автореферат диссертации по транспорту, 05.22.06, диссертация на тему:Оценка безопасности движения поездов на основе анализа и прогнозирования уровня аварийности в путевом хозяйстве

¡ШЖТЕРСТВО ИЛЕЙ СООБЩНИК СССР

МОСКОВСКИЙ ОРДЕНА ЛЕНИНА. ' И ОРДЕНА. ТРУДОВОГО 1САСНОГО ЗШЕНИ ЙНСТГГУТ ИНЖЕНЕРОВ НЕЛЕЗНОДОРОЖОГО ТРАНСПОРТА им. Ф.Э.ДЗЕРШНСК0Г0

На цравах рукописи

ЖШЮВА Светлана Анатольевна УДК 655»2.03.003.12:519.216.3:623.1?

оценка. безопасности дбинешя поездов на основе анализа И прогаозиромшя уровня аварийности в путевом хозяйстве

* 05.22.06 - Железнодорожный путь

к.в горефора?

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Москва 1991

'а Ми

Работа выполнена г "ооновском ордена Ленина и ордена Трудового Краевого Знамени института инженеров железнодорожного транспорта 7.:;.О. Э. Лзержлнекого.

- кандидат технических наук, доцект БОРОлЬ-За Э.З.

- доктор технических наук, профессор КРЗГПМС З.Л., кандидат технических наук, • о.н.с. ГОНЧАРОВ Б.И.

- Алма - Атинская келозная дорога.

Защита диссертации состоится "¿^ " 'Ъб^ОМлХ^991 г. в

^час. на заседании специализированного совета Д 114.05.03 при .'-.'ооновском институте инженеров железнодорожного транспорта по адресу: 101475, ГСП, Москва, ул.Образцова, 15, ауд,. С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке института.

Автореферат разослан:' " ■&■{? " • 1991 г.

Отзыв на автореферат, заверенный печатью, просим направлять по адресу совета института.

Научный руководитель Официальные оппоненты

Ведущее предприятие

УчениИ секретарь специализированного совета-

Э.В.ЗФОБЫйЗ

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИК! РАБОТЫ

Актуальность проблемы. Проблема безопасности движения является актуальной для-всех видов транспорта, в том числе и для железнодорожного.

Путевое хозяйство является одной из ведущих составляющих железнодорожного транспорта. Нормальная работа железнодорозаюго пути под подвивши составом оказывает существенное влияние к а обеспечение безопасности движения поездов (БДИ). За последние годы количество круиений и аварий по причинам путевого хозяйства увеличилось и достигло 44,4$ от общего числа по сети.

С целью уменьшения негативных последствий процессов, лежащих в основе этих тенденций, необходимы: проведение детального анализа аварийности по причинам путевого хозяйства на сети дорог,-разработка методов количественной оценки уровня безопасности движения поездов (УВДП) и прогнозирования уровня аварийности на участке, дороге или сети с тем, чтобы на основе этих знаний разрабатывать мероприятия по снижении аварийности, принципы подхода к анализу и оценке УБДП, которые бы позволили количественно оценить степень влияния целого рада факторов на БДП. Поэтому разработка методик» количественной оценки УВДД и прогнозирования урошя аварийности по параметрам путевого хозяйства на дороге является актуальной научной проблемой.

Цель работы заключается в анализе фактического состояния ВД1 в путевом хозяйстве; разработке относительных критериев количественной оценки УБДП; разработке методики прогнозирования уровня аварийности на дороге по параметрам путе'вого хозяйства.

Методика исследования. Для решения поставленных задач использовались методы^анализа, математической статистики и принципы моделирования случайных полей.

Ha.yt-.-a я новизна работы заключается в следухцем:

- проведена сбор, систематизация и анализ фактического материала по круазниям и авариям, из-за причин путевого хозяйства, позволившие ваязить частоту юс возникновения и взделить наиболее значительные;

- предложен ряд относительных: критериев количественной оценки ¿■БДЛ;

- введено понятие уровня аварийности;

- впервые разработана аналитическая модель прогнозирования уровня аварийности на дороге.

Практическая ценность работы определяется следукци;.гл результатами:

- выявлены оснсачые причины в путевом хозяйстве, влияющие на аварийность. Это позволит более рационально .направлять усилия на снижение уровня аварийности ка дорогах сети;

- разработаны критерии количественной оценки УБДП;

- разработано математическое и программное обеспечение для методики прогнозирования урошя аварийности на участке, дороге или сети, ксторце могут быть использованы для обоснования решений по

управления путевым хозяйством, црезде всего - в части распреде-

}

ления материальных, людских и финансовых ресурсов.

Реализация работы. Научные положения, разработанные в диссертации , предназначены длк использования на дорогах сети для планирования проведения ремонтов и определения приоритета в распределения всех видов ресурсов.

Апообация работн. Основные положения диссертации доложены и получили одобрение на ХХХУ1 научно-технической конференции кафедр института с участием представителей железных дорог и предприятий транспортного строительства (Хабаровск, 1969 ), на заседаниях кафедры "Путь и путевое хозяйство" МИИТа (1988-1991 гг.).

Публикации. По материалам диссертационной работы опубликовано 4 печатных работы.

Структура и объем работа. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка использованных источников и приложений. Содержит 93 страницы машинописного текста,28 листов иллюстраций, 14 таблиц и список использованных источников из 101 наименования.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы исследования и изложена структура диссертации.'

В первой, глазе проведен анализ обеспечения ЕДП на сети дорог. Исходной базой для данного анализа послужили фактические данные ЦРБ и ЦП МПС,Центрального архива МПС по случаям крушения,аварий, браков в работе за период с 1982 по 1989 гг.Установлено,что несмотря на некоторое снижение показателей, характеризующих БДП на сети дорог, уровень аварийности' останется высоким. В последнее время происходило э среднем 77 крушения и 51 авария в год по вине всех служб.Это приводило в среднем ежегодно к гибели 70 человек и ранениям 102 человек.3 эти хе сроки средний уцерб ежегодно составлял, по подсчетам автора,более 15 млн.руб., среднее время задержек поездов составило 34800 поездо-часов при 6959 задержанных поездах.

С целью оценки влияния параметров путевого хозяйства на УБДЛ был проведен анализ фактических данных по случаям кругекий и аварий за период с 1982 по 1989 гг. •

Общее число происшествий за рассматриваемый период увеличилось с 27,2% в 1982 году до 44,95$ в 1989 году, т.е. более, чем в 1,5 раза.

Анализ крузений и аварий по причинам путевого хозяйства на сети дорог показал, что более их приходится на долю трех ос-

- б -

иоенкх причин:

- неисправности пути - 32Й крушений и 55% аварий;

- изломов рельсов - 41,6$ крушений и 15% аварий;

- Еыбросов пути -7,2$ крушений и 12,9$ аварий.

Еьро установлено распределение удельного веса цроисшесгвий по основные причинам путеЕого хозяйства, влиявшим на состояние БДП. Динамика аварийности, вызванная или, представлена в табл. I.

Анализ последствий крушений и аварий показал, что удельные потери людей из-за происшествий по причинам путевого хозяйства относительно всех потерь людей по группе "А" (число погибших) уменьшилось примерно на 3% в 1987 году в сравнении с 1982 годом. По группе "Б" (число раненых) произошло увеличение, приблизительно на 15%. Ежегодно ущерб от этих происшествий составляет примерно четвертую часть .от всех происшествий на сети. Задержки поездов в результате крушений и аварий по причинам цутевого хозяйства составляют в среднем до 31%,от времени задеркек поездов от всех случаев на сети.

Для анализа УБДП на сети дорог использовался целый комплекс абсолютных показателей. Для более полного анализа БДП в путевом хозяйстве необходимо разработать относительные критерии количесг-венной оценки УБДП.

Вторая глава посвядена -разработке относительных критериев количественной оценки УБДП в путевом хозяйстве. Анализ выполненных ранее научных исследований показал, что актуальная для видов транспорта проблема безопасности движения постоянно изучается в авиации, мореплавании, автотранспорте, отдельные вопросы решались для х.д.транспорта. Этим вопросам поевяцеш работы Бабкова В.5., Яулева В.Л., Зубкова Б.В., Иванова B.C., Крохина З.Т., Прокофьева А.И., Дана Летерсена, Щульги В.Я. и др.

Уровень безопасности движения принято оценивать с помощью

Таблищ I

Дши)лика аварийности по основным тщтнаи путевого хозяйства (1982 - 1989 гг.,■ %)

Наименование причин Годы 4

1982 1983 1984 1985 1985 1987 1988 198Э

Неиспрашости пути:

всего 28,6 39,6 41,4 36,9 37,3 52,9 64,7' 58,3 .

в том числе: крушений 28,6 33,3 47,6 31,0 35,7 31,0 66,7 43,4

аварий - 61,9 37,1 52,2 39,1 69,2 63,0 72,0

Иэлош рельсов

всего 52,4 29,2 .19,0 38,5 19,7 27,9 21,6 22,9

в том числе: крушений 52,4 44,4 34,8 47,6 32,1 37,9 33,3 31,3

аварий . - 9,5 8,6 21,7 13,0 20,5 11,1 8,0

Выбросы пути:

всего - 8,3 13,8 12,8 13,7 5,9 н/д н/д

в том числе: крушений - 7,4 8,7 7,1 7,1 10,3 н/д н/д

аварий - 9,5 17,1 21,7 21,2 2,6 н/д н/д

> 1

системы показателей. Все 1:рптерии, оценивающие безопасность движения, делятся на статистические и аналитические. Статистические, в своз очередь - на абсолютные и относительные.

Абсолютные для всех видов транспорта - количество погибшие, число катастроф, у;ерб от происаесгвий.

Относительные критерии представляет собой отношение абсолютны-: показателей к показателям транспортной работы.

На автотранспорте наряду с абсолютными и относительными показателя:.:*/. ' аналогичными авиационным используют понятие опасного места.

На д. транспорте кроме абсолютных критериев используются другие показатели. Так, в Болгарии выработан комплексный критерии безопасности движения поездов. В США. разработан стандарт на безопасное состояние пути. В условиях эксплуатации состояние пути оценивается с помощью показателя состояния пути.

Для оценки экономической эффективности проведения путевых работ применяют кооййнциент геометрии пути. В Югославии исполь-33от кээффщиенг тягости происаесгвий, В СССР дришты аналогичное статистические. критерии, оценивающие безопасность движения. Используются теше аналитические - вероятностные' критерии. В авиации используются количественные показатели изделмостп. В море-аяашж существует понятно уровня навигационной безопасности. На автотранспорте - используют коэффгвдент аварийности и коэффициент безопасности дэикешп.

Ка железнодорожном транспорте вопросы количественной оценки УВ?Я в явном веде г.з рассматривались. Это вызывает необходимость анализа к методики количественной оценки УБДП на сети дорог.

Б плане решения зтой проблемы были поставлены следущие задачи :

I. Разработать относительные критерии количественной оценки

УЦЩ1 в путевом хозяйстве.

2. Разработать методику прогнозирования уровня аварийности на дороге.

3. Составить прогноз уровня аварийности на дороге по осноемс.! причинам крушений и аварий в путевом хозяйстве.

4. Разработать рекомендации, направленные на снижение прогно-з!фуемого уровня аварийности на дороге.

Для количественной оценки УБДП в работе был предложен ряд относительных критериев:

I. ■

где & - число пострадавпих в крушениях и авариях, человек; РА - объем пассажирооборога, млрд.пасс.км.

г-

где М - величина материального ущерба от происшествий, млн.руб.;

- развернутая длина главного пути дороги, тыс.-км.

3-

где 3 - сухарное число крупений и аварий, шт.

4, . Ж ~

£S>

пс/сс

tract р ,

где J - сухарное число крупений и аварий с пассажирскими

поездами, от.

С ff Af-V-S ,

□. Л rfivi п

Л я

где О - суммарное число крупений и аварий с грузовыми поездами, ит.; ßrA - объем грузооборота, млрд.ткм брутто, с П - л

где S. Ьъп - суммарное время задержек поездов из-за крулеиий

и аварий, поездо-часов. 7 У/ = ,

где 5 - суммарное число браков особого учета, шт.

На базе предложенных критериев был проведен экспертный анализ. В экспертизе приняло участие 35 человек - работники ревизорского аппарата ЦРБ и дорог, ЦП, служб пути дорог, сотрудников кафедры "Дуть и путевое хозяйство" МЙИТа.

По результатам экспертного опроса были ранжированы дороги, что дало возможность- определить ряд дорог с наихудшим положением с обеспечением БДИ. Ими оказались: Алма-Атинская, Приволжская, Юго-Восточная, Львовская, Кемеровская.

В третьей главе излонеш разработанные методика прогнозирования уровня аварийности и алгоритм моделирования прогнозируемого уровня аварийности на дороге. Введено понятие уровня аварийности»

Уровень аварийности - это аналитический критерий» оценивающий БДП, характеризуемый фактической или прогнозируемой долей происшествий, приходящейся на участок, отделение или дорогу сети т. зависимости от изменения эксплуатационных характеристик железнодорожного транспорта, в частности - характеристик пути.

В работе предложено проводить исследование уроЕня аварийности в зависимости от изменения пропущенного тошика, балльности пути и климатических факторов. -Поскольку, как это было установлено, более 80? круазекий и аварий приходится на долю трех основных причин: неисправностей пути, изломов рельсов и шбросов пути> то ьсвязи с этим-целесообразно проведение анализа этих причин с целью дальнейшего прогнозирования происшествий, на основе которого можно рационально распределять материальные ресурсы и, планировать ремонтные работы, направленные на снижение уровня' аварийности.

Для этого была разработана математическая модель прогнозирования уровня аварийности, в частности - для случаез изломов рельсов и выбросов пути.

Уровень аварийности носит случайный характер и может рассматриваться как функция 2-х детерминированных аргументов X и У , т.е. случайное поле.

На основании наблюдений область аргументов рассьатриваемого случайного поля фактического.уровня аварт^яости представляет собой координатный прямоугольник (рис.1). АХ и ДУ являются вагами изменения соответственно пропущенного тоннажа - X от времени проведения последнего капитального ремонта до момента крушения либо аварки и балльности пути У - на момент происшествия для случаев изломов рельсов; для случаев выбросов пути -пропущенного тоннажа X и перепада температур - У . ке;хду температурой закрепления рельса и температурой рсльса на момент происшествия.

Полигон двумерного распределения уровня аварийности

2(х,у)

а

У

Рис, 1

С элементами сетки связан двумерный массив 2 , хара-

ктеризующий уровень аварийности для рассмотренного в работе случая - на условной среднесегевой дороге. Расчет значений 5 С'"}) осуществлялся следукцим образом: фиксировалось число круиэний и аварий по всей сети дорог за исследуемый период в элементе сетки

(1ДХ6Х4^+1)ДХ , ¿¿у <У ^(¡.+ 1)ЛУ) , отнесенное к общему числу дорог на сети. Задача состояла в определении основных вероятностных характеристик случайного поля прогнозируемого уровня аварийности.

Случайное поле 2 (к, У) предполагалось однородным и нормальным. Оно определяется пространственной корреляционной функцией. Статистическая оценка корреляционной функции случайного поля уровня аварийности 2(Х,у) по результатам наблюдений имеет вид:

нЫЫ-^Н'^ (I)

Л/ , Ж - число шагов по осям X и У 'соответственно; - шаг по осям X и у '.

Кроме того, случайное поле уровня аварийности 2 (X, 0) дяя случаев изломов рельсов предполагается изотропкш, то есть его статистические характеристики зависят лиаь от длины приращения вектора (рис.I). Полученные значения.пространственной кор-

реляционной функции случайного поля уровня аварийности для случаев изломов рельсов аппроксимируются экспоненциальной функцией

Ц(х.у) = с-е . \ (2)

где - параметры, подлежащие определению в корреляци-

онной функции.

Для случаев выбросов пути нз предполагается изотропности случайного поля уроачя аварийности. Это связано прежде всего с тем, что в случае выбросов пути паги изменения аргументов X к У существенно различны, то есть АХ = 100 млн.тнм брутто, Л У ~ 4°С , тогда как для случаев изломов рельсов л-* = 100 млн.ткм брутто ил У = ЮО баллов. Это различие естественно учитывать "с по.'.:о:дьз увеличения числа параметров, подлежащие определению в корреляционной функций. Тогда аплроксимационныз оценки корреляционной функции случайного поля уровня аварийности для случаев выбросов пути шгеют вид:

п / N ~а Л- 8г и*

Ц(х.и)-с-е , (3)

где О, (-о. ), параметры, подлежащие определению з корре-

ляционной функции.

Для определения параметров С , сх , ё использовался мо-год какиеиьших квадратов, реалиэогаккый для случаев изломов рельсов с помоцнз матричного анализа, для случаев выбросов пути -метода Гаусса.

Для моделирования случа"лсго поля прогнозируемого уровня аварийности ка дороге использовался лнней-ю-лространстпенный фильтр (Л1Ш (рис. 2), определений импульсной функцией А (х, у),

ПО ц ^ На вход фильтра подаются дк-

скретнке знзчвния полосового про-стронет венного белого пууд с пос тоянным спектром ¡}0

к(х,у)

Рис.2 ( ^ и - аргументы спе-

^

т. ^ ,. _ Г.У

тара, полученные с покоцью генератора случайных чисел. После линейного преобразования на выходе фильтра подучавт дискретные значения случайного поля прогнозируемого уровня авари.Чностн V (х,у). с заданны;.;« корредяциояко-сг.ектральниыи характеристиками.

Расчетная формула для определения прогнозируемого уровня аварийности для случаев изломов рельсов имеет вид:

где K¿((n-ic)üK,m&i/) = £ £ гаЧ*(л

Для случаев выбросов пути

и (пах, тли)-2 т у), <5>

где

^ еж -со

Xj- используется для последовательного моделирования случайного поля прогнозируемого уровня аварийности по аргументу X и затем по аргументу У , поскольку импульсная функция k (X, i/) . используемая для линейного преобразования пространственного полосового белого шума, представляет собой произведение двух функций, каждая из которых зависит только от одного аргумента .

h(x,v)- k(x)-h(v) .

Основные вероятностные характеристики случайного поля прогнозируемого уровня определяются по выходному массиву случайного поля прогнозируемого уровня U(x,t/) .Это оказывается возможным благодаря тому, что разработанная методика позволяет получить достаточное число реализаций для статистического расчета вероятностных характеристик. Каждая реализация для случаев изломов рельсов делится на 12 зон с шагом по оси / . ~ АX= 200 мян.ткм брутто, а

по оси У — 200 баллов; для случаев выбросов цуги на 9 зон

о вагом по оси X . - ¿К= ZOO ¡mu ткм, по оси У - ¿¿/=12°С.

Для определения основных вероятностных характеристик массива Ц(х.у) проводится сканирование выходного массива горизонтальны*« фиксированными уровнями аварийности, соответствующими определенно^ числу происшествий на дороге. После чего определяется среднее число выходов за фиксированные уровни аварийности и вероятность числа происшествий в соответствующих интервалах эксплуатационных характеристик пути.

Составлен алгоритм моделирования случайного поля прогнозирования уровня аварийности на дороге. ■

В четвертой главе осуществлена численная реализация методики прогнозирования уровня аварийности и экспериментальная проверка возмо.глости применения методики на примере Алма-Атинской дороги. Даны рекомендации по использования методики анализа и прогнозирования уровня аварийности.

. В результате моделирования получены выходные массивы случайного поля прогнозируемого уровня аварийности для случаев изломов рельсов и выбросов пути. Графическая реализация случайного поля прогнозируемого уровня аварийности для случаев выбросов пути приведена на рис. 3. После сканирования массивов были определены области с параметрами пути, опасными для дальнейшей его эксплуатации.

Гак, для случаев изломов рельсов по результатам анализа основных вероятностных характеристик опасными оказались области, расположенные в интервалах изменения пропущенного тоннажа от 200 млн.ткм брутто до 400 и балльности от 200 до 400 баллов, а также в интервале от 400 до 600 мян.гкм брутто при изменении балльности от 200 до 400 баллов.

Для случаев .выбросов пути зоны риска оказались в интервале

Графическая реализация случайного поля прогнозируемого уровня аварийности

Рис.3

изменения пропущенного тоннажа от 200 до 400 млн.цкм брутто при перепаде температур ог 12 до 24°С и 'в интервале от 400 до 600 млн.ткм брутто при той >.:о перепаде температур.

Разработанная методика'предусматривает не планирование крушений и аварий на сети дорог, а своевременное прогнозирование уровня аварийности на определенный срок—

На основании проведенных исследований также предложена структура количественной оценки ВДП на сети дорог по параметра;.! путевого хозяйства. Структура показана на рис. 4.