ВВЕДЕНИЕ
В Международной Организации Гражданской авиации (ICAO) в 2001 году принята поправка № 40 к Приложению 11 [1], обязывающая государства устанавливать приемлемый уровень и целевые показатели безопасности полетов применительно к воздушному пространству и аэродромам, за которые они несут ответственность. Предусмотрено также введение новых процедур при управлении безопасностью полетов ОВД (поправка № 4 к PANS-ATM). Положения Приложения № 11 и документа PANS-ATM [2] должны проверяться. Эти проверки должны оценить эффективность надзора со стороны органа государственного регулирования за применением поставщиком обслуживания положений документа
4
Doc.4444.
Приложение 11 предусматривает, что любое значительное, связанное с безопасностью полетов изменение в системе ОрВД, включая внедрение сокращенного минимума эшелонирования или нового правила, осуществляется после того, как оценка безопасности полетов продемонстрирует обеспечение приемлемого уровня безопасности и проведены консультации с пользователями. В полной мере это требование относится к укрупнению районов УВД, при котором помимо технико-экономического обоснования необходимо выполнять анализ обеспечиваемого уровня безопасности полетов в новой структуре воздушного пространства укрупненного района.
В Российской Федерации регулярный контроль уровня безопасности проводят с использованием прямых и косвенных методов контроля.
Прямые методы контроля основаны на учете авиационных происшествий и предпосылок к ним (авиационных инцидентов), связанных с недостатками функционирования ЕС ОрВД. Здесь частота авиационных инцидентов используется для качественного анализа и принятия мер по улучшению безопасности воздушного движения на уровне поставщика обслуживания. Частота авиационных происшествий используется в качестве
7
критерия уровня безопасности воздушного движения на федеральном уровне.
В силу редкости событий чувствительность критерия, основанного на оценке фактической частоты катастроф при УВД, очень низка. В связи с этим задействованы процедуры оценки риска катастроф ВС на математических моделях. Оценивание риска столкновений ВС проводится при этом на специальных математических моделях, часть из которых представлена в ICAO Doc 9689 (Руководство по методике планирования воздушного пространства для определения минимумов эшелонирования). Однако в Руководстве отсутствуют модели рисков на пересечении воздушных трасс и занятых эшелонов. Кроме того, в Руководстве представлена модель риска при продольном эшелонировании в общем виде, непосредственно не пригодном для практического использования. Поэтому в работе исследованы эти вопросы и представлены необходимые модели оценки риска катастроф.
Применяемые математические модели позволяют получить оценки риска катастроф в зависимости от характеристик структуры воздушного пространства (ВП), технического оснащения, обслуживаемых потоков ВС, применяемых правил, процедур и технологий УВД (норм эшелонирования ВС, RNP, основных тактико-технических характеристик и уровня автоматизации технического обеспечения, и т.д.). С учетом этого результаты моделей могут применяться для решения широкого круга прикладных задач, где в качестве критерия используется либо риск катастроф, либо отношение риск катастроф /затраты на его обеспечение.
К таким задачам следует отнести планирование организационно-технического обеспечения ОрВД на основе критериев безопасности воздушного движения. Предполагается, что посредством такого планирования будет обеспечиваться управление главным показателем ОрВД-безопасностью воздушного движения. Главным принципом при этом будет оставаться формирование эффективной политики в обеспечении
8
безопасности, т.е. обеспечение приемлемых уровней безопасности при располагаемых ресурсных возможностях.
Реализация такого управления предполагает установление взаимосвязей между содержанием, сроком и объемами мероприятий по совершенствованию организационной структуры и технического обеспечения системы ОрВД и изменением показателей безопасности ВД, обеспечиваемом при их реализации в различных структурах и при различных параметрах УВД. Это необходимое условие, обеспечивающее целенаправленное планирование безопасности ВД, так как только на этой основе может производиться отбор наиболее эффективных мероприятий по обеспечению безопасности ВД.
Повышение безопасности прямо связано с развитием технического обеспечения ОрВД, что требует значительных капитальных вложений. В то же время практика показывает, что в настоящее время и в обозримой перспективе развитие системы ОрВД будет производиться в условиях жестких ресурсных ограничений.
Другим направлением обеспечения безопасности полетов при УВД является деятельность по укрупнению районов обслуживания воздушного движения.
Оба этих направления, а именно, развитие технического обеспечения процессов управления и совершенствование организационной структуры районов обслуживания можно объединить общим термином - модернизация системы ОрВД. В настоящее время обстоятельства складываются таким образом, что без коренной модернизации национальной системы ОрВД невозможно вписаться во всемирный процесс гармонизации региональных систем обслуживания воздушного движения и обеспечить тем самым высокие показатели безопасности и экономической эффективности полетов.
Поэтому диссертационная работа, направленная на разработку методов анализа и планирования безопасности полетов при модернизации системы обслуживания воздушного движения, дающих возможность выбора
9
конкретных эффективных путей совершенствования системы ОрВД при минимальных затратах на их реализацию, является важной и актуальной.
Целью диссертационной работы является разработка методов оценки и планирования безопасности полетов при модернизации системы ОрВД.
Для достижения поставленной цели в диссертационной работе рассматриваются и решаются следующие основные задачи:
- разработка методов анализа безопасности воздушного движения;
- моделирование безопасности полетов при ОрВД;
- разработка методов планирования технического обеспечения ОВД на основе ' критериев безопасности воздушного движения.
Решение поставленных задач проводится на основе
использования методов теории вероятностей и математической статистики, многокритериальной оптимизации и дискретного математического программирования. При этом обеспечивается:
- использование «опережающего» показателя для оценки фактического значения безопасности воздушного движения;
- адекватное построение математических моделей для оценки безопасности воздушного движения за счет учета неоднородности исследуемых процессов и объектов;
- оценивание обеспечиваемого уровня безопасности при модернизации системы ОрВД;
- обоснованный выбор технических и временных характеристик плановых мероприятий по развитию технического обеспечения ОрВД;
10
- обоснованный выбор планов развития и размещения технических средств с максимальными оценками эффективности при ресурсных ограничениях или планов с заданными оценками эффективности при минимизации потребного ресурсного обеспечения;
- обоснованный выбор целей и ограничений планов на основе их исследования в диапазоне возможных условий развития и функционирования системы ОрВД, и формирование планов, сохраняющих эффективность в указанном диапазоне условии.
В первом разделе рассматриваются требования ИКАО к системе управления безопасностью воздушного движения. Формулируются цели и задачи анализа безопасности воздушного движения, как основного этапа системы управления.
Приводятся основные задачи, решаемые при анализе безопасности воздушного движения и даны методы их решения.
Рассматриваются некоторые особенности вероятностно-
статистического моделирования при моделировании показателей безопасности воздушного движения. Показано негативное влияние на адекватность моделей наличия неоднородностей в исходных данных.
В разделе разработаны новые методы определения однородности на основе аппарата многомерного статистического анализа, позволяющие исследовать совокупность объектов с большим числом признаков на наличие среди них неоднородных групп. Для проверки адекватности построения математических моделей приводятся условия применения классического регрессионного анализа, несоблюдение которых приводят к частичному или полному нарушению адекватности моделей безопасности воздушного движения.
Во втором разделе решаются задачи моделирования критерия
11
оценки уровня безопасности при обслуживании воздушного движения в верхнем воздушном пространстве при исправно работающих технических средствах ОрВД. В соответствии с поставленной задачей здесь рассматриваются шесть типов относительного движения ВС и, соответственно, шесть моделей оценки риска катастроф:
- при движении по параллельным в горизонтальной плоскости участкам воздушных трасс на одной высоте (модель бокового эшелонирования);
- при движении по одной трассе на разных высотах (модель вертикального эшелонирования);
- при движении по одной трассе на одной высоте (модель продольного эшелонирования); '
- при движении по пересекающимся маршрутам на одной высоте;
- при пересечении занятых попутных эшелонов;
- при пересечении занятых встречных эшелонов. Указанные модели оценивают риск как для потоков, в которых
интервалы между ВС не меньше минимумов эшелонирования, так и для потоков, интервалы которых не отрегулированы диспетчерами.
В разделе разработана комплексная модель оценки уровня безопасности системы ОрВД при исправно работающих технических средствах обеспечения полетов.
В третьем разделе рассматриваются задачи планирования технического обеспечения ОрВД на основе критериев безопасности воздушного движения. Определяются предпосылки, допущения и состав задач, которые необходимо решить для реализации такого планирования. Вводится формальное описание системы ОрВД. Устанавливается формальная взаимосвязь между характеристиками авиационных работ, техническим оснащением, показателями безопасности воздушного движения и затратами на развитие технического оснащения для районов УВД и
12
системы ОрВД на маршруте в целом. Вводится формальное описание планов развития технического оснащения системы ОрВД и рассматривается задача синтеза этого плана.
В разделе решаются задачи формирования критериев плана. Рассматриваются различные постановки задач оптимизации планов. Показано, что полученные задачи являются двухкритериальными дискретными задачами оптимизации с равноценными или неравноценными критериями и большим количеством переменных. Эти задачи формально отражают содержание, цели и ограничения планов развития системы ОрВД. Оптимизационный аспект этих задач заключается в определении уровней и сроков переоснащения районов УВД, наилучшим образом адаптированных к ожидаемым условиям воздушного движения и требуемым целевым показателям безопасности.
Планы развития технического оснащения представляются в виде совокупности мероприятий и определяются взаимосвязь характеристик этих мероприятий с критериями и ограничениями задач оптимизации планов. Для каждого района УВД вводится множество возможных альтернативных планов технического переоснащения.
В результате формируется множество планов, где любой выбор из этого множества образует реализуемый план переоснащения районов и для этого плана по приводимым соотношениям можно определить текущие и конечные затраты на реализацию плана, текущие и конечные значения риска и количества катастроф, предотвращенных при реализации выбранного плана.
Рассматриваются методы формирования оптимальных планов. Показано, что такая задача сводится к экстремальной комбинаторной задаче и эта задача может быть решена при использовании методов линейного математического программирования в булевых переменных. Полученные задачи формализуются в виде задач линейного математического программирования в булевых переменных, которые можно
13
классифицировать как многомерные задачи о ранце с тем существенным отличием, что они являются двухкритериальными задачами с равноценными и неравноценными критериями.
Рассматриваются методы определения решений связанные с многокритериальностью, равноценностью и неравноценностью критериев задач.
В разделе предлагаются два метода, основанных на декомпозиции задач и позволяющих найти в каждом случае по одному эффективному решению. Вводится понятие решений, оптимальных по Парето, и приводится два метода определения множества таких решений. Учет приоритетов критериев обеспечивается при решении задач в лексикографической постановке, при использовании метода главного критерия или при специальной свертке критерия.
Рассматриваются методы исследования планов. Показывается, что задачи оптимизации являются частным случаем задач исследования планов, то есть задач, в рамках которых исследуются взаимосвязи между эффективностью системы, объемами выполняемых авиационных работ, ресурсным обеспечением и планами развития технических средств, а использование методов оптимизации позволяет определить граничные значения указанных зависимостей. Рассматриваются возможные постановки задач исследования планов и методы их решения.
В четвертом разделе рассмотрен пример оценки уровня безопасности полетов в регионе УВД, состоящего из семи Районных Центров и пример улучшения плана развития технического оснащения районов УВД.
В первом примере выполнены расчеты оценки риска катастроф ВС для различных вариантов прогноза интенсивности и показано, что вследствие неравномерности распределения суммарного по региону потока ВС часть секторов управления в рассматриваемом регионе
14
работают с перегрузкой, и существующая организация воздушного движения в регионе ни для одного из вариантов не обеспечивает приемлемого уровня безопасности к 2010г. Здесь также рассматриваются вопросы создания укрупненного Районного Центра, состоящего из существующих семи РЦ, и показано, что в Объединенном Центре появляется возможность обеспечения
приемлемого риска за счет перераспределения потоков ВС и повышения качества УВД.
Во втором примере в качестве исходного плана выбран фрагмент реального плана, разработанного при использовании существующих методов. С учетом ограничений этого плана разрабатывается вариант оптимального плана. Показывается, что использование предлагаемых методов позволяет существенно повысить эффективность плана. Приведена приближенная оценка экономической эффективности предлагаемых методов и примеры решения задач исследования планов.
В итоге решения поставленных в работе задач автором выносятся на защиту следующие научные результаты:
- методический подход к определению «упреждающего» показателя, характеризующего уровень безопасности воздушного движения на этапе анализа;
- процедура исследования многомерных данных на однородность на основе использования методов многомерного статистического анализа;
- модели оценки риска катастроф при движении ВС по пересекающимся воздушным трассам и при пересечении занятых встречных и/или попутных эшелонов, при движении ВС по одной трассе на одной высоте, модель оценки риска катастроф при обслуживании движения ВС на воздушных трассах и коридорах
15
подходов в районах размещения аэродромов государственной авиации;
- комплексная модель оценки риска катастроф ВС при исправно работающих технических средствах обеспечения полетов в верхнем воздушном пространстве;
- постановка задач планирования технического оснащения системы ОрВД на основе критериев безопасности воздушного движения,;
выбор и обоснование методов определения эффективных и реализуемых решений задач, разработка методов исследования целей, ограничений и планов развития технического оснащения ОрВД в диапазоне будущих условий функционирования.
Основные результаты диссертационной работы изложены в 3-х печатных трудах [3-5].
Приведенные в работе результаты исследований доведены до вычислительных процедур и реализованы на ЭВМ. Разработанные методы использованы при выполнении НИР:
- Разработка Федеральной целевой программы «Модернизация транспортной системы России (2002 -2010 г.г.)»;
- Анализ деятельности аэродромов государственной и экспериментальной авиации в Московском аэроузле
Научная новизна работы состоит в том, что впервые:
- исследованы особенности вероятностно-статистического моделирования процессов в системе ОрВД, позволяющего получать адекватные модели показателей безопасности воздушного движения;
- разработаны методы построения «опережающего» показателя безопасности воздушного движения на основе многомерного
16
статистического анализа;
- разработаны модели оценки риска катастроф при движении ВС по пересекающимся воздушным трассам и при пересечении занятых встречных и/или попутных эшелонов. Уточнена (по сравнению с ICAO Doc 9689) модель оценки риска катастроф при движении ВС по одной трассе на одной высоте.
- разработана комплексная модель оценки риска катастроф ВС при исправно работающих радиотехнических средствах обеспечения полетов и связи (РСОП и С) в зоне ответственности управления воздушным движением в верхнем воздушном пространстве.
- задача развития технического обеспечения ОрВД подчинена непосредственно критериям безопасности воздушного движения, представлена в виде многокритериальной задачи математического программирования в булевых переменных;
- предложены методы декомпозиции задачи, учета приоритета критериев и определения эффективных решений, а также методы исследования целей, ограничений и планов развития технического оснащения ОрВД.
Практическая ценность работы заключается в том, что разработанные методы могут использоваться для мониторинга безопасности воздушного движения, то есть для выявления "узких'' мест по обеспечению безопасности воздушного движения и последующего формирования эффективных мероприятий по их устранению.
17
1. МЕТОДЫ АНАЛИЗА БЕЗОПАСНОСТИ ВОЗДУШНОГО ДВИЖЕНИЯ
1.1. Общие положения
Одним из пунктов повестки дня XI Аэронавигационной Конференции, проходившей в период с 22.09 по 03.10.2003 года в Монреале явилось рассмотрение «безопасности полетов и авиационной безопасности при организации воздушного движения (ОрВД)» [ 6 ].
В итоговом докладе конференции было отмечено, что «... применительно к ОрВД программа обеспечения безопасности полетов должна включать, в частности, следующее:
a) контроль за уровнем безопасности полетов в целом и выявление любых неблагоприятных тенденций;
b) анализ, с точки зрения безопасности полетов, деятельности органов ОВД;
' с) оценки безопасности полетов в связи с планируемой реорганизацией воздушного пространства, внедрением нового оборудования, систем или средств, а также введением новых или измененных процедур ОВД; и
d) механизм определения необходимости принятия мер, направленных на повышение безопасности полетов.»
При этом в принятой Конференцией «Глобальной эксплуатационной концепции организации воздушного движения (ОрВД)» предусмотрено, что «глобальная основа обеспечения безопасности полетов должна охватывать такие вопросы, как:
а) согласование показателей безопасности полетов, используемых в рамках авиационной системы, уделяя при этом особое внимание разработке прогнозируемых или «опережающих» показателей в дополнение к тем, которые характеризуют достигнутый уровень безопасности полетов; |
