автореферат диссертации по транспорту, 05.22.07, диссертация на тему:Оценка и анализ показателей готовности высокоскоростного поезда Velaro RUS - "Сапсан" с учётом опыта России и Германии

На правах рукописи

ПЛОХИХ ИВАН ВЛАДИМИРОВИЧ

ОЦЕНКА И АНАЛИЗ ПОКАЗАТЕЛЕЙ ГОТОВНОСТИ ВЫСОКОСКОРОСТНОГО ПОЕЗДА VELARO RUS -«САПСАН» С УЧЁТОМ ОПЫТА РОССИИ И ГЕРМАНИИ

05.22.07 — Подвижной состав железных дорог, тяга поездов и электрификация

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

2 Я НОЯ 2013

005540542

Москва-2013

005540542

Работа выполнена в федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Московский государственный университет путей сообщения» (МГУПС (МИИТ)).

Научный руководитель: доктор технических наук, профессор

Зайнетдинов Рашид Исламгулович

Официальные оппоненты: Козырев Валентин Александрович

МГУПС (МИИТ)

доктор технических наук, профессор, заведующий кафедрой «Менеджмент»

Черкашин Юрий Михайлович Научно-исследовательский институт железнодорожного транспорта (ОАО «ВНИИЖТ»)

кандидат технических наук, главный научный сотрудник

Ведущая организация: Федеральное государственное бюджетное

образовательное учреждение высшего профессионального образования Петербургский государственный университет путей сообщения (ПГУПС)

Защита диссертации состоится «20» декабря 2013 г. в .13:00 часов на заседании диссертационного совета Д 218.005.01, созданного на базе МГУПС (МИИТ), по адресу: 127994, г. Москва, ул. Образцова, д. 9, стр. 9, ауд. 2505. С диссертацией можно ознакомиться в научной библиотеке университета.

Автореферат разослан «43» ноября 2013 г.

Ученый секретарь

диссертационного совета //М/

доктор технических наук, доцент ¡У/Ш&у Саврухин Андрей Викторович

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность проблемы. Важнейшей составляющей активной части основных производственных фондов железнодорожного транспорта является подвижной состав. От уровня эксплуатационной готовности подвижного состава, характеризующего его техническое совершенство, текущее состояние, условия эксплуатации, а также систему технического обслуживания и ремонта, во многом зависят результаты деятельности железнодорожного транспорта в целом.

Совместный проект между компанией Siemens AG и компанией ОАО «РЖД» по созданию высокоскоростных поездов (далее ВСП) «Сапсан» на базе платформы Velaro для России является одним из первых примеров в отечественной практике, в котором компания-производитель берет на себя полную ответственность не только за разработку, адаптацию и изготовление, но также за техническое обслуживание, ремонт и модернизацию поставляемого подвижного состава в период всего срока службы, что в настоящее время является важнейшей современной тенденцией в компании ОАО «РЖД» и на международном рынке железнодорожного транспорта. Однако существующие методики оценки показателей готовности не в полной мере учитывают современные тенденции развития. Задача совершенствования методик с учётом перспективных видов взаимоотношений между компанией-производителем и эксплуатирующей компанией для уточненной оценки и детального анализа показателей готовности является весьма актуальной. Большое практическое значение приобретают расчётные и имитационные методы моделирования и прогнозирования показателей готовности, которые должны быть многоцелевыми, адаптируемыми к изменяющимся условиям эксплуатации, и позволять использование на протяжении всего жизненного цикла ВСП «Сапсан».

Степень разработанности темы. Проведённый анализ ряда научных исследований, национальных и международных стандартов, а также методик оценки показателей готовности и стоимости жизненного цикла (далее СЖЦ) показал, что они зачастую основываются на сознательно упрощённой бинарной модели эксплуатации железнодорожного подвижного состава, включающей всего два состояния (работоспособное и неработоспособное) и

3

допущение о том, что распределения временных показателей, характеризующих процесс эксплуатации объекта, не противоречат экспоненциальному закону распределения. Это затрудняет определение фактических показателей готовности на основе обработки статистических данных о техническом состоянии железнодорожного подвижного состава в условиях рядовой эксплуатации. Решение этой проблемы осложняется как различием научно-технических подходов к оценке этих показателей, так и незавершённостью процессов гармонизации стандартов и др. нормативно-технической документации у сторон международного сотрудничества.

Отмеченные факты дают основание следующим образом сформулировать объект, предмет, цель и задачи диссертационного исследования.

Объект исследования - ВСП «Сапсан» и его показатели готовности.

Предмет исследования - методика оценки, анализа и прогнозирования показателей готовности, а также моделирование процесса эксплуатации ВСП «Сапсан».

Целью работы является разработка методики уточнённой оценки показателей готовности, их анализ и прогнозирование для ВСП «Сапсан» с учётом научного и практического опыта России и Германии.

Задачи исследования. Для достижения поставленной цели решались следующие задачи:

1. Анализ процесса эксплуатации и оценка показателей готовности ВСП «Сапсан» на основе эксплуатационных данных.

2. Разработка методики уточнённой оценки показателей готовности, их анализ и прогнозирование для ВСП «Сапсан» на основе многоцелевого моделирования процесса эксплуатации поезда. Верификация полученных результатов на основе эксплуатационных данных, расчётных моделей теории надёжности и имитационных экспериментов.

3. Разработка и обоснование практических рекомендаций для эффективного управления резервами времени с целью рационального повышения эксплуатационной готовности ВСП «Сапсан».

4. Анализ взаимосвязи между показателями готовности и СЖЦ при наличии ограничений по готовности и изменений эксплуатационных факторов, а также разработка комплексного подхода к определению и оценке факторов, влияющих на показатели готовности в течение жизненного цикла

4

ВСП «Сапсан».

5. Разработка практических рекомендаций по совершенствованию и гармонизации существующей национальной и международной методической базы в области оценки показателей готовности с учётом современных и перспективных требований рыночной экономики.

Научная новизна и теоретическая значимость результатов состоит в следующих положениях:

- разработана математическая модель процесса эксплуатации ВСП «Сапсан», учитывающая его одиннадцать возможных состояний и пятнадцать временных показателей, характеризующих процесс эксплуатации поезда, используемая для проведения уточнённой оценки показателей готовности и анализа резервов времени в процессе эксплуатации ВСП;

- разработана методика углублённого анализа и прогнозирования функций готовности ВСП «Сапсан», учитывающая влияние не экспоненциальных законов распределения временных показателей и появления отказов в начале эксплуатации ВСП;

-установлена взаимосвязь показателей готовности и СЖЦ поезда при наличии ограничений по готовности и изменений эксплуатационных факторов.

Практическая ценность проведенных исследований состоит в том, что в вычислительной среде MathCAD и программном пакете Arena разработана имитационная модель процесса эксплуатации ВСП «Сапсан» для оперативной уточнённой оценки и углублённого анализа показателей готовности на разных этапах жизненного цикла ВСП, а также учёта и анализа влияния не экспоненциальных законов распределения временных показателей, характеризующих процесс эксплуатации ВСП, на функции готовности; выполнены расчёты показателей готовности и проведён анализ их зависимости от времени, а также от временных показателей, характеризующих процесс эксплуатации ВСП; выявлены резервы времени в процессе эксплуатации ВСП, в течение которых работоспособный и готовый к эксплуатации поезд не эксплуатируется, и предложены практические рекомендации по их рациональному использованию. Предложены практические рекомендации по совершенствованию существующей методической базы в области оценки показателей готовности с учётом

5

современных и перспективных требований к компании-производителю, а также даны рекомендации по проведению дальнейшей гармонизации российской и европейской методик оценки показателей готовности. Выполнена модификация программного обеспечения (далее ПО) «ШТОЕ — 1Ж1ЫРЕ» Европейской ассоциации железнодорожной промышленности «1Ж№Е» для проведения автоматизированных расчётов показателей готовности и СЖЦ поезда на ПЭВМ при наличии ограничений по готовности и изменений эксплуатационных факторов. Предложен комплексный подход к определению и оценке факторов, влияющих на показатели готовности в течение жизненного цикла железнодорожного подвижного состава.

Методы исследования. В диссертации использован методический подход, позволяющий осуществить синтез теории марковских процессов и имитационного моделирования применительно к задачам уточнённой оценки, анализа и прогнозирования показателей готовности железнодорожного подвижного состава. При теоретическом исследовании показателей готовности применялись алгоритмы и методы классической теории надёжности. С целью автоматизации расчёты проводились с использованием современного ПО на ПЭВМ.

На защиту выносятся следующие положения диссертации, полученные лично соискателем:

- разработанная математическая модель процесса эксплуатации ВСП «Сапсан» для проведения уточнённой оценки показателей готовности;

- разработанная имитационная модель процесса эксплуатации ВСП «Сапсан» для анализа и прогнозирования показателей готовности;

-разработанная методика уточнённой оценки, углублённого анализа и прогнозирования функций готовности на разных этапах жизненного цикла ВСП «Сапсан», учитывающая влияние не экспоненциальных законов распределения временных показателей и появления отказов в начале эксплуатации ВСП;

- полученные результаты анализа зависимости показателей готовности от времени, а также от изменения временных показателей, характеризующих процесс эксплуатации ВСП «Сапсан»;

- полученные результаты анализа взаимосвязи показателей готовности и СЖЦ поезда при наличии ограничений по готовности и изменений

6

эксплуатационных факторов.

Обоснованность и достоверность полученных выводов и результатов подтверждена статистическими данными рядовой эксплуатации ВСП «Сапсан» и имитационными экспериментами, выполненными на современном научно-техническом уровне. Вывод о наличии нестационарности функций готовности ВСП «Сапсан», выраженной затухающими колебаниями и провалами ниже стационарного значения, подтверждён результатами расчётов, выполненных на основе алгоритмов классической теории надёжности, имитационного моделирования, а также эмпирическими данными.

Апробация работы. Результаты исследований и основные положения диссертации докладывались на: 10-12 Международных железнодорожных конференциях «Rad / Schiene» в городе Дрезден (Германия, 2009, 2011 и 2012); на научных семинарах кафедры. «Рельсовый подвижной состав» Технического университета города Дрезден и кафедры «Машиностроение и технология производства» Высшей школы техники и экономики города Дрезден (Германия, 2010 и 2011); XII и XIII Международных научно-практических конференциях «Безопасность движения поездов» (Москва, 2011 и 2012); 22 Научно-транспортной конференции в Техническом университете города Дрезден (Германия, 2009); V, VII Международных научно - практических конференциях «Trans-Mech-Art-Chem» (Москва, 2008, 2010); XIX-XXII Международных Инновационно (интернет)-ориентированных конференциях молодых учёных и студентов (Москва, 2007-2010); на научных семинарах кафедры «Инновационные технологии» и Научно-практических конференциях НЕДЕЛЯ НАУКИ «НАУКА МИИТа -ТРАНСПОРТУ» (Москва, 2008-2013).

Публикации. Основные научные результаты и положения кандидатской диссертации опубликованы в 19 печатных работах, общим объёмом 5,5 печатных листов, в том числе 5 в зарубежных научных изданиях и 3 в рецензируемых научных журналах, включённых в перечень ВАК.

Структура и объём работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы (включает 225 наименований, в том числе 80 на иностранных языках) и приложения. Диссертация содержит 145 страниц машинописного текста, 72 иллюстрации и 21 таблицу.

7

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность проблемы, сформулированы цель и задачи исследования, научная новизна и практическая ценность, методы исследования, приведена общая характеристика работы.

Первая глава «СОВРЕМЕННОЕ СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА И ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ» содержит анализ состояния вопроса, обоснование цели и задач исследования. Представлен обзор методов оценки показателей готовности железнодорожного подвижного состава. Большой вклад в разработку методов оценки надёжности, в том числе показателей готовности железнодорожного подвижного состава внесли учёные: П.С. Анисимов, М.М. Болотин, A.A. Воробьев, A.B. Горский, Г.В. Дружинин, Д.Г. Евсеев, Р.И. Зайнетдинов, И.П. Исаев, Н.И. Карпущенко, С.Н. Киселев, В.И. Киселев,

B.А. Козырев, В.Н. Котуранов, М.Н. Овечников, А.Т. Осяев, В.А. Перминов, A.B. Плакс, А.Б. Подшивалов, А.Д. Пузанков, Г.В. Райков, А.Н. Савоськин, К.А. Сергеев, П.А. Устич, В.П. Феоктистов, Ю.М. Черкашин, В.А. Четвергов,

C.Г. Шантаренко, А.Д. Шишков и др.

Отмечено, что важными комплексными показателями надёжности подвижного состава являются показатели готовности, к числу которых относятся: коэффициенты готовности Кг, коэффициенты технического использования Кт, функции готовности и др.

В техническом задании на разработку и изготовление ВСП «Сапсан» (далее ТЗ) установлены следующие нормированные показатели готовности: Кг (называемый у немецких партнёров inhärente Verfügbarkeit - внутренний коэффициент готовности, А,) и Кт (technische Verfügbarkeit - технический коэффициент готовности, А,). Их оценка производится на основе бинарной модели эксплуатации. Однако процесс эксплуатации ВСП «Сапсан» может быть описан упрощённой бинарной моделью только в первом приближении, в реальности этот процесс гораздо сложнее. Он включает в себя целый ряд состояний, учёт которых важен с точки зрения адекватной оценки и анализа функции готовности этого поезда. Названный факт подчеркивает необходимость более подробного детализированного описания реального процесса эксплуатации ВСП «Сапсан», включающего большее число состояний, чем в простейшем бинарном случае. Решение этой задачи позволяет провести детальный анализ затрат времени в процессе

8

эксплуатации с целью выявления резервов времени и рационального их использования, а также оценки эффективности технических средств, используемых на разных этапах жизненного цикла ВСП.

В ряде международных и национальных методик, а также научных исследованиях разработаны различные модели оценки показателей готовности, в которых сделано допущение о том, что распределения временных показателей, характеризующих процесс эксплуатации объекта, не противоречат экспоненциальному закону распределения. Однако реальные распределения многих временных показателей железнодорожного подвижного состава не могут быть описаны экспоненциальным законом. В обзоре проведен анализ распределений временных показателей, и подчеркнуто их не противоречие гамма-распределению и распределению Вейбулла, а также нормальному и логарифмически нормальному законам распределения.

Анализ литературы показал, что в настоящее время эффективным инструментом создания многоцелевых, адаптируемых моделей процесса эксплуатации железнодорожного подвижного состава с целью оценки, анализа и прогнозирования его показателей готовности в течение всего жизненного цикла является инструмент имитационного моделирования. Разработка имитационных моделей позволяет детально проанализировать процесс эксплуатации, выявить «узкие» места и выработать научно-обоснованные рекомендации для принятия эффективных технико-экономических решений с целью рационального повышения эксплуатационной готовности железнодорожного подвижного состава. В качестве инструмента уточнённой оценки, детального анализа и прогнозирования показателей готовности ВСП «Сапсан» в настоящем исследовании целесообразно использовать алгоритмы и методы теории надёжности и имитационного моделирования.

Во второй главе «АНАЛИЗ И ОЦЕНКА ПОКАЗАТЕЛЕЙ ГОТОВНОСТИ ВЫСОКОСКОРОСТНОГО ПОЕЗДА «САПСАН» НА ОСНОВЕ ЭКСПЛУАТАЦИОННЫХ ДАННЫХ» выполнен анализ технического состояния и оценка показателей готовности ВСП «Сапсан» на основе эксплуатационных данных о временных показателях, характеризующих процесс эксплуатации поезда. Проведен анализ и сравнение

9

эксплуатационных значений коэффициентов готовности высокоскоростных поездов с нормированными значениями Кг, утвержденными в ТЗ. Из проведенного анализа следует, что эксплуатационные значения коэффициентов готовности ВСП «Сапсан» являются функциями времени, которые имеют колебательный характер и провалы ниже стационарных нормированных в ТЗ значений Кг.

В главе отмечено, что для учёта и анализа влияния не экспоненциальных законов распределения на функции готовности необходимо разработать модель, основывающуюся на принятом в теории надёжности классическом определении показателя готовности как вероятности того, что объект окажется в работоспособном состоянии в произвольный момент времени, кроме планируемых периодов, в течение которых применение объекта по назначению не предусматривается. Основываясь на этом, функция готовности Kr(t) определяется, как вероятность события, состоящего в том, что ВСП работоспособен в момент времени t по нижеследующей формуле:

I

Kr(t) = R(t) + J R(t- f)h(t')dt', (1)

о

где R(f) - вероятность безотказной работы; hit^dt'-вероятность восстановления; R(t-11)-вероятность безотказной работы после восстановления.

Для проведения оценки и анализа функции готовности ВСП «Сапсан» использованы значения временных показателей, характеризующие ВСП в начале эксплуатации: наработка между отказами t с математическим ожиданием Т= 96 ч и среднеквадратическим отклонением сг=10ч, время восстановления tB с математическим ожиданием Тв = 2,5 ч и среднеквадратическим отклонением ав = 0,5 ч. Расчёты по формуле (1) выполнены в вычислительной среде MathCAD.

Полученные результаты исследования подтверждают корректность проведенных вычислений и возможность применения разработанной модели для прогнозирования функции готовности с учётом фактических законов распределения временных показателей.

Необходимо отметить, что для функции готовности, учитывающей не экспоненциальные законы распределения временных показателей, характерна

большая продолжительность переходного процесса до наступления стационарного режима. Этот факт часто игнорируется на практике. Вследствие этого значение Кг, определенное без учёта реальных законов распределения временных показателей и нормированное в ТЗ, не соответствует фактическим ежемесячным значениям функции готовности в начальный период эксплуатации. Однако с течением времени функции готовности, учитывающие реальные законы распределения временных показателей, перестают зависеть от времени (становятся стационарными) и соответствуют функциям готовности, определённым с допущением в том, что временные показатели распределены экспоненциально:

НтЯ ,(0 = КГ= -1— = 96 = 0,975 • (2)

«— гК' г Т + ТВ 96 + 2,5 К)

Требуется подчеркнуть, что в этой главе оценка показателей готовности ВСП «Сапсан» проводится на основе упрощенной бинарной модели эксплуатации поезда, утвержденной в ТЗ. Однако эта модель является только первым приближением ввиду того, что реальный процесс эксплуатации включает большее число состояний.

В третьей главе «РАЗРАБОТКА И ОБОСНОВАНИЕ ТЕОРЕТИЧЕСКОЙ МОДЕЛИ ГОТОВНОСТИ ВЫСОКОСКОРОСТНОГО ПОЕЗДА «САПСАН»» на основе синтеза теории марковских процессов и имитационного моделирования выполнена уточнённая оценка, анализ и прогнозирование показателей готовности ВСП «Сапсан». Приведены результаты исследования процесса эксплуатации ВСП «Сапсан», теоретически обосновано, подтверждено статистическими оценками и имитационными экспериментами наличие не стационарности функций готовности, выраженное затухающими колебаниями и провалами ниже стационарного значения.

На основе проведённого анализа процесса эксплуатации ВСП «Сапсан» в целях теоретического моделирования предложено выделять одиннадцать возможных состояний, когда высокоскоростной поезд: ф — эксплуатируется и пребывает в работоспособном состоянии; © — восстанавливается после отказа 1-го типа в депо во время ночного перерыва в движении; восстанавливается в пути следования после отказа 2-го типа; © -транспортируется в ремонтное депо после отказа 3-го типа; © — ожидает

начала непланового ремонта после отказа 3-го типа в связи с задержками логистического и административного характера; © - проходит восстановление работоспособного состояния в неплановом ремонте после отказа 3-го типа; © — ожидает начала эксплуатации по окончанию непланового ремонта после отказа 3-го типа в связи с несогласованностью графика движения; ® — простаивает в горячем резерве; © — проходит подготовку и ожидает начала планового технического обслуживания и ремонта (например, проведение оттаивания в зимнее время года, задержки логистического и административного характера); ©-проходит плановое техническое обслуживание и ремонт; ©-ожидает начала эксплуатации после окончания планового технического обслуживания и ремонта.

Основываясь на вышеназванных состояниях и теории марковских процессов, разработан граф переходов, представляющий собой теоретическую модель процесса эксплуатации ВСП «Сапсан» (рис. 1). Математические ожидания временных показателей определены на основе ТЗ и информации о реальной эксплуатации ВСП «Сапсан».

Рис. 1. Граф переходов для модели процесса эксплуатации ВСП «Сапсан»

12

(3)

Для определения вероятностей Р\,... Рп нахождения ВСП «Сапсан» в каждом из 11-ти возможных состояний и, учитывая граф переходов, представленный на рис. 1, записана система дифференциальных уравнений Колмогорова (3).

>,'(0 = "(Л2 + + + + (0 + ¿гА(0 +

Р5'(0 = Я45Р4(0-«(0 ' т=л5йр5(о-л67р6(о

да-«(о

Решение системы дифференциальных уравнений (3) выполнено двумя способами: в вычислительной среде МаШСАБ, а также преобразованием системы уравнений в систему алгебраических уравнений, что позволило записать формулы для проведения уточнённой оценки Кг и КТИ в произвольный, достаточно удаленный от начала эксплуатации момент времени, учитывающие пятнадцать временных показателей Го,...Г14, характеризующих процесс эксплуатации ВСП «Сапсан»:

1 + 1А + 1Ж +

Кг=-

т 111

То Т,

КТИ —

т5+т6+г7+г8

1

+

Г,0 Т\2 + Г,з + Тх4

То Тх

+

т5+т6+т7+тя , тго | тп +Т13+Г,

= 0,94, (4)

= 0,84.

14

(5)

Решение системы дифференциальных уравнений (3) в вычислительной среде МаШСАБ методом Рунге-Кутта четвёртого порядка позволило

13

рассчитать и построить временные зависимости вероятностей Р\ (/). ,Ри (0 и функций готовности с учётом нижеследующего:

- функция готовности Кг(0 характеризует вероятность того, что ВСП окажется в работоспособном состоянии в произвольный момент времени, и соответствует сумме вероятностей нахождения в 1, 7, 8 и 11-м состояниях Кг( 0 = Рх (0 + Л (0 + Рг (0 + Рп (0;

- функция технического использования Кт{{) характеризует вероятность того, что ВСП эксплуатируется в произвольный момент времени, и соответствует вероятности нахождения в 1-м состоянии КТИ (7) = Р1 (г).

Как следует го формул (4) и (5) различие между значениями Кг и Кти составляет 10 %. Это означает, что готовый к эксплуатации ВСП простаивает 10 % времени. С целью эффективного управления этим резервом времени в главе проведен анализ влияния изменений временных показателей на функции готовности методом расчётного моделирования в МаШСАО. Проведенный анализ выявил непосредственное влияние времени ожидания начала эксплуатации по окончанию непланового ремонта — Тя, времени отстоя в горячем резерве — Тю и времени ожидания начала эксплуатации после планового технического обслуживания - Ти, на простой готового к эксплуатации ВСП (рис. 2).

0,94 0,93 0,92 -0,91 -0,9 -

0,886

0,88 0,87 ■ 0,86 0.849 0,842 0,83

Кт(Г,,)_=/№») КпЛТ^Льул)

= 0,841

0% 20% 40% 60% 80% 100%

Рис. 2. Анализ влияния изменения временных показателей на Кт

Моделируя по отдельности сокращение затрат времени Г8, Г10 и Ти, например, со 100 % до 40 %, получено увеличение функции технического

использования до 0,842, 0,886 и 0,849 соответственно. Следовательно, для сокращения времени простоя работоспособного, но не эксплуатируемого ВСП, в первую очередь необходимо уменьшать простой в горячем резерве. Необходимо отметить, что в настоящее время эксплуатация парка ВСП «Сапсан» осуществляется без простоя поездов в горячем резерве.

В главе отмечено, что модель, разработанная на основе теории марковских процессов и реализованная в вычислительной среде MathCAD, имеет в своей основе допущение в том, что все распределения временных показателей не противоречат экспоненциальному закону. Однако реальные распределения многих временных показателей железнодорожного подвижного состава не могут быть описаны экспоненциальным законом. Вследствие этого в главе решается задача изучения влияния не экспоненциальных законов распределения временных показателей на Kr(t) и Km(t).

С этой целью, используя граф переходов (рис. 1) на базе программного пакета Arena (ПП Arena), разработана и реализована имитационная модель процесса эксплуатации ВСП «Сапсан», имеющая в основе математический аппарат теории массового обслуживания, использована также возможность генерации случайных чисел в соответствии с гамма - распределением и распределением Вейбулла, а также нормальным, логарифмически нормальным и экспоненциальным законами распределения. Проверка результатов генерирования случайных значений временных показателей по названным законам распределения проведена по критерию согласия у? Пирсона. Выполненный анализ и полученные результаты подтвердили адекватность генерирования случайных значений временных показателей в разработанной на базе ПП Arena имитационной модели в соответствии с названными законами распределения. Проверка адекватности разработанной модели проведена сопоставлением графиков функций готовности (рис. 3), полученных путём моделирования процесса эксплуатации ВСП «Сапсан» в ПП Arena, с аналогичными графиками, полученными в вычислительной среде MathCAD.

Необходимо отметить, что модели, разработанные в ПП Arena и в MathCAD, основываются на одном графе переходов и одинаковых математических ожиданиях временных показателей, характеризующих процесс эксплуатации ВСП «Сапсан».

К-mi О 1

0,95' 0,94

0,86: 11,,45

Ж

~Kr(t)« 0,94

0 1000 2000 3000 4000 5000 6000 f ц

Рис. 3. Графики функций готовности, построенные по результатам моделирования в ПП Arena (линии с затухающими колебаниями) и MathCAD (штриховые линии)

Полученные результаты свидетельствуют о том, что наличие не экспоненциальных законов распределения временных показателей имеет существенное влияние на функции готовности. Однако с течением времени функции готовности перестают зависеть от времени и стремятся к равным стационарным значениям. В связи с этим существует возможность проверки и подтверждения адекватности разработанной имитационной модели путём сравнения результатов моделирования, полученных в ПП Arena и MathCAD.

На основе проведенного анализа выполнено прогнозирование и дано научное обоснование периода эксплуатации, по завершению которого целесообразно проводить оценку показателей готовности, а также проведён анализ влияния появления отказов в начале эксплуатации ВСП «Сапсан» на функции готовности.

В главе отмечено, что полученные результаты и сделанные выводы не противоречат совокупности результатов и заключений, сформулированных в ранее выполненных научных исследованиях. Однако разработанная методика дала возможность провести уточнённую оценку, детальный анализ и прогнозирование функций готовности на разных этапах жизненного цикла, что соответствует перспективным требованиям рыночной экономики и новой системы взаимоотношений между компанией-производителем подвижного состава и эксплуатирующей компанией.

Четвертая глава «ИССЛЕДОВАНИЕ ВЗАИМОСВЯЗИ ГОТОВНОСТИ И СТОИМОСТИ ЖИЗНЕННОГО ЦИКЛА ПОДВИЖНОГО СОСТАВА» содержит результаты исследования взаимосвязи показателей готовности и СЖЦ поезда «Сапсан» при наличии ограничений по готовности и изменений эксплуатационных факторов. В главе также представлен комплексный подход к определению и оценке факторов, влияющих на показатели готовности в течение жизненного цикла железнодорожного подвижного состава. Этот подход основывается на определении, планировании и управлении основными факторами с целью достижения и поддерживания показателей готовности на установленном уровне в течение жизненного цикла.

Действующие в наиболее передовых отраслях машиностроения в нашей стране и за рубежом методики расчёта СЖЦ содержат следующие разделы: 1 — построение структурной схемы и классификация видов затрат; 2 — декомпозиция изучаемой системы на нескольких структурных уровнях, включающая информацию по надёжности и по стоимости каждого отдельного компонента системы; 3 - определение связей между каждым отдельным компонентом системы и рассматриваемыми видами затрат для определения элементов затрат; 4 - определение базовых условий, проведение оценки затрат и их графическое представление в соответствии со структурной схемой затрат; 5 - совершенствование анализируемой системы с целью снижения СЖЦ. Эта последовательность, дополненная анализом показателей готовности, положена в основу общей структуры оценки и анализа взаимосвязи показателей готовности и СЖЦ, разработанной в этой главе. Вместе с тем разработан алгоритм оценки и анализа влияния основных эксплуатационных факторов таких, как среднегодовой пробег (рис. 4а) и средняя эксплуатационная скорость (рис. 46), на СЖЦ и Кг.

17

а)

б) сжц

Рис. 4. Расчёты и анализ изменения СЖЦ при заданном Кг, варьировании годового пробега (а) и средней эксплуатационной скорости (б), выполненные на базе модифицированного ПО «иМРЕ - иМЫГЕ»

Проведенное исследование выполнено для упрощенной диагностической системы ВСП «Сапсан» и его ключевых компонентов, критичных с точки зрения надёжности и безопасности. Расчёты по разработанному алгоритму реализованы в модифицированном ПО «ЦЫП^Е - 1Ж1ЫРЕ», что позволило провести автоматизированные расчёты и анализ СЖЦ поезда при наличии ограничений по готовности и изменений названных эксплуатационных факторов.

Результаты исследования позволяют сделать вывод о том, что

к400 - 450 млн € •350 - 400 млн €

■ 300-350 млн € 5 250- 300 лин€

■ 200- 250 млн£ 150 - 200 млн €

■ 100-150 лан €

Ь=1000 ты с. км/год Ь-200 ты с. км/год

методология оценки СЖЦ может успешно применяться не только для оценки экономических показателей, но и для проведения технико-экономического анализа, базирующегося на исследовании взаимосвязи СЖЦ и показателей готовности с целью дальнейшего совершенствования железнодорожного подвижного состава.

В практике применение методик по оценке и анализу взаимосвязи СЖЦ и показателей готовности железнодорожного подвижного состава находится на начальном уровне и является перспективной формой взаимоотношений между компаниями-производителями и компаниями-заказчиками.

Объём практических и теоретических исследований, который необходимо выполнить в этом направлении, достаточно велик и рассчитан на перспективу. В настоящей работе теоретически обосновано и подтверждено эмпирическими данными наличие взаимосвязи между показателями готовности и СЖЦ поезда «Сапсан», а также их зависимость от изменения эксплуатационных факторов.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В результате проведенных автором исследований в работе изложены научно обоснованные технические и технологические решения по разработке методики уточнённой оценки, углублённого анализа и прогнозирования показателей готовности на этапах жизненного цикла ВСП «Сапсан», с использованием алгоритмов и моделей теории надёжности и имитационного моделирования, имеющие существенное значение для железнодорожного транспорта России.

1. Разработаны практические рекомендации для совершенствования существующей методической базы в области оценки показателей готовности:

- учитывающие современные и перспективные требования к компании-производителю, которая берет на себя полную ответственность за разработку, изготовление, а также за техническое обслуживание, ремонт и модернизацию на период всего срока службы эксплуатируемых и поставляемых ВСП;

- обеспечивающие проведение дальнейшей гармонизации национальной и международной методик оценки показателей готовности.

2. Проведен анализ действующей методики и модели оценки показателей готовности ВСП «Сапсан», выработаны практические рекомендации для их

19

совершенствования с целью проведения уточнённой оценки, анализа и прогнозирования показателей готовности ВСП.

3. Проведен анализ и выявлены основные факторы, влияющие на показатели готовности в течение жизненного цикла ВСП «Сапсан», для управления ими с целью рационального повышения показателей готовности.

4. Разработана модель для оценки функции готовности ВСП «Сапсан», основывающаяся на классической теории надёжности и учитывающая, в отличие от применяемых на практике походов, не экспоненциальные законы распределения временных показателей, характеризующих процесс эксплуатации ВСП.

5. Разработана модель процесса эксплуатации ВСП «Сапсан» с целью проведения уточнённой оценки, детального анализа и прогнозирования функций готовности на разных этапах жизненного цикла ВСП. Проверка адекватности разработанной модели выполнена сравнением результатов моделирования и расчётов, полученных в ПП Arena и вычислительной среде MathCAD, с эксплуатационными оценками показателей готовности.

6. На основе разработанной модели процесса эксплуатации ВСП «Сапсан» получен ряд новых результатов в том числе:

-выполнено исследование и установлено влияние появления отказов в начале эксплуатации ВСП на функции готовности;

- проанализировано влияние не экспоненциальных законов распределения временных показателей, характеризующих процесс эксплуатации ВСП, на функции готовности;

-проведен анализ и прогнозирование периода эксплуатации ВСП, по завершению которого целесообразно проводить оценку его показателей готовности;

- дано научное обоснование разбросу эксплуатационных оценок показателей готовности, определенных на основе обработки статистических данных о техническом состоянии ВСП в условиях рядовой эксплуатации.

7. На основе выполненной уточнённой оценки и анализа Кг и Кти установлено, что различие между ними составляет 10%. Этот факт означает, что работоспособный и готовый к эксплуатации ВСП 10% от общего времени не эксплуатируется. Для эффективного управления этим резервом времени проведен анализ влияния временных показателей процесса эксплуатации

20

ВСП на Кг и Кти, и разработаны практические рекомендации по рациональному сокращению этого времени.

8. Выполнен анализ взаимосвязи между показателями готовности и СЖЦ на основе расчёта в модифицированном ПО «UN1FE - UNILIFE» при наличии ограничений по готовности, а также проведено исследование зависимости СЖЦ и показателей готовности от изменений эксплуатационных факторов таких, как среднегодовой пробег и средняя эксплуатационная скорость, действующих на ВСП «Сапсан» в течение 30-ти летнего срока службы.

9. Основные положения и результаты исследований внедрены и используются дочерней компанией ОАО «РЖД» ОАО «Федеральная пассажирская компания», а также использовались в учебном процессе кафедры «Инновационные технологии» МИИТа в 2007 - 2012гг., и при написании учебного пособия «Перспективные наукоёмкие технологии», подготовленного в 2009г. в рамках «Инновационной образовательной программы».

Основные научные результаты и положения кандидатской диссертации опубликованы в следующих работах:

1. Зайнетдинов, Р.И. Уточнённая оценка и прогнозирование функции готовности поезда «Сапсан» на основе имитационного моделирования процесса эксплуатации [Текст] / Р.И. Зайнетдинов, И.В. Плохих // Транспорт: наука, техника, управление. - 2012. - № 12. - С. 11-19. -ISSN 0236-1914 (журнал включён в перечень ВАК).

2. Зайнетдинов, Р.И. Анализ функции готовности высокоскоростного поезда Velaro RUS - «Сапсан» на основе моделирования процесса эксплуатации [Текст] / Р.И. Зайнетдинов, И.В. Плохих // Транспорт: наука, техника, управление. - 2012. - № 2. - С. 31-36. - ISSN 0236-1914 (журнал включён в перечень ВАК).

3. Плохих, И.В. Моделирование функции готовности в процессе эксплуатации высокоскоростного поезда Velaro RUS - «Сапсан» [Текст] / И.В. Плохих // Бюллетень транспортной информации. -2011. -№ 11 (179). - С. 27-31. - ISSN 2072-8115 (журнал включён в перечень ВАК).

4. Зайнетдинов, Р.И. Детальный анализ и прогнозирование функции готовности высокоскоростного поезда «Сапсан» на основе имитационного моделирования процесса эксплуатации [Текст] / Р.И. Зайнетдинов,

21

И.В. Плохих // XIII научно — практическая конференция «Безопасность движения поездов»: сб. науч. тр. - М.: МГУПС (МИИТ), 2012. - С. И1-П2.

5. Зайнетдинов, Р.И. Уточнённая оценка функции готовности высокоскоростного поезда «Сапсан» на основе имитационного моделирования процесса эксплуатации [Текст] / Р.И. Зайнетдинов, И.В. Плохих // XII научно - практическая конференция «Безопасность движения поездов»: сб. науч. тр. - М.: МГУПС (МИИТ), 2011. - С. ПЗ-П4.

6. Плохих, И.В. Оценка вероятностей нахождения высокоскоростного поезда Velaro RUS — «Сапсан» в различных состояниях с целью анализа функций готовности [Текст] / И.В. Плохих // Научно-практическая конференция НЕДЕЛЯ НАУКИ - 2011 «НАУКА МИИТа - ТРАНСПОРТУ»: сб. науч. тр. - М.: МГУПС (МИИТ), 2011. - С. Ill 32-III 33.

7. Плохих, И.В. Влияние временных показателей с различными законами распределения на функцию готовности [Текст] / И.В. Плохих, Р.И. Зайнетдинов // XXII Международная Инновационно -ориентированная конференция молодых учёных и студентов «Будущее машиностроения России» (МИКМУС - 2010): сб. избранных науч. тр. -М.: ИМАШ РАН, 2011. - С. 98-105.

8. Плохих, И.В. Анализ взаимосвязи стоимости жизненного цикла и коэффициента готовности [Текст] / И.В. Плохих, Р.И. Зайнетдинов // VII Международная научно - практическая конференция «Trans-Mech-Art-Chem»: сб. науч. тр. - М.: МГУПС (МИИТ), 2010. - С. 275-278.

9. Плохих, И.В. Комплексный подход к оценке факторов, влияющих на функции готовности железнодорожного подвижного состава [Текст] / И.В. Плохих, Р.И. Зайнетдинов // XXI Международная Инновационно -ориентированная конференция молодых учёных и студентов по современным проблемам машиноведения (МИКМУС - 2009): сб. избранных науч. тр. - М.: ИМАШ РАН, 2010. - С. 96-102.

10. Плохих, И.В. Взаимосвязь между безопасностью и готовностью на примере высокоскоростного поезда Velaro RUS - «Сапсан» [Текст] / И.В. Плохих, Р.И. Зайнетдинов // X научно — практическая конференция «Безопасность движения поездов»: сб. науч. тр. -М.: МГУПС (МИИТ), 2009. - С. V27.

11. Плохих, И.В. Таблица сравнения понятий и определений коэффициентов

22

готовности железнодорожного подвижного состава по европейским, международным и российским стандартам / Московский государственный университет путей сообщения. — М., 2009. -56 е.: - Библиогр.: с. 56. - Деп. в ВИНИТИ 29.05.09, № 335-В2009.

12. Плохих, И.В. Сравнение российской и европейской методик по оценке коэффициентов готовности железнодорожного подвижного состава / Московский государственный университет путей сообщения. - М., 2009. -25 е.: - Библиогр.: с. 25. - Деп. в ВИНИТИ 15.05.2009, № 315-В2009.

13. Плохих, И.В. Управление коэффициентами готовности высокоскоростного поезда Velaro RUS с помощью стратегии технического обслуживания «Balanced Mainteance» [Текст] / И.В. Плохих // Научно-практическая конференция НЕДЕЛЯ НАУКИ - 2009 «НАУКА МИИТа -ТРАНСПОРТУ»: сб. науч. тр. - М.: МГУПС (МИИТ), 2009. - С. 156-157.

14. Плохих, И.В. Анализ коэффициентов готовности железнодорожного подвижного состава [Текст] / И.В. Плохих, Р.И. Зайнетдинов // V Международная научно-практическая конференция «Trans-Mech-Art-Chem»: сб. науч. тр. - М.: МГУПС (МИИТ), 2008. - С. 281-282.

15. Zainetdinov, R. Bewertung und Prognostizierung der Verfügbarkeitsfimktion an Hand des Simulationsmodells des Betriebsprozesses am Beispiel des Hochgeschwindigkeitszuges „Sapsan" (Оценка и прогнозирование функции готовности высокоскоростного поезда «Сапсан» на основе имитационного моделирования процесса эксплуатации) [Текст] / R. Zainetdinov, G. Löffler, I. Plokhikh //12. Internationale Schienenfahrzeugtagung „Rad / Schiene 2012": Tagungsband. - Roßdorf: TZ-Verlag & Print GmbH, 2012. - S. 129-131.

16. Zaynetdinov, R. Analyse und Vergleich der russischen und der europäischen Bewertungsmethode zur Verfügbarkeit von Eisenbahnfahrzeugen (Анализ и сравнение российской и европейской методик по оценке показателей готовности железнодорожного подвижного состава) [Текст] / R. Zaynetdinov, G. Löffler, I. Plokhikh // ZEVRail. -2011. -№ 4. - S. 136143.

17. Zainetdinov, R. Bewertung und Analyse der betrieblichen Verfügbarkeit an Hand des Markov-Modells am Beispiel des Hochgeschwindigkeitszuges „Sapsan" (Оценка и анализ эксплуатационных показателей готовности на основе марковской модели для высокоскоростного поезда «Сапсан»)

23

[Текст] / R. Zainetdinov, G. Löffler, I. Plokhikh // 11. Internationale Schienenfahrzeugtagung „Rad / Schiene 2011": Tagimgsband. - Roßdorf: TZ-Verlag & Print GmbH, 2011. - S. 138-140.

18. Plokhikh, I. Die Innovationen und die Besonderheiten bei den Hochgeschwindigkeitszügen Velaro für Russland (Инновации и особенности высокоскоростного поезда Velaro для России) [Текст] / I. Plokhikh, R. Zainetdinov, А. Lipp // 22. Verkehrswissenschaftliche Tage an der technischen Universität Dresden: Tagungsband. -Possendorf: Addprint AG, 2009. - S. 1-16.

19. Zainetdinov, R. Die Bewertung der Verfügbarkeit der Eisenbahnfahrzeuge unter Berücksichtigung der russischen Standards (Оценка показателей готовности железнодорожного подвижного состава с учётом требований российских стандартов) [Текст] / R. Zainetdinov, G. Löffler, I. Plokhikh // 10. Internationale Schienenfahrzeugtagung „Rad / Schiene 2009": Tagungsband. - Roßdorf: TZ-Verlag & Print GmbH, 2009. - S. 130-132.

ПЛОХИХ ИВАН ВЛАДИМИРОВИЧ

ОЦЕНКА И АНАЛИЗ ПОКАЗАТЕЛЕЙ ГОТОВНОСТИ ВЫСОКОСКОРОСТНОГО ПОЕЗДА VELARO RUS - «САПСАН» С УЧЁТОМ ОПЫТА РОССИИ И ГЕРМАНИИ

Специальность 05.22.07 - Подвижной состав железных дорог, тяга поездов и электрификация

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Подписано в печать 14.11.2013г. Заказ NfffryФормат 60x90/16 Тираж 80 экз. Усл. -печ. л. - 1,5

127994, Россия, г. Москва, ул. Образцова, дом 9, стр. 9., УПЦ ГИ МИИТ

24

ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ «МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ ПУТЕЙ СООБЩЕНИЯ» МГУПС (МИИТ)

04201450023

На правах рукописи

ПЛОХИХ ИВАН ВЛАДИМИРОВИЧ

ОЦЕНКА И АНАЛИЗ ПОКАЗАТЕЛЕЙ ГОТОВНОСТИ ВЫСОКОСКОРОСТНОГО ПОЕЗДА VELARO RUS - «САПСАН» С УЧЁТОМ

ОПЫТА РОССИИ И ГЕРМАНИИ

Специальность 05.22.07 -Подвижной состав железных дорог, тяга поездов и электрификация

Диссертация на соискание учёной степени кандидата технических наук

Научный руководитель доктор технических наук, профессор Р.И.Зайнетдинов

Москва-2013

СОДЕРЖАНИЕ

ВВЕДЕНИЕ.........................................................................................................5

1. СОВРЕМЕННОЕ СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА И ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ...........................................................................................11

1.1. Эволюция понятия готовности объектов...................................11

1.1.1. Готовность как комплексное свойство надёжности.....11

1.1.2. Показатели готовности в международных и национальных стандартах...........................................................18

1.1.3. Сравнение и анализ показателей готовности................23

1.2. Анализ и сравнение европейской и российской методик оценки показателей готовности железнодорожного подвижного состава.....................................................................................................28

1.2.1. Оценка показателей готовности по международным стандартам и методике Европейской ассоциации производителей железнодорожной техники (и№РЕ)..............28

1.2.2. Оценка показателей готовности по национальным стандартам и методике компании ОАО «РЖД».......................37

1.2.3. Пример оценки значений показателей готовности по европейской и российской методикам.......................................42

1.3. Обзор теоретических моделей готовности объектов................44

1.3.1. Модель оценки показателей готовности с учётом работоспособного и неработоспособного состояний...............44

1.3.2. Использование марковской модели для оценки показателей готовности...............................................................45

1.3.3. Оценка показателей готовности с учётом последействия в процессе эксплуатации.............................................................51

1.3.4. Анализ модели изменения готовности с течением времени (анализ функции готовности)......................................52

1.4. Специфика высокоскоростного поезда «Сапсан» и особенности оценки его показателей надёжности..............................53

1.4.1. Инновационные решения в конструкции поезда «Сапсан»........................................................................................54

1.4.2. Особенности технического обслуживания и ремонта поезда «Сапсан»............................................................................65

1.4.3. Особенности оценки показателей надёжности поезда «Сапсан»........................................................................................71

Основные результаты и выводы по главе 1.........................................73

2. АНАЛИЗ И ОЦЕНКА ПОКАЗАТЕЛЕЙ ГОТОВНОСТИ ВЫСОКОСКОРОСТНОГО ПОЕЗДА «САПСАН» НА ОСНОВЕ ЭКСПЛУАТАЦИОННЫХ ДАННЫХ...........................................................76

2.1. Эксплуатационные оценки показателей готовности высокоскоростного поезда «Сапсан»...................................................76

2.2. Разработка методики анализа и оценки функции готовности высокоскоростного поезда «Сапсан» на основе эксплуатационных данных.....................................................................................................83

2.3. Расчёты и обсуждение их результатов.......................................85

Основные результаты и выводы по главе 2.........................................95

3. РАЗРАБОТКА И ОБОСНОВАНИЕ ТЕОРЕТИЧЕСКОЙ МОДЕЛИ ГОТОВНОСТИ ВЫСОКОСКОРОСТНОГО ПОЕЗДА «САПСАН»..........97

3.1. Предпосылки и обоснование теоретической модели готовности поезда «Сапсан».................................................................97

3.2. Разработка математической модели готовности поезда «Сапсан» и проведение расчётов..........................................................98

3.3. Оценка функции готовности с учётом последействия в процессе эксплуатации........................................................................108

3.4. Уточнённая оценка функций готовности с учётом влияния

временных показателей с различными законами распределения

методом имитационного моделирования..........................................116

3.5. Обсуждение результатов расчётов...........................................134

Основные результаты и выводы по главе 3.......................................135

4. ИССЛЕДОВАНИЕ ВЗАИМОСВЯЗИ ГОТОВНОСТИ И СТОИМОСТИ ЖИЗНЕННОГО ЦИКЛА ПОДВИЖНОГО СОСТАВА ..137

4.1. Современное состояние вопроса и постановка задачи...........137

4.2. Комплексный подход к определению и оценке основных факторов, влияющих на готовность в течение жизненного цикла подвижного состава.............................................................................143

4.3. Анализ взаимосвязи показателей готовности и стоимости жизненного цикла подвижного состава при наличии ограничений по готовности и изменений эксплуатационных факторов....................151

4.4. Обсуждение результатов решения задачи рационального выбора стоимости жизненного цикла подвижного состава при

наличии ограничений по готовности.................................................179

Основные результаты и выводы по главе 4.......................................180

ЗАКЛЮЧЕНИЕ..............................................................................................182

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ.............................................................................185

ПРИЛОЖЕНИЕ. Материалы об использовании результатов диссертационного исследования..................................................................216

ВВЕДЕНИЕ

Важнейшей составляющей активной части основных производственных фондов железнодорожного транспорта является подвижной состав. От уровня эксплуатационной готовности подвижного состава, характеризующего его техническое совершенство, текущее состояние, условия эксплуатации, а также систему технического обслуживания и ремонта, во многом зависят результаты деятельности железнодорожного транспорта в целом.

В современных условиях жёсткой гиперконкуренции на мировых рынках наукоёмкой продукции к компаниям-производителям современного железнодорожного подвижного состава предъявляются новые требования. Ведущие компании-производители для обеспечения своей конкурентоспособности берут на себя полную ответственность за разработку (с учётом адаптации к локальным условиям эксплуатации), изготовление, а также за фирменное техническое обслуживание, ремонт и модернизацию поставляемого железнодорожного подвижного состава на период всего срока службы [1 - 8, 146 - 149]. В этом случае компания-производитель имеет возможность осуществлять уточнённую оценку показателей готовности (коэффициентов готовности, коэффициентов технического использования, функций готовности и др.), используя практический опыт эксплуатации и статистические данные о техническом состоянии своей продукции на протяжении всего жизненного цикла. Одним из первых таких примеров в отечественной практике является совместный проект между компанией Siemens AG и компанией ОАО «РЖД» по созданию высокоскоростных поездов «Сапсан» (ВСП «Сапсан») на базе платформы Velaro для России и его эксплуатации в течение 30 лет [9, 150 - 156]. Необходимо отметить, что в настоящее время это требование является основным, предъявляемым компанией ОАО «РЖД» к компаниям-изготовителям нового подвижного состава [5-8, 11-13]. Однако существующие методики оценки показателей

ГИ'>»

готовности не в полной мере учитывают современные тенденции развития. Задача совершенствования методик с учётом перспективных видов взаимоотношений между компанией-производителем и эксплуатирующей компанией для уточнённой оценки и детального анализа показателей готовности является весьма актуальной. Большое практическое значение приобретают расчётные и имитационные методы моделирования и прогнозирования показателей готовности, которые должны быть многоцелевыми, адаптируемыми к изменяющимся условиям эксплуатации, и позволять использование на протяжении всего жизненного цикла ВСП «Сапсан».

Степень разработанности темы. Проведённый анализ ряда научных исследований, национальных и международных стандартов, а также методик оценки показателей готовности и стоимости жизненного цикла (далее СЖЦ) показал, что они зачастую основываются на сознательно упрощённой бинарной модели эксплуатации железнодорожного подвижного состава, включающей всего два состояния (работоспособное и неработоспособное) и допущение о том, что распределения временных показателей, характеризующих процесс эксплуатации объекта, не противоречат экспоненциальному закону распределения. Это затрудняет определение фактических показателей готовности на основе обработки статистических данных о техническом состоянии железнодорожного подвижного состава в условиях рядовой эксплуатации. Решение этой проблемы осложняется как различием научно-технических подходов к оценке этих показателей, так и незавершённостью процессов гармонизации стандартов и др. нормативно-технической документации у сторон международного сотрудничества.

Отмеченные факты дают основание следующим образом сформулировать объект, предмет, цель и задачи диссертационного исследования.

Объект исследования - ВСП «Сапсан» и его показатели готовности.

Предмет исследования - методика оценки, анализа и прогнозирования

показателей готовности, а также моделирование процесса эксплуатации ВСП «Сапсан».

Целыо работы является разработка методики уточнённой оценки показателей готовности, их анализ и прогнозирование для ВСП «Сапсан» с учётом научного и практического опыта России и Германии.

Для достижения поставленной цели решались следующие задачи:

1. Анализ процесса эксплуатации и оценка показателей готовности ВСП «Сапсан» на основе эксплуатационных данных.

2. Разработка методики уточнённой оценки показателей готовности, их анализ и прогнозирование для ВСП «Сапсан» на основе многоцелевого моделирования процесса эксплуатации поезда. Верификация полученных результатов на основе эксплуатационных данных, расчётных моделей теории надёжности и имитационных экспериментов.

3. Разработка и обоснование практических рекомендаций для эффективного управления резервами времени с целью рационального повышения эксплуатационной готовности ВСП «Сапсан».

4. Анализ взаимосвязи между показателями готовности и СЖЦ при наличии ограничений по готовности и изменений эксплуатационных факторов, а также разработка комплексного подхода к определению и оценке факторов, влияющих на показатели готовности в течение жизненного цикла ВСП «Сапсан».

5. Разработка практических рекомендаций по совершенствованию и гармонизации существующей национальной и международной методической базы в области оценки показателей готовности с учётом современных и перспективных требований рыночной экономики.

Научная новизна и теоретическая значимость результатов состоит в следующих положениях:

- разработана математическая модель процесса эксплуатации ВСП «Сапсан», учитывающая его одиннадцать возможных состояний и

пятнадцать временных показателей, характеризующих процесс эксплуатации поезда, используемая для проведения уточнённой оценки показателей готовности и анализа резервов времени в процессе эксплуатации ВСП;

- разработана методика углублённого анализа и прогнозирования функций готовности ВСП «Сапсан», учитывающая влияние не экспоненциальных законов распределения временных показателей и появления отказов в начале эксплуатации ВСП;

- установлена взаимосвязь показателей готовности и СЖЦ поезда при наличии ограничений по готовности и изменений эксплуатационных факторов.

Практическая ценность проведенных исследований состоит в том, что в вычислительной среде MathCAD и программном пакете Arena разработана имитационная модель процесса эксплуатации ВСП «Сапсан» для оперативной уточнённой оценки и углублённого анализа показателей готовности на разных этапах жизненного цикла ВСП, а также учёта и анализа влияния не экспоненциальных законов распределения временных показателей, характеризующих процесс эксплуатации ВСП, на функции готовности; выполнены расчёты показателей готовности и проведён анализ их зависимости от времени, а также от временных показателей, характеризующих процесс эксплуатации ВСП; выявлены резервы времени в процессе эксплуатации ВСП, в течение которых работоспособный и готовый к эксплуатации поезд не эксплуатируется, и предложены практические рекомендации по их рациональному использованию. Предложены практические рекомендации по совершенствованию существующей методической базы в области оценки показателей готовности с учётом современных и перспективных требований к компании-производителю, а также даны рекомендации по проведению дальнейшей гармонизации российской и европейской методик оценки показателей готовности. Выполнена модификация программного обеспечения (далее ПО) «UNIFE - UNILIFE» Европейской ассоциации железнодорожной промышленности «UNIFE» для проведения автоматизированных расчётов

показателей готовности и СЖЦ поезда на ПЭВМ при наличии ограничений по готовности и изменений эксплуатационных факторов. Предложен комплексный подход к определению и оценке факторов, влияющих на показатели готовности в течение жизненного цикла железнодорожного подвижного состава.

В диссертации использован методический подход, позволяющий осуществить синтез теории марковских процессов и имитационного моделирования применительно к задачам уточнённой оценки, анализа и прогнозирования показателей готовности железнодорожного подвижного состава. При теоретическом исследовании показателей готовности применялись алгоритмы и методы классической теории надёжности. С целью автоматизации расчёты проводились с использованием современного ПО на ПЭВМ.

На защиту выносятся следующие положения диссертации, полученные лично соискателем:

- разработанная математическая модель процесса эксплуатации ВСП «Сапсан» для проведения уточнённой оценки показателей готовности;

- разработанная имитационная модель процесса эксплуатации ВСП «Сапсан» для анализа и прогнозирования показателей готовности;

- разработанная методика уточнённой оценки, углублённого анализа и прогнозирования функций готовности на разных этапах жизненного цикла ВСП «Сапсан», учитывающая влияние не экспоненциальных законов распределения временных показателей и появления отказов в начале эксплуатации ВСП;

- полученные результаты анализа зависимости показателей готовности от времени, а также от изменения временных показателей, характеризующих процесс эксплуатации ВСП «Сапсан»;

- полученные результаты анализа взаимосвязи показателей готовности и СЖЦ поезда при наличии ограничений по готовности и изменений эксплуатационных факторов.

Обоснованность и достоверность полученных выводов и результатов подтверждена статистическими данными рядовой эксплуатации ВСП «Сапсан» и имитационными экспериментами, выполненными на современном научно-техническом уровне. Вывод о наличии нестационарности функций готовности ВСП «Сапсан», выраженной затухающими колебаниями и провалами ниже стационарного значения, подтверждён результатами расчётов, выполненных на основе алгоритмов классической теории надёжности, имитационного моделирования, а также эмпирическими данными.

Апробация работы. Результаты исследований и основные положения диссертации докладывались на: 10-12 Международных железнодорожных конференциях «Rad / Schiene» в городе Дрезден (Германия, 2009, 2011 и 2012); на научных семинарах кафедры «Рельсовый подвижной состав» Технического университета города Дрезден и кафедры «Машиностроение и технология производства» Высшей школы техники и экономики города Дрезден (Германия, 2010 и 2011); XII и XIII Международных научно-практических конференциях «Безопасность движения поездов» (Москва, 2011 и 2012); 22 Научно-транспортной конференции в Техническом университете города Дрезден (Германия, 2009); V, VII Международных научно - практических конференциях «Trans-Mech-Art-Chem» (Москва, 2008, 2010); XIX - XXII Международных Инновационно (интернет) - ориентированных конференциях молодых учёных и студентов (Москва, 2007-2010); на научных семинарах кафедры «Инновационные технологии» и Научно-практических конференциях НЕДЕЛЯ НАУКИ «НАУКА МИИТа - ТРАНСПОРТУ» (Москва, 2008 - 2013).

Масштаб практической и теоретической значимости изложенных требований и задач обуславливает высокую актуальность работы и цели исследования, а также соответствует приоритетным направлениям развития железнодорожной отрасли.

1. СОВРЕМЕННОЕ СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА И ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ

1.1. Эволюция понятия готовности объектов

1.1.1. Готовность как комплексное свойство надёжности

В настоящее время важным аспектом при заключении договора между компанией-изготовителем и компанией-заказчиком (эксплуатирующая компания) на разработку и изготовление нового железнодорожного подвижного состава является подтверждение его надёжности, эксплуатационной готовности и безопасности. Утверждение показателей надёжности - первый и важный этап обеспечения в