автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.01, диссертация на тему:Методическое и программное обеспечение анализа и прогнозирования безопасности функционирования подсистем железнодорожного транспорта

На правах рукописи

ОЛЕНЦЕВИЧ Виктория Александровна

МЕТОДИЧЕСКОЕ И ПРОГРАММНОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ АНАЛИЗА И ПРОГНОЗИРОВАНИЯ БЕЗОПАСНОСТИ ФУНКЦИОНИРОВАНИЯ ПОДСИСТЕМ ЖЕЛЕЗНОДОРОЖНОГО ТРАНСПОРТА

Специальность 05.13.01 — Системный анализ, управление и обработка информации (промышленность)

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание учёной степени кандидата технических наук

1 5 МАЙ 2014

Иркутск — 2014

005548132

Работа выполнена в Федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Иркутский государственный университет путей сообщения» (ИрГУПС)

Научный руководитель: доктор технических наук, профессор

Гозбенко Валерий Ерофеевич

Официальные оппоненты: Пашков Николай Николаевич,

доктор технических наук,

ФГБОУ ВПО «Московский государственный университет путей сообщения» (МНИТ), профессор кафедры «Логистические транспортные системы и технологии» Института управления и информационных технологий

Аюшеева Наталья Николаевна кандидат технических наук, доцент ФГБОУ ВПО «Восточно-Сибирский государственный университет технологий и управления», доцент кафедры «Системы информатики»

Ведущая организация: ФГБОУ ВПО Иркутский государственный технический университет

Защита состоится «26» июня 2014 г. в 10-00 часов на заседании диссертационного совета Д.218.004.01 на базе ФГБОУ ВПО «Иркутский государственный университет путей сообщения» по адресу: 664074, г. Иркутск, ул. Чернышевского, 15, ауд. А-803. Тел. (8-3952)63-83-83; факс (8-3952) 38-77-46; e-mail: maknv@irgups.ru.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке и на сайте ФГБОУ ВПО «Иркутский государственный университет путей сообщения» http://www.irgups.ru

Автореферат разослан «06» мая 2014 года.

Ученый секретарь диссертационного совета

¿У

/V

А.В. Данеев

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. Обеспечение комплексной безопасности перевозочного процесса является приоритетным направлением деятельности железнодорожного транспорта и позволяет: повышать сохранность перевозимых грузов, а также снижать непроизводительные расходы на ликвидацию последствий нарушений безопасности движения, коммерческих браков и т.д.

Добиться эффективной реализации данной стратегии возможно, в частности, за счет повышения безаварийности работы всех подразделений железнодорожного транспорта.

Проведенный анализ показателей перевозочного процесса на ВосточноСибирской железной дороге и результаты расследования случаев аварий, крушений и браков в работе показал, что в течение всего рассматриваемого периода наблюдался рост выявленных случаев коммерческих неисправностей. Представляется, что проблема комплексной оценки уровня безопасности всех подразделений железных дорог может быть эффективно решена только на основе использования методологии системного анализа, который предполагает, в частности, разработку алгоритмического и программного обеспечения анализа безопасности подсистем железнодорожного транспорта.

Важной проблемой обеспечения безопасности движения поездов, от решения которой зависит состояние аварийности, как в грузовой подсистеме, так и в вагонном хозяйстве, является не соблюдение Технических условий погрузки и крепления грузов при приеме груза перевозке, нарушение целостности крепления в пути следования и техническое состояние элементов кузова грузовых вагонов. Оценка положения дел по обеспечению безопасности функционирования грузовой подсистемы требует определения основных проблем в этой сфере и разработки путей их решения. Среди них главной является прием грузов к перевозке, поскольку в настоящее время действующие нормативные документы не предусматривают комплексную оценку уровня безопасности функционирования железнодорожной системы. Действующие Технические условия размещения и крепления груза в вагонах и контейнерах не позволяют прогнозировать наступление случаев риска при перевозке груза, в связи, с чем необходимо разработать критерии оценки наступления случая риска и на их основе вычислительную процедуру принятия решений по размещению и креплению груза в вагоне с учетом прогнозной величины сдвига.

Объект исследования: система комплексного анализа уровня безопасности на железнодорожных предприятиях Восточной Сибири.

Предмет исследования: прогнозные факторы, влияющие на безопасность функционирования железнодорожной транспортного системы.

Цель диссертационной работы: разработка методического и программного обеспечения комплексного анализа уровня безопасности функционирования подсистем железнодорожной транспортной системы и проверка его допустимых значений.

Для достижения указанной цели необходимо решить следующие задачи:

1. Провести комплексный анализ частных характеристик, определяющих уровень безопасности функционирования железнодорожной транспортной системы;

2. Осуществить декомпозицию исходной проблемы на подпроблемы, а исследуемой системы - на подсистемы;

3. Разработать систему математических моделей уровня безопасности функционирования выделенных подсистем железнодорожного транспорта;

4. Разработать программный комплекс прогнозирования уровня безопасности подсистем железнодорожного транспорта и рассчитать прогнозные значения этого уровня на краткосрочную перспективу;

5. Из расчета зависимости допустимых значений натяжений в креплениях груза от воздействия пространственной системы сил получить формулы для определения величины сдвига груза в плоскости пола вагона;

6. Разработать вычислительную процедуру принятия решений по размещению и креплению груза в вагоне с учетом прогнозной величины сдвига.

Методами исследования являются методы системного анализа, математического моделирования, регрессионного анализа, современных информационных технологий, основные положения теоретической механики.

Научную новизну диссертации представляют результаты, выносимые на защиту:

1. Впервые проведен комплексный анализ локальных показателей, в совокупности определяющих уровень безопасности железнодорожной транспортной системы и выполнена декомпозиция проблемы безопасности железнодорожной транспортной системы на подпроблемы, подсистемы и задачи, которые классифицированы по значению уровня безопасности;

2. Разработана система регрессионных моделей оценки уровня безопасности железнодорожного транспорта зависящая от числа нарушений в работе транспортных подсистем;

3. Предложена вычислительная процедура принятия решений по размещению и креплению груза в вагоне с учетом прогнозной величины сдвига, обеспечивающая безопасность функционирования железнодорожной транспортной системы и реализованная в программном комплексе.

Практическое значение. Разработанный на основе системы регрессионных уравнений программный комплекс позволяет проводить краткосрочное и среднесрочное прогнозирование уровня безопасности подсистем железнодорожного транспорта и автоматически составить их рейтинг отказов. Разработанная вычислительная процедура принятия решений по размещению и креплению груза в вагоне с учетом прогнозной величины сдвига может использоваться для контроля разработанных грузоотправителями Технических условий размещения и крепления грузов в вагонах и контейнерах.

Реализация результатов. Вычислительная процедура принятия решений по размещению и креплению груза в вагоне с учетом прогнозной величины сдвига принята к использованию службой коммерческой работы в сфере грузо-

вых перевозок, Дирекцией управления движением Восточно-Сибирской филиала ОАО «РЖД» для контроля разработанных грузоотправителями технических условий размещения и крепления грузов на открытом подвижном составе. Усовершенствованная методика расчёта крепления грузов реализована в виде пакета программ для ЭВМ и подтверждена двумя актами внедрения.

Поданы заявки на изобретения: № 2013147190 от 22.10.2013 г. «Способ организации грузовых перевозок на железнодорожном транспорте»; № 2013153692 от 03.12.2013 г. «Устройство для гашения колебаний в железнодорожном транспортном средстве, выполняющем грузовые перевозки».

Достоверность полученных результатов подтверждена применением общепринятого математического аппарата, проверкой адекватности регрессионных моделей на независимой выборке экспериментальных данных, а также удовлетворительным совпадением полученных результатов с данными других исследователей.

Апробация работы. Основные результаты диссертационной работы доложены и обсуждены на: научно-практической конференции «Безопасность движения поездов» (Москва: МИИТ, 2009, 2010 гг.); Первой Международной научно-практической конференции «Технология, материалы, транспорт и логистика» (Украина: ВСНТУ, 2010 г.); V научно-практической конференции «Проблемы безопасности на транспорте» (Гомель, БелГУТ, 2010); Третьей Международной научно-практической конференции «Безопасность регионов - основа устойчивого развития» (Иркутск: ИрГУПС, 2012 г.); Международной научно-практической конференции «Наука в современном информационном обществе» (Москва, МИИТ: 2013 г.); XXVI Международной научной конференции «Математические методы в технике и технологиях — ММТТ-26» (Ангарск: АГТА, 2013 г.); межвузовской научной конференции «Современные технологии и научно-технический прогресс» (Ангарск: АГТА, 2013 г.); Всероссийской конференции с международным участием «Транспортная инфраструктура Сибирского региона» (Иркутск: ИрГУПС, 2009, 2013 гг.); на семинаре кафедры «Прикладная механика» ИрГУПС.

Личный вклад. Все положения, составляющие научную новизну и выносимые на защиту, получены лично автором.

Публикации. По результатам исследований опубликовано 29 научных работах, из них 10 - опубликованы единолично, 19 — в соавторстве. В журналах, рекомендуемых ВАК, опубликовано 9 статей.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, списка использованной литературы, включающего 144 наименования, 180 страниц основного текста, 42 рисунков.

СОДЕРЖАНИЕРАБОТЫ

В первой главе рассмотрены основные свойства и принципы понятия «система». Применительно к железнодорожному транспорту целесообразно использовать следующее известное определение понятия «система» — это сово-

купность элементов, находящихся в отношениях и связях друг с другом и образующих определенную целостность и единство. Составляющими системы являются: множественность компаний, предприятий и структурных подразделений, участвующих в перевозочном процессе; парк вагонов и локомотивов, принадлежащих различным операторам; широко развитая система инфраструктуры. В этой связи изучение железнодорожного транспорта как системы необходимо проводить с позиции системного анализа. Существенный вклад в развитие теории систем и системного анализа внесли Л. Берталанфи, A.A. Богданов, В.А. Карташев, П.А. Козлов, С.А. Кузьмин, В.И. Леонтьев, С.Л. Оптнер, И.И. При-гожин, В.Н. Спицнадел, Г. Хаген, и др. Вопросами создания и совершенствования систем управления на железнодорожном транспорте занимались В.М. Аку-линичев, А.Ф. Бородин, А.К. Головнич, А.Т. Осьминин, В.А. Персианов, Г. Поттгофф, Н.В. Правдин, К.Ю. Скалов, Е.М. Тишкин и др. Среди авторов публикаций по системному анализу работы железных дорог: И.К. Лакин, В.Н. Супрун, В.А. Шаров которыми предложена методика исследования транспортных показателей с использованием корреляционного анализа.

Организационно-технологический комплекс железнодорожного транспорта представляется в виде различных составных элементов, объединенных между собой внутренними связями и вступающих друг с другом в определённые отношения: система, в основе которой лежит сеть железных дорог, непосредственно обеспечивающих потребности в перевозках; система, включающая различные виды работ; система инфраструктуры.

Взаимодействие компонентов, входящих в железнодорожную транспортную систему (ЖДТС), может быть штатным и нештатным. Событие выхода параметров за нормативные пределы с определенными негативными последствиями, есть нарушение безопасности движения. Нарушения безопасности движения в поездной и маневровой работе на железнодорожном транспорте классифицируют: крушения поездов; аварии; особые случаи брака в работе; события брака в работе.

Обеспечение безопасности движения в условиях реформирования железнодорожного транспорта остается одной из важнейших задач ОАО «РЖД», решение которой определено в качестве безусловного приоритета и отражено в таких документах, как «Стратегия развития железнодорожного транспорта до 2030 года» и «Фундаментальная стратегия обеспечения гарантированной безопасности» разработанными Министерством транспорта РФ и ОАО «РЖД».

На основе результатов исследований состояния и перспективы развития вагонного парка железнодорожного транспорта России, отмечается, что в условиях ограниченности инвестиций одним из направлений улучшения качества работы транспортных компаний и обеспечения их конкурентоспособности является поддержание вагонного парка в должном техническом состоянии, и его правильная эксплуатация. При этом сохранность подвижного состава и перевозимых грузов в определенной степени зависят от способа размещения и крепления грузов.

Вопросы размещения и крепления грузов с учетом Технических условий размещения и крепления груза в вагонах и контейнерах (ТУ) изучены в работах: П.С. Анисимова, В.А. Болотина, В.К. Бешкето, Н.С. Войтюка, С.А. Егорова, Л.О. Грачевой, А.Т. Дерибаса, Г.П. Ефимова, А.Д. Малова, В.М. Монастырного, Р.Г. Овчинниковой, В.В. Повороженко, В.А. Романова, A.A. Смехова, E.H. Ти-мухиной, Х.Т. Туранова, В.М. Ушакова, В.И. Шинкаренко, А.Ф. Яшина и других.

Анализ факторов снижения уровня безопасности ЖДТС показывает, что одной из основных причин, влияющих на этот уровень, являются те, которые прямо либо косвенно связаны с ТУ. Однако, как выявлено из анализа публикаций по данному вопросу, в них не приводится количественные оценки степени этого влияния и способов устранения или нивелирования данного влияния. В связи, с чем возникает необходимость разработать вычислительную процедуру принятия решения по размещению и креплению груза в вагоне с учетом прогнозной величины сдвига, в некоторой степени, устраняющей выявленные недостатки и способствующей улучшению технологии крепления грузов, перевозимых на открытом подвижном составе, что послужит основой к повышению безопасности функционирования ЖДТС.

Во второй главе деятельность ЖДТС рассмотрена в виде ряда подсистем. Для достижения поставленных задач проведен анализ состояния безопасности функционирования ЖДТС за период с 2003 г. по 2012 г. который показал, что из числа вагонов с коммерческими неисправностями, требующих отцепки для устранения брака, 23,5 % приходится на вагоны, погруженные с нарушением ТУ, 52 % - на расстройство погрузки в пути следования, на прочие коммерческие неисправности - 25 %. При этом, прирост количества отцепленных вагонов опережает рост погрузки, так погрузка с 2003 к 2007 году возросла на 5,24 %, в то время как количество отцепляемых вагонов увеличилось на 43,07 %, а отцепляемых по причине нарушения ТУ на 50,2 %. Падение объемов погрузки в 2012 по сравнению с 2003 годом на 4,81 % привело к сокращению количества отцепляемых вагонов лишь на 11,2 %, а с нарушением ТУ и МТУ на 16,55 % (рис. 1).

30000 >25000

а

§0000 45000 |оооо 2 5000

Рис. 1. Динамика отцепленных вагонов за период 2003-2012 гг

24213

17684 2178^.

19231 15998 14520

8611 7615

6027 6392 г - 5168 ' О—Ш 4774-

2003 2004 2005 2006 2007 2008 2009 2010 2015 2012

^♦"Отцеплено по всем дорогам

"" в т.ч. по причине погрузки с нарушением ТУ и МТУ

Для изучения неравномерности отцепляемых вагонов проанализированы статистические данные работы семнадцати железных дорог ОАО «РЖД» и параметры распределения отцепленных вагонов. Выявлено, что количество отцепленных вагонов варьируется в интервале от 1,8 % до 35,5 %, при этом допустимо разделить отцепляемые вагоны по всем железным дорогам на три части. Представленное разделение может зависеть от географического расположения, от преобладаемой номенклатуры грузов, предоставленных к перевозке. Для выявления тенденции отцепляемых вагонов обработаны данные количества и доли отцепленных вагонов в зависимости от родов грузов. Наибольшее количество вагонов, отцепленных с нарушениями ТУ и расстройством погрузки, составляют вагоны, загруженные лесом, на долю которых приходится 77 % от общего количества вагонов, угрожающих безопасности движения. На втором месте (8 % всех отцепов) - железобетонные изделия и конструкции (балки, шпалы, колонны, плиты, панели, трубы, кольца).

Для выявления основных факторов, воздействующих на состояние безопасности в ЖДТС и с целью улучшения качества производственных процессов, используется системный подход с построением диаграммы Парето на примере деятельности Восточно-Сибирской железной дороги за 2012 гг. Решающими факторами в Восточной Сибири, влияющими на безопасность движения стали продольный сдвиг груза (65 %), поперечное его смещение (46 %) и обрыв средств крепления (29 %).

При рассмотрении результатов работы отрасли за период с 2003 по 2012 гг, выявлено, что снижение безопасности функционирования напрямую зависит от подготовки и крепления груза в пункте погрузки. При этом выявленные коммерческие неисправности, угрожающие безопасности движения поездов, можно условно разделить на две группы: первая - не соблюдение Технических условий погрузки и крепления грузов при приеме груза перевозке, вторая — нарушение целостности крепления в пути следования.

В третьей главе дана оценка комплексного решения проблемы уровня безопасности ЖДТС с привлечением методологии системного анализа. Реализация методологии системного анализа предполагает выполнение следующих этапов: формулировка проблемы и представление знаний; генерирование идей; выявление факторов, ограничений, структуры проблемы и ее декомпозиция на задачи; формализация задачи; математическое моделирование задач; построение теории решения задач; проведение эксперимента; решение задачи; оценка взаимовлияния решений подпроблем и проблемы в целом; построение альтернативных решений; принятие решения; реализация решения; оценка решения, анализ и прогноз ситуации.

Проблема состоит в следующем - выявить факторы, влияющие на уровень безопасности функционирования ЖДТС и ее подсистем с учетом степени этого воздействия, что предполагает декомпозицию объекта исследования, рассматриваемого как сложная система.

В соответствии с принятой структурой организации функционирования ЖДТС выделяем следующие подсистемы: служба движения, дирекция тяги,

служба вагонного хозяйства, служба пути, служба автоматики, пассажирская служба, служба грузовой и коммерческой работы, служба электрификации.

Для обобщающей характеристики уровня безопасности ЖДТС на федеральном и на региональном уровнях целесообразно использовать критерий у, формально являющийся вектором у = (уь..., 3'8), компонентами которого является количество нарушений (браков в работе) в деятельности соответствующих служб, произошедших по различным причинам х/ (/'=1, 2, ..., 42). Введем обозначения, характеризующие эти причины - количество нарушений (браков), произошедших по причинам: х{ - отправления на занятый перегон; х2 - сходов вагонов; х3 - прочих браков вагонного парка; х4 - порчи локомотивов; - обрыва автосцепки; х6 - задержки поездов более одного часа из-за неисправности локомотивов; х7 - отцепки вагонов в пути следования по причине неисправности роликовых букс; х - отцепки вагонов в пути следования по другим техническим неисправностям; х9 - задержки поездов более одного часа по техническим неисправностям вагонов; х]0 - сходов в поездах; хп - излома рельса; хп -задержки поездов более одного часа по техническим неисправностям пути; хи -отправления поезда по неготовому маршруту; х]4 - перекрытия сигнала, вызвавшее проезд запрещающего сигнала на станции; х!5 - неисправности устройств сигнализации, централизации и блокировки с задержкой поезда более одного часа; * - отцепки пассажирских вагонов по причинам технических неисправностей; х - неисправности колесных пар; х18 - развала груза в пути следования; х - отцепки вагонов от поезда по причине нарушения ТУ погрузки грузов; х - неисправности контактной сети; х2] - неисправности автоблокировки; х22 - неисправности ССПС; х/ (/ = 23, ..., 42) - прочих причин неустановленного характера. Уровень безопасности каждой из подсистем оценивается одним показателем - число нарушений (браков) в зоне действия соответствующей службы.

По результатам деятельности Восточно-Сибирской железной дороги построена математическая модель влияния частных показателей нарушений х„ / = 42, на общее состояние уровня безопасности региональной ЖДТС с ее декомпозицией на подсистемы уь ] = 1,8. При этом для проведения «конкурса» моделей по отношению к каждому из восьми регрессионных соотношений воспользуемся программным комплексом автоматизации процесса построения регрессионных моделей (АППРМ)'.

В программном комплексе для оценки адекватности моделей использованы критерии: Я - множественной детерминации; I - Стьюдента; Р - Фишера; Б\У-Дарбина-Уотсона; Е-средней относительной ошибки аппроксимации.

1 Носков С.И., Базилевский М.П. Программный комплекс автоматизации процесса построения регрессионных моделей // Международный журнал прикладных и фундаментальных исследований. - Иркутск. 2010. № 1. - С. 93-94.

Для построения каждой регрессионной модели для уР j = 1,8, средствами упомянутого программного комплекса строилось несколько сотен (в зависимости от характера данных) ее альтернативных вариантов с последующим выбором лучшего из них, исходя из векторного критерия адекватности.

Под параметрами моделей в скобках приведены значения /-критерия Стьюдента.

Служба движения у = 2.47 + 1.3л: + 1.48л: + 1.48* ,

(3.16) (11.66) (3.16) R =0.975, £ = 59.26, DW= 2.83, £ = 7.85 %, Дирекция тяги у2 = -77.78 + 0.98л4 + 5.67 Jx^ + 17.24 ,

(6.55) (3.86) (24.18) R =0.993, F= 214.87, DW= 1.63, £ = 0.76%, Служба вагонного хозяйства y2 = 9.4 + 7.54-10"5 -Xi + 8.42 %/л~ +10.57,

(13.78) (7.46) (14.6)

R =0.991, F= 168.34, DW= 1.93, £= 0.69 %, Служба пути _y4 = 12.87 + 4.6 Jx^ + 0.28л:, ,2 +12.87-7^",

(4.92) (19.49) (10.40) R =0.986, F= 106.8, DW= 3.02, £ = 1.20 %, Служба автоматики y} = 0.93 + 0.68л:]3 + 0.45x,'45 + 0.68x'55,

(1.68) (7.71) (3.51) R =0.926, £ = 18.76, DtV= 1.12, £ = 5.08 %, Пассажирская служба ys = 0.56 + 0.75л: + 0.95л ,

(2.42)16 (3.21)'7 R =0.981, F= 92.51, DW= 1.74, Е= 8.19 %, Служба грузовой и коммерческой работы у? = 1.52 + 0.64л:,'85 + 0.31л:,195,

(10.2) (14.25)

R =0.983, F= 133.18, DW= 1.59, £=6.71 %,

Служба электрификации у =1.28 +0.9л: + 1.15л: + 0.92л: ,

8 20 21 22'

(22.04) (17.59) (4.47)

R =0.993, £=212.35, DW= 1.7\,Е= 1.26 %.

Анализ данных критериев адекватности каждой из восьми моделей показывает, что все они обладают высокими значениями, существенно превосходящими критические границы. Исключение, в ряде случаев, представляет собой критерий Дарбина-Уотсона (DfV), указывающий наличие автокорреляции в некоторых моделях (у,, у2,74, Уъ)- Это, означает, что данные модели следует применять для решения только краткосрочных прогнозных задач.

Описанная система математических прогнозных моделей регрессионного типа использована для среднесрочного прогнозирования уровня безопасности ВСЖД по выделенным направлениям функционирования. Результаты проведенного анализа представлены в табл. 1.

Для прогнозирования отказов ЖДТС в среде программирования Delphi, разработан соответствующий программный комплекс на примере ВосточноСибирской железной дороги. Изначально в него внесены исходные статистиче-

ские данные по отказам за 2003-2012 годы, а также для каждой службы - регрессионная модель, по которой можно осуществить прогноз. Особенностью комплекса является то, что при появлении новых данных за отчетный период, пользователь может легко и удобно перестроить любую модель и получить новые прогнозные значения.

Таблица 1

Рейтинг отказов для подсистем ЖДТС_

№ Служба Отказы

1 Служба движения 1. Сходы вагонов 2. Прочие браки 3. Отправление на занятый перегон

2 Дирекция тяги 1. Неисправность локомотива 2. Порчи локомотивов 3. Обрыв автосцепки

3 Служба вагонного хозяйства 1. Задержки поездов более 1 часа по техническим неисправностям вагонов 2. Отцепки вагонов в пути следования по неисправности роликовых букс 3. Отцепки вагонов в пути следования по другим техническим неисправностям

4 Служба пути 1. Излом рельса 2. Задержки поездов более I часа по техническим неисправностям пути 3. Сходы в поездах

5 Служба автоматики 1. Перекрытие сигнала, вызвавшее проезд запрещающего сигнала на станции 2. Неисправность устройств СЦБ с задержкой поезда более 1 часа 3. Отправление поезда по неготовому маршруту

6 Пассажирская служба 1. Неисправность колесных пар 2. Отцепка вагонов по прочим техническим причинам

7 Служба грузовой и коммерческой работы 1. Отцепка вагонов от поезда из-за нарушения ТУ погрузки грузов 2. Развал груза в пути следования

8 Служба электрификации 1. Неисправность контактной сети 2. Неисправность автоблокировки 3. Неисправность ССПС

Этапы прогнозирования: выбор службы; задание прогнозного периода; ввод верхней и нижней границы для каждого фактора; получение прогноза.

Меню настройки параметров программного комплекса приведено на рис. 2, а пример прогнозов по дирекции тяги на 2013-2015 годы ни рис. 3 .

Выбор службы

3 Служба вагонного х

4 Служба пути 6 Служба автоматики

6 Пассажирская служба

7 Служба грузовой и коммерческой работы

8 Служба злэктрисрикации

Номер прогнозного периопа |з

Интервалы прогнозирования

и

Рис. 2. Меню настройки параметров программного комплекса

Прогнозы (дирекция тяги)

Гоа Оптимистичный |Нейтральный | Пессимистичный |

2013 85.92 89.5 33.05

2014 82.64 90.35 98.06

2015 79.36 89.71 И03.06

Отчет [

Рис. 3. Прогнозные значения по дирекции тяги

Программный комплекс позволяет получать три типа прогнозов: оптимистичный, пессимистичный и нейтральный. Оптимистичный прогноз показывает динамику отказов при лучшей ситуации, т. е. все негативные факторы при этом считаются минимальными. Пессимистичный прогноз - когда все негативные факторы являются максимальными. Нейтральный прогноз предполагает, что негативные факторы - средние между максимальным и минимальным значениями. Результаты прогнозирования отказов представлены в табл. 2.

Таблица 2

Результаты прогнозирования отказов с указанием рейтинга отказов

№ Служба Год Оптимистичный прогноз Нейтральный прогноз Пессимистичный прогноз

1 Служба движения 2013 2,77 4,50 6,73

2014 2,41 4,12 8,21

2015 2,12 2,91 12,48

2 Дирекция тяги 2013 85,92 89,50 93,05

2014 82,64 90,35 98,06

2015 79,36 89,71 103,06

3 Служба вагонного хозяйства 2013 105,65 111,00 116,39

2014 101,57 110,10 122,80

2015 97,52 113,90 130,41

4 Служба пути 2013 50,05 53,10 56,16

2014 46,79 53,3 59,81

2015 43,00 52,9 64,03

5 Служба автоматики 2013 2,86 3,77 4,69

2014 2,82 3,52 6,35

2015 2,05 4,21 7,89

6 Пассажирская служба 2013 1,52 1,89 2,27

2014 1,04 1,70 2,75

2015 0,56 1,68 3,98

7 Служба грузовой и коммерческой работы 2013 4,03 5,05 5,98

2014 3,15 5,67 6,55

2015 2,41 5,23 8,13

8 Служба электрификации 2013 9,07 11,72 12,37

2014 7,59 10,81 15,33

2015 6,69 11,53 18,28

Анализ полученных прогнозных значений позволяет руководителям соответствующих служб выработать эффективную политику обеспечения безопасности функционирования ЖДТС. Выявлено, что основным фактором, влияющим на безопасность функционирования ЖДТС является техническое состояние вагонного парка, которое во многом определяется рациональностью расположения груза в вагоне, что подтверждается и статическими данными.

Математическая модель регрессионного типа, взаимоувязывающая частные характеристики безопасности подсистем железнодорожного транспорта, а также приведенные результаты прогнозирования отказов в подсистах железнодорожного транспорта показывают, что предположение о том, что данный уровень отказов связан в первую очередь с ТУ. В этой связи заключительная глава диссертационной работы посвящена разработке вычислительной процедуры принятия решений по размещению и креплению груза в вагоне с учетом прогнозной величины сдвига, обеспечивающей безопасность функционирования ЖДТС.

В четвертой главе по результатам проведенных аналитических исследований натяжений в креплениях груза на основе принципа Даламбера разработана вычислительная процедура принятия решений по размещению и креплению груза в вагоне с учетом прогнозной величины сдвига, обеспечивающей безопасность функционирования ЖДТС. Разработанная модель позволяет работникам, ответственным за принятие груза к перевозке производить оценку качества крепления груза по критерию допустимого сдвига на первоначальном этапе перевозочного процесса.

Для разработки последовательности вычислительной процедуры выполняется: аналитическое решение задачи по критерию допустимого значения натяжений в креплениях груза, путем построения математической модели крепления груза в вагоне с учетом воздействия пространственной системы сил (активные силы: вес груза, ветровая нагрузка (,РВ, Fв); реакции связей: растяжки и бруски; сила инерции в переносном движении, кориолисова сила инерции); на основе построенной модели осуществляются расчеты креплений в плоской системе сил; выводятся аналитические формулы для определения сдвига груза по направлению действия пространственной системы сил, а также натяжений в креплениях груза.

Разработка вычислительной процедуры проведена на примере крепления груза с плоским основанием, оснащенного грузовыми петлями перевозимого на открытом подвижном составе при воздействии на систему «вагон - груз - крепления» системы сил. Рассмотрен случай, когда груз весом С размещён на полу платформы, движущейся по прямому участку железнодорожного пути, и удерживается от сдвига растяжками и упорными брусками. Схема размещения и крепления груза в вагоне согласно ТУ, принятая за основу при разработке вычислительной процедуры, приведена на рис. 4.

На рис. 4 приняты следующие обозначения: ] и г - индексы, показывающие количество стоечных скоб вагона и растяжек (у = 1, ис — количество стоечных скоб, 1 = 1,пр - количество растяжек); 2£, 2В и 2Н - соответственно длина, ширина и высота груза; и аа, — проекции растяжек одного направления на про-

дольную ось вагона х (api и аар, - то же другого направления); и bai - проекции растяжек одного направления на поперечную ось вагона у (Ьр, и bapi - то же другого направления); /г,, hat, hpi и hapi - проекции растяжек на вертикальную ось вагона г; /, и 1а, - длина растяжек одного направления (7Р, и lapi — то же другого направления); lw, и - проекций длины растяжек одного направления на поперечную ось вагона у (lwpi и l„api - то же другого направления); а, и аш - углы, которые образуют растяжки с плоскостью пола вагона одного направления (api и aapi - то же другого направления); (3/ и (3aj - углы, которые образуют проекции растяжек (l,H, laiH, lpiH, Lpm) на плоскость пола вагона одного направления с осью х (fipi и $api - то же другого направления) ((30/, Рош, Ро^/ и Роapi - те же углы, только острые).

Груз закреплён растяжками к стоечным (увязочным) скобам вагона в точках Ар Ащ, Ау и Аарр а к его монтажным (грузовым) петлям - в точках А/„ Мы, МР1 и Мар1. Предварительное натяжение растяжек ЯО, согласно ТУ считаем заданными (Ж), =20 кН). Рассмотрим случай сдвига груза (Лу) по направлению действия главного вектора приложенной пространственной системы сил ЛF('), ^ -угол, характеризующий сдвиг груза.

Составлена математическая модель движения вагона с грузом, содержащая три уравнения. В них упругие силы (К,х, Я/у и заменены натяжениями (Я;) и проекциями растяжек груза. Получена зависимость удлинения растяжек от сдвига груза в плоскости пола вагона. С учётом физико-геометрических характеристик растяжек груза установлена зависимость натяжения /-го крепления от их удлинения. Установлена зависимость сдвига груза в плоскости пола вагона при воздействии результирующей пространственной системы сил.

Определена эквивалентная жёсткость растяжек груза по направлению действия силы. По величине сдвига груза в плоскости пола вагона определены натяжения в элементах креплений. Допустимое значение натяжения, в креплениях определялось согласно ТУ в зависимости от количества нитей и диаметра проволоки креплений.

При воздействии на механическую систему «вагон - груз - крепление» пространственной системы сил натяжение в г'-м креплении груза следует опре-

Рис. 4. Модель размещения и крепления груза в вагоне

делять только для тех элементов креплений, у которых конечная длина больше, чем первоначальная. Сдвиг груза относительно вагона произойдёт в случае, когда модуль результирующей пространственной системы сил положителен. Разрыв элементов креплений не произойдёт, если сдвиг груза не превышает допустимое значение сдвига груза, определяемое согласно ТУ.

Разработка процедуры производится на основе построения алгоритма размещения и крепления конкретных видов груза, в соответствии с действующей номенклатурой грузов, перевозимых ЖДТС, и действующих ТУ.

Вычислительная процедура включает: выполнение обработки полученных данных и их анализ; прогноз величины сдвига груза по направлению действия пространственной системы сил и ее составляющих; вычисление натяжений в креплениях; оформление результатов расчетов в виде табличных данных, их обработка; выдача практических рекомендаций по разработке рациональной технологии крепления груза с учетом исключения случаев риска и обеспечения безопасности функционирования ЖДТС.

По исходным данным согласно разработанной методике определены сдвиги груза в направлении действия главного вектора пространственной системы сил и эквивалентные жёсткости креплений, натяжения в креплениях груза. Результаты вычислительных экспериментов по критерию наступления случая риска приведены в табл. 3.

Таблица 3

Результаты вычислений сдвига груза и натяжений в креплениях_

Коэф-нт Результирую Эквивалент Сдвиг груза, мм

динамики вагона щая сила, кН жесткости кН/м Натяжения в креплениях, кН

1 2 3 4 5

Д^ ^'экв Д? Л2 Яз «4 «5

АРХ ^эквдг Ах Кпр2 К-прЗ Кпр4 Едр5

^ДУэ А У

кц? ДРу ^экв^ Дх1 Яш Япз Яп4 Яп5

Ду,

270,60 2365 114 12,36 16,34 19,00 33,70 73,20

1,2 266,10 2266 113 12,70 16,60 19,30 34,20 74,30

0,46 21

0,66 49,20 1327 117 7,00 6,96 6,92 6,50 10,50

А. = 10,48° 37

1,1 0,46 0,66 213,00 2376 90 9,70 12,70 14,70 26,10 56,70

207,20 2266 87 9,70 12,70 14,75 26,10 56,73

21

49,24 1327 91 6,90 6,87 6,83 6,42 10,30

X = 13,37° 37

128,70 2372 54 5,90 7,70 8,90 15,80 34,40

0,95 118,90 2266 50 5,70 7,40 8,60 15,30 33,20

0,46 21

0,66 48,24 1327 52 6,90 6,87 6,83 6,42 10,30

X =22,49° 37

1 2 3 4 5

0,8 0,46 0,66 58,00 1891 31 3,30 4,30 5,00 8,90 19,40

30,63 2266 16 1,50 1,90 2,20 3,90 8,60

26

49,24 X =58,11° 1327 14 7,00 6,90 6,90 6,50 10,50

37

0,75 0,46 0,66 49,25 1348 37 3,90 5,20 6,00 10,70 23,10

1,20 2266 0,08 0,01 0,01 0,01 0,16 0,30

37

49,20 X =88,60° 1327 0,5 7,00 6,90 6,90 6,50 10,50

37

Получены графические зависимости: натяжений в растяжках в зависимости от вариации их длины для различных значений коэффициента продольной динамики вагона, эквивалентной жёсткости креплений в зависимости от варьируемых значений угла наклона; эквивалентной жёсткости креплений и сдвига груза по направлению действия результирующей силы, а также сдвигов как вдоль, так и поперёк вагона в зависимости от вариации коэффициента продольной динамики вагона и пр. Пример графической зависимости сдвига груза Ду по направлению действия силы АР, а также полученные при этом сдвиги вдоль Ах и поперёк Ли вагона в зависимости от угла наклона А. силы АГ относительно продольной оси л: представлен на рис. 5. Анализ графических зависимостей позволяет отметить, что с увеличением угла наклона А, силы сдвиг груза ду по направлению действия силы А/7, а также полученный при этом сдвиг Ду, уменьшаются, а А х- увеличивается.

Л5 мм

Ч

\ Л »х

-------- -------- 1*. 1*. *_•-

I град

---сдвиг груза Дл, мм.

— сдвиг груза вдоль вагона Ах, мм

- сдвиг груза поперек вагона Ду, мм

Рис. 5. Графические зависимости сдвига груза Ду =.ДА), Лдг -.ДА.) и Ду -.ДА,)

Результаты исследований показали, что при заданных исходных данных и технологии крепления груза в вагоне в соответствии с ТУ, если длина креплений /, превышает 2,28 м при к^ = 1,2 и 2,39 м при к№ = 1,1, то возникает вероят-

ность разрыва таких креплений. В связи с этим, возникает необходимость внесения изменений в геометрию креплений груза (рис. 6).

Г

I р-

Л с

I . /ЬМ-г-.......¿у^уЦЦ^-Л-—гг V

Рис. 6. Рекомендуемая схема крепления груза

Внедрение вычислительной процедуры принятия решений по размещению и креплению груза в вагоне с учетом возможного прогнозной величины сдвига, способствует повышению безопасности функционирования ЖДТС, позволяет производить прогноз наступления случаев риска при приеме груза к перевозке, повышает качество работы транспортной системы и безопасность ее функционирования, что снизит непроизводительные расходы отрасли, связанные с ликвидацией последствий случаев аварий, крушений и браков в работе.

Суммарные затраты, связанные с ликвидацией одной коммерческой неисправности, вызванной нарушением ТУ, в среднем составляют 16397,76 руб/вагон. Согласно отчетным данным, за 2013 год для ликвидации коммерческих неисправностей, связанных с нарушением ТУ, по Восточно-Сибирской железной дороги было отцеплено 4264 вагона, общая экономия составит 69,92 млн руб/год,

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ

1. Проведен комплексный анализ частных характеристик, определяющих уровень безопасности региональной ЖДТС, в результате которого выявлены наиболее зависимые от наступления случаев риска подсистем и рассмотрена деятельность каждой из них в отдельности. Выявлено, что каждая из подсистем имеет собственную технологию работы, свое техническое оснащение, собственные основные фонды, свой специально подготовленный технический персонал. Проведена классификация факторов, влияющих на безопасность функционирования ЖДТС.

2. Произведена декомпозиция исходной проблемы на подпроблемы и задачи, а исследуемой системы - на подсистемы. Очевидно, что обобщающей характеристикой уровня безопасности подсистем ЖДТС как на федеральном, так

и на региональном уровнях будет вектор, компонентами которого является количество нарушений (браков) в деятельности соответствующих служб, произошедших по выявленным причинам.

3. По результатам деятельности Восточно-Сибирской железной дороги -филиала ОАО «РЖД» за последние 10 лет построена математическая модель влияния частных показателей типов нарушений на общее состояние уровня безопасности региональной ЖДТС с учетом ее декомпозиции на подсистемы. При этом проводился «конкурс» моделей по отношению к каждой из регрессионных зависимостей.

4. Для прогнозирования отказов функционирования ЖДТС на языке программирования Delphi разработан программный комплекс, особенностью которого является то, что при появлении новых данных за отчетный период пользователь может легко и удобно перестроить любую модель и получить новые прогнозные значения. Программный комплекс позволяет получать три типа прогнозов: оптимистичный, пессимистичный и нейтральный. Анализ этих прогнозных значений позволяет руководителям соответствующих служб вырабатывать эффективную политику обеспечения безопасности перевозочного процесса. Рассчитаны прогнозные значения уровней на краткосрочную перспективу. Как следует из модели одним из факторов, влияющих на безопасность функционирования ЖДТС, является техническое состояние вагонного парка, которое во многом определяется рациональностью характера расположения груза в вагоне.

5. Разработана вычислительная процедура принятия решений по размещению и креплению груза в вагоне с учетом прогнозной величины сдвига, позволяющая произвести прогноз уровня безопасности функционирования ЖДТС в сфере грузовых перевозок. Предложенная процедура позволяет определить сдвиг груза в направлении действия результирующей пространственной системы сил и эквивалентные жёсткости креплений, натяжения в креплениях груза. Приведены результаты вычислительных экспериментов для модели размещения и крепления груза в вагоне, движущемся на прямом участке пути с учетом возможного прогнозной величины сдвига, по критерию наступления случая риска.

Основные результаты диссертационной работы опубликованы в следующих работах:

Публикации в рецензируемых научных журналах, входящих в перечень

ВАК

1. Оленцевич В. А. Вертикальные колебания вагона с грузом при движении подвижного состава по волнам неровности пути / В.А. Оленцевич // Транспорт Урала. -2010. -№ 1 (24).-С. 49-53.

2. Оленцевич В. А. Вертикальные колебания вагона как одноосного экипажа с упругой подвеской при наличии силы сухого трения / О.В. Черепов, В.А. Оленцевич // Транспорт Урала. - 2010. - № 1 (24). - С. 54-58.

3. Оленцевич В. А. Моделирование технологии креплений груза в вагоне при воздействии пространственной системы сил / Х.Т. Туранов, В.А. Оленцевич // Транспорт Урала. - 2010. - №. 2. - С. 35-38.

4. Оленцевич В. А. Разработка методики по обоснованию технологии креплений в вагоне груза при воздействии пространственной системы сил / В.А. Оленцевич // Транспорт: наука, техника и управление. - 2010. — № 9. - С. 21-24.

5. Оленцевич В. А. Математическая формализация величины сдвига груза при воздействии внешних сил для обеспечения надежной и безопасной эксплуатации вагонного парка / В.А. Оленцевич // Современные технологии. Системный анализ. Моделирование. —2012. — № 1 (33). - С. 87-90.

6. Оленцевич В.А. Анализ причин нарушения безопасности работы железнодорожной транспортной системы / В.А. Оленцевич, В.Е. Гозбенко // Современные технологии. Системный анализ. Моделирование. - 2013. - № 1(37). - С. 180-183.

7. Оленцевич В.А. Повышение безопасности работы железнодорожной транспортной системы на основе автоматизации технологии размещения и крепления груза в вагоне / В.Е. Гозбенко, В.А. Оленцевич // Известия Транссиба. -2013.-№ 1(13).-С. 110-116.

8. Оленцевич В.А. Автоматизация выбора безопасного размещения и крепления груза на железнодорожном транспорте / В.А. Оленцевич, В.Е. Гозбенко // Системы. Методы. Технологии. - 2013. - № 2(18). - С. 59-63.

9. Оленцевич В.А. Анализ смещения груза при движении вагона по прямолинейному участку пути / В.А. Оленцевич, В.Е. Гозбенко // Системы. Методы. Технологии. -2013. -№ 3(19). - С. 46-50.

Публикации в российских и зарубежных изданиях, доклады на российских и международных конференциях

10. Оленцевич В. А. Результаты вычислительных экспериментов по обоснованию рациональной технологии креплений груза при воздействии пространственной системы сил 7 В.А. Оленцевия // В1СНИК Схщноукрашского нащонального уншерситету ¡меш ВОЛОДИМИРА ДАЛЯ. НАУКОВИЙ ЖУРНАЛ (Вестник Восточно-украинского нац. ун-та им. В. Даля). ЧАСТИНА (Часть) II.-2010.-№ 10 (152).-С. 136-140.

11. Оленцевич В. А. Результаты вычислительных экспериментов по обоснованию технологии креплений груза / В.А. Оленцевич // Труды десятой на-учн.-практич. конф. «Безопасность движения поездов». — М. : МИИТ, 2009. — С. 109-110.

12. Оленцевич В. А. Возможные причины колебаний легковесных грузов / В.А. Оленцевич // Труды Десятой научн.-практич. конф. «Безопасность движения поездов». - М.: МИИТ, 2009. - С. 110-111.

13. Оленцевич В. А. Технико-экономическое обоснование внедрения автоматизированной системы коммерческого осмотра (АСКО ПВ) на станции Тайшет / Н.В. Власова, В.А. Оленцевич // Транспортная инфраструктура сибирского региона : материалы межвузов, научн.-практич. конф. - Иркутск : ИрГУПС, 2009. - ч. 1,-С. 88-93.

14. Оленцевич В. А. Результаты расчётов эквивалентной жёсткости гибких упругих элементов креплений груза при воздействии пространственных систем сил / E.H. Тимухина, В.А. Оленцевич // Труды одиннадцатой научн.-практич. конф. «Безопасность движения поездов». - М. : МИИТ, 2010. — С. 21-24.

15. Оленцевич В. А. Результаты расчётов по определению сдвига и натяжений в гибких упругих элементов креплений груза при воздействии простран-

ственных систем сил / E.H. Тимухина, В.А. Оленцевич // Труды одиннадцатой научн,—практич. конф. «Безопасность движения поездов». - М.: МИИТ, 2010. — С. 25-29.

16. Оленцевич В.А. Analytical investigation of cargo displacement during the movement of rolling stock on a curved section of a track / Turanov Khabibulla, Olentsevich Victoria. // Transport Problems International Scientific Journal. Silesian University of Technology Politechnica Slaska. Poland, 2010. V. 5, Issue 1. - p. 23-32.

17. Оленцевич В.А. Численное моделирование жёсткостных характеристик креплений груза при сдвиге груза в плоскости пола вагона / E.H. Тимухина, В.А. Оленцевич // Материалы V-ой научн.-практич. конф. «Проблемы безопасности на транспорте». - Гомель : БелГУТ, 2010. - С. 82-84.

18. Оленцевич В.А. Требования к правилам погрузки и крепления грузов как условие сохранности грузовых вагонов / В.А. Оленцевич // Совершенствование хозяйственного механизма управления транспортом в условиях его реформирования: сб. научн. тр. — Иркутск : ИрГУПС, 2012. — С. 29-32.

19. Оленцевич В.А. Нарушение условий погрузки и крепления груза на подвижном составе, как фактор увеличения непроизводительных расходов железных дорог / В.А. Оленцевич // Финансовые аспекты структурных преобразований экономики : материалы Всерос. научн.-практич. конф. преподавателей и аспирантов. - Иркутск : ИрГУПС, 2012. - С. 115-121.

20. Оленцевич В.А. Систематизация факторов влияющих на безопасность перевозок грузов на железнодорожном транспорте / В.А. Оленцевич // Безопасность регионов - основа устойчивого развития : материалы Третьей междунар. научн.-практич. конф. - Иркутск: ИрГУПС, 2012. - С. 197-202.

21. Оленцевич В.А. Определение параметров креплений груза направленные на обеспечение безопасности работы железнодорожной транспортной системы / В.А. Оленцевич // Наука в современном информационном обществе : материалы междунар. научн.-практич. конф. 3-4 апр. 2013. — М., 2013. — С.116-119.

22. Оленцевич В.А. Оценка параметров отцепляемых вагонов по техническим и грузовым станциям сети железных дорог ОАО «РЖД» / В.Е. Гозбенко, В.А. Оленцевич, B.C. Асламова // Математические методы в технике и технологиях - ММТТ-26 : сб. труд. XXVI Междунар. науч. конф. в 2-х ч. Ч. 1 / ред. A.A. Большаков. - Ангарск : АГТА, Иркутск : ИГУ, 2013. - С. 13-16.

23. Оленцевич В.А. Вычислительные эксперименты по определению параметров креплений груза, направленные на обеспечение безопасности и эффективности работы железнодорожной транспортной системы / В.Е. Гозбенко, В.А. Оленцевич // Современные технологии и научно-технический прогресс : материалы ежегод. межвуз. научн. конф. «Техническая кибернетика. Химия и химические технологии. Строительство. Транспорт. Физика. Медицинские и экологические проблемы». - Ангарск : АГТА, 2013. - С. 46-47.

24. Оленцевич В.А. Нарушение требований к креплению груза как первостепенный фактор, угрожающий безопасности работы железнодорожной транспортной системы / В.Е. Гозбенко, В.А. Оленцевич // Бюллетень научных работ Брянского филиала МИИТ. - 2013. - №1(3). - С. 81-84.

25. Оленцевич В.А. Анализ неравномерности отцепляемых вагонов с коммерческими неисправностями по российским железным дорогам / В.А. Оленцевич, В.Е. Гозбенко, С.С. Котельников // Труды Братского государственного университета. Серия: Естественные и инженерные науки. Т. 1. — Братск : БрГУ, 2013.-С. 168-174.

26. Оленцевич В.А. Условие устойчивости груза как одна из причин неравномерности отцепляемых вагонов / В.А. Оленцевич, В.Е. Гозбенко, С.С. Котельников // Труды Братского государственного университета. Серия: Естественные и инженерные науки. Т. 1. - Братск : БрГУ, 2013. - С. 175-181.

27. Оленцевич В.А. Создание новых автоматизированных мест для управления и контроля за состоянием груза в пути следования / В.А. Оленцевич, В.Е. Гозбенко, A.A. Ахмадеева // Транспортная инфраструктура Сибирского региона: материалы Четвертой Всерос. конф. с международным участием, Иркутск, 13-17 мая 2013 г. В 2 т. - Иркутск : ИрГУПС, 2013. - Т. 1. С. 141-146.

28. Оленцевич В.А. Динамика вагона как фактор нарушения безопасной работы железнодорожных станций / В.А. Оленцевич, В.Е. Гозбенко, A.A. Ахмадеева // Математические методы в технике и технологиях: сб. тр. 26 Между-нар. науч. конф. ММТТ-26 в Ют. / ред. A.A. Большаков. - Нижний Новгород: гос. техн. ун-т, 2013. - Т. 9 С. 218-221.

29. Оленцевич В.А. Автоматизация как способ поддержания транспортных устройств и систем в работоспособном состоянии / В.А. Оленцевич, В.Е. Гозбенко, С.С. Котельников И Сб. науч. тр. Ангарской гос. техн. академии. - 2013. -№1.-Т. 1.С. 233-241.

Подписано в печать 05.05.14 г. Формат 60x90 1/16. Бумага офсетная Печать трафаретная. Усл. печ. л. 1,34 Тираж 100 экз. Заказ № 913

Отпечатано в типографии БФ «Сосновгеология» «Глазковская типография». Адрес: 664039, г. Иркутск, ул. Гоголя, 53; тел.: 38-78-40, тел/факс: 598-498

ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ЖЕЛЕЗНОДОРОЖНОГО ТРАНСПОРТА Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования

«ИРКУТСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ ПУТЕЙ

СООБЩЕНИЯ» (ИрГУПС)

МЕТОДИЧЕСКОЕ И ПРОГРАММНОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ АНАЛИЗА И ПРОГНОЗИРОВАНИЯ БЕЗОПАСНОСТИ ФУНКЦИОНИРОВАНИЯ ПОДСИСТЕМ ЖЕЛЕЗНОДОРОЖНОГО ТРАНСПОРТА

Диссертация на соискание учёной степени кандидата технических наук

специальность

05.13.01 - «Системный анализ, управление и обработка информации

04201459812

На правах рукописи

ОЛЕНЦЕВИЧ ВИКТОРИЯ АЛЕКСАНДРОВНА

(промышленность)»

Научный руководитель:

доктор технических наук, профессор Гозбенко Валерий Ерофеевич

Иркутск-2014

СОДЕРЖАНИЕ

Введение.................................................................................................................................. 5

ГЛАВА 1. АНАЛИЗ СОВРЕМЕННОГО СОСТОЯНИЯ ПРОБЛЕМЫ ОЦЕНКИ УРОВНЯ БЕЗОПАСНОСТИ ПОДСИСТЕМ ЖЕЛЕЗНОДОРОЖНОГО ТРАНСПОРТА 10

1.1. Характеристика структуры железнодорожной

транспортной системы.......................................................................................................... 11

1.2. Многоаспектный анализ безопасности железнодорожного транспорта за последние 10 лет.................................................................................................. 20

1.3. Содержательный анализ межфакторных связей в железнодорожной транспортной системе.................................................................................................. 26

1.4. Анализ теоретических основ и методов крепления груза на подвижном составе.............................................................................................................................................. 33

1.5. Выводы......................................................................................................................................................... 37

ГЛАВА 2. МНОГОАСПЕКТНЫЙ АНАЛИЗ БЕЗОПАСНОСТИ ФУНКЦИОНИРОВАНИЯ ЖЕЛЕЗНОДОРОЖНОЙ ТРАНСПОРТНОЙ СИСТЕМЫ.................................................................................................................................................. 38

2.1. Классификация факторов, влияющих на безопасность функционирования ЖДТС и ее подсистем....................................................................................... 39

2.2. Анализ состояния безопасности функционирования ЖДТС

за период 2003-2012гг.......................................................................................................................................... 47

2.3. Выводы.................................................................................................................... 70

ГЛАВА 3. МАТЕМАТИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ ЧАСТНЫХ ХАРАКТЕРИСТИК НА УРОВЕНЬ

БЕЗОПАСНОСТИ ФУНКЦИОНИРОВАНИЯ ЖДТС 73

3.1 Регрессионная модель оценки уровня безопасности функционирования ЖДТС................................................................................................... 73

3.2. Программный комплекс прогнозирования уровня безопасности функционирования ЖДТС.......................................................................................................... 80

3.3. Выводы.................................................................................................................... 84

ГЛАВА 4. РАЗРАБОТКА ВЫЧИСЛИТЕЛЬНОЙ ПРОЦЕДУРЫ

ПРИНЯТИЯ РЕШЕНИЙ ПО РАЗМЕЩЕНИЮ И КРЕПЛЕНИЮ ГРУЗА В ВАГОНЕ С УЧЕТОМ ПРОГНОЗНОЙ

ВЕЛИЧИНЫ СДВИГА 86

4.1 Математическая формализация расчета натяжений в растяжках с учетом возможного сдвига груза под воздействием

внешних факторов.................................................................................................................. 87

4.2. Вычислительная процедура принятия решений по размещению

и креплению груза в вагоне с учетом прогнозной величины сдвига на примере груза с плоской опорой...................................................................................... 98

4.3. Вычислительные эксперименты по обоснованию технологии крепления груза согласно ТУ........................................................................................................................ 103

4.4. Выводы................................................................................................................................. 121

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ 123

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ 125

ПРИЛОЖЕНИЕ 1................................................................................................................... 143

ПРИЛОЖЕНИЕ 2................................................................................................................. 163

ПРИЛОЖЕНИЕ 3................................................................................................................. 167

ПРИЛОЖЕНИЕ 4................................................................................................................. 170

ПРИЛОЖЕНИЕ 5................................................................................................................. 175

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность работы. Обеспечение комплексной безопасности перевозочного процесса является приоритетным направлением деятельности железнодорожного транспорта и позволяет: повышать сохранность перевозимых грузов, а также снижать непроизводительные расходы на ликвидацию последствий нарушений безопасности движения, коммерческих браков и т.д.

Добиться эффективной реализации данной стратегии возможно, в частности, за счет повышения безаварийности работы всех подразделений железнодорожного транспорта.

Проведенный анализ показателей перевозочного процесса на ВосточноСибирской железной дороге и результаты расследования случаев аварий, крушений и браков в работе показал, что в течение всего рассматриваемого периода наблюдался рост выявленных случаев коммерческих неисправностей. Представляется, что проблема комплексной оценки уровня безопасности всех подразделений железных дорог может быть эффективно решена только на основе использования методологии системного анализа, который предполагает, в частности, разработку алгоритмического и программного обеспечения анализа безопасности подсистем железнодорожного транспорта.

Важной проблемой обеспечения безопасности движения поездов, от решения которой зависит состояние аварийности, как в грузовом, так и в вагонном хозяйстве, является не соблюдение Технических условий погрузки и крепления грузов при приеме груза перевозке, нарушение целостности крепления в пути следования и техническое состояние элементов кузова грузовых вагонов. Оценка положения дел по обеспечению безопасности функциониро-

5

вания в грузовом хозяйстве требует определения основных проблем в этой сфере и разработки путей их решения. Среди них главной является прием грузов к перевозке, поскольку большинство действующих нормативных документов не предусматривают оценку уровня безопасности функционирования железнодорожной транспортной системы. Действующие Технические условия размещения и крепления груза в вагонах и контейнерах не позволяют прогнозировать наступление случаев отказов при перевозке груза, в связи, с чем необходимо разработать критерии оценки наступления случая риска и на их основе вычислительную процедуру принятия решений по размещению и креплению груза в вагоне с учетом прогнозной величины сдвига.

Цель диссертационной работы: разработка методического и программного обеспечения комплексного анализа уровня безопасности функционирования подсистем железнодорожной транспортной системы и проверка его допустимых значений.

Для достижения указанной цели необходимо решить следующие задачи:

1. Провести комплексный анализ частных характеристик, определяющих уровень безопасности функционирования железнодорожной транспортной системы;

2. Осуществить декомпозицию исходной проблемы на подпроблемы, а исследуемой системы - на подсистемы;

3. Разработать систему математических моделей уровня безопасности функционирования выделенных подсистем железнодорожного транспорта;

4. Разработать программный комплекс прогнозирования уровня безопасности подсистем железнодорожного транспорта и рассчитать прогнозные значения этого уровня на краткосрочную перспективу;

5. Из расчета зависимости допустимых значений натяжений в креплениях груза от воздействия пространственной системы сил получить формулы для определения величины сдвига груза в плоскости пола вагона;

6. Разработать вычислительную процедуру принятия решений по размещению и креплению груза в вагоне с учетом прогнозной величины сдвига.

Объект исследования: система комплексного анализа уровня безопасности на железнодорожных предприятиях Восточной Сибири.

Предмет исследования: прогнозные факторы, влияющие на безопасность функционирования железнодорожной транспортного системы.

Методами исследования являются методы системного анализа, математического моделирования, регрессионного анализа, современных информационных технологий, основные положения теоретической механики.

Достоверность полученных результатов подтверждена применением общепринятого математического аппарата, проверкой адекватности регрессионных моделей на независимой выборке экспериментальных данных, а также удовлетворительным совпадением полученных результатов с данными других исследователей.

Научную новизну диссертации представляют результаты, выносимые на защиту:

1. Впервые проведен комплексный анализ локальных показателей, в совокупности определяющих уровень безопасности железнодорожной транспортной системы и выполнена декомпозиция проблемы безопасности железнодорожной транспортной системы на подпроблемы, подсистемы и задачи, которые классифицированы по значению уровня безопасности;

2. Разработана система регрессионных моделей оценки уровня безопасности железнодорожного транспорта зависящая от числа нарушений в работе транспортных подсистем;

3. Предложена вычислительная процедура принятия решений по размещению и креплению груза в вагоне с учетом прогнозной величины сдвига, обеспечивающая безопасность функционирования железнодорожной транспортной системы и реализованная в программном комплексе.

Практическое значение. Разработанный на основе системы регрессионных уравнений программный комплекс позволяет проводить краткосрочное и среднесрочное прогнозирование уровня безопасности подсистем железнодорожного транспорта и автоматически составить их рейтинг отказов. Разработанная вычислительная процедура принятия решений по размещению и креплению груза в вагоне с учетом прогнозной величины сдвига может использоваться для контроля разработанных грузоотправителями Технических условий размещения и крепления грузов в вагонах и контейнерах.

Реализация результатов. Вычислительная процедура принятия решений по размещению и креплению груза в вагоне с учетом прогнозной величины сдвига принята к использованию службой коммерческой работы в сфере грузовых перевозок, Дирекцией управления движением ВосточноСибирской филиала ОАО «РЖД» для контроля разработанных грузоотправителями технических условий размещения и крепления грузов на открытом подвижном составе. Усовершенствованная методика расчёта крепления грузов реализована в виде пакета программ для ЭВМ и подтверждена двумя актами внедрения.

Поданы заявки на изобретения: № 2013147190 от 22.10.2013 г. «Способ организации грузовых перевозок на железнодорожном транспорте»; № 2013153692 от 03.12.2013 г. «Устройство для гашения колебаний в железнодорожном транспортном средстве, выполняющем грузовые перевозки».

Апробация работы. Основные результаты диссертационной работы доложены и обсуждены на: научно-практической конференции «Безопасность движения поездов» (Москва: МИИТ, 2009, 2010 гг.); Первой Международной научно-практической конференции «Технология, материалы, транспорт и логистика» (Украина: ВСНТУ, 2010 г.); V научно-практической конференции «Проблемы безопасности на транспорте» (Гомель, БелГУТ, 2010); Третьей Международной научно-практической конференции «Безопасность регионов - основа устойчивого развития» (Иркутск: ИрГУПС, 2012 г.); Меж-

дународной научно-практической конференции «Наука в современном информационном обществе» (Москва, МИИТ: 2013 г.); XXVI Международной научной конференции «Математические методы в технике и технологиях — ММТТ-26» (Ангарск: АГТА, 2013 г.); межвузовской научной конференции «Современные технологии и научно-технический прогресс» (Ангарск: АГТА, 2013 г.); Всероссийской конференции с международным участием «Транспортная инфраструктура Сибирского региона» (Иркутск: ИрГУПС, 2009, 2013 гг.); на семинаре кафедры «Прикладная механика» ИрГУПС.

Публикации. По результатам исследований опубликовано 29 научных работ [74-102], из них 10 - опубликованы единолично, 19 - в соавторстве. В журналах, рекомендуемых ВАК, опубликовано 9 статей.

Структура работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, списка использованной литературы, включающего 144 наименования, 180 страниц основного текста, 42 рисунков.

ГЛАВА 1. АНАЛИЗ СОВРЕМЕННОГО СОСТОЯНИЯ ПРОБЛЕМЫ ОЦЕНКИ УРОВНЯ БЕЗОПАСНОСТИ ПОДСИСТЕМ ЖЕЛЕЗНОДОРОЖНОГО ТРАНСПОРТА

В данной главе рассмотрены основные свойства и принципы понятия «система», на основе чего подтверждено предположение, что железнодорожный транспорт представляет собой многоуровневую организационно-техническую структуру и полностью соответствует понятию «система», поскольку обладает не только функционированием, но и имеет собственное поведение, историю, развитие, иерархичность, структурность, множественность описаний, взаимодействие с внешней средой, обладает спецификой взаимодействия входящих в него подсистем и отвечает прочим основным свойствам понятия [105]. Установлены основные события выхода параметров железнодорожной транспортной системы за нормативные пределы с определенными негативными последствиями. Определено, что проблема оценки уровня безопасности подсистем железнодорожного транспорта и выявления факторов, этот уровень определяющих, не может быть успешно решена без привлечения современной методологии системного анализа.

Общий анализ факторов снижения уровня безопасности подсистем железнодорожной транспортной системы показывает, что основными причинами, влияющими на этот уровень, являются те, которые прямо либо косвенно связаны с Техническими условиями размещения и крепления груза в вагонах и контейнерах. Однако, как выявлено из анализа публикаций по данному вопросу, в них не приводится количественных оценок степени этого влияния и способов устранения или нивелирования данного влияния.

1.1. Характеристика структуры железнодорожной транспортной системы

В работах по системным исследованиям справедливо отмечается, что важным показателем целостности любой системы является относительная самостоятельность ее функционирования. При исследовании структуры целостности объектов выделяются два уровня: первый - выявление конкретного состава системы (ее строение), набор составляющих ее элементов и их классификация; второй - представление структуры системы как совокупности взаимосвязей между составляющими ее элементами [25, 30, 133, 140].

Железнодорожный транспорт (далее - ЖДТ) является сложной системой с большим количеством различных элементов, необходимых для бесперебойной и эффективной работы. Данные элементы тесно взаимосвязаны между собой и характеризуются определенными показателями работы: объемные показатели перевозочной работы, качественные показатели эксплуатационной работы, техническое состояние подвижного состава, деповской ремонт грузовых вагонов, капитальный ремонт грузовых вагонов, состояние железнодорожного пути, показатели хозяйства электрификации и электроснабжения, расход топлива и электроэнергии, финансово-экономические показатели, безопасность движения [50]. Значение показателей зависит от многих факторов: объема погрузки-выгрузки, величины транзитных поездопото-ков, природно-климатических условий, географического расположения железнодорожных линий, степени механизации и автоматизации технологического процесса и т.д. В качестве работ по системному анализу работы железных дорог можно выделить авторов И.К. Лакина, В.Н. Супруна, В.А. Шарова, которые предлагают методику исследования транспортных показателей с использованием корреляционного анализа [3, 128].

Компания ОАО «Российские железные дороги» (далее - ОАО «РЖД») имеет линейно-функциональную организационную структуру (рис. 1.1).

Рис. 1.1. Организационная схема ОАО «РЖД»

Основные стратегические решения принимает правительство Российской Федерации. Руководство ОАО «РЖД» принимает решения, связанные с непосредственным функционированием железных дорог. Руководства дорог

12

принимают решения, связанные непосредственно с функционированием дорог, находящихся в их подчинении [72]. Эта структура включает в себя филиалы и представительства компании, дочерние и зависимые общества. По видам осуществляемой деятельности филиалы компании подразделяются на: филиалы - железные дороги; функциональные филиалы; филиалы - перевозочные компании; филиалы в области экономического и финансового обеспечения; филиалы в области капитального строительства; филиалы в области ремонта подвижного состава; филиалы в области путевого хозяйства; филиалы в области информатизации и связи; филиалы в области социальной сферы; филиалы - проектные бюро; иные филиалы.

В связи с этим, организационно-технологический комплекс ЖДТ можно представить в виде различных составных элементов, объединенных между собой внутренними связями и вступающих друг с другом в определённые отношения:

1. Система, в основе которой лежит сеть железных дорог, непосредственно обеспечивающих потре�