автореферат диссертации по транспорту, 05.22.06, диссертация на тему:Мониторинг показателей взаимодействия пути и подвижного состава в реальных эксплуатационных условиях

На правах рукописи

РГБ ОД

ШШ1КАРЕВ МАКСИМ БОРИСОВИЧ

17 № 2003

МОНИТОРИНГ ПОКАЗАТЕЛЕЙ ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ ПУТИ И ПОДВИЖНОГО СОСТАВА В РЕАЛЬНЫХ ЭКСПЛУАТАЦИОННЫХ

УСЛОВИЯХ

Специальности: 05.22.06- Железнодорожный путь

05.13.07- Автоматизация технологических процессов н производств(транспорт)

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Москва - 2000 г.

Работа выполнена в Государственном унитарном предприятии Всероссийский научно-исследовательский институт железнодорожного транспорта Министерства путей сообщения Российской Федерации

Научный руководитель

Научный консультант

Официальные оппоненты

Ведущее предприятие

кандидат технических наук Богданов Виктор Михайлович

кандидат технических наук Левиизоч Михаил Александрович

доктор технических наук, профессор Грищенко Валерий Александрович

кандидат технических наук Каменский Владимир Борисович

Всероссийский научно-исследовательский и проегстно-конструкторский институт средств информатизации,. автоматизации и связи железнодорожного транспорта (ВНИИ А.С) МПС РФ

Защита состоится "Л?" (04 2000 г. в /4 час на заседания диссертационного совета Д.114.01.03 при Государственном унитарном предприятии Всероссийский научно-исследовательский институт железнодорожного транспорта МПС РФ по адресу 129323, Москва, пр-д Русанова, д.2, комн. 65 (ст. метро «Свиблово»).

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ВНИИЖТ МПС РФ.

Автореферат разослан "¿С О? 2000 г.

Отзывы на автореферат в двух экземплярах, заверенные печатью, просим направлять в адрес диссертационного совета института: 129851, Москва, 3-я Мытищинская ул., 10.

Ученый секретарь

диссертационного совета.

доктор технических наук

ОМ-

о u - im. 650, и -и)?, с + О Ш -оа.оя - я -об; о

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность проблемы. Экономическая эффективность работы железнодорожного транспорта во многом определяется затратами на текущее содержание и ремонт пути и подвижного состава, а также на ликвидацию последствий аварий и нештатных ситуаций, возникающих э процессе движения поездов. Для обеспечения безопасности движения и снижения эксплуатационных расходов на содержание объектов железнодорожного транспорта необходимо привести в соответствие фактическое состояние и нормативы содержания инфраструктуры, а также нормативы проведения ремонтов пути, подвижного состава, объектов энергоснабжения и устройств сигнализации и связи.

Одним из наиболее перспективных методов снижения эксплуатационных расходов является переход к назначению научно обоснованных режимов движения поездов и планированию путевых работ на основе фактического состояния объектов путевого хозяйства. Это возможно только при наличии комплексной системы мониторинга и V диагностики пути и ходовых частей подвижного состава с определением параметров и критериев их оценки, чему посвящена данная диссертационная работа.

В настоящее время разработаны аппаратные средства 'диагностики подвижного состава, включающие стационарную систему ДИСК-2 (контроль перегретых букс Диск-2Б, заторможенных колес Диск-2Т, волочащихся деталей Диск-2В, неравномерный износ колес по кругу катания Диск-2К), а также технические средства диагностики пути -путеизмерители ЦНИИ-2, ЦНИЙ-4, диагностический поезд для оценки деформативности подрельсового основания, тензомегрические колесные лары для оценки сил, передаваемых от колес подвижного состава на путь.

Для оценки и прогнозирования интенсивности накопления остаточных деформаций пути, назначения обоснованных скоростей движения на конкретных участках пути должны использоваться информация, получаемая с помощью диагностических средств, накопленная в электронных паспортах дистанций пути (конструкция верхнего строения пути, его срок службы, результаты визуальных осмотров), математические модели взаимодействия пути и подвижного состава, результаты испытаний.

Такой подход к решению проблемы требует, кроме совершенствования взаимоувязанных норм содержания экипажной части подвижного состава й пути, создания информационной системы, которая позволила бы объединять разнородные потоки данных о пути и подвижном составе, производить на основе этой информации оценку соответствия их

состояния нормативам и выдавать рекомендации по установлению допустимых скоростей движения. Иными словами, необходима система мониторинга.

Такая система для условий путевого хозяйства (на различных уровнях) разрабатывается впервые, я ее актуальность подтверждается результатами опытной эксплуатации.

Внедрение / системы позволит повысить качество принимаемых решений по назначению допустимых скоростей движения, эффективность планирования работ по текущему содержанию и ремонту пути, обеспечить снижение затрат без уменьшения уровня безопасности движения.

Цель диссертационной работы. Разработка технических требований к системе мониторинга показателей взаимодействия пути и подвижного состава, методики использования этих показателей при установления допустимых скоростей движения на конкретных участках пути н способов реализации разработанных методов при информационном обеспечении системы управления путевым хозяйством. Это позволит создать научно обоснованную базу для установления условий обращения подвижного состава в существующих и перспективных условиях эксплуатации, а также получать дополнительную информацию для решения задач повышения качества технического обслуживания пути.

Методика исследования. Для достижения этих целей в работе были сформулированы и решены следующие задачи:

-Анализ и форматизация методики оценки состояния пути на основе параметров взаимодействия пути и подвижного состава.

- Выработка требований к системе мониторинга показателей взаимодействия пути и подвижного состава как составной части системы диагностики пути.

- Разработка архитектуры информационной системы мониторинга показателей взаимодействия пути и подвижного состава.

-Выбор математической модели взаимодействия пути и подвижного состава и 1 разработка интерфейсов ее сопряжения с создаваемой информационной системой.

- Анализ средств сбора данных для системы опенки состояния пути.

- Определение адекватной методологии и инструментальных средств разработки информационных систем и создание на их остове системы оценки состояния пути и ранжирования наблюдаемых участков пути по критериям безопасности, сопротивления движению и скорости износа

Научная новизна. Разработана методика оценки показателей взаимодействия пути и подвижного состава в существующих и перспективных условиях эксплуатации на основе данных, полученных с помощью математического моделирования.

Предложен уточненный метод установления допустимых скоростей движения на конкретном участке пути в зависимости от силовых показателей взаимодействия пути и подвижного состава.

Разработаны методы информационного обеспечения и эффективного представления результатов анализа для лица, принимающего решения (ЛПР), позволяющие повысить качество технического обслуживания пути.

Показаны способы использования системы мониторинга в задачах диагностики и прогнозирования состояли железнодорожного пути.

Практическая ценность. Разработаны функциональные технические требования к системе мониторинга показателей взаимодействия пути и подвижного состава.

Сформулированы рекомендации по выбору технологий и инструментальных средств разработки отдельных компонент системы.

На основе предложенных рекомендаций разработан исследовательский прототип системы мониторинга.

Внедрение.

Результаты диссертационной работы использованы ВНИИ АС МПС РФ при разработке технического задания на создание подсистемы АСУ «Путь».

Апробация работы. Основные положения диссертационной работы докладывались и получили одобрение на четвертой международной научно-технической конференции по тележкам и ходовым частям железнодорожного подвижного состава (4й1 International Conference on Railway Bogie and Running Gears, Budapest, Hungary, 1998); на международной конференции Ассоциации тяжеловесного движения «Проблемы взаимодействия колеса и рельса» (Москва, 1999); «а НТС отделения Комплексных испытаний ВНИИЖТ (Москва, 1999)

Публикации. По материалам диссертации опубликовано 5 печатных работ.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из ведения, четырех глав, заключения, списка использованных источников из 94 наименований, из них 23 на иностранных языках. Объем диссертации составляет 124 страницы, включая б таблиц и 35 рисунков.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении описаны используемые б настоящее время на Российских железных дорогах методика, нормативная база и технические средства оценки состояния пути и установления допустимых скоростей движения подвижного состава, дан обзор зарубежных систем мониторинга состояния пути.

I. ,

Вклад в решение задач взаимодействия пути и подвижного состава, научного обоснования оценки состояния пути, установления допустимых скоростей движения, планирования и организации путевых работ внесли В.Г. Альбрехт, М.Х. Ахмедзянов, М.Ф. Вериго, В.А. Грищенко, В.Д. Данович, О.П. Ершков, Г.Г. Желнин, Н.И. Карпущенко, АЯ. Коган, В.О. Певзнер, Ю.С. Ромен, В.Ф. Ушкалов, В.Н. Филиппов, М.А Фришман, Г.М. Шахунянц, В.Ф. Барабмшш, В.М. Богданов, Е.М. Бромберг, В.Б. Каменский, М.А. Левинзон, И.В. Полещук, М.П. Смирнов, В.Ф. Федулов, Д.П. Хомеюсо и другие.

Одним из наиболее эффективных способов повышения эффективности ведения путевого хозяйства является учет конкретных особенностей отдельных участков пути при их взаимодействии с подвижным составом при установлении допустимых скоростей движения и планировании путевых работ. Реализовать такой подход можно только при наличии достаточно полной и регулярно обновляемой информации о параметрах этих участков.

Существующие в настоящее время измерительные средства, средства вычислительной техники и программное обеспечение позволяет организовать сбор, хранение и анализ такой информации. К измерительным средствам относятся, в частности, вагон-путеизмеритеяь ЦНЙИ-2 с бортовой автоматизированной системой (БАС), новый вагон-путеизмеритель ЦНИИ-4, диагностический поезд для измерения деформативности подрельсового основания, тензометрическая колесная ' пара и др. К средствам вычислительной техники относятся персональные ЭВМ, которыми в настоящее время оснащены большинство отделений дорог, рабочие станции и мэйнфреймы, внедрение которых начинается в ГВЦ МПС. Для передачи данных используются существующие линии связи, а также прокладываются новые, волоконно-оптические каналы. К программному обеспечению относятся различные системы управления базами данных (СУБД), на основе которых создаются электронные паспорта пути.

Для эффективного использования все перечисленные выше средства должны быть объединены в комплексную систему мониторинга состояния пути.

Методологической основой системы мониторинга пути должна быть методика оценки его состояния по имеющейся информации. Поскольку первопричиной нарушения условий безопасного движения поездов является превышение силовых параметров взаимодействия

пути и подвижного состава допустимых для них значений, в предлагаемой системе именно эти параметры прнняты за критерии состояния пути. Так как прямое их измерение в условиях эксплуатация невозможно, для их определения используется математическая модель взаимодействия пути и подвижного состава.

В настоящее время наиболее широко известны следующие основные подходы к моделированию взаимодействия пути и подвижного состава:

-Исследование динамики обрессоренных масс с помощью численного интегрирования системы уравнений, описывающих динамику кадрессорного строения экипажа.

- Исследование динамики обрессоренных масс с помощью корреляционно -спектральной теория.

- Исследование динамики необрессоренных масс в вертикальной плоскости путем аналитического решения дифференциального уравнения, описывающего динамику необрессоренных масс в вертикальной плоскости.

-Исследование горизонтального изгиба и кручения рельса путем аналитического решение дифференциального уравнения деформации рельса.

-Исследование боковых сил вписывания экипажа в кривую с помощью решения нелинейной задачи поиска изолированного положения равновесия системы при отсутствии внешних возмущений.

- Исследование устойчивости движения экипажа путем решения задачи устойчивости движения системы относительно положения изолированного равновесия по Ляпунову,

-Исследование взаимодействия экипажа и пути при пространственных колебаниях подвижного состава, в рамках которого отдельно рассматриваются две группы пространственных колебаний - колебания галопирования и подпрыгивания и колебания виляния, относа и боковой хачхи. При исследовании колебаний галопирования и подпрыгивания используется метод аналитического решения уравнения колебания рельса в частотной области с учетом обратной связи, существующей в этой системе между неровностями иути и упругими осадками рельса, возникающими под действием сил от колес. При исследовании колебаний виляния, относа и боковой качки применяется метод исследования сложных систем.

Поскольку в процессе мониторинга необходимо многократно оценивать показатели взаимодействия пути и подвижного состава, одним из основных факторов при выборе модели является быстродействие алгоритма, реализующего ее. Исходя из этого,

s

предпочтение должно был. отдано методам, в максимальной степени использующим аналитические подходы. Среди таких методов необходимо выделить последний из приведенных выше вариантов, как обладающий наибольшей адекватностью и в максимальной степени учитывающий эффекты, возникающие в процессе взаимодействия экипажа и пути. Этот метод был разработан д.т.н. проф. АЛ Коганом и реализован под его руководством в виде программного пакета VEIP.

В настоящее время для оценки состояния пути и установления допустимых скоростей движения используются геометрические параметры рельсовой колеи. Предлагаемая система может быть использована как дополнительный источник информации, позволяющий выявить те особенности, которые не могут быть получены на основе анализа геометрии, и, таким образом, более обоснованно устанавливать допустимые скорости движения. В перспективе, по мере увеличения объема и повышения достоверности поступающей информации, система позволит перейти к установлению допустимых скоростей движения на основе силовых параметров и параметров напряженно-деформированного состояния цуги.

В мире накоплен значительный опыт создания систем мониторинга состояния пути и планирования путевых работ. К таким системам можно отнести, например, автоматизированную систему TMAS, применяемую в Canadian Pacific, систему планирования путевых работ MARPAS, используемую на Британских железных дорогах, систему BENCO, функционирующую в Нидерландах и другие.

Анализ подобного рода систем позволяет выявить их общие характеристики:

- В их состав обычно входят следующие компоненты: карта состояния пути, система мониторинга состояния пути, математические модели расстройств пути и выхода из строя элементов конструкции в зависимости от условий эксплуатации, система оперативного контроля геометрического состояния пути, методика разработки планов производства работ, система экономической оценки потребности в ремонтах, система контроля качества работ.

-Отказ от использования универсальных расчетных формул для оценки качества состояния пути. Повсеместно применяется разбиение пути на участки по тому или иному принципу (чаще всего, просто по длине), наблюдение за каждым участком в отдельности и планирование путевых работ с учетом их индивидуальных особенностей.

-Хранение в базе данных не только актуальной информации, но и данных за значительный предшествующий период и построение на их основе прогноза изменения параметров и, соответственно, прогноза появления необходимости путевых работ, затрат материальных, энергетических и других ресурсов.

-Использование экспертных знаний (заложенных в систему или получаемых в диалоге с пользователем) как для оценки состояния пути, так н при планировании. В соответствии с этим в большинстве систем для каждого оцениваемого параметра вводится разбиение всего диапазона его изменения на 4 - 7 поддиапазонов. Именно такое количество типов объектов, согласно исследованиям, является оптимальным для челоаека с точки зрения возможности их сравнения и ранжирования.

-Использование в системе, помимо геометрических параметров, оценок силовых факторов взаимодействия пути и экипажа, полученных как с помощью различных математических моделей, так и путем проведения нагрузочных экспериментов.

- Выбор в качестве целевой функции при оптимизации планирования работ экономической эффективности работа железной дороги в целом, с учетом характера поездопотоков, а также оценки стоимости потенциальных рисков.

При создании и внедрения системы должен быть решен комплекс следующих проблем:

- Теоретические проблемы: 'обоснованный выбор измеряемых и расчетных параметров, выбор модели взаимодействия пути и подвижного состава и накопления неисправностей, создание структуры базы данных для хранения информации.

-Технические проблемы: создание (или выбор из существующих) и взаимная стыковка средств измерения регистрируемых параметров, создание информационной инфраструктуры, в которой должна будет функционировать система.

- Проблемы нормативной базы: для использования результатов мониторинга необходимо разработать и принять соответствующую нормативную базу -дифференцированные взаимоувязанные нормативы содержания пути и подвижного состава на различных участках эксплуатации. С точки зрения безопасности движения, а также ограничения роста остаточных деформаций, в качестве основных нормативов должны быть приняты силовые ограничения параметров взаимодействия.

В первой главе («Постановка задачи») сформулирована цель работы, изложены задачи исследования

В настоящее время во ВНИИ ЖТ начата разработка системы мониторинга состояния пути для российских железных дорог. Координатором работ является отделение Комплексных испытаний (КИ). Целью данной работы, входящей в состав комплексного проекта, является разработка методов оценки состояния пути и диагностики причин возникающих отклонений от норм содержания на основе анатиза параметров взаимодействия пути и подвижного состава в реальной эксплуатационной обстановке, что

позволит повысить безопасность движения и обеспечит рациональное использование имеющихся материальных ресурсов. Кроме того, должна быть произведена проработка способов реализации этих методов в информационной системе. Для достижения этих цели должны быть решены следующие задачи:

- Анализ и формализация методологии оценки состояния пути на основе параметров взаимодействия пути и подвижного состава.

- Выработка требований к системе мониторинга состояния пути как составной части системы диагностики пути.

- Разработка архитектуры информационной системы оценки мониторинга состояния пути и диагностики.

-Выбор математической модели взаимодействия пути и подвижного состава и разработка интерфейсов ее сопряжения с создаваемой информационной системой.

- Анализ средств сбора данных для системы оценки состояния пути.

-Определение адекватной методологии и инструментальных средств разработки информационных систем и создание на их основе системы оценки состояния пути и ранжирования наблюдаемых участков пути по критериям безопасности, сопротивления движению и скорости износа.

Во второй главе («Теоретические основы системы мониторинга пути») показано, что использование системы мониторинга состояния пути должно быть элементом процесса принятия решений по анализу состояния пути и установлению допустимых скоростей движения. Весь процесс принятия решений подразделяется на четыре основных этапа: сбор и обработка данных, оценка текущей ситуации и построение прогноза ее изменения, генерация вариантов решений и выбор оптимального и отслеживание выполнения принятого решения.

Вклад в создание и развитие системы оценки состояния пути и планирования путевых работ внесли такие ученые, как В.Г. Альбрехт, М.Ф. Верите, В.А. Гршценко, О.П. Ершков, В.О. Певзнер, Г.М. Шахушшц, Е.М. Бромберг, В.Б. Каменский, В.Ф. Федулов, Д.П. Хоменко, и другие. Эта система построена исходя из имевшихся технических средств измерения параметров состояния пути и организационных возможностей обработки результатов измерений. В настоящее время, в связи с развитием вычислительной техники и информационных технологий, а также использующих их методов математического моделирования, появилась возможность повысить актуальность и качество оценки состояния пути и планирования путевых работ путем создания комплекса автоматизированных систем. Одной из систем в составе этого комплекса должна быть система мониторинга.

Задачами мониторинга являются отслеживание изменений и обнаружение аномалий в наблюдаемой системе. Входом подсистемы мониторинга обычно служат некоторые количественные (например, показатели датчиков) и качественные показатели функционирования системы, а выходом - описания текущего состояния и поведения системы. Таким образом, подсистема мониторинга необходима для выполнения второго этапа цикла управления - построения описания ситуации. Это описание используется другими компонентами, например, отображаются для ЛПР компонентой пользовательского интерфейса и задейстауются подсистемой диагностики, которая ищет углубленные и детальные объяснения наблюдаемого поведения. Важной функцией подсистемы мониторинга является обнаружение того факта, что поведение системы неожиданно или потенциально ненормально, что дает повод активизировать диагностические процедуры.

Система мониторинга и диагностики играет одну из важнейших ролей в процессе поддержки принятия решений. Она содержит и обрабатывает модели поведения управляемых объектов (в частности, пути и подвижного состава), с ее помощью осуществляется переход от данных к описанию ситуации на полигоне управления, а также оцениваются варианты действий в случае возникновения аномальных ситуаций.

Основным международным стандартом создания диагностических систем является AI-ESTATE. На Рис. 1 представлена соответствующая этому стандарту обобщенная архитектура диагностической системы и место в ней системы мониторинга.

Рис. 1 Обобщенная архитектура диагностической системы

Критериями оценки состояния пути в предлагаемой системе являются силовые параметры и параметры напряженно-деформированного состояния пути при его взаимодействии с ясдвижным составом. Критерии разделены на три группы: критерии безопасности движения, критерии интенсивности накопления остаточных деформаций и критерии сопротивления движению. Допустимые значения критериев выбраны на основе существующих нормативных документов, в частности, «Норм для расчета и оценки

прочности несущих элементов, динамических качеств и воздействия на путь экипажной части локомотивов железных дорог МПС РФ колеи 1520 мм».

Дм анализа конкретных особенностей каждого участка необходимо предварительно провести разбиение пути на эти участки, называемые в данной работе «элементарными». При ра!биении используется правило, что в пределах участка непосредственно измеряемые его параметры, служащие исходными данными для математической модели, должны меняться в таком диапазоне, чтобы не влиять на результаты моделирования (в пределах принятой точности).

Оценка состояния пути проводится на основе обобщения всех количественных параметров и качественных показателей. Каждый элементарный участок оценивается по обобщенным критериям безопасности движения, скорости накопления дефектов и сопротивления движению. В случае возникновения аномалий (выхода одного или нескольких критериев за пределы допустимого диапазона) подсистема мониторинга генерирует событие-симптом, сигнализирующий о наличии аномалии и несущий в себе первичную информацию о состоянии пути.

Система мониторинга состояния пути разрабатывается с учетом возможности ее совместного использования с диагностической системой. Такое взаимодействие позволит в наиболее полной мере использовать все возможности системы мониторинга.

Система мониторинга осуществляет наблюдение за параметрами пути и характеристиками поездопотока на полигоне управления, передаваемыми в систему с помощью компонент сбора данных. Поскольку количество этих параметров велико, а влияние каждого из них на безопасность движения проявляется в сочетании с другими параметрами, невозможно определить предельно допустимые значения для каждого из них. Поскольку причинами возникновения аномалий при движении поездов являются силовые факторы взаимодействия их с путем, а также факторы напряженно-деформированного состояния, именно их оценки приняты в системе за обобщенные оценки безопасности движения. Для получения этих оценок используется математическая модель.

Теоретические основы методов моделирования взаимодействия пути и подвижного состава вытехахл из общих принципов решения задач динамики и заложены в трудах известных ученых Н.П. Петрова, С.П. Тимошенко, АЛ. Когана, В.Г. Альбрехта, М.Ф. Вериго, СЛ. Вертинского, В.Д. Дановича, О.П. Ершкова, Г.Г. Же.тнина, В.О. Певзнера, Ю.С. Ромена, М.А Фршпмана, Г.М. Шахунянца и других. Среди зарубежных ученых необходимо отметить Калкера, Картера, Винклера, де Патера, Дукюшати, Кика, Элкинса, Гарга, Ивницкого.

Классификация моделей строится в соответствии с целями исследования, методами решения задачи, принятыми моделями пути и подвижного состава, а также способами задания внешних возмущений. Анализ существующих в настоящее время моделей взаимодействия пути и подвижного состава позволил выделить из них наиболее подходящую для применения в создаваемой системе. Критериями для анализа бьии адекватность, время расчета, возможность оценить динамику пути во взаимодействии с экипажем, доступность (цена). По этим показателям наиболее подходящей признана модель взаимодействия экипажа и пути, созданная д.т.н., проф. А.Я. Коганом, а в качестве ее реализации выбран программный комплекс УЕ1Р, разработанный в Отделении комплексных испытаний ВНИИЖТ.

Обобщенный алгоритм расчета параметров взаимодействия пути и подвижного состава в соответствии с этой моделью представлен на Рис. 2.

Общий аналитический метод расчета взаимодействия пути к подвижного состава

< — Вертикальны« колебания —>- Колебания виляния, относа и боковой качк*

Поиск изолированного положения раакоюсяя _системы_

I--

оценка устойчивости системы, возмугцэнной относительно положения изолированного равновесия

Оцени статистических свойств огибающих возникающих узкополосных процессов

Определение наложений и ^»формаций в пут и в под вююном _состав*_

Определение сил, передаваемых ст колескых пар на рольш {статистов мгновенных значений)

Определение сил, передаваемых от колесных пар на рельсы

(статистка амплитудных значен**)

_ Суперпозиция ««зависимых

случайных процессов

Определение напряжении и деформаций в луп* и в подеижеиои составе

Рис. 2 Алгоритм расчета параметров взаимодействия пути и подвижного состава на основе аналитического метода

При расчете отдельно рассматриваются две группы

пространственных колебаний — вертикальные (галопирования и подпрыгивания) и боковые (виляния, относа и боковой качки).

При исследовании колебаний галопирования и подпрыгивания используется метод аналитического решения уравнения колебания рельса в частотной области с учетом обратной связи, существующей в этой системе между неровностями пути и упругими осадками рельса, возникающими под действием сил от колес.

При исследовании колебаний виляния, относа и боковой качки применяется метод исследования сложных систем. При этом первым шагом является поиск изолированного положения равновесия системы. Далее оценивается устойчивость системы яод действием возмущений относительно этого положения равновесия. Если движение экипажа устойчиво, то используя аппарат стационарных случайных процессов, определяются статистические характеристики мгновенных значений сия взаимодействия пути и подвижного состава.

В случае, когда положение изолированного равновесия неустойчиво, в системе возникают нестационарно-периодические колебания автоколебательного характера. В этом случае необходимо определить критическую скорость, после чего оценить статистические свойства огибающих узкополосных выходных процессов, что дает возможность определить экстремальные (амплитудные) значений выходных процессов.

Силы и напряжения, полученные в результате расчетов вертикальных и боковых колебаний, объединяются по принципу суперпозиции независимых случайных процессов.

Фактически, система мониторинга отслеживает изменения именно этих интегральных оцеаок для каждого «элементарного» участка пути. При выходе значения оценки за допустимый диапазон генерируется событие-симптом, и ему приписывается информация о месте возникновения и значениях исходных данных, приведших к нему. Факт появления этого события должен служить инициатором начала диагностического процесса для данного участка, а информация, относящаяся к нему - исходными данными дай диагностики.

В процессе диагностики возможно проведение тестов, т.е. извлечение дополнительной информации о состоянии системы. Реализация некоторых тестовых процедур также может проводиться в рамках системы мониторинга, поскольку возможно, что такая информация может быть получена из ее информационных источников или оценена косвенно с помощью модели.

Использование математического моделирования позволяет реализовать такую важную функцию системы, как генерация рекомендаций по допустимым (с точки зрения

силовых параметров взаимодействия экипажа и пути) скоростям пассажирского и грузового движения на участке.

Рекомендуемые допустимые скорости движения на каждом участке полигона устанавливаются исходя из условия непревышения каждым из критериев, отнесенных к группе критериев безопасности движения (см. пп. 3.4.1.1) своих допустимых значений. При этом, поскольку очевидно, что большим значениям скоростей соответствуют большие значения силовых параметров взаимодействия пути и подвижного состава, решается оптимизационная задача вида

K(Vnicc; Vw)-> шах

где обобщенный критерия безопасности

K(Vnacc, = max( K,(Vnare, V^) - [К;]У[К,]),

а ограничения

Ki(V пасс» V^) < [Kj] v i,

где i - номер критерия

При этом, так как значения обобщенных критериев безопасности на каждом участке определяются как максимальные по всем типам подвижного состава, то для каждого конкретного значения обобщенного критерия можно определить, каким типом подвижного состава и, соответственно, какой скоростью это значение обусловлено. Эта особенность задачи использована при разработке оптимизационного алгоритма, схема которого представлена на Рис. 3

Рис. 3 Алгоритм расчета рекомендуемых допустимых скоростей движения

В третьей главе («Реализация системы мониторинга состояния пути») описаны функциональные требования к системе мониторинга состояния пути н рекомендации по построению отдельных ее компонент.

Описание системы строится в наиболее широко распространенной в настоящее время нотации иМЬ, языка визуального моделирования программных систем.

Первым шагом проектирования системы является анализ функциональных требований, т.е. способов использования системы. В наиболее общем виде диаграмма способов использования системы мониторинга состояния пути представлена на Рис. 4.

Вагон^угекпмери Выработка рекомендаций

тегь \ N

\ ' '

«Использует»*,

<-( )-( Ь

^ ^ „, _ _ «Использует»

Паспорт Сбор дачных Отображен« и анализ стуации Лицо, приниМаю№е

дистанции пути \ решения

^ \

«Используете^ \ /

- \ С___

АСОУП Анализ хода выполнения реиений

Рис. 4 Диаграмма способов использования системы мониторинга состояния пути.

Для реализации этих вариантов выбраны следующие функциональные компоненты системы:

1. Агент мониторинга и сбора данных. Этот компонент необходим для отслеживания изменений во внешних источниках информации и передачи новых данных в систему. Реально может существовать несколько агентов, обслуживающих несколько информационных источников.

2. Внутренняя база данных необходима для хранения результатов моделирования.

3. Модель взаимодействия пути и подвижного состава используется для получения силовых критериев оценки состояния пути.

4. Система управления моделированием, оценки состояния и генерации рекомендаций является основой системы мониторинга и включает в себя:

4.1. Подсистему первичной обработки данных, предназначенную для предварительного анализа, исключения недостоверной и устаревшей информации;

4.2. Подсистему анализа соблюдения критериев безопасности движения, скорости накопления остаточных деформаций и сопротивления движению;

4.3. Подсистему выработки рекомендаций, предназначенную для выработки вариантов решений по установлению скоростей движения при возникновении аномальной ситуации на том или ином участке пути.

5. Интерфейс внешних систем предназначен для обмена информацией с различными внешними приложениями. В частности, к таким приложениям можно отнести СУБД, системы диагностики состояния пути, системы планирования путевых работ.

6. Интерфейс пользователя предназначен для взаимодействия с ЛПР, т.е. отображения информации, выдачи запросов системы к ЛПР и ввода ответов на них.

Функционирование информационной системы (ИС) является совокупностью процессов регистрации, передачи, хранения, обработки и отображения информации, которые реализуются с использованием комплекса технических и программных средств. Этот комплекс составляют: вычислительные мощности, сети передачи данных, системное программное обеспечение (ПО), ПО промежуточного слоя (т.н. middleware) и прикладное ПО. Естественно, что архитектурные решения для каждой из компонент должны быть взаимоувязаны. Выбор этих решений в первую очередь определяется функциональностью создаваемой ИС. Однако современные информационные технологии позволяют реализовывать одну и ту же функциональность разными способами. Тогда в силу вступают факторы стоимости, надежности и отказоустойчивости, быстродействия, масшабируемости и скорости разработки ИС.

Далее в главе 3 рассмотрены варианты архитектурных решений при создании распределенных информационных систем. На основе анализа функциональных требований к системе мониторинга состояния пути, а также требований к размещению отдельных ее компонент, последняя относится к классу трехзвенных (клиент - сервер приложений -сервер базы данных) клиент-серверных информационных систем поддержки принятия решений «мягкого» реального времени. После этого приводятся рекомендации по выбору инструментария и построению основных компонент системы. Так, сервер приложений предлагается строить на базе экспертных систем реального времени, хранение данных осуществлять с помощью одной из реляционных СУБД, поддерживающих запросы на языке SQL, подсистему сбора данных строить как распределенную, основанную на технологии информационных агентов.

Следующим подразделом является описание взаимосвязи математической модели взаимодействия пути и подвижного состава с другими компонентами системы. В частности, приведен набор необходимых исходных данных и способов их извлечения из реально функционирующих в настоящее время и перспективных информационных систем железнодорожного транспорта. Это позволяет детализировать требования к подсистеме сбора данных.

Описана методика расчетов и преобразование результатов в критерии оценки состояния цуги. Расчеты проводятся для пассажирских и грузовых локомотивов, электричек,

порожних грузовых вагонов, грузовых вагонов со средней на участке осевой нагрузкой и с максимально допустимой осевой нагрузкой при допускаемых и графиковых скоростях.

Расчеты параметров при движении с допускаемыми скоростями проводятся с целыо определения значений критериев безопасности. К таким критериям относятся отношение рамной силы к статической осевой нагрузке, боковая сила, коэффициент вертикальной динамики, кромочные напряжения в подошве рельса, напряжения в балластном слое, напряжения в земляном полотне.

При этом для каждого из параметров в качестве максимального берется значение

Етах = Ё + 2,5 *ое,

где Ё - среднее значение параметра, Се - среднеквадратическое отклонение

Коэффициенты запаса определяются по выражению: Ке = ([Е] - Етах) I [Е],

где [Е] - предельно допустимая величина параметра.

Оценка по каждому из критериев получается как минимум из коэффициентов запаса для каждого из видов подвижного состава. Общая оценка безопасности движения на данном участке выбирается как минимум из всех указанных выше коэффициентов запаса.

Расчеты параметров при движении с графиковыми скоростями позволяют оценить интенсивность износа, сопротивление движению и интенсивность накопления остаточных деформаций. При этом используют значения параметров, взвешенные по числу осей каждого из видов подвижного состава.

Далее в главе 3 приводятся более подробные рекомендации по построению системы сбора исходных данных, реализации сервера приложений и созданию пользовательского интерфейса.

В четвертой главе («Опыт эксплуатации системы») описаны результаты опытной эксплуатации исследовательского прототипа системы. Опытная эксплуатация прототипа системы мониторинга состояния пути проводилась на базе электронного паспорта пути, входящего в состав АРМ ГГЧ, созданного ВНИИ АС. Результаты расчетов хранятся в т.н. «внутренней» базе данных, построенной с учетом соглашений, принятых ВНИИ АС при создании паспорта пути. В перспективе, при разработке полнофункциональной системы мониторинга состояния пути, это позволит использовать единый механизм доступа как к данным из паспорта, так и к результатам математического моделирования.

В качестве опытного полигона использован участок Северной дороги Вологда - Коноша. Выбор именно этого участка обусловлен тем, что для него известны наиболее точные значения модуля упругости подрельсового основания, так как именно здесь были проведены поездки диагностического поезда. Участок обладает следующими основными характеристиками: преобладающий тип рельсов Р-65, основание - деревянные шпалы, эпюра 2000 щ/км-на 21% всей длины участка (в кривых участках пути), эпюра 1840 ш/км - на 79%, щебеночный балласт на 82% длины участка и гравийно-песчаный - на18%, в плане 67% длины составляют прямые участки, 32% - кривые радиусом 600 - 2000 м, 1% -кривые радиусом менее 600 м, средняя грузонапряженность около 40 млн. т. в год, средние осевые нагрузки - 19 т./ось, нормативные скорости движения для пассажирских поездов 80 км/ч, для грузовых -100 км/ч.

Подготовительным этапом, необходимым для оценки состояния пути, было разбиение опытного полигона на элементарные участки. В результате было получено разбиение всего полигона на 975 участков со средней длиной 651 м. Для каждого из участков был проведен расчет и определены основные параметры безопасности, скорости накопления деформаций и сопротивления движению.

Были выявлены четыре элементарных участка, на которых критерии безопасности движения (в частности, рамной и/или боковой силы) превысили допустимые значения, и три участка, где эти параметры были близки к своим допустимым значениям. В ходе генерации рекомендаций по установлению скоростей движения дня этих участков системой были предложены более низкие значения пассажирских и грузовых скоростей, обеспечивающие приемлемые значения параметров. Для большинства остальных участков были выявлены потенциальные возможности повышения нормативных скоростей движения в среднем на 5 км/ч (до 85 км/ч для грузовых поездов и до 105 км/ч - для пассажирских). Необходимо отметить, что скорости, предложенные системой, установлены исходя из условий максимально возможного приближения «снизу» к допустимым значениям критериев безопасности. При этом не учитывалось наличие дефектных рельсов, состояние стрелочных переводов, н некоторые другие факторы, информация о которых бьиа недоступна на момент проведения опытной эксплуатации системы. Кроме того, не были учтены оптимальные режимы изменения скоростей. Таким образом, системой были предложены максимально допустимые с точки зрения безопасности движения скорости для каждого «элементарного» участка.

Примером решения задачи прогнозирования состояния пути является исследование эффективности перехода на повышенные осевые нагрузки на наблюдаемом участке. Расчеты производились исходя нз предположения, что максимальная осевая нагрузка, равная 25 т/ось,

будет повышена до 30 т/ось. При этом доля вагонов с максимальной нагрузкой не изменится и составит 5% всех грузовых вагонов. По результатам расчетов можно сделать вывод, что при переходе на повышенные осевые нагрузки на данном участке не произойдет нарушения критериев безопасности движения (кроме тех участков, где они не соблюдены уже при существующей максимальной осевой нагрузке), однако повысится средний уровень напряжения в элементах верхнего строения пути и интенсивность накопления остаточных деформаций. Соответственно, увеличится количество «элементарных» участков, на которых критерии приблизятся к своим допустимым значениям, и к которым будет привлечено внимание ЛПР. Увеличения относительного износа и относительного сопротивления движению не предвидится.

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ

В ходе выполнения диссертационной работы были получены следующие результаты:

1. Разработаны основные технические требования к системе мониторинга параметров взаимодействия пути и подвижного состава, необходимой для информационного обеспечения принятия решений по назначению режимов обращения подвижного состава и планированию технического обслуживания пути с учетом требований по безопасности движения и минимизации эксплуатационных затрат.

2. Предложена архитектура системы мониторинга параметров взаимодействия пути и подвижного состава и основные технологические решения ее создания.

Для оценки показателей взаимодействия пути и подвижного состава предложено использовать модель д.т.н., проф. А Я. Когана и реализующий ее программный комплекс УЕ1Р.

В качестве архитектурного решения системы предложена концепция многоагентной среды сбора данных и трехзвенная архитектура «клиент - сервер приложений - сервер данных» для их обработки. Приведены рекомендации по выбору технологий и инструментальных средств разработки каждого из компонент.

3. Разработана методика использования силовых параметров и параметров напряженно-деформированного состояния для оценки и прогнозирования состояния пути в существующих и перспективных условиях эксплуатации.

Определен набор параметров взаимодействия, определяющих показатели взаимодействия пути и подвижного состава на конкретном участке пути. Методом определения значений параметров является математическое моделирование. Эти значения являются интегральными показателями, мониторинг которых позволяет решать задачу

оценки уровня силового взаимодействия. При выходе одного или нескольких параметров за допустимые значения генерируется событие-симптом, которое в дальнейшем будет использовано в системе диагностики состояния пути. Накопленные «исторические» данные совместно с математической моделью могут бьтгь использованы для прогнозирования состояния пути и уровня безопасности движения на конкретном участке.

4. Разработан алгоритм определения допускаемых по параметрам взаимодействия пути и подвижного состава скоростей движения для конкретных условий эксплуатации.

Рекомендуемые скорости движения определяются из условия максимально возможного приближения «снизу» к допустимым значениям параметров взаимодействия. В текущей реализации системы они могут быть источником дополнительной информации для лиц, принимающих решения при установлении допустимых скоростей на конкретных участках.

5. Предложены рекомендации по построению системы сбора информации, обеспечивающей полноту оценки взаимодействия пути с обращающимся подвижным составом.

Для обеспечения информации, необходимой при оценке параметров взаимодействия, предложено использовать следующие источники:

1 Данные,© 5 должныбьЬ^йдаейййго^

Конструкции пути электронного паспорта дистанции пути

Состоянии пути расшифровки лент прохода лутеязмерителя

Модул<?упругости пути диагностического поезда

Поездной нагрузке и режимах движения поездов автоматизированной системы оперативного управления перевозочным процессом (АСОУП)

При проверке работы исследовательского прототипа системы использованы данные электронного паспорта пути и результаты прохода диагностического поезда, а состояние пути и поездная нагрузка оценивались по архивным данным.

б. Разработан способ разбиения полигона мониторинга на «элементарные» участки, за которыми ведется наблюдение.

Разбиение произведено исходя из условий неизменности в пределах «элементарного» участка исходных данных для математической модели взаимодействия пути и подвижного состава. Предложенный алгоритм разбиения реализован в виде компьютерной программы, что позволяет производить автоматизированное разбиение в случае существенных изменений на полигоне мониторинга.

7. Разработаны методы информационного обеспечения и эффективного представления результатов анализа для лица, принимающего решения (ЛПР), позволяющие повысить качество технического обслуживания пути.

К таким методам, использованным в системе мониторинга, относятся представление параметров состояния пути средствами активной графики, а также система генерации сообщений о выходе тех или иных параметров за допустимые пределы. Полигон управления представлен иерархической схемой (уровни перегонов и участков в пределах одного перегона), на которой цветом отображается текущее состояние элементов пути. При этом состояние объекта верхнего уровня (перегона) определяется состоянием «наихудшего» из его подобъектов (участков пути).

8. Разработан исследовательский прототип системы, прошедший апробацию в исследованиях ВНИИЖТ на участке Вологда - Коноша Северной железной дороги.

9. Внедрение разработанной системы мониторинга позволяет учесть в системе ТО пути фактические показатели его взаимодействия с подвижным составом, что, по предварительным оценкам, полученным а Департаменте пути и сооружений и рассмотренным на расширенной коллегии МПС №5 от 16.03.99, позволит сннзить общие эксплуатационные расходы на 7-10%.

Основные положения диссертационной работы опубликованы в работах

1. Bogdanov V.M, Levinzon М.А., Chinkarev М.В. Computer-Aided System for train safety prediction and rail wear-out estimation. Proc. Of the 4-th international conference on Railway bogies and running gears, Budapest, 1998, p. 347-356.

2. Bogdanov V.M., Levinzon M.A., Chinkarev M.B. Monitoring of the condition of Track and Running Gears on Havy-haul Railway Segments, "Wheel/Rail interface" Conference Proc. Vol 1., Moscow, 1999. p. 363-368.

3. Шинкарев М.Б. Анализ систем мониторинга состояния пути и планирования путевых работ. В сб. «Проблемы железнодорожного транспорта» под ред. В.М. Богданова, В.Г. Гогричиани, М., Интекст, 1999 г., с. 67-70

4. Евсеев О.В., Михайловский О.В., Шинкарев М.Б., Боровко А.Ю. Проектирование интеллектуальных динамических моделей крупномасштабных информационных систем на основе объектно-ориентированного подхода. В сборнике научных трудов Всероссийской научно-практической конференции «Реинжиниринга бизнес-процессов предприятий на основе современных информационных технологий», Москва, МЭСИ, 1997 г., с 43-51

5. Кисель Е.Б., Михайловский О.В., Шинкарев М.Б. Методы и средства динамического оперативного планирования на основе использования экспертных знаний. В сборнике научных трудов пятой национальной конференции с международным участием «Искусственный интеллект - 96», Казань, Академия наук Татарстана, 1996 г., с. 414-416.

ВВЕДЕНИЕ.

Существующая нормативная база для определения условий обращения подвижного состава и выполнения путевых работ.

Технические средства оценки состояния пути.

Зарубежный опыт создания систем мониторинга состояния пути и планирования путевых работ.

Проблемы создания системы мониторинга параметров взаимодействия пути и подвижного состава.

Комплекс теоретических проблем.

Комплекс технических проблем.

Комплекс проблем нормативной базы.

1. ПОСТАНОВКА ЗАДАЧИ.

2. ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ СИСТЕМЫ МОНИТОРИНГА ПОКАЗАТЕЛЕЙ ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ ПУТИ И ПОДВИЖНОГО СОСТАВА.

2.1 Место систем мониторинга и диагностики в процессе поддержки принятия решений.

2.2 Обобщенная архитектура диагностической системы.

2.3 Возможности использования системы мониторинга в прогнозировании состояния и диагностике пути.

2.3.1 Общие принципы работы диагностической системы.

2.3.2 Методы диагностики.

2.3.3 Использование системы мониторинга в прогнозировании и диагностике.

2.4 Методика оценки состояния пути на основе силовых параметров взаимодействия пути и подвижного состава.

2.4.1 Критерии оценки состояния пути.

2.4.2 Разбиение пути на элементарные участки для оценки их состояния.

2.4.3 Процедура оценки.

2.5 Математические модели взаимодействия пути и подвижного состава.

2.5.1 Принятые гипотезы и допущения.

2.5.2 Классификация моделей взаимодействия пути и подвижного состава.

2.5.3 Выбор модели.

2.5.4 Общая схема расчета.

2.5.5 Описание модели.

2.6 Методика определения допустимых по параметрам взаимодействия пути и подвижного состава скоростей движения.

3. РЕАЛИЗАЦИЯ СИСТЕМЫ МОНИТОРИНГА ПАРАМЕТРОВ ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ ПУТИ И ПОДВИЖНОГО СОСТАВА.

3.1 Архитектура системы мониторинга параметров взаимодействия пути и подвижного состава.

3.1.1 Функциональные требования и функциональная архитектура системы мониторинга параметров взаимодействия пути и подвижного состава.

3.1.2 Варианты архитектурных решений при создании распределенных информационных систем.

3.1.3 Рекомендации по выбору архитектуры системы мониторинга параметров взаимодействия пути и подвижного состава.

3.2 Математическая модель взаимодействия экипажа и пути в системе мониторинга.

3.2.1 Исходные данные для расчета и методы их получения.

3.2.2 Результаты моделирования.

3.2.3 Методика расчетов и преобразование результатов в критерии оценки состояния пути.

3.3 Сбор данных для системы мониторинга.

3.4 Пользовательский интерфейс системы мониторинга.

4. ОПЫТ ЭКСПЛУАТАЦИИ СИСТЕМЫ.

4.1 Исследовательский прототип системы мониторинга параметров взаимодействия пути и подвижного состава.

4.2 Опытный полигон.

4.3 Результаты опытной эксплуатации.

4.3.1 Оценка состояния.

4.3.2 Выработка рекомендаций по допустимым скоростям движения.

4.3.3 Прогнозирование.

5. ВЫВОДЫ.

Экономическая эффективность работы железнодорожного транспорта во многом определяется затратами на текущее содержание и ремонт пути и подвижного состава, а также на ликвидацию последствий аварий и нештатных ситуаций, возникающих в процессе движения поездов. Так, например, по оценкам Railway Research Group (Queensland University of Technology, Австралия) 22% (около 460 миллионов долларов в 1992 году) всех расходов Австралийских железных дорог составляют затраты на содержание и ремонт железнодорожного полотна [76]. Соответствующие затраты на линиях Spoornet в ЮАР составляют 23%, а на высокоскоростном участке Бостон - Вашингтон (Northeast Corridor), обслуживаемом фирмой Amtrack, - 31%.

В РФ, по данным департамента пути МПС, амортизационные отчисления составляют 31,6% общих эксплуатационных расходов путевого хозяйства, причем 81% этой суммы приходится на верхнее строение пути, составляя весомую долю затрат.

Падение объемов перевозок на сети дорог РФ привело к тому, что расходы на эксплуатацию отдельных линий в ряде случаев превышают доходную часть. Для снижения эксплуатационных расходов на содержание объектов железнодорожного транспорта необходимо привести в соответствие фактическое состояние и нормативы содержания инфраструктуры, проведения ремонтов пути, подвижного состава, объектов энергоснабжения и устройств сигнализации и связи, обеспечивая при этом безопасность движения. В связи с этим в 1997 г. МПС утвердил схемы категорирования, и все направления и участки были разделены на 4 категории по значимости линий (в соответствии с приведенной грузонапряженностью и режимами движения). В соответствии с этим разработаны нормы содержания и эксплуатации инфраструктуры, технологические процессы, и т.д. В этом плане в путевом хозяйстве разработаны и утверждены Приказ МПС РФ №12Ц «О переходе на новую систему ведения путевого хозяйства на основе повышения технического уровня и внедрения ресурсосберегающих технологий» [53], «Инструкция по расшифровке лент и оценке состояния рельсовой колеи по показаниям путеизмерительного вагона ЦНИИ-2 и мерам по обеспечению безопасности движения поездов» [22], «Инструкция по текущему содержанию железнодорожного пути» [23] и другие нормативные документы.

По данным департамента пути МПС, переход к назначению режимов движения поездов и планированию путевых работ на основе фактического состояния объектов путевого хозяйства позволит сократить обслуживающий персонал на 16-18 тыс. чел. и уменьшить расход средств на 7-10%, что составит 320-450 млн. руб.

Переход на ремонты по фактическому состоянию возможен только при наличии комплексной системы мониторинга и диагностики пути и ходовых частей подвижного состава с определением параметров взаимодействия пути и подвижного состава и критериев их оценки.

В настоящее время разработаны аппаратные средства диагностики подвижного состава, включающие стационарную систему ДИСК-2 (контроль перегретых букс Диск-2Б, заторможенных колес Диск-2Т, волочащихся деталей Диск-2В, неравномерный износ колес по кругу катания Диск-2К), а также технические средства диагностики пути -путеизмерители ЦНИИ-2, ЦНИИ-4, диагностический поезд для оценки деформативности подрельсового основания, тензометрические колесные пары для оценки сил, передаваемых от колес подвижного состава на путь.

Информация, получаемая с помощью диагностических средств, накопленная в электронных паспортах дистанций пути (конструкция верхнего строения пути, его срок службы, результаты визуальных осмотров), математические модели взаимодействия пути и подвижного состава, результаты испытаний должны использоваться для прогнозирования и оценок интенсивности накопления остаточных деформаций пути, назначения обоснованных скоростей движения на конкретных участках пути.

Такой подход к решению проблемы требует, кроме совершенствования взаимоувязанных норм содержания экипажной части подвижного состава и пути, создания информационной системы, которая позволила бы объединять разнородные потоки данных о пути и подвижном составе, производить на основе этой информации оценку соответствия их состояния нормативам и выдавать рекомендации по установлению допустимых скоростей движения. Иными словами, необходима система мониторинга как подвижного состава, так и пути, а также параметров их взаимодействия.

В работе рассматривается система мониторинга параметров взаимодействия пути и подвижного состава. Такая система для условий путевого хозяйства (на различных уровнях) разрабатывается впервые, и ее актуальность подтверждается результатами внедрения.

Реализация системы мониторинга параметров взаимодействия пути и подвижного состава позволит, кроме изложенных выше задач, оценивать состояние пути для пропуска грузовых вагонов нового поколения с повышенными осевыми и погонными нагрузками.

Существующая нормативная база для определения условий обращения подвижного состава и выполнения путевых работ

С точки зрения эксплуатации железных дорог состояние пути оказывает влияние на такие факторы как допустимые скорости движения, типы назначаемых ремонтов и межремонтные сроки. В связи с этим особую важность имеют методики и нормативы установления допускаемых скоростей движения, а также планирования текущего содержания и ремонтов пути.

В области разработки этих методик и нормативов и создания системы оценки состояния пути в целом широко известны работы В.Г. Альбрехта [2], М.Ф. Вериго [5, ], В.А. Грищенко, О.П. Ершкова [19, 40], З.Л. Крейниса [32], Б.Н. Сергеева [57], В.О. Певзнера [46, 47], Г.М. Шахунянца [68], Е.М. Бромберга [3], В.Б. Каменского, В.Ф. Федулова, Д.П. Хоменко и других.

Результаты этих исследований воплотились в практику в виде основных документов, регламентирующих содержание железнодорожного пути — «Инструкции по текущему содержанию железнодорожного пути» [23], «Инструкции по расшифровке лент и оценке состояния рельсовой колеи по показаниям путеизмерительного вагона ЦНИИ-2 и мерам по обеспечению безопасности движения поездов» [22], и других нормативных документах [10, 11, 52]. В этих документах основными критериями оценки служат геометрические параметры рельсовой колеи, на основе которых делаются выводы о необходимости назначения ограничений скорости и тех или иных видов путевых работ. В свою очередь, эти геометрические критерии выбраны на основе оценок прочности элементов пути, устойчивости рельсошпальной решетки от поперечного сдвига по балласту, а также устойчивости колеса от вкатывания гребнем на головку рельса.

В соответствии с [22] оценка отступлений от номинальных значений параметров производится по четырем степеням их величин, регламентированным в зависимости от установленных скоростей движения поездов по принципу: чем выше установленные скорости движения поездов, тем меньше регламентированные величины отступлений.

Параметрами, используемыми при определении скоростей движения, являются:

• ширина колеи;

• положение рельсовых нитей по уровню;

• просадки рельсовых нитей;

• перекосы рельсовых нитей;

• положение пути в плане (разность стрел изгиба рельсовых нитей);

• уклоны отводов возвышения наружных рельсов.

Эти параметры определяются на основе расшифровки лент путеизмерителя.

Отступления I степени не требуют проведения работ по их устранению.

Отступления II степени также не требуют проведения работ по их устранению, но оказывают влияние на плавность движения подвижного состава и интенсивность расстройств пути, поэтому их учитывают при планировании профилактических работ по выправке пути.

Отступления III степени за период до очередной проверки пути путеизмерителем могут достичь величин, значительно ухудшающих плавность движения и повышающих интенсивность накопления остаточных деформаций пути, а также перерасти в отступления, вызывающие необходимость уменьшения установленной скорости. Такие отступления устраняются в первоочередном порядке.

Отступления IV степени вызывают рост сил взаимодействия до величин, которые могут привести к сходу. При обнаружении таких отступлений скорость уменьшается на один или более интервал. Такие отступления должны устраняться незамедлительно.

Помимо отступлений IV степени ограничения скоростей требуют также следующие комбинации отступлений:

• Сочетание отступления в плане III или IV степени с перекосом или просадкой III или IV степени;

• Три и более смежных отступления в плане III степени на длине 75 м и менее;

• Смежные отклонения по уровню в разные стороны с расстоянием между вершинами 10-20 мм и амплитудой, равной двум отклонениям III степени;

• Более шести отступлений III степени на одном километре.;

• Превышение величины непогашенного ускорения 0.7 м/с2;

• Превышение норм допускаемого уклона отвода возвышения наружной рельсовой нити кривой.

В перспективе при установлении допустимых скоростей необходимо учитывать технико-экономические скорости, устанавливаемые исходя из недопущения непредсказуемого интенсивного развития неисправностей, соблюдения равновесия между интенсивностью накопления расстройств и ремонтно-восстановительными возможностями предприятий путевого хозяйства и повышения экономической эффективности работы железной дороги в делом. Эту задачу можно решить только на базе единой для всей сети информационной системы.

При установлении максимальных допускаемых скоростей движения для определенного типа подвижного состава используются «Правила производства расчетов верхнего строения пути на прочность» [51]. Как указано в [7], основными критериями, использовавшимися при создании этих правил, были критерии непревышения допускаемых напряжений от изгиба и кручения рельса.

Как отмечается в [7], для современных конструкций пути такой подход не всегда является оправданным, поскольку новые типы рельсов и подрельсового основания, внедрение бесстыкового пути, а также влияние других факторов привели к тому, что изменились основные причины выхода рельсов из строя. На современном этапе при определении прочности, устойчивости, надежности и долговечности пути должны быть решены следующие задачи:

• Определение параметров устойчивости пути, устойчивости и безопасности движения подвижного состава;

• Прогнозирование увеличения количества и интенсивности отказов элементов пути, обусловленных процессами усталости, износом, коррозией и естественным старением, в зависимости от типов и конструкций верхнего строения и подвижного состава, их состояния, структуры и веса поездов, скорости движения, пропущенного тоннажа, плана и профиля линии и других исходных данных;

• Определение динамических сил, деформаций, износных и прочностных характеристик элементов пути, колесных пар и других элементов экипажей, оценки влияния на эти параметры особенностей устройства и содержания подвижного состава и пути.

При этом одну из основных ролей должны играть методы математического моделирования взаимодействия пути и подвижного состава ([7]).

Современные информационные технологии, средства вычислительной техники и телекоммуникаций позволяют обеспечивать своевременный сбор и обработку больших объемов информации как о параметрах пути, так и проходящем подвижном составе, что дает возможность непосредственно использовать для оценки состояния любого участка пути на всей сети вместо упрощенных методик более сложные и более обоснованные модели.

Технические средства оценки состояния пути

Для оценки фактического состояния пути и подвижного состава разработаны и разрабатываются различные методики и технические средства. К техническим средствам относятся путеизмерительная аппаратура (шаблоны, оптические приборы, путеизмерительные тележки и вагоны), дефектоскопы (магнитные и ультразвуковые), средства «силовой диагностики», средства для исследования состояния земляного полотна, трибомеры и другое оборудование. Применяемое в настоящий момент в России и за рубежом оборудование основано на современных принципах измерений, передачи, хранения и обработки информации. В этой области накоплен значительный опыт проведения измерений и богатый фактический материал.

Так, с 1996 года на железных дорогах России начато внедрение дефектоскопных автомотрисе АМД-1 [29]. В этих диагностических комплексах используются эхо-импульсный и зеркально-теневой методы ультразвуковой диагностики при контактном способе ввода ультразвуковых колебаний. Здесь реализована автоматизированная система регистрации, визуализации, обработки и хранения сигналов ультразвукового контроля, которая обеспечивает цветное отображение на экране дисплея информации о сигналах контроля и путейской координате в реальном масштабе времени, регистрацию и хранение информации на магнитных носителях, просмотр оператором зарегистрированных сигналов контроля, получение документа контроля выбранного участка пути на бумажном носителе, возможность автоматической обработки и расшифровки сигналов как во время движения, так и на стоянке.

В настоящее время идет процесс внедрения бортовых автоматизированных систем обработки информации (БАС) вагонов-путеизмерителей ЦНИИ-2, широко эксплуатируемых на дорогах [29]. Эти системы позволяют автоматизировать сбор, расшифровку, хранение и соотнесение с нормативами данных, получаемых измерительными средствами вагона.

На Московской и Октябрьской дорогах введен в опытную эксплуатацию новый скоростной вагон-путеизмеритель (ВПИ) ЦНИИ-4 [29], который позволяет измерять и контролировать параметры устройства пути при движении с рабочей скоростью до 160 км/ч.

ЦНИИ-4 выполняет измерение и контроль следующих параметров:

• Просадок каждой рельсовой нити в вертикальной плоскости с погрешностью не более ±1 мм в диапазоне 0.40 мм;

• Отклонения уровня (перекосы и плавные отклонения) с погрешностью не более ±1,5 мм в диапазоне 0.40 мм;

• Ширины рельсовой колеи (шаблона) с погрешностью не более ±1,5 мм в диапазоне 0. .40 мм;

• Кривизны пути в плане (рихтовки);

• Перекосов пути на длине, равной базе тележки (коротких перекосов) с погрешностью не более ±1 мм в диапазоне 0. .30 мм;

• Перекосов пути на длине, равной базе кузова вагона (длинных перекосов) с погрешностью не более ±1 мм в диапазоне 0. .50 мм;

• Уклона продольного профиля пути с погрешностью не более ±0,3% в диапазоне 0. .50%;

• Неровностей пути в профиле и плане;

• Положения реперных точек с погрешностью не более ±1 мм;

• Горизонтальных и вертикальных ускорений кузова;

• Скорости путеизмерителя с погрешностью не более ±0,1 км/ч;

• Длины пройденного пути с погрешностью не более ±0,5 м на 1км пройденного пути.

ВПИ ЦНИИ-4 предназначен для:

Контроля дополнительных параметров состояния рельсовой колеи: уклона, перекосов на базе кузова и тележки, неровностей в профиле и плане длиной до 200 м;

• Съема параметров главных и приемо-отправочных путей;

• Съема параметров устройства кривых участков пути;

• Контроля отклонения от проектного положения пути в плане и профиле;

• «привязки» результатов измерений к абсолютной системе отсчета (местоположению реперных точек)

Кроме уже упомянутых путеизмерителей и дефектоскопов, в настоящее время внедряются в практику следующие методы силовой оценки взаимодействия пути и подвижного состава:

• диагностический поезд для измерения просадок;

• тензометрическая колесная пара.

Для выявления вагонов с отступлениями по состоянию ходовой части:

• средства измерения углов набегания.

Собранная с помощью вышеуказанных средств информация используется как для оценки состояния элементов пути, так и для установления критериев и нормативов для этой оценки.

Зарубежный опыт создания систем мониторинга состояния пути и планирования путевых работ

Многие железнодорожные компании осознали преимущества внедрения таких технологий и начали создание компьютерных систем мониторинга состояния пути и автоматизированного планирования путевых работ [69]. Среди таких фирм, например, Canadian Pacific, эксплуатирующая более 21000 км пути в различных природно-климатических условиях [92, 93]. Для оценки состояния пути, прогнозирования степени расстройства его проектного профиля и планирования работ по текущему содержанию пути на дороге применяется автоматизированная система TMAS. Система позволяет оценивать геометрические параметры пути, его износ (в т.ч. волнообразный) и на основе этого планировать работы по замене рельсов, шлифованию рельсов, подбивке пути, очистке балласта, замене шпал. Качественное состояние рельсов оценивается для каждого из 240 тыс. участков пути (по 120 тыс. участков на каждую рельсовую нить). При этом раздельно рассматриваются кривые и прямолинейные участки длиной 150 м. Качество рельсов оценивается тремя параметрами: вертикальный и горизонтальный износы головки рельсов, волнообразный износ поверхности катания и плотность распределения внутренних дефектов. Такой подход позволяет вести индивидуальный учет параметров участков и, соответственно дифференцировано строить прогноз развития износа рельсов и планировать необходимые ремонтные работы. Необходимо отметить один значительный недостаток данной системы: в ней не учитываются силы взаимодействия подвижного состава и пути, а также характер поездопотока. Это является существенным фактором, поскольку именно силы вызывают сходы и крушения, а поездопоток в значительной мере определяет оценки потенциальных рисков и, соответственно, построение планов работ по текущему содержанию и ремонту пути.

Указанного выше недостатка лишена система планирования путевых работ MARPAS (Maintenance and Renewal Planning Aid System), применяемая на Британских железных дорогах [88]. В этой системе учтены как объем перевозок и доход от них, так и показатели взаимодействия пути и эксплуатируемого подвижного состава. Основными показателями взаимодействия при этом считаются статические осевые нагрузки, дополнительные динамические силы на низких (10Гц), средних (50 Гц) и высоких (200-400 Гц) частотах. Система на основе предыдущего опыта позволяет оценить влияние этих силовых факторов на стоимость эксплуатации пути, необходимые объемы ремонтных работ и затраты на их выполнение. Далее анализируются варианты выполнения работ, и проводится оптимизация планов по подбивке и выправке. Возможные варианты методов:

1. сплошная подбивка и выправка пути;

2. выборочная выправка;

3. выправка для обеспечения требуемого качества пути;

4. подбивка пути при ограниченных возможностях применения подбивочновыправочных машин.

Используемая в системе модель расстройства пути основывается на измерениях осадок под действием поездной нагрузки.

Исследования по совершенствованию системы планирования путевых работ в Нидерландах [45] показали, что в настоящий момент отсутствуют точные технические критерии принятия решений по текущему содержанию и ремонтам пути. Разброс большинства измеряемых параметров существенный, что не позволяет вывести универсальные формулы оценки качества пути. Результатом исследований был вывод, что для получения перспективных оценок качества отдельных участков пути необходим интенсивный мониторинг с высокой достоверностью измеряемых параметров. Далее была создана система ВЕЫСО, позволяющая планировать производство путевых работ на основе оценок состояния 200-метровых участков пути. При этом разработчики исходили из линейной зависимости расстройств пути от времени его эксплуатации и объема грузовых перевозок. Это позволило прогнозировать интенсивность протекания этого процесса от среднего квадратичного отклонения отметок вертикального и горизонтального профиля. В зависимости от состояния пути система назначает один из следующих видов работ:

5. шлифовка рельсов при устранении коротковолновых неровностей;

6. устранение просадок пути;

7. выравнивание и шлифование сварных швов;

8. сглаживание рельсовой колеи в автоматическом режиме;

9. обнаружение и устранение просадок на участках с «выплесками»;

10. очистка балласта;

11. обнаружение «опасных» участков пути для их последующего восстановления.

С 1990г. в Швейцарии применяется система ОЕУ для автоматического планирования путевых работ [45]. Основными задачами системы являются:

1. идентификация участков пути, требующих ремонта;

2. определение потребности в срочных ремонтах пути;

3. планирование путевых ремонтных работ и оценка объемов, ресурсов, необходимых для их выполнения.

В базе данных системы содержится информация о земляном полотне, верхнем строении пути, характеристиках трассы линии, ее категории, ранее проведенных ремонтных работах, результатах измерения геометрии пути за последние 5 лет, технических условиях эксплуатации пути и т.д. При оценке состояния пути используется экспертная компонента системы. Качественно выделяются три возможных типа расстройств пути: прогрессирующее расстройство, порог действий, порог безопасности. При первом состоянии назначается плановый ремонт, при втором - ремонт в короткие или средние сроки, при третьем -немедленное улучшение состояния пути.

В США Испытательный Центр (ТТС) Ассоциации Американских Железных дорог (AAR) приступил к внедрению проекта IRRIS (Railroad Remote Information System - Система удаленного доступа к железнодорожной информации). На первом этапе система должна обеспечивать сбор информации с датчиков, установленных как на подвижном составе, так и на элементах пути и доступ к ней пользователей по сети Internet. Важным при этом является обеспечение хранение и доступ к «историческим» данным, что позволяет анализировать тенденции изменения параметров и строить на основе этого прогноз состояния элементов пути и подвижного состава.

В этом же центре разработана система TRACS - Total Right-of-way Analysis and Costing System, предназначенная для планирования работ различных функциональных и иерархических подразделений. Система позволяет выбрать технологию проведения работ и оценить необходимые затраты. Основную роль в системе играет эвристическая модель развития дефектов пути, позволяющая прогнозировать возникновение и развитие дефектов на основе предыдущей статистики. При планировании оценка стоимости и эффективности осуществляется с учетом всего «жизненного цикла» проведения работ и эксплуатации пути.

Массачусетсом Технологическим Институтом (MIT) совместно с железнодорожной компанией Northern Burlington разработана и внедрена система REPOMAN (REPlace Or MaiNtain - «замена или ремонт»). Система осуществляет планирование замены рельс и ремонтных работ. При разбиении железнодорожного пути на участки, в пределах которых параметры можно считать неизменными, используется концепция однородных рельсовых сегментов. При прогнозах рыночной ситуации в расчетах стоимости проведения работ и экономическом обосновании вместо эмпирических формул используется теория «способности покупать» и «способности продавать». По своей архитектуре система является гибридной, состоящей из экспертной компоненты как главного элемента и подсистемы сетевой оптимизации как дополнительного средства.

На железных дорогах Польши автоматизация в сфере содержания и ремонта пути внедряется поэтапно в виде отдельных подсистем, связанных общей концепцией [45]. Комплекс подсистем формирует общую автоматизированную систему SUN (System Utrzymania Nawerzchni). Система SUN объединяет подсистемы диагностики, прогноза и планирования ремонтов, отслеживания выполнения работ и контроля качества и др. Для планирования оперативных работ используется система оперативных оценок. В нее, помимо прочих, включены и оценки по таким параметрам как ослабление рельсовых скреплений, загрязнение балластной призмы, гниение деревянных шпал. Каждый параметр оценивается по 6-балльной шкале потребности в ремонтах: 5 - совершенно необходимо, 4 - весьма целесообразно, 3 - необходимо, 2 - полезно в ограниченном объеме, 1 - полезно в минимальном объеме, 0 - совершенно нецелесообразно. Решения на основе экспертных оценок состояния заданных участков пути представляются в одном из вариантов:

1. необходима немедленная полная реконструкция пути;

2. необходима немедленная замена рельсов;

3. необходима немедленная замена шпал;

4. полная реконструкция пути потребуется в следующем году;

5. полная реконструкция пути потребуется через два года.

В системе Государственных железных дорог Германии разработана и внедрена информационная карта состояния пути и оценки потребности в путевых работах [45]. Карта включает, помимо базы данных, динамическую модель верхнего строения пути, сетевой график производства работ и систему оптимизации вариантов производства работ с учетом потерь в перевозочном процессе. В данном случае реализован полуавтоматический (диалоговый) метод составления плана работ, выбора технологии процесса и оценки его стоимости. Параллельно с планированием объемов и сроков работ ведется разработка проектов организации работ для каждого намеченного места их проведения.

Европейским институтом железнодорожных исследований (ERRI - European Rail Research Institute) разработана основанная на правилах экспертная система, позволяющая в наибольшей степени уменьшать необходимость во внеочередных и «точечных» путевых работах. Система позволяет планировать работы по текущему содержанию пути на срок от 3 месяцев до 3 лет и работы по ремонту и обновлению железнодорожного полотна на срок от 1 до 5 лет.

Анализ перечисленных выше систем позволяет составить типовой перечень их компонент, применяемый в настоящее время. К ним можно отнести:

1. Карту состояния пути, включающую сведения об используемых материалах, количестве негодных элементов, характеристиках геометрии верхнего строения пути, уровнях силовых нагрузок, действующих предупреждениях;

2. Систему мониторинга состояния пути, учитывающую все изменения в состоянии конструкции пути, его силовой нагрузке и геометрии;

3. Математические модели расстройств пути и выхода из строя элементов конструкции в зависимости от условий эксплуатации;

4. Систему оперативного контроля геометрического состояния пути, позволяющую выявлять грубые отступления, требующие немедленного устранения;

5. Методику разработки долгосрочных (5-10 лет), среднесрочных (1-5 лет) и краткосрочных планов производства работ;

6. Систему экономической оценки потребности в ремонтах с учетом вероятности крушений и других нештатных ситуаций;

7. Систему оценки влияния состояния пути на расход энергии, включая сопротивление движению и реализацию тяговых возможностей локомотивов;

8. Систему контроля качества работ.

Все перечисленные выше системы обладают рядом общих характерных черт, позволяющих определить основные направления, по которым будут развиваться в ближайшее время системы планирования путевых работ. К таким особенностям относятся:

1. Отказ от использования универсальных расчетных формул для оценки качества состояния пути. Повсеместно применяется разбиение пути на участки по тому или иному принципу (чаще всего, просто по длине), наблюдение за каждым участком в отдельности и планирование путевых работ с учетом индивидуальных особенностей участков.

2. Хранение в базе данных не только актуальной информации, но и данных за значительный предшествующий период и построение на их основе прогноза изменения параметров и, соответственно, прогноза появления необходимости путевых работ, затрат материальных, энергетических и других ресурсов.

3. Использование экспертных знаний (заложенных в систему или получаемых в диалоге с пользователем) как для оценки состояния пути, так и при планировании. В соответствии с этим в большинстве систем для каждого оцениваемого параметра вводится разбиение всего диапазона его изменения на 4 - 7 поддиапазонов. Именно такое количество типов объектов, согласно исследованиям, является оптимальным для человека с точки зрения возможности их сравнения и ранжирования.

4. Использование в системе, помимо геометрических параметров, оценок силовых факторов взаимодействия пути и экипажа, полученных как с помощью различных математических моделей, так и путем проведения нагрузочных экспериментов.

5. Выбор в качестве целевой функции при оптимизации планирования работ экономической эффективности работы железной дороги в целом, с учетом характера поездопотоков, а также оценки стоимости потенциальных рисков.

Проблемы создания системы мониторинга параметров взаимодействия пути и подвижного состава

Потребность в создании системы подобного рода для сети железных дорог России очевидна, особенно в современных условиях, когда вопрос снижения эксплуатационных затрат становится жизненно важным. При разработке и внедрении такой системы, необходимо будет решить следующие комплексы вопросов:

Комплекс теоретических проблем.

Здесь стоят задачи обоснованного выбора измеряемых и расчетных параметров, создания или выбора из существующих моделей взаимодействия пути и подвижного состава и накопления неисправностей, выбора способов представления знаний и создания структуры базы данных для хранения информации.

Выбор измеряемых параметров с одной стороны, во многом определит затраты на функционирование системы, и, с другой стороны, в решающей степени влияет на качество и достоверность оценок ситуации. Очевидно, что эти параметры (как по составу, так и по методикам и точности измерений) должны быть согласованы с используемыми математическими моделями.

Математические модели взаимодействия экипажа и пути и модели накопления неисправностей должны максимально использовать накопленные данные измерений для оценки текущего состояния и предсказания возможных его изменений. Для этого модели должны по возможности учитывать фактическую предысторию изменений, накопленную в базах данных. В настоящее время развитие компьютерных технологий существенно уменьшило ограничения на вычислительную сложность задействованных моделей, однако использование их в составе комплексных информационных систем выдвигает требования по их реализации в новых операционных системах и с соблюдением стандартов взаимодействия между процессами и стандартов баз данных.

Кроме того, поскольку задачи мониторинга и оценки состояния пути требуют проведения периодических расчетов на больших объемах данных, важным требованием к математическим моделям является быстродействие. Необходимо отметить, что это не является только лишь вопросом выбора и реализации расчетных методов, так как эти методы во многом диктуются выбранной моделью.

Для того чтобы в системе был учтен накопленный опыт эксплуатации пути, при создании системы должны быть выбраны наиболее адекватные технологии (и соответствующие инструментальные средства) представления знаний, возможно, на основе методов искусственного интеллекта.

Комплекс технических проблем

К комплексу технических проблем относится создание (или выбор из существующих) средств измерения регистрируемых параметров, а также их взаимная стыковка, обеспечивающая автоматический или автоматизированный сбор, первичную обработку и передачу в систему информацию в соответствии с установленным регламентом. В первую очередь, к этим средствам относятся вагоны-путеизмерители. В настоящее время на железных дорогах России эксплуатируются путеизмерители модели ЦНИИ-2, в перспективе планируется внедрить ЦНИИ-4. В целом необходимо отметить, что создавать систему мониторинга параметров взаимодействия пути и подвижного состава придется, в основном, на базе существующих измерительной средств. При этом эффективность измерений можно повысить за счет качественного обслуживания измерительной техники, соблюдения регламента измерений и повышения качества их анализа.

Важной технической (также как и организационной) проблемой является создание информационной инфраструктуры, в которой должна будет функционировать создаваемая система. В рамках этой проблемы стоит вопрос о распределении вычислительных мощностей, линиях связи, выборе системо-технической платформы. На большинстве железных дорог России в том или ином виде уже существуют элементы этой инфраструктуры, поэтому основной задачей является оценка этих элементов с точки зрения возможности функционирования на них создаваемой системы, выдача обоснованных рекомендаций по их модификации, а также выбор таких программных и интерфейсных решений, которые позволили бы внедрять систему с минимальными модификациями на существующих технических средствах.

Для обеспечения комплексного подхода к организации мониторинга параметров взаимодействия пути и подвижного состава необходимо также учитывать состояние ходовых частей подвижного состава. Теоретические работы в этом направлении

19 проводились и проводятся как в России, так и за рубежом. Среди исследований, проведенных в России, в первую очередь надо отметить работы по разработке средств и методов диагностики подвижного состава, выполненные Ю.М. Черкашиным [67], В.А. Ковалем [27], В.М. Кондрашовым [85], Ю.С. Роменом [55]. Практические реализации автоматизированных средств диагностики подвижного состава в эксплуатации известны на зарубежных железных дорогах (в частности, в ЮАР - Spoornet - СТС, в Австралии - ВНР Iron Ore - ACES). Внедрение аналогичных систем на российских дорогах является еще одной важной технической проблемой, которую необходимо решить в рамках создания комплексной системы мониторинга.

Комплекс проблем нормативной базы

Наиболее эффективно предлагаемая система может быть использована в том случае, если результаты работы системы (особенно оценки параметров, характеризующих безопасность движения) будут использоваться при принятии решений об ограничении скоростей движения и назначении тех или иных путевых работ.

Для использования результатов мониторинга в таком качестве следует разработать и принять соответствующую нормативную базу - дифференцированные взаимоувязанные нормативы содержания пути и подвижного состава на различных участках эксплуатации. С точки зрения безопасности движения, а также ограничения роста остаточных деформаций, в качестве основных нормативов должны быть приняты силовые ограничения параметров взаимодействия. Работы по обоснованию таких нормативов проводятся сейчас во ВНИИЖТе.

1. Постановка задачи

В настоящее время на дорогах России сложилась ситуация, при которой имеющаяся информация о технико-экономическом состоянии объектов путевого хозяйства в полной мере не используется из-за невозможности ее обработки традиционными методами и увязки со всей инфраструктурой железнодорожного транспорта. В связи с этим выбор оптимальных управленческих решений просто неосуществим.

Исходя из вышеизложенного, следует констатировать, что в настоящее время информационное обеспечение системы ведения путевого хозяйства не достаточно для перехода на систему планирования путевых работ по состоянию пути.

В первую очередь, очевидна острая потребность в организации, внедрении и поддержке системы сбора, передачи и обработки информации о состоянии путевого хозяйства на современном уровне.

В настоящее время во ВНИИ ЖТ начата разработка системы мониторинга состояния пути для российских железных дорог. Целями диссертационной работы, входящей в состав комплексного проекта, является разработка технических требований к системе мониторинга показателей взаимодействия пути и подвижного состава, методики использования этих показателей при установлении допустимых скоростей движения на конкретных участках пути и способов реализации разработанных методов при информационном обеспечении системы управления путевым хозяйством. Это позволит создать научно обоснованную базу для установления условий обращения подвижного состава в существующих и перспективных условиях эксплуатации, а также получать дополнительную информацию для решения задач повышения качества технического обслуживания пути. Для достижения этих целей должны быть решены следующие задачи:

• Анализ и формализация методики оценки состояния пути на основе параметров взаимодействия пути и подвижного состава.

• Выработка требований к системе мониторинга показателей взаимодействия пути и подвижного состава как составной части системы диагностики пути.

• Разработка архитектуры информационной системы мониторинга показателей взаимодействия пути и подвижного состава.

21

• Выбор математической модели взаимодействия пути и подвижного состава и разработка интерфейсов ее сопряжения с создаваемой информационной системой.

• Анализ средств сбора данных для системы оценки состояния пути.

• Определение адекватной методологии и инструментальных средств разработки информационных систем и создание на их основе системы оценки состояния пути и ранжирования наблюдаемых участков пути по критериям безопасности, сопротивления движению и скорости износа

Ранжирование участков в процессе мониторинга необходимо по двум причинам: во-первых, необходимо это дает отправную точку для анализа ситуации лицом, принимающим решения (ЛПР), и, во-вторых, это может послужить исходной информацией при создании системы планирования путевых работ. Результатом ее решения является упорядочение рассматриваемых участков в соответствии с относительными показателями качества состояния пути.

5. Выводы

В ходе выполнения диссертационной работы были получены следующие результаты:

1. Разработаны основные технические требования к системе мониторинга параметров взаимодействия пути и подвижного состава, необходимой для информационного обеспечения принятия решений по назначению режимов обращения подвижного состава и планированию технического обслуживания пути с учетом требований по безопасности движения и минимизации эксплуатационных затрат.

2. Предложена архитектура системы мониторинга параметров взаимодействия пути и подвижного состава и основные технологические решения ее создания.

Для оценки показателей взаимодействия пути и подвижного состава предложено использовать модель д.т.н., проф. А.Я. Когана и реализующий ее программный комплекс УЕ1Р.

В качестве архитектурного решения предложена концепция многоагентной среды сбора данных и трехзвенная архитектура «клиент - сервер приложений - сервер данных» для их обработки. Приведены рекомендации по выбору технологий и инструментальных средств разработки каждого из компонент.

3. Разработана методика использования силовых параметров и параметров напряженно-деформированного состояния для оценки и прогнозирования состояния пути в существующих и перспективных условиях эксплуатации.

Определен набор параметров взаимодействия, определяющих показатели взаимодействия пути и подвижного состава на конкретном участке пути. Методом определения значений параметров является математическое моделирование. Эти значения являются интегральными показателями, мониторинг которых позволяет решать задачу оценки уровня силового взаимодействия. При выходе одного или нескольких параметров за допустимые значения генерируется событие-симптом, которое в дальнейшем будет использовано в системе диагностики состояния пути. Накопленные «исторические» данные совместно с математической моделью могут быть использованы для прогнозирования состояния пути и уровня безопасности движения на конкретном участке.

4. Разработан алгоритм определения допускаемых по параметрам взаимодействия пути и подвижного состава скоростей движения для конкретных условий эксплуатации.

Рекомендуемые скорости движения определяются из условия максимально возможного приближения «снизу» к допустимым значениям параметров взаимодействия. В текущей реализации системы они могут быть источником дополнительной информации для лиц, принимающих решения при установлении допустимых скоростей на конкретных участках.

5. Предложены рекомендации по построению системы сбора информации, обеспечивающей полноту оценки взаимодействия пути с обращающимся подвижным составом.

Для обеспечения информации, необходимой при оценке параметров взаимодействия, предложено использовать следующие источники:

Данные о должны бы: ь получены с помощью конструкции пути электронного паспорта дистанции пути состоянии пути расшифровки лент прохода путеизмерителя модуле упругости пути диагностического поезда поездной нагрузке и режимах движения поездов автоматизированной системы оперативного управления перевозочным процессом (АСОУП)

При проверке работы исследовательского прототипа системы использованы данные электронного паспорта пути и результаты прохода диагностического поезда, а состояние пути и поездная нагрузка оценивались по архивным данным.

6. Разработан способ разбиения полигона мониторинга на «элементарные» участки, за которыми ведется наблюдение.

Разбиение произведено исходя из условий неизменности в пределах «элементарного» участка исходных данных для математической модели взаимодействия пути и подвижного состава. Предложенный алгоритм разбиения реализован в виде компьютерной программы, что позволяет производить автоматизированное разбиение в случае существенных изменений на полигоне мониторинга.

7. Разработаны методы информационного обеспечения и эффективного представления результатов анализа для лица, принимающего решения (ЛПР), позволяющие повысить качество технического обслуживания пути.

118

К таким методам, использованным в системе мониторинга, относятся представление параметров состояния пути средствами активной графики, а также система генерации сообщений о выходе тех или иных параметров за допустимые пределы. Полигон управления представлен иерархической схемой (уровни перегонов и участков в пределах одного перегона), на которой цветом отображается текущее состояние элементов пути. При этом состояние объекта верхнего уровня (перегона) определяется состоянием «наихудшего» из его подобъектов (участков пути).

8. Разработан исследовательский прототип системы, прошедший апробацию в исследованиях ВНИИЖТ на участке Вологда - Коноша Северной железной дороги.

9. Внедрение разработанной системы мониторинга позволяет учесть в системе ТО пути фактические показатели его взаимодействия с подвижным составом, что, по предварительным оценкам, полученным в Департаменте пути и сооружений и рассмотренным на расширенной коллегии МПС №5 от 16.03.99, позволит снизить общие эксплуатационные расходы на 7-10%.

1. А.Д. де Патер. Колебания нелинейных механических систем с жесткими ограничителями. - Тр. Междунар. Симпоз. По нелинейным колебаниям, т. 1.I, 1963, с. 326-345

2. Альбрехт В.Г., Лидере Г.В., Никифоров П.А., Членов М.Т., Чернышов М.А. Путевое хозяйство. М.: Трансжелдориздат, 1959.

3. Бромберг Е.М., Вериго М.Ф., Фришман М.А., Данилов В.Н., Взаимодействие пути и подвижного состава. М., Трансжелдориздат, 1956 г., 280 с.

4. Вебер Г. Общепринятые описания устройств железных дорог, их подвижного состава и управления ими в историческом, техническом, административном и статистическом отношениях. Пер. Под руководством И. Вышнеградского. С.-Петербург, 1859, 439 с.

5. Вериго М.Ф. Основные принципиальные положения разработки правил расчета железнодорожного пути на прочность с использованием ЭВМ. Тр. ВНИИЖТ, 1967, вып 347, с. 106-150

6. Вериго М.Ф. Основные этапы и проблемы взаимодействия пути и подвижного состава. Тр. ВНИИЖТ, 1968, вып. 360, с. 61-72.

7. Вериго М.Ф. Расчеты пути. Их прошлое, настоящее и будущее.// Путь и путевое хозяйство. 1997 - №8, стр. 25 - 30

8. Вериго М.Ф., Коган А.Я. Взаимодействие пути и подвижного состава. М., Транспорт, 1986. 560 с.

9. Вершинский C.B., Данилов В.Н., Челноков И.И., Динамика вагонов. М., Транспорт, 1978,352 с.

10. Временные методические указания по обеспечению безопасности движения грузовых поездов повышенного веса и длины. М.: Транспорт, 1990. 13 с.

11. Временные технические условия на работы по ремонту и планово-предупредительной выправке пути. М.: Типография ВНИИЖТ, 1995. 169 с.

12. Габариты приближения строений и подвижного состава железных дорог колеи 1520(1524)мм ГОСТ 9238-83

13. Гарг В., Дуккипати Р., Динамика подвижного состава. Перев. с англ. М.: Транспорт, 1988,391 с.

14. Годыцкий-Цвирко А.М., Взаимодействие пути и подвижного состава, М., Гострансиздат, 1931 ,215с

15. Грачева Л.О., Львов A.A. Современные методы исследования динамики вагонов. Тр. ВНИИЖТ, 1972, вып. 457, с. 89-153.

16. Данилов В.Н., Железнодорожный путь и его взаимодействие с подвижным составом, М., Трансжелдориздат, 1961, 70с

17. Данович В.Д., О связи между параметрами континуальной и дискретной модели пути, Днепропетровск, Труды ДИИТ, Выпуск 198/20, 1978, с.74-79

18. Ершков О.П. Расчет рельса на действие боковых сил в кривых. Тр. ВНИИЖТ, 1960, вып. 192, с. 3-58.

19. Ершков О.П., Митин Н.Ф. Динамическая оценка отступлений в содержании железнодорожного пути и дальнейшее ее совершенствование. М. Транспорт, 1989 г., 46 с.

20. Жуковский Н.Е. Трение бандажей железнодорожных колес с рельсами. Собр. Сочинений, т. VII, ГТТИ, 1949, с. 426-478

21. Инструкция по применению габаритов подвижного состава. М., Транспорт, 1988

22. Инструкция по расшифровке лент и оценке состояния рельсовой колеи по показаниям путеизмерительного вагона ЦНИИ-2 и мерам по обеспечению безопасности движения поездов. М., Транспорт, 1997. 42 с.

23. Инструкция по текущему содержанию железнодорожного пути. М.: Транспорт, 1972. 224 с.

24. Информационная система для управления перевозочным процессом/ Г.С. Ратин, Г.А. Угрюмов и др. М.: Транспорт, 1989. 239 с.

25. Исследования упруго динамических характеристик пути в горизонтальной плоскости. /Яковлев В.Ф., Семенов И.И., Фролов А.Н., Полетаев В.И. Тр. ЛИИЖТ, 1968, вып. 280, с. 82-99

26. Кисель Е.Б. Сравнительный анализ инструментальных средств для разработки систем управления реального времени. Материалы семинара «Экспертные системы реального времени». ISBN 5-8487-0078-8. Центральный Российский Дом знаний, М., 1995.

27. Коваль В.А., Гаврилов В.М., Кажаев А.Н. Определение напряжений и деформаций пути с использованием реализаций сил между колесом и рельсом./ Решение задач взаимодействия подвижного состава и пути реального состояния. Тр. ВНИИЖТ, 1985, с. 58-62 .

28. Коган А.Я. Динамика пути и его взаимодействие с подвижным составом. М., Транспорт, 1997, 325 с.

29. Компьютеризированные средства неразрушающего контроля и диагностики железнодорожного пути. Башкатова Л.В. и др. СПб., Изд-во «Радиоавионика», 1997, 128 стр.

30. Кравченко Н.Д. Условия работы рельсовых нитей при воздействии боковой нагрузки. ВНИИЖТ, серия «Достижения науки и техники - в производство». М.: Транспорт, 1977. 38 с.

31. Крачковский В.П. Динамическое воздействие нагрузки на железнодорожный путь. -Тр. МИИТ, 1937, вып. 54, с. 54-65

32. Крейнис З.Л. Состояние железнодорожного пути. Методы определения и прогнозирования. Учеб. Пособие ВЗИИТ МПС., 1988 г., 40 с.

33. Крепкогорский С.С., Вертикальные колебания надрессорного строения подвижного состава и влияние их на путь. Тр. ВНИИЖТ, 1958, вып. 152, М., 172 с.

34. Крепкогорский С.С., Верхотин A.A. Универсальная программа расчетов на ЭЦВМ показателей воздействия подвижного состава на путь. Тр. ВНИИЖТ, 1975, вып. 542, с. 93-111.

35. Ларичев О.И. Объективные модели и субъективные решения. М., Наука. 1987.

36. Левинзон М.А. Воздействие на путь грузовых вагонов, движущихся в составе тяжеловесного поезда. Диссертация на соискание ученой степени кандидата техническихнаук. Москва, 1990

37. Львов A.A. Устойчивость движения восьмиосного полувагона. Тр. ВНИИЖТ. Вып. 296, М., 1965, с. 161-190.

38. Марье Г. Взаимодействие пути и подвижного состава. Тр. Науч.-эксперимен. конструкт, ин-та ЦНТУ НКПС, М.: Госжелдориздат, 1933, вып. 2. 336 с.

39. Методика измерений и оценки вибраций моторвагонного подвижного состава ОСТ 24.050.28-81

40. Митин Н.Ф., Ершков О.П. Допуски содержания рельсовой колеи и скорости движения поездов в сб. Подвижной состав и путь в условиях интенсификации работы железных дорог. М., Транспорт, 1989г., с. 109-119

41. Неймарк Ю.И., Фуфаев H.A. Динамика неголономных систем. М.: Изд-во АН СССР, 1967.519 с.

42. Нормы для расчета и оценки прочности несущих элементов, динамических качеств и воздействия на путь экипажной части локомотивов железных дорог МПС РФ колеи 1520 мм. М.: МПС России, ВНИИЖТ, 1998. 145 с.

43. Нормы для расчета и проектирования новых и модернизированных вагонов железных дорог МПС колеи 1520 мм (несамоходных). М.: ВНИИВ-ВНИИЖТ, 1996. 260 с.

44. О мерах и взаимоувязанных параметрах содержания пути и ходовых частей вагонов, повышающих безопасность в порожнем состоянии. Указание МПС России № М206У от 04.03.96

45. Певзнер В.О. Современные методы планирования путевых работ, //сб. ВИНИТИ N7, 1993 М.: Транспорт, 1993

46. Певзнер В.О. Состояние пути и допускаемые скорости движения: Уч. Пос./ Российск. Гос. Откр. Техн. Ун-т путей сообщ. М., 1997, 48 с.

47. Певзнер В.О., Лецкий Э.К., Козеренко Е.В., Варфаламеев В.Д. Статистические показатели состояния пути, «Вестник ВНИИЖТ», 1984, №2, с. 41 45.

48. Петров Н.П. Влияние поступательной скорости на напряжения в рельсе. Записки РТО, кн. 2-я, С.-Петербург, 1903, 89 с.

49. Петров Н.П. Давление колес на рельсы ж.д., прочность рельс и устойчивость пути, Петроград, 1915, 327с.

50. Правила производства расчетов верхнего строения железнодорожного пути на прочность. М.: Трансжелдориздат, 1971, 70с.

51. Правила технической эксплуатации железных дорог Союза ССР. М.: Транспорт, 1986. 176 с.

52. Приказ Министра путей сообщения РФ №12Ц от 16.08.94 «О переходе на новую систему ведения путевого хозяйства на основе повышения технического уровня и внедрения ресурсосберегающих технологий»

53. Применение тензометрических колесных пар при динамических испытаниях вагонов и оценка напряженно деформированного состояния пути. МПС, ВНИИЖТ, 1989г.

54. Ромен Ю.С. Исследование бокового воздействия подвижного состава на путь с применением ЭВМ. М., Труды ВНИИЖТ, Выпуск 385, 1969, с.71-94

55. Ромен Ю.С. О движении ж.-д. экипажей в кривых участках пути. Вестник ВНИИЖТ, 1964, №6, с. 16-20.

56. Сергееев Б.Н. Пересмотр действующих правил расчета пути. Приказ НКПС. О расчете жел. дор. пути и определении условий обращения подвижного состава. В сб. 11, Пересмотр путевых расчетов, М., Госжелдориздат, Ин-т реконструкции пути НКПС, 1933, 193 с.

57. Статические и динамические экспертные системы. Попов Э.В. и др. М., «Финансы и статистика», 1996, 320 с.

58. Стецевич И.Р. О сопротивлении верхнего строения. Изв. Собрания инж. Путей сообщения, 1895, №9, с. 129-144 и №10, с. 145-156

59. Тимошенко С.П. О динамических напряжениях в рельсах. Отд. Оттиск из №4 Вестника инженера за 1915 г. 30 с.

60. Типовая методика испытаний подвижного состава по воздействию на путь после изготовления или перед вводом в эксплуатацию. М.: ИЦЖТ, 1990.

61. Трахтенгерц Э.А. Компьютерная поддержка принятия решений. М.: СИНТЕГ, 1998, 376 с.

62. Ушкалов В.Ф., Резников JI.M., Редько С.ф. Статистическая динамика рельсовых экипажей. Киев: Наукова думка, 1982. 359 с.

63. Фришман М.А., Леванков И.С. Еще раз об определении модуля упругости подрельсового основания. Тр. ДИИТ, 1965, вып. 57, с. 4-8.

64. Фришман М.А., Уманов М.И., Особенности взаимодействия экипажа и пути в кривых малого радиуса на перевальных участках , Днепропетровск, Труды ДИИТ, Выпуск 151, 1974, с.79-85

65. Цеглинский К.Ю. Железнодорожный путь в кривых. М.: 1917. 155 с.

66. Черкашин Ю.М. Динамика наливного поезда. Тр. ВНИИЖТ, 1975, вып. 543, 136 с.

67. Шахунянц Г. М. Железнодорожный путь. М.: Трансжелдориздат, 1969. 535 с.

68. Шинкарев М.Б. Анализ систем мониторинга состояния пути и планирования путевых работ. В сб. «Проблемы железнодорожного транспорта» под ред. В.М. Богданова, В.Г. Гогричиани, М., Интекст, 1999. 142 е., с. 67 - 70

69. Яковлев В.Ф. О параметрах расчетной схемы сил взаимодействия в контакте колеса и рельса. Тр. ЛИИЖТ, 1964, вып. 222, с. 187-211.

70. ANSI/IEEE Standard 829-1983: IEEE Standard for Software Test Documentation. The Institute of Electrical and Electronic Engineers, New York, 1987.

71. Bogdanov V.M., Levinzon M.A., Chinkarev M.B. Computer-Aided System for train safety prediction and rail wear-out estimation. Proc. Of the 4-th international conference on Railway bogies and running gears, Budapest, 1998, p. 347-356.

72. Bogdanov V.M., Levinzon M.A., Chinkarev M.B. Monitoring of the condition of Track and

73. Running Gears on Havy-haul Railway Segments, "Wheel/Rail interface" Conference Proc. Vol 1., Moscow, 1999. p. 363-368.

74. Carter E.W., On the stability of Running of Lokomotives, Proc. Of the Royal Society of London, Series A, vol 121, London, 1928, 585-61 lp.

75. Case-технологии. Современные методы и средства проектирования информационных систем Вендров A.M. Изд-во Финансы и статистика 1998, 176 с.

76. Ferreira, L. Rail track infrastructure ownership: Investment and operational issues. Transportation, 24 (2), 1997, p. 183-200.

77. G2 Diagnostic Assistant Addentdum. Version 2.0. Gensym Crporation, January, 1995.

78. Jacobson, M. Ericsson, A. Jacobson, The Object Advantage. Business Process Reengineering whith Object Technology. ACM Press, 1995.

79. IEEE P1232.2. 1996. Trial Use Standard for Artificial Intelligence Exchange and Service Tie to All Test Environments (AI-ESTATE): Service Specification, Draft 2.2. Piscataway, New Jersey: IEEE Standards Press.

80. IEEE Std 1232.1-1997. 1997. Trial Use Standard for Artificial Intelligence and Exchange and Service Tie to All Test Environments (AI-ESTATE): Data and Knowledge Specification, Piscataway, New Jersey: IEEE Standards Press.

81. IEEE Std 1232-1995. 1995. Trial Use Standard for Artificial Intelligence and Expert System Tie to Automatic Test Equipment (AI-ESTATE): Overview and Architecture, Piscataway, New Jersey: IEEE Standards Press.

82. J. Kerr, R. Hunter, Inside RAD. How to Build Fully Functional Computer Systems in 90 Days or Less. McGraw-Hill, Inc., 1994.

83. JDK 1.1 Release Notes. Sun Microsystems. 1998.

84. Kalker J.J. The tangential force transmitted by two elastic bodies rolling over each other with pure creepage. Wear. 1968. Vol. 11, № 6, P. 421-430

85. Kondrashov V., Otboev A. Modern Approaches to Selection of Parameters of Rolling Stock Carriages. Proc. Of the 4-th international conference on Railway bogies and running gears, Budapest, 1998, p. 401-406

86. Rtworks: Комплекс инструментальных средств для разработки программного обеспечения сложных распределенных экспертных систем управления реального времени. AVD Systems, 1995.

87. Shekhar Н. Kirani, Imran A. Zualkernan, Wei-Tek Tsai, Evaluation of Expert System Testing Methods, Communications of the ACM, November 1994, V. 37, № 11.

88. Shenton M., Tunna J., British railways maintenance and renewal planning aid system. // Rail Int. -1991,-N6/7. -p. 14-21.

89. Sherry A. Land, Jane T. Malin, Making Intelligent Systems Team Players. A Guide to Developing Intelligent Monitoring Systems. NASA Technical Memorandum 104807, July 1995.

90. Slovic P., Fichhoff В., Lichtenstein S. Behavioural decision theory. Annu. Phychol. Rev. vol. 28, 1997.

91. Stankovic John A. A Serious Problem for Next-Generation Systems. Computer, No. 10, 1988, pp. 10-19.124

92. Tuzik B., Computer Models Aid Maintenance Planning. // International Railway Journal. -1995. -N2. -p.17-18.

93. Tuzik B., Rushing the planning envelope on CP Rail. // Railway Track & Structures. -1995,- N2,- p. 14-15.

94. Winkler E., Der Lehre von der Elastizität und Festigkeit, Prag, 1867, 338s