Использование квалиметрии для повышения эксплуатационной надежности железнодорожного транспорта Текст научной статьи по специальности «Строительство и архитектура»

УДК 6213 А. Н. ГОЛОВАШ

С. Н. ДОЛЖИКОВ В. Г. ШАХОВ

Научно-исследовательский институт технологии, контроля и диагностики Омский государственный университет путей сообщения

ИСПОЛЬЗОВАНИЕ КВАЛИМЕТРИИ ДЛЯ ПОВЫШЕНИЯ ЭКСПЛУАТАЦИОННОЙ НАДЕЖНОСТИ ЖЕЛЕЗНОДОРОЖНОГО ТРАНСПОРТА_____________________________________

Рассмотрено определение эксплуатационной надежности. Предложен общий подход к оптимизации потребительских свойств железнодорожного транспорта. Приведена методика решения задачи оптимизации и показаны пути ее решения.

Термин «эксплуатационная надежность» означает способность технической системы выполнять свои функции в пределах ее технических характеристик. Применительно к транспортным средствам это означает способность перевозить грузы (пассажиров) с нужным качеством и по оговоренному времени перевозки. Это является основным свойством транспортных систем. Для железнодорожного транспорта задача повышения эксплуатационной надежности усугубляется тем, что он относится к системам конвейерного типа: остановка поезда по ходу движения приводит к остановке поездов, следующих за ним. Так как поезд состоит из локомотива и вагонов, неспособность любой его подвижной единицы к продолжению движения приводит к аналогичному результату. Таким образом, основная задача железнодорожного транспорта состоит в обеспечении главной его функции любым из возможных способов.

Существуют достаточно понятные ограничения на поставленную задачу. Первое — безопасность транспортировки: транспортные услуги должны проводиться без потерь качества, в срок и тем более без жертв. Второе — стоимость перевозок и связанные с этим издержки транспортных компаний.

Возможен достаточно большой перечень действий, приводящих к означенной цели, но обычно наилучший результат дает их комплексное использование. В частности, можно обеспечить развитие пути, но в условиях России это очень дорого. Можно совершенствовать организацию движения и оптимизировать структуру перевозок. Это достаточно перспективное направление, сейчас развивающееся как транспортная логистика. В сферу профессиональной деятельности авторов это не входит. Можно особое внимание обратить на подготовку кадров. Это достаточно перспективное решение, но на отдаленное будущее.

Наиболее эффективное решение поставленной задачи, по мнению авторов, — повышение надежности подвижного состава с помощью технических средств контроля его состояния на всех этапах существования. Это возможно при реализации концепции трехуровневой системы технического контроля и комплексной системы управления надежностью подвижного состава. Система описана достаточно широко [1]. В данном

случае на рассмотрение выносятся методология оценки конечного результата и способы ее решения.

Сформулируем общую задачу эффективности перевозок в виде:

Ш = ( 2 Р, ) / (2 ZJ ) , (1)

где Ш — коэффициент эффективности перевозок ( в дальнейшем просто коэффициент эффективности); 2 Р: — общее количество произведенных работ (например, тоннокилометровая работа или количество перевезенных пассажиров) за учитываемый период; 2 ZJ — совокупные затраты на перевозку.

Смысл приведенного выражения очевиден; так же очевидно, что для повышения эффективности при заданном объеме перевозок желательно снижать затраты, т.е. знаменатель. В затраты входят следующие основные составляющие.

1. Расходы на техническое обеспечение надежности подвижного состава (оперативный контроль и диагностирование, ремонт, освидетельствование, затраты на комплектующие и доставку к местам ремонта).

2. Расходы вследствие перерывов и остановок движения из-за неисправностей подвижного состава. Остановки движения очень затратны, т.к. останавливаются все поезда этого направления, следующие за неисправным. При этом возникает большое количество различных ситуаций:

- неисправный поезд движется с ограниченной скоростью до ближайшего бокового пути, на который его можно принять для устранения неисправности или удаления неисправной подвижной единицы; остальные поезда, следующие за ним, продолжают движение в нормальном режиме;

- неисправный поезд останавливается на главном пути и дополнительного локомотива (это в основном связано с неисправностями локомотива);

- произошла серьезная неисправность, требующая ремонтно — восстановительного поезда, который должен удалить неисправную единицу (но без повреждения пути);

- произошла неисправность, приведшая к катастрофе с повреждением пути и требующая серьезных восстановительных работ.

«ОМСКИЙ НАУЧНЫЙ ВЕСТНИК» № 1 (64) ПРИБОРОСТРОЕНИЕ, МЕТРОЛОГИЯ И ИНФОРМАЦИОННО-ИЗМЕРИТЕЛЬНЫЕ ПРИБОРЫ

ПРИБОРОСТРОЕНИЕ, МЕТРОЛОГИЯ И ИНФОРМАЦИОННО-ИЗМЕРИТЕЛЬНЫЕ ПРИБОРЫ И СИСТЕМЫ «ОМСКИЙ НАУЧНЫЙ ВЕСТНИК» № 1 (64)

При оценке уровня неисправности необходимо их категорировать по степени влияния, что приводит к модификации выражения (1):

W = ( X Pi ) / (X а j Zj ) .

(2)

Здесь а л — коэффициент влияния, который должен вычисляться на основе статистических исследований.

Обобщим задачу квалиметрии перевозок в следующей форме. Введем в рассмотрение некоторый функционал от коэффициента эффективности Y (W). Общая задача — максимизация коэффициента эффективности. Остановимся на экономическом критерии эффективности. При этом, в соответствии с выражением (2), возможны два типа решений.

1. Качество подвижного состава задано и поддерживается в пределах норм эксплуатации. Необходимо обеспечить максимум проведенных работ при фиксированном уровне качества. Такая постановка проблемы связана с организацией движения и минимизацией затрат на сопутствующие процедуры. Например, можно минимизировать время сортировки вагонов и формирования поездов, совершенствовать документальное сопровождение поездов, совершенствовать структуру формирования поездов с позиций сборки — разборки составов.

2. При заданных фиксированных показателях перевозок необходимо минимизировать знаменатель выражения (2). При этом возможно воздействие как на коэффициенты влияния а, так и на расходы, сопровождающие перевозки. Фактически значения ал и Zj зависят друг от друга, поэтому задача оптимизации становится многомерной. Для ее упрощения можно упростить знаменатель. Главное при этом — найти совокупность наиболее значимых факторов, влияющих на эффективность перевозок, т.е. на знаменатель выражения (2). Второй шаг — обеспечение наиболее эффективных средств воздействия по критерию «цена-результат». Задача достаточно сложна, в том числе с позиций математики. В смысле использования теории вероятности задача формулируется некорректно, так как нарушаются основные предпосылки: однородности и независимости случайных событий (имеются в виду отказы подвижного состава, приводящие к остановкам движения). Это в том числе относится к главной заслуге железнодорожного транспорта — очень высокой степени надежности. Достаточно привести основной показатель качества железнодорожных перевозок — тоннокилометровую работу как произведение массы перевезенного груза на расстояние. Альтернативные средства транспорта хуже, по крайней мере, на порядок.

Процедура исследования в обобщенной форме может быть сформулирована в следующем виде. Введем в рассмотрение целевую функцию эффективности Y (а, в, у, ...) такую, которая может характеризовать зависимость качества перевозок от выбранных способов оценки а, в, у и т.д. Формально обобщенная задача может быть сформулирована в виде:

R = Sup Y (а, в, Y, •••) (3)

а £ A в £ B Y £ Г

Здесь £ — символ принадлежности, А, В, Г — области существования контролируемых параметров.

Задачи типа (3) имеют многомерный характер, а сам функционал Y может интерпретироваться раз-

личными способами. В обобщенной форме их решение проблематично и часто не имеет практического смысла. Упростим постановку задачи следующим образом. Выберем конкретные частные случаи по следующим факторам.

1. Выбор количества и номенклатуры контролируемых величин. Перечень должен включать минимум таких величин, удовлетворяющий сформулированной конечной цели (функционалу минимизации). Приведем некоторые из возможных целевых функций.

1.1. Минимум расхода энергии при условии выполнения требуемых характеристик. Для железнодорожного транспорта граничные условия могут быть сформулированы в виде требования соблюдения графика движения, развиваемой мощности тяги, скорости движения и т.д.

1.2. Максимум эксплуатационной надежности, выражаемой во времени эксплуатации (при выполнении граничных условий по п.1.1.).

1.3. Минимум непроизводительных простоев подвижного состава. Эта задача включает дополнительную организационно — техническую составляющую и наиболее сложна для аналитического описания. В частности, при минимизации по этому критерию приходится учитывать время простоя подвижных единиц при ремонте, сортировке поездов, других методов контроля текущего состояния.

При технической реализации системы желательно учитывать взаимные зависимости физических параметров с целью исключения наименее значимых (информативных). Формализация задачи сводится к следующим действиям. Предположим, проведен факторный анализ влияния всех возможных дефектов относительно целевой функции (2.10). Проведем ранжирование этих факторов по одному из перечисленных критериев в порядке убывания их значимости. Если обозначить эти факторы через ZI можно получить ряд вида:

Z1 > Z2 > Z > ■

(4)

Добавим к ряду (4) вероятности появления факторов ZI , обозначив их через Р1 . Ряд ранжируется по тому же принципу убывания, но приобретает вид:

P Z > P Z > P Z >

1 1 - 1 2 - З 3

(5)

Это более объективная оценка, которая связана с необходимостью определения статистик появления дефектов.

Введем еще одну характеристику, которую можно назвать степень риска: математическое ожидание факторов влияния неисправностей:

R = X PI ZI .

(6)

Тогда обобщенная задача типа (3) сводится к практической формуле вида:

R ^ шш (7)

а £ А в £ В у £ Г

Выражение (7) может иметь достаточно большое количество практических приложений. Назовем некоторые из возможных вариантов.

1. Предложить и проверить на практике совокупность мероприятий по улучшению качества ремонта и контроля подвижного состава, минимизирующих степень риска R.

2. Предусмотреть модернизацию технологий контроля и ремонта деталей подвижного состава по тому же критерию.

3. Разработать систему контрольно-измерительных приборов и оборудования, обеспечивающих минимизацию R.

Как показывает практика, наиболее важным и экономически значимым является комплекс мероприятий по оперативному контролю линейно-угловых размеров ходовой части подвижного состава. Это наименее затратная составляющая, обеспечивающая наибольший эффект за кратчайшее время. Использованию таких средств можно обучить персонал за минимальное время. Положительным эффектом от внедрения является значительное повышение безопасности движения. Кроме того, такие технические средства являются наиболее оперативными, так как являются ручными. Дополнительные возможности средств измерения состоят в том, что на современном этапе их можно дооснащать электронными средствами, обеспечивающими память о проведенных операциях и подключение в оперативном режиме к отраслевой информационной сети.

Библиографический список

1. Данилов В. Н. Железнодорожный путь и его взаимо-

действие с подвижным составом. — М .: Трансжелдориздат, 1961. - 112 с.

2. Лазарян В. А. Динамика вагонов. Устойчивость движения и колебания. — М. : Трансжелдориздат, 1964. — 255 с.

3. Медель В. Б. Подвижной состав электрических железных дорог. — М. : Транспорт, 1974. — 232 с.

4. Оптимизация ширины рельсовой колеи : отчет о НИОКР / НИИТКД, г. Омск, 2007. — 89с.

5. Вериго М. Ф., Коган А. Я. Взаимодействие пути и подвижного состава. — М. : Транспорт, 1986. — 559 с.

ГОЛОВАШ Анатолий Нойович, кандидат технических наук, генеральный директор Научно-исследовательского института технологии, контроля и диагностики.

ДОЛЖИКОВ Сергей Николаевич, кандидат технических наук, доцент кафедры «Локомотивы».

ШАХОВ Владимир Григорьевич, кандидат технических наук, профессор кафедры «Автоматика и системы управления», научный консультант Научноисследовательского института технологии, контроля и диагностики.

Дата поступления статьи в редакцию: 25.04.2008 г.

© Головаш А.Н., Должиков С.Н., Шахов В.Г.

УДК 6213 С. Н. ДОЛЖИКОВ

В. Г. ШАХОВ

Омский государственный университет путей сообщения Научно-исследовательский институт технологии, контроля и диагностики

АЛГОРИТМЫ ДИАГНОСТИРОВАНИЯ ТЕХНИЧЕСКИХ СИСТЕМ С ПОЗИЦИЙ ЭКСПЛУАТАЦИОННОЙ НАДЕЖНОСТИ

В статье рассматриваются задачи повышения эффективности технических систем на этапе их эксплуатации. Предлагаются алгоритмы повышения эксплуатационной надежности с помощью математических методов и алгоритмов их реализации.

Современные информационно-технические системы позволяют расширить возможности классических систем диагностирования и технического обслуживания любых технических устройств с помощью аппаратно-информационной избыточности. Формулировка термина связана с тем, что существуют возможности на основе современной программно-аппаратной базы формировать новые технологии и алгоритмы повышения надежности технических систем. В качестве объекта исследования используем железнодорожный транспорт (хотя под определение и методику подходят любые транспортные системы).

Как указывалось в [1] , к особенности железнодорожного транспорта относится его принадлежность к системам конвейерного типа, что предполагает взаимозависимость отдельных транспортных единиц (поездов). С другой стороны, неисправность любой транспортной единицы приводит только к остановке движения, что позволяет анализировать железнодорожный транспорт без учета катастроф и других транспортных коллизий.

Введем в рассмотрение описанную ранее модель оценки надежности транспортной единицы как совокупности множества агрегатов, узлов и деталей, описываемую направленным графом [3]. Базовая

«ОМСКИЙ НАУЧНЫЙ ВЕСТНИК» № 1 (64) ПРИБОРОСТРОЕНИЕ, МЕТРОЛОГИЯ И ИНФОРМАЦИОННО-ИЗМЕРИТЕЛЬНЫЕ ПРИБОРЫ