CC BY
35
Rauba Aleksandr Aleksandrovich
Рауба Александр Александрович
Омский государственный университет путей сообщения (ОмГУПС).
Маркса пр., д. 35, г. Омск, 644046, Российская Федерация.
Доктор технических наук, профессор кафедры «Технологии транспортного машиностроения и ремонта подвижного состава», ОмГУПС.
Тел.: +7 (3812) 31-18-11.
E-mail: [email protected]
БИБЛИОГРАФИЧЕСКОЕ ОПИСАНИЕ СТАТЬИ
Муравьев, Д. В. Комплексная экспертиза изломов крепежных деталей подвижного состава методами металлографического анализа [Текст] / Д. В. Муравьев, А. А. Рауба // Известия Транссиба / Омский гос. ун-т путей сообщения. - Омск. - 2018. - № 4 (36). - С. 10 - 21.
Omsk State Transport University (OSTU).
35, Marx st., Omsk, 644046, the Russian Federation.
Doctor of Technical Sciences, Professor of the department «Technologies of transport engineering and repair of rolling stock», OSTU.
Phone: +7 (3812) 31-18-11.
E-mail: [email protected]
BIBLIOGRAPHIC DESCRIPTION
Muraviev D. V., Rauba A. A. Complex examination of breaches of fastening parts of rolling stock by metal-graphic analysis methods. Journal of Transsib Railway Studies, 2018, vol. 4, no 36, pp. 10 - 21 (In Russian).
УДК 629.472.3
К. В. Панов
Омский государственный университет путей сообщения (ОмГУПС), г. Омск, Российская Федерация
РАЗРАБОТКА ИМИТАЦИОННОЙ МОДЕЛИ ДЕПОВСКОГО РЕМОНТА ЛОКОМОТИВОВ, УЧИТЫВАЮЩЕЙ ВЕРОЯТНОСТЬ ВОЗНИКНОВЕНИЯ НЕПЛАНОВЫХ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ОПЕРАЦИЙ
Аннотация. В данной статье представлено решение задач эффективности функционирования производственных систем локомотиворемонтного предприятия. В частности, объектом исследования являются технологические процессы ремонта и сервисного технического обслуживания электровозов на предприятиях по ремонту тягового подвижного состава. В статье приведено математическое описание производственного процесса подобных предприятий на примере сервисного локомотивного депо Московка. Математическая модель описана на основе теории массового обслуживания (СМО) и цепей Маркова. Приведен граф технологического состояния локомотива во время ремонта в депо, где процесс перехода ремонтируемого подвижного состава из состояния в состояние, т.е. взаимосвязи технологических перемещений электровоза по территории депо, а также время выполнения технологических операций описаны переходной матрицей. Распределение заявок на ремонт описано при помощи закона Пуассона, задержка электровоза на участках депо на плановых видах ремонта - в соответствии с принятой нормой, а на неплановом виде ремонте заявки задерживаются в соответствии с распределением Эрланга.
По результатам математического описания модели производственного процесса ремонтного предприятия создана имитационная модель функционирования депо Московка, реализованная на ЭВМ при помощи профессионального программного обеспечения нового поколения AnyLogic. В работе описаны логическая схема имитационной модели, выбранные методы и библиотеки моделирования. По результатам исследования проведена общая оценка технологических показателей работы локомотиворемонтного предприятия в условиях вероятностных динамических изменений ремонтного задания.
При помощи реализованных предложенных в статье методов исследования технологических процессов депо Московка можно проектировать любые ремонтные предприятия по ремонту подвижного состава железных дорог с целью выявления «узких мест» производственного процесса.
Ключевые слова: имитационное моделирование, ремонт подвижного состава, депо, теория массового обслуживания, anylogic, граф состояний, матрица переходов, производственный процесс.
Kirill V. Panov
Omsk State Transport University (OSTU), Omsk, Russian Federation
DEVELOPMENT OF THE IMITATION MODEL OF DEPOVIAN REPAIR OF LOCOMOTIVES TAKING INTO ACCOUNT THE PROBABILITY OF THE APPEARANCE OF ADDITIONAL TECHNOLOGICAL OPERATIONS
Abstract. In this article the problems of efficiency offunctioning of production systems of the locomotive repair enterprise are solved. In particular, the object of research is the technological processes of repair and maintenance of electric locomotives at the enterprises for repair of traction rolling stock. The article presents a mathematical description of the production process of such enterprises, on the example of the service locomotive depot «Moskovka». The mathematical model is described on the basis of queueing theory (QS) and Markov chains. A graph of the technological state of the locomotive during repair in the depot, where the process of transition of the repaired rolling stock from the state to the state, i.e. the relationship of technological movements of the electric locomotive on the territory of the depot, as well as the time of technological operations described transition matrix. The distribution of repair requests is described by the Poisson law, the delay of the electric locomotive in the depot areas in the planned types of repair in accordance with the accepted norm, and in the unplannedform of repair, the applications are delayed in accordance with the distribution of erlang.
Based on the results of the mathematical description of the model of the production process of the repair enterprise, a simulation model of the operation of the Moskovka depot was created, implemented on a computer with the help ofprofessional software of a new generation - AnyLogic. The paper describes the logic diagram of the simulation model, selected methods and modeling libraries. According to the results of the study, the overall assessment of technological performance indicators of the locomotive repair enterprise, in the conditions of probabilistic, dynamic changes in the repair task.
By means of the methods of research of technological processes of depot «Moskovka» realized in article, it is possible to design any repair enterprises on repair of a rolling stock of the railroads, for the purpose of identification of «bottlenecks» of production process.
Keywords: simulation modeling, rolling stock repair, depot, queuing theory, anylogic, state graph, transition matrix, production process.
Моделирование является одним из способов решения практических задач. Часто решение проблемы нельзя найти путем проведения натурных экспериментов: строить новые объекты, разрушать или вносить изменения в уже имеющуюся инфраструктуру может быть слишком дорого, опасно или просто невозможно. В таких случаях строят модель реальной системы, т. е. описывают ее на языке моделирования [1, 2].
Ремонтное производство подвижного состава носит стохастический характер, оно практически не может быть точно рассчитано при помощи небольшого количества простых аналитических формул и нуждается в использовании имитационного моделирования производственного процесса на ЭВМ [3]. Для решения подобных задач необходимо максимально использовать современные методы моделирования, которые позволяют в короткие сроки исследовать различные варианты совершенствования работы локомотиворемонтного предприятия.
В качестве примера объекта моделирования выбрано сервисное локомотивное депо Московка, которое является крупнейшим электровозоремонтным предприятием на территории Западно-Сибирской железной дороги ОАО «РЖД». Ключевой задачей ремонтного депо является обеспечение надежной, безотказной работы в эксплуатации электровозов серии 2ЭС6 и ВЛ11 на Омском территориальном отделении ЗСЖД сети ОАО «РЖД» [4, 5]. Технологическое проектирование подобных предприятий по ремонту и техническому обслуживанию тягового подвижного состава является сложной и ответственной задачей [6, 7].
На рисунке 1 представлена сетевая модель (граф) нахождения локомотива на технологических позициях во время ремонта в депо. При этом вершины графа отображают участки ремонта депо, а дуги графа - связи между соответствующими участками.
В процессе ремонта в депо локомотив может находиться на следующих позициях: S0 -очередь на ремонт (нахождение локомотива на тракционных путях депо); S1 - участок тех-
нического обслуживания; S2 - участок малого периодического ремонта; S3 - участок большого периодического ремонта; S4 - участок обточки колесной пары; S5 - участок непланового ремонта; S6 - приемка электровоза, процесс ТО-1.
Рисунок 1 - Граф нахождения локомотива на технологических позициях во время ремонта в депо
Процесс перехода ремонтируемого локомотива из текущего состояния Si в состояние Sj■ (т. е. перемещение объекта ремонта с одной технологической позиции на другую) определяется вероятностью Р. Соответственно взаимосвязи технологических перемещений локомотива в депо можно будет представить в виде матрицы.
г ( р2, ^2 ) .. .. (-,^ ) . ... (Рп Лп )' п > I г=1
(^21, ^21 ) - .. .. (Р2., ^ ) . ... (-2п , *2п )
С* = ( Р-1, ) (PP2,2 ) .. .. (-, Г..) . V . / ... (- , ^ ) гп гп п , I .=1 , к =
ч(Рп1, tn1 ) (Рп2, 'п2 ) .. .. (Рп , ) . У
Р=1;
(1)
где п - количество вершин графа (технологических участков), п = 7;
Р. = [0, 1] - технологическая связь между г-й и .-й позициями (вероятность перехода): Р =1, если операции выполняются последовательно и безусловно, Р = 0, если связь отсутствует;
% - время перемещения объекта с г-й на.-ю позицию, мин.
При этом время выполнения технологических операций определяется матрицей:
ОТ =
(°11 , ^11 ) (0*12 , 12 )
)
(„.¿тт „.¿тах
)( „-¿тт „.¿тах (, ^22
0г1 , 0г1 ) ( г2 , 0*>2 )
(„.¿тт „.¿тах 0t„1 ,
1п1
)( „-¿тт „.¿тах ( 0^ , 01,
п2 п2
) .
(„.¿тт „.¿тах 02т , 02т
01 , 0^
гт гт
(„.¿тт „.¿тах
о^ , ои
пт пт
,min ¿max
где oiij , otj - минимальное и максимальное время выполнения операции на i-й позиции
для j-го типа элементарного потока (объекта ремонта), мин.
Время технологической подготовки и переналадки ремонтной позиции при смене объекта ремонта
ptj _(j) , i _ 1,...,m , j _ 1.....m,
(3)
где pttj - среднее время переналадки k-й позиции при смене объекта ремонта с i-го на j-й
тип (t = 0, если подготовка и переналадка не требуются).
Формирование потока заявок на обслуживание в виде потока заявок на ремонт с интенсивностью поступления в ремонт, 1/день (ч),
Pot = (poti (t)potm(t)), t _ 1,...,24. (4)
Среднесуточная программа ремонта
POt (t) = (pOti (t) ... pOtm (t)) = 30 (VOli,..., VOlm ) , t _ 1,
,30.
(5)
Результаты математического описания модели производственного процесса депо реализованы на ЭВМ. Для разработки модели был выбран программный продукт AnyLogic. В качестве метода имитационного моделирования было выбрано агентное моделирование. Логика функционирования депо проектировалась при помощи встроенных библиотек: Библиотеки моделирования процессов и Железнодорожной библиотеки [8]. В процессе моделирования были учтены различные нештатные ситуации (неплановый ремонт, неплановые перемещения электровоза по тракционным путям депо, объем технологических операций, время восстановления работоспособности объекта ремонта и др.).
Данную модель можно разбить на несколько подсистем: формирование заявки и очередь на ремонт электровоза; формирование заявки маневрового локомотива; процесс соединения маневрового локомотива с электровозом (для установки и покидания заявки на необходимый участок в зависимости от вида ремонта); задержка заявки на участке ремонта (в соответствии с видом ремонта); выход заявки из системы; регистрация параметров производственного процесса.
Вероятность поступления на ремонт N объектов ремонта ^й серии за время Дt распределено по закону Пуассона (рисунок 2) [9, 10]
pn _
_ ( potj At)'
N!
e
- po'kА
(6)
Рисунок 2 - Вероятностная модель потоков заявок на ремонт
Формирование заявки происходит при помощи группы блоков 1 (рисунок 3), для каждого вида ремонта происходит своя заявка на ремонт, заявки ТР-1 (ТР-30) и ТР-2 (ТР-300) объединены в дальнейшем в один поток, так как в депо технологические операции данного вида ремонта выполняются в одних и тех же цехах. При выходе заявки из блоков формируется параметр, который задает значение ремонтируемой единицы, сохраняющееся на протяжении всего моделирования. Это необходимо для того, чтобы объект ремонта в будущем понимал, к какому виду ремонта он принадлежит и сколько по времени должно занять его нахождение в цеху. Группа блоков 2 добавляет ремонтируемую единицу на территорию депо, если все стойловые участки заняты в том цеху, куда поступает электровоз в соответствии со своим видом ремонта, и формируется очередь 3. Занятость этих стойловых участков контролируют блоки 4, которым задается значение в соответствии с количеством стойловых участков в цеху на производстве.
Рисунок 3 - Логическая схема имитационной модели (часть 1)
Блоки группы 5 перемещают ремонтируемый электровоз к необходимому в соответствии с видом ремонта производственному цеху, где объект ремонта создает сигнал и начинает ожидать маневровый локомотив для захода на производственный участок.
Заявку на маневровый локомотив создают блоки 6 и при помощи блоков 7 производят его ввод в систему модели. Путь и перемещение к ожидающему захода в цех электровозу локомотив находит при помощи блоков 8.
Блоки 9 (рисунок 4) производят зацепку маневрового локомотива и объекта ремонта, перемещение в цех и отцепку. Далее локомотив перемещается в точку своего создания и покидает модель 10.
Ремонтируемый подвижной состав поступает к блокам 114 где формируется задержка в системе. Для каждого вида планового ремонта существует свой временной блок (выполнение технологической операции) в соответствии с Руководством [11].
На неплановом виде ремонта заявки задерживаются в соответствии с особым случаем гамма-распределения - распределением Эрланга (рисунок 5) [12].
т-1
Р =
ртГ (т)
ехр
[* - trn.nl'
Р
(7)
где т - фактор формы вероятностного распределения, т = 2; Р - коэффициент масштаба, р = 1,4.
Рисунок 4 - Логическая схема имитационной модели (часть 2)
С определенной вероятностью Ру в соответствии с графом на рисунке 1 электровозу может потребоваться изменить технологическую позицию из-за изменения вида ремонта, ухода на неплановый ремонт, потребности в обточке колесной пары и т. д. Данная вероятность перехода выражена в блоках 12, после чего ремонтируемая единица занимает очередь на следующую позицию и вызывает маневровый локомотив (МЛ) для перемещения. При помощи блоков 13 локомотив после того, как освободился от другой загрузки, перемещает электровоз на необходимый участок ремонта и уходит на место появления в системе, откуда покидает модель и ждет следующего вызова.
0Л5
200
Рисунок 5 - Вероятностное распределение времени выполнения непланового ремонта
Если переход на другую позицию ремонтируемому электровозу не требуется, заявка полностью прошла обслуживание и готова к эксплуатации, а блоки 14 при помощи МЛ перемещают объект ремонта из цеха и тоже удаляются из модели. Сам электровоз проходит ТО-1, проводимое локомотивной бригадой, и после освобождения тракционных путей депо покидает модель при помощи блоков 15.
В качестве примера рассчитаем некоторые параметры технологического процесса локо-мотиворемонтного предприятия. Степень использования технологических участков предприятия по времени обусловливается коэффициентом загрузки kзту. Для данной операции этот коэффициент определяется по формуле
I т
к
ту _ г=1
Т • п
(8)
где п - количество технологических позиций на участке (количество стойловых участков цеха);
Т - время нахождения электровоза на технологической позиции;
ТО - общая длительность исследуемого временного отрезка.
Как изменялось среднее значение коэффициента загрузки технологического к3 ту в течении времени для каждого участка ремонта показано на рисунке 6.
Одним из показателей эффективности СМО с ожиданием (неограниченной очередью) является среднее время пребывания заявки в очереди Точ. Возможности моделирования позволяют собрать подобную информацию с помощью специальных объектов сбора данных и отразить собранную статистику распределения времени ожидания в очереди на ремонт с помощью гистограмм. Результат распределения вероятности времени ожидания заявки в очереди представлен на рисунке 7.
ч
Рисунок 6 - Изменение среднего значения коэффициента загрузки технологического участка кзту в течение времени для каждого вида ремонта и обслуживания: а - для участка обслуживания ТО-2; б - для участка ремонта ТР-1 и ТР-2; в - для участка ремонта ТР-3; г - для участка обслуживания ТО-4; д -для участка НР
Рисунок 7 - Распределение вероятности времени ожидания заявки в очереди Точ на ТО и ТР
д
Таким образом, в работе представлена имитационная модель сервисного локомотивного депо Московка, разработанная в компьютерной среде AnyLogic. Произведена общая оценка технологических показателей работы предприятия. В дальнейшем необходимо исследовать поведение технологической структуры депо (изменять технологический процесс ремонта) для определения более эффективных условий функционирования производства.
Список литературы
1. Черняева, С. Н. Имитационное моделирование систем: Учебное пособие [Текст] / С. Н. Черняева, Л. А. Коробова, В. В. Денисенко / Воронежский гос. ун-т информационных технологий. Воронеж, 2016. - 94 с.
2. Мямлин, В. В. Гибкие потоки для ремонта вагонов и особенности имитационного моделирования их работы [Текст] / В. В. Мямлин // Транспорт Российской Федерации / Московский гос. ун-т путей сообщения. - М., - 2012. - № 3. - С. 57 - 60.
3. Проектирование промышленных предприятий: Принципы. Методы. Практика [Текст]: пер. с нем. / Клаус-Герольд Грундиг. - М.: Альпина Бизнес Букс, 2007. - 340 с.
4. Усманов, Ю. А. Организация, планирование и управление ремонтом подвижного состава: Учебник [Текст] / Ю. А. Усманов / УМЦ ЖДТ. - М., 2017. - 277 с.
5. Доманов, К. И. Проблемы сервисного обслуживания электровозов серии 2ЭС6 и мероприятия направленные на повышение технологии их ремонта [Текст] / К. И. Доманов // Материалы IV всерос. науч.-техн. конф. «Технологическое обеспечение ремонта и повышение динамических качеств железнодорожного подвижного состава». Омский гос. ун-т путей сообщения. - Омск, 2017. - С. 97 - 103.
6. Моделирование технологических процессов технического обслуживания и ремонта железнодорожного подвижного состава [Текст] / К. А. Сергеев, О. Ю. Кривич и др. // Наука и техника транспорта / Московский гос. ун-т путей сообщения Императора Николая II. - М., 2018. - № 2. - С. 24 - 28.
7. Собенин, Л. А. Организация, планирование и управление локомотиворемонтным производством: Учебное пособие [Текст] / Л. А. Собенин, А. А. Зайцев, Б. А. Чмыхов /УМЦ ЖДТ. - М., 2006. - 439 с.
8. Боев, В. Д. Концептуальное проектирование систем в Anytogk 7 и GPSS World: Учебное пособие [Текст] / В. Д. Боев. - М., 2016. - 555 с.
9. Есипов, Б. А. Методы исследования операций: Учебное пособие [Текст] / Б. А. Есипов. СПб: Лань, 2013. - 304 с.
10. Лисьев, Г. А. Технологии поддержки принятия решений: Учебное пособие [Текст] / Г. А. Лисьев, И. В. Попова. - М.: Флинта, 2011. - 133 с.
11. О системе технического обслуживания и ремонта локомотивов ОАО «РЖД» [Текст] : Распоряжение ОАО «РЖД» от 17.01.2005 № 3р / ОАО «РЖД». - М., 2005. - 15 с.
12. Козлов, В. Г. Теория массового обслуживания: Учебное пособие [Текст] / В. Г. Козлов / Томский гос. ун-т систем управления и радиоэлектроники. - М., 2012. - 57 с.
References
1. Chernyaeva S. N. Imitatsionnoe modelirovanie cictem (Simulated simulat^n of systems). Voronezh: VSUIT, 2016, 94 p.
2. Myamlin V. V. Ftexibte yards for Ше repair of cars and Ше special equipment of imitaton modeling of Шеи- work [Gib^ potoki dlya remata vagonov i осоЬеппосй imitatsionnogo mod-elirovaniya ikh raboty]. Trancport Rocciyckoy Federatsii - The journal of Transport of the Russian Federation, 2007, по. 2(54), pp. 57 - 60.
3. Klauc-Gerol'd Grundig. Proektirovanie promyshlennykh predpriyatiy: Printsipy. Metody. Praktika (Design of industrial enterprises: Prindptes. Methods. Ргасйсе). Moscow: Alpina Biznec Викс, 2007. 340 p.
4. Ucmanov YU. A. Organizatsiya, planirovanie i upravlenie remontom podvizhnogo coctava (Organizing, planning and managing a repair facility). Moscow: ZhDT Training Center, 2017, 277 p.
5. Domanov K. I. Problems of the service of the electrical system of the 2EC6 series and of the measures aimed at improving the repair of their repair [Problemy cervicnogo obcluzhivaniya elektrovozov cerii 2ES6 i meropriyatiya napravlennye na povyshenie tekhnologii ikh remonta]. Tekhnologicheckoe obecpechenie remonta i povyshenie dinamicheckikh kachectv zheleznodorozhnogo podvizhnogo coctava: materialy IV Vcerocciyckoy nauchno-tekhnicheckoy konferentsii c mezhdunarodnym uchactiem (Technical support repair and maintenance of the equipment located at the facilities of the second branch of the city of the fourth scientific and technical department of the department of materials the fourth scientific and technical department). Omsk, 2017, pp. 97 - 103.
6. Cergeev K. A. The modernization of technical services of technical services and repair of railroad communications [Modelirovanie tekhnologicheckikh protseccov tekhnicheckogo obcluzhivaniya i remonta zheleznodorozhnogo podvizhnogo coctava]. Nauka i tekhnika trancporta - The journal of science and technology of transport, 2018. pp. 24 - 28.
7. Cobenin, L. A. Organizatsiya, planirovanie i upravlenie lokomotivoremontnym proizvod-ctvom [Organization, planning and control of the locomotive production]. Moscow: UMT ZDT, 2006, 439 p.
8. Boev V. D. Kontseptualnoe proektirovanie cictem v Anylogic 7 i GPSS World (Conceptual design of the systems in Anylogic 7 and GPSS World). Moscow: 2016, 555 p.
9. Ecipov B. A. Metody iccledovaniya operatsiy (Methods of specification of operations). Saint-Petersburg: Lan, 2013. 304 p.
10. Licev G. A. Tekhnologii podderzhki prinyatiya resheniy (Technology Support Decision Making). Moscow: FLINTA, 2011, 133 p.
11. O cicteme tekhnicheckogo obsluzhivaniya i remonta lokomotivov OAO «RZHD» (On the system of technical maintenance and repair of locomotives of JSC «Russian Railways»). Moskow, Discharge of Russian Railways, 2005, 15 p.
12. Kozlov V. G. Teoriya maccovogo obcluzhivaniya (Theory of Network Maintenance). Moscow: TUSUR, 2012, 57 p.
ИНФОРМАЦИЯ ОБ АВТОРЕ
Панов Кирилл Вячеславович
Омский государственный университет путей сообщения (ОмГУПС).
Маркса пр., д. 35, г. Омск, 644046, Российская Федерация.
Преподаватель кафедры «Подвижной состав электрических железных дорог», ОмГУПС.
Тел.: +7 (983) 563-45-10.
E-mail: [email protected]
БИБЛИОГРАФИЧЕСКОЕ ОПИСАНИЕ СТАТЬИ
Панов, К. В. Разработка имитационной модели деповского ремонта локомотивов, учитывающей вероятность возникновения неплановых технологических операций [Текст] / К. В. Панов// Известия Транссиба / Омский гос. ун-т путей сообщения. - Омск. -2018. - № 4 (36). - С. 21 - 30.
INFORMATION ABOUT THE AUTHORS
Panov Kirill Vyacheslavovich
Omsk State Transport University (OSTU).
Marx Avenue, 35, Omsk, 644046 Russian Federation.
Engineer of the chair «Rolling stock of electric Railways» OSTU.
Phone: +7 (983) 563-45-10.
E-mail: [email protected]
BIBLIOGRAPHIC DESCRIPTION
Panov K. V., Development of theimitation model of depovian repair of locomotives taking into account the probability of the appearance of additional technological operations. Journal of Transsib Railway Studies, 2018, vol. 4, no 36, pp. 21 - 30 (In Russian).
