Автоматизированная высокоинтеллектуальная система обеспечения безопасности полетов летательного аппарата

Заявленная система относится к области авиационного оборудования и предназначена для установки на гражданские летательные аппараты (ЛА). Система содержит штатную систему управления ЛА (21), датчики состояния бортовых систем, блок прогноза движения ЛА за время t₀ (10), блок определения катастрофических ситуаций (КС) (11), вычислитель параметров движения ЛА (ВПД) (1), блок определения режима полета (6), переключатель (14), блок сравнения (16), экспертные системы. В систему введены блок возврата в исходный режим полета (20), связанный с ВПД, и четыре экспертных системы (ЭС). Первая ЭС выполнена с блоком определения режима полета, соединенным с базой знаний (БЗ) по признакам режима полета ЛА (7), вторая ЭС выполнена с блоком выбора математической модели полета ЛА (8), соединенным с БЗ по математическим моделям полета ЛА (9) и ВПД. Третья ЭС выполнена с блоком прогноза движения ЛА (10), блоком определения катастрофических ситуаций (КС) (11), соединенным с БЗ по управлению по критическому параметру (12) и БЗ по КС (13), связанными последовательно блоком прогноза движения по предотвращению КС блоком сравнения, блоком определения момента блокировки штатной системы управления ЛА, четвертая ЭС выполнена с блоком управления по выводу из КС (18), соединенным с БЗ по виду управления вывода из КС. Технический результат заключается в обеспечении безопасности полета ЛА. 1 з.п. ф-лы, 1 ил.

 

Область техники.

Система относится к области авиационного бортового оборудования и предназначена для установки на гражданские летательные аппараты (ЛА) для защиты ЛА в критических или катастрофических ситуациях.

Уровень техники.

Известна управляющая экспертная система (ЭС), Ильясов Б.Г., Парфенов Н.М. и др. «Автоматизация принятия решений при управлении системами «Человек - техника» с помощью экспертных систем». Эргономика в России, СНГ и мире. Международная конференция, С.-Петербург. Россия. 21-24. 1993, для оказания помощи оператору, решающая следующие задачи: распознавание критической ситуации, принятие решений по управлению выводом сложной системы (объекта) из критической ситуации, выбор управляющих воздействий и контроль эффективности их реализации. В системе «человек - техника» критические ситуации, возникающие вследствие отказов техники, ошибок человека и неблагоприятных внешних условий приводят в случае непринятия своевременных и правильных управляющих решений к аварии или катастрофе. Принятие решения человеком, управляющим сложной системой, затруднено вследствие многомерности факторов для анализа, неопределенности и неоднозначности описания критических ситуаций, связанных с малым резервом времени и большой психологической нагрузкой.

В базу знаний (БЗ) входят знания о предметной области управления сложной системой в критических ситуациях. В системе знания о проблемной области структурированы исходя из цели построения управляющей ЭС, оказания помощи управляющему в принятии решений при возникновении критических ситуаций.

В качестве инструментального средства оказания помощи эксперту в выражении своей концептуальной модели проблемной области используется программная система создания и ведения баз данных (БД) характеристик критических ситуаций и БЗ. Система выполняет функции автоматизации получения знаний от экспертов. Данные представляются реляционной БД характеристик критических ситуаций, выполняется проверка целостности создания БД, производится ситуационная кластеризация данных.

В процессе экспертного опроса для обеспечения необходимой полноты БД экспертам ставится задача анализа новых для них ситуаций; способом решения задач экспертной классификации является способ организации экспертных игр с коллективом экспертов. Сценарии экспертных игр предусматривают рассмотрение известных и новых для экспертов примеров критических ситуаций; в диалоге с ЭВМ заполняется БД. Создание и заполнение БД осуществляется с помощью средств систем управления реляционной БД для персональных ЭВМ с применением интеллектуального многооконного интерфейса. Окончательно согласованные экспертные оценки хранятся в БД и являются основной для создания правил распознавания критических ситуаций и принятия решений в БЗ ЭС.

Представление знаний об управлении системой в критических ситуациях осуществляется с помощью продукционной модели, позволяющей представлять правила распознавания ситуаций и принятия решений. В качестве критерия распознавания классов критических ситуаций в управляющей ЭС используется степень близости распознаваемой ситуации, представленной вектором, к эталонным описаниям классов критических ситуаций.

Однако при такой структуре ЭС управления система бортовых датчиков не включается в цикл работы по пилотированию ЛА. Динамические характеристики современных ЛА отличаются пониженной статической устойчивостью, что привело к существенному усложнению систем автоматического управления (САУ) и значительному расширению их функциональных возможностей. В то же время увеличение сложности САУ способствовало существенному увеличению разнообразия отказов этих систем. Поэтому стала практически невозможной разработка только инструктивных указаний по действиям пилота при возникновении каждого из возможных отказов. Подробные инструкции можно разработать только для ограниченного перечня отказов, в пределах эксплуатационных ограничений ЛА бортового оборудования (БО). Возникновение же в полете отказов, действия по устранению которых предварительно не отрабатывались и не отражены в инструкциях, представляет серьезную проблему. Как показывает анализ катастроф ЛА, нежелательное развитие событий можно было бы предотвратить, если бы были выполнены соответствующие грамотные действия экипажа. Однако время, которым располагает пилот для этого, обычно не превышает нескольких секунд, а принимая во внимание стрессовое состояние человека во время аварии становится ясно, что пилот может и не найти единственно правильного решения в нужный момент.

Известна комплексная информационная система сигнализации (КИСС) для предупреждения экипажа о возникновении опасных ситуаций (сигнальная информация), выдачи информации о параметрах и состоянии систем самолета и двигателей (в виде мнемокадров), отображения информации об отказах и результате контроля систем самолета. Руководство по летной эксплуатации Ил-96 раздел 8.21. Системы сигнализации и информации 30,10-1987.3.

Информация, выдаваемая системой, отображается на экранах многофункциональных индикаторов (МИ). Управление индикацией осуществляется с пультов управления (ПУИ). Сигнальная информация (в виде текстов) автоматически отображается на левом МИ, а при необходимости может быть вручную вызвана на правый. В зависимости от срочности действия экипажа в той или иной ситуации КИСС обеспечивает выдачу сигнальной информации трех категорий: аварийной, предупреждающей и уведомляющей (отображается на экране различными цветами). Аварийные и предупреждающие сигналы сопровождаются загоранием центральных сигнальных огней (ЦСО) и звуковым сигналом (гонг).

Отображение информации об отказах и результатах контроля систем в виде текста возможно по вызову с ПУИ кнопкой, при контроле системы с помощью панели контроля - на приборной доске бортинженера.

Для увеличения надежности система выполнена двухканальной с перекрестными связями между каналами. В случае обнаружения отказов в системе она автоматически перестраивается таким образом, чтобы оставшимися исправными элементами полностью или частично выполнить свою задачу (реконфигурация системы).

Данная система помогает летчику в случае, когда ЛА находится в пределах эксплуатационных ограничений.

Однако данная система не обеспечивает летчика информацией в катастрофических ситуациях по выводу из них, не дает комплексного анализа и прогноза событий в полете.

Данная система диагностики не является советчиком, помогающим экипажу в определении приоритетов сигналов тревоги и выделении наиболее важных из них - катастрофических ситуациях (КС). Для работы ЭС необходима информация о состоянии БО и должен осуществляться основной процесс: на основе имеющихся фактов в БД и БЗ и состояния БО формируются новые факты, характеризующие текущую ситуацию на ЛА в реальном времени. Та часть информации в БД катастрофических ситуаций, которая сформирована дедуктивной системой и определяет необходимые воздействия на ЛА, должна направляться экипажу в качестве рекомендаций, а если он не выполняет их, то на исполнительные механизмы системы автоматического управления (САУ).

Известна система поддержки экипажа в опасных ситуациях при выходе из эксплуатационной области, патент на изобретение РФ №2128854 от 30.08.96, Берестов Л.М., Харин Е.Г. и др., включающая датчики состояния двигателей, топливной системы, гидросистемы, системы электроснабжения, системы штурвального управления, системы выпуска шасси и торможения, системы жизнеобеспечения, противообледенительной системы, противопожарной системы, системы автоматического управления, системы воздушных сигналов, системы самолетовождения, бортовой части спутниковой навигационной системы, бесплатформенной инерциальной навигационной системы, радиовысотомера, приборной системы посадки, радиотехнической системы ближней навигации, метеонавигационной радиолокационной станции, системы предупреждения критических режимов, соединенные с мультиплексным каналом информационного обмена, систему отображения информации, в нее также введены база знаний, база данных, блок распознавания состояния конфигурации ЛА, блок распознавания режимов полета, анализатор состояния аппаратуры ЛА, анализатор состояния пилотажно-навигационного оборудования, блок распознавания аварийных ситуаций, блок прогноза, состоящий из связанных блоков моделирования динамики ЛА - бортового оборудования и БЗ развития аварийных ситуаций, связанных друг с другом БЗ характеристик аварийных ситуаций (АС) и БЗ предотвращения АС, вычислитель принятия решений с предотвращением АС, анализатор правильности действий по предотвращению АС, вычислитель принятия решений о переходе на автоматическое управление, блок предупреждения о нарушении правильности действий.

Однако данная система поддержки экипажа в опасных ситуациях, в которой анализируются нарушения правильности действий управления по предотвращению АС, ввиду отсутствия вычислений запасов по критическому параметру не позволяет принимать окончательные решения по переходу на активное автоматическое управление по предотвращению критических ситуаций.

Известен «Способ поддержки оператора летательного аппарата в опасных ситуациях», патент РФ №2205442 от 2003.05.27, G05D 1/00, Сухолитко В.А., заключающийся в том, что формируют базу знаний по набору возможных программ полета, а также по результатам анализа и опыта исследования авиационных катастроф, с помощью экспертной системы оценивают работоспособность бортового оборудования летательного аппарата и работу оператора, прогнозируют аварийные ситуации и информируют оператора о возникших отклонениях от нормы в работе бортового оборудования и об изменении условий полета, оценивают класс и степень сложности опасной ситуации, на основе базы знаний выдают оператору рекомендации и формируют решения по минимизации тяжести последствий, предотвращению перехода аварийной ситуации в катастрофическую, и если оператор по любым причинам не выполняет рекомендаций по выводу летательного аппарата из опасной ситуации, то передают управление им системе автоматического управления, а для оператора и диспетчера наземного пункта управления формируют кодированные пароли, при вводе которых в экспертную систему, разнесенными во времени промежутками, разрешают оператору свободное управление летательным аппаратом.

Однако оценка сложности ситуации управления только на основе БЗ не формирует решения по минимизации тяжести последствий при предотвращении перехода аварийной ситуации (АС) в катастрофическую. Действительно, прогноз в аварийной ситуации без проведения параллельного моделирования развития ситуации характеризуется невысокой точностью. В данной системе отсутствие процесса параллельного моделирования развития опасной ситуации и определения запасов критических параметров не дает возможности точно характеризовать наступление катастрофической ситуации.

Известна «Система защиты самолета от ошибочных или умышленных действий, приводящих к катастрофе», Берестов Л.Б., Харин Е.Г. и др., патент РФ №2228885 ⁷B64D, G08B 23/00, 15.11.2001, взятая за прототип.

Система предназначена для установки на гражданские ЛА, основана на использовании теории искусственного интеллекта с базами знаний и машинами логического вывода, является советчиком экипажу по управлению в критических ситуациях (КС). Система содержит датчики состояния бортовых систем, соединенные с каналом информационного обмена, штатную и аварийную системы управления ЛА, бортовую линию радиоуправления воздушным движением, три экспертных системы (ЭС), вычислитель момента блокировки экипажа, систему блокировки действий экипажа, вычислитель параметров движения ЛА, три переключателя.

Однако данная система с использованием ЭС на основе расчета только ограниченного времени прогноза развития КС без учета запаса по критическому параметру не обеспечивает летчику полноту советов по выводу из КС.

Технический результат - создание автоматизированной высокоинтеллектуальной системы защиты гражданских самолетов от террористов, проникших в пилотскую кабину гражданского самолет, выполняющей функцию недопущения уничтожения самолета с людьми, находящимися на борту, обеспечивающей безопасность полета путем предотвращения катастрофических ситуаций. Кроме того, система должна эффективно выполнять функции интеллектуальной поддержки экипажа, придавая им функции активного автоматического управления по предотвращению катастрофических ситуаций.

Существенные признаки.

Для достижения указанного технического результата в автоматизированную высокоинтеллектуальную систему (АВС) обеспечения безопасности полетов летательного аппарата, включающую штатную систему управления ЛА, соединенную с датчиками состояния бортовых систем, блок прогноза движения ЛА за время t₀, связанный с ним блок определения катастрофических ситуаций (КС), вычислитель параметров движения ЛА (ВПД), связанный с входами блока определения режима полета, блока прогноза движения ЛА за время t₀, переключатель, выполненный пороговым, блок сравнения, экспертные системы, введены блок возврата в исходный режим полета, связанный с ВПД, первая ЭС, выполненная с блоком определения режима полета, соединенным с базой знаний (БЗ) по признакам режима полета ЛА, вторая ЭС, выполненная с блоком выбора математической модели полета ЛА, соединенным с БЗ по математическим моделям полета ЛА и ВПД, третья ЭС, выполненная с блоком прогноза движения ЛА, блоком определения катастрофических ситуаций (КС), соединенным с БЗ по управлению по критическому параметру и БЗ по КС, связанными последовательно блоком прогноза движения по предотвращению КС, блоком сравнения, блоком определения момента блокировки штатной системы управления ЛА, четвертая ЭС, выполненная с блоком управления по выводу из КС, соединенным с БЗ по виду управления вывода из КС. При этом блок определения режима полета первой ЭС соединен своим выходом с входом блока выбора математической модели полета ЛА второй ЭС, блок прогноза движения ЛА третьей ЭС соединен своим входом с выходом блока выбора математической модели полета ЛА второй ЭС, вторым входом - ВПД. Блок определения момента блокировки штатной системы управления ЛА третьей ЭС соединен своим выходом с входом блока управления по выводу из КС четвертой ЭС, выходы которого соединены с входами блока возврата в исходный режим полета и штатной системой управления ЛА. Причем блок определения катастрофических ситуаций (КС) связан с переключателем с двумя выходами, первый - «по сигналу Да» связан с первым входом блока прогноза движения ЛА по предотвращению КС, выход которого связан с блоком сравнения, второй - «по сигналу НЕТ» соединен с входом блока возврата в исходный режим полета. Второй выход блока прогноза движения ЛА третьей ЭС связан с входом блока сравнения.

Кроме того, в третью ЭС дополнительно введены блок определения приближения к эксплуатационным ограничениям, соединенный с БЗ по эксплуатационным ограничениям, своим входом связанный с выходом блока прогноза движения ЛА, БЗ по управлению по недопущению выхода за ограничения, связанная с блоком формирования подсказки экипажу, второй вход которого соединен с блоком определения приближения к эксплуатационным ограничениям, а выход - с индикатором на приборной доске.

Описание чертежа.

Для пояснения сущности изобретения на чертеже представлена блок-схема предложенной АВС обеспечения безопасности полета, где изображены:

1 - вычислитель параметров движения ЛА (ПВД);

2, 3, 4, 5 - первая, вторая, третья, четвертая экспертные системы (ЭС);

6 - блок определения режима полета;

7 - база знаний (БЗ) по признакам режима полета;

8 - блок выбора математической модели полета ЛА;

9 - БЗ по математическим моделям полета ЛА;

10 - блок прогноза движения ЛА за время t₀;

11 - блок определения катастрофической ситуации (КС);

12 - БЗ по управлению по критическому параметру;

13 - БЗ по КС;

14 - переключатель;

15 - блок прогноза движения по предотвращению КС;

16 - блок сравнения;

17 - блок определения момента блокировки штатной системы управления ЛА;

18 - блок управления по выводу из КС;

19 - БЗ по виду управления вывода из КС;

20 - блок возврата в исходный режим полета;

21 - штатная система управления ЛА;

22 - блок определения приближения к эксплуатационным ограничениям;

23 - БЗ по управлению по недопущению выхода за ограничения;

24 - блок формирования подсказки экипажу;

25 - БЗ по эксплуатационным ограничениям;

26 - индикатор на приборной доске.

АВС обеспечения безопасности полета ЛА включает датчики состояния бортовых систем, соединенные со штатной системой управления 21, вычислитель параметров движения ЛА 1. Первая ЭС 2 выполнена с вычислительным блоком 6 определения режимов полета, первым входом соединенным с БЗ 7 по признакам движения ЛА, вторым входом связанным с вычислителем параметров движения (ВПД) ЛА 1, а выходом связанным с первым входом второй ЭС 3. Вторая ЭС 3 выполнена с блоком 8 выбора математической модели полета ЛА, вторым входом соединенным с БЗ 9 по математическим моделям полета ЛА, третьим входом - с выходом ВПД 1, а выходом соединенным с первым входом блока 10 прогноза за время t₀ третьей ЭС 4, вторым входом - с выходом ВПД 1; первый выход соединен с блоком 11 определения КС, второй - с блоком сравнения 16, второй вход блока 11 определения КС связан с БЗ по критическому параметру 12, третий вход связан с БЗ по КС 13. Выход блока определения КС 11 связан с переключателем с двумя выходами 14, первый - по сигналу «Да» связан с входом блока прогноза движения по предотвращению КС 15, а второй - по сигналу «Нет» связан с первым входом блока 20 возврата в исходный режим полета. Выход блока сравнения 16 соединен с входом блока 17 определения момента блокировки штатной системы управления ЛА с выходом, связанным с первым входом блока управления 18 по выводу из КС четвертой ЭС 5, вторым входом, соединенным с БЗ 19 по управлению вывода из КС, третьим входом - с выходом ВПД 1, а выходами, связанными со входом штатной системы управления 21 и со входом блока 20 возврата в исходный режим полета ЛА, третий вход которого связан с выходом ВПД 1, третий выход блока прогноза движения ЛА 10 соединен с первым входом блока определения приближения к эксплуатационным ограничениям 22, второй вход его связан с БЗ по эксплуатационным ограничениям 25, выход блока 22 связан с первым входом блока формирования подсказки экипажу 24, второй вход его соединен с БЗ по управлению по недопущению выхода за ограничения 23, а выход его связан с индикатором на приборной доске 26.

Система работает следующим образом.

АВС система обеспечения безопасности полета основана на логике работы летчика-инструктора. В системе определяются моменты времени, когда без вмешательства в управление системой невозможно предотвратить катастрофу, что достигается проведением на борту параллельного моделирования по прогнозу возможности появления КС и оценки возможности ее предотвращения. Система заменяет эксперта-оператора при решении задачи по автоматическому управлению для предотвращения катастрофы (КС), вызванной умышленными или ошибочными действиями по управлению из кабины экипажа. Для этого введены операции:

- параллельного моделирования по прогнозу движения ЛА при фактическом положении рычагов управления и по прогнозу движения ЛА при управлении с целью недопущения КС, если они прогнозируются при фактическом положении рычагов управления;

- инженерного анализа по определению на каждом режиме неправильных действий экипажа, приводящих к появлению КС.

Структура системы защиты самолета должна обеспечить следующие операции экспертной системы.

1. Определение вида режима - R_i и времени прогноза t_{прогн i}.

2. Определение для режима R_i перечня возможных для него КС, критических параметров - Х_{i крит} для каждой КС и запаса по критическому параметру - Х_{крит.без}, который нельзя превысить в целях безопасности. При этом используются также данные о координатах ВС, полученные из ПНО самолета, и цифровая карта местности для определения безопасной высоты полета над местностью и объектами на земле.

3. Определение наличия КС и ее конкретного вида КС_{прогн i}, который появляется при прогнозе движения для режима R_i.

4. Определение вида управления u_нед для КС_{прогн i}, которое обеспечит недопущение данного вида КС.

5. Формирование управления u_выв для вывода ВС на исходный штатный режим полета.

6. Формирование автоматического управления полета в зону определенного УВД аэродрома и выполнение захода и посадки - u_аэр.

Для решения перечисленных задач используются следующие базы знаний:

- БЗ₁ - по типам режимов, их признакам и t_прогн (7);

- БЗ₂ - по математическим моделям (9);

- БЗ₃ - по катастрофическим ситуациям (виды КС, критические параметры, признаки, управление по недопущению КС) (13);

- БЗ₄ - по виду управления по выводу из КС (19);

- БЗ₅ - по управлению по КС (12).

Параллельное моделирование ведется в течение всего полета через заданные для каждого этапа полета промежутки времени Δt на заданное время Т_прогн. Если при прогнозе, начинающемся с какого-то времени t_п за (t₀=t_п) время Т_прогн, прогнозируется наступление КС, с этого момента начинается моделирование по прогнозу движения самолета с управлением, обеспечивающим недопущение появления КС. Таким образом, в случае прогноза КС ведется два вида моделирования - по прогнозу движения при фактическом положении органов управления и по прогнозу движения при управлении по предотвращению КС. Уравнение, описывающее движение самолета на рассматриваемом режиме полета, имеет вид

где Х - вектор параметров движения,

U - вектор параметров управления,

F - вектор внешних возмущений.

Моделирование ведется по прогнозу, начиная с момента времени t_п. Тогда, подставив в уравнение 1.1 значения параметров X, U, f, измеряемые в этот момент времени, получим:

Это неравенство объясняется всегда существующей неполнотой адекватности математической модели реальному самолету. Чтобы добиться равенства правой и левой частей уравнения 1.1 в момент времени t_п при подстановке в него измеренных параметров, необходимо корректировать его правую часть, чтобы неравенство 1.2 превратилось в равенство. Для этого найдем функцию ϕ(X, U, f), удовлетворяющую равенству

Подставив t=t_п в уравнение 1.1, получим

Для этого введем обозначения

Подставив эти выражения в уравнение 1.1, получим с учетом выражения для функции ϕ:

В результате параллельное моделирование выполняется следующим образом.

1. Прогнозируется движение самолета, начиная с момента времени t_п. Для этого в уравнение 1.4 подставляется

и вычисляется параметр ΔX(t-t_п) на промежутке времени t_п÷(t_п+t_прогн). Если анализ изменения параметров движения Х покажет, что на рассматриваемом промежутке времени нет КС, моделирование при условиях 1.5 повторяется, начиная с времени t=t_п+Δt, здесь Δt - промежуток времени, через который повторяется прогноз.

Если на промежутке времени t_п÷(t_п+t_прогн) прогнозируется КС, то начиная с момента t_п, выполняется моделирование по прогнозу движения самолета при реализации управления по предотвращению появления КС. В этом случае в уравнение 1.4 подставляется:

КС характеризуется превышением критического параметра X_i значения X_{i крит}. Тогда, если моделирование при условии 1.6 характеризуется непревышением заданного запаса по критическому параметру ΔХ_крит, т.е. неравенством

то параллельное моделирование повторяется через промежуток времени Δt до тех пор, пока не будет достигнуто равенство

В этот момент должно блокироваться управление из кабины экипажа и переходить к схеме автоматического управления. Критические параметры - угол атаки α и вертикальная перегрузка n_y.

Способ параллельного моделирования позволяет спрогнозировать наступление КС при фактическом положении рычагов управления, выбрать вид управления по предотвращению КС и определить момент времени, когда надо принудительно реализовать это управление для вывода из опасного режима с минимально допустимым из условий безопасности запасом по критическому параметру. При этом пилоту дается время с момента начала прогноза возникновения КС до момента блокировки управления на пилотирование самолетом.

Для определения прогноза состояния и возможностей возникновения КС системы

решение проводится на заданное время t_п, которое различно для разных режимов. Если при t≤t_п появляются условия Х>Х_КС, где Х_КС условия наступления КС, значения которых поступают из БЗ 12-13 (ЭС4), то начинается следующий цикл (этап) решения уравнения 1.1.

В систему вводится U=U_КС - управление для вывода из КС, U_КС берется из БЗ 9 (ЭС3) и начинается решение уравнения

при этом оценивается возможность вывода из КС. В момент, когда - заданный запас от КС, то реализуется следующий цикл решения.

В момент времени, когда , у экипажа блокируется управление и система реализует для самолета U_KC.

Когда указанные циклы повторяются трижды, то реализуется новый цикл - включение автомата вывода из КС (ЭС5) и блока 20 - возврата в исходный режим полета.

Логика работы системы использует последовательность задач, решаемых АВС.

1. Непрерывное определение типа режима, на котором находится самолет, на основе базы знаний по видам штатных и нештатных режимов и их признаков.

2. По типу режима на основе баз знаний по уравнениям движения и требуемому участку времени прогноза t_прогн определяются необходимые для данного режима математическая модель движения и t_прогн.

3. Непрерывное моделирование по прогнозу движения самолета при фактических положениях органов управления и состоянии систем на заданном промежутке времени t_прогн.

4. По типу режима на основе базы знаний, по видам катастрофических ситуаций и базы данных, по цифровой карте местности определяются: набор КС и их признаков для данного режима; критический параметр Х_крит для каждой КС, превышение которого приводит к возникновению КС, и запас по критическому параметру Х_{крит.без}, который рекомендуется не превышать в целях безопасности. Введение параметра Х_{крит.без} диктуется тем, что управление по предотвращению КС следовало бы начинать сразу, как только при прогнозе движения самолета на время Х_прогн. прогнозируется наступление КС. Это вполне справедливо для ряда ситуаций, например сваливание, штопор, пожар. Однако в ряде случаев летчику необходимо дать возможность управлять самолетом, даже если прогнозируется КС, но есть возможность предотвратить ее наступление при завершении маневра, например при предотвращении столкновения с другим ЛА, с землей, уходе от зоны сдвига ветра или молниеопасной зоны и др. Эти соображения должны приниматься при выборе фиксированного Х_{крит.без} или же за Х_{крит.без} принимать его фактическое значение.

5. Если при выполнении операции 3 на промежутке Х_прогн на основе данных по п.4 прогнозируется наступление КС, то для данного вида КС из базы данных по видам управления по недопущению КС выбирается вид управления для данного вида КС и начинается непрерывное моделирование по прогнозу движения самолета при реализации выбранного вида управления по недопущению КС.

6. В процессе моделирования по пп.3 и 5 оценивается запас по критическому параметру ΔХ. В тот момент, когда ΔX=ΔХ_{крит.без}, должна осуществляться блокировка управления в кабине экипажа и переход на автоматическое управление по командам рассматриваемой системы.

7. Автоматическое управление самолетом по командам системы, реализующей управление по предотвращению КС и по выводу самолета в исходный режим.

8. Блокировка управления из кабины экипажа и реализация автоматизированного захода и посадки самолета на ближайший аэродром, выбранный на основе соответствующей базы данных или заданный с наземного пункта УВД. Этот режим включается при условиях, когда должна обеспечиваться посадка на аэродром не ниже II категории ИКАО. Рассматривается автономный вариант автоматизированной посадки, когда полет по маршруту, снижение, полет в зоне аэродрома и посадка осуществляются системой автоматического управления самолетом.

9. Блокировка управления предполагает варианты реализации этой функции: стопорение рычагов управления; отключение электрических сигналов, пропорциональных отклонению рычагов управления; суммирование этих сигналов с сигналами противоположного знака; блокировка защитных колпаков над тумблерами и т.д.

При установке рассматриваемой системы на самолет штатное исполнение некоторых каналов управления не сможет обеспечить предотвращение катастрофической ситуации. Даже при блокировании этих каналов управления в соответствии с логикой пп.1-6 могут произойти необратимые события, которые не смогут быть парированы предлагаемой системой. Например, если на взлете после отрыва перекрыть топливные краны всех двигателей, двигатели будут выключены и катастрофа неизбежна, так как для их запуска требуется определенное время, за которое самолет столкнется с землей. Точно так же, например, должны блокироваться сигналы управления для начала взлета (увеличение тяги двигателей, отпуск тормозов), если вес или центровка самолета, или уровень обледенения частей самолета или ВПП не обеспечит безопасный взлет. Поэтому при установке предлагаемой системы такие каналы управления выполняются дистанционными с задержкой исполнения управляющей команды на время, необходимое БЦВМ реализовать циклы в соответствии с пп.1-6.

10. Связь с наземным пунктом УВД требует реализации радиокомандной линии связи для выполнения следующих функций:

командные сигналы с наземного пункта УВД:

- команда на блокировку управления из кабины экипажа и выполнение автоматической посадки на ближайший аэродром;

- указание аэродрома посадки;

- смена эшелона;

- уклонение от столкновения;

- указание ВПП;

- уход на второй круг.

Как дополнительный вариант (в п.7) может рассматриваться передача на борт самолета командных сигналов на выполнение отдельных режимов.

Работа рассматриваемой системы, являющейся экспертной системой, является работой не по жестким алгоритмам (как система автоматического управления), а работой по алгоритмам, выбираемым по определенным правилам из базы знаний. Система этих правил и базы знаний строится на основе знаний экспертов. Система защиты самолета от ошибочных управляющих действий из кабины экипажа строится на использовании баз знаний 7, 9, 12, 13, 19.

База знаний по признакам режима полета (7).

Виды режимов включают как типовые режимы (взлет, набор высоты, снижение, крейсерский режим, разворот, полет по кругу, заход на посадку, посадка), так и нештатные (полет с отказавшими одним или несколькими двигателями; полет с отказавшими системами; полет в условиях обледенения, сильного дождя, сдвига ветра; сваливание; штопор; полет при пожаре на борту; полет при нештатной конфигурации; автоматическое сопровождение с использованием цифровых карт местности).

Для каждого типа режима определяются характеризующие признаки (параметры движения, параметры управления, конфигурация, состояние двигателей и систем самолета, внешние возмущения).

Для каждого режима определяется время моделирования для прогноза движения при фактическом положении органов управления и прогноза движения по выводу из катастрофической ситуации t_прогн. Это время определяется для каждого вида режима по времени, необходимому для вывода из катастрофических ситуаций, возможных для данного режима, и по управлению, которое приводит к катастрофической ситуации. Например, для крейсерского режима t_прогн будет разное для случая полного отклонения руля высоты и для случая торможения после уборки газа всех двигателей при сохранении высоты.

База знаний по математическим моделям ЛА (9).

Модели выбираются по следующим признакам: вес и центровка, конфигурация, скорость, высота, углы атаки и скольжения, число Маха, режимы работы двигателей, состояние ВПП, уровень обледенения. Идеальным случаем такой базы знаний является математическая модель для комплексного тренажера, дополненная расширением параметров до уровня катастрофических ситуаций.

База знаний по катастрофическим ситуациям (13).

Для каждого режима составляется перечень катастрофических ситуаций, которые могут появиться вследствие ошибочных (неумышленных или умышленных) управляющих действий из кабины экипажа. При этом рассматриваются управляющие действия как при выполнении штатных режимов полета, так и нештатных режимов (с отказами силовой установки и систем самолета, при разгерметизации, пожаре, обледенении, сдвиге ветра, сильном дожде, опасном сближении с другим самолетом и др.).

База знаний по КС, возможным для каждого этапа полета, включает в себя базы знаний по перечню КС и рекомендуемому из соображений безопасности минимально допустимому запасу по критическому параметру при предотвращении КС.

База знаний по перечню катастрофических ситуаций для каждого режима полета формируется на основе следующих фрагментов:

- анализа статистики летных происшествий;

- инженерного анализа по выявлению возможных отказов самолетных систем и силовой установки, выполняемых при сертификации самолета;

- инженерного анализа по выявлению возможных ошибочных действий по управлению из кабины экипажа, приводящих к катастрофической ситуации.

База знаний по признакам КС формируется для КС каждого режима полета следующим образом. В первую очередь в перечень признаков каждой КС входит критический параметр и его контрольное значение. Далее в зависимости от режима полета и вида КС в указанный перечень входят: параметры управления, конфигурация, вес, центровка, факт отказного состояния систем самолета, внешние возмущения (ветер, обледенение, молния и т.д.), определенные параметры движения (например, угол атаки при попадании в штопор), рельеф местности, параметры полета самолета, с которыми возможно опасное сближение и др.

База знаний по критическому параметру КС формируется на основе определения параметра, превышение (или уменьшение) которого приводит к разрушению самолета при рассмотрении каждого конкретного случая наступления КС. Разрушение самолета может быть связано:

- с превышением расчетной по прочности нагрузки (в этом случае критическими параметрами могут быть приборная скорость, вертикальная и боковая перегрузки);

- с ударом самолета о землю (в этом случае критический параметр - высота полета или же, если полет происходит над городом или одиночными объектами, то в качестве критического параметра может быть взята высота над безопасным уровнем полета над городом или этими объектами);

- с пожаром (в этом случае критический параметр - время пожара);

- с превышением взлетного веса и пределов центровки;

- с неправильной конфигурацией, например посадкой с убранными шасси;

- с отказом всех двигателей из-за отсутствия топлива или удара молнии;

- с попаданием в штопор;

- с столкновением с другим летательным аппаратом.

База знаний по виду управления вывода из катастрофической ситуации (19).

При этом имеется в виду управление, позволяющее как можно быстрее предотвратить приближение критического параметра к его контрольному значению и вывести самолет в исходный штатный режим полета. Вывод самолета в исходный режим после предотвращения наступления КС сложности не представляет и решается на основе алгоритмов штатной системы автоматического управления. Определение вида управления по предотвращению КС осуществляется следующими способами:

- определение оптимального управления, что требует больших усилий и не всегда может быть реализовано;

- определение рациональной стратегии управления на основе математического моделирования, полетов на пилотажных стендах и тренажерах, летных испытаний;

- использование существующих баз знаний (например, использование базы знаний по методам вывода из штопора в зависимости от вида штопора);

- результаты инженерного анализа, которые касаются, в основном, разовых команд управления (например, команды на своевременное изменение конфигурации).

Организация решения задач в многозадачном программном комплексе АВС предполагает определение последовательности решения задач с их зацикливанием для однотипных информационных режимов, хранение и передачу информации между устройствами памяти и процессорами. Система работает в реальном масштабе времени.

1. Автоматизированная высокоинтеллектуальная система обеспечения безопасности полетов летательного аппарата (ЛА), включающая штатную систему управления ЛА, соединенную с датчиками состояния бортовых систем, блок прогноза движения ЛА за время to, связанный с ним блок определения катастрофических ситуаций (КС), вычислитель параметров движения ЛА (ВПД), связанный с входами блока определения режима полета, блока прогноза движения ЛА за время to, переключатель, выполненный пороговым, блок сравнения, экспертные системы (ЭС), отличающаяся тем, что в нее введены блок возврата в исходный режим полета, связанный с ВПД, первая ЭС, выполненная с блоком определения режима полета, соединенным с базой знаний (БЗ) по признакам режима полета ЛА, вторая ЭС, выполненная с блоком выбора математической модели полета ЛА, соединенным с БЗ по математическим моделям полета ЛА и ВПД, третья ЭС, выполненная с блоком прогноза движения ЛА, блоком определения катастрофических ситуаций, соединенным с БЗ по управлению по критическому параметру и БЗ по КС, связанными последовательно блоком прогноза движения по предотвращению КС, блоком сравнения, блоком определения момента блокировки штатной системы управления ЛА, четвертая ЭС, выполненная с блоком управления по выводу из КС, соединенным с БЗ по виду управления вывода из КС, причем блок определения режима полета первой ЭС соединен своим выходом с входом блока выбора математической модели полета ЛА второй ЭС, блок прогноза движения ЛА третьей ЭС соединен своим входом с выходом блока выбора математической модели полета ЛА второй ЭС, вторым входом - ВПД, блок определения момента блокировки штатной системы управления ЛА третьей ЭС соединен своим выходом с входом блока управления по выводу из КС четвертой ЭС, выходы которого соединены с входами блока возврата в исходный режим полета и штатной системой управления ЛА, причем блок определения катастрофических ситуаций связан с переключателем с двумя выходами, первый - «по сигналу Да» связан с первым входом блока прогноза движения ЛА по предотвращению КС, выход которого связан с блоком сравнения, второй - «по сигналу НЕТ» соединен с входом блока возврата в исходный режим полета, второй выход блока прогноза движения ЛА третьей ЭС связан с входом блока сравнения.

2. Автоматизированная высокоинтеллектуальная система обеспечения безопасности полетов летательного аппарата по п.1, отличающаяся тем, что в третью ЭС дополнительно введены блок определения приближения к эксплуатационным ограничениям, соединенный с БЗ по эксплуатационным ограничениям, связанный своим входом с выходом блока прогноза движения ЛА, БЗ по управлению по недопущению выхода за ограничения, связанная с блоком формирования подсказки экипажу, второй вход которого соединен с блоком определения приближения к эксплуатационным ограничениям, а выход - с индикатором на приборной доске.