Національний аерокосмічний університет ім. Н.Е. Жуковського

"Харківський авіаційний інститут"

КАСЬЯН Ольга Вікторівна

УДК 629.735.33.067:681.518:004.827

ЛОГІКО-ЛІНГВІСТИЧНІ ІЄРАРХІЧНІ МОДЕЛІ АВТОМАТИЗОВАНИХ ЗАСОБІВ КЕРУВАННЯ І ДІАГНОСТУВАННЯ ПРОТИВОЛЬОДОВОЇ СИСТЕМИ ТУРБОГВИНТОВИХ ЛІТАКІВ

05.13.06- Автоматизовані системи управління та

прогресивні інформаційні технології

АВТОРЕФЕРАТ

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата технічних наук

Харків-2003

Дисертація є рукопис.

Робота виконана у Національному аерокосмічному університеті ім. М. Є. Жуковського "Харківський авіаційний інститут" Міністерства освіти і науки України.

Науковий керівник: доктор технічних наук, професор

Жихарев Володимир Якович, Національний аерокосмічний університет ім. М.Є. Жуковського "Харківський авіаційний інститут", професор кафедри виробництва радіоелектронних систем літальних апаратів.

Офіційні опоненти: доктор технічних наук, професор

Замірець Микола Васильович, Державне підприємство “Науково-дослідний технологічний інститут приладобудування”, директор;

кандидат технічних наук,

Остроумов Борис Володимирович, Державне виробниче об'єднання "Комунар", НТ СКБ "Полісвіт", начальник відділу.

Провідна установа:

Міжнародний науково-навчальний центр інформаційних технологій та систем НАНУ, відділ автоматизованих систем обробки даних Міністерства освіти і науки України, м. Київ

Захист відбудеться 21.11.2003р. у 14 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д64.062.01 у Національному аерокосмічному університеті ім. М.Є. Жуковського "Харківський авіаційний інститут" за адресою: 61070, м. Харків, вул. Чкалова 17, радіотехнічний корпус, ауд.232.

З дисертацією можна познайомитися в бібліотеці Національного аерокосмічного університету ім. М.Є. Жуковського "Харківський авіаційний інститут".

Автореферат розісланий 20. 10.2003р.

Вчений секретар

спеціалізованої вченої ради _____________________ Чумаченко І.В.

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми досліджень. Щороку відбувається багата кількість аварій літальних апаратів (ЛА), які супроводжуються травмами, пораненнями і жертвами, що дорого обходиться авіакомпаніям, виготовлювачам літаків і вимагає великих фінансових і часових ресурсів. Проблема гарантування безпеки польотів пасажирських літаків стає особливо гострою зі збільшенням висоти і швидкості польотів, розмірів ЛА й інтенсивним використанням авіації як виду транспорту. Її вирішення залежить від рівня оснащеності літаків спеціалізованими системами, зокрема системами, що створюють безпеку польотів у складних метеорологічних умовах - при обледенінні. За даними Італійського центру аерокосмічних досліджень, за останнє десятиліття зареєстровано понад 700 катастроф, пов'язаних із обледенінням, що підкреслює необхідність у більш ретельному дослідженні обледеніння і створенні систем моделювання умов обледеніння.

Розслідування подій з турбогвинтовими літаками показало, що в деяких випадках автоматика не спрацьовувала і льотний екіпаж, у свою чергу, запізнювався з включенням ПОС вручну. Це відбувалося тоді, коли екіпаж або не усвідомлював, що він знаходиться в умовах утворення льоду, або неправильно оцінював інтенсивність обледеніння на видимих ділянках літака до включення системи. Отже, необхідна ефективна система виявлення обледеніння в частині своєчасного його розпізнавання і дій екіпажа.

Аналіз різноманітних знань про технічний стан елементів ЛА вимагає відповідної організації обчислювального процесу і реалізується програмними комплексами, названими діагностичними системами підтримки прийняття рішень (СППР). Діагностична СППР накопичує експертні знання, необхідні для вирішення задач у заданій предметній області, і забезпечує простий доступ до цих знань користувача, що працює з нею в інтерактивному режимі. Наявність такого інтелектуального помічника дозволяє знизити вимоги до рівня кваліфікації персоналу, який займається діагностикою, технічним обслуговуванням і ремонтом ЛА. Розробка і впровадження діагностичних СППР представляється перспективним напрямком, у рамках якого можуть бути вирішені згадані вище проблеми.

Аналіз робіт з розробки комп'ютерних пристроїв підтримки процесів діагностування складних технічних об'єктів (Глухова В.В., Воробйова В.Г., Кулика А.С., Соколова О.Ю. (в області моделювання діагностичних систем), Трахтенгерца Е.А., Васильєва С.М., Гуляєва В.А. (в області розробки комп'ютерних систем підтримки прийняття рішень)) показує, що в традиційних підходах не враховуються нечіткої особливості процесів, що проходять у складних технічних системах авіаційного устаткування. Тому задача інформаційної підтримки діагностування ЛА на основі неповної (розмитої) інформації з використанням сучасних комп'ютерних технологій в області підтримки прийняття рішень є актуальною і має важливе науково-практичне значення.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Запропоновані в роботі моделі, методи і засоби побудови СППР діагностування АТ розроблялися в рамках науково-дослідних робіт, що виконувалися відповідно до тематики, визначеної НАН України. Робота над дисертацією проводилася автором на кафедрі виробництва радіоелектронних систем літальних апаратів Національного аерокосмічного університету ім. М.Є. Жуковського "ХАІ" відповідно до плану науково-дослідних робіт Міністерства освіти і науки України за держбюджетною темою Д502-40/00 (ДР 0100U003428), над якою автор працював як відповідальний виконавець; до науково-дослідної роботи Міністерства оборони України №302-77/97 " Модель-Ф"; до науково-дослідної роботи з Харківським інститутом ВПС, шифр "Співдружність" (інв. №1075).

Особистий внесок автора як співвиконавця у перерахованих науково-дослідних роботах полягає в розробці логіко-лінгвістичної ієрархічної продукційної моделі представлення знань; формалізації процесу прийняття вирішень на основі логіко-лінгвістичних ієрархічних продукційних моделей для діагностичних СППР; нових інформаційних технологій рішення задачі автоматизації діагностичних СППР; оцінки ефективності СППР для ПОС Ан-140.

Мета і задачі дослідження. Метою роботи є підвищення оперативності прийняття рішень при керуванні ПОС турбогвинтових літаків (ТГЛ) шляхом розробки автоматизованого режиму керування і діагностування у вигляді підсистеми підтримки прийняття рішень на основі логіко-лінгвістичних ієрархічних моделей. Для досягнення поставленої мети необхідно вирішити такі задачі:

1. Провести аналіз існуючих моделей, методик і методів діагностування складних технічних об'єктів авіаційного устаткування й обґрунтувати необхідність створення СППР ПОС для ТГЛ.

2. Досліджувати ПОС турбогвинтового літака як об'єкт для створення СППР.

3. Розробити логіко-лінгвістичну ієрархічну модель прийняття рішень для керування ПОС літака.

4. Розробити метод опису елементів СППР автоматизованої системи керування ПОС.

5. Розробити структуру, програмно-алгоритмічний опис і оцінити оперативність роботи СППР ПОС Ан-140.

Об'єктом дослідження в роботі є процес керування протиобліднювальною системою турбогвинтових літаків.

Предметом дослідження є моделі, методи і засоби керування і діагностування протиобліднювальної системою турбогвинтових літаків на рівні створення системи підтримки прийняття рішень в умовах неповної інформації про стан об'єкта.

Вибір методів дослідження обумовлений логікою і послідовністю дій роботи ПОС Ан-140. При розробці моделі для СППР ПОС використовують логіко-лінгвістичний підхід і методи теорії нечітких множин; експертних оцінок для систематизації метеорологічних умов.

Наукова новизна одержаних результатів полягає в такому:

- вперше розроблено моделі і метод побудови СППР ПОС турбогвинтових літаків, реалізованих у класі логіко-лінгвістичних ієрархічних продукційних моделей;

- удосконалено логіко-лінгвістичну продукційну модель представлення знань, шляхом уведення ієрархічного взаємозв'язку інформаційних об'єктів;

- одержали подальший розвиток методи побудови логіко-лінгвістичних моделей для СППР ПОС.

Практичне значення одержаних результатів полягає в тому, що представлені і розроблені моделі й методи побудови основних компонентів СППР ПОС літака дозволяють:

1. Пілоту оперативно приймати рішення про включення ПОС при виникненні великої кількості різнорідних факторів обледеніння, тим самим знизити імовірність повного обледеніння літака і можливість катастрофи або обліт чи виходи із зони обледеніння.

2. Збільшити інформативність системи керування ПОС літака за рахунок обліку великого числа використовуваних параметрів (як якісних, так і кількісних характеристик).

3. Пілоту значно зменшити час ухвалення рішення щодо включення ПОС у "ручному" режимі.

4. Підвищити якість роботи системи, а також її надійність і швидкодію.

5. Вчасно і повно виявляти відмови, що виникають, за допомогою застосування знанняорієнтованих моделей.

6. Розробляти і використовувати СППР для оперативного контролю несправностей об'єктів діагностування АТ.

Науково-технічний ефект полягає у виборі раціональної стратегії керування ПОС літака; у застосуванні нових комп'ютерних інформаційних технологій у задачах керування ПОС.

Економічний ефект пов'язаний з підвищенням якості й оперативності ухвалення рішення пілотом завдяки використанню СППР ПОС.

Соціальний ефект полягає в зниженні вимог до рівня кваліфікації персоналу і забезпеченні зручності роботи пілота в польоті в несприятливих метеорологічних умовах шляхом застосування автоматизованої системи керування ПОС.

Реалізація. Результати досліджень упроваджені:

1) у Науково-виробничому об'єднанні "Комунар" (акт упровадження від 25.03.2003 р.);

2) у ВАТ "Авіаконтроль" (акт упровадження від 3.04.2003 р.);

3) у Харківському інституті Військово-Повітряних Сил (акт упровадження в навчальний процес від 15.04.2003 р.).

Наукові положення, висновки, пропозиції та рекомендації, викладені в дисертаційній роботі, підтверджені також актами впровадження в Державному департаменті інтелектуальної власності.

Особистий внесок здобувача. Всі основні наукові положення, результати, висновки та рекомендації дисертаційної роботи отримані автором самостійно. В опублікованих роботах, що написані в співавторстві, особисто здобувачу належать такі результати: [1] - вирішення задачі лінгвістичної апроксимації; [2]  алгебраїчна апроксимація нечіткої моделі; [4] - аналіз мовних засобів для представлень специфікацій; [5] - аналіз існуючих діагностичних експертних систем; [6] - аналіз методів перерахування типових діагностичних моделей; [7] - обґрунтування застосування автоматизації при вирішенні логіко-комбінаторних задач діагностики; [8] - логіко-лінгвістична ієрархічна продукційна модель діагностування; [10] - обґрунтування використання діагностичних експертних систем для ПОС ТВС; [11] - аналіз метеорологічних умов, [12] – верифікація адаптивної ПОС до ТГЛ, [13] - аналіз протиобліднювальних систем літаків; [14] – розробка алгоритму логічного висновку; [15] - розробка алгоритму визначення еквівалентності діагностичних моделей. Роботи [3,9] здобувач виконав без співавторів.

Апробація результатів дисертації. Основні результати і дисертаційна робота в цілому апробовані на 9 міжнародних і всеукраїнських конференціях і семінарах: науково-технічній конференції молодих учених (Харків, 2000); міжнародній науково-технічній конференції "Інтегровані комп’ютерні технології в машинобудуванні" (Харків, 2001 - 2002); науковій конференції "Інформаційні технології військово-повітряних сил України в ХХІ сторіччі" (Харків, 2001); міжнародній науково-технічній конференції "Проблеми інформатики і моделювання" (Харків, 2001); Першій обласній конференції молодих учених "Тобі, Харківщино, - пошук молодих" (Харків, 2002); Третій міжнародній науково-практичній конференції "Сучасні інформаційні й електронні технології" (Одеса, 2002); міжнародній науково-практичній конференції "Інформаційні технології управління екологічною безпекою, ресурсами та заходами в надзвичайних ситуаціях" (Київ - Харків - Крим, 2002); 15-й міжнародній школі-семінарі "Перспективні системи керування на залізничному, промисловому і міському транспорті" (Алушта, 2002); міжнародній конференції по керуванню "Автоматика - 2002" (Донецьк, 2002).

Публікації. Результати досліджень опубліковано в 15 друкованих працях, з них 4 статті - в науково-технічних журналах; 3 статті - у збірниках наукових праць, що входять у перелік спеціальних видань, затверджених ВАК України; 4 - у матеріалах конференцій; 2 – патентів України; 2 - свідчення про Державну реєстрацію прав автора на твір.

Структура та обсяг роботи. Дисертація складається зі вступу, чотирьох розділів, висновків і п’яти додатків та має загальний обсяг 159 сторінки. Містить 3 рисунка на 3 сторінках, 36 таблиць на 12 сторінках, список з 139 використаних літературних джерел на 10 сторінках та додатки на 21 сторінках.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У першому розділі розглянуто особливості сучасних протиобліднювальних систем турбогвинтових літаків, зокрема ПОС Ан-140. Ці літаки найбільш уразливі, оскільки велику частину польотного часу проводять в умовах обледеніння. Було виявлено, що в даний час проблема гарантування безпеки польотів пасажирських літаків стає особливо гострою в зв'язку з інтенсивним використанням авіації як виду транспорту. Ії вирішення залежить від рівня оснащеності літаків системами, що створюють безпеку польотів у складних метеорологічних умовах, - ПОС.

При аналізі експертних даних було виявлено, що в більшості випадків при влученні літака в зону обледеніння за час спрацьовування системи в "автоматичному" режимі літак встигає обледеніти. При включенні ПОС у ручному режимі час обледеніння скорочується, але це потребує від пілота високого рівня кваліфікації та великого досвіду польотів в умовах обледеніння. Отже, виникає задача розробки альтернативного каналу керування, тобто автоматизованої системи включення ПОС, яка б дозволяла пілоту будь-якої кваліфікації давати рекомендації щодо включення ПОС у "ручний" режим за мінімально короткий час. Більшість задач, розв'язуваних екіпажем, - це багатокритеріальні задачі, в яких необхідно враховувати велику кількість факторів, оцінювати прийняті рішення та їхні наслідки, ефективно використовувати ЕОМ на борту літака. Ці задачі реалізуються програмними комплексами, називаними діагностичними СППР. Наведено аналіз існуючих діагностичних СППР, який показав, що їх практично не використовують в авіації, а на борту Ан-140 на даний момент таких систем не існує. Формалізація процесів діагностування і комп'ютерна підтримка прийняття рішень в АТ являє собою складну й актуальну науково-технічну задачу, рішенням якої займаються в даний час ряд конструкторських бюро і науково-дослідних інститутів України. Таким чином, виникла необхідність створення системи підтримки прийняття рішень ПОС, яка б, оцінюючи існуючі метеоумови і працюючи в інтерактивному режимі з пілотом, давала рекомендації на включення ПОС при попадання в зону обледеніння або, якщо це можливо, обльоту її.

Проведено аналіз і систематизацію метеоумов, з якими зіштовхується ТГЛ під час польоту, в результаті яких виявлено, що не вся вхідна інформація описується за допомогою повних і чітких понять. Часто дані знаходяться у визначеному інтервалі або для опису метеоумов використовують як якісні, так і кількісні характеристики, що в свою чергу, є взаємозалежними між собою (інтенсивність обледеніння залежить від кількісних показників температури, відносної вологості, водності і т.д.), тобто мають ієрархічну залежність.

Отже, на основі аналізу існуючих діагностичних моделей і методів зроблено висновок, що як математичну модель застосовують логіко-лінгвістичну діагностичну модель. Лінгвістичний підхід забезпечує обробку нечіткої інформації на всіх стадіях діагностування (від моделювання об'єкта до ухвалення рішення). Поняття нечітких і лінгвістичних змінних забезпечують перехід від словесних описів до символьних і числових (для зручності роботи на ЕОМ), а поняття нечіткої множини та відносини є засобом, за допомогою якого цей перехід досягається.

Другий розділ присвячений розробці логіко-лінгвістичної ієрархічної продукційної моделі для СППР ПОС.

У теорії нечітких множин використовується велика кількість логічних систем, що дозволяють уявити різні варіанти людської інтуїції в наближених міркуваннях, що дуже важко при використанні нечітких множин у задачах керування, оскільки представлення людського інтелекту в прийнятті рішень при оцінці поточної ситуації варіюються в діапазоні від негативного до позитивного. Очевидно, що умови, за яких людина приймає рішення, впливають на кінцевий результат, тому якість ухвалення рішення залежить від адекватності оцінки поточної ситуації людиною. Відповідно до вибраного підходу до дослідження систем керування ПОС основною формою опису взаємозв'язку характеристик у ній є причинно-наслідкові нечіткі відносини у виді продукційних правил, за допомогою яких можна описати досвід пілота, його інтуїцію і логіку поведінки, а також доцільно використовувати нечіткі лінгвістичні змінні, на основі яких можна адекватно відбити опис роботи системи у випадку відсутності точного детермінованого опису. Таким чином, основною математичною моделлю опису системи керування ПОС є логіко-лінгвістична продукційна модель (ЛЛПМ).

З аналізу можливих метеоумов при польоті ТГЛ видно, що при побудові СППР ПОС необхідно враховувати ієрархічні зв'язки між змінними системи. Для вирішення цієї задачі розроблено логіко-лінгвістичну ієрархічну продукційну модель СППР ПОС ТГЛ. Будь-яка ієрархічно організована структура основана на класифікаційних ознаках побудови основи дерева ієрархії для відображення взаємозв'язку частково упорядкованих множин. Як кістяк дерева використовується ієрархія цілей керування . Кожен рівень ієрархії визначає своя підмножина системи . У загальному випадку структуру ієрархічної системи керування показано на рис. 1.

Рис. 1. Логіко-лінгвістична ієрархічна продукційна модель

Визначення 2.1. Логіко-лінгвістичною ієрархічною продукційною моделлю (ЛЛІПМ) називається логіко-лінгвістична продукційна модель у вигляді де ;

Робота СППР ПОС забезпечується взаємозалежними таблицями лінгвістичних правил (ТЛП). За допомогою ТЛП описується база знань об'єкта. Вершини дерева ієрархічної системи - ТЛП, а дуги - метаправила, на основі яких відбувається вибір потрібної ТЛП у випадку зміни поточної мети СППР ПОС. Рух по дереву цілей визначає СППР, що моделює центральну стратегію прийняття рішень. Задачами системи є побудова ТЛП для кожної мети, формування критеріїв роботи СППР щодо основних властивостей вхідних змінних (при включенні ПОС), визначення видів функції належності, а також потужності (розмірності) базових терм-множин лінгвістичних змінних, використовуваних у ТЛП. Після підготовки всіх цих елементів відбувається вибір конкретної ТЛП для досягнення даної мети.

Базова терм-множина S є кінцевою, кожен її елемент - лінгвістичним значенням. Тому S={NB,NS,ZE,PS,PB}, де NB - negatіve bіg (дуже поганий), NS - negatіve small (не дуже поганий), ZE - zero (нейтральний елемент), PS - posіtіve small (не дуже гарний), PB - posіtіve bіg (дуже гарний) і являють собою нечіткі множини із заданими функціями належності.

Крім того терм-множина наділена операціями додавання елементів з S і множення на елементи деякої множини коефіцієнтів. Відповідно до вимог лінійного простору дані операції повинні бути комутативними, асоціативними. Не обходимо також, щоб множина S мала нейтральний елемент, а кожен елемент - зворотний. Для забезпечення властивостей лінійного простору S щодо зовнішнього закону композиції необхідно і досить, щоб потужність поля дорівнювала потужності множини S: card()=card(S).

Незважаючи на те, що продукційні ТЛП - досить прості й зрозумілі структури, їхню взаємодію в ієрархії безпосередньо простежити непросто. Зручним апаратом реалізації цього є алгебри. Оскільки дані лінгвістичні множини всіх змінних є гомогенізованими, тобто мають однорідну структуру і , де S= {S1,...,SN} - єдина терм-множина для всіх змінних системи лінгвістичних змінних, то, існує можливість формалізувати продукції у вигляді алгебричних конструкцій, тобто вводити алгебричні системи. Метою створення алгебричної системи для лінгвістичних продукційних моделей є забезпечення властивостей, аналогічних властивостям евклідових просторів.

При розгляді покрокових лінгвістичних відображень, що переводять систему з одного рівня в інший, стан X являє собою N-мірний вектор характеристик складної системи (x1,x2,…,xN), кожна з який приймає значення зі своєї терм-множини лінгвістичних значень S={s0,s1,…,sMi}, де M - номер характеристики. Елементи множини S визначені на своїх доменах. Отже, скалярна модель відображення має вигляд R:XkXk+1, де Х - скалярна змінна, тобто N=1. При цьому максимально можлива кількість вузлів дорівнює М, де М - потужність терм-множини лінгвістичних значень S.

Таким чином, кожен рівень ієрархії визначає стан на і - том кроці. За N кроків система перейде в стан, обумовлений відображенням: , що представимо у виді алгебраїчного полінома , де операції додавання і множення на константу визначені в рамках введеної алгебри.

Третій розділ присвячений розробці методу опису елементів і вирішенню задачі "включення ПОС" для СППР на Ан-140 з використанням ЛЛІПМ.

Запропоновано метод опису елементів і побудови СППР ПОС ТГЛ із використанням логіко-лінгвістичних ієрархічних моделей, за допомогою якого вирішено задачу "включення ПОС" для СППР, що працює в автоматизованому режимі. На основі накопиченої інформації про попередні польоти і досвіду поведінки пілота при попаданні в зону обледеніння система в інтерактивному режимі видає рекомендації льотчику щодо попадання в зону обледеніння і дає рекомендації про включення ПОС або обліт цієї зони.

Рис. 2. Трирівнева структура СППР ПОС

Для цього систематизовано можливі умови виникнення обледеніння, з яких виділені основні метеорологічні характеристики і показники ступеня обледеніння, необхідні для включення ПОС. Включення ПОС визначається множиною параметрів, основними з яких є інтенсивність обледеніння і вид обледеніння (рис. ).

Усі змінні (температура, водність, інтенсивність обледеніння і т. ін.) набувають значень із множини лінгвістичних змінних, для кожної з яких визначено свою функцію належності для вхідних змінних визначено терм-множини у вигляді: (температура ; водність і т.д. Будуємо ТЛП для кожного конкретного правила за допомогою операцій +: та . Далі залежності, отримані раніше у вигляді лінгвістичних продукційних моделей, представляємо в алгебричному вигляді на основі алгебри лінгвістичного лінійного простору (рис. 3).

Після проведення поліноміальної апроксимації ТЛП одержали поліном, виражений через вхідні змінні

де .

Таким чином, розв’язок задачі "включення ПОС" можна представити у вигляді алгебричного полінома

До отриманих результатів застосуємо логічний висновок Мамдані та дефазифікацію. На основі результату приймають рішення.

У четвертому розділі наведено результати розробки структури і програмно-алгоритмічного забезпечення реалізації задач автоматизованого керування ПОС Ан .

Розроблено систему, основану на знаннях, які застосовують у задачах діагностики та контролю, і проаналізовано основні компоненти узагальненої знанняорієнтованої системи. Як логічний висновок прийнято прямий ланцюжок міркувань, обумовлених уже наявними фактами і правилами. Представлення й обробка знань у СППР ПОС відбуваються з використанням об’ектно-орієнтованого підходу, як самого прийнятного для ефективного моделювання процесу мислення людини. Представлено програмно-алгоритмічну реалізацію логіко-лінгвістичної ієрархічної продукційної моделі на прикладі "Включення ПОС" за допомогою оболонки продукційної експертної системи "ExpertSys". Дано оцінку швидкодії застосування СППР ПОС, для чого були розраховані часові інтервали при роботі системи під час польоту і при роботі ПОС .

У реальному масштабі часу час, необхідне для включення ПОС, можна визначити за формулою де - час, необхідне для включення ПОС в автоматичному режимі; - час, нарощення льоду на мембрані датчика обледеніння; - час включення електронної секції датчика обледеніння; - час, необхідне для включення пристрою керування і контролю ПОС. Виходячи з технічних характеристик сигналізатора обледеніння EW 164, час наростання і скидання льоду з мембрани сигналізатора не більш – 30 с. Отже, час, необхідне для включення ПОС не перевищує 34 с. При роботі СППР ПОС час складається з , де - час включення ПОС, - час роботи СППР, - час реакції пілота на питання СППР і на ухвалення рішення про включення ПОС. , у свою чергу, складається з часу - час на фазифікацію, - час на побудову кожного правила в нечіткому висновку Мамдані. Час, затрачуваний пілотом на прийняття рішення, залежить від параметрів: досвіду і кваліфікації пілота, ступеня його реакції, його темпераменту і т.д. При роботі системи не перевищувало 2 с. Отже, загальний час, необхідний для ухвалення рішення про включення ПОС не перевищує 3 с. На графіку (рис. 4) показано залежність рівня обледеніння від часу включення систем СППР ПОС і ПОС в автоматичному режимі, де А - час спрацьовування сигналізатора обледеніння; B - час спрацьовування електронної секції сигналізатора обледеніння; C - час включення пристрою керування; D - час включення ПОС; К  включення ПОС у "ручному "режимі при роботі зі СППР; 1 - момент улучення літака в зону обледеніння; 2 - гранична товщина льоду; 3 - обледеніння літака.

Отже, основним показником оперативності є істотне зменшення часу, необхідного на включення ПОС. При порівнянні і зроблений висновок, що час на включення ПОС в автоматизованому режимі майже в 10 разів менше, ніж час на включення в автоматичному режимі, що у свою чергу, запобігає можливості повного обледеніння літака.

ВИСНОВКИ

1. Проаналізовано існуючі підходи до вирішення задачі автоматизації системи керування ПОС. Аналіз існуючих діагностичних СППР показав, що СППР ПОС на даний момент не існує. Формалізація процесів діагностування і комп'ютерна підтримка прийняття рішень у системі керування АТ являють собою складну й актуальну науково-технічну задачу, тому що більшість задач, розв'язуваних екіпажем, - це багатокритеріальні задачі, в яких необхідно враховувати велику кількість факторів, давати оцінку прийнятим рішенням та їх наслідкам. Зроблено висновок про ефективність використання елементів комп'ютерного аналізу на борту літака, тобто виділено необхідність створення СППР ПОС, яка б, оцінюючи існуючі метеоумови і працюючи в інтерактивному режимі з пілотом, давала рекомендації щодо включення ПОС при попаданні в зону обледеніння або, якщо це можливо, обльоту її.

2. Проведено дослідження існуючих ПОС і основних режимів їхньої роботи. Виявлено позитивні якості й недоліки роботи кожного режиму роботи. Відзначено, що в більшості випадків при попаданні літака в зону обледеніння за час спрацьовування системи в "автоматичному" режимі літак встигає обледеніти. При включенні ПОС у ручному режимі час обледеніння скорочується, але це вимагає від пілота високого рівня кваліфікації і великого досвіду польотів в умовах обледеніння. Зроблено висновок про необхідність розробки альтернативного каналу керування - автоматизованої системи включення ПОС, яка б дозволяла пілоту будь-якої кваліфікації давати рекомендації щодо включення ПОС у ручний режим за мінімально короткий час.

3. Проаналізовано і систематизовано метеоумови, з якими зіштовхується ТГЛ під час польоту. Виявлено, що часто дані знаходяться у визначеному інтервалі або для опису метеоумов використовують як якісні, так і кількісні характеристики, що, в свою чергу, є взаємозалежними між собою (інтенсивність обледеніння залежить від кількісних показників температури, відносної вологості, водності і т.д.). Аналіз робіт з розробки комп'ютерних пристроїв підтримки процесів діагностування складних технічних об'єктів показує, що в традиційних підходах не враховуються нечіткі особливості процесів, що проходять у складних технічних системах авіаційного устаткування. Тому задача інформаційної підтримки діагностування АТ на основі нечіткої (розмитої) інформації з використанням сучасних комп'ютерних технологій в області підтримки прийняття рішень є актуальною і має важливе науково-практичне значення. Виходячи з цього як математичний апарат обробки інформації необхідно застосувати логіко-лінгвістичну продукційну модель.

4. Розроблено логіко-лінгвістичну ієрархічну продукційну модель представлення автоматизованої системи керування ПОС, такої, що найповніше враховує ієрархічні взаємозв'язки параметрів підсистеми і є прийнятною для опису системи, основною формою запису якої є таблиці лінгвістичних правил. Оскільки лінгвістичні множини всіх змінних є гомогенізованими, у роботі розглянуто можливість формалізувати продукції у вигляді алгебричних систем. За допомогою алгебричної апроксимації представляється можливим описувати взаємозв'язок характеристик на рівні не тільки окремих значень, але і цілих підмножин, тим самим знаходячи нові закономірності в системі правил. Визначено й обґрунтовано логіко-лінгвістичну ієрархічну продукційну модель з лінгвістичними імовірностями, як модифіковану ЛЛІПМ.

5. Розроблено структурну схему СППР ПОС на основі "ExpertSys". Як логічний висновок прийнято прямий ланцюжок міркувань, обумовлених уже наявними фактами і правилами. Представлення й обробка знань у СППР ПОС відбувається з використанням объектно-орієнтованого підходу, як самого прийнятного для ефективного моделювання процесу мислення людини. Представлено комп'ютерну реалізацію ЛЛІПМ керування ПОС на прикладі "Включення ПОС" за допомогою оболонки продукційної експертної системи "ExpertSys".

6. Проведено оцінку швидкодії роботи СППР ПОС. Показано, що при включенні ПОС в автоматизованому режимі майже в 10 разів заощаджується час у порівнянні з іншими режимами, що, в свою чергу, запобігає можливості повного обледеніння літака; поліпшується якість роботи самої ПОС і бортової ЕОМ; збільшується інформативність системи керування ПОС за рахунок урахування якісних і кількісних параметрів; підвищується ступінь автоматизації системи шляхом використання прогресивних комп'ютерних технологій, тобто за допомогою оболонки продукційної експертної системи "ExpertSys”.

СПИСОК ОПУБЛІКОВАНИХ ПРАЦЬ ЗА ТЕМОЮ ДИСЕРТАЦІЇ

1. Соколов А.Ю., Касьян О.В. Применение экспертных систем для исследования сложных динамических процессов // Открытые информационные и компьютерные интегрированные технологии: Сб. науч. трудов. – Х.: Нац. аэрокосм. ун-т “Харьк. авиац. ин-т”.- 2001. - Вып.10.-С. 121-126.

2. Касьян О.В., Бакуменко Н.С., Соколов А.Ю. Новый подход к построению нечетких моделей динамических объектов // Открытые информационные и компьютерные интегрированные технологии: Сб. науч. трудов. - Х.: Нац. аэрокосм. ун-т “Харьк. авиац. ин-т”.- 2002. - Вып.13.-С. 98-105.

3. Касьян О.В. Принятие решений в условиях неопределенности при диагностировании оборудования // Інформаційно-керуючі системи на залізничному транспорті. – 2002. – Вып.1(34). – С. 10-14.

4. Касьян О.В., Горобец А.Е., Глущенко М.О. Анализ формальных средств и методологий проектирования технических систем // Авиационно-космическая техника и технология.– Х.: Нац. аэрокосм. ун-т “Харьк. авиац. ин-т”.- 2001. – Вып. . –С. 242-246.

5. Анализ математических методов диагностирования состояния объектов контроля / О.В. Касьян, В.Н. Торчило, А.В. Чечуй, Н.В. Доценко // Авиационно-космическая техника и технология. – Х.: Нац. аэрокосм. ун-т “Харьк. авиац. ин-т”. - 2002. – Вып. 29.– С.164-170.

6. Анализ методов перечисления комбинаторных объектов и его применение при исследовании диагностических объектов / О.В. Касьян, В.Н. Торчило, А.В. Чечуй, Н.В. Доценко // Авиационно-космическая техника и технология.– Х.: Нац. аэрокосм. ун-т “Харьк. авиац. ин-т”.- 2002. – Вып. 35. – С. .

7. Аппаратная поддержка вычислений при решении комбинаторных задач / О.В. Касьян, В.Н. Торчило, Н.В. Доценко, А.В. Чечуй // Открытые информационные и компьютерные интегрированные технологии: Сб. науч. трудов. - Х.: Нац. аэрокосм. ун-т “Харьк. авиац. ин-т”.- 2002. - Вып.11.- С. 59-64.

8. Касьян О.В., Торчило В.М. Логико-лингвистическая иерархическая продукционная модель диагностирования // Труды Междунар. науно-техн. конф. “Информационные компьютерные технологии в машиностроении – ИКТМ’2002”. – Х.: Нац. аэрокосм. ун-т “Харьк. авиац. ин-т”. – 2002. - С.142.

9. Касьян О.В. Встроенная экспертная система диагностирования противообледенительной системы турбовинтовых самолетов // Труды Третьей Междунар. научно.-практ. конф. “Современные информационные и электронные технологии” (СИЭТ -2002). – О.: ОНПУ. – 2002. - С. 42.

10. Касьян О.В., Торчило В.Н. Система поддержки принятия решений в условиях обледенения авиационных спасательных средств и комплексов // Труды Междунар. научно-практ. конф. “Информационные технологии управления экологической безопасностью, ресурсами и средствами в чрезвычайных ситуациях”. – К. – Х. - Крым: ХАИ. – 2002. - С. 117-118.

11. Касьян О.В., Соколов А.Ю. Управление противообледенительной системой самолета на основе нечетких экспертных систем // Труды Междунар. конф. управ. “Автоматика - 2002”. – Д.: ДНТУ. – 2002. – Т.2 -С. 13-14.

12. Патент України № 50673А. Адаптивна система протиобледеніння літального апарата / В.Я. Жихарев, О.В. Касьян, О.В. Чечуй, Т.В. Шилова, В.М. Торчило. – №2002043394; Заявлено 23.04.2002; Опубл. 15.10.2002. Бюл. №10.

13. Патент України № 50674А. Система протиобледеніння літального апарата / Жихарев В.Я., Касьян О.В., Чечуй О.В., Шилова Т.В., Торчило В.М. – №2002043395; Заявлено 23.04.2002; Опубл. 15.10.2002. Бюл. №10.

14. Компьютерная программа “Оболочка продукционной экспертной системы “ExpertSYS””/ А.Ю. Соколов, О.В. Касьян, С.Ю. Мелешенко, М.Я. Сафронов, О.В. Яровая / Свид. гос. регистр. ПА №4938. – Зарег. в Гос. департ. интеллект. собств. Мин. образования и науки Укр., рег. 24.10.2001., выдан 14.12.2001. Опубл. Каталог гос. рег. Вып. 5. - 2001. –С. 88.

15. Компьютерная программа “Программа определения эквивалентности диагностических моделей”/ В.Я. Жихарев, О.В Касьян, С.Ю. Мелешенко, А.В. Чечуй, Н.В. Доценко, Т.В. Шилова/ Свид. гос. регистр. № 5470. – Зарег. в Гос. департ. интеллект. собств. Мин. образования и науки Укр., рег. 28.05.2002. выдан 14.12.2001. Опубл. Каталог гос. рег. Вып. 5. - 2001. –С. 88.

АНОТАЦІЯ

Касьян О.В. - Логіко-лінгвістичні ієрархічні моделі автоматизованих засобів керування і діагностування противообліднювальної системи турбогвинтових літаків. - Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.13.06 - "Автоматизовані системи керування і прогресивних інформаційних технологій". - Національний аерокосмічний університет ім. М.Є. Жуковського "Харківський авіаційний інститут", Харків, 2003.

У дисертаційній роботі розроблено моделі та метод автоматизованих засобів керування та діагностування противообліднювальної системи турбогвинтових літаків.

Новими науковими результатами є: 1) розроблено моделі і метод побудови СППР ПОС турбогвинтових літаків, реалізованих у класі логіко-лінгвістичних ієрархічних продукційних моделей; 2) удосконалено логіко-лінгвістичну продукційну модель представлення знань шляхом введення ієрархічного взаємозв'язку інформаційних об'єктів; 3) одержали подальший розвиток методи побудови логіко-лінгвістичних моделей для СППР ПОС.

Ключові слова: логіко-лінгвістична ієрархічна продукційна модель, противообліднювальна система, система підтримки прийняття рішень.

АННОТАЦИЯ

Касьян О.В. – Логико-лингвистические иерархические модели автоматизированных средств управления и диагностирования противообледенительной системы турбовинтового самолета. - Рукопись.

Диссертация на соискание ученной степени кандидата технических наук за специальностью 05.13.06 – “Автоматизированные системы управления и прогрессивные информационные технологии”. - Национальный аэрокосмический университет им. М.Е. Жуковского "ХАИ", Харьков, 2003.

Работа посвящена разработке автоматизированной системы управления противообледенительной системы самолета (ПОС) с использованием логико-лингвистических иерархических моделей представления знаний, как альтернативной системы управления ПОС турбовинтовых самолетов (ТВС) на примере Ан-140.

Расследование происшествий с ТВС показывает, что причиной аварий часто является запаздывание включения ПОС самолета. Это связано с тем, что автоматика запаздывает с включением, а экипаж не осознает, что он находится в условиях образования льда, либо неправильно оценивает интенсивность обледенения на видимых участках самолета и не включает систему вручную. Следовательно, необходима эффективная система обнаружения обледенения.

Анализ работ по разработке компьютерных устройств поддержки процессов диагностирования сложных технических объектов, показывает, что традиционные подходы не учитывают нечеткой особенности процессов, протекающих в сложных технических системах авиационного оборудования. Поэтому задача информационной поддержки ПОС ТВС на основании неполной (размытой) информации с использованием современных компьютерных технологий в области поддержки принятия решений является актуальной и имеет важное научно-практическое значение.

Первым научным результатом диссертации является автоматизированный режим управления ПОС за счет применения системы поддержки принятия решений, на основе разработанных моделей и методов построения системы ПОС ТВС, реализуемых в классе логико-лингвистических иерархических продукционных моделей. Так как лингвистические множества всех переменных являются гомогенизированными, в работе рассмотрена возможность формализовать продукции в виде алгебраических систем. С помощью алгебраической аппроксимации описаны взаимосвязи характеристик на уровне не только отдельных значений, но и целых подмножеств, тем самым, найдены новые закономерности в системе правил. Определена и обоснована логико-лингвистическая иерархическая продукционная модель с лингвистическими вероятностями, как модифицированная модель, применимая для более точного нахождения вероятностного отказа в работе ПОС. Эти исследования послужили основой второго научного результата, которым является усовершенствованная логико-лингвистическая продукционная модель представления знаний, в которой введены иерархичные взаимосвязи между информационными объектами.

Третьим научным результатом является метод построения логико-лингвистических моделей для системы поддержки принятия решений ПОС ТВС.

В работе проведена оценка быстродействия работы системы поддержки принятия решений ПОС. Показано, что при включении ПОС в автоматизированном режиме почти в 10 раз экономится время по сравнению с другими режимами, что в свою очередь, предотвращает возможность полного обледенения самолета; достоверностью, которая в свою очередь зависит от применяемого метода, качества работы самой ПОС и бортовой ЭВМ и безошибочностью работы пилота-оператора, принимающего решение; увеличением информативности системы управления ПОС за счет учета качественных и количественных параметров; степенью автоматизации системы, за счет использования прогрессивных компьютерных технологий, т.е. с помощью оболочки продукционной экспертной системы “ExpertSys”.

Ключевые слова: логико-лингвистическая иерархическая продукционная модель, противообледенительная система, система поддержки принятия решений.

ABSTRACT

Kasyan O.V. Logical linguistic hierarchical models of automatic controlling and diagnostics means of turbo-prop aircrafts anti-ice system.-Manuscript.

Thesis on getting a candidate of technical sciences scientific degree on 05.13.06 specialty "Automatic control systems and progressive information technologies". - National Aerospace University "Kharkov aviation institute", Kharkov, 2003.

Models and method of automatic controlling and diagnostics tools of turbo-prop aircrafts anti-ice system were designed in this thesis.

New scientific results are: 1) models and method of anti-ice system expert support system creation realized trough logical linguistic hierarchical production models; 2) the logical linguistic production model of knowledge representation was improved by means of introduction of hierarchical interrelation between data entities; 3) methods of logical linguistic production model for anti-ice system expert support system.

Key words: Logical linguistic hierarchical production models, anti-ice system, expert support system.