Повышение функциональной надежности железнодорожных станций при технологических сбоях

На правах рукописи

ТИМУХИНА ЕЛЕНА НИКОЛАЕВНА

ПОВЫШЕНИЕ ФУНКЦИОНАЛЬНОЙ НАДЕЖНОСТИ ЖЕЛЕЗНОДОРОЖНЫХ СТАНЦИЙ

ПРИ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ СБОЯХ

Специальность 05.22.08 – Управление процессами перевозок

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание учёной степени

доктора технических наук

Екатеринбург – 2012

Работа выполнена на кафедре «Управление эксплуатационной работой» Федерального государственного бюджетного образовательного учреждения высшего профессионального образования «Уральский государственный университет путей сообщения» (ФГБОУ ВПО УрГУПС)

Научный консультант – доктор технических наук, профессор, лауреат Государственной премии Российской Федерации,

Козлов Петр Алексеевич

Официальные оппоненты:

Горелик Александр Владимирович, доктор технических наук, профессор, заведующий кафедрой «Железнодорожная автоматика, телемеханика и связь» Московского государственного университета путей сообщения.

Ефименко Юрий Иванович, доктор технических наук, профессор, заведующий кафедрой «Станции, узлы и грузовая работа» Петербургского государственного университета путей сообщения.

Шалягин Дмитрий Валерьевич, доктор технических наук, профессор, заместитель начальника отдела «Международное сотрудничество» Проектного конструкторско-технологического бюро железнодорожной автоматики и телемеханики – филиала ОАО «РЖД».

Ведущее предприятие – ОАО «Научно-исследовательский и проектно-конструкторский институт информатизации, автоматизации и связи на железнодорожном транспорте» (ОАО «НИИАС»).

Защита состоится «30» «мая » 2012г. в 14-00 часов на заседании диссертационного совета Д 218.013.01 при Уральском государственном университете путей сообщения по адресу: 620034, г. Екатеринбург, ул. Колмогорова, 66, аудитория Б2-15.

С диссертацией и авторефератом можно ознакомиться в библиотеке Уральского государственного университета путей сообщения, на сайте Министерства образования и науки РФ http://vak.ed.gov.ru , на официальном web-портале УрГУПС http://usurt.ru .

Автореферат разослан « » « » 2012г.

Отзыв на автореферат в 2-х экземплярах, заверенный печатью организации, просим направлять в адрес Диссертационного совета университета.

Ученый секретарь

диссертационного совета,

доктор технических наук Асадченко Виталий Романович

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность проблемы. Рыночная экономика требует, чтобы экономическое взаимодействие обеспечивалось надежными и эффективными транспортными связями. Особое внимание при этом следует уделять надежности работы железнодорожных станций. Именно здесь обнаруживаются технологические потери от разного рода сбоев в работе. Технологические сбои, такие как сход подвижного состава или выход из строя средств автоматики, снижают работоспособность станции и ведут к экономическим потерям. Нарушение крепления и сдвиг груза при роспуске с горки угрожает безопасности движения и вызывает дополнительную маневровую и грузовую работу. Устранить полностью возможность технологических сбоев в ближайшее время не представляется возможным. В последние десятилетия не вкладывались достаточные инвестиции для своевременного обновления технических средств – в путевом, вагонном и локомотивном хозяйстве, а также в хозяйстве автоматики и телемеханики. По оценке экспертов из-за технологических сбоев железнодорожные станции теряют 10-15% своей производительности. Таким образом, для решения проблемы необходимо решить двуединую задачу: техническую – снизить насколько возможно вероятность технологических сбоев и функциональную – снизить негативные последствия от них.

Целью исследования является создание методологии оценки функциональной надежности железнодорожных станций и поиск путей ее повышения при технологических сбоях.

Для этого необходимо решить следующие задачи.

1. Исследовать природу функциональной надежности железнодо-рожных станций и характера влияния на нее технологических сбоев.
2. Разработать методологию расчета и снижения функциональной уязвимости станции.
3. Предложить методологию оценки функциональной надежности и снижения технологических потерь за счет активизации адаптивных свойств и специально разработанных процедур.

В качестве объекта исследования выбраны железнодорожные станции.

Предметом исследования является их функциональная надежность (работоспособность станции).

Достоверность основных научных положений, выводов и рекомендаций. Достоверность научных результатов подтверждается логичным построением процесса исследования, корректным использованием математических методов и оптимизирующих процедур, а также практическими расчетами и результатами внедрения.

Научная новизна исследования состоит в следующем.

1. Исследована природа функциональной надежности железнодо-рожных станций и характер влияния на нее технологических сбоев.

2. Разработана методология оценки уровня функциональной надеж-ности методом имитационного моделирования с оптимизирующими процедурами.

3. Предложена методика определения функциональной уязвимости транспортных систем при нарушении работоспособности того или иного ее элемента.

4. Определены пути снижения вероятности сдвига груза при маневровых соударениях.

5. Разработаны способы повышения функциональной надежности за счет повышения адаптивности транспортной системы.

Все это является существенным вкладом соискателя в развитие фундаментальных исследований в области теории систем, теории управления и принятия решений.

Методы исследования базируются на использовании аппарата оптимизации, теории случайных процессов, теории надежности, теории множеств, имитационного моделирования и теории принятия решений.

Практическая значимость. Разработанные научные основы и методические материалы по оценке и повышению функциональной надежности железнодорожных станций могут быть широко использованы ОАО РЖД, также на станциях промышленных предприятий для снижения технологических потерь от разного рода сбоев. Методика определения элементов, вызывающих повышенную функциональную уязвимость станций, создает основу для построения рациональной технологии контроля устройств автоматики, путевого хозяйства и других, а также очередности их замены. Способы снижения функциональных потерь при технологических сбоях могут быть использованы для совершенствования технологических процессов железнодорожных станций.

Реализация результатов работы. Результаты научных исследований использовались при экспертизе проектов развития транспортного узла Усть-Луга, Свердловского узла, железнодорожного узла Дема Куйбышевской железной дороги, Новолипецкого металлургического комбината, станции Карымская Забайкальской железной дороги. Технология исследования работы и оценки функциональной надежности железнодорожных станций используются в учебном процессе Уральского государственного университета путей сообщения при изучении дисциплин «Моделирование транспортных систем», «Оптимизация транспортных систем», «Теория принятия решений», «Технология и управление работой станций и узлов».

Основные результаты, представляемые на защиту.

1. Теоретические основы функциональной надежности транспортных систем.

2. Исследование природы функциональной надежности железнодо-рожных станций и характера влияния на нее технологических сбоев.

3. Методика определения функциональной уязвимости станции при нарушении работоспособности тех или иных устройств.

4. Методология оценки функциональной надежности станций имитационным моделированием.

5. Способы снижения вероятности коммерческих браков при креплении грузов на открытом подвижном составе.

6. Методология снижения функциональных потерь при технологических сбоях за счет адаптивности и специальных режимов управления.

Апробация работы. Основные положения и результаты диссертационной работы обсуждались и были одобрены на: Международной научно-технической конференции «Актуальные проблемы автомобильного, железнодорожного, трубопроводного транспорта в Уральском регионе» (Пермь, ПГТУ 2005); VIII-й Международной научной конференции «Телематика, логистика и безопасность на транспорте» (Польша, г. Катовице, Силезский технологический университет 2008, 2009); I-ой Международной научно – практической конференции «Технология, материалы, транспорт и логистика» (Украина, ВСНТУ 2010); Международной научно – практической конференции «Инновации для транспорта» (Омск, ОмГУПС 2010); Всероссийской научно-практической конференции учёных транспортных вузов, инженерных работников и представителей академической науки Современные технологии – железнодорожному транспорту и промышленности (Хабаровск, ДВГУПС 2006); III Всероссийской научно-практической конференции «Наука и образование – транспорту» (Самара, СамГУПС 2010); Всероссийской научно-практической конференции «Транспорт – 2011» (Ростов-на-Дону, РГУПС 2011); научно-практической конференции «Безопасность движения поездов» (Москва, МИИТ 2005, 2006, 2008, 2010, 2011); V-й Научно – практической конференции «Проблемы безопасности на транспорте» (Гомель, БелГУТ 2010); конференции «Системная интеграция на транспорте», (Москва-Магнитогорск, 2010); заседаниях кафедры «Управление эксплуатационной работой» с приглашением ведущих ученых университета и специалистов (УрГУПС 2009, 2010, 2011); ежегодных научно-практических конференциях «Молодые ученые – транспорту» и семинарах докторантов (УрГУПС).

Публикации. По теме диссертации опубликована 31 работа, в том числе 16 в ведущих изданиях из перечня, рекомендованного ВАК России.

Структура работы. Работа содержит 384 страницы машинописного текста, 101 рисунок, 18 таблиц. Диссертации состоит из введения, 7 глав, заключения, список использованной литературы из 152 наименований и 3 приложений.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении дается обоснование актуальности проблемы, формулируется цель и задачи исследования.

В главе 1 исследуются природа технологических сбоев и их последствия. Железнодорожные станции работают в условиях, когда невозможно пренебречь вероятностью технологических сбоев. Высокий процент износа устройств железнодорожной автоматики вызывается сверхнормативным их износом. Сход вагонов во время маневровой работы имеет самые разнообразные причины – и износ рельсов, и разного рода поломки вагонов, и нарушения ПТЭ по содержанию устройств. По оценке экспертов причины технологических сбоев невозможно быстро и легко устранить. Дополнительной технологической проблемой является сдвиг груза при соударении вагонов, особенно при роспуске с горки. Здесь причиной является и несоблюдение правил крепления, и несовершенство в методике расчета креплений.

В диссертации обосновывается понятие функциональной надежности транспортных систем и методика ее количественной оценки, исследуется природа функциональных потерь при технологических сбоях. Предлагается методология исследования функциональной уязвимости и надежности станций методом имитационного моделирования, предлагаются подходы по снижению вероятности сбоев и уменьшению функциональных потерь при их возникновении за счет повышения адаптивности и специально разработанных процедур технологического реагирования.

В своих исследованиях автор опиралась в области технологии работы транспорта на труды ученых В. М. Акулиничева, В. И. Апатцева, А. Ф. Бородина, А. П. Батурина, Ю. В. Дьякова, Ю. И. Ефименко, П. А. Козлова, Л. С. Крохина, В. А. Кудрявцева, П. В. Куренкова, В. Я. Негрея, А. Т. Осьминина, Ю. О. Пазойского, В. А. Персианова, Н. В. Правдина, С. М. Резера, И. Б. Сотникова, Е. А. Сотникова, Н. С. Ускова, Н. Н. Шабалина, В. А. Шарова, И. Н. Шапкина, М. И. Шмулевича, в области методов оптимизации – А. Э. Александрова, Н. П. Бусленко, В. Н. Буркова, О. В. Евсеева, Н. Н. Моисеева, Д. А. Поспелова, использовались разработки ведущих научных организаций отрасли. Методы моделирования устройств железнодорожной автоматики описаны в работах В. В. Сапожникова и Вл. В. Сапожникова. Вероятностные методы оценки их безопасности рассмотрены в работах Б. Ф. Безродного, П. Ф. Бестемьянова, Д. М. Гавзова, В. М. Лисенкова, Д. В. Шалягина, И. Б. Шубинского. В области живучести работы устройств железнодорожной автоматики на труды А. В. Горелика. В вопросах расчета крепления грузов автор опиралась на основополагающие работы профессора Х. Т. Туранова, а так же на исследования П. С. Анисимова, В. К. Бешкето, А. Д. Малова, В. В. Повороженко, А. А. Смехова, В. Б. Зылёва.

Эффективное взаимодействие производственных систем требует надежной работы транспорта. Для этого технологические функции всех подразделений железнодорожного транспорта должны выполняться качественно и с должной надежностью. Однако существуют технологические сбои, которые могут приводить к уменьшению функциональных возмож-ностей. Основные из таких сбоев сводятся к трем группам (рисунок 1).

Рисунок 1 – Технологические сбои и их последствия

Отказы средств железнодорожной автоматики пока что нельзя назвать явлением исключительным, что подтверждается исследованиями аналитиков, которые проводят градацию отказов на сети железных дорог по видам за 2010 год (рисунок 2).

Рисунок 2 – Распределение отказов по видам и объектам на сети железных дорог за 2010 г.

Слишком разнообразные причины вызывают и сход вагонов (рисунок 3).

Рисунок 3 – Причины схода вагонов при маневрах

Анализ показал, что размещение груза с нарушением технических условий производилось уже при погрузке (рисунок 4). Например, количество вагонов с коммерческими неисправностями по Восточно-Сибирской железной дороге в 2010г. составило 5957 вагонов, из них 42% с нарушениями технических условий и расстройством погрузки, угрожающими безопасности движения; по Южно-Уральской железной дороге – из 5546 вагонов 47%; по Свердловской железной дороге – из 5253 вагонов 61%; по Московской железной дороге – из 5191 вагона 59% с нарушениями технических условий и расстройством погрузки, угрожающими безопасности движения. Неблагоприятное положение с обеспечением безопасности и на других дорогах (рисунок 5).

Рисунок 4 – Количество случаев размещения груза с нарушением технических

условий при погрузке в 2010г.

Рисунок 5 – Количество вагонов с коммерческими неисправностями

по дорогам за 2010г.

С целью повышения функциональной надежности железнодорожных станций в условиях, когда существует вероятность технологических сбоев из-за выше перечисленных проблем на транспорте, необходимо найти способы снижения вероятности технологических сбоев; разработать методологию оценки технологических потерь станций при возникновении технологических сбоев различной природы и разработать методы повышения функциональной надежности станций при технологических сбоях.

Глава 2 посвящена исследованию природы функциональной надежности транспортных систем и характера потерь при технологических сбоях на железнодорожных станциях. Функциональную надежность можно характеризовать вероятностью выполнения некоторой функции при обеспечении заданных технологических параметров.

Работа элемента транспортной системы не имеет законченного функционального значения. Поэтому функциональную надежность следует определять по вероятности выполнения технологической операции, элементарного технологического процесса и целостной функции системы.

Функциональную надежность можно характеризовать вероятностью выполнения некоторой функции – , при обеспечении заданных технологических параметров и .

, , (1)

где , – технологические параметры выполнения функции; , – предельные значения технологических параметров; – множество параметров, по которым задается верхняя граница; – множество параметров, по которым задается нижняя граница.

Таким образом, можно говорить о вероятности выполнения -й технологической операции , -го процесса и всей функции .

Коэффициент функциональной готовности определяет вероятность того, что в произвольный момент времени система готова к выполнению технологических процессов, находится согласно следующей формуле:

, (2)

где – среднее время до функционального отказа относительно информационных процессов; – среднее время до функционального отказа относительно процесса; – среднее время восстановления правильного выполнения процесса; – среднее время восстановления информационного процесса.

Следует различать функциональную надежность в элементарных и системных процессах. Надежность выполнения основной функции транспортной системы зависит лишь опосредованно от надежности работы элементов (рисунок 6).

Здесь влияют многие факторы. И один из важнейших – уровень адаптации в системе, ибо гибкое управление порождает динамические резервы. В транспортной системе функционально можно выделить следующие уровни: элементарная функция элемента, технологическая операция, процесс, функция системы.

При правильной организации технологии и развитой адаптации вероятность невыполнения функции снижается с увеличением структурного технологического уровня и, соответственно, увеличивается функциональная надежность (рисунок 7).

Технологический ущерб от выхода из строя того или иного устройства может быть разным, в зависимости от его расположения в структуре системы, числа и характера структурных связей, особенностей использования его в технологическом процессе. В общем случае функциональные потери можно представить в виде:

– в операции:

, (3)