автореферат диссертации по транспорту, 05.22.08, диссертация на тему:Автоматизированная система рабочего диагностирования систем железнодорожной автоматики и телемеханики

На правах рукописи

МАКСАЕВ Игорь Павлович

АВТОМАТИЗИРОВАННАЯ СИСТЕМА РАБОЧЕГО ДИАГНОСТИРОВАНИЯ СИСТЕМ ЖЕЛЕЗНОДОРОЖНОЙ АВТОМАТИКИ И ТЕЛЕМЕХАНИКИ

Специальность 05.22.08 - Эксплуатация железнодорожного

транспорта (включая системы сигнализации, централизации и блокировки)

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

МОСКВА -1998

На правах рукописи

Максаев Игорь Павлович

Автоматизированная система рабочего диагностирования систем железнодорожной • автоматики и телемеханики

Специальность 05.22.08,-

"Эксплуатация железнодорожного транспорта (включая системы сигнализации, централизации и блокировки)"

, - Автореферат диссертации на , соискание ученой степени кандидата технических наук

Москва - 1998

- г -

Диссертация выполнена в Российском государственном открытом техническом университете путей сообщения (РГОТУПС).

Научный руководитель - Заслуженный связист РФ, доктор технических наук, профессор Дмитренко Иван Ермолаевич.

Научный консультант - кандидат технических наук, Еременко Владимир Тарасович.

Официальные оппоненты:

доктор технических наук, профессор Волков Анатолий Алексеевич; - кандидат технических наук, старший научный сотрудник Астрахан Владимир Ильич.

Ведущая организация - Орловское отделение Московской железной дороги.

Защита состоится 22 декабря 1998 г. в 13 часов на заседании диссертационного совета К 114.09.03 при Российском государственном открытом техническом университете путей сообщения по адресу: 125808, Москва, ГСП-47, ул. Часовая, 22/2, ауд. 337.'

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке РГОТУПС.

Автореферат разослан 20 ноября 1998 г. Отзывы на автореферат в двух экземплярах, заверенные печатью. просим направлять в адрес диссертационного совета.

Ученый секретарь диссертационного совета

кандидат технических наук -Тербшина О.В.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы диссертационного исследования. В "Основных направлениях развития и социально-экономической политики железнодорожного транспорта на период до 2005 года" отмечается, что особенно важное значение приобретают проблемы повышения безопасности движения поездов, а также уровня надежности функционирования и совершенствования существующих систем железнодорожной автоматики и телемеханики (СЖАТ).

Решению данных проблем посвящены фундаментальные труды д. т.н., профессора A.M. Брылеева. д.т.н., профессора-В.М. Лисен-кова, д. т. н., профессора Ю. А. Кравцова, д. т. н., профессора Н.Ф. Котляренко.

В ПГУПСе под руководством д.т.н., профессора В.В. Сапожни-кова проводятся исследования, направленные на повышение надежности существующих устройств автоматики и разработку безопасных микроэлектронных СЖАТ.

Работы по проектированию и внедрению систем диагностирования с целью совершенствования СЖАТ и обеспечения безопасности движения поездов проводятся в РГОТУПСе под руководством д.т.н., профессора И.Е. Дмитренко.

Настоящий этап развития средств автоматики и вычислительной техники на железнодорожном транспорте характеризуется следующими тенденциями: ^ '

- существенным повышением требований к безопасности СЖАТ;

- структурным усложнением систем автоматики вследствие увеличения числа решаемых ими задач;

- повышением требований к безотказности и отказоустойчивости устройств;

- интеграцией элементной базы с одновременным увеличением количества используемых систем автоматики;

- увеличением сроков непрерывной эксплуатации.

Данные тенденции вступают в противоречие с уже существующей системой технической эксплуатации СЖАТ по следующим вопросам:

- ремонтопригодности систем;■---

- диагностического обеспечения устройств автоматики, работающих по многотактным схемам;

- методов диагностирования, заключающихся в ориентации научных и эксплуатационных подразделений на,методы тестового диагностирования.

Поэтому в работе основное внимание уделяется решению задач повышения уровня надёжности функционирования СЖАТ в условиях возрастающих требований к безопасности движения поездов.

Анализ предметной области исследования показал, что одним из основных направлений в решении данной проблемы является уменьшение времени восстановления на основе автоматизации и оптимизации алгоритмов рабочего контроля и диагностирования СЖАТ, позволяющих решить следующие задачи:

- улучшение качества технологического процесса обеспечения безопасности движения поездов:

- повышение безопасности, надежности и качества контроля СЖАТ;

- расширение функциональных возможностей диагностирования;

- сокращение субъективизма процессса диагностирования устройств автоматики;

- повышение качества измерений с обеспечением достоверности информации о техническом состоянии объекта диагностирования;

осуществление более глубокого контроля за функционированием систем на основе методов рабочего диагностирования.

Таким образом, разработка и внедрение автоматизированных систем рабочего диагностирования (АСРД) СЖАТ является важной научно-технической задачей, направленной на повышение качества обслуживания и надежности эксплуатируемых устройств автоматики, что позволяет -улучшить качество технологического процесса обеспечения безопасности движения поездов.

Целью диссертационной работы является повышение качества работы устройств автоматики и телемеханики и совершенствование системы восстановления СЖАТ за счет внедрения АСРД и реализации оптимальных алгоритмов рабочего диагностирования в рамках отрас-

левой научно-технической проблемы недостаточности уровня надежности функционирования СЖАТ при повышении требований к безопасности движения поездов.

Научной задачей является разработка методических основ АСРД СЖАТ, обеспечивающих минимальные суммарные затраты на техническую эксплуатацию систем, на основе исследования процессов их рабочего диагностирования и восстановления.

Для решения поставленной научной задачи необходимо решить следующие частные задачи.

1. Разработка динамических моделей функционирования СЖАТ, работающих по многотактным схемам, которые позволяют сформировать требования к качественным и количественным показателям систем для определения оптимальных алгоритмов рабочего диагностирования.

2. Создание методики определения оптимальных алгоритмов рабочего диагностирования устройств автоматики.

3. Разработка научно-технических решений по совершенствованию процессов рабочего диагностирования СЖАТ и обеспечению безопасности движения поездов.

Научная новизна. Впервые теоретически сформулированы и содержательно обоснованы следующие положения:

- созданы математические модели надёжности систем, учитывающие многофункциональность и многорежимность СЖАТ, работающих по многотактным схемам;

- разработан алгоритм оценки математического ожидания времени восстановления устройств автоматики при произвольной комбинации отказов;

- предложена процедура определения глубины поиска места отказа в СЖАТ, базирующаяся на оценке издержек системы восстановления;

- получена методика нахождения оптимальных алгоритмов рабочего диагностирования устройств автоматики;

- разработана автоматизированная система рабочего диагностирования СЖАТ.

Практическая значимость диссертации определяется использованием . результатов при диагностировании и восстановлении устройств автоматики в эксплуатационных условиях. Созданные в работе алгоритмы позволяют персоналу, обслуживающему СЖАТ, автоматизировать процессы рабочего диагностирования, выбирая оптимальные алгоритмы, а также значительно уменьшить время восстановления отказавшей системы и на основе этого повысить безопасность движения поездов.

Основные методы исследования. В основу исследований положена совокупность методов теории систем, технической диагностики, теории вероятности, теории математической статистики, математического моделирования, теории оптимизации и теории автоматизированных систем управления.

Реализация результатов работы. Разработанные методики, алгоритмы и решения внедрены в деятельность Орловского отделения Московской железной дороги.

Положения диссертационной работы были использованы при выполнении научно-исследовательских работ, проведенных в Орловском ВИПС и РГОТУПС.

Апробация результатов. Основные положения диссертационных исследований докладывались на научной . конференции "Актуальные вопросы развития защищенных телекоммуникационных сетей связи" (г. Орел, ВИПС, 1995), на,научно-технической конференции "Проблемы совершенствования систем и техники связи" (г. Санкт-Петербург. ВВИУС, 1996), на Всероссийской научной конференции "Проблемы создания и развития информационно-телекоммуникационных систем специального назначения" (г. Орел, ВИПС, 1997), на заседаниях кафедры "Автоматика и телемеханика на железнодорожном транспорте" РГОТУПС.

Публикации. По результатам и материалам диссертации опубликовано 5 печатных работ.

Основные положения, выносимые на защиту. .. , 1...Динамические модели функционирования СЖАТ, работающих по многотактным схемам.

2. Методика определения оптимальных алгоритмов' рабочего диагностирования устройств автоматики. •

3. Научно-технические решения по совершенствованию процессов рабочего диагностирования СЖАТ.

Структура и объём работы. Содержание диссертации определяется поставленной целью и порядком решения задачи и состоит из введения, четырёх глав, заключения, библиографического списка использованной литературы и приложений. Работа содержит. 143. страницы машинописного текста, 29 рисунков и таблиц, 54 библиографических наименования и 9 приложений. - ;

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ .. ■■ <

Во введении обосновывается актуальность рассматриваемой ..темы диссертационной работы. Сформулированы цель и задачи исследований, а также приведены основные результаты, полученные Видиссертации, и вопросы ей внедрения. , ,;

В первой главе анализируются надёжность функционирования существующих .СЖАТ. а также, безопасность движения поездов. Формулируется проблема, возникающая в процессе эксплуатации устройств автоматики и состоящая в недостаточности уровня надежности функционирования систем при"повышении требований к безопасности движения поездов. Рассматриваются направления повышения надёжности СЖАТ, различные программы технической эксплуатации, а также методы рабочего диагностирования. Содержательно описываются и математически обосновываются задачи исследования.

Анализ работы устройств автоматики показал, что уровень надежности функционирования эксплуатируемых систем не удовлетворяет современным требованиям по показателям безотказности и ремонтопригодности. Это обусловлено значительным числом отказов устройств автоматики и большим временем восстановления, достигающим одного-двух часов, что нарушает график движения поездов и приводит к простоям, большим материальным затратам,- а также не позволяет существенно снизить время задержек поездов и увеличить пропускную способность железных дорог.

При рассмотрении безопасности движения поездов выявлено её несоответствие существующим требованиям по интенсивности опасных отказов и зависимость от показателей надежности СЖАТ.

В результате исследований установлено, что уровень надежности функционирования, систем не удовлетворяет в полной мере возросшие требования х,-безопасности движения поездов по вопросам ремонтопригодностии диагностического обеспечения устройств автоматики, работающих по многотактным схемам, а также методов диагностирования ...заключающихся в ориентации научных и эксплуатационных подразделений на методы тестового диагностирования.

Для решения данной проблемы в работе рассмотрены методы повышения надежности СЖАТ, существующие, методы рабочего диагностирования и произведена оценка различных программ технической эксплуатации систем.

Анализ путей повышения надежности показал, что наиболее эффективным методом по критерию затрат является уменьшение среднего времени восстановления. При этом определено, что одним из основных сдерживающих факторов повышения надежности и безопасности является преобладание ручного труда при диагностировании и восстановлении СЖАТ, а одним из основных способов сокращения времени восстановления является автоматизация процессов диагностирования и восстановления, а также оптимизация алгоритмов .рабочего контроля и диагностирования СЖАТ, позволяющие улучшить качество технологического процесса обеспечения безопасности движения поездов, повысить надежность и качество контроля систем, расширить функциональные возможности диагностирования, сократить субъективизм процесса диагностирования устройств автоматики, повысить качество измерений и обеспечить достоверность информации о техническом состоянии объекта, а также осуществлять более глубокий контроль за функционированием систем на основе методов рабочего диагностирования.

При оценке программ технической эксплуатации СЖАТ аналитически доказано, что наиболее рациональной с точки зрения надежности является стратегия управления объектом по состоянию, ис-

пользующая адаптивный .метод управления, на основе системы комбинированного типа с применением принципа замены элементов по отказам и по результатам контроля параметров.

Анализ существующих методов рабочего диагностирования показал, что наиболее эффективным по критерию глубины й полноты диагностирования является метод рабочего диагностирования по алгоритму функционирования системы, учитывающий последовательность и время выполнения операций.

В результате исследований содержательно поставлена и математически сформулирована научная задача, заключающаяся в разработке методических основ АСРД СЖАТ, обеспечивающих минимальные суммарные затраты на техническую эксплуатацию систем, на основе исследований процессов их рабочего диагностирования и восстановления, а также определены частные задачи исследования.

Во второй главе сформированы требования к создаваемым моделям и выбран метод их построения для устройств автоматики. Разработаны и проанализированы математические •' модели надежности СЖАТ. Выбран метод оптимизации для определения оптимальных алгоритмов рабочего диагностирования систем.

Анализ научной задачи показал, что для ее решения необходимо построить математические модели надежности устройств автоматики с учетом выбранного метода рабочего диагностирования. В работе сформированы основные требования к построению данных моделей. Такие как:

- учет непрерывности большинства показателей качества функционирования системы, их вероятностного характера;

- иерархическая структура рассмотрения характеристик моделей;

- исследование динамики изменения показателей системы;

- реализуемость требуемого объёма вычислений при оценке характеристик моделей;

- содержательное и аналитическое описание показателей системы.

Анализ методов построения моделей надежности СЖАТ показал,

что для построения данных моделей наиболее подходит логико-вероятностный подход, предусматривающий поэтапный переход от логи-

черного определения условий работоспособности устройства к вероятностной оценке его состояний. При этом выделяется два этапа и соответствующие им две взаимосвязанные модели анализа: структурно-логическая и вероятностная.

Анализ функционирования устройств автоматики на примере электрической централизации (ЗЦ) показал, что необходима декомпозиция иерархического построения системы. При этом производился анализ объекта с делением на функции и построение структурно-логической модели системы.

В дальнейшем рассматривались функции с делением на режимы. При анализе ,ЭЦ в качестве основной выделена функция замыкания и размыкания маршрутов, состоящая из режимов перевода одиночной и спаренных стрелок, а также замыкания и размыкания маршрута.

Анализ графов состояний данных режимов показал, что, состояния определяются цепями подачи напряжения на элементы .СЖАТ или током в цепи, а также то. что такого деления,системы достаточно для определения требуемой глубины диагностирования.

Особенностью разработанных структурно-логических моделей является последовательное рассмотрение функционирования всей системы. функций, из которых состоит система, режимов, определяющих работу каждой функции, а также цепей, являющихся состояниями режимов. Созданные модели позволяют более глубоко исследовать процессы, происходящие в режимах и цепях СЖАТ, работающих по много-тактным схемам.

Анализ функционирования цепей показал, что их надежность зависит от частоты переключений, определяемой суточным расписанием движения поездов. Расписание на рассматриваемом интервале можно считать постоянным. Тогда состояния включения, выключения и отказа цепи можно, считать независимыми и описать переходы между ними однородными марковскими процессами, приняв за единицу времени сутки. При этом:

- структура СЖАТ ориентирована на выявление в ней отказов;

- формализация и автоматизация учета влияния отказов элементов

системы позволяет оценить ее работоспособность на различных уровнях детализации;

- учитываются и определяются цепочки причинных взаимосвязей отказов с учетом их воздействия на работоспособность других элементов;

- осуществляется количественный анализ и строится множество оценок важности каждого элемента в системе, критичности элементов и надежности СЖАТ;

- обеспечивается наглядность представления процессов в системе. - • г Л".?

При исследовании работы цепей устройств автоматики выявлена необходимость изучения невосстанавливаемой и восстанавливаемой цепи. Разработанные модели надежности невосстанавливаемой и восстанавливаемой цепей путем решения систем линейных дифференциальных уравнений позволили определить аналитические и графические зависимости вероятности безотказной работы невосстанавливаемой цепи (Р6(Ш и коэффициента готовности восстанавливаемой цепи (КГ(Ш от интенсивностей переходов между её состояниями. Установлено, что изменение интенсивностей включения и выключения цепи практически одинаково влияет на характер зависимости Рс(1) и КГ(Ю от времени, а также, что чувствительность Р6Ш к изменению интенсивностей перехода в состояние отказа любого состояния одинакова, а КГЦ) - различна. В результате вычислительного эксперимента установлено, что вероятности всех состояний восстанавливаемой цепи в пределах нескольких суток практически достигают своих стационарных значений.

Основным достоинством разработанных моделей надежности цепей является возможность использовать их при определении оптимальных алгоритмов рабочего диагностирования, а также при расчете основных показателей надежности цепи, режима, функции или всей СЖАТ.

Так вероятность безотказной работы режима:

Р6рШ - П Р61Ц), 1 = 1

где Pei(t) - вероятность безотказной работы 1-й цепи режима; п - число цепей в режиме.

Вероятность безотказной работы функции (системы):

1 mj+l P64(C)(t) - П [1 - П (1 - Рбр(ф)3(t))],

где 1 - количество режимов в функции (функций в СЖАТ); . Ш! - кратность резервирования 1-го режима (функции). Интенсивность отказов для восстанавливаемой системы, ее функции, режима или цепи:

1а = Н/Кг - Z.r P,*XJ/ X Р,.

J = 1 3=1

где H - частота перехода системы в состояние отказа;

Р3 - вероятность нахождения системы в j-м работоспособном состоянии;

Х.3 - интенсивность перехода в состояние отказа из J-ro состояния;

N - число работоспособных состояний системы., . При исследовании математического ожидания отношения интенсивности отказов дискретных элементов к их средним значениям с помощью системы линейных функций и ряда Фурье выявлено, что интенсивность отказов элементов имеет годичные колебания с отклонением до 24% в летние месяцы, которые необходимо учитывать при расчетах. Так при анализе с использованием рядов Фурье получено следующее.

1. Параметры ряда Фурье:

- число гармоник - 5;

- длительность периода первой гармоники - 12.

2. Общая формула:

X(t) = a0/2 + I takcos(0.524kt) + bksln(0.524kt) ]. к = 1

3. Значения коэффициентов: .

- a0=2, a¡= -0.07. аг=0.142, a3= -0.032, a4=0.005. a5=0. 017;

- b¡=0. 018. b2=-0.061, b3=0.005, b4=-0.049, b5=-0.028.

Анализ созданных моделей показал, что для диагностирования

системы, функции или режима достаточно иметь только информацию о работоспособности или Hepá60T0cn0C06H0CTH всех состояний соответствующей структурно-логической модели. При этом установлено, что для каждого состояния модели необходимо иметь только один диагностический параметр'(пару контрольных точек), а оценку диагностических параметров в контрольных точках СЖАТ лучше всего производить методом измерения напряжения или тока в цепи, по величине которых можно контролировать не только работоспособность, но и запас работоспособности системы.

При анализе моделей выявлено, что погрешность расчётных и статистических зависимостей наработки на отказ от интенсивности восстановления методом замены блоков, обусловлена:

- нестационарностью процессов переходов системы из состояния в состояние;

- зависимостью состояний системы между собой;

- вероятностью необслуживаемости заявки на диагностирование или восстановление.

Погрешность для ЭЦ на релейных устройствах не превышает пяти процентов, а для микропроцессорной централизации - трёх процентов.

Проведённые исследования показали, что основой методического обеспечения АСРД СЖАТ являются алгоритмы диагностирования, оптимальность которых определяется методами линейного программирования. При этом выбран метод нахождения кратчайшего пути, относящийся к широкоспециализированным способам линейного программиро-

вания на сетях. ■ В качестве критерия оптимальности 1-го алгоритма диагностирования выбран максимум произведения отношений вероятности отказа к стоимости восстановления всех проверяемых по алгоритму диагностирования состояний:

f, ='тах { П1 Rj(t) }. Rj(t) = [1 - pJ3(t)]/Cj.

ч:... = 1 1 ■

1 !■:■: а "

где R3(t) - характеристика J-ro состояния режима (функции, системы) ;

Nj - количество проверяемых в 1-м алгоритме состояний;

1 S1 1

P63(t) = П P6r(t) - общая вероятность безотказной работы

Г' 1

Si состояний, диагностируемых в j-м узле, для 1-го алгоритма,

Sj - 1 ... п; г 1

P6r(t) - вероятность безотказной работы r-го состояния; 1

С3 = Crmax - максимальные суммарные затраты и штрафы на

восстановление системы при диагностировании ;j-ro узла и отказе одного из Sj состояний для 1-го алгоритма:

п число состояний графа режима (функции, системы). В третьей главе производится анализ видов и методов построения алгоритмов диагностирования и определяется оптимальная, по критерию удельных затрат, глубина поиска места отказа. В результате проведенных исследований разработана методика определения оптимальных алгоритмов рабочего диагностирования СЖАТ, состоящая из трех этапов.

На первом этапе оценивались временные характеристики процес-

са восстановления устройств автоматики для различных процедур диагностирования с целью выбора наилучшего вида алгоритма диагностирования. При этом рассмотрены алгоритм контроля и четыре основных вида алгоритмов поиска места и определения причин отказа. для которых было определено математическое ожидание времени восстановления СЖАТ при.различном числе отказов.

Анализ зависимости, „математического ожидания времени восстановления от числа элементов показал, что наилучшими характеристиками обладают алгоритмы диагностирования: условный и безусловный с условной остановкой. При этом для решения задачи рабочего контроля устройств ЭЦ целесообразно использовать безусловный алгоритм с условной остановкой, так как при этом обеспечиваются большая глубина диагностирования и возможность контроля запаса работоспособности системы на основе оценки времени смены состояний, а для поиска места и определения причин отказа - условный алгоритм диагностирования.

Для выбранных алгоритмов диагностирования математическое ожидание времени восстановления определяется по следующим формулам.

1. Безусловный алгоритм с условной остановкой:

ЕТбу(2.1».1;л3.1,3.Р|[) = I Е(+ Цзк)*Рк].

К= 1

где 1 - число контролируемых элементов в системе;

Чз^зз) - время диагностирования (замены) 3~го элемента, 3 = 1. 2.....Ъ\

Рк - вероятность отказа к элементов, к = 1. 2..... Ъ.

2. Условный алгоритм:

ЕТу^.Н.^.^.Р*) - I + Ш + 1з3к)*Рк].

В работе получены зависимости математического ожидания вре-

мени восстановления ЭЦ от числа элементов для различных алгоритмов диагностирования. О;:.:

На вторбмтэтапе разработана процедура определения рациональной глубины';;поиаса места отказа и показана зависимость данной характеристики от организации системы восстановления,;, определяемой издержками трех видов для каждого из типовых уровней построения системы. При этом рассмотрены следующие издержки:;

- первого вида, определяемые как излишки объемов запасов, необходимых для восстановления СЖАТ - С];

- второго вида, возникающие за счет того, что производительность ремонта зависит от принятого уровня восстановления и являющиеся случайной величиной - С2;

- третьего вида, появляющиеся из-за дефицита запасных элементов - С3.

Тогда рациональную глубину поиска места отказа можно определить по обобщенному критерию минимизации всех издержек восстановления 1-го типового уровня построения системы:

Ст1п = т1п [С,, + С21 + с31], 1=1. 2.....6;

В работе произведена декомпозиция задачи минимизации издержек на две частные подзадачи. Первая - это определение минимальных издержек первого и третьего видов для каждого из шести основных уровней конструктивного построения системы:

Х1-0 X1 = П1 + 1

где Х^и - спрос на элемент 1-го уровня построения СЖАТ;

Р(X} ( и;) - вероятность появления издержек на 1-м уровне;

Б! - средняя стоимость элемента 1-го уровня;

П1 - рассматриваемый (существующий) запас элементов 1-го уровня; ; ■■ ■ '■ •

- количество элементов 1-го уровня.

Вторая подзадача .- это осуществление выбора уровня заменяемых элементов, обеспечивающего минимизацию издержек второго вида:

С21 = Е^М^СЕТ,! - ЕТ,1111В). где Ев - норма суммарных затрат и штрафов на восстановление системы;

- количество отказов элементов 1-го уровня;

ЕТв1(ЕТв1т1„) - математическое ожидание времени восстановления 1-го уровня (минимальное ЕТв1).

В результате решения задачи минимизации определено, что рациональной глубиной поиска места отказа в ЭЦ по критерию минимальных издержек является диагностирование блоков.

На третьем этапе разработана процедура определения оптимальных алгоритмов рабочего диагностирования СЖАТ на основе результатов. полученных на первом и втором этапах, а также при исследовании моделей надежности системы.

В результате расчетов методом нахождения кратчайшего пути получены оптимальные алгоритмы рабочего диагностирования для частных режимов ЭЦ. При этом основным рекуррентным соотношением для определения оптимальности 1-го алгоритма была система уравнений:

N11

Г! = тах { П Ели),

13-1

Г, = шаэМс'п-МШ- * (Ш.

3 - - - к = 1

при ЕТ'вз > тд:

- ^ЧЙ - (1 - Р^(Ш/[ЕТ^*ЕВ + (ЕТв3 - ТК)*ЕК + + (ЕТв3 - Тд)*Ед].

при Тд ) ЕТВЛ > Тк:

= (1 - Р^(1))/[ЕТ^*ЕВ + (ЕТ^ - Тк)*Ек],

при ЕТВЗ < Тк:

^(П = (1 - Р^ (Ш/(ЕТВ;)*ЕВ).

3 « 1.. .п. 1 = 1.. к = 1.. .п.

где Г;, - оптимальная функция промежуточного результата в состоянии 3;'

ТК(ТД) - контрольный (директивный) сроки восстановления:

Е„ - удельная ставка работ на восстановление;

ЕК(ЕД) - норма штрафа за превышение ЕТВЗ контрольного (директивного) времени;

ш - число всех возможных путей, связывающих исток и сток графа состояний режима;

. т количество состояний от истока до 3-го узла;

1

ЕТв;) = ЕТВГП1ах - максимальное математическое ожидание времени восстановления системы при диагностировании ¿¡-го узла и отказе одного из Б! состояний для 1-го алгоритма.

Созданная методика позволяет определять оптимальные алгоритмы рабочего диагностирования СЖАТ, работающих по многотактным схемам, с оптимизацией последовательности проверяемых цепей режима по критерию максимального произведения отношений вероятности отказа к стоимости восстановления всех проверяемых по алгоритму диагностирования цепей, выбором вида алгоритма рабочего диагностирования по критерию минимального времени восстановления, а также определением рациональной глубины поиска места отказа по критерию минимальных издержек, определяющих систему восстановления.

В четвёртой главе описывается разработка автоматизированной системы рабочего диагностирования СЖАТ и методика оценки экономической эффективности внедрения АСРД в устройства автоматики.

В диссертации разработаны научно-технические решения, заключающиеся в следующем.

1. Для расчета критерия организации АСРД. определяемого через показатели объекта диагностирования (ОД), средств технического диагностирования (СТД). и человека-оператора. (40), в диссертации разработана математическая модель автоматизированной системы, при помощи которой установлена функциональная зависимость критерия организации от стационарного значения коэффициента готовности. По критерию организации, зависящему от показателей безотказности и ремонтопригодности ОД. СТД и 40. выбрана одна из типовых структурных схем АСРД.

2. В результате анализа организации автоматизированной системы и особенностей функционирования ЭЦ показано, что при рабочем диагностировании СЖАТ наиболее рациональной структурой. технических средств диагностирования является двухуровневая АСРД с двумя микроэвм "БМ1603" и центральным процессором, показанная на рисунке 1.

ПРИНТЕР

ПЭВМ

ДИСПЛЕЙ

БМ1603

БЛОК ПИТ.

БМ1603

ПРЕОБРАЗ.

БЛ. УПРАВ.

БЛ. УПРАВ.

ПРЕОБРАЗ.

КОММУТАТ.

БЛ. СОПР.

БЛ. СОПР.

КОММУТАТ.

* ДАТЧ.ТОКА I ив ив I ♦ ДАТЧ.ТОКА

I I

ОБЪЕКТ ДИАГНОСТИРОВАНИЯ

Рис. 1. Структурная схема технических средств диагностирования.

I

н

Её основными достоинствами являются:

- возможность автоматизированного выполнения всех основных задач диагностирования;

- использование безопасных одноканальных микроэвм БМ1603, разработанных в РГОТУПСе;

- способность съема информации с 60000 контрольных точек;

- осуществление последовательно-параллельного способа диагностирования;

- получение информации по совокупности диагностических параметров.

3. Разработаны алгоритмы функционирования автоматизированной системы при контроле и поиске места и определении причин отказа, определены рациональное количество и набор контрольных точек съема диагностической информации, разработаны частные алгоритмы контроля и поиска места и определения причин отказа для всех режимов функции замыкания и размыкания маршрута в ЭЦ.

В диссертации произведена оценка качества предлагаемых решений. При этом показано, что внедрение АСРД позволяет получить следующие результаты.

1. Приблизительно в два раза уменьшается время восстановления устройств автоматики за счет:

- использования оптимальных алгоритмов контроля и поиска места и определения причин отказа с автоматизацией процессов диагностирования (30%);

- периодического . (с интервалом 10 минут) контроля всех функций и режимов системы (10%);

- контроля запаса работоспособности СЖАТ на основе оценки времени смены состояний в режиме или функции (5%);

- проверки срабатывания цепей, неконтролируемых существующими средствами рабочего диагностирования, после окончания режима или функции (5%).

2. На 60-70% сокращается разница между идеальными и существующими значениями^коэффициентов безопасности и готовности СЖАТ за счет уменьшения времени восстановления.

3. Возможность дальнейшего повышения показателей надежности и безопасности на основе введения подсистемы прогнозирования постепенных отказов.' . ' 1

4. Обеспечивается высокий уровень автоматизации (с коэффициентом автоматизации более семидесяти процентов).

На примере электрической централизации станции Орел в работе произведен расчет трёх основных экономических показателей. Так годовой эффект от внедрения разработанной системы рабочего диагностирования составит: от экономии капитальных вложений 25354-у. е.. а от увеличения прибыли - 8013 у. е. Срок окупаемости АСРД - 0.6 года.

Основным отличием используемой методики является то. что оценка эффекта производилась не последовательным определением капитальных вложений и эксплуатационных расходов по каждому из вариантов и расчётом их разности, а комплексным вычислением эффекта по каждому показателю на основе изменения среднего времени простоя поездов за счет внедрения автоматизированной системы:

= Я0*(ЕТВ1 - ЕТВ2), где Но - среднее количество отказов СЖАТ за год;

ЕТв1(ЕТв2) - время восстановления до (после) внедрения системы диагностирования.

Разработанные модели, методики и научно-технические решения позволяют решить следующие задачи:

- создание и внедрение автоматизированного рабочего места старшего электромеханика и инженера дистанции;

- разработку методического и диагностического обеспечения процессов рабочего диагностирования для эксплуатационных подразделений;

- создание защищенного информационного, программного и диагностического обеспечения АСРД устройств автоматики.

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ И РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ

На основании проведенных исследований в диссертационной работе получены следующие результаты:

1. Созданы и исследованы структурно-логические и математические модели надежности СЖАТ, работающих по многотактным схемам, которые позволяют рассчитать основные показатели безотказности и коэффициент готовности системы, функции, режима или цепи системы с использованием теории,марковских процессов на основе интенсивностей переходов между состояниями.

2. Получен алгоритм оценки времени восстановления устройств автоматики на основе определения его математического ожидания для различных процедур диагностирования. При этом показано, что для решения задачи рабочего контроля устройств ЭЦ целесообразно использовать безусловный алгоритм с условной остановкой, так как при этом обеспечивается большая глубина поиска места отказа и полнота диагностирования, а также возможность контроля запаса работоспособности системы на основе оценки времени смены состояний в режиме или функции, а для поиска места и определения причин отказа - условный алгоритм диагностирования.

3. Разработана процедура определения рациональной глубины поиска места отказа и показана зависимость данной характеристики от организации системы восстановления, характеризующейся издержками трех видов для каждого из типовых уровней построения СЖАТ. При этом произведена декомпозиция задачи минимизации издержек на две частные подзадачи: первая - это определение рационального объема запасных элементов для каждого из уровней конструктивного построения системы, а вторая - осуществление выбора уровня заменяемых элементов. В результате решения задачи минимизации определено, что рациональной глубиной поиска места отказа в ЭЦ по критерию минимальных издержек является диагностирование блоков.

4. Создана методика определения оптимальных алгоритмов рабочего диагностирования СЖАТ. В результате расчётов методом нахождения кратчайшего пути получены оптимальные алгоритмы рабочего диагностирования для частных режимов ЭЦ. При 'этом критерием оптимальности являлся максимум произведения отношений вероятности отказа к стоимости восстановления всех проверяемых по алгоритму диагностирования состояний.

5. Разработаны научно-технические решения, заключающиеся в следующем:

- создана модель взаимодействия между элементами автоматизированной системы рабочего диагностирования;

- определена формула для критерия организации создаваемой автоматизированной системы, зависящего от показателей безотказности и ремонтопригодности её элементов, по которому выбрана одна из типовых структурных схем АСРД;

- разработана структурная схема технических средств диагностирования;

- определены рациональное количество и набор контрольных точек съема диагностической информации;

- получены алгоритмы функционирования автоматизированной системы при контроле и поиске места и определении причин отказа;

- разработаны частные алгоритмы контроля и поиска места и определения причин отказа для основных режимов функции замыкания и размыкания маршрута в ЭЦ.

6. Произведена оценка экономической эффективности внедрения АСРД в СЖАТ. На примере электрической централизации станции Орёл произведён расчёт основных экономических показателей. Так годовой экономический эффект от внедрения разработанной системы рабочего диагностирования составит: от экономии капитальных вложений - 25354 у.е., а от увеличения прибыли - 8013 у.е. Срок окупаемости АСРД - 0.6 года.

Основные положения диссертации опубликованы в следующих работах: •

1. Дмитренко И.Е., Максаев И.П. Оценка работоспособности цифровых устройств. Межвузовский сборник научных трудов: Современные проблемы совершенствования работы ж.д. транспорта. -М.: РГОТУПС; 1997. -С.85-87.

2. Максаев И. П. Совершенствование диагностирования устройств связи стационарных объектов.: Тез. докл. Научная конференция:- Актуальные вопросы развития защищенных телекоммуникационных сетей связи. Часть 1. -Орел:ВИПС. 1995. -С. 213-214.

3. Максаев И. П., Кузьменко 0.Г. Особенности контроля параметров систем с однородными элементами: Сб. науч. тр. N 6. - Орёл: ВИПС. 1996. -С.65-68.

4. Максаев И.П. Определение основных критериев при рабочем диагностировании систем управления: Тез. докл. Научно-техническая конференция: Проблемы совершенствования систем и техники связи. -СПб: ВВИУС, 1996. -С. 72-73.

5. Максаев И.П., Безручко В.В. Модель автоматизированной системы рабочего диагностирования систем управления: Тез. докл. Всероссийская научная конференция: Проблемы создания и развития информационно-телекоммуникационных систем специального назначения. -Орёл:ВИПС. 1997. -С.135-137.

МАКСАЕВ Игорь Павлович АВТОМАТИЗИРОВАННАЯ СИСТЕМА РАБОЧЕГО ДИАГНОСТИРОВАНИЯ СИСТЕМ ЖЕЛЕЗНОДОРОЖНОЙ АВТОМАТИКИ И ТЕЛЕМЕХАНИКИ 05.22.08. - ЭКСПЛУАТАЦИЯ ЖЕЛЕЗНОДОРОЖНОГО ТРАНСПОРТА /включая системы сигнализации,^ централизации и блокировки/

Сдано в набор 04 Л 1.1998 г. ' Заказ &5Э. Подписано к печати 04. П. 1998 г. Объем /Л.д Формат бумаги 60*90 1/16 Тираж 100 экз.

Типография РГОТУПС 125808, Москва, ГСП-47. ул. Часовая 22/2