Referat 1 - OKAEL Sp. z o.o.

System gromadzenia, analiz i przetwarzania danych z pokładowych rejestratorów parametrów lotu na przykładzie PLL "LOT" S.A.

mgr inż. Ryszard Witkowski

Polskie Linie Lotnicze LOT S.A.
00-906 Warszawa, ul. 17-go stycznia 39

Streszczenie

Niniejszy referat jest próbą przybliżenia zagadnień związanych z wykorzystaniem danych z pokładowych rejestratorów parametrów lotu w funkcjonowaniu linii lotniczej. Autor przedstawia metody wykorzystania rejestrowanych parametrów lotu w zapewnieniu wysokiego poziomu bezpieczeństwa lotniczego i sprawności technicznej floty, w podnoszeniu efektywności wykonywanych operacji lotniczych, a także w licznych aplikacjach, których zadaniem jest wszelkiego rodzaju rozliczanie, naliczanie czy po prostu zbieranie informacji.

1. Analiza parametrów lotu

Początek rozwoju rejestratorów lotu w dzisiejszym rozumieniu przypada na lata pięćdziesiąte, kiedy to zaczęto wyposażać w nie wojskowe samoloty odrzutowe. Przez dłuższy czas służyły one dwóm głównym celom: do prób w locie prototypów oraz do badań wypadków i zdarzeń lotniczych. Powszechne zastosowanie aparatury pomiarowej, używanej podczas oblotów, w roli rejestratorów ograniczone było przez ich rozmiary, masę i komplikację. Z kolei szersze wykorzystanie w codziennej eksploatacji rejestratorów katastroficznych, tzw. czarnych skrzynek, utrudnione było przez trudny do nich dostęp oraz długotrwałe i skomplikowane procesy odczytu. W lotnictwie cywilnym pierwsze rejestratory pojawiły się w 1958 r. Zapisywały jedynie 5 parametrów i wyposażono w nie największe wówczas samoloty amerykańskie i brytyjskie. Zmiana jakościowa nastąpiła w momencie pojawienia się rejestratorów dublujących zwanych z angielska Quick Access Recorder lub z rosyjska Registrator Bystrowo Dostupa. Urządzenia te umożliwiły łatwy i szybki dostęp do zarejestrowanych danych. Zrezygnowano w nich z wymagań, jakie na rejestratory katastroficzne nakładają surowe przepisy konstrukcyjne, wytrzymałościowe, termiczne i chemiczne.
Lata 80-te przyniosły dodatkowo rozwój techniki cyfrowej i komputerów osobistych, co w połączeniu z rozwojem specjalistycznego oprogramowania stworzyło sprzyjające warunki do szerokiego wykorzystania parametrów lotu w funkcjonowaniu linii lotniczej. Nowoczesne rejestratory budowanych dzisiaj samolotów rejestrują po kilkaset parametrów z dużą częstotliwością zapisu (przykładowo samolot B767 ponad 450 parametrów). Dlatego analiza parametrów lotu przeszła w swojej półwiecznej historii wiele zmian. Dziś nie służy ona już tylko do badania wypadków lotniczych, ale przede wszystkim do zapobiegania ich wystąpieniu. Wykryte przekroczenie mogące mieć wpływ na bezpieczeństwo lotu lub stan techniczny samolotu jest w pierwszej fazie sygnałem do natychmiastowego podjęcia przeglądów specjalnych, poczym poddaje się je szczegółowej analizie w szkoleniu załóg oraz w metodyce latania. Dane z pokładowych rejestratorów parametrów lotu wykorzystuje się szeroko w rozmaitych optymalizacjach: przebiegu tras, rotacji samolotów, czasów pracy załóg itp. Są również podstawą programów monitorujących pracę silników i wyposażenia, umożliwiają kontrolowanie zużycia paliwa i oleju, a nawet poziomu promieniowania na dużych wysokościach, wspomagają rozliczanie pracy załóg lub naliczają cykle i nalot samolotów, silników i wyposażenia. Różnorodność i zasięg analizy parametrów lotu ilustruje poniższy diagram:

Cele i zadania analizy parametrów lotu

2. Krótka historia rejestratorów w PLL "LOT"

W Polskich Liniach Lotniczych "LOT" dane z pokładowych rejestratorów parametrów lotu wykorzystywano jeszcze w latach 60-tych. Zakupione w 1961 r. samoloty typu Ił-18 wyposażone były w rejestratory typu K3-63. Był to eksploatacyjny, trójkanałowy rejestrator pokładowy przeznaczony do ciągłej rejestracji barometrycznej wysokości lotu, prędkości przyrządowej i przyspieszeń w osi pionowej samolotu. Zapis odbywał się na ok. 10 metrach przezroczystej perforowanej taśmy filmowej szerokości 36 mm wystarczającej na około 25 godzin lotu. Rejestratory K3-63 służyły głównie do oceny współczynników przeciążenia przy lądowaniu w celu wykrycia tzw. "twardych lądowań". I choć kolejne samoloty były wyposażane już w magnetyczne rejestratory typu MSRP-12 to jednak łatwość odczytania wartości Nz, nawet ręcznie bez specjalnego rzutnika, powodowała, że z rejestratorów taśmowych dane odczytywano jedynie dla potwierdzenia wyniku. Pewien postęp nastąpił, gdy w "LOCIE" wyszkolono pierwszych pracowników, których zadaniem była wyłącznie praca przy odczycie i analizie parametrów lotu. Zaczęto szerzej wykorzystywać dane z taśmowego rejestratora MSRP-12. Był to magnetyczny, awaryjny rejestrator lotu, przeznaczony do rejestracji znaczących parametrów samolotu niezbędnych do odtwarzania przebiegu wypadku lotniczego. Rejestrator posiadał 12 kanałów rejestrujących kilkanaście parametrów zależnych od typu samolotu.
Dwie katastrofy Iłów 62 oraz kilka wypadków z udziałem innych typów, szczególnie An-24, zmusiły "LOT" do podjęcia intensywnych prac w celu podniesienia poziomu bezpieczeństwa istniejącej floty. Radzieckie samoloty już wtedy w większości posiadały rejestratory dublujące, których zadaniem był zapis parametrów lotu w celu wykonywania bieżących odczytów. Ciągle jednak odczyt i analiza były procesem trudnym i pracochłonnym, a wykonywane były na zapomnianych już dziś maszynach obliczeniowych. Wykorzystywano równolegle proces naświetlania fotochemicznego specjalnego papieru, który po wywołaniu przedstawiał obraz zarejestrowanych parametrów. Głównym elementem transformującym zapisane magnetycznie parametry na sygnał naświetlający był bardzo skomplikowany system sterowanych elektromagnetycznie lusterek i soczewek.
W drugiej połowie lat 80-tych w nowopowstałej wówczas firmie TTM (później ATM) powstał cyfrowy rejestrator dublujący TTM oraz program do jego obsługi na komputerze typu PC. Był to przełom w dziedzinie wykorzystania danych z pokładowych rejestratorów parametrów lotu. Rozwiązanie, zastosowane pierwotnie na samolotach radzieckich, umożliwiało bardzo łatwe dostarczenie danych do komputera analizującego, gdyż była to jedynie wymiana kasety i jej odczyt w czytniku połączonym przez interfejs z komputerem klasy PC. Analizę lotu ułatwiał program umożliwiający sprawdzenie parametrów lotu pod wieloma kątami oraz wizualizację graficzną.
Powodzenie pierwszego QAR-a typu TTM zachęciło konstruktorów do dalszych prac i modyfikacji, a "LOT" do instalacji tego typu urządzeń na wszystkich użytkowanych w firmie samolotach. Po Iłach i Tupolewach zakupywane sukcesywnie samoloty produkcji zachodniej były wyposażane w coraz nowsze urządzenia typu QAR produkcji ATM. Były to kolejno Boeing B767, ATR72 oraz Boeing B737. Bardzo dobra jakość w/w urządzeń oraz przeznaczony do ich obsługi i analizy parametrów program Flight Data Service, również stworzony przez ATM, umożliwiły osiągnięcie niemal 100% odczytów z wykonanych operacji lotniczych oraz ich wszechstronną analizę.
Lata 90-te to doskonalenie metod i rozwiązań przyjętych pod koniec lat 80-tych przez nasz zespół, rozszerzanie zakresu analiz, wykorzystanie danych w wielu aplikacjach, a także przeniesienie środka ciężkości z badań wypadków i zdarzeń lotniczych na działania profilaktyczne, monitorujące i optymalizacyjne.

3. Analizy

Jednym z głównych zadań OKL jest wykonywanie analiz parametrów lotu. W programie FDS są one określane z angielska jako AFPA (Automatic Flight Parameters Analysis). FDS, ze względu na szerokie możliwości, pozwala na tworzenie algorytmów wyszukujących krytyczne wartości zarejestrowanych wielkości fizycznych, jak również na tworzenie własnych parametrów wirtualnych i powstałych z funkcji agregujących. Podstawową analizą wykonywaną na bieżąco przez OKL PLL "LOT" SA jest analiza eksploatacyjna. Służy ona przede wszystkim do wykrycia niebezpiecznych faz lotu, co najczęściej wiąże się z przekroczeniem wartości krytycznych najważniejszych parametrów lotu lub ich niekorzystną kombinacją. Dla każdego typu samolotu jest to zbiór kilkudziesięciu algorytmów, których zakres można najogólniej podzielić na trzy kategorie. Pierwsza kategoria algorytmów dotyczy bezpośrednio przekroczenia dopuszczalnych i najważniejszych dla samolotu parametrów eksploatacyjnych. Wykrycie takiego zdarzenia oznacza konieczność podjęcia kolejnych działań przez różne służby linii lotniczej. Może to być np. dodatkowy przegląd samolotu po twardym lądowaniu lub przekroczeniu dozwolonych prędkości lotu, obwiedni obciążeń, parametrów silnikowych itp.
Poniżej zamieszczono przykład zadziałania jednej z reguł eksploatacyjnych:

wizualizacja przekroczenia w FDS

Samolot przekroczył dopuszczalną prędkość na klapach 15 st, która wynosi 195 kts. Analizą takiego przypadku zajmują się zarówno osoby związane z obsługą techniczną, jak i osoby z obszaru bezpieczeństwa lotniczego i metodyki latania. Służby techniczne sprawdzają stan samolotu po zaistnieniu przekroczenia, specjaliści od techniki pilotażu prowadzą działania profilaktyczne i metodyczne wśród personelu latającego.

Druga kategoria to przekroczenia pilotażowe, których efekty mają drugorzędny wpływ na stan eksploatacyjny samolotu, np. zbyt duże odchyłki w ścieżce podejścia do lądowania, bądź niewłaściwe konfiguracje samolotu w różnych stanach lotu. Nieprawidłowy pilotaż to również stany lotu bliskie przeciągnięcia, czy zbyt szybkie zbliżanie się do ziemi, o czym informuje system GPWS (Ground Proximity Warning System). Te przekroczenia, w przeciwieństwie do pierwszej kategorii, nie mają bezpośredniego wpływu na pogorszenie własności samolotu, jednakże mogą one prowadzić do powstania bardzo niebezpiecznych stanów lotu, a w efekcie do katastrofy. Stąd, takie przypadki po wykryciu kieruje się do jednostek organizacyjnych zajmujących się bezpieczeństwem lotniczym oraz szkoleniem załóg i metodyką latania.
Trzecia kategoria to przekroczenia mające wpływ na pogorszenie komfortu pasażerów. Wystąpią one przed osiągnięciem przez samolot krytycznych wartości takich parametrów jak przeciążenia i zmiany położenia we wszystkich trzech osiach (z reguły pasażerowie znoszą je gorzej niż samolot). I tak na przykład, samolot jest w stanie wytrzymać przeciążenie pionowe przy lądowaniu Nz=2.5 g, podczas gdy dla pasażerów lądowanie z Nz=1.7g jest dużym dyskomfortem. Podobnie w przypadku przechyleń, samoloty mogą być dopuszczone do przechyleń 70 st. lub bez ograniczeń, gdy średnio wrażliwy pasażer źle znosi przechylenie większe od 35 st.
Jednakże współczesne samoloty rejestrują bardzo dużą liczbę różnorodnych parametrów, także tych, które mogą być wykorzystane do oceny pracy poszczególnych elementów samolotu. W tym celu wykonuje się analizę techniczną, której głównym celem jest wykrycie niebezpiecznych stanów dla żywotności silnika i innych elementów wyposażenia. W podobny sposób jak dla analizy eksploatacyjnej opracowuje się szereg algorytmów, które będą wykrywać nadmierne wibracje, zużycie paliwa, przegrzania lub nierówną pracę silników. Ich zobrazowanie na wykresie za pomocą flag przekroczeń pozwoli na dokładniejszą identyfikację niekorzystnego zjawiska i podjęcie odpowiednich działań przez służby techniczne. Praktyczną ilustracją takich działań może być np. wyważanie wentylatora za pomocą odpowiednich ciężarków korygujących. Masy tych ciężarków oraz miejsce ich rozmieszczenia na perforowanej tarczy wylicza specjalistyczny program zasilany danymi z rejestratora uzyskanymi podczas próby silnika.
Powyższe czynności wpływają na poprawę pracy wielu urządzeń zabudowanych na pokładzie samolotu, a w przypadku silnika mogą zdecydowanie podnieść jego żywotność. Analizy specjalistyczne wewnątrz programu FDS takie jak ADEPT i APM służą do właściwej oceny monitoringu silnika i osiągów. Ich idea polega na stałym kontrolowaniu wielkości fizycznych mierzonych w identycznych fazach lotu i nanoszenie ich na historyczny wykres, który jest ilustracją trendu parametrów silnikowych lub osiągowych.

4. Parametry lotu w metodyce, szkoleniu i analizie bezpieczeństwa lotniczego

4.1 Cockpit Viewer
W zespole OKL powstał program komputerowy, którego głównym zadaniem jest wizualizacja operacji lotniczych z punktu widzenia załogi. Przebieg wybranej fazy lotu jest zobrazowany przez wskazania podstawowych przyrządów pilotażowo-nawigacyjnych, rozmieszczonych jak w rzeczywistej kabinie. Program posiada zindywidualizowane ustawienia dla każdego z typów eksploatowanych w PLL "LOT" S.A. Załoga może prześledzić swój lot w całości, bądź w wybranych fragmentach, równolegle porównując go z wizualizacją parametrów na osi czasu P(t).

Zrzut ekranowy Cockpit Viewera

Zrzut ekranowy w/w aplikacji

4.1 Cockpit Viewer
W celu lepszego zobrazowania ilości, rodzaju i trendu popełnianych przekroczeń eksploatacyjnych w LOCIE stworzono program PAFID, umożliwiający tworzenie raportów statystycznych. Pozwala to na formułowanie wniosków na temat skuteczności działania tych elementów szkolenia i systemów bezpieczeństwa lotniczego, które odpowiadają za właściwe wyszkolenie załóg, ale także umożliwia rozpoznanie szkodliwych trendów zależnych np. od pory roku, bądź cykli treningowych i symulatorowych.

zestawienie przekroczeń w Pafidzie

Graficzne zestawienie przekroczeń w programie PAFID

5. Analizy specjalne

Coraz częściej pojawiają się sytuacje, gdy zachodzi konieczność użycia danych z pokładowych rejestratorów parametrów lotu do różnych doraźnych celów. Poniżej zostaną omówione 3 takie przypadki:

5.1 Uzyskanie zezwolenia operacyjnego na wykonywanie operacji w II CAT. ICAO
Statystycznie w ciągu roku ok. 7% lądowań odbywa się przy podstawie chmur pomiędzy 30 i 60 m, a więc w warunkach II kategorii ICAO. Takie operacje wymagają uzyskania dodatkowego certyfikatu. W oparciu o przepisy JAR-AWO (All Weather Operations) w OKL został stworzony program, umożliwiający opracowanie statystyczne wyników podejść w serii próbnej. Program analizował zarejestrowane odchyłki od kursu i ścieżki schodzenia, a także wahania prędkości podejścia, które nie mogą być większe niż +/- 5 kts. Pierwszym typem, jaki został wyznaczony do przeprowadzenia programu był Boeing B737. Celem było wykazanie, że prawdopodobieństwo utrzymania wymaganych reżimów w serii kilkudziesięciu podejść będzie większe od 95% przy wymaganym poziomie ufności 90% (metoda analizy ciągłej wartości maksymalnej). Zadanie zostało wykonane, czego rezultatem było uzyskanie zezwolenia operacyjnego na wykonywanie podejść II CAT. ICAO dla samolotów B737, a następnie B767.

5.2 Wspomaganie programu CARI (obliczenia dawki promieniowania jonizującego)
W ostatnich latach prowadzi się wiele prac mających na celu określenie zagrożenia, jakie niesie ze sobą długotrwałe przebywanie na wysokich poziomach lotu. Prace te zmierzają do ustalenia dopuszczalnej i rzeczywistej dawki promieniowania jonizującego, które wywiera szkodliwy wpływ na zdrowie załóg. W przypadku PLL "LOT" S.A. problem ten dotyczy głównie załóg samolotów B767. Spośród kilku alternatywnych programów z pewnością najbardziej zaawansowany jest program CARI, aprobowany przez FAA. W Polsce użytkowany jest przez Instytut Fizyki Jądrowej w Krakowie przy współpracy z PLL"LOT". Wielkość promieniowania jonizującego można określić dwojako: pierwszy sposób to pomiary urządzeniem rejestrującym zabieranym na pokład, drugi to obliczenie tej wielkości na podstawie globalnych informacji o napromieniowaniu oraz znajomości rzeczywistego przebiegu lotu. We wstępnej fazie dokonywano pomiarów promieniowania w wybranych rejsach, poczym określono dokładnie ich profil pionowy i poziomy. Zebrane dotychczas dane pozwolą na porównanie wyników otrzymanych z obu źródeł.

5.3 Optymalizacja tras przelotów
Wynik finansowy linii lotniczej w obliczu wysokich kosztów działalności operacyjnej i silnej konkurencji zależy w dużej mierze od optymalnego opracowania rozkładu rejsów. Jednakże nawet najlepszy rozkład nie przyniesie spodziewanych rezultatów, jeżeli nie będzie właściwie realizowany. Na wykonanie rozkładu nakładają się w praktyce liczne zakłócenia. Są to opóźnienia wywołane różnymi przyczynami jak np. warunki pogodowe, utrudnienia ruchowe, usterki techniczne itp. Negatywny wpływ mają również odejścia od zaplanowanych tras, poziomów lotu i planowanej liczby Macha. Dlatego w PLL "LOT" S.A. wykonuje się okresowe porównania planów lotu z ich rzeczywistym przebiegiem uzyskanym na podstawie parametrów z rejestratora. W tym celu powstała w OKL aplikacja, działająca pod MS Access, umożliwiająca import komputerowych planów lotu oraz wyników analiz z FDS, a następnie porównanie danych uzyskanych z obu źródeł. Wyniki porównań są przedmiotem późniejszych analiz w wielu służbach i dają pojęcie o realizacji planów lotu. Duże i częste odchyłki w niektórych rejsach są powodem do ponownego przeanalizowania zasadności przyjętych założeń, a nawet do zmiany częstotliwości czy wręcz eliminacji danej trasy.

6. Programy pomocnicze

6.1 Współpraca z systemem MERLIN
Koniecznym procesem w funkcjonowaniu floty jest dokładne naliczanie nalotów, ilości cykli oraz czasów pracy elementów składowych samolotu takich jak płatowiec, silnik czy rotujące agregaty. Obecnie odchodzi się od ręcznego obliczania powyższych parametrów w kierunku automatycznego zasilania systemu MERLIN, którego jednym ze składowych jest baza danych o stanie eksploatowanych samolotów. Zadaniem OKL jest tu zasilanie systemu wynikami algorytmów zliczających takie parametry jak naloty, ilości cykli, czas pracy agregatów (np. APU), a także czas pracy silników w warunkach normalnych i szczególnych np. na mocy startowej, na rewersie, w modzie H itp. Przygotowany plik z danymi jest przesyłany poprzez lotowską sieć "Sigma", a następnie jego poprawność jest weryfikowana w module importującym Merlina. Obecnie procedura jest w fazie prób i jej zastosowanie w praktyce wymaga zatwierdzenia przez nadzór państwowy. Niemniej jednak po wstępnym okresie użytkowania widać zalety nowego systemu, jak choćby redukcję o kilka procent naliczanych wielkości, co wpływa na wydłużenie resursów i zmniejszenie ilości przeglądów.

6.2 Program RCPPL (Rejestracja Czasu Pracy Personelu Lotniczego) "Eurolot" S.A.
Podobny proces, jak opisany wyżej, niezbędny jest w odniesieniu do załóg. Ich praca musi być dokładnie rejestrowana, co określają przepisy międzynarodowe, państwowe i resortowe. Podczas organizacji linii lotniczej "Eurolot" S.A. zadecydowano, że proces ten zostanie zautomatyzowany. W OKL powstał program w środowisku MS Access, który przyporządkowuje czasy wykonanych lotów (obliczone w FDS) do załóg, które je zrealizowały. W porównaniu z ręcznymi sprawozdaniami dane są precyzyjniejsze, a ilość osób zatrudnionych przy naliczaniu czasu pracy załóg jest zdecydowanie niższa.

7. Podsumowanie

Powyższe przykłady pokazują jak szerokie i różnorodne może być wykorzystanie danych z pokładowych rejestratorów parametrów lotu w funkcjonowaniu linii lotniczej. Dzisiaj wszystkie służby rozumieją konieczność monitorowania parametrów lotu, co przynosi wielorakie korzyści. Systemy obiektywnej kontroli lotów są z założenia nierestrykcyjne. Ich zadaniem jest podnoszenie poziomu pilotażu i obsługi technicznej. Analiza parametrów lotu umożliwiła eksploatację wielu elementów samolotu wg stanu. Naloty na silniki eksploatowane w ten sposób przekraczają często 20 tys. godzin. Cały proces doceniają również firmy ubezpieczeniowe. Przewoźnicy, którzy wykorzystują opisane wyżej metody w utrzymywaniu wysokiego poziomu bezpieczeństwa lotniczego płacą niższe ubezpieczenia, co redukuje koszty ich funkcjonowania, a jest to dzisiaj kluczowy problem dla wielu linii lotniczych.

Bibliografia

Advanced Technology Manufacturing: Instrukcja systemu FDS, Warszawa, 1993
Joint Aviation Requirements: JAR-AWO (All Weather Operations)
3. Predmore B. K.: 737/757/767 DFDAU Interface Control and Requirements Document, Boeing Commercial Airplane Group, Renton Division 1996

Referaty

Ryszard Witkowski, OKAEL Sp. z o. o. - referaty z konferencji

System gromadzenia, analiz i przetwarzania danych z pokładowych rejestratorów parametrów lotu na przykładzie PLL "LOT" S.A.