Повышение достоверности информации о состоянии устройств СЦБ путем оптимизации выбора точек подключения аппаратуры диагностики Текст научной статьи по специальности «Электротехника, электронная техника, информационные технологии»

А. В. Филиппов

ПОВЫШЕНИЕ ДОСТОВЕРНОСТИ ИНФОРМАЦИИ О СОСТОЯНИИ УСТРОЙСТВ СЦБ ПУТЕМ ОПТИМИЗАЦИИ ВЫБОРА ТОЧЕК ПОДКЛЮЧЕНИЯ АППАРАТУРЫ ДИАГНОСТИКИ

Рассмотрена классификация параметров, определяющих функционирование системы, влияние внешних и внутренних факторов на работоспособность объекта. Изложен принцип оптимизации выбора точек подключения аппаратуры диагностирования к устройствам. Рассмотрены вопросы контролепригодности технических объектов. Результаты измерений позволяют выявить отклонения параметров эксплуатируемой аппаратуры от установленных норм и своевременно принять меры для нормального ее функционирования. Если учесть, что устройства СЦБ и связи работают в сложных условиях, при которых необходимо обеспечивать безопасность движения поездов, то становится очевидным большое значение измерений параметров контролируемых устройств.

диагностика, шумы, помехи, контролепригодность, СЦБ, ЖАТ.

Введение

Важнейшими характеристиками любой системы технической диагностики (СТД) являются число и набор контролируемых параметров.

Внедряемые в настоящее время системы и средства диагностирования осуществляют, как правило, контроль процесса функционирования устройств ЖАТ. Эти системы обеспечивают недостаточный контроль качественных показателей технического обслуживания, не обладают возможностями прогнозирования процессов. С помощью имеющихся средств диагностирования можно контролировать не более 20-30% необходимых для анализа состояния устройств ЖАТ параметров.

Это обусловлено следующими факторами:

большим объемом параметров, подлежащих контролю, в том числе измерительному, при недостаточной пропускной способности существующих каналов связи;

низким уровнем контролепригодности напольных устройств;

отсутствием или высокой стоимостью специализированных датчиков и преобразователей для жестких условий эксплуатации;

отсутствием необходимой нормативной базы и специалистов соответствующего профиля.

Так, при диагностике необходимо обеспечить непрерывный контроль исправности объекта диагностирования. Минимальное число контролируемых параметров при этом должно быть достаточным для достоверной оценки работоспособности устройств СЦБ.

Для решения задач диагностирования устройств и систем ЖАТ, не имеющих встроенных средств самодиагностики, должны обеспечиваться условия контролепригодности:

системы ЖАТ должны иметь достаточное количество точек контроля для однозначного определения состояния системы;

устройства ЖАТ должны иметь свободные контакты реле для съема дискретной информации;

устройства ЖАТ должны иметь точки и/или стыки подключения для съема аналоговой информации;

системы ЖАТ должны иметь место для размещения контроллеров системы ТДМ.

Разрабатываемые системы технического диагностирования и мониторинга должны автоматизировать процессы контроля, диагностирования и мониторинга технического состояния устройств ЖАТ, а также работы по техническому обслуживанию устройств ЖАТ и функции слежения за процессом движения поездов и действиями оперативного персонала.

1 Анализ интенсивности отказов устройств СЦБ

1.1 Причины отказов элементов ЖАТ

Причина отказа - это явления, процессы, события и состояния, обусловившие возникновение отказа объекта.

В период эксплуатации на надежность элементов и систем железнодорожной автоматики и телемеханики оказывают воздействие объективные факторы. Факторы, вызывающие всевозможные изменения в элементах вплоть до разрушения и поломки вне зависимости от самих элементов, назовем внешними, а факторы, вызывающие такие качественные изменения в элементах, как старение и износ, которые приводят к повреждениям и поломкам, - внутренними. Внутренние факторы будут оказывать влияние в основном на частоту постепенных отказов.

К явлениям, вызывающим отказы устройств ЖАТ, относятся пластическая деформация, разупрочнение поверхностей и т. п. К процессам могут быть отнесены изнашивание, рост трещин, коррозия, эрозия, старение материалов и т. п. [1]. Отказы могут появляться как результат, например, следующих событий: появление перегрузок, изменение напряжения в сети, попадание абразива в масло, нарушение установленных режимов и правил эксплуатации и т. д. Состояниями изделий, приводящими к отказам, могут быть макро- и микротрещины, дефекты сборок и прочее.

К конструкционным относятся отказы, возникающие в результате несовершенства или нарушения установленных норм и(или) правил конструирования объекта. К ним же относят в СЖАТ недоработки типовых проектов и проектные ошибки.

К производственным относятся отказы, возникающие в результате несовершенства или нарушения установленного процесса изготовления, строительства и монтажа объекта. Это дефекты из-за неправильного соста-

ва материала, ошибки при механической обработке, дефекты сварки, дефекты при обработке поверхностей, дефекты монтажа.

К эксплуатационным относятся отказы, возникающие в результате нарушения установленных правил или условий эксплуатации объекта: неправильное, несвоевременное или некачественное техническое обслуживание, низкое качество проверки или ремонта в контрольноизмерительных пунктах.

1.2 Определение устройств, наиболее часто подвергающихся отказам

Отказы устройств СЦБ могут быть разделены на внезапные и постепенные. Возникающие с определенной вероятностью внезапные отказы не поддаются прогнозированию. При постепенных отказах, напротив, возможно оценить характер изменения параметров ОК и на основании этого прогнозировать его состояние во времени. Согласно статистическим данным, постепенные отказы в устройствах СЦБ составляют 40-50%, а внезапные - 55-60%. Статистический анализ отказов устройств СЦБ выявил наиболее часто отказывающие элементы. Прогнозировать количество отказов можно по значению их интенсивности (таблица).

ТАБЛИЦА. Распределение отказов устройств СЦБ по объектам

Наименование отказавшего стройства Доля среди всех устройств, %

Аппаратура 22

Элементы рельсовых цепей 15

Монтаж 21

Кабельные и воздушные линии 13

Стрелки 8

Светофоры 5

Элементы защиты 6

Путевые элементы КГУ, УКСПС, УТС 4

Пульт-табло, аппаратура управления 3

Электропитающие устройства 2

Аккумуляторы 1

Анализ статистической информации об отказах систем автоматики и электрической централизации показал, что ряд элементов сохраняет постоянную интенсивность отказов в период приработки и в период нормальной эксплуатации. Элементы систем, работающие в отапливаемых помещениях и с постоянной нагрузкой, считаются элементами с постоянной интенсивностью отказов.

1.3 Объекты диагноза и проблемы их диагностирования

Эффективность применения диагностирования и мониторинга устройств и систем железнодорожной автоматики в большой степени определяется качеством нормативного обеспечения процесса разработки, проек-

тирования и эксплуатации средств и систем диагностирования, выбором датчиков, средств передачи и интерфейсов.

Прогнозирование возможного изменения состояния контролируемых устройств может быть обеспечено путем формирования баз данных о функционировании устройств ЖАТ, применением аналитических и статистических методов обработки результатов диагностирования.

Контроль технического состояния объектов ЖАТ зачастую обусловлен такими проблемами, как:

отсутствие свободных тройников реле; установка дополнительных повторителей реле; нехватка места на стативе (в шкафу);

невозможность подключиться напрямую к объекту диагностирования; недостаточное количество датчиков съема дискретной и аналоговой информации. АКСТ Ч-16/3, используемый для контроля исправности сигнальных установок, имеет 10 дискретных датчиков и всего 3 аналоговых. Хотя, исходя из результатов измерений аналоговых величин, можно предотвратить отказ до его появления;

невозможность отличить опасный отказ от технологического события; громоздкость аппаратуры;

при измерениях параметров рельсовых цепей в некоторых случаях требуется отключать путевое реле, что приводит к нарушению графика движения поездов;

отсутствие необходимой квалификации обслуживающего персонала; малая пропускная способность каналов передачи информации.

В диагностике технического состояния объекта нередко появляются дефекты, при которых связь между признаками и причинами неисправностей носит неоднозначный характер. Простые двузначные утверждения типа «исправный - 1» / «неисправный - 0» недостаточны, поскольку четкие правила поиска неисправностей основываются на взаимно однозначном соответствии между причиной и признаками неисправностей, т. е. они жестко детерминированы в правилах.

2 Расширение номенклатуры контролируемых и измеряемых параметров

2.1 Классификация параметров, определяющих функционирование сложного объекта

Пусть задан сложный технический объект диагностирования. Выделим в нем такие составные части, с точностью до которых желательно проводить поиск дефектов. В качестве таких частей могут быть системы, подсистемы или элементы. Нижний уровень разбиения называют сменными блоками, подразумевая при этом, что в каждом конкретном случае сменный блок может состоять как из одного, так и из нескольких съемных конструкционных узлов (деталей).

Если отвлечься от внутренней структуры и процессов, протекающих внутри объекта (структурной единицы - сменного блока), то его можно рассматривать (рис. 1) как «черный ящик», связанный с окружающим миром (другими объектами, структурными единицами, системами, средой и т. п.) посредством внешних связей: xi (i = 1, 2, ..., m) - входные параметры; yj (j = 1, 2, ..., n) - выходные параметры; Zk (к = 1, 2, ..., l) - внешние шумы; а (у = 1, 2, ..., к) - внутренние помехи, возникающие в структуре объекта из-за износа, поломок и дефектов. Обычно элементы множеств {xi},{yj},{zk},{ ay} - случайные последовательности [2].

Множество выходных величин {yj} ° Y называется параметрами обследуемого объекта. Среди наблюдаемого множества выходных величин имеются такие R, которые с точки зрения конкретной задачи являются второстепенными: Rс Y, R Ф 0. Элементы подмножества R характеризуют основные функции процесса, для реализации которого создан объект, и поэтому называются характеристиками.

При переходе из одного состояния в другое элементы множества Y меняются, и в общем случае значения выходных величин {yj}, а следовательно и характеристики R, зависят от нескольких подмножеств факторов: входных величин Х ° {xi}; внешних шумов {zk}; внутренних помех {ay}, которые составляют некое множество K с [{xi},{Zk},{aT}] и начальные условия K(0). Помехи и шумы могут быть относительно входных величин как аддитивными, так и мультипликативными. Множество K является со-

ставной частью более широкого множества N внешних параметров (рис. 2).

Внутренние параметры диагностируемой системы, так же как значения величин {у}, меняются в зависимости от входных сигналов {Xj}, шумов {zk} и помех {Оу}. Множество внутренних параметров разбиваемо на ряд подмножеств.

1. Параметры процесса функционирования объекта образуют характеристики множества подпроцессов, составляющих основной процесс функционирования структурного блока (элемента), позволяющий ему выполнять свое функциональное назначение. Эти параметры образуют множество F такое, что FсM, YOF Ф 0. При этом полагается, что ROF = 0, то

>|< >|< _ >|<

есть не пересекаются, а также Y/R = Y , Y OF Ф 0, где Y - подмножество выходных величин объекта, не являющихся характеристиками.

2. Множество вспомогательных (сопутствующих) параметров V, в которое удобно включать остальные величины подпроцессов или характеристик вспомогательных процессов, не реализующих главный процесс и описывающих побочные явления - шумы, вибрации, нагревы, биения и

другие сопутствующие факторы. Множество VсM, кроме того, YO V Ф 0, ROVФ 0.

3. Структурные параметры объекта объединены в подмножество EсMи YOE Ф 0, ROE = 0. Эта группа параметров связана со способом

организации объекта, то есть сюда относятся физические, химические, электрические, геометрические свойства структурных блоков, характеристик динамических звеньев и другие сведения. Способ функционирования тесно связан со структурой организации объекта (элемента, сменного блока и т. д.), под которой понимается совокупность взаимосвязанных и взаимодействующих структурных элементов, свойства и характер которых имеют существенное значение для работоспособности объекта (сменного блока).

Структурная организация характеризуется рядом количественных параметров, которые и относятся к классу структурных. Отражение структурной организации объекта посредством структурных параметров отображает его техническое состояние, выявление которого и является одной из задач технического диагностирования и которое изменяется под влиянием внешних условий, воздействий управления объектом, естественного износа и качества изготовления объекта (начальные условия состояния).

4. Дефектами D с E называются подмножество несоответствий значений множества наперед заданных значений структурных параметров объекта. Если объект работает исправно, то D = 0. Задача диагностирования заключается в выявлении и оценке местонахождения элементов множества D. Часть из них может быть найдена путем непосредственных наблюдений или измерений. Однако большая часть дефектов определяется по их косвенным проявлениям в значениях элементов множеств R - характеристик процессов, F - параметров функционирования, V - вспомогательных и E -структурных параметров объекта.

5. Диагностическими параметрами называются элементы множеств R, F, V, E, содержащие информацию о неисправностях, над которыми установлены наблюдение и контроль. Существуют различия между множествами величин Y и диагностических параметров В. В отличие от параметров, образующих множество выходных величин, состав которого обычно не определен и не постоянен, на множество диагностических параметров накладываются дополнительные ограничения: эти параметры должны быть наиболее информативными и, кроме того, удобно измеряемыми или наблюдаемыми. Поэтому требования по составу элементов beB связаны прежде всего с контролепригодностью объекта. Множество диагностических параметров, определенное на множестве вероятных состояний и дефектов, описывающих эти состояния, оптимизированное по какому-либо подходящему критерию (например, максимум информативности), образует (в выбранном формате) рабочее диагностическое пространство.

2.2 Условия диагностирования объектов

Технический объект может находиться в конечном множестве состояний S. При этом задачей диагностирования является определение, в каком

состоянии Si (i = 1, 2, n) из данного множества S находится объект ди-

агностирования в момент его контроля (оценки, тестирования). Если при диагностировании можно установить все возможные состояния объекта, он удовлетворяет условию диагностирования.

В общем случае условие диагностирования по результатам исследований математически можно определить из уравнения: Y = B„X. Здесь Y и X- поливекторы первого ранга, описывающие множества выходных и входных параметров объекта диагностирования.

Приведенные условия диагностирования справедливы, если объект обладает следующими свойствами:

1) состояние объекта диагностирования характеризуется совокупностью оцениваемых прямых показателей Вп = {by}, (Vi,j = 1, 2, ..., n);

2) входы X = {xj и выходы Y = {yj}, (Vi, j = 1, 2, ..., n) объекта диагностирования - контролируемые.

Если технический объект отвечает условию диагностирования, то необходимо провести синтез объекта диагностирования на предмет количества точек и глубины диагностирования.

3. Контролепригодность сложных технических систем

3.1 Контролепригодность объектов диагностирования и методы

ее оценки

Внедрение технических средств диагностирования дает нужный эффект только при условии удовлетворения требований контролепригодности объектов, которая определяется как приспособляемость объекта к диагностированию, обеспечивающая легкость его проверки. Эта задача должна быть решена уже на стадии проектирования, причем без существенного увеличения затрат. В зависимости от особенностей использования и эксплуатации объект диагностирования может характеризоваться различным уровнем контролепригодности, который определяется по значениям показателей контролепригодности. В соответствии с ГОСТ 23563-79 «Контролепригодность объектов диагностирования» номенклатуру и значения показателей контролепригодности для каждого проектируемого объекта диагностирования следует задавать с учетом технических требований на объект, его вида и назначения, информации об аналогах и возможности сравнения контролепригодности однотипных объектов диагностирования. Важнейшие показатели контролепригодности диагностируемых объектов разделены на четыре группы:

1) показатели, характеризующие полноту диагностирования;

2) показатели, характеризующие прямые затраты на диагностирование объекта;

3) вспомогательные показатели, характеризующие отдельные элементы организации процесса диагностирования;

4) показатели, характеризующие степень унификации объектов и технических средств диагностирования.

При оценке уровня контролепригодности сложного технического объекта, состоящего из m блоков (структурных единиц), каждый из которых

оценивается по n показателям K(0 при условии, что для каждого показа-

1у( э)

теля определено эталонное значение Ki , можно использовать комплексный показатель уровня контролепригодности объекта диагностирования, который определяется:

к=Т

а, <

j=1

ч. 1 1 О

1ТР. i=1 V 1 i i > _ к(э) J^

где 0j- — коэффициент веса j-го блока, в - коэффициент веса i-го показате-

m n

ля, причем Та j и Та=1.

j=1 i=1

Помимо уровня контролепригодности сложных технических объектов, на стадии проектирования требуется определить категорию контролепригодности объекта диагностирования, под которой понимается качественная характеристика приспособляемости объекта к диагностированию соответствующими техническими средствами. Категория может задаваться как на весь объект, так и на его отдельные блоки, если они диагностируются самостоятельно локальными техническими средствами диагностики. Однако и в том и в другом случае требования по контролепригодности должны быть одинаково высокими.

Для одного и того же объекта диагностирования категории контролепригодности на различных этапах его жизни (создания, эксплуатации или ремонта) различны, поскольку при этом задачи диагностирования и применяемые технические средства также различаются. В соответствии с ГОСТ 24029-80 «Категории контролепригодности объектов диагностирования» устанавливается 19 категорий контролепригодности объектов в зависимости от сочетания групп конструкционного исполнения объектов диагностирования, определяющих приспособленность объекта к решению задач диагностирования.

3.2 Обеспечение контролепригодности размещением компонентов объекта в конструктивные единицы

Одной из проблем синтеза контролепригодных технических объектов является проблема оптимального размещения компонентов объекта в конструктивные единицы (блоки), с точностью до которых осуществляется диагностирование. Эта проблема и методы ее решения подробно рассматриваются в работах других авторов.

Конструктивные единицы. Под конструктивными единицами понимается такое объединение элементов, которое дает распознавание дефектов любой кратности с точностью до образованных блоков. Причем следует заметить, что структурные элементы, составляющие одну конструктивную единицу, могут располагаться в любом месте объекта, то есть их объединение в блок только логическое. Оптимальное размещение структурных элементов в конструктивных единицах обеспечивается возможностью применения минимального множества точек контроля. При этом возможную кратность дефекта в объекте следует считать произвольной.

Заключение

Эффективность применения диагностирования и мониторинга устройств и систем железнодорожной автоматики в большой степени определяется качеством нормативного обеспечения процесса разработки, проектирования и эксплуатации средств и систем диагностирования, выбором датчиков, средств передачи и интерфейсов.

В перспективе система диагностирования и мониторинга должна рассматриваться как подсистема автоматизированных систем управления и контроля объектов ЖАТ (при встроенных средствах диагностирования) либо взаимодействовать с этими системами (при внешних средствах диагностирования). При этом должно предусматриваться использование общих точек съема информации и реализация методов пассивного диагностирования (без воздействий на объект контроля).

Поэтому целесообразно расширять номенклатуру контролируемых параметров и создавать новые алгоритмы обработки получаемой информации, что позволит исключить субъективность оценок о состоянии устройств ЖАТ.

Библиографический список

1. Надежность систем железнодорожной автоматики, телемеханики и связи / В. В. Сапожников, Вл. В. Сапожников, В. И. Шаманов. - М.: Энергия, 2003. - 259 с.

2. Автоматический контроль систем управления / Н. Н. Блинов, Д. В. Гаскаров, А. В. Мозгалевский. - М.: Энергия, 1968. - 150 с.

3. Диагностирование электронных систем / А. В. Мозгалевский, В. П. Калявин, Г. Г. Костанди. - Л.: Судостроение, 1984. - 224 с.

ANNOTATIONS

The Task of Managerial Decision Making on Ralway Transport / D. Moiseyenkova // Proceedings of Petersburg Transport University. - 2007. - № 4 (13). - P. 5-16.

Under real conditions of railway transport operation the functional approach to management is usually applied. This approach results in the long term of managerial decision making. Besides that, some uncertainty of the information alongside with different degrees of its authenticity, accuracy and reliability hamper the situation analysis processes, introduce risk elements and worsen the quality of the managerial decisions being made. To increase the efficiency of the operation the author offers to use the support system of managerial decision making on the basis of regularizing bayesian approach (RBA).