Содержание к диссертации
Введение
1 Обобщенная модель иерархической системы регулирования движения поездов 11
1.1 Моделирование компонентной структуры иерархической системы регулирования движения поездов 11
1.2 Компонентно-функциональная структура иерархической системы регулирования движения поездов 16
1.3 Показатели технологической эффективности иерархических систем регулирования движения поездов 20
Выводы по главе 27
2. Методы оценки показателей технологической эффективности иерархических систем железнодорожной автоматики и телемеханики с учетом условий эксплуатации 29
2.1 Постановка задачи 29
2.2 Анализ надежности систем железнодорожной автоматики и телемеханики как объектов транспортной инфраструктуры 35
2.3 Оценка показателей надежности иерархических систем железнодорожной автоматики с использованием модели эталонных объектов 40
2.4 Определение проектных значений показателей надежности систем интервального регулирования движения поездов с учетом условий эксплуатации 45
2.5 Методика оценки рисков по условиям безотказности систем интервального регулирования движения поездов 52
Выводы по главе
3. Оценка и анализ показателей надежности систем железнодорожной автоматики и телемеханики на этапе старения 57
3.1 Общие положения 57
3.2 Моделирование процесса старения систем железнодорожной автоматики и телемеханики 60
3.3 Методика статистической оценки технического состояния систем и устройств железнодорожной автоматики и телемеханики 73
3.4 Статистическая оценка остаточного ресурса систем железнодорожной автоматики и телемеханики 80
Выводы по главе 85
4 Методика оценки экономического ущерба и упущенной выгоды от отказов устройств железнодорожной автоматики, вызванных поставками некачественного оборудования 86
4.1 Постановка задачи 86
4.2 Сбор и представление исходных данных 92
4.3 Определение фактических значений интенсивностей отказов и восстановлений устройств железнодорожной автоматики 95
4.4 Оценка качества оборудования, используемого при ремонте устройств железнодорожной автоматики и телемеханики 96
4.5 Оценка средней величины ущерба, вызванного поставками некачественного оборудования 97
4.6 Оценка средней величины упущенной выгоды 101
Выводы по главе 103
Заключение 104
Список литературы 10
- Компонентно-функциональная структура иерархической системы регулирования движения поездов
- Анализ надежности систем железнодорожной автоматики и телемеханики как объектов транспортной инфраструктуры
- Определение проектных значений показателей надежности систем интервального регулирования движения поездов с учетом условий эксплуатации
- Определение фактических значений интенсивностей отказов и восстановлений устройств железнодорожной автоматики
Введение к работе
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. Бесте-мьянов, 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 по-разному учитывают различные факторы, выбирают модели и вводят допуще-
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:
-
Исследовать структуру и принципы функционирования иерархических систем железнодорожной автоматики и телемеханики с целью выявления отличительных особенностей, обобщающих признаков и построения соответствующей системной модели.
-
Выработать единый подход к оценке технологической эффективности и надежности сложных систем железнодорожной автоматики и телемеханики, выявить необходимый перечень показателей эффективности.
-
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.
Научная новизна полученных результатов состоит в следующем:
-
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.
-
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.
-
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.
-
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 материально-технических ресурсов при обновлении и модернизации инфраструктуры железнодорожного транспорта. Математические модели могут быть использованы при реализации программного обеспечения информационных систем железнодорожного транспорта.
На защиту выносятся:
-
Компонентно-функциональная модель иерархических систем регулирования движения поездов, позволяющая на единой методологической основе производить оценку показателей их технологической эффективности.
-
Система поправочных коэффициентов для иерархических систем регулирования движения поездов, позволяющая учитывать предполагаемые
условия эксплуатации при оценке их технологической эффективности на этапе проектирования.
-
Методика статистической оценки технического состояния систем и устройств железнодорожной автоматики и телемеханики, позволяющая рассчитывать прогнозные значения остаточного ресурса этих систем.
-
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).
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.
Компонентно-функциональная структура иерархической системы регулирования движения поездов
Железнодорожный транспорт оснащен различными техническими средствами и системами автоматики для автоматизации технологических процессов формирования и движения поездов и выполнения требований безопасности при поездной и маневровой работе. Рассмотрим принципы построения и функционирования множества различных существующих иерархических систем регулирования движения поездов (ИСРДП) на основе комплексной модели ИСРДП.
В настоящее время при анализе и синтезе сложных (больших) систем получил развитие системный подход, позволяющий осуществлять исследование сложного объекта не изолированно, а во взаимодействии с внешней средой, а также в совокупности с другими системами. При этом он позволяет решить проблему построения сложной системы с учетом всех факторов и возможностей пропорционально их значимости.
По указанным причинам в качестве методологической основы комплексного моделирования систем железнодорожной автоматики и телемеханики в виде ИСРДП предлагается использовать системный подход. Такая модель была предложена в работах [19, 27]. Как следует из специфики системного подхода, это позволит рассматривать технологический процесс, персонал и технические средства не по отдельности, а в комплексе. Системный подход включает в себя системный анализ и системный синтез. Модель ИСРДП может быть построена на этапе системного анализа, в результате изучения информации об аналогичных системах. С целью упрощения, а также унификации представления информации о ИСРДП предлагается описывать его множествами данных о его компонентах 1С, о взаимосвязях IRL и о результатах функционирования IRF.
Следовательно, комплекс формализмов, представляющих обобщенную модель ИСРДП, представим в виде следующего кортежа (множества упорядоченных наборов): MFC= IC, IRL, IRF . (1.1)
Здесь под данными о компонентах ИСРДП {1С) понимается информация о том, из каких типов и из каких реальных объектов состоит ИСРДП. Данные о взаимосвязи компонентов представляют собой морфологическую структуру ИСРДП. Поскольку данные неоднородны по своей сущности, будем представлять их в виде структур. Следует отметить, что, несмотря на то, что элементы кортежа (1.1) разделены между собой, их разработка при создании модели должна осуществляться на многих этапах параллельно.
Как указано выше, при системном анализе объект исследования выделяется из окружающей среды. Смысл его выделения из окружающей среды заключается в выявлении связей и сигналов, поступающих в ИСРДП от систем, расположенных выше, ниже по иерархии, на том же уровне, а также сигналов, формируемых самим ИСРДП для других систем, и в последующей замене внешней среды совокупностью названий взаимодействующих внешних систем и их сигналов.
Выявление внутренней структуры ИСРДП заключается в последовательном выделении подсистем, блоков, подблоков, вплоть до элементов ИСРДП.
Место ИСРДП в окружающей среде и описание состава входящих в него подсистем содержит компонентно-системная структура. Описание типов компонентов и наборов компонентов каждого типа в каждой подсистеме, представленной в компонентно-системной структуре, содержится в множестве компонентно-элементных структур. Иногда при описании компонентной структуры выделяют и иные виды структур, например компонентно-функциональную, ко 13 торая выявляет компоненты по функциональному признаку (функциональные системы) и т.д.
С учетом сказанного данные о компонентных структурах ИСРДП (/С), достаточно полно описывающих ИСРДП, представим совокупностью следующих составляющих: IC= CSS, CES, CFS , (1.2) где CSS - компонентно-системная структура ИСРДП; CES - множество компонентно-элементных структур подсистем ИСРДП; CFS - компонентно-функциональная структура ИСРДП. Компонентно-системную структуру ИСРДП на основании ее назначения представим кортежем вида CSS = СOS, CIS , (1.3) где COS - сведения об окружающей среде; CIS- сведения о внутреннем составе ИСРДП (перечень подсистем). Сведения об окружающей среде удобно представить в виде кортежа следующих компонентов: CSS = IMS, ISS, IVS , (1.4) где IMS - данные о метасистемах, в которые входит ИСРДП; ISS данные о комплексе смежных систем; IVS данные о комплексе возмущающих систем. Под метасистемой понимается система, расположенная выше по иерархии и подсистемой которой является данная ИСРДП. Смежные системы - это системы, с которыми функционально и (или) информационно, и (или) технологически связан ИСРДП, но которые не входят в его состав. Как правило, смежные системы - это системы одного уровня иерархии. Возмущающие системы -это системы, которые организационно не связаны с исследуемой системой, в данном случае ИСРДП, но оказывают то или иное влияние на ее существование и качество функционирования. Каждый элемент кортежа (1.4) представляет собой некоторое упорядоченное множество компонентов (систем): IMS Sl={w1 j j}, (1.5) ISS S2 = {icfs geG}, (1.6) IVS 83 = {icm\iGl}. (1.7) Следует отметить, что при описании компонентов некоторые множества могут быть пустыми, т.е. не содержать ни одного элемента (например, множество возмущающих систем 83 = 0). Для унификации описания удобно данные о каждом компоненте (1.4) представить в следующем виде (таблица 1.1). Таблица 1. Имя множества, im Имя компонента (элемента,системы) icin Тип компонента (элемента, системы),tc m Вид взаимодействия,VV Формально: ісіт істеТСот, (1.8) icm wimGW; (1.9) Sim = { isT,K, \im = \,2,3 х = \...К]. (1.10) где ТСот, W - множества типов компонентов и видов взаимодействия компонентов соответственно; К - мощность множества компонентов im.
Для ИСРДП надсистемами или метасистемами являются информационные системы, прежде всего ГИД «Урал», информационно-управляющая система «СИРИУС», Центр управления местной работой (ЦУМР), АСУ III. Для них ИСРДП выступает первичным источником информации и заменяет системы нижнего уровня. Соответственно для них ИСРДП формирует информацию о дислокации поездов, состоянии перегонов, путей и стрелочных секций на станциях. На основе анализа поездной ситуации в реальном времени ими в ИСРДП формируется текущая информация о графике движения поездов. Взаимодействие со всеми информационными системами осуществляется посредством локальной сети ЕДЦУ стандарта Ethernet через шлюз, пакетами принятого в стандарте Ethernet формата. Информация прикладного уровня, упакованная в пакеты Ethernet в соответствии со стандартом ISO, представляет собой единые коды для всех систем, соединенных в локальную сеть, и определяется технической реализацией программного обеспечения прикладного уровня систем, например в соответствии с выполняемой функцией: - команда для ИСРДП - «присвоение f-то приоритета на движение по участку TV-му поезду»; - команда для ИСРДП - «запрет на движение поездов по К-му участку диспетчерского круга»; - сигнал ИСРДП «TV-й поезд занял К-й участок пути»; - сигнал ИСРДП «JV-й поезд освободил К-й участок пути».
Круг возмущающих систем по отношению к ИСРДП достаточно широк: это и служба пути, и служба тяги и обслуживания пассажиров, и т.д. Данные о комплексе возмущающих систем ввиду отсутствия прямых и постоянно выраженных логических и информационных связей в модели не учитываются, тем более, что у многих из возмущающих систем по мере расширения комплексной системы управления железнодорожным транспортом появляется интерфейс непосредственно с информационно-управляющими системами, находящимися по иерархии выше ИСРДП. При этом их влияние начинает сводиться к возмущениям со стороны метасистемы.
Анализ надежности систем железнодорожной автоматики и телемеханики как объектов транспортной инфраструктуры
При расчете эксплуатационной надежности систем и устройств ЖАТ необходимо учитывать в комплексе процесс технической эксплуатации устройств сигнализации, централизации и блокировки (СЦБ) как случайный процесс, статистические данные об отказах устройств ЖАТ, а также случайный процесс восстановления этих устройств. Методы оценки эксплуатационной надежности систем и устройств ЖАТ приведены в работах В. И. Шаманова, А. В. Горелика, А. В. Шишлякова, Ю. А. Кравцова [21, 22, 24, 50, 69 и др].
В соответствии с принятой на железнодорожном транспорте методологией управления ресурсами, рисками и анализа надежности (УРРАН) оценка надежности систем и устройств ЖАТ базируется на оценке проектных и фактических (достигнутых) показателей и последующем их сопоставлении между собой. Проектные и фактические показатели надежности относятся к разным этапам жизненного цикла систем.
Проектные показатели надежности функционирования систем ЖАТ могут быть определены на стадии их проектирования. Такой расчет позволяет выявить принципиальную возможность обеспечения системой ЖАТ заданных требований по безотказности и ремонтопригодности, а также выбрать наиболее рациональный (с точки зрения надежности) вариант модернизации или замены существующих систем и устройств ЖАТ.
Фактические показатели надежности определяются на стадии эксплуатации систем ЖАТ по результатам ее работы в конкретных условиях эксплуатации на основе данных о различных видах отказов и времени восстановления.
Оценка технологической эффективности функционирования систем ЖАТ, качества работы предприятий хозяйства СЦБ должна производиться на основе допустимых значений показателей надежности, рассчитанных по соответствующей методике [46] для станций и перегонов с учетом их технической оснащенности, размеров движения, климатических условий и других параметров. Это позволит уйти от традиционного подхода к оценке эффективности функционирования систем ЖАТ, существующего в хозяйстве автоматики и телемеханики, когда основным положительным результатом работы является сокращение числа отказов систем и устройств СЦБ по сравнению с предыдущим периодом работы, без учета условий эксплуатации и экономических рисков.
Для реализации такого подхода необходимо определить допустимые, фактические и расчетные значения показателей надежности систем и устройств ЖАТ для всей сети дорог на различных этапах жизненного цикла с учетом условий их эксплуатации. Внедряемая в настоящее время методология управления ресурсами на этапах жизненного цикла, рисками и анализом надежности позволяет не только определять указанные показатели, но и проводить их сравнительный анализ [4, 25, 41, 45, 46, 47] с целью определения (выработки) управленческих решений, направленных на устранение причин, вызывающих недопустимые несоответствия значений допустимых и фактических показателей надежности систем и устройств ЖАТ. В конечном итоге это обеспечит оптимизацию использования материальных и трудовых ресурсов и стоимости жизненного цикла систем и устройств ЖАТ.
Управление ресурсами на этапах жизненного цикла, рисками и анализ надежности систем ЖАТ проводится посредством целого комплекса показателей надежности, к которому относятся показатели безотказности, долговечности, ремонтопригодности и готовности. Согласно методологии УРРАН, расчет показателей надежности системы или устройства ЖАТ следует осуществлять исходя из допустимых значений комплексных показателей надежности и экономической эффективности, перечень которых приведен в таблице 2.1.
С учетом комплексных показателей надежности системы или устройства ЖАТ определяют основные показатели надежности, приведенные в таблице 2.2. Допустимая интенсивность отказов А,доп- это максимально допустимая интенсивность отказов рассматриваемой системы или устройства ЖАТ на участке железной дороги. Значение этого показателя определяется исходя из нормативного значения одного из комплексных показателей надежности, при 34 веденных в таблице 2.2 [46]. Например, на основе заданного значения коэффициента готовности [г] = 0,98 можно определить допустимое значение интенсивность отказов , при котором это условие выполняется.
Проектные и фактические показатели надежности относятся к разным этапам жизненного цикла систем ЖАТ. Проектная интенсивность отказов, которая определяется на стадии проектирования системы - это максимально-допустимая интенсивность отказов данной системы или устройства ЖАТ независимо от участка ее применения [47]. Расчет проектной интенсивности отказов осуществляется на основе структурных схем надежности, значение которой представляет собой постоянную величину для каждого объекта ЖАТ.
Фактическая интенсивность отказов, определяемая на стадии эксплуатации системы или устройства ЖАТ, - это достигнутая интенсивность отказов системы или устройства ЖАТ на заданном участке железной дороги. Определение фактической интенсивности отказов осуществляется с использованием методов математической статистики на основе сведений о различных отказах системы или устройства ЖАТ, полученных с использованием системы АСУ 35 Ш2 [45]. Значения фактической интенсивности отказов будут различными для различных расчетных периодов, при этом они будут находиться с заданной вероятностью в пределах некоторого поля допуска.
Определение проектных значений показателей надежности систем интервального регулирования движения поездов с учетом условий эксплуатации
При старении в условиях длительного хранения или эксплуатации происходит медленное изменение физико-химических свойств материалов обычно в худшую сторону под действием внутренних и внешних сил. Например, детали из стали, латуни и бронзы уменьшают свои прочность и упругие свойства, их поверхность покрывается окислами и становится неровной.
Изоляционные материалы (особенно органического происхождения) со временем резко изменяют свои механические и электрические свойства: становятся хрупкими; их поверхность делается шероховатой, и на ней легко образуется водяная пленка; увеличиваются электрические потери и падает электрическая прочность. Причины старения изоляционных материалов очень многообразны. Часто ими являются процессы окисления, интенсивность которых растет при повышенной температуре и ультрафиолетовом излучении. В результате окисления происходит дробление молекул материалов, ухудшаются их электроизоляционные свойства, растут жесткость и хрупкость материалов. При старении керамических материалов увеличиваются их диэлектрические потери, уменьшаются сопротивление изоляции и электрическая прочность.
Механические нагрузки вызывают явление усталости материала, проявляющиеся часто в снижении его прочности или упругости. При знакопеременных механических нагрузках старение происходит быстрее. Пружины реле, переключателей и других коммутационных элементов систем железнодорожной автоматики и телемеханики (ЖАТ), систематически подвергаясь изгибам, с течением времени теряют свои упругие свойства, уменьшаются их давление на контакты и надежность работы. Элементы устройств, находящихся в напря 58 женном состоянии, с течением времени могут изменять свою форму, а иногда и разрушаются. Винтовые и заклепочные соединения расслабляются.
У всех смазок с течением времени увеличивается вязкость, а под действием окружающей среды (главным образом кислорода) изменяются их физические свойства.
Процессы старения и износа являются неизбежными. Их нельзя полностью предотвратить, можно только в некоторой степени уменьшить вызываемые ими последствия [12, 17, 20].
В настоящее время ОАО «Российские железные дороги» заинтересовано в повышении конкурентоспособности на долгосрочный период. Наряду с иными мероприятиями, достижение указанной цели базируется на выявлении и использовании резервов в существующей инфраструктуре. В управлении своей эксплуатационной деятельностью компания использует методологию управления ресурсами, рисками и анализа надежности (УРРАН). Цель внедрения данной методологии заключается в снижении стоимости жизненного цикла объектов инфраструктуры при условии обеспечения высокого уровня надежности технических средств и требуемого уровня безопасности перевозочного процесса. При этом сами уровни надежности и безопасности определяются исходя из допустимых величин издержек на реализацию перевозочного процесса, а также на ликвидацию возможных последствий.
Методология УРРАН используется для оценки рисков, связанных с реализацией перевозочного процесса. Оценка и анализ рисков позволяют выработать решения по управлению уровнем надежности и безопасности функционирования систем ЖАТ, в том числе об их модернизации или замене [48, 49, 51]. Так аппаратура и устройства СЦБ являются основными средствами хозяйства железнодорожной автоматики и телемеханики, то для планирования и принятия решений необходимо производить оценку остаточного ресурса устройств СЦБ.
В данной работе предложен подход для получения вероятностной оценки остаточного ресурса устройств СЦБ, соответствующих основным видам основных средств хозяйства автоматики и телемеханик. Предложенный в данной ра 59 боте подход распространяется на те устройства СЦБ, которые оказывают непосредственное влияние на выполнение системами ЖАТ своих функций.
Оценка остаточного ресурса базируется на статистической оценке фактических значений показателей надежности и тенденции изменения этих показателей по отношению к допустимым значениям показателя надежности.
В качестве критерия предельного состояния устройств СЦБ используется допустимое значение интенсивности отказов Ядоп устройств ЖАТ на участке железной дороги [48, 49, 51]. Значения этого показателя определяется исходя из нормативного значения коэффициента простоя іп=0,003 или определяется эмпирически на основе экономических критериев [59].
Контроль технического состояния устройств СЦБ осуществляется на основе статистической оценки интенсивности отказов устройств ЖАТ — , эксплуатируемых на участке железной дороги. Тогда остаточный ресурс устройств СЦБ соответствует времени Тост, в течение которого значение показателя Я достигнет значения показателя Ядоп с вероятностью Рдоп.
Определение фактических значений показателей надежности осуществляется с использованием методов математической статистики на основе сведений о различных отказах устройств и систем ЖАТ на стадии эксплуатации, полученных с использованием автоматизированных систем, например, АСУ-Ш2.
При этом в предложенной методике приняты следующие допущения: - вероятность безотказной работы связана с интенсивностью отказов по экспоненциальному закону; - фактические значения интенсивности отказов Яф распределены по нормальному закону распределения (Яф= const); - изменения фактических значений интенсивности отказов Яф имеют линейную динамику.
Определение фактических значений интенсивностей отказов и восстановлений устройств железнодорожной автоматики
Как известно, несмотря на то, что доля капиталовложений в системы железнодорожной автоматики и телемеханики невелика по сравнению с затратами на содержание всей инфраструктуры в целом, от их надежного и безопасного функционирования в существенной мере зависят многие показатели качества перевозочного процесса, включая своевременность доставки грузов и пассажиров в пункт назначения, их сохранность, себестоимость и комфортность перевозки и, как следствие, привлекательность железнодорожного транспорта для клиентов на рынке транспортных услуг.
При проектировании систем железнодорожной автоматики и телемеханики в них закладывается некоторый уровень надежности, определяемый совокупностью соответствующих показателей надежности. Основными показателями надежности являются: - показатель безотказности - интенсивность отказов системы ЖАТ; - показатель ремонтопригодности - интенсивность восстановлений; - показатель готовности - коэффициент готовности. Значения данных показателей определяются расчетным путем в соответствии с типовыми расчетными схемами надежности, а также на основе данных о предполагаемых условиях технического обслуживания, ремонта и эксплуатации. Исходные данные для расчета показателя безотказности системы ЖАТ представляют собой интенсивности отказов каждого из элементов, входящих в нее. Эти значения определяются на основе данных, полученных в результате выборочного испытания продукции заводами-изготовителями из опытных партий и последующей статистической обработки результатов этих испытаний. Аналогичным образом определяются значения показателей ремонтопригодности элементов. На основе вычисленных значений показателей безотказности и ремонтопригодности вычисляется значение коэффициента готовности. Полученные в результате такого расчета значения показателей являются проектными и описывают предполагаемый уровень надежности системы ЖАТ на рассматриваемом участке при условии, что она состоит из элементов, уровень надежности которых равен уровню надежности испытанных образцов из опытной партии.
Известно, что уровень надежности технических средств ЖАТ, как и любых иных технических объектов, непосредственно зависит от качества и отлаженное технологии их производства, технического состояния производственного оборудования. В связи с этим результаты испытаний образцов различных элементов, как правило, соответствуют определенному интервалу времени с конкретной технологией производства и состояния оборудования. Причем для получения исходных данных в качестве репрезентативной используется выборка элементов одного или нескольких наиболее крупных производителей оборудования.
В связи с постоянным изменением технологии производства, состояния технологического оборудования, квалификации сотрудников даже в рамках одного предприятия качество продукции, в том числе и с точки зрения надежности, не является постоянным. Оно изменяется как в сторону улучшения, так и, в некоторых случаях, в сторону ухудшения. Например, качество может случайным образом ухудшиться при запуске новой, еще не отлаженной технологии или модификации выпускаемой продукции, когда еще нет достаточных статистических данных о поведении продукции в условиях эксплуатации. Кроме того, на рынке производителей в результате непрерывной конкурентной борьбы постоянно изменяется состав участников: появляются новые, исчезают старые, часть участников становится доминирующими, тогда как другие практически уходят с рынка. С другой стороны, на этапе проектирования обычно считают, что сборка производителем сложных составных элементов технических средств ЖАТ, в частности их блоков и подсистем из типовых элементов, осуществляется идеально, хотя на самом деле это не так.
Указанные факторы приводят к тому, что нормативные значения показателей надежности элементов систем ЖАТ, используемые при расчете, могут оказаться неактуальными для конкретного поставщика в настоящий момент времени по причине того, что опытная партия, на основе результатов испытаний которой эти показатели получены, может не отражать уровень надежности выпускаемой им продукции. В результате показатели надежности системы ЖАТ на этапе эксплуатации при полном соблюдении технологии технического обслуживания и ремонта, а также условий эксплуатации могут существенно отличаться от расчетных.
Неучет изменения надежности систем ЖАТ может приводить к дополнительным убыткам в виде ущерба и упущенной выгоды, в первую очередь, если уровень надежности технических средств ЖАТ, получаемых от некоторого поставщика, окажется ниже расчетных.
Под упущенной выгодой в соответствии с действующим гражданским законодательством понимают неполученные доходы, которые могли быть получены, если бы соответствующее право не было бы нарушено. Например, источниками упущенной выгоды могут быть снижение количества клиентов, вследствие перехода к другой транспортной компании, потеря премий по договорам перевозки, увеличение длительности оборота подвижного состава и занятости персонала и т.д. Как правило, выгода связана с реализацией конкретной перевозки в срок. Она теряется в случае срыва срока, в том числе и по причине простоя поездов из-за отказов оборудования.