Э(А), и задача заключается в отыскании такого А = А*, при котором показатель (1.1) достигает максимальной величины на множестве значений ΔJ, на границах которого значения ΔJ достигают порога, характеризующего целесообразность создания авиационного комплекса. Таким образом, задача состоит в отыскании А = А*, удовлетворяющего условию

В результате процесс проектирования авиационного комплекса сводится к построению алгоритма, с помощью которого устанавливается связь между свойствами вектора А* параметров авиационного комплекса и значениями R, Б, Э, а также метода нахождения А*, удовлетворяющего условию (1.2).

Предположим, что показатели регулярности R, безопасности Б и экономичности Э полета представляют собой вероятности возникновения некоторых событий. Предположим также, что алгоритм (метод) расчета эффекта J₁ в зависимости от значений указанных показателей известен. В качестве примера такого алгоритма рассмотрим алгоритм, устанавливающий зависимость между эффектом J₁ и значениями показателя безопасности полета, под которым будем понимать вероятность или частоту особых ситуаций.

С учетом введенных предположений определение вектора А^*, характеризующего авиационный комплекс, сведется к задаче определения затрат J₂ на создание комплекса, обеспечивающего самолету значения показателей R, Б, Э полета не хуже заданных (требуемых).

Решение данной задачи может быть сведено к последовательному решению следующих двух задач: задачи синтеза структуры авиационного комплекса, обеспечивающего значения указанным показателям не хуже требуемых, и задачи определения затрат на создание авиационного комплекса, имеющего такую структуру.

В простейшем случае процесс создания нового ЛА или совершенствования старого связан с инвестором (рис. 1.6). Как правило, инвестор, стремясь получить максимальный доход, заказывает конструкторскому бюро (КБ) проектирование нового самолета с характеристиками R, Б, Э. Назовем их условно характеристиками идеального самолета. В силу ограниченных возможностей КБ создает вариант самолета с характеристиками (R₁, Б₁, Э₁); назовем его проектный вариант ЛА. На последней стадии создания, на стадии производства, мы получаем ЛА с характеристиками (R₂, Б₂, Э₂). Назовем такой самолет реальным или фактическим. В результате идеальный доход (D_и), на который рассчитывал инвестор, не получился и стал равен некоторому фактическому значению D_ф. В случае, если расхождение ΔD = D_и – D_ф велико, в КБ проводятся исследования, направленные на поиск наилучшего соответствия между ΔD и стоимостью оборудования, необходимого для его уменьшения (рис. 1.7)

Рис. 1.6

Представленная на рис. 1.7 структурная модель поиска наилучшего решения включает финансовые вложения (финансовые потоки) и порожденные ими технические совершенства, которые обеспечивают регулирование (изменение) дохода D(t) и прибыль D_п(t). При этом новая техника внедряется, если происходит увеличение n₀/n, т. е. частоты выполненных полетов, при уменьшении n₁/n, n₂/n, n₃/n, где n – общее количество полетов.

Рис. 1.7

Анализируя все сказанное относительно потерь и прибыли, сопутствующих процессу эксплуатации самолета, в том числе анализируя процессы доработки, эксплуатации и создания самолета, можно сделать вывод, что в самом простейшем случае самолет есть экономическая подсистема с переменными параметрами, подверженная старению, износу, поломке, изменению точностных и надежностных характеристик.

На рис. 1.7 введены следующие обозначения: Δn₀ – приращение качества выполненных полетов n₀; D_n(t) – затраты на новую технику; D_e(t) – потери, связанные с невыполненными полетными заданиями, число которых равно n₄.

При этом на такую экономическую систему воздействуют возмущающие факторы X, изменяющие, как правило, в сторону уменьшения величину дохода от эксплуатации самолета (рис. 1.8). В такой системе, созданной по воле человека и непосредственно его трудом, циркулируют деньги и техника, взаимно преобразовываясь в нужном для человека направлении. Участие человека сводится к выбору параметров системы, типа и параметров новой техники, а также места и времени применения ЛА.

Рис. 1.8

В общем случае каждый ЛА при анализе эксплуатационных потерь можно рассматривать как подсистему (объект, элемент) некоторой экономической системы, представляющей собой эксплуатационное подразделение. Это означает, что все основные положения экономических систем [19] могут быть использованы при анализе процессов создания и эксплуатации ЛА.

В зависимости от типа самолета в качестве таких экономических систем выступают эксплуатационные подразделения следующих уровней:

– частное лицо (1–2-местные самолеты);

– спортивное общество (спортивная авиация);

– фирма (самолеты деловых связей);

– региональные авиаслужбы (самолеты местных авиалиний);

– авиаслужбы страны (самолеты внутренних авиалиний);

– международные авиакомпании (самолеты международных авиалиний).

Каждое из этих эксплуатационных подразделений в той или иной мере оказывает влияние на создание соответствующей (эксплуатируемой им) техники, а также средств обеспечения ее функционирования (рис. 1.9). Заказчики или инвесторы техники подразделений имеют разные итоговые цели ее создания, разные условия функционирования и потому формируют различные требования и назначения. При этом для каждого ЛА характерны свои потери, как по величине, так и по виду своего проявления, что обусловливает необходимость анализа потоков техническо-экономического риска.

Рис. 1.9

Жизненный цикл. Истоки технического риска.

На рис. 1.10 показана на системном уровне взаимосвязь среды жизнедеятельности, науки, технических и технологических объектов. В основе такого взаимодействия лежит обмен информацией J_x от среды к науке J_y, от науки J_y – к технике J_z о процессах x, y и z, формируемых средой, наукой и техникой соответственно. В процессе такого обмена возникают погрешности и ошибки, свойственные контролю, обработке и передаче информации. Так, в процессе изучения среды жизнедеятельности, которая является источником информации и базовой основой для построения математических и иных моделей, возникают погрешности δ₁, которые зависят от средств измерения и свойств среды жизнедеятельности как носителя информации J_x.

Рис. 1.10

Численные характеристики погрешности δ₁ в процессе научных исследований видоизменяются, как правило, увеличиваются, и на входе в подсистему (3) приобретают новое значение δ₂. В процессе создания новой техники или технологий δ₂ видоизменяется, превращаясь, с одной стороны, в случайные факторы W₃₁(δ₁, δ₂, δ₃, y, z), которые воздействуют на среду жизнедеятельности, а с другой – в δ₃, которые наблюдает наука с целью корректировки математических или иных моделей. Среда жизнедеятельности реагирует на W₃₁ и создает на входе (3) случайные факторы W₁₃(δ₁, x, t).

В процессе взаимодействия между подсистемами (2) и (3) возникают противоречия, обусловленные трудностями, а подчас и невозможностью выполнения всех требований, сформулированных наукой, подлежащих реализации на этапе создания новых технико-технологических объектов. Это обусловлено, чаще всего, отсутствием соответствующей производственной базы, например, для обеспечения заданной точности и надежности функционирования самолета или заданной точности конструктивного исполнения несущих аэродинамических поверхностей.

При этом наука задает расчетную или потребную точность, например в виде погрешности δ₂, а на практике получают возможную погрешность δ₃, которая, как правило, превышает δ₂. В результате ухудшаются все показатели, например тактико-технические данные самолета, такие как дальность полета, расход топлива, грузоподъемность, ресурс, категория по взлету и посадке.

Ограничимся основными требованиями к авиации, которые сформулируем следующим образом:

1) авиация должна оптимальным или наилучшим образом реализовать свое целевое назначение, так например, самолет должен перемещаться в пространстве с минимальными энергетическими затратами при прочих равных условиях;

2) функционирование авиации должно быть безопасным в целом, для биосферы, и в частности, для тех, кто ее использует, так например, вероятность катастрофы для самолета не должна превышать 10^–8.

Невыполнение указанных требований приводит к соответствующим неучтенным или сверхнормативным потерям, которые включают, в частности, потери финансовых средств, направленных на создание новой техники.

Процессу создания и эксплуатации самолета сопутствуют следующие потери:

R₁ – от поломки или разрушения самолета;

R₂ – эксплуатационные, из-за несовершенства организации работ по подготовке к эксплуатации;

R₃ – на этапе научно-исследовательских работ;

R₄ – на этапе опытно-конструкторских работ.

Таким образом, потери R = (R₁, R₂, R₃, R₄) при создании и эксплуатации представляют собой векторную величину, включающую в себя четыре компоненты, каждая из которых также является векторной величиной.

Потери R_i связаны с жизненным циклом, который включает в себя следующие этапы (рис. 1.11): научно-исследовательский, опытно-конструкторский, серийное производство, эксплуатационный. Согласно схеме на рис. 1.11, инициатором создания того или иного проекта является инвестор-1, на средства которого в объеме (Z₁ + Z₂) организуются научно-исследовательские работы (НИР), опытно-конструкторские работы (ОКР), производство. Реализовав объект на рынке-2 по цене Z₃, он должен получить прибыль П₁ = [Z₃ – (Z₁ + Z₂)] > 0.

Рис. 1.11

Инвестор-2, купив объект по цене Z₄, организует его эксплуатацию, представив его на рынок-3 (услуг) для потребителя услуг (10). В процессе эксплуатации ивестор-2 от потребителя получает Z₅ – стоимость услуг. При известных эксплуатационных расходах, ресурсе объекта инвестор-2 имеет возможность определить прибыль.

Перечень расходов, сопутствующих жизненному циклу, включает в себя: 1) создание самолета, в том числе научно-исследовательские работы, проектирование, производство и испытание опытных образцов; 2) серийное производство; 3) эксплуатационные расходы, в том числе организацию управления воздушным движением, аэродромное и техническое обслуживания. Все эти расходы должны окупаться за счет коммерческих перевозок за период эксплуатации, в качестве которого может выступать ресурс работы планера самолета. При этом Z₅ есть функция таких факторов, как стоимость тонны километра перевозимого груза, которая изменяется случайным образом во времени; количество километров, налетанных самолетом и прочее.

Потери инвестора представляют собой превышение расходов над доходами за месяц, год или за весь период эксплуатации данного самолета или всех самолетов данной серии. Каждый из этапов жизненного цикла характеризуется определенными потерями, которые представляют собой этапный риск (рис. 1.12). Потери на каждом из этапов работ зависят от величин погрешностей δ_iR , допущенных при проведении работ, а также от совокупности средств А_i , с использованием которых проводились работы. В итоге получаем суммарные потери Δ₄R, которые можно представить в виде

Δ₄R = ψ(δ₁R, δ₂R, δ₃R, A₁, A₂, A₃),

где ψ – оператор преобразования.

Рис. 1.12

В заключение отметим суть проблемы рисков и безопасности полета. Задача исследователя – изучить истоки рисков и средств обеспечения безопасности. В историческом плане эта проблема эволюционировала от простого к сложному. Выделим ряд этапов эволюции.

Этап 1. Создание модели самолета и выбор таких конструктивных параметров, при которых его полет возможен.

Этап 2. Выбор параметров системы «самолет – пилот».

Этап 3. Выбор параметров и свойств системы «самолет – пилот – пилотажно-навигационное оборудование».

Этап 4. Выбор параметров и свойств системы «самолет – пилот – пилотажно-навигационное оборудование – СПКР (система предупреждения критических режимов)».

Этап 5. Выбор параметров и свойств системы «самолет – пилот – пилотажно-навигационное оборудование – СПКР – СОПР (система оптимизации режима пилотирования)».

Каждому этапу соответствовал свой уровень решения проблем: регулярность, безопасность, экономичность.

На этапе 1 решалась проблема безопасности. На этапе 2 решалась проблема безопасности и частично регулярности. На этапе 3 – задача безопасности, регулярности и частично экономичности. На этапе 4 резко увеличен показатель безопасности путем введения СПКР, а на этапе 5 резко увеличился показатель экономичности путем введения СОПР.