CC BY
59
УДК 625.1.033
СИСТЕМНЫЙ АНАЛИЗ ЭКСПЛУАТАЦИОННОЙ НАДЕЖНОСТИ ПРОТЯЖЕННЫХ ТРАНСПОРТНЫХ ОБЪЕКТОВ
В.В. Четвертнова
Иркутский государственный университет путей сообщения Представлена членом редколлегии профессором Ю.Л. Муромцевым
Ключевые слова и фразы: геодеформационные воздействия; надежность железнодорожного пути; системный анализ; совершенствование системы объекта; факторный анализ.
Аннотация: Системный подход позволяет проецировать открытия последних десятилетий в области геодинамики на эксплуатационную надежность транспортной системы железнодорожного пути. Приводится оценка возможности управления фактором «геодеформационное воздействие».
В стратегической программе развития экономики России рост транспортных перевозок имеет приоритетное значение. При этом, в условиях огромной континентальной страны на первое место выходит эксплуатационная надежность протяженных транспортных сооружений.
В ряду важных факторов эксплуатационной надежности протяженных транспортных объектов можно выделить воздействия геологической среды в виде эндогенных и экзогенных процессов. Г еологические исследования последних десятилетий показывают, что процессы, происходящие в земной коре и передающиеся на поверхность, значительно (а в ряде случаев и катастрофически) влияют на работу протяженных сооружений [1, 3]. Из всех воздействий геологической среды сегодня наименее изучено воздействие на сооружения медленных неотек-тонических движений земной коры и эта проблема не отражена в нормативнотехнической документации [5, 6]. Подвижки в зонах активных движений земной коры могут быть вертикальными (восходящими и нисходящими) и горизонтальными. По отношению к работе искусственного объекта они названы геодеформа-ционными воздействиями.
Проблема эксплуатационной надежности протяженных транспортных объектов не может быть решена с позиции узкой специализации, которая при всей глубине знаний в отдельных отраслях не позволяет создать целостную картину объекта исследования. Рассматривая любой транспортный объект в виде сложной многоуровневой открытой системы, можно констатировать, что ее «непредсказуемость» в ряде случаев (аварии трубопроводов, сходы подвижного состава и так далее) найдет объяснения лишь с позиции системного подхода, который является методологической и теоретической базой системного анализа.
Учитывая, что системный анализ ориентирован на решение конкретных прикладных задач, он может быть использован для решения проблемы надежности протяженного транспортного объекта (на примере железнодорожного пути) и предусматривает последовательное прохождение следующих уровней: декомпозиция (формирование общего представления системы); анализ (формирование детального представления системы); синтез (создание системы, решающей проблему).
В рамках декомпозиции осуществляется формирование общего представления системы «железнодорожный путь» и исследование основных факторов, определяющих ее эксплуатационную надежность. В этой системе целесообразно выделить ряд подсистем: подвижной состав; верхнее строение пути; нижнее строение пути (земляное полотно); основание пути. Такое деление объекта на подсистемы вытекает из современной специализации наук, задействованных в изучении состояния и функционирования рассматриваемого объекта (рис. 1).
Системный подход в научном информационном обеспечении задач надежности транспортных объектов позволяет расширить перечень входных факторов, оказывающих влияние на работу системы. К таким факторам учитывая значительную протяженность рассматриваемого объекта, можно отнести фактор неоднородности геологической среды, отражающий сложность инженерно-геологических условий прохождения железной дороги.
Целесообразность выделения фактора «геодеформационные воздействия» из неуправляемой среды можно проследить на примере анализа созданной системы «железнодорожный путь».
При этом, решение проблемы обеспечения эксплуатационной надежности системы железнодорожного пути связывается с сокращением числа отказов по причине неисправностей пути (углы, перекосы, просадки, отклонения по уровню и ширине колеи).
Анализ отказов железнодорожного пути был проведен по участку ст. Гор-хон - ст. Юрты (Транссибирская магистраль) за период 1985-1997 гг. (протяженностью 1189 км). В качестве событий были приняты частичные отказы пути в виде внеплановых ограничений скоростей, зафиксированные в журналах предупреждений об ограничении скоростей в связи с неисправностями пути. Число отказов пути оценивалось в определенном промежутке времени на километре пути. Участки были сгруппированы по тектоническим зонам, согласно проведенного районирования по признаку активного неотектогенеза [2]. Характерно, что все участки с повторяющимися неисправностями железнодорожного пути проходили по зонам с активным движением земной коры (разломы и крупные тектонические разрывные нарушения).
«Всплески» неисправностей пути, приуроченные к участкам незначительной протяженности, зафиксированы в табл. 1. Представленная таблица, характеризует
Рис. 1. Системное представление объекта
Таблица 1
Неисправности пути на участке ст. Зима - ст. Ангарск ВСЖД
Станция Грузонапряженность, млн т x км / км в год, I путь / II путь Отказы (неисправности пути) местоположение / дата
Зима КМ 4934
37,9 /75,6 ПК49597 ПК49597 ПК49669 ПК49669 ПК68688 ПК68688 1 путь/1992; 1993;1993; 2 путь/1992; 1 путь/1993; 1993;1995; 2 путь/1992; 1 путь/1992; 1993; 1994; 2 путь/1991; 1993; 1993, 1994
Черемхово КМ 5054
36,8 / 55,4
Касьяновка КМ 5066
38,7 / 59,1 ПК50965 ПК50965 ПК50985 ПК50985 ПК51250 ПК51250 ПК51375 ПК51375 ПК51395 ПК51395 1 путь/1995; 1995; 2 путь /1985; 1988; 1995; 1 путь/1994; 1994; 2 путь/1985; 1996; 1 путь/1986; 1994; 2 путь/1986; 1993; 1994; 1 путь/1985; 1992; 1995;1996; 2 путь /1987; 1988; 3*(1994); 1996; 1 путь/1996; 2 путь /1986; 2*(1988); 1992; 1994
Ангарск КМ 5143,7
частоту повторяемости отказов на отдельных пикетах направления ст. Зима -ст. Ангарск Транссибирской магистрали. В таблице отражены отказы за период 1985-1996 гг. и выделены пикеты с повторяемостью отказов более трех раз.
Резкое снижение уровня надежности на фиксированных участках при регулярном проведении комплекса ремонтных работ, при отсутствии колебаний размеров пропущенного тоннажа требует совершенствования информационной базы о районе прохождения железнодорожной линии и подтверждает взаимосвязь надежности железнодорожного пути и состояния его «теоретически устойчивого» основания в зонах активных движений земной коры.
Таким образом, этап декомпозиции позволяет углубить представления о взаимодействии элементов в системе, расширить перечень входных факторов и создать доказательную базу, подтверждающую их значимость.
Этап анализа системы или формирования ее детального представления призван ответить на вопрос о возможности управления фактором «геодеформацион-ные воздействия». Проведенный многофакторный анализ позволил найти частоту повторяемости сочетаний двух-четырех факторов и зафиксировать наиболее часто повторяющиеся сочетания. Анализ проведен с привлечением положений морфологического метода.
Для выявления наиболее неблагоприятных сочетаний были отобраны следующие факторы (варианты их возможных значений):
- тектоника (зоны разломов и сопряжения - Р; зоны опускания - О и зоны поднятия - П );
- характеристика продольного профиля (тип профиля выпуклый - А; вогнутый - Д; уступообразный - В);
- алгебраическая разность сопрягаемых уклонов А/, 00о (Д/ < 4 - Х;
4 < Д < 10 - У; Д > 10 - I), при этом значение алгебраической разности сопрягаемых уклонов приняты в соответствии с действующими нормативами; Д/ = 4 -соответствует рекомендуемой норме для дорог /-ой категории при длине приемоотправочных путей /поп = 1050 м, А / = 10 - соответствует допустимой алгебраической разности сопрягаемых уклонов при тех же условиях;
- значение уклона на участке отказа /, 000 (/ < 3 - 1; 3 < / < 6 - 2; 6 < / < 12 - 3; / > 12 - 4);
- план пути: прямая, радиус Я, м (прямая -/; Я < 600 - £■; 600 < Я < 1200 - у; 1200 < Я < 4000 - е) (граничные значения радиусов приняты в увязке с ранее действовавшими нормативами, учитывая давность постройки дороги, и соответствуют трудным и особо трудным условиям);
- конструкция земляного полотна (насыпь - п; выемка - п>; нулевое место - I).
Факторы «грузонапряженность», «обращающиеся типы подвижного состава», «тип верхнего строения пути» не могут быть связаны с часто повторяющимися неисправностями на отдельных участках. Эти факторы находят отражение в системе планирования фактора «сроки ремонтов» и создают общий фон, на котором выявляются участки небольшой протяженности с более низким уровнем надежности [4].
Состояние системы на момент отказа характеризуется одновременно шестью факторами, и согласно принятым условным обозначениям может определяться шестью символами (каждый символ соответствует определенному значению фактора).
Например: Р А 1 I е I, что означает - отказ произошел на участке выпуклого продольного профиля на уклоне / < 3 при алгебраической разности сопрягаемых уклонов Д/ > 10 на участке прямой в плане на земляном полотне, соответствующем нулевому месту в зоне разлома.
Следует отметить, что представленный перечень анализируемых факторов определен в соответствии с целью исследования. Увеличение числа анализируемых факторов хотя и повышает ее адекватность реальному объекту, но в то же время создает опасность усложнения модели работы существующего пути.
Факторный анализ подтвердил взаимосвязь частоты повторяемости отказов системы с геодеформационными воздействиями и с факторами, характеризующими продольный профиль пути. Таким образом, управление фактором «геодефор-мационное воздействие» в рассматриваемой системе объекта требует совершенствования норм проектирования продольного профиля, которые отражают геометрию подсистем «верхнее строение пути» и «нижнее строение пути» [7].
Заключительный этап системного анализа «синтез» предусматривает использование при моделировании программного комплекса М8С/ЫА8ТКЛК -М8С/ РАТЯАМ
В общем случае математическая модель изучаемого объекта исследования может быть представлена следующими отношениями, характеризующими взаимосвязь внешних, внутренних и выходных параметров:
у = /(X, я), х е Як , g е Ят , у е Яп , (1)
где х, я, у - внешние, внутренние и выходные параметры, соответственно;
/ - векторная функция векторного аргумента; Як,Ят,Яп - области внешних, внутренних и выходных параметров.
Для исследуемого объекта могут быть выделены следующие параметры:
- внутренние - свойства материалов земляного полотна и его основания, представленные плотностью р, модулем упругости Е и коэффициентом Пуассона V (приняты для изотропных материалов); геометрия объекта, отражающая варианты различных сочетаний параметров плана и продольного профиля железнодорожного пути;
- внешние - силовые воздействия от веса конструкций и поездов с учетом динамики и геодеформационных воздействий со стороны основания земляного полотна;
- выходные данные - нормальные и касательные напряжения, а также перемещения, характеризующие напряженно-деформированное состояние участка железнодорожного пути под воздействием внешних и внутренних факторов.
Оценка влияния выделенного внешнего фактора может быть проведена путем решения задачи установления закономерностей снижения устойчивости железнодорожного пути в зонах тектонических нарушений и выявления связей этих закономерностей с нормами проектирования продольного профиля [8]. Решение данной задачи может осуществляться только на этапе синтеза системы. Созданная модель системы и база выходных данных многовариантных ее поведений при варьировании входными параметрами позволит решить проблему надежности железнодорожного пути.
Выводы
1. Проведенная структурно-функциональная декомпозиция позволила создать общее представление о железнодорожном пути, как системном объекте и из области неуправляемых факторов выделить фактор «геодеформационные воздействия», который на определенных участках железнодорожного пути оказывает влияние на выходные параметры системы. В то же время, современные нормативы не имеют дифференциации по участкам железнодорожного пути, проложенным в зонах с различной геотектонической активностью (за исключением сейс-мики), а стабильность основания пути не связывается с геодеформационными воздействиями.
2. Проведенные исследования позволили сделать выводы, что геодеформа-ционные воздействия по-разному проявляются при различных формах продольного профиля пути, отражающего геометрию подсистем «верхнее строение пути» и «нижнее строение пути». Одним из аспектов решения проблемы обеспечения эксплуатационной надежности транспортной системы на примере железнодорожного пути выделено сокращение числа отказов по причине неисправностей пути (углы, перекосы, просадки, отклонения по уровню и ширине колеи).
3. Управление входным фактором «геодеформационное воздействие» в рассматриваемой системе протяженного транспортного объекта предложено осуществлять путем совершенствования норм проектирования продольного профиля, которые отражают геометрию подсистем «верхнее строение пути» и «нижнее строение пути».
Список литературы
1. Быкова, Н.М. Неотектонические движения земной коры и деформации дорожных сооружений / Н.М. Быкова. - Иркутск : ИрИИТ, 1998. - 136 с.
2. Быкова, Н. М. Районирование железнодорожных трасс по признакам активности неотектогенеза / Н.М. Быкова, А. А. Дзюба // Сейсмостойкое строительство. Безопасность сооружений. - 2001. - № 4. - С. 50-54.
3. Кострюкова, Н.К. О повторяющейся аварийности и других негативных явлениях в связи с фактором природного риска - современно-активными разломами
земной коры / Н.К. Кострюкова, О.М. Кострюков // Горные науки на рубеже XXI века : материалы междунар. конф. 1997 г. - Екатеринбург, 1998. - С. 439-444.
4. Положение о системе ведения путевого хозяйства на железных дорогах Российской Федерации. МПС РФ. - М., 2002.
5. Строительно-технические нормы МПС РФ / Железные дороги колеи 1520 мм. СТН Ц-01-95. - М. : МПС РФ, 1995.
6. Проектирование земляного полотна железных дорог колеи 1520 мм / СП-32-104-98. Свод правил по проектированию и строительству / Госстрой России. - М. : ГУПЦПП, 1999. - 90 с.
7. Четвертнова, В.В. Оценка надежности рельсовой колеи на геодинамически активных участках Транссибирской магистрали / В.В. Четвертнова // Геодинамика и дорожные сооружения Восточной Сибири : сб. научн. тр. / ИрГУПС. - Иркутск, 2002. - С.33- 43.
8. Четвертнова, В.В. К вопросу совершенствования норм проектирования железных дорог / В.В. Четвертнова // Научное обозрение. - 2006. - № 1. - С. 5-7.
System Analysis of Operate Reliability of Extended Transport Objects
V.V. Chetvertnova
Irkutsk State University of Railroad Service
Key words and phrases: factor analysis; geo-deformation influence; improvement of the object system; reliability of railroad; system analysis.
Abstract: The system approach enables to project the findings of the past decades in the area of geodynamics to the operate reliability of transport system of railroads. The evaluation of the possibility of control over the factor «geo-deformation influence» is given.
Systemanalyse der Betriebszuverlassigkeit der Langtransportobjekte
Zusammenfassung: Das Systemherangehen erlaubt die Eroffnungen
der letzten Jahrzehnte auf dem Gebiet der Geodynamik auf die Betriebszuverlassigkeit des Transportsystems des Eisenbahnweges zu projizieren. Es wird die Einschatzung der Moglichkeit der Steuerung vom Faktor «Deformationseinwirkung» angefuhrt.
Analyse systemique de la sflrete d’exploitation des objets etendus de transport
Resume: L’approche systёmique permet de projeter les dёcouvertes des dernieres dёcennies dans le demaine de l’hydrodynamique sur la sйretё d’exploitation du systeme de transport des chemins de fer. Est don^e Evaluation de la possibili^ de la gestion du facteur «action de gёodёformation».
