close

Вход

Забыли?

вход по аккаунту

?

Оценка показателей технологической эффективности и надежности систем железнодорожной автоматики и телемеханики

код для вставкиСкачать
На правах рукописи
ГОЛУБЕВ Андрей Сергеевич
ОЦЕНКА ПОКАЗАТЕЛЕЙ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОЙ
ЭФФЕКТИВНОСТИ И НАДЕЖНОСТИ СИСТЕМ
ЖЕЛЕЗНОДОРОЖНОЙ АВТОМАТИКИ
И ТЕЛЕМЕХАНИКИ
Специальность 05.13.01 – Системный анализ, управление
и обработка информации (в технике и технологиях)
Автореферат
диссертации на соискание ученой степени
кандидата технических наук
ПЕНЗА – 2016
1
Работа выполнена в Межрегиональном общественном учреждении
«Институт инженерной физики» (МОУ «ИИФ»), г. Серпухов Московской области.
Научный руководитель –
доктор технических наук, профессор,
Безродный Борис Федорович
Официальные оппоненты:
Данилюк Сергей Григорьевич
доктор технических наук, профессор;
ФГКВОУ ВПО «Военная академия Ракетных
войск стратегического назначения имени Петра
Великого» (филиал в г. Серпухове Московской
области), кафедра № 32, профессор кафедры
Гришко Алексей Константинович
кандидат технических наук, доцент;
ФГБОУ ВО «Пензенский государственный университет», кафедра конструирования и производства радиоаппаратуры, доцент кафедры
Ведущая организация:
ФГБОУ ВО «Петербургский государственный
университет путей сообщения Императора
Александра I», г. Санкт-Петербург.
Защита диссертации состоится 27 декабря 2016 г. в __________часов на
заседании диссертационного совета Д 212.186.04 на базе ФГБОУ ВО «Пензенский государственный университет» по адресу: 440026, г. Пенза, ул. Красная, 40
С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГБОУ ВО
«Пензенский
государственный
университет»
и
на
сайте
http://dissov.pnzgu.ru/ecspertiza/Tehnicheskie_nauki/golubev
Автореферат разослан «__»_______2016 г.
Ученый секретарь
диссертационного совета
Косников Юрий Николаевич
2
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
Актуальность темы исследования. Системы регулирования движения
поездов являются сложными, пространственно-распределенными, иерархическими системами, от функционирования которых зависит качество и эффективность реализуемого перевозочного процесса на железных дорогах. Системам регулирования движения поездов, называемым также системами железнодорожной автоматики и телемеханики, отводится важная роль в обеспечении таких характеристик качества перевозочного процесса, как уровень пропускной способности участков железных дорог, бесперебойность перевозок,
безопасность и ряд других.
Решением задач, связанных с разработкой и применением систем железнодорожной автоматики и телемеханики, оценкой эффективности, качества, надежности систем железнодорожной автоматики и телемеханики, их
влияния на перевозочный процесс занимались и внесли серьезный вклад известные ученые: В. М. Абрамов, Л. А. Баранов, Б. Ф. Безродный, П. Ф. Бестемьянов, А. М. Брылеев, А. В. Горелик, Д. В. Гавзов, И. Е. Дмитренко,
И. Д. Долгий, Н. Ф. Котляренко, Ю. А. Кравцов, В. М. Лисенков, Б. Д. Никифоров, А. С. Переборов, Е. Н. Розенберг, В. В. Сапожников, Вл. В. Сапожников, Д. В. Шалягин, В. И. Шаманов, В. И. Шелухин.
В настоящее время подход к анализу и оценке эффективности различных объектов транспортной инфраструктуры ОАО «РЖД», включая и системы железнодорожной автоматики и телемеханики, радикально меняется.
Предполагается решение указанных задач осуществлять на основе системы
управления ресурсами, рисками и анализа надежности. Данная система после
окончания разработки должна представлять собой комплекс методик, позволяющих осуществлять оценку и анализ эффективности с позиций безотказности, ремонтопригодности и готовности объектов транспортной инфраструктуры с учетом эксплуатационных особенностей и требований, предъявляемых
к различным хозяйствам железнодорожного транспорта.
Серьезной проблемой является то, что существующие модели и методы
оценки технологической эффективности и надежности различных транспортных систем не решают целый ряд актуальных задач. В частности, остаются
открытыми вопросы оценки остаточного ресурса систем железнодорожной
автоматики и телемеханики на этапе эксплуатации, оценки рисков экономических потерь, связанных с их отказами. Кроме того, на сегодня отсутствуют
единые требования к разработке систем железнодорожной автоматики и телемеханики, поэтому разные группы специалистов реализуют их с применением различных подходов, технологий реализации аппаратных и программных средств. Как правило, эти же специалисты самостоятельно разрабатывают методы исследования и оценки эффективности и надежности своих систем. В процессе разработки методов оценки они по своему усмотрению и поразному учитывают различные факторы, выбирают модели и вводят допуще-
3
ния, при этом оценка обычно охватывает только отдельные стадии жизненного цикла систем и плохо учитывает условия их применения. В итоге методы
оценки различных систем железнодорожной автоматики и телемеханики различны и не согласуются между собой. Последнее существенно затрудняет, а
иногда делает невозможным объективное сравнение конечных продуктов.
Таким образом, разработка методов исследования сложных систем железнодорожной автоматики и телемеханики, а также разработка единых методов оценки технологической эффективности и надежности этих систем на
различных стадиях их жизненного цикла с учетом предполагаемых условий
эксплуатации является актуальной и важной задачей, решение которой является необходимым условием успешного внедрения методологии управления
ресурсами, рисками и анализа надежности.
Целью исследования являлось определение методов и разработка
унифицированных методик оценки показателей технологической эффективности и надежности систем железнодорожной автоматики и телемеханики на
различных этапах их жизненного цикла.
Для реализации поставленной цели было необходимо решить следующие задачи:
1. Исследовать структуру и принципы функционирования иерархических систем железнодорожной автоматики и телемеханики с целью выявления отличительных особенностей, обобщающих признаков и построения соответствующей системной модели.
2. Выработать единый подход к оценке технологической эффективности и надежности сложных систем железнодорожной автоматики и телемеханики, выявить необходимый перечень показателей эффективности.
3. Выбрать методы, разработать и обосновать модели и методики оценки показателей технологической эффективности систем железнодорожной автоматики и телемеханики на различных этапах их жизненного цикла.
Объектом исследования являлась система данных о состоянии железнодорожной автоматики и телемеханики, а также их элементов в различные
моменты времени, и влиянии состояния этих систем на процесс перевозок.
Предметом исследования являлись методы и методики оценки и прогнозирования эффективности и надежности систем железнодорожной автоматики и телемеханики в реальных условиях эксплуатации, позволяющие оценивать текущее состояние, прогнозировать остаточный ресурс, экономический ущерб и упущенную выгоду от отказов.
Методы исследований. Работа выполнена с применением структурного и функционального анализа существующих систем железнодорожной автоматики и телемеханики, основана на применении методов системного анализа, теории вероятностей, математической статистики и теории массового
обслуживания.
Соответствие паспорту специальности. Результаты исследований соответствуют пунктам 4 и 11 паспорта научной специальности 05.13.01.
4
Научная новизна полученных результатов состоит в следующем:
1. Разработана компонентно-функциональная модель иерархических
систем регулирования движения поездов, отличающаяся тем, что содержит
информацию о главных и обеспечивающих целях, о специфике оценки качества функционирования систем, что позволяет на единой методологической
основе производить оценку показателей их технологической эффективности.
2. Разработана система поправочных коэффициентов для иерархических систем регулирования движения поездов, отличающаяся тем, что она создается на основе вычисления проектных значений поправочных коэффициентов эталонного объекта, что позволяет учитывать предполагаемые условия
эксплуатации при оценке их технологической эффективности на этапе проектирования.
3. Предложена и обоснована методика статистической оценки технического состояния систем и устройств железнодорожной автоматики и телемеханики, отличающаяся тем, что в ней применены статистическая оценка фактических значений показателей надежности и анализ тенденции изменения
этих показателей по отношению к допустимым значениям, что позволяет рассчитывать прогнозные значения остаточного ресурса этих систем.
4. Предложена методика оценки экономического ущерба и упущенной
выгоды от отказов устройств железнодорожной автоматики и телемеханики,
отличающаяся учетом потерянных премий по договорам перевозки и снижения дохода из-за оттока клиентов, связанного с нарушениями графика оборота подвижного состава, что позволяет оценить целесообразность применения
оборудования от конкретных поставщиков, а также планировать поток страховочных денежных средств, закладываемых на расчетный период.
Практическая значимость. Предложенные в диссертации модели и
методики анализа и оценки технологической эффективности и надежности
систем железнодорожной автоматики и телемеханики позволяют с помощью
единого методологического подхода объективно сравнивать и оценивать качество их функционирования на различных этапах жизненного цикла с учетом эксплуатационных условий. Это позволяет принимать обоснованные
управленческие решения по эффективному использованию материальнотехнических ресурсов при обновлении и модернизации инфраструктуры железнодорожного транспорта. Математические модели могут быть использованы при реализации программного обеспечения информационных систем
железнодорожного транспорта.
На защиту выносятся:
1. Компонентно-функциональная модель иерархических систем регулирования движения поездов, позволяющая на единой методологической основе производить оценку показателей их технологической эффективности.
2. Система поправочных коэффициентов для иерархических систем регулирования движения поездов, позволяющая учитывать предполагаемые
5
условия эксплуатации при оценке их технологической эффективности на этапе проектирования.
3. Методика статистической оценки технического состояния систем и
устройств железнодорожной автоматики и телемеханики, позволяющая рассчитывать прогнозные значения остаточного ресурса этих систем.
4. Методика оценки экономического ущерба и упущенной выгоды от
отказов устройств железнодорожной автоматики и телемеханики, позволяющая оценить целесообразность применения оборудования от конкретных поставщиков, а также планировать поток страховочных денежных средств,
закладываемых на расчетный период.
Реализация результатов работы. Результаты диссертационной работы
нашли практическое применение в Проектно-конструкторском технологическом бюро (ПКТБ ЦШ) – филиале ОАО «РЖД», г. Москва (акт, исх.
№ 719/ПКТБ ЦШ от 03.06.2015), при разработке нормативного обеспечения
контракта жизненного цикла для систем железнодорожной автоматики и телемеханики. Предложенная в диссертации система поправочных коэффициентов для иерархических систем регулирования движения поездов использована при расчете проектных значений количественных показателей процессов
обслуживания и ремонта технических средств железнодорожной автоматики
Малого Московского кольца Московской железной дороги.
Методики и модели, предложенные в диссертации, использованы при
разработке нормативно-методической базы рекламационных взаимоотношений с предприятиями и организациями, поставляющими и обслуживающими
напольное и постовое оборудование систем железнодорожной автоматики и
телемеханики.
Методика статистической оценки технического состояния систем и
устройств железнодорожной автоматики и телемеханики апробирована на
Московской и Северной железных дорогах (акт, исх. № Ш-9/64-1 от
24.03.2015). Получены результаты, обосновывающие экономическую оценку
стоимости жизненного цикла напольного оборудования систем железнодорожной автоматики на ряде станций, что позволило избежать дополнительных затрат, связанных с несвоевременной заменой оборудования.
Достоверность научных положений, выводов и практических результатов, сформулированных в диссертации, обеспечена корректностью исходных математических положений, обоснованностью принятых допущений,
а также результатами экспериментальной проверки и практического использования разработанных моделей и методов.
Апробация работы. Результаты работы докладывались и обсуждались
на Международном научно-техническом симпозиуме «Надежность и качество» (г. Пенза, 2014, 2015); научно-технических семинарах кафедры «Железнодорожная автоматика, телемеханика и связь» Московского института инженеров транспорта и ПКТБ ЦШ – ОАО «РЖД» (г. Москва).
6
Публикации. По теме диссертации имеется 11 публикаций, три из которых – в рецензируемых изданиях, входящих в перечень ВАК РФ. В статьях,
написанных в соавторстве, лично автору принадлежат результаты анализа
предметной области; постановка и формулировка задач исследования; описание разработанных методик, анализ и оценка эффективности моделей, выносимых на защиту.
Структура и объем диссертации. Диссертационная работа состоит из
введения, четырех глав, заключения, списка литературы, приложений. Общий
объем работы составляет 135 страниц текста, включая 17 рисунков, 39 таблиц. Список литературы включает 71 наименование.
СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ
Во введении обоснована актуальность темы, практическая ценность и
научная новизна диссертационной работы, определены цели и задачи исследования.
В первой главе «Обобщенная модель иерархической системы регулирования движения поездов» на основе методов системного анализа с целью упрощения и унификации описания различных иерархических систем
железнодорожной автоматики и телемеханики разработана обобщенная модель иерархической системы регулирования движения поездов, представляющая собой формально кортеж данных о компонентах, о взаимосвязях и о результатах функционирования.
В соответствии с системным подходом каждый элемент данного кортежа
в работе описан отдельной структурой данных, каждая из которых в последующем детализируется. Так, компонентная структура описана кортежем,
включающим компонентно-системную, компонентно-элементные (для подсистем) и компонентно-функциональную структуру иерархической системы
регулирования движения поездов соответственно. При этом компонентносистемная структура описывается структурами сведений об окружающей
среде, называемой внешней компонентно-системной структурой, и сведений
о внутреннем составе, описываемых внутренней компонентно-системной
структурой. Графическая интерпретация обобщенной компонентно-функциональной структуры, описывающей иерархическую структуру систем регулирования движения поездов, представлена на рисунке 1.
Кроме разработки обобщенной модели иерархических систем регулирования движения поездов, в главе выявлены главные и обеспечивающие цели, специфика оценки качества функционирования таких систем. На основе
этого была сформулирована задача обеспечения технологической эффективности системы регулирования движения поездов в виде
 Рнi  Pнi  kГ  kГд   max,


д
 Рбi  Pбi   оп (t )   оп (t )   max ,

д
Э р  Э р ,
7
(1)
д
где kГд ,  оп
,Э рд – соответствующие нормативные значения коэффициента готовности, интенсивности опасных отказов, экономической эффективности;
Кг – коэффициент готовности системы.
Рисунок 1 – Обобщенная компонентно-функциональная структура ИСРДП
В результате анализа установлено, что оценка технологической эффективности иерархических систем движения поездов на различных этапах жиз-
8
ненного цикла осуществляется на основе различных исходных данных
разными математическими методами и имеет несовпадающие цели и следствия.
В рамках указанных в (1) групп показателей обосновано введение дополнительных перечней показателей:
– на этапе проектирования – допустимые и проектные значения коэффициента готовности и интенсивности отказов, а также интенсивности опасных
отказов технических средств с учетом предполагаемых условий эксплуатации
и возможных последствий отказов технических средств;
– на этапе эксплуатации:
а) допустимые и фактические значения интенсивности отказов технических средств, коэффициента готовности, интенсивности опасных отказов,
в том числе на этапе старения с учетом оценки остаточного ресурса;
б) допустимые и проектные значения показателей экономической эффективности применения различных иерархических систем регулирования
движения поездов с учетом возможного ущерба из-за отказов технических
средств.
Таким образом, каждый показатель технологической эффективности
может быть проектным, фактическим либо допустимым.
Также в первой главе проведен анализ надежности систем железнодорожной автоматики и телемеханики в различных аспектах, что позволило еще
раз обосновать необходимость внедрения системы «Управления ресурсами,
рисками и анализа надежности».
Вторая глава «Методы оценки показателей технологической эффективности иерархических систем железнодорожной автоматики и телемеханики с учетом условий эксплуатации» посвящена разработке моделей и методов оценки показателей технологической эффективности и эффективности иерархических систем управления движением поездов с учетом
условий эксплуатации.
Значения показателей технологической эффективности иерархических
систем регулирования движения поездов, особенно в период эксплуатации,
подвержены влиянию различных объективных факторов. Доказано, что на
этапе эксплуатации оценка показателей технологической эффективности таких систем может осуществляться на основе обработки статистических данных об их работе на конкретном участке и в конкретных условиях. Такая
оценка учитывает влияние всей совокупности факторов. На этапе проектирования целесообразно опираться на расчетные значения показателей, однако
в известных методиках, как правило, они получаются для номинальных условий, т.е. без учета специфики применения системы. Выявлено, что неучет
этих факторов на этапе проектирования может приводить к существенно искаженным оценкам проектных показателей технологической эффективности,
существенному их несовпадению с фактическими и, следовательно, неверным оценкам уровня технологической эффективности иерархической системы регулирования движения поездов.
9
В связи с этим в работе для расчета проектных значений показателей
технологической эффективности предложено использовать метод поправочных коэффициентов i, каждый из которых определяется отношением
i 
i
,
 i ,0
(2)
где i – значение показателя у элементов i-го типа при реальных режимах его
работы; i,0 – значение показателя того же элемента при номинальных режимах.
Сами поправочные коэффициенты следует применять при расчете показателей эффективности каждого объекта компонентно-элементной структуры
иерархической системы регулирования движения поездов. Основным объектом компонентно-элементной структуры иерархической системы регулирования движения поездов является эталонный объект, являющийся одновременно базовым понятием системы «Управления ресурсами, рисками и анализа
надежности», а сама иерархическая система регулирования движения поездов
рассматривается как совокупность таких эталонных объектов. Для разных типов иерархических систем регулирования движения поездов эталонные объекты различны. Так, для станционной системы выделяется эталонный комплекс управления стрелкой, для перегона – эталонный блок-участок и пр.
Вместе с тем для каждого эталонного объекта известны значения показателей
технологической эффективности в эталонных (номинальных) условиях эксплуатации, например проектное значение интенсивности отказов  ЭО эталонного объекта в эталонных условиях.
Проектное значение интенсивности отказов эталонного объекта в предполагаемых условиях эксплуатации  ЭО можно рассчитать с использованием
соотношения
 ЭО    ЭО  kт ko kн kк ,
(3)
где kт , ko , kн , kк – поправочные коэффициенты типа элемента, оснащенности
участка, загруженности участка, климата. Значения указанных коэффициентов уже известны и определены на основе обработки статистических данных
о функционировании объектов системы регулирования движения поездов.
Проектное значение коэффициента готовности системы ИСРДП К Г , а
также ее средняя наработка на отказ в фактических условиях эксплуатации
вычисляются по формулам:
KГ 
 ИРДП
 ИРДП   ИРДП
,
о
Т ИРДП

1
 ИРДП
,
(4)
где
 ИРДП  N ЭО   ЭО ,
 ИРДП 
10
1
Т рем
,
(5)
причем N ЭО – количество эталонных объектов в иерархической системе регулирования движения поездов; Tрем – среднее время восстановления ее работоспособного состояния.
Для оценки технологической эффективности иерархической системы
регулирования движения поездов на любом из этапов жизненного цикла требуется сопоставление проектных и фактических значений показателей с допустимыми. Допустимые значения показателей технологической эффективности, как показал анализ, должны определяться устанавливаемыми для каждого участка железных дорог значениями:
– коэффициента готовности систем K Г ;
– величины издержек, обусловленных отказами системы железнодорожной автоматики и телемеханики (ЖАТ) на участке в течение планируемо доп 
го периода С  t  .
Данная система поправочных коэффициентов позволяет при сохранении достаточной точности расчета показателей надежности устройств ЖАТ
на 30–40 % сократить объемы необходимых вычислений.
Также во второй главе разработана методика оценки экономических
рисков по условиям безотказности иерархических систем регулирования
движения поездов как одного из важных показателей, используемых при
оценке экономической эффективности. Методика позволяет рассмотреть совместно сложно зависящие друг от друга процессы использования системы по
назначению и процессы отказов-восстановлений, а в результате получить статистическую оценку следующих показателей:
– вероятности риска по безотказности для системы;
– возможной величины ущерба из-за задержек поездов, связанных с отказами устройств системы, а также устранения этих отказов;
– вероятности риска по безопасности для системы;
– возможной величины ущерба в результате действия поражающих
факторов.
Первичными параметрами при оценке рисков являются расчетные значения среднего времени дополнительного простоя поезда вследствие отказов
устройств иерархической системы регулирования движения поездов T1 и
среднее количество дополнительных остановок N1 в течение времени
устранения отказов:
T1  T1   2   T1  0  , N1  N1   2   N1  0  ,
(6)
где N1  0  , T1  0  – средняя длина очереди поездов и число простаивающих
поездов при отсутствии отказов эталонного объекта,
x1 1  1   1 x12 / 2   2 x22 / 2
T1 
,
1  1 1  2 
11
(7)
N1  1T1 ,
(8)
где используются следующие параметры эталонного объекта:
 

1  1  2 ; 2  2 ,
1  2
2
(9)
здесь 1 , 1 – интенсивности занятых поездами и свободных состояний эталонного объекта соответственно;  2 ,  2 – интенсивности отказов и восстановлений эталонного объекта соответственно; x1 , x12 – среднее время пропуска поезда по эталонному объекту и второй начальный момент длительности
пропуска поездов по эталонному объекту; x22 – второй начальный момент
длительности устранения отказа эталонного объекта.
Суммарный ущерб от отказов эталонного объекта иерархической системы регулирования движения поездов CЭО за расчетный интервал времени
Т р вычисляют по формуле
CЭО  C упс  N1Т р ,
(10)
где C упс – средняя стоимость одного часа простоя поезда, тыс. руб.
Вероятность риска по безотказности для эталонных объектов в работе
предложено вычислять как произведение вероятностей использования эталонного объекта P1 и его отказа P2 :
PЭО  PP
1 2,
(11)
причем указанные вероятности вычисляются по формулам:
 2  1  с2 e2 1 Tр 
1 2
P1 

  2   2  1   2  1   1  1  2 
с0e
 1  2 1 T р
 c2e
где
  2  2 T р
,
(12)
 2   2  1 
2
 2  1   2
, с0  1 

; t Тр;
2  2
  2   2  1   2  1   1  1   2   2  2 
2
   T
P2 
 c2e 2 2 р .
(13)
2  2
Умножив значения, полученные по формулам (10) и (11), на количество
эталонных объектов, входящих в состав рассматриваемой иерархической системы регулирования движения поездов, получили аналогичные значения показателей для всей системы. Однако применение показателей для отдельных
эталонных объектов систем предпочтительно, так как позволяет сравнивать
между собой системы разной величины, содержащие разное количество эталонных объектов. Полученные в разработанной методике показатели испольc2  
12
зованы при анализе риска по безотказности для системы регулирования
движения поездов на различных этапах жизненного цикла с помощью матриц
«частота – последствие». Создание данной математической модели позволило
обосновать продление сроков эксплуатации устройств ЖАТ на 10–12 %.
Третья глава «Оценка и анализ показателей надежности систем
железнодорожной автоматики и телемеханики на этапе старения» посвящена моделированию процесса старения систем регулирования движения поездов, развитию в них отказов, разработке методов оценки и анализа их показателей надежности на этапе старения.
Разработанные в данной главе модели относятся к классу «параметр –
поле допуска», так как они, в отличие от моделей «прочность – нагрузка»,
в которых речь идет об ограничении нагрузок, рассматривают результат действия нагрузок в виде изменения физических параметров объектов во времени.
Основная цель применения разрабатываемых моделей состояла в оценке остаточного ресурса работы различных систем регулирования движения поездов.
Процесс изменения определяющего параметра   t  любой системы регулирования движения поездов целесообразно рассматривать как отдельную реализацию случайной функции времени или наработки. Точка пересечения значения определяющего параметра с его критическим значением, определяющимся
границей рабочей области параметра, для каждой системы также является случайной величиной. Вместе с тем кривые изменения параметра от старения имеют близкую форму, а отличаются только значениями параметров. Поэтому остаточный ресурс систем регулирования движения поездов целесообразно определять с позиций теории вероятностей и математической статистики.
Интенсивность отказов   t  системы регулирования движения поездов
удобно описывать кусочно-линейной U-образной моделью интенсивности отказов:
с0  с1t  , 0  t  c0 / c1 ,

(14)
U  t     ,
c0 / c1  t  t0 ,
с t  t   , t  t .
0
0
 
Интенсивность отказов U  t  линейно убывает до значения  , достигаемого в момент c0 / c1 , остается постоянной до момента t0 , а затем линейно
возрастает. Вероятность безотказной работы для этих трех областей определяется с помощью выражений:
exp  c   t  с t 2 / 2 ,
0  t  c0 / c1 ,
 0  1



P  t   exp   t  c02 / 2c1  ,
c0 / c1  t  t0 ,
(15)

exp   с / 2   t  t0 2   c02 / 2c1   t , t0  t ,

где с0 , с1 – константы.




13


Эта модель интенсивности отказов весьма универсальна и соответствует интенсивностям отказов, определяемым эмпирическим путем на основании
результатов испытаний.
Оценку остаточного ресурса систем регулирования движения поездов
при рассмотрении интенсивности отказов как случайной величины в соответствии с U-образной моделью в работе было предложено осуществлять, исходя
из текущей разницы между фактическим значением параметра, определенным статистически, и критическим значением параметра, а также тенденции
в изменении фактического параметра во времени.
Для фактического значения параметра осуществляется интервальная оценка. С этой целью требуется осуществить сбор статистических данных об отказах и восстановлениях оцениваемой системы за расчетный интервал времени.
На основе величин наработок на отказы отдельных элементов системы
регулирования движения поездов Ti o следует вычислить мгновенные значения интенсивности отказов всей системы:
n2
1
,
1 Ti o
o
m Ti  o
i 1
i 1 Ti
i 
n
(16)
n
где n – количество отказов; m – количество устройств на рассматриваемом
участке.
Далее следует построить вариационный ряд и произвести оценку математического ожидания:
m
a   
  n
q 1
m
q q
n
q 1

q
1 m 
  q nq ,
N q 1
(17)
где  q представляет собой значение параметра, соответствующее середине
q-го интервала,
l
 q   q  0,5h ,
(18)
2
здесь  lq – значение, соответствующее левой границе подынтервала; nq – количество значений, попадающих в q-й подынтервал.
Следует вычислить выборочную дисперсию D λв :
m
D в 

 nq ˆ q  
q 1
m
n
q 1

2

q
14


2
1 m
ˆ   ,
n

q q
N q 1
(19)
и среднее квадратическое отклонение:
(20)
  D  .
Оценку интенсивности отказов осуществляют на основе взаимосвязи
между доверительным интервалом и доверительной вероятностью:
P  a  1  a  a   2  
a  2
 f  d ,
(21)
a 1
где P  a  1  a  a   2  – доверительная вероятность того, что случайная
величина  будет находиться в некотором наперед заданном интервале
a  1  a  a   2 ; a – математическое ожидание величины  ; f    – плотность распределения случайной величины  ; 1 ,  2 – левая и правая границы
интервала соответственно.
Оценку динамики «перемещения» фактического значения интенсивности отказов с течением времени в работе предложено осуществлять на основе
линейной модели
36
s
36
36
i 1
i 1
2
  X iYi 36   X i Yi
i 1


X i2 36    X i 

i 1
 i 1 
36
36
,
(22)
где Yi – среднее значение интенсивности отказов в i-м месяце; X i – порядковый номер месяца в расчетном периоде.
Критическое значение показателя для системы регулирования движения
поездов требуется определять, исходя из нормативного значения коэффициента готовности K Г и среднего времени восстановления Т :
 сжат

д
1   КГ 
.
Т   КГ 
(23)
На основе критического значения показателя для системы ЖАТ определяют критические значения показателей для отдельных эталонных объектов
системы.
Оценку остаточного ресурса осуществляют следующим образом:
– при  ф.min   доп или  ф.min   доп   ф.max  Т ост  0 ;
– при  ф.max   доп и s  0  Т ост  Т ТУ  Т экспл , где Т ТУ – срок службы
устройства сигнализации, централизации и блокировки согласно техническим
условиям либо назначенный срок службы; Т экспл – продолжительность эксплуатации (от начала эксплуатации устройств сигнализации, централизации и
блокировки до текущего момента контроля их состояния);
15
– при  ф.max   доп и s  0  Tост 
 ф
48s
.
Причем  ф.max  a   2 ,  ф.min  a  1 .
На основе разработанной методики проведена статистическая оценка
остаточного ресурса систем регулирования движения поездов на различных
участках Московской железной дороги. Практическое использование данной
методики позволило определить конкретные устройства ЖАТ, имеющие недостаточный остаточный ресурс и обосновать необходимость их вывода из
эксплуатации, что в конечном счете снизило вероятность отказа технических
средств на 6–7 %.
Наиболее распространенная динамика интенсивности отказов станционного напольного оборудования может быть проиллюстрирована результатами исследований на примере станций Манихино и Болшево, представленными на рисунках 2 и 3. Кроме того, результаты дополнительного анализа
по типам устройств для систем регулирования движения поездов с нулевым
остаточным ресурсом, представленные на рисунке 4, свидетельствуют, что
наибольшую долю устройств, фактически выработавших свой ресурс, составляют стрелочные электроприводы (СЭП).
Рисунок 2 – Динамика интенсивности отказов станционных систем ЖАТ
на станции Манихино (2013)
1/ч
s
0
T ост
TТУ
3г
ч
Рисунок 3 – Динамика интенсивности отказов станционных систем ЖАТ
на станции Болшево (2013)
16
Рисунок 4 – Удельное количество отказов на устройство для систем ЖАТ
с нулевым остаточным ресурсом
Четвертая глава «Методика оценки экономического ущерба и упущенной выгоды от отказов устройств железнодорожной автоматики, вызванных поставками некачественного оборудования» посвящена разработке методики оценки экономического ущерба и упущенной выгоды от отказов устройств железнодорожной автоматики, вызванных поставками некачественного оборудования. Методика необходима для расчета величины
ущерба и упущенной выгоды вследствие увеличения количества отказов технических средств систем регулирования движения поездов, количества остановок и среднего времени простоя поездов из-за возможного применения для
технических средств систем некачественного оборудования (комплектующих,
качество которых ниже нормативного).
Для оценки качества оборудования, которое используется для ремонта,
обоснованно было предложено использовать интегральный показатель:
   отк  отк ,
(24)
где
 отк
р
р
 фотк   отк
при  фотк   отк
 0;

р
при  фотк   отк
 0;
0
(25)
 отк
р
ф
р
ф
 отк   отк при  отк   отк  0;

р
при отк
 фотк  0.
0
(26)
Качество считается удовлетворительным, если   0. В противном случае решается задача выявления типов комплектующих и оборудования, вносящих наибольший вклад в проблему недостаточного уровня надежности
технических средств ЖАТ. Для этого вычисляют долю отказов, приходящихся на каждый тип технических средств по формуле
j 
nj
N
,
(27)
где N – общее количество отказов технических средств; n j – количество отказов технических средств j-го типа.
17
Оценка средней величины ущерба, вызванного поставками некачественного оборудования, складывается из затрат на устранение дополнительного количества отказов, дополнительные замены оборудования, потерь из-за задержек
поездов, утилизации некачественного оборудования и выплат штрафов
Сдоп  t   Срем  t   Cпр  t   Cкомп  t   Срекл  t  .
(28)
Величина издержек на ремонт должна определяться из соотношения
Срем  t   TрасчСзип 1  kзам  ,
(29)
где Сзип – стоимость запасных частей; kзам – коэффициент замен.
Для определения величины ущерба, обусловленного остановками и задержкой движения поездов Cпр  t  , предложено вычислить величину изменения средней длительности остановок каждого поезда вследствие отказов системы регулирования движения поездов по причине использования некачественного оборудования:
Tпр  Т ф  Т р ,
(30)
где Т ф , Т р – фактическая и расчетная средняя длительность остановок каждого поезда на участке, оборудованном техническими средствами.
При этом следует учесть, что
n

1



N 
1   поезд  фотк  1  1
1
1
i 1 t р i
ф

 ф 
  отк

1

N 1 i 1  t р i
N
 поезд   поезд  отк  2   поезд





Tф 
  поезд  фотк    фотк 
 ф  1  ф 
1 
  поезд  отк   отк 
р
 1 1
1   поезд  отк
1 


 
 р 
1

р 
 поезд  поезд  отк  2   поезд  отк 
Tр 
,
р
р
  поезд  отк
   отк

 р  1  р 
1 

отк   μотк 
поезд







2






, (31)
(32)
где  поезд , поезд – интенсивность занятий и освобождений участка поездами;
р
р
 отк
,  отк
,  фотк , фотк – расчетные и фактические интенсивности отказов и восстановлений устройств системы регулирования движения поездов соответственно.
Тогда количество дополнительных остановок поездов можно определить как
N пр   поезд Т пр .
18
(33)
Указанные величины следует определять отдельно для грузовых и пассажирских поездов с учетом доли пассажирских поездов пас :
Tгр  Tпр 1    , Tпас  Tпр  ;
N гр  N пр 1    , N пас  N пр  .
(34)
Затем на основе схем расчетов укрупненных норм эксплуатационных расходов в работе предложено вычислить удельные эксплуатационные расходы:
п
п
Сгрп о , Сгрп п , Спас
п , Спас о , а после этого – удельные расходы, обусловленные
ущербом в поездной работе из-за отказов некачественных технических средств:
п
п
C п  Сгрп п Т гр  Сгрп о ΔN гр  Спас
п Т пас  Спас о N пас ,

(35)
и дополнительные удельные эксплуатационные расходы:
э
э
C э  Сгрэ п ×Т гр  Сгрэ о N гр  Спас
п Т пас  Спас о N пас .

(36)
Суммарные затраты за расчетный период Т расч следует вычислять по
формуле


Cпр  t   С э  С п  поездТ расч .


(37)
Ущерб, обусловленный вероятностью уплаты штрафов, компенсаций
потери качества грузов и претензий пассажиров, включая компенсацию упущенной ими из-за задержки поездов выгоды, предложено определить из следующего соотношения:
Tгр

Cкомп  t    поезд  Т расч  1     Сгр  f Cгр  t  dt 

0
  Спас
Tпас

fCпас  t  dt  Свыг
0
Tпр

f Cвыг  t  dt
  Pрег ,
(38)
0
где f Cгр  t  – плотность вероятности снижения стоимости перевозимого гру-
за вследствие потери им качества; f Cпас  t  – плотность вероятности компенсаций, выплачиваемых пассажирам, потерпевшим убытки из-за опоздания
поезда; fCвыг  t  – плотность вероятности выплат штрафов и компенсаций
упущенной клиентами выгоды за время средней задержки на каждый поезд.
Величина ущерба, связанного с утилизацией части некачественного оборудования и заменой другой его части, может быть определена по формуле
m t 



  С зип
 С jут   k jут  t   1  k jут   С зам
Срекл  t    N парт
j
j
j  ,
j 1
19
(39)
парт
где k ут
– объем партии; m  t  – количество
j – коэффициент утилизации; N j
типов оборудования, которые потребовалось заменить или утилизировать за
расчетный период Tрасч .
Упущенная выгода складывается в первую очередь из потерянных премий по договорам перевозки, меньшего дохода из-за оттока клиентов, которые отказались от услуги перевозки по рассматриваемому участку железной
дороги вследствие отставания поезда от графика, увеличения времени оборота подвижного состава и невозможности его использования для перевозки новых грузов и пассажиров.
Оценка средней величины упущенной выгоды за расчетный интервал
времени Т расч должна осуществляться по формуле
Tпр
Tгр

Cупущ  t    поезд  Т расч  Спрем  fCпрем  t  dt  1     Сп гр  fCп гр  t  dt 

0
0
  Сп пас
Tпас

f Cп пас  t  dt   Сп гр  Сп пас 
0
Tпр

0

fCот  t  dt   Pрег ,

(40)
где f Cпрем  t  – плотность вероятности потери премий за время средней за-
держки на каждый поезд на Tпр ; fCп гр  t  – плотность вероятности недополучения дохода из-за увеличения среднего времени оборота грузового подвижного состава на каждый поезд на Tгр ; f Cп пас  t  – плотность вероятности недополучения дохода из-за увеличения среднего времени оборота пассажирского подвижного состава на каждый поезд на Tпас ; f Cот  t  – плотность вероятности отказа клиентов от перевозки вследствие увеличения средней задержки движения поездов на величину Tпр .
Таким образом, полученные результаты позволяют спрогнозировать
средние величины ущерба и упущенной выгоды в течение расчетного периода времени, обусловленные поставками некачественного оборудования, и могут быть использованы при оценке целесообразности применения оборудования от конкретных поставщиков. Также эти показатели могут быть полезны
при планировании закладываемых на расчетный период страховочных денежных средств.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Основные научные и практические результаты диссертации состоят
в следующем:
1. Разработана унифицированная компонентно-функциональная модель
иерархических систем регулирования движения поездов, позволяющая осуществлять анализ и оценку показателей технологической эффективности для
систем с произвольной структурой и технической реализацией.
20
2. Предложен обоснованный перечень показателей технологической
эффективности иерархических систем регулирования движения поездов на
различных этапах их жизненного цикла.
3. Разработана система поправочных коэффициентов для иерархических
систем интервального регулирования движения поездов, позволяющая, в отличие от известных методов, при оценке их технологической эффективности
на этапе проектирования учитывать предполагаемые условия эксплуатации
с помощью модели эталонных объектов. Данная система поправочных коэффициентов позволяет при сохранении достаточной для практического использования точности расчета показателей надежности устройств железнодорожной автоматики и телемеханики на 30–40 % сократить объемы необходимых
при этих расчетах вычислений.
4. Приведены методы оценки рисков по условиям безотказности иерархических систем интервального регулирования движения поездов с помощью матриц «частота – последствие» на различных этапах жизненного цикла систем.
5. Предложена и обоснована математическая модель процесса старения
систем железнодорожной автоматики и телемеханики с учетом различных
условий эксплуатации, основанная на исследовании кусочно-линейной
U-образной модели интенсивности отказов, использование которой позволило обосновать продление сроков полезного использования устройств железнодорожной автоматики и телемеханики, находящихся в эксплуатации, на
10–12 %.
6. Разработана методика статистической оценки технического состояния систем и устройств железнодорожной автоматики и телемеханики, основанная на расчете прогнозного значения остаточного ресурса этих систем.
В отличие от известных методов, оценка остаточного ресурса базируется на
статистической оценке фактических значений показателей надежности и анализе тенденции изменения этих показателей по отношению к допустимым
значениям показателя надежности. В качестве критерия предельного состояния устройств и систем железнодорожной автоматики и телемеханики предлагается использовать допустимое значение интенсивности отказов этих систем. Апробация методики на станциях Московской железной дороги показала, что остаточный ресурс большинства находящихся в эксплуатации станционных систем не превышает трех лет, при этом наибольшую долю элементов
с нулевым остаточным ресурсом составляют стрелочные электроприводы.
Практическое использование данной методики позволило определить конкретные устройства железнодорожной автоматики и телемеханики, имеющие
недостаточный остаточный ресурс, обосновать необходимость их вывода из
эксплуатации, что реально снизило вероятность отказа технических средств
на 6–7 %
7. Предложена методика статистической оценки экономического ущерба и упущенной выгоды от отказов устройств железнодорожной автоматики.
21
ОСНОВНЫЕ ПУБЛИКАЦИИ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ
Публикации в изданиях, рекомендованных ВАК РФ
1. Голубев, А. С. География поставок МПЦ «Ebilock-950» [Текст] /
А. С. Голубев // Автоматика, связь, информатика. – 2011. – № 5. – С. 7–8.
2. Голубев, А. С. Нормативное обеспечение контракта жизненного цикла
[Текст] / А. С. Голубев, Б. Ф. Безродный, Д. В. Солдатов // Автоматика, связь, информатика. – 2015. – № 1. – С. 12–13.
3. Голубев, А. С. Анализ моделей оценки ущерба, вызванного отказами
устройств железнодорожной автоматики на этапе приработки [Текст] / А. С. Голубев // Прикаспийский журнал: управление и высокие технологии. – 2015. – № 4 (32). –
С. 121–130.
Публикации в других изданиях
4. Голубев, А. С. К проблеме оценки остаточного ресурса объектов железнодорожной автоматики и телемеханики / А. С. Голубев, Б. Ф. Безродный, А. В. Орлов, Д. Н. Болотский // Надежность и качество сложных систем. – 2014. – № 2. –
С. 34–39.
5. Голубев, А. С. Оценка остаточного ресурса объектов железнодорожной
автоматики и телемеханики / Б. Ф. Безродный, А. С. Голубев, А. В. Орлов, Д. Н. Болотский // Труды Международного симпозиума Надежность и качество. – 2014. –
Т. 2. – С. 241–243.
6. Голубев, А. С. Статистическая оценка остаточного ресурса устройств железнодорожной автоматики и телемеханики / Б. Ф. Безродный, Д. Н. Болотский,
А. С. Веселова, А. С. Голубев, А. В. Горелик, И. А., Журавлев П. А. Неваров,
А. В. Орлов, П. В. Савченко, Н. А. Тарадин, Д. В. Шалягин. – М., 2012. – 49 с. –
Деп. в ВИНИТИ, 09.07.12, № 298. – В2012.
7. Голубев, А. С. Определение проектных значений показателей надежности
систем интервального регулирования движения поездов с учетом условий эксплуатации / А. С. Голубев, Б. Ф. Безродный, П. А. Неваров, Д. Н. Болотский // Труды
Международного симпозиума Надежность и качество. – 2014. – Т. 2. – С. 238–241.
8. Голубев, А. С. Методика оценки рисков по условиям безотказности систем интервального регулирования движения поездов / Б. Ф. Безродный,
А. С. Голубев, А. В. Горелик, П. А. Неваров, Н. А. Тарадин ; МИИТ. – М., 2014. –
7 с. – Деп. в ВИНИТИ, № 349-В2014.
9. Голубев, А. С. Системная модель технологического процесса и технических
средств регулирования движения поездов / А. С. Голубев, А. В. Горелик, А. В. Орлов,
П. В. Савченко ; МИИТ. – М., 2014. – 12 с. – Деп. в ВИНИТИ, № 348-В2014.
10. Голубев, А. С. Методика определения статистической оценки текущего
состояния систем и устройств железнодорожной автоматики и телемеханики /
Б. Ф. Безродный, Д. Н. Болотский, А. С. Веселова, А. С. Голубев, П. А. Неваров /
Труды Международного симпозиума Надежность и качество. – 2015. – Т. 2. –
С. 168–172.
11. Голубев, А. С. Повышение надежности функционирования объектов инфраструктуры хозяйства железнодорожной автоматики и телемеханики с учетом
эффективности инвестиций / Б. Ф. Безродный, Д. Н. Болотский, А. С. Веселова,
А. С. Голубев, А. В. Горелик, П. А. Неваров / Труды Международного симпозиума
Надежность и качество. – 2015. – Т. 2. – С. 207–211.
22
Научное издание
ГОЛУБЕВ Андрей Сергеевич
ОЦЕНКА ПОКАЗАТЕЛЕЙ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОЙ ЭФФЕКТИВНОСТИ
И НАДЕЖНОСТИ СИСТЕМ ЖЕЛЕЗНОДОРОЖНОЙ АВТОМАТИКИ
И ТЕЛЕМЕХАНИКИ
Специальность 05.13.01 – Системный анализ, управление
и обработка информации (в приборостроении)
Редактор А. Г. Темникова
Технический редактор А. Г. Темникова
Компьютерная верстка А. А. Стаценко
Распоряжение № 21/108-2016 от 19.10.2016.
Подписано в печать 00.00.2016. Формат 60×841/16.
Усл. печ. л. 1,16. Заказ № 000. Тираж 100.
Пенза, Красная, 40, Издательство ПГУ
Тел./факс: (8412) 56-47-33; e-mail: iic@pnzgu.ru
23
24
1/--страниц
Пожаловаться на содержимое документа