автореферат диссертации по транспорту, 05.22.03, диссертация на тему:Оценка надежности и резервирование сети транзитных путей проектируемых двухпутных железных дорог

(и * V./ / / ( о с^

V

РФ МПС

МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ ПУТЕЙ СООБЩЕНИЙ (МИИТ)

На правах рукописи

ОПЁНКИН В. А.

УДК 625.11:656.21:621.9

ОЦЕНКА НАДЕЖНОСТИ И РЕЗЕРВИРОВАНИЕ СЕТИ ТРАНЗИТНЫХ ПУТЕЙ ПРОЕКТИРУЕМЫХ ДВУХПУТНЫХ ЖЕЛЕЗНЫХ ДОРОГ

05.22.03 - Изыскание и проектирование железных дорог

диссертация на соискание ученой степени кандидата технических

наук

Научные руководители доктор технических наук, профессор |А.В. 1 АВРИЛКНКОВ1 кандидат технических наук, доцент B.C. МИРОНОВ

МОСКВА 1998

СОДЕРЖАНИЕ

ВВЕДЕНИЕ 5

1. СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА И ПОСТАНОВКА ЗАДАЧИ 13

1.1. Надежность и резервы пропускной способности железной

дороги 13

1.2. Связь надежности и эффективности функционирования 16

1.3. Резервирование раздельных пунктов 18

1.4. Постановка задачи исследования 22

2. ОПИСАНИЕ СЕТИ ТРАНЗИТНЫХ ПУТЕЙ ДВУХПУТНЫХ ЖЕЛЕЗНЫХ ДОРОГ С ПОМОЩЬЮ БУЛЕВЫХ СТРУКТУРНЫХ ФУНКЦИЙ 24

2.1. Исходные предпосылки для построения аналитических моделей надежности сети транзитных путей двухпутных линий 24

2.2. Сеть путей, ее модули и элементы 27

2.3. Сеть путей как монотонная система 31

2.4. Классификация и описание сети путей с помощью булевых структурных функций 34

2.5. Алгебраическое описание модулей СТП-П с помощью булевых структурных функций 55

3. НАДЕЖНОСТЬ МОДУЛЕЙ И СЕТИ ТРАНЗИТНЫХ ПУТЕЙ ДВУХПУТНЫХ ЖЕЛЕЗНЫХ ДОРОГ 62

3.1. Показатели надежности модулей 62

3.2. Надежность модуля-перегона 65

3.3. Надежность модуля-съезда . 69

3.4. Надежность модуля-раздельного пункта приводимой

структуры с одним приемо-отправочным путем 71

3.5. Надежность модуля-раздельного пункта приводимой

структуры с двумя и более приемо-отправочными путями 73

3.6. Надежность модуля-раздельного пункта с двумя приемо-отправочными путями в случае отказа одного из путей 80

3.7. Надежность модуля-раздельного пункта с двумя приемо-отправочными путями и неприводимой структурой 85

3.8. Надежность раздельного пункта и перегона двухпутной

железной дороги и всей сети транзитных путей 91

3.8.1. Определение коэффициента готовности раздельных пунктов двухпутной железной дороги при разных схемах расположения и количестве приемо-отправочных путей 91

3.8.2. Определение коэффициента готовности перегона двухпутной железной дороги и всей сети транзитных

путей. 98

4. ОПТИМАЛЬНОЕ РЕЗЕРВИРОВАНИЕ СЕТИ ТРАНЗИТНЫХ ПУТЕЙ ДВУХПУТНЫХ ЖЕЛЕЗНЫХ ДОРОГ 101

4.1. Задачи резервирования приемо-отправочных путей 101

4.2. Определение строительной стоимости раздельных пунктов 103

4.3. Решение прямой задачи резервирования методом неопределенных множителей Лагранжа 105

4.4. Решение обратной задачи резервирования методом неопределенных множителей Лагранжа 113

4.5. Решение задачи резервирования методом наискорейшего

спуска. 116

4.6. Оценка надежности участка Можайск - Красное реконструируемой железнодорожной линии Москва - Красное 118

4.6.1. Общие сведения 118

4.6.2. Техническая характеристика участка 121

4.6.3. Оценка надежности сети транзитных путей участка Можайск - Красное 124

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ 129

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ 131

ВВЕДЕНИЕ

Выбор решения при проектировании железных дорог основан на использовании ряда критериев - показателей, с помощью которых производят оценку вариантов и устанавливают оптимальный из них по минимальному или максимальному значению. Критерий, или критериальная функция, выбирается в зависимости от характера задачи. В качестве критерия выбирается показатель, на основе которого осуществляется сопоставление вариантов, например, приведенные затраты, капитальные вложения, эксплуатационные расходы и т. п. Критерием в задаче по проектировании) железной дороги обычно выступают денежные затраты, но в последнее время стали значительно больше внимания уделять надежности работы постоянных устройств, что обусловлено в частности, введением скоростного и высокоскоростного движения поездов.

Современное развитие транспортной науки характеризуется использованием теоретических разработок, выполняемых в различных областях математики, в которых одним из наиболее актуальных направлений, имеющих большое практическое значение, является теория надежности. Разрабатываемая первоначально, в основном, применительно к радиоэлектронным системам, она широко используется сейчас в других отраслях техники: информатике, машиностроении, строительстве, энергетике и др. Эффективность применения теории надежности в транспортной науке лежит, с одной стороны, в таких ее особенностях как системный подход и хорошо разработанный вычислительный аппарат, с другой стороны, в целевой направленности задач теории надежности, заключающейся, применительно к транспорту, в повышении безопасности, качества и эффективности его работы.

Исследованию надежности технических средств железнодорожного транспорта посвящены работы А.Д. Шишкова [89] (комплекс технических

средств), В.Г. Галкина, В.П. Парамзина, В.А. Четвергова (тяговый подвижной состав) и др.

Влияние надежности технических систем на технологические процессы рассматривается в работах: Г.В. Дружинина [19] (автоматизированные системы); В.Е. Козлова [31] (пропускная способность и технические устройства железнодорожного транспорта); Э.Д. Фельдман [88] (пропускная способность и транспортные устройства). Вопросы надежности других транспортных систем исследуются в работах Е.Р. Ставровского, М.Г. Сухарева, A.M. Карасевича [77] и др.

Обстоятельный анализ связи надежности технических средств и эффективности работы железнодорожного транспорта дан в работе И.А. Ушакова и Б.С. Флейшмана "Прикладные задачи технической кибернетики" [87]. Приведенный в этой работе статистический материал свидетельствует о том, что в период 1975 по 1984 гг. надежность технических средств на железнодорожном транспорте уменьшалась. Подтверждением этому служит увеличение времени опоздания поездов: в 2,2 раза - из-за отказов пути и устройств электроснабжения, в 2,5 раза - устройств СЦБ, почти в 4 раза - из-за отказов локомотивов. В 1984 г. около 40% суммарного времени опоздания поездов приходилось на отказы пути, СЦБ, подвижного состава. В результате роста количества отказов пути происходит увеличение нагрузки на ремонтную базу. Экономический анализ указанных факторов показал, что за период 1975 по 1984 гг. отвлечение основных фондов из-за отказов технических средств возросло в 2,4 раза [89].

Приведенные данные свидетельствуют о том, что проблема сохранения и увеличения надежности путевой структуры имеет первостепенное значение в деле повышения эффективности работы всего транспорта. Решению этой задачи должно способствовать внедрение достижений научно-технического прогресса: использование в транспортном строительстве новых материалов и технологий, создание высоконадежных транспортных средств, автоматиза-

ция перевозочного процесса.

Другой важнейший вывод, вытекающий из сказанного выше, состоит в следующем: объективный характер отказов устройств пути предопределяет необходимость учета отказов и последствий их появления при проектировании и эксплуатации транспортной системы в целом и отдельных ее элементов, обоснование и создание резервов мощности, обеспечивающих стабильную безопасную и эффективную работ транспортных объектов.

Под надежностью в данном исследовании понимается свойство сети транзитных путей и ее элементов (главных и приемо-отправоных путей раздельных пунктов и перегонов, стрелочных переводов) выполнять заданные функции в заданном объеме при определенных условиях функционирования [53].

Актуальность. Актуальность настоящего исследования обусловлена необходимостью создания количественных методов оценки надежности сети транзитных путей двухпутных железных дорог (СТП-П). Оценка надежности СТП-П может быть использована при разработке проектов вторых путей, реконструкции двухпутных линий для внедрения скоростного движения пассажирских поездов или электрической тяги и строительства специализированных высокоскоростных магистралей. В настоящее время учет этого фактора производится в расчетах пропускной способности перегонов с помощью коэффициента надежности, который зависит от периода графика, вида тяги и количества главных путей. Однако надежность железной дороги зависит и от других показателей структуры сети транзитных путей двухпутных железных дорог: длины линии, частоты размещения раздельных пунктов и количества приемо-отправочных путей, наличия съездов. В связи с этим необходима разработка методики по оценке надежности СТП-П в проектах строительства и реконструкции двухпутных железных дорог и сооружения вторых путей.

Цель исследования. Целью настоящего исследования является разработка методологии оценки надежности сети транзитных путей двухпутных железных дорог и способов ее повышения с использованием структурного резервирования.

Методы исследования. Основными методами исследования надежности СТП-П двухпутных железных дорог, используемыми в настоящей работе, являются: принципы системного анализа, методы теории надежности, двухкритериальной оптимизации, теория графов и булева алгебру.

Научная новизна работы заключается в создании моделей СТП-П двухпутных железных дорог для оценки надежности сети транзитных путей и ее модулей, а также способов повышения их надежности при помощи структурного резервирования.

Практическая ценность работы состоит в том, что она дает возможность лицу, принимающему решение (ЛПР), оценивать надежность СТП-П с учетом количества раздельных пунктов, длины перегонов, числа приемо-отправочных путей на станциях и обгонных пунктах, полезной длины прие-мо-отправочных путей, наличия съездов.

Методику оценки резервирования можно использовать и при адаптации двухпутной железной дороги к изменившимся эксплуатационным условиям внедрения скоростного движения, уменьшения размеров перевозок, изменение их структуры и т. д.

Апробация работы. Основные положения диссертации доложены и одобрены на научно - технических конференциях МИИТа (1996-1998 гг.) и на заседаниях кафедры "Изыскания и проектирование железных дорог" (1995-1998 гг.).

Реализация работы. Результаты исследований использованы в Программе фундаментальных и основных НИР МИИТа 1998 года (тема "Методы оценки надежности сети транзитных путей двухпутных железных дорог и оптимального их структурного резервирования на стадии

аванпроектирования" и внедрены в Мосжелдорпроекте при разработке ТЭО "Введение скоростного пассажирского движения на линии "Москва -Красное".

Диссертация состоит из введения, четырех глав, основных выводов, списка используемых источников. По материалам диссертации опубликовано 4 работы.

Особое место среди мероприятий по повышению надежности технических объектов занимает резервирование. "Резервирование - метод повышения надежности объекта введением дополнительных элементов и функциональных возможностей сверх минимально необходимых для нормального выполнения объектом заданных функций" [53].

В теории надежности рассматриваются пять видов резервирования: структурное, временное, информационное, функциональное и нагрузочное.

Резервирование, как средство обеспечения устойчивости и безопасности функционирования, находит широкое распространение на всех видах транспорта, в том числе и железнодорожном.

В этой работе рассмотрено структурное резервирование приемо-отправочных путей на раздельных пунктах. Структурное резервирование -"метод повышения надежности объекта, предусматривающий использование избыточных элементов, входящих в физическую структуру объекта" [53].

Развитию теоретических аспектов теории надежности, связанных с резервированием технических систем, посвящены работы ученых СССР и России: Н.П. Бусленко, Е.С. Вентцель, Б.В. Гнеденко, И.Н. Коваленко, Б.А. Козлова, Б.Р. Левина, А.Л. Райкина, А.Д. Соловьева, И. А. Ушакова и др. [6,8,16, 29,30,34,42,68,73,84-87...].

Из зарубежных авторов большой вклад в исследования по данной проблематике внесли: Р. Барлоу, Дж. Кеттель, Д. Кокс, М. Липов, Д.К. Ллойд, Б. Прошан, К. Райншке, В. Смит и др. [3,4,25,35,36,44,69...].

В трудах этих ученых разработана теория оптимального резервирования.

Основная задача оптимального резервирования формулируется следующим образом. При использовании резервирования необходимо не только обеспечить заданный показатель надежности, но и сделать это с минимальными суммарными материальными затратами на резервные элементы.

Основная цель исследования состоит в разработке метода, предназначенного для принятия обоснованных решений по оптимальному составу и количеству резервных структурных элементов раздельных пунктов.

Главный концептуальный замысел работы базируется на следующих положениях, сформулированных в книге Б.А. Козлова и И.А. Ушакова [29]. "Основная задача теории надежности на этапе технического проектирования - помочь разработчику принять обоснованные решения, касающиеся выбора структуры системы, необходимости использования мощности вводимой избыточности ... и т.д.". Более строго теория надежности призвана здесь участвовать в решении следующей двойственной задачи, которая (явно или, что чаще, неявно) всегда стоит перед создателем устройств и систем:

- при заданных характеристиках системы (в том числе и надежности) создать систему с минимальной стоимостью;

- при заданной стоимости системы добиться наилучших (максимальных) технических показателей (опять таки, в том числе и надежности).

Актуальность задачи оптимального структурного резервирования транспортных объектов следует из ее постановки - решение задачи оптимального резервирования дает два важных результата:

- во-первых, оно гарантирует заданный уровень надежности функционирования СТП-И, а следовательно, безопасность и бесперебойность движения;

- во-вторых, само решение оптимально в экономическом отношении, то есть обеспечивается при минимальных затратах материальных (денежных) ресурсов.

При анализе различных технических систем широко применяется иерархический подход. В частности, при исследовании транспортных систем ие-

рархические организации предлагаются в работах [32,33,43]. В данной работе СТП-И рассматривается на следующих иерархических уровнях:

1. однородные элементы (блок-участки, стрелочные переводы, путевые вставки);

2. модули-композиции однородных элементов (перегоны, раздельные пункты, съезды, приемо-отправочные пути);

3. сеть транзитных путей.

Каждый объект последующего иерархического уровня включает в себя в качестве элементов объекты предыдущего иерархического уровня.

Элементы СТП-П, принадлежащие к различным иерархическим уровням предлагаемой классификации, различаются между собой структурными особенностями и функциональными свойствами. На низшем иерархическом уровне объекты состоят из однородных элементов. Самостоятельного функционального значения объекты этого уровня не несут. На втором иерархическом уровне композиции групп элементов представляют собой образования, имеющие частные функциональные цели. На третьем иерархическом уровне объекты второго иерархического уровня (рассматриваемые в диссертации перегоны и раздельные пункты, а также находящиеся за рамками рассмотрения земляное полотно, искусственные сооружения, СЦБ, контактная сеть и пр.) образуют объект СТП-П, имеющий самостоятельное функциональное назначение в транспортном процессе.

При исследовании и проектировании транспортных систем, определении их оптимальных параметров и установлении рациональных уровней загрузки в последние десятилетия широкое распространение получили оптимизационные методы теории исследования операций: методы математического программирования, методы теории массового обслуживания, теории игр и др. Эти методы в транспортной науке нашли оригинальное применение в исследованиях В.М. Акулиничева, C.B. Дуваляна, Б.С. Козина, И.Т. Козлова, A.B. Комарова, А.П. Кондратченко, Ф.П. Кочнева, В.Н. Лившица, A.M. Макароч-

кина, В.А. Паршикова, В.А. Персианова, Э.И. Позамантира, Е.А. Сотни-кова, И.Б. Сотникова, A.A. Союзова, B.JI. Станиславюка, И.В. Турбина, А.К. Угрюмова, Г.И. Черномордика, H.H. Шабалина, Е. Венгерского [1,7,16, 20,26,27,32,33,37-40,41,43,47,48,60,61,62,74-76,78,81,83,90,91...]. В основном работы этих ученых посвящены поискам безусловных оптимумом структур систем и стратегий их развития.

Таким образом, в работе создана математическая модель СТП-П, на основе • которой создана методика определения показателей надежности модулей и сети путей в целом, что позволило получить множество альтернатив для решения задачи надежности СТП-П двухпутных железных дорог. Разработана также методика оптимального структурного резервирования модулей сети транзитных путей двухпутных железных дорог.

1. Состояние вопроса и постановка задачи

1.1. Надежность и резервы пропускной способности железной дороги

Значение надежности сети транзитн