بخشی از مقاله
*** این فایل شامل تعدادی فرمول می باشد و در سایت قابل نمایش نیست ***
ارزیابی سیستمی قابلیت اطمینان سامانهي هدایت و کنترل در یک نوع وسیله پرنده
خلاصه
امروزه موضوع قابلیت اطمینان، یکی از خواستههاي اساسی طراحان و بهرهبرداران از سیستمهاي هوافضائی است. روشهاي مختلفی براي ارزیابی شاخص قابلیت اطمینان در سیستمهاي هوافضائی وجود دارد. در این تحقیق، از روش بررسی و تحلیل مودهاي خرابی " 5 FMEA" براي ارزیابی قابلیت اطمینان سامانه ﻫﺪاﯾﺖ و کنترل در وسایل پرنده استفاده شده است. به عبارت دیگر، با استفاده از نگاه سیستمی ( شناسایی وظیفه/تعاملات) به موضوع قابلیت اطمینان و انتخاب یک هواپیماي تجاري منطقهاي، به بررسی موضوع قابلیت اطمینان در سامانه هدایت، کنترل پرداخته شده است. در این تحقیق با استفاده از روش ماتریس ساختار طراحی 6DSM ) )، قطعات و زیرسیستمهاي بحرانی این سامانه شناسائی شده و در نهایت شاخص قابلیت اطمینان آن، تعیین شده است. نتایج این تحقیق نشان دهنده این است که از مجموع 50 زیرسیستم اصلی در سامانه هدایت وکنترل، 7 المان بحرانی هستند که به منظور بالابردن شاخص قابلیت اطمینان سیستم هدایت و کنترل، بایستی یا از این المانها ذخیره تهیه نمود و یا شاخص قابلیت اطمینان آنها را بالا برد (که البته این موضوع در گونههاي بعدي این هواپی ما مورد اصلاح قرار گرفته است). لازم به ذکر است که از دستاوردهاي حاصل از این تحقیق، میتوان در افزایش قابلیت اطمینان (افزایش ایمنی) سامانههاي هدایت، کنترل و ناوبري در فاز طراحی اولیه سیستم بهره گرفت.
واژههاي کلیدي: قابلیت اطمینان، تحلیل مودهاي خرابی، سامانههاي هدایت، کنترل و ناوبري- پرواز خودکار
.1 مقدمه
در یک جامعه مدرن، مهندسان و مدیران فنی مسئول برنامهریزي، طراحی، ساخت و بهرهبرداري از محصولات و سیستمها اعم از سادهترین محصولات تا پیچیدهترین سیستمها هستند. از کار افتادن این سیستمها موجب وقوع اختلال در سطوح مختلفی شده و میتواند به عنوان تهدیدي براي جامعه تلقی شود. از اینرو بهرهبرداران انتظار دارند که این سیستمها از سطح قابل قبول ایمنی برخوردار باشند. بنابراین سؤالی که مطرح میشود این است که ایمنی و قابلیت اطمینان یک سیستم در چرخه عمر خود چه میزانی است؟ سطح قابل قبول ایمنی آن چقدر است؟ این یک پرسش اساسی است که میتوان با ارزیابی سیستماتیک و کمیتسنجی شاخص قابلیت اطمینان به آن پاسخ گفت. در بررسی سوانح در حوزههاي مختلف، متأسفانه شاهد حوادث گوناگونی بودیم که میتوان به حادثه فضاپیماي چلنجر (1986)، نیروگاه چرنوبیل((1986، خاموشی کامل نیویورك((1977 و بسیاري از حوادث دیگر اشاره نمود که در تمام این رخدادها خسارتهاي چشمگیر و شدیدي بر جامعه و محیط زیست داشتهاند. رخدادهاي فوق و مشابه آنها، توجه فزایندهاي به ارزیابی قابلیت اطمینان، ایمنی و احتمال وقوع خطر در سیستمهاي مهندسی ایجاد کرده است. در بررسی قابلیت اطمینان و ایمنی، دو شاخص مطرح است، یکی تحت عنوان "خطر" کهصرفاً از نظر شدت قابل تقسیمبندي است و دیگري تحت عنوان "احتمال خطر" که علاوه بر شدت خطر، احتمال وقوع آن را نیز مورد توجه قرار میدهد. شیوههاي ارزیابی قابلیت اطمیناناصولاً بر محور ارزیابی احتمال خطر استوار است و لذا هر دو جنبه (شامل شدت خطر و همچنین احتمال وقوع آن) بایستی لحاظ شوند.[1] سیستمهاي قابل اعتماد،معمولاً در محیطهاي عملیاتی مختلفی مورد بهرهبرداري قرار میگیرند و از این رو طراحان آن سیستم باید قادر به پیشبینی قابلیت اطمینان آن سیستم در شرایط بهره برداري مختلف باشند.[2]
.2 قابلیت اطمینان
تعاریف مختلفی براي قابلیت اطمینان ارائه شده است. یک تعریف رسمی از قابلیت اطمینان عبارت است از توانایی یک سیستم براي انجام عملکرد مورد نیاز تحت شرایط تعیین شده در یک دوره زمانی مشخص.[2] تعریف فوق در واقع بیان کننده یک عدم قطعیت مهندسی است و براي تعیین کمیت قابلیت اطمینان مستلزم استفاده از آمار و به ویژه تئوري احتمالات است.
روشهاي مخلفی براي ارزیابی قابلیت اطمینان در یک سیستم وجود دارد. بسیاري از این روشها که در فرآیندهاي طراحی مفید هستند، میتوانند به عنوان ابزارهایی براي اجتناب از خطا تصور شوند. این موارد شامل دو روش کلی از پایین به بالا، و از بالا به پایین است.[3]
.3 روش FMEA
روش FMEA، یک روش سازمان یافته براي شناسایی و به حداقل رساندن اثرات حالتهاي بالقوه شکست است. در دهه 50، روش فوق به عنوان یک روش تجزیه و تحلیل شکست، رسمی شد و برنامههاي آموزشی FMEA در سال 1972 توسط شرکت فورد توسعه داده شد و مورد استفادهي 3 خودروسازان بزرگ ایالات متحده قرار گرفت. مراحل انجام FMEA به صورت زیر است:[4]
-1 تعریف مرزهاي سیستم و نیازهاي مرتبط در جزئیات -2 لیست تمامی زیرسیستمها و قطعات سیستم
-3 فهرست تمامی حالتهاي شکست ممکن، و شرحی از اجزاء -4 اختصاص نرخ شکست/ احتمال به هر حالت شکست اجزاء -5 فهرستی از هر حالت شکست در زیرسیستم و سیستم -6 وارد کردن اظهاراتی براي هر حالت شکست -7 بررسی هر حالت شکست بحرانی و اقدامات مناسب FMEA خطاب به مسائل زیر است:
- محصول قرار است چه عملکردي را انجام دهد؟ چگونه، محصول میتواند موفق به انجام آن عملکرد شود؟ شکست، چه اثري روي محصول نهایی و کاربر نهایی خواهد داشت؟ اثر، تا چه حد است؟ چه چیزي میتواند علت شکست باشد؟ به منظور جلوگیري یا تشخیص علت، چه کاري در حال انجام است؟ خطر کلی، در ارتباط با حالت شکست چیست؟ براي از بین بردن علت شکست، و یا براي بهبود پیشگیري یا تشخیص اندازه گیري، و در نتیجه کاهش خطر، چه اقدامات اصلاحی می تواند انجام شود؟
.4 مفهوم و نحوه عملکرد سامانه هدایت و کنترل و ناوبري
در طول چند دهه اخیر، علوم هوانوردي و فضانوردي، محركهاي قدرتمندي در زمینه توسعه تئوري سیستمهاي کنترل، سنسورها، ترکیب دادهها و ناوبري بوده است. بسیاري از دستاوردهاي به دست آمده در حوزه هوافضا به وسیله نوآوريهایی در هدایت، کنترل و ناوبري فراهم شده و به عنوان مترادفی براي پیشرفت و تکنولوژي بالا، عمومیت یافته است. شکل 1 شماتیکی از سامانه ناوبري، هدایت و کنترل را نشان میدهد. ملاحظه میشود که از یک حلقه پسخور اﺳﺘﻔﺎده شده است که خروجی آن برخی از متغیرهاي حالت وسیله (پرنده) و ورودي آن مقادیر مطلوب متغیرهاي حالت است. همانگونه که ذکر گردید قانون هدایت تعیین کننده دستور هدایتی یا همان مانورهاي لازم جهت تحقق این امر است و سامانه کنترل اجرا کننده این دستور هدایتی میباشد.[5]
سامانه کنترل پرواز در یک هواپیما، از 4 زیرسامانهي اصلی تشکیل شده است[6] که عبارتند از:
-1 زیرسامانه ناوبري
-2 زیر سامانه تنظیم جهت و مسیر پرواز (هدایتگر پرواز)
-3 زیرسامانه تنظیم ارتفاع
-4 زیرسامانه خلبان خودکار
.5 شناسایی سیستمی سامانه هدایت، کنترل و ناوبري
الف- سیستم ناوبري
این سیستم با استفاده از سنسورهاي ناوبري (شامل سنسورهاي ناوبري INS 1 و سنسورهاي ناوبري رادیویی به صورت گیرنده و فرستنده) موقعیت هواپیما را در طول مسیر از پیش تعیین شده، نشان میدهد. این سیستم داراي اجزاي اصلی زیر است:
-1 نمایشگرهاي ناوبري: نمایشگرهاي ناوبري آنالوگ (شامل نمایشگر وضعیت و نمایشگر افق). نمایشگر ناوبري دیجیتالی (شامل سامانه مدیریت پرواز).
-2 سنسورهاي ناوبري: شامل سنسورهاي ناوبري INS از قبیل ژایروي عمودي((Vertical Gyro و ژایروي نرخی( Rate (Gyro و ژایروي سمتی (Directional Gyro)
-3 سیستمهاي ناوبري رادیویی: که این سیستمها به صورت فرستنده و گیرنده و یا ترکیبی از این دو میباشند.:
- سیستم ناوبري فرستنده رادیویی: شامل دستگاههاي فرستندههاي زمینی ILS، VOR، VORTAC، RNAV، NDB، و سیستم ناوبري ماهوارهاي GPS
- سیستم ناوبري گیرندهي رادیویی: شامل دستگاههاي گیرنده VHF/NAV و سیستم .VLF/OMEGA
ب- سیستم هدایتگر پرواز
سیستم هدایتگر پرواز (یا سیستم تنظیم جهت و مسیر پرواز)، سیستمی است که به منظور قرار گرفتن هواپیما روي مسیر مطلوب از پیش تعیین شده، فرامین هدایتی لازم را توسط کامپیوتر پرواز تولید میکند و آنرا به خلبان خودکار میفرستد. همچنین، این سیستم، هواپیما را قادر میسازد تا با ابزارهاي دقیق پرواز کند. انحرافات از سمت و مسیر، به علاوه فرمانهاي کنترلی و وضعیت هواپیما، نمایش داده میشود. همچنین این سیستم، تقرب نشست هواپیما (ILS) را نظارت میکند. سیستم هدایتگر پرواز شامل قطعات اصلی زیر است:
- کامپیوتر پرواز
- کنترل کنندهي مودهاي غلت، پیچ و یاو.
- پنل هشداردهنده
- کامپیوتر دادههاي هوایی
- ژایروسکوپ نرخی (سرعتی)
- دکمه Go round
ج- سیستم خلبان خودکار
سیستم اتوپایلوت شامل قطعات اصلی زیر است:
- مکانیزم تنظیم(عملگر) پیچ، رول و یاو
- دکمهي فعالسازي خلبان خودکار
- رلهها
- بوق هشدار دهندهي خلبان خودکار
د- سیستم تنظیم ارتفاع
این سیستم فقط در ارتباط با عملکرد سیستم هدایتگر پرواز، عمل میکند، که پیش تنظیمی از ارتفاع سطح فشاري مورد نظر در زمان صعود یا نزول فراهم میکند. پس از رسیدن به ارتفاع انتخاب شده، سیستم خلبان خودکار و هدایتگر پرواز به طور خودکار آن ارتفاع را ضبط میکند و نگه میدارد. سیستم پیش تنظیم ارتفاع شامل قطعات اصلی زیر است:
- سروو رمزگذاري ارتفاع سنج
- انتخابگر ارتفاع
در این تحقیق، به منظور ارزیابی سیستمی قابلیت اطمینان سامانه هدایت و کنترل، هواپیماي Dornier 228 (که یک هواپیماي حمل و نقل سبک تجاري است) به عنوان نمونه انتخاب شده است. بر اساس بررسی به عمل آمده از هواپیماي فوق[6]، سامانه کنترل پرواز ﺧﻮدﮐﺎر این هواپیما از 49 زیرسیستم تشکیل شده که در جدول 1 آورده شده است.[7] آنچه که در تحلیل قابلیت اطمینان اهمیت دارد، شناسائی تعاملات و نوع ارتباط این زیرسیستمها با یکدیگر است. به صورت کلی،در یک سیستم پیچیده، نوع ارتباطات زیرسیستمها با یکدیگر عبارتند از تبادل مواد، تبادل اطلاعات، تعاملات فیزیکی و تبادل انرژي.
بررسی سطح تعاملات زیرسیستمها
از دیدگاه مهندسی سیستم، تعامل بین المانها در یک سیستم پیچیده، عبارتند از8] و :[9
الف - تعاملات سري: ﺳﺎدهﺗﺮﯾﻦ نوع وقوع تعاملات در یک سیستم، تعاملات سري است. در شکل 2 ، ساختار تعامل سري بین دو زیرسیستم A و B نشان داده شده است. در سمت چپ شکل، نمایش بلوك دیاگرامی و در سمت راست، نمایش ماتریسی این نوع ارتباط نشان داده شده است. بدیهی است در نمایش ماتریسی، بین یک المان با خودش، تبادلی وجود ندارد. همچنین وجود عدد 1 در این ماتریس نشان دهنده این است که خروجی المان A (به صورت ستونی) به المان B داده میشود و یا اینکه المان B (به صورت سطري)، اطلاعات مورد نیاز خود را از المان A میگیرد.
رابطه تحلیلی قابلیت اطمینان براي نوع تعاملات سري در یک سیستم با وجود دو المان عبارت است از :[7]
و در حالت کلی، که یک سیستم با n المان در تعامل سري باشند، رابطه فوق عبارت است از:[7]
که در رابطه فوق، Ri، شاخص (عدد) قابلیت اطمینان آن زیرسیستم است.
ب- تعاملات موازي: در شکل 3، تعاملات موازي بین دو المان A و B نشان داده شده اﺳﺖ.
رابطه تحلیلی قابلیت اطمینان براي ساختار موازي با وجود دو المان عبارت است از:
در حالت کلی، در یک سیستم با n المان، چنانچه تعریف کنیم که احتمال شکست (یا عدم اطمینان) مربوط
به المان iام باشد، در این صورت احتمال شکست (عدم اطمینان) کل سیستم عبارت است :[8]
از آنجائیکه ، لذا، قابلیت اطمینان کل سیستم برابر خواهد بود با:[8]
ج- تعاملات همگیر (کوپل): در شکل 4، تعامل دو المان A و B که به ﺻﻮرت همگیر باهم در تبادل هستند نشان داده شده است.
رابطه تحلیلی قابلیت اطمینان براي یک سیستم همگیر عبات است از:
.7 ارزیابی قابلیت اطمینان در سامانه کنترل پرواز
همانطور که بیان شد، در یک سیستم پیچیده با وجود n زیرسیستم، تعاملات مختلفی (سري- موازي- همگیر) ممکن است بین زیرسیستمها برقرار باشد. با استفاده از روش ماتریسی بیان شده، که به ماتریس ساختار طراحی (DSM) این
