Ottimizzazione dell'avionica

Con il termine ottimizzazione si intende l'insieme dei processi volti a produrre una definizione tecnica preliminare del sistema avionico, tenendo conto dei requisiti di sicurezza e di missione richiesti, e dei limiti del sistema superiore. Inoltre, le specifiche definite devono rientrare nei limiti delle risorse (tecniche ed economiche) del sistema superiore (velivolo + operatori).

Queste specifiche devono quindi garantire:

• la massima sicurezza del volo;
• un'alta probabilità di successo delle missioni;
• un adeguato potenziale di crescita per successive modifiche e integrazioni (ad esempio relativamente ai sistemi informatici: utilizzo CPU, Memoria, Databus, ecc.).

A titolo di esempio dei limiti del sistema superiore possono essere: peso, smaltimento del calore, consumo elettrico, tolleranza alle vibrazioni, effetti sul volo.

L'ottimizzazione dell'avionica

Il processo di ottimizzazione ha inizio con l'analisi della missione e del requisito operativo previsti per la determinata macchina. La macchina può essere un velivolo nuovo o già esistente, e in quest'ultimo caso può a sua volta essere un adeguamento dei MEPs o una modifica migliorativa di un allestimento già esistente. Successivamente vengono definite e valutate le possibili soluzioni e infine viene scelta la più favorevole.

A volte, non è sempre possibile seguire un processo così ben strutturato e scegliere effettivamente la soluzione migliore. Questo può essere dovuto a varie cause: requisito non ben formulato o incompleto, esigenze del cliente, disponibilità di COTS già pronti, giudizio tecnico immediato senza completa valutazione. In questo ultimo caso, non necessariamente problematico, delle persone esperte possono velocizzare e semplificare il processo usando la propria esperienza per prendere decisioni. Viene però a mancare il riferimento per il collegamento requisito-progetto e in alcuni casi può portare a difficoltà di gestione dello sviluppo.

Fase fondamentale dell'ottimizzazione è anche analizzare e verificare i requisiti proposti dal cliente, in modo da strutturarli correttamente. Questo deve essere effettuato in ogni caso a prescindere da quanto si ritengano buoni i requisiti forniti.

Il processo controllato

Il processo controllato è la strategia oggi usata principalmente nello sviluppo dell'avionica. Nessun ente certifica il software in sé ma certifica le metodologie con cui è stato prodotto e testato, quindi l'intero ciclo di vita.

Il processo controllato (per esempio, con l'ausilio del software DOORS) deve assicurare che:

• tutti i requisiti importanti siano stati espressi e vengano effettivamente inseriti nel progetto;
• nessun requisito superfluo che porti a spese ingiustificate sia presente.

Infatti un buon requisito deve contenere tutte le informazioni essenziali, essere ben strutturato, preciso, ma non deve contenere informazioni non rilevanti o non necessarie. Avere buoni requisiti è condizione necessaria affinché il mezzo svolga le missioni in modo efficace ed efficiente, affinché possa raggiungere la soddisfazione del cliente ed essere di conseguenza un successo commerciale.

Buoni requisiti permettono inoltre di evitare grandi modifiche durante lo sviluppo.

Fasi dell'ottimizzazione

Il processo di ottimizzazione che ha come input le richieste del cliente e come output la presentazione della proposta, può essere suddiviso in:

• analisi della missione e del requisito operativo
• definizione del progetto preliminare adottando opportune scelte in modo da rispondere a tutti i requisiti
• verifica continua dei vincoli imposti dal sistema superiore
• analisi e previsione dei costi anche in termini di ore/uomo
• verifica delle tempistiche
• definizione dei metodi di gestione del rischio
• preparazione della documentazione preliminare
• preparazione delle specifiche tecniche di progetto

Generare i requisiti

Ogni velivolo ha un preciso scopo e funzione nel suo sistema visto più in grande, deve quindi essere ben integrato con il sistema organizzativo di cui è componente. Per questo motivo, i requisiti non possono semplicemente essere legati al velivolo in sé, ma a questi vanno aggiunti tutti i limiti e le caratteristiche richieste dal contesto operativo in cui dovrà operare (budget, efficienza, addestramento, ecc.).

Efficacia di missione

L'efficacia di missione è un parametro prodotto dal progettista attraverso l'analisi dei requisiti di missione e i limiti imposti dal sistema superiore. Indica in via qualitativa e sintetica, quanto un velivolo è adatto o meno a una determinata missione. Questo parametro non è solo determinato dalle caratteristiche del velivolo, anche se ne è influenzato.

I requisiti

I requisiti di missione forniscono al progettista le informazioni fondamentali per le analisi successive. Esse possono derivare da varie esigenze tra cui: avanzamento tecnologico, difetti relativi a una precedenza esperienza, nuova necessità operativa o studi strategici a lunghi termini.

Uno dei passaggi fondamentali dell'ottimizzazione è la valutazione da parte del progettista della priorità tra i diversi requisiti, allo scopo di produrre un sistema con la più alta probabilità di soddisfare i requisiti del cliente, rimanendo però nei limiti di peso e costi imposti dal sistema superiore (tradeoff).

Si noti che i requisiti di sicurezza vengono imposti dagli enti governativi e a differenza di quelli di missione devono essere assicurati in ogni caso. Ogni componente ha una criticità che corrisponde a uno specifico obiettivo di affidabilità da raggiungere (come meglio spiegato nel prossimo paragrafo). Risulta utile suddividere in quattro livelli l'effetto di un'avaria sul volo:

Livello	Avaria/ora massimo
Minor	$100<x<10^{-5}$
Major	$10^{-5}<x<10^{-7}$
Hazardous	$10^{-7}<x<10^{-9}$
Catastrophic	$x<10^{-9}$

La misura dell'efficacia di missione

L'efficacia di missione è misurata come la probabilità di portare a termine la missione con successo. È quindi funzione di una specifica missione. Possiamo indicarla in formule:

${\text{Effectiveness}}=f\left({\text{Readiness}},{\text{Survivability}},{\text{Performance}}\right)$

Dove:

• readiness: rappresenta la prontezza del velivolo nell'essere disponibile per una missione;
• survivability: rappresenta la robustezza del velivolo a eventi non previsti;
• performance: tutto l'insieme di prestazioni del velivolo per una determinata missione.

Oltre a questi parametri è ovviamente necessario considerare anche il fattore costo, che può concettualmente essere espresso come denominatore comune:

${\text{Effectiveness}}=f\left({\frac {\text{Readiness}}{\text{Cost}}},{\frac {\text{Survivability}}{\text{Cost}}},{\frac {\text{Performance}}{\text{Cost}}}\right)$

N.B. Queste formule sono solo concettuali, in quanto i termini coinvolti non sono assimilabili a precisi modelli matematici.

Mission Effectiveness as specified by AMCP 706-201

Mission Readiness

Analizziamo in questo paragrafo in dettaglio il concetto di mission readiness o italianizzato prontezza alla missione. Questo parametro identifica la probabilità di un sistema di essere pronto per eseguire una missione. Le informazioni qui riportate rispecchiano il documento AMCP 706-201 (capitolo 2), di cui si invita caldamente la lettura.

Suddividiamo a sua volta la mission readiness come funzione di ${\text{Mission Readiness}}=f\left({\text{Mission Capability}},{\text{Availability}}\right)$:

• Mission Capability (Capacità di missione): è vista come una variabile booleana che indica la capacità o meno dell'aeromobile di svolgere la missione richiesta; essa è derivata dall'elenco di MEP installati e dalle caratteristiche prestazionali del velivolo;
• Availability (Disponibilità): indica la probabilità che l'aeromobile sia disponibile per effettuare la missione. :Complementariamente possiamo considerarla come la probabilità che l'aeromobile NON si trovi in manutenzione (ordinaria e straordinaria). In formule:

$A={\frac {MTBMA}{MTBMA+MTTR}}$

Dove $MTMBA$ rappresenta il tempo che intercorre tra due eventi di manutenzione (Mean Time Between Maintenance Action). Questa disponibilità è chiamata disponibilità intrinseca.

Per convenienza la disponibilità è a sua volta suddivisa in:

• • Disponibilità intrinseca: quella vista qui sopra;
  • Disponibilità attesa: $A={\frac {MTBMA}{MTBMA+MTTR+MTSM}}$ (dove MTSM: Mean Time for Scheduled Maintenance);
  • Disponibilità operativa: $A={\frac {MTBMA}{MTBMA+MTTR+MTSM+MTLA}}$ (dove MTLA: Mean Time for Logistic Action).

Si noti quindi che la disponibilità operativa coinvolge non solo il sistema aeromobile, ma anche tutto il sistema logistico e di manutenzione. Ad esempio, un'azienda può proporre un velivolo con meno disponibilità intrinseca, ma recuperare con un buon sistema logistico e di manutenzione, che garantisca tempi certi e brevi per la fornitura del ricambi e la sostituzione dei componenti guasti. In alcuni casi, soprattutto civili, le aziende costruttrici offrono contratti pay-by-the-hour, in cui la manutenzione viene pagata sulle ore di volo e non viene pagata nelle ore di indisponibilità del velivolo.

Spesso in fase di progettazione un ufficio chiamato RAM (Reliability and Maintanability) si occupa di gestire i requisiti e suddividere le risorse, prestando attenzione a non eccedere i requisiti previsti (non ha senso che produco un pezzo con MTBF di 10.000 ore quando posso metterlo a 350 ore rispettando comunque i requisiti). A ogni sottosistema viene assegnato un MTBF da raggiungere, in modo che cumulativamente il velivolo raggiunga l'affidabilità richiesta dai requisiti (di sicurezza e no).

La curva a vasca da bagno

L'availability è a sua volta funzione della Reliability e Maintanability. La reliability (traducibile con affidabilità) è la probabilità che un elemento funzioni soddisfacentemente per un periodo di tempo specificato se operato con prescritte condizioni. L'affidabilità di un componente segue la cosiddetta bathtube curve: inizialmente la probabilità di guasti è alta a causa della mortalità infantile dei componenti, poi scende e si stabilizza, fino a aumentare di nuovo in modo esponenziale a causa dell'invecchiamento dei componenti (spesso detto aging).

Il raggiungimento della affidabilità prefissata non dipende solo dal processo di design e di produzione del componente, ma anche dalla parte di manutenzione. Infatti, per tenere sotto controllo i componenti durante la loro vita si applicano appositi metodi detti FRACAS (Failure Reporting, Analysis and Corrective Action System).

Definiamo inoltre Continuous Reliability un metodo di gestione del progetto in modo tale che il continuo controllo dell'affidabilità consenta di riconoscere subito i difetti, le cause che li comportano, il rispetto del requisito e la costruzione di un database di dati da cui estrarre informazioni per i prossimi sviluppi.

La maintainability (manutenibilità) è la misura dell'efficacia delle attività di manutenzione, ovvero quelle attività che si occupano di mantenere o riparare lo stato di funzionamento di un sistema. La manutenibilità è estremamente condizionata dal progetto del sistema, deve essere considerata fin dalle fasi iniziali e valutati gli importanti tradeoff con disponibilità, economicità e efficienza del sistema superiore. L'indicatore principale della manutenibilità è l'MTTR, ma spesso vengono considerati altri parametri come:

• ore manutenzione per ora volo;
• ore uomo manutenzione per ora volo;
• MTTR on system.

Il tempo di manutenzione non è dato unicamente dal tempo di riparazione del pezzo danneggiato (che la maggior parte delle volte viene sostituito), ma comprende il tempo di isolamento della LRU danneggiata, il tempo di sostituzione della LRU e il tempo necessario a eseguire le prove per assicurare la piena funzionalità del sistema.

Survivability

Abbiamo già parlato di survivability militare nella lezione precedente, vediamo ora di generalizzare la definizione estendendola a qualsiasi ambiente operativo:

La survivability (robustezza) è la capacità di un sistema di portare a termine la missione prevista in un ambiente ostile senza limitazioni.

Questa definizione generica può essere anche applicata a un contesto civile, ad esempio alcune vulnerabilità comuni possono essere:

• ghiaccio, neve, vento e in genere pessime condizioni meteo;
• sabbia e agenti ostili al funzionamento;
• in caso di crash, resistenza di strutture e serbatoi.

Queste vulnerabilità possono essere risolte aggiungendo al velivolo capacità intrinseche o aggiuntive, come sistemi antighiaccio, filtri anti sabbia, strutture più resistenti, ecc.

Performance

Le performance (o prestazione) sono parametri di valutazione dell'efficacia della missione del velivolo e delle sue effettive capacità funzionali. Per meglio specificare:

La performance è un fattore di merito in forma probabilistica, che rappresenta il valore relativo delle funzioni fornite del sistema durante la missione rispetto alle necessità funzionali effettivamente richieste per il suo successo.

I requisiti di performance devono quindi essere legati a un preciso tipo di missione e possono suddividersi in:

• prestazioni di volo
• prestazioni di missione
• prestazioni degli equipaggiamenti

Questi requisiti, soprattutto militari, si dividono in mandatory e nice-to-have, che concorrono alla vittoria o meno del bando di gara. I requisiti di performance militari sono solitamente classificati.

Collegamenti esterni

• Software DOORS