автореферат диссертации по транспорту, 05.22.07, диссертация на тему:Совершенствование системы диагностики и оценки состояния контактной сети электрифицированных железных дорог

На правах рукописи

005010280

МИТРОФАНОВ СЕМЁН АЛЕКСАНДРОВИЧ

СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ СИСТЕМЫ ДИАГНОСТИКИ И ОЦЕНКИ СОСТОЯНИЯ КОНТАКТНОЙ СЕТИ ЭЛЕКТРИФИЦИРОВАННЫХ ЖЕЛЕЗНЫХ ДОРОГ

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

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание учёной степени кандидата технических наук

9 0ЕЭ 2Ш

Екатеринбург - 2012

005010280

Работа выполнена в Федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Уральский государственный университет путей сообщения» (ФГБОУ ВПО УрГУПС)

Научный руководитель: доктор технических наук, профессор

Галкин Александр Геннадьевич

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор

Ли Валерий Николаевич

кандидат технических наук, доцент Смердин Александр Николаевич

Ведущая организация - ФГБОУ ВПО «Московский государственный университет путей сообщения»

Защита состоится « 2 » марта 2012 г. в 14 - 00 на заседании диссертационного совета Д 218.013.01 при Уральском государственном университете путей сообщения по адресу: 620034, г. Екатеринбург, ул. Колмогорова, 66, ауд. Б2-15 (283).

С диссертацией и авторефератом можно ознакомиться в библиотеке университета, на официальном веб-портале УрГУПС http://www.usurt.ru и на официальном сайте Министерства образования и науки РФ http://vak.ed.gov.ru/.

Автореферат разослан « 30 » января 2012 г.

Отзыв на автореферат в двух экземплярах с подписью, заверенной гербовой печатью организации, просим направлять по адресу диссертационного совета университета.

Тел.: (912) 669-80-31; e-mail: GVasilveva@tm.usurt.ru

Ученый секретарь диссертационного совета, доктор технических наук, профессор

? В. Р. Асадченко

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность проблемы. Выполнение основной задачи хозяйства электрификации и электроснабжения компании холдингового типа «Российские железные дороги» (ОАО «РЖД») по гарантированному обеспечению электроэнергией тяги поездов необходимо осуществлять в условиях обоснованного снижения расходов на содержание инфраструктуры. Одним из приоритетных направлений в деятельности хозяйства электрификации и электроснабжения, позволяющих перейти на качественно новый уровень экономической эффективности, является обслуживание и ремонт устройств по результатам диагностики их состояния. Для решения данной задачи в ОАО «РЖД» разработана и утверждена Программа диагностики наиболее ответственных и дорогостоящих элементов системы тягового электроснабжения. В программе наибольшее внимание уделено диагностике контактной сети как наиболее ответственной и не резервируемой части системы электроснабжения тяги поездов, в том числе посредством мобильных контрольно-вычислительных комплексов. Наиболее проблемной компонентой в системе диагностики контактной сети является адекватность отражения диагностическими оценками фактического качества содержания контактной сети. Совершенствование качества формирования диагностических оценок контактной сети предусмотрено при использовании инструментария, определенного в «Функциональной стратегии управления рисками в ОАО «РЖД», утвержденной распоряжением ОАО «РЖД» от 11.01.2007г. № 13. В данной стратегии предусмотрено выявление потенциальных областей риска, предотвращение или минимизация рисков отказов, предупреждение возникновения рисков на основе их систематического прогнозирования. В рамках данной стратегии в хозяйстве электрификации и электроснабжения приступили к освоению «Методики определения уровня безопасности движения на основе статистического анализа и индексов оценки ситуации для хозяйства электрификации и электроснабжения», разработанной ОАО «НИИАС» в 2010г. Однако полученные на практике результаты применения данного нормативного документа не в полной мере удовлетворяют требованиям эксплуатации устройств электроснабжения в связи с низким качеством и точностью прогноза показателей. Построение рисков отказов устройств электроснабжения в финансовых (денежных) показателях, проведенное в известных исследованиях, может также приводить к низкой точности их оценки, например, в связи с существенным разбросом стоимости

3

восстановления неисправности одного и того же элемента на разных участках сети дорог. Таким образом, актуальность диссертационного исследования обусловлена необходимостью совершенствования системы диагностики контактной сети и повышением адекватности показателей качества содержания контактной сети.

Цель диссертационной работы состоит в совершенствовании методического и технико-технологического построения системы диагностики, учитывающей условия содержания, риски нарушений работы и обеспечивающей прогноз состояния контактной сети.

Достижение указанной цели осуществлялось в ходе постановки и решения следующих задач.

1. Проведение анализа адекватности существующей системы диагностики и оценок состояния контактной сети требованиям качества содержания, удовлетворенности перевозок и функциональной стратегии управления рисками ОАО «РЖД».

2. Разработка управленческо-технологической структуры системы диагностики контактной сети, позволяющей на основании методов моделирования и риск-анализа оперативно выявлять наиболее проблемные участки и виды устройств контактной сети и прогнозировать их состояние.

3. Разработка математической модели и методики проведения риск-анализа и прогнозирования состояния контактной сети, включающих построение комплексной диагностической оценки, учитывающей условия содержания, показатели нарушений и последствий нарушений контактной сети.

4. Разработка экспериментально-расчетной методики оценки положения компенсирующих грузов и вероятности разрегулировки контактной сети вследствие атмосферного и токового нагрева контактного провода.

5. Разработка методических, технологических и технических решений, улучшающих качество и адекватность диагностики контактной сети.

Объект исследования. Контактная сеть, технологии ремонта и технического обслуживания, системы управления качеством продукции (услуг).

Предмет исследования. Техническая диагностика, критерии оценки состояния систем электроснабжения.

Методы исследования. В ходе исследования использовались методы математической статистики, методы идентификации и прогнозирования, методы имитационного моделирования показателей нагрузочной способности элементов системы тягового электроснабжения, а также методы расчета

4

линейных электрических цепей и теплопроводности проводов контактной сети.

Научная новизна работы заключается в совершенствовании методических решений и алгоритмов построения системы диагностики, оценки и прогнозирования качества содержания контактной сети на базе использования методов риск-анализа.

Основные научные результаты, полученные в работе.

1. Разработана управленческо-технологическая структура системы диагностики контактной сети хозяйства электрификации и электроснабжения ОАО «РЖД» дорожного уровня, отвечающая требованиям функциональной стратегии управления рисками ОАО «РЖД» и отличающаяся наличием в её составе подсистемы оперативного выявления и прогнозирования наиболее проблемных участков и видов устройств контактной сети на основании методов моделирования и риск-анализа.

2. Разработаны модель и методика риск-анализа и прогнозирования состояния контактной сети, отличающиеся вычислением рисков последствий нарушений, наличием нового диагностического показателя контактной сети -«комплексная оценка содержания КС», который позволяет учитывать фактические показатели эксплуатации и нарушения контактной сети.

3. Разработана методика экспериментально-расчетной оценки положения компенсирующих грузов и рисков разрегулировки контактной сети вследствие атмосферного и токового нагрева контактного провода, отличающаяся наличием процедуры прогнозирования положения грузов компенсатора.

4. Предложен метод повышения эффективности технической диагностики контактной сети, основанный на использовании мобильных контрольно-вычислительных комплексов и отличающейся дистанционным сканированием пространственного положения устройств контактной сети, идентификацией отклонений параметров от нормативных без подъема персонала на высоту; формированием электронного паспорта участка.

Практическая значимость исследования.

Разработанная управленческо-технологическая структура системы диагностики и обслуживания контактной сети позволит оперативно выявлять и прогнозировать «проблемные» участки, виды устройств и элементы контактной сети и может быть использована в Ситуационных Центрах безопасности движения поездов дорожного уровня.

Разработанные модель и методика риск-анализа и прогнозирования состояния контактной сети могут быть использованы работниками экспертно-

5

аналитических групп хозяйства электрификации и электроснабжения для формирования планов и условий её содержания, объемов финансирования, потребности в затратах рабочей силы, в количестве «окон» и так далее.

Разработанные конструкция и принципы функционирования мобильного контрольно-вычислительного комплекса (Патент на полезную модель Роспатент РФ № 108387 от 09.03.2011) могут быть использованы при технической диагностике, обслуживании и ремонте контактной сети, а также при исследовании динамики пространственного положения её устройств и элементов.

Достоверность полученных результатов обеспечивается использованием современных средств и методик проведения исследований и подтверждается совпадением полученных модельных и натурных результатов исследований с известными теоретическими положениями, экспериментальными данными, а также с практикой эксплуатации контактной сети.

На защиту выносятся.

1. Усовершенствованная управленческо-технологическая структура системы диагностики контактной сети хозяйства электрификации и электроснабжения ОАО «РЖД» дорожного уровня, отвечающая требованиям функциональной стратегии управления рисками ОАО «РЖД».

2. Модель и методика проведения риск-анализа и прогнозирования состояния контактной сети, включающие процедуры формирования показателей рисков и нового диагностического показателя контактной сети -«комплексная оценка содержания КС».

3. Методика экспериментально-расчетной оценки положения компенсирующих грузов и рисков разрегулировки контактной сети вследствие атмосферного и токового нагрева контактного провода.

4. Метод повышения эффективности технической диагностики контактной сети, основанный на использовании мобильных контрольно-вычислительных комплексов и обеспечивающий дистанционное сканирование пространственного положения устройств контактной сети.

Апробация работы. Основные результаты работы докладывались и обсуждались на конференциях: IV и V Международные Симпозиумы «Eltrans 2007» и «Eltrans 2009» (г. Санкт-Петербург, 2007г., 2009г.); IV Международная научно-практическая конференция «Актуальные проблемы развития транспортного комплекса» (г. Самара, 2008 г.); II Всероссийская научно-практическая конференция с международным участием «Математическое моделирование, численные методы и информационные системы» (г. Самара, 2010г.); Всероссийская научно-практическая конфе-ренция с международным

6

участием «Актуальные проблемы проектирования и эксплуатации контактных подвесок и токоприемников электрического транспорта» (г. Омск, 2011г.); XXXIV научная конференция студентов и аспирантов СамГУПС.

Публикации. Основные положения диссертационной работы и научные результаты опубликованы в 20 печатных работах, в том числе в 4 статьях в изданиях, рекомендованных ВАК Минобразования РФ, а также в патенте на полезную модель. Общий объем публикаций 7,94 п.л., из которых автору принадлежит 4,12 п.л.

Структура и объём диссертации. Диссертация состоит из введения, четырёх глав, заключения, библиографического списка и приложений. Работа представлена на 236 страницах, содержит 120 страниц основного текста, 87 рисунков, 24 таблицы и 6 приложений на 56 страницах. Библиографический список включает 130 наименований.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснованы актуальность, значимость выбранной темы диссертации, сформулированы цели и задачи исследований.

В первой главе проведён анализ концепций, программ, теоретических и экспериментальных исследований, направленных на сокращение нарушений в работе устройств контактной сети посредством изучения их свойств и диагностики состояний. Исследования выполнялись учеными и специалистами структурных подразделений компании ОАО «РЖД», ВНИИЖТ, НИИАС, транспортных вузов МГУПС, ОмГУПС, ПГУПС, РГУПС, РГОТУПС, СамГУПС, УрГУПС, ИрГУПС и ряда других организаций.

Значительный вклад в разработку методов расчета систем и устройств контактной сети внесли отечественные ученые и специалисты: Б. А. Бесков, А. С. Бочев, И. И. Власов, А. Г. Галкин, А. И. Гуков, В. Л. Григорьев, А. Т. Демченко, А. В. Ефимов, Ю. И. Жарков, Б. И. Косарев, В. Н. Ли, Р. Р. Мамошин, Г. Г. Марквардт, К. Г. Марквардт, Г. П. Маслов, В. П. Михеев, В. Н. Пупынин, С. М. Сердинов, О. А. Сидоров, Е. П. Фигурнов, А. В. Фрай-фельд и многие другие.

Решение задач разработки, моделирования и управления устройствами контактной сети изложены в работах: Б. А. Аржанникова, М. П. Бадера, В. Д. Бардушко, А. Т. Буркова, В. А. Вологина, Л. А. Германа, В. Т. Доманс-кого, А. В. Крюкова, А. В. Котельникова, В. Е. Марского, А. Н. Марикина,

A. Н. Митрофанова, Р. И. Мирошниченко, Ю. П. Неугодникова, Д. А. Палей,

B. С. Почаевца, А. А. Пышкина, А. Н. Смердина, Э. В. Тер-Оганова, В. Е. Чеку-лаева, В. Т. Черемисина и других.

Однако, не смотря на значительный объем проведенных исследований, в практике работы хозяйства электрификации и электроснабжения при диагностике и оценке качества содержания контактной сети не используются показатели рисков нарушений и их последствий. Вопросы использования теории риск-анализа на железнодорожном транспорте и в социально-экономических системах, а также вопросы построения их прогнозных моделей исследовались в работах А. Г. Галкина (УрГУПС), А. В. Ефимова (УрГУПС), Е. Н. Розенберга (НИИАС), М. А. Эскиндарова, а также в трудах специалистов Самарской академии государственного и муниципального управления (САГМУ) В. К. Семёнычева, Е. М. Тарасова, В. К. Чертыковцева.

База данных, сформированная автором диссертации по 15 филиалам ОАО «РЖД» за период с 2003 по 2009гг. по показателю качества содержания контактной сети - «балльная оценка КС» - совместно с 50 видами показателей нарушений нормальной работы контактной сети и другими эксплуатационными показателями, позволила выявить низкое качество диагностирования элементов контактной сети.

Повышение качества содержания контактной сети предложено осуществлять в рамках разработанной управленческо-технологической структуры системы диагностики контактной сети, включающей процедуры оценки рисков нарушений и их последствий (рисунок 1).

Отдел моделирования и прогнозирования рисков

Оперативный анализ комплексной оценки качества содержания КС, рисков отказов и их последствий

ЧУ

Отдел инфо-ресурсов по КС

1§§| мт

Диагностика устройств КС

Ж.

ю 2 -2° со 3 *

ЗЕ

ЗЕ

ш *§1

£

ж

Зу

-I/

Моделирование и прогнозирование степени безопасности ведения поездов по критерию допустимых рисков_

Допустимый риск

Штатные Планово -предупредитель ные

мероприятия по содержанию и ремонту КС

эч

I

Недопустимый риск

Обслуживание и ремонт КС по требованию и прогнозному состоянию

Корректировка плана перевозок

(Д)

Участки контактной сети

Рисунок 1 - Управленческо-технологическая структура системы диагностики контактной сети дорожного уровня с функциями риск-анализа Во второй главе диссертации проведен статистический анализ, идентификация и классификация видов и последствий отказов контактной сети. Фактическое качество содержания контактной сети формализовано как

вектор трех классов динамических показателей эксплуатационной работы хозяйства электрификации и электроснабжения:

7(0 = [Гкс j (0, Ксоб(/), Котк ,(<), Т> о™ /СО, Лзад "(0> ^Д "(0, ^ mrr(i), Ктпр(0] . (1)

I. Диагностические оценки: Гкс j(t) - состояние j видов геометрических параметров контактной сети (зигзаги, выносы, уклоны и тому подобное), оцениваемые в баллах B(i).

II. Показатели нарушений технологических процессов: Ксоб (i) - количество событий (браков); Котк i(t), Tt отк ¡(t) - количество и длительность отказов контактной сети по видам i технических устройств (опоры, провода, воздушные стрелки и так далее).

III. Показатели удовлетворенности перевозок: ЛГзад n(t), Гзад n(t) - количество и время задержанных поездов по п видам - грузовых, пассажирских, пригородных; Та пит(/) - время перерывов питания контактной сети; Ктпр (t) -количество поломок токоприемников по вине службы электрификации и электроснабжения.

Качество содержания контактной сети зависит от условий ее эксплуатации, которые характеризуются вектором динамических показателей:

X(t) = [Атш (0, Куч (0, Ма (/), Nn n{t), Жэпс (/), Гатм (i), t/per (i)] , (2)

где Атш (t) -тонно - километровая работа в грузовом движении на участке, млн ткм брутто; Ууч (<) - участковая скорость, км/час; Ма (г) - средняя масса грузового поезда, тонны; Nn n{t) - количество поездов на участке по п видам; ^эпс(г) - тяговое электропотребление поездов; 7атм(/) - атмосферная температура; t/per(i) - вектор регулирующих факторов, определяющих процесс содержания контактной сети и выделенные в IV группу показателей.

Проведенный статистический анализ показателей векторов Y(t) и X(t) по 15 хозяйствам электрификации и электроснабжения филиалов ОАО «РЖД» за период с 2003 по 2010гг. показал, что виды распределений в основном описываются логарифмически-нормальным законом и существенно стохастичны. Сделан вывод, что усовершенствование показателя качества содержания контактной сети - «балльная оценка КС» - целесообразно осуществлять на базе построения многомерной модели, учитывающей фактические значимые показатели нарушений, удовлетворенности перевозок (коэффициент корреляции от 0,19 до 0,75; таблица 1) и регулирующих факторов контактной сети (коэффициент корреляции до - 0,44; таблица 2).

Таблица 1 - Значения коэффициентов корреляции диагностических оценок

контактной сети, показателей нарушений и удовлетворенности перевозок

Показатель Кол-во наруше ний на КС, ед Поломки токоприемников, ед Перерывы питания, час Задержки Пассажирских поездов, час Задержки Пригородных поездов, час Задержки Грузовых поездов, час

«балльная оценка КС» -0,05 0,04 0,10 -0,03 -0,16 0,27

«количество нарушений КС» 1,00 0,75 0,46 0,48 0,47 0,19

Таблица 2 - Значения коэффициентов корреляции диагностических оценок

контактной сети с регулирующими факторами

Показатель Удельн. Затраты на капитальный ремонт, Гт.р. КС Удельн. Эксплуатационные расходы на содержание КС/100 км разв.дл. Удельн. Кол-во отработанных, "окон""/ 1 км разв. дл.КС Производительность труда Э, млн. ткм бр/чел Износ основн. фондов э,% Затраты рабочей силы на ТОи ремонт уст-в Э тяги, чел.

«балльная оценка КС» -0,05 -0,35 -0,11 -0,07 -0,42 0,29

Посредством статистического и ЛВС-анализа проведено ранжирование типов устройств контактной сети по вероятности возникновения количества, длительности отказов как в целом по Департаменту электрификации и электроснабжения ОАО «РЖД», так и по отдельным хозяйствам.

Третья глава диссертации посвящена разработке модели и методики риск-анализа и прогнозирования состояния контактной сети.

В схеме модели (рисунок 2) контактная сеть представлена как объект анализа с выходом У(г), описанный выражением (1) и представленный на схеме как выход №1. На вход объекта воздействуют эксплутационные факторы Х(г), описанные выражением (2). Взаимосвязь выхода и входа объекта определена посредством оператора А. В модели выходные факторы Г*(0> Щ, Я(г+1), КОС КС (0 наблюдаются на выходе №2.

Показатель Г*(0 - модельная оценка состояния контактной сети; У*(/+1) -вектор прогнозных значений У*(/) на один период (сутки) вперед. Построение модели состояния контактной сети осуществлено в операторной форме: К*(г) = Л*(Х(г), *УРег(0, ^(0). где А* - оператор модели, £(0 -стохастическая составляющая модели из-за неучтенных факторов. Оператор А* находился как совокупность параметров а многомерной регрессионной

модели вида: У* = а01+ аиХи +а21Х21 +... +ат1Хт1 +, где У,*- оценка выходного показателя в дискретные моменты времени ХХ( + Хт1 -

факторы, характеризующее как показатели состояния контактной сети Х(1), так и регулирующие воздействия £7рег(/); т - количество факторов; ай) -5- ат1 -параметры модели, которые находились методами параметрической идентификации.

Эксплуатационные факторы

Х(0 = [Лткм (О, Ууч (О, МП (О, Nnn(t), РГэпс (f), Гатм (/), t/per (i)]

.-KJ

Диагностика КС:

вике,

Объезды, осмотры Технические обследования

V

\Z

БД ЛУТЭКС

Моделирование нагрузочной способности КС

=о

Оценка

.Гкс(О

ГИД АСУТ

Бал.Оц. Ь

S-

Замеч.ДГкс, >

Нормы содерж.

/кс (Хуч)

Объект

Контактная сеть: А

Оперативный идентификатор (Оценка, Прогноз)

Стратегический идентификатор (Риск-анализ)

Фактическое состояние У(/) =[ Гкс/ (0, Лсоб (Г), Котк / (/), 7/ отк / (/), Мал л (i), Гзад я(0, 7п пит (<), Лтпр (г)]

Ж

АСУЭ, KAC АНТ

Модель

состояния КС: А*

Оценка и прогноз: состояния КС Y*(t), F*(M-1), рисков КС: R(t),R(t+l)

к _.Компл. оценка состояния КС

|\ГПЮС КС (0 = F( Бн, R соб н,

Лот к 1 н^й /(у н, Лтпр н, Upr(t))+ 4 »

Риск разрегулировки КС:

R Д£кмп. J? Д £кмп д

m

Яч

^При R(f), Д(М-1) s Лц

-► №>4

Управление по ' nDorilOJHOMV состоянию

Целевые Риски: йд„<Яц<Яд,

гтоннию

Рисунок 2 - Схема модели риск-анализа и прогнозирования состояния

контактной сети

На выходе модели №2 также формируются: вектор текущих и прогнозных рисков - R(t), Ä(f+1); наиболее вероятные значения рисков Rh; нормативно-допустимые верхние Rw и нижние границы рисков Rm. Вычисление границ производится в рамках выбранной доверительной вероятности на основании выражения вида: Raa = Rn ±k-cr, где сг-стандартное отклонение (волатильность) нормального распределения показателя, к - коэффициент доверительной вероятности. При доверительной вероятности 90% коэффициент к =1,6. Количественно значение риска R по каждому из показателей вектора Y(t) определяется на основании базового соотношения теории управления рисками: R=P-S, где Р - вероятность возникновения нарушения нормальной работы контактной сети по конкретному показателю; S - количественный показатель ущерба от нарушений работы контактной сети. В качестве интегрального показателя ущерба 5 по хозяйству электрификации и электроснабжения в работе предложено использовать показатель Ау тем - ущерб в поездной работе от задержки

грузовых поездов, который формируется из векторов показателей входа (2) и выхода (1) модели:

Ау ткм (0=(Гзая гр(0* Куч(0*№ад ц>(1)*М^)). (3)

На выходе модели №2 формируется показатель «комплексная оценка содержания контактной сети» (КОС КС), который формируется на основании выражения:

КОС КСн = F(Bh, Ясоб н, äotk t н, R\y н, Äinp н, t/per)+ £ « , (4) где КОС КСн - наиболее вероятная «комплексная оценка содержания контактной сети», корректирующая показатель «балльная оценка КС» - Бн; F - функционал от показателей: Б(0; Rco6 н, Rom ; н - наиболее вероятные (модальные) риски нарушений (события, отключения), Ялу н - наиболее вероятный (модальный) риск ущерба в поездной работе.

На выходе модели № 3 на основании оценки А» уточняются целевые показатели риска Ru. Решение о способе обслуживания контактной сети формируется на выходе 4 модели при сопоставлении Ru с текущим уровнем риска R{t) и с прогнозным риском Ä(tf-l). При R(t), R(t+1) < Ru осуществляются штатные планово-предупредительные мероприятия по содержанию и ремонту КС; при R(t), R(t+\)> Ru - обслуживание и ремонт контактной сети по требованию или по прогнозному состоянию.

В таблице 3 приведен разработанный алгоритм методики риск-анализа и прогнозирования показателей качества состояния контактной сети. Методика состоит из 9 этапов. С целью структуризации методики этапы выполняются в рамках двух разделов: раздела 1 - технологические процессы, раздела 2 -удовлетворенность перевозок. В первом разделе осуществляются операции с диагностическими показателями содержания и с показателями мониторинга нарушений контактной сети. В разделе удовлетворенность перевозок осуществляются операции с показателями последствий нарушений контактной сети. Подробное содержание каждого из 9 этапов методики риск-анализа и прогнозирования показателей качества состояния контактной сети представлено в таблице 3.

На основании данных автоматизированной системы КАС АНТ и в рамках апробации методики проведено ранжирование типов технических устройств контактной сети по уровню риска ущербов на одном из филиалов ОАО «РЖД» за 2009 - 2010гг. (рисунок 3, таблица 4).

Таблица 3 - Алгоритм методики риск-анализа и показателей качества состояния контактной сети (КС)

прогнозирования

Раздел 2:

Удовлетворенность

перевозок_

Мониторинг показателей последствий нарушений КС_

Ж"

Этапы процессов диагностики и моделирования

Раздел 1: Технологические процессы хозяйства Э

Диагностика показателей содержания КС

¡Мониторинг показателей нарушений КС

Задание Целевого показателя в условиях эксплутацион-ных факторов влияния на КС

т

Начало

Балльная оценка Бц,

/1 .События Ксоб ц, 2.Отказы Коткц,

/1.Кол -во и время задер. поездов Л"зад п ц, Гзад п ц

2.

Оперативная оценка текущего состояния КС в условиях фактического состояния КС У*( О

Диагностика отклонений геометрических

ЛГкс j (t) показателей КС: ВИКС-Б (У), ЛГкс

Мониторинг нарушений КС:

Ксоб(£), Котк i (t), Tt отк i (i)

Мониторинг ущерба Sy перевозок: Ау ткм (/)= (Гзад rp(i) *Куч (t)*N3 ад гр(/)*Мп

I-

4.

Выявление

статистически

значимых

показателей

состояния КС на

базе:

1 .Мат.ожид-JW,

2. Мода -mod,

3.СКО-сг

Оценка наибольшей вероятности Р показателей состояния КС и причинения ущерба 5 Оценка наиболее вероятных рисков Лн событий нарушений и ущерба

• КС KSLU 2û0tl-201 о

23v-6Do)

Вероятность диагностики отклонений Ptkçj=

J[mod[AÏKcjm

Определение и нормативно. -допустимых 90% верхних и нижних Яд„. диапазонов Риска Л дв,дн =Дн ±к-сг

т

Риски отклонений от норм содержания КС

Лгкс jн = PrKcj mod AFkcj

Вероятность возникновения событий, нарушен.

РоТК!= Д«оЛ[Котк ;(Q])

Риск возникновения нарушений йотк г н= Ротк i*mod Котк /

Вероятность причинения ущерба Sy РАу = Дтоё[^у ткм (i)])

Риск тяжести ущерба

R Аун = ?Ау *modAy ткм

6.

Диапазоны Рисков отклонений от норм содержания КС Лгкс j

Диапазоны Рисков возникновения нарушений

1. Дотк/дв,

2. Яотк i дн

Диапазоны Рисков тяжести ущерба Д Ау дв, R Ау дн

Продолжение таблицы 3

2

: 5

1.

1. Построение Карты рисков при Rb=Pr*Sh = const Построение R ДВ)

■Ядн.

Оценка Целевых значений Рисков:

Яд» <Дц< йдЕ

2. Оперативный мониторинг рисков нарушений и ущербовй (f)

МОНИТОРИНГ РИСКОВ УЩЕРБА

Кол-во поломок токоприемников

Построение модели:

1. Комплексная оценка

содержания КС;

2. Прогноз рисков R (г+1);

3. Разрегулировка КС по риску работы

компенсаторов Î. Анализ выполнения Целевых показателей, состояния КС Ru . 2. Управление качеством содержания КС на основании мониторинга фактических R(t) и прогнозных R(t+1) рисков

Корректировка Балльной Оценки КС

КОС КСн = F(Rtkc j н, йсоб н, Лота i н, R Ay н, Дтпр н, £/pr)+ Çh

Прогноз Рисков, Показателей

R(t+l): Ксоб (f+1), Котк i (i+1), Ay ткм (i+1), Ктпр (i+1)

Расчет Риска разрегулировки проводов КС при нарушении работы компенсаторов КС

Д£кмп < ДЬ кмп д (ПУТЭКС)

Штатные Планово -предупредительн. мероприятия по содержанию и ремонту КС

■ С Конец 3-

Мероприятия по выявлению причин отклонений. Обслуживание и Ремонт КС по требованию и прогнозному состоянию

Ж

Так, при меньшей вероятности (Р = 0,1310) по техническому устройству «воздушные стрелки» риск ущерба в тонно-километровой работе по данному типу (Я5 = 158,4 млн ткм бр) может быть максимальным и на 150% превышать ущерб, например, по техническому устройству «провод контактный», имеющему большую вероятность возникновения отказа (Р = 0,1429).

Использование риск-анализа ущербов по тонно-километровой работе существенно перераспределяет значимость и рейтинг отказов по элементам контактной сети по сравнению с показателями вероятности возникновения отказа или риском отказа в финансовых показателях, что должно влиять и на приоритет при диагностике и обслуживании типов технических устройств контактной сети.

Таблица 4 - Рейтинг видов технических устройств контактной сети по рискам отказов и рискам ущербов_______

Сортировка по Вероятности возник, отказа Сортировка по Риску ущщерба от отказа Вид элемента КС Р-Вероятн. Возн. Отказа Котк Я1-Риск Возн. Отказа Котк га-Риск Сумм. Длител. Отказа Тотк, (мин) Яз- Риск Сумм. Время Задерж . Поезд Тзп, (мин) /?4-Риск Сумм. Кол-во Задерж. Поезд ^1зп, (ед) «5-Риск Ущерба в перевоз работе Ау, млн.ткм бр

1 2 5 4 5 б 7 8 9

2 1 Воздушная Стрелка 0,1310 1,44 52,14 490,34 9,89 158,37

1 2 Провод контактный 0,1429 1,71 106,10 575,09 5,25 98,66

5 3 Усиливающий провод 0,0595 0,30 17,06 421,65 4,10 56,49

6 4 Электр, соед, шлейф 0,0595 0,30 14,10 69,21 1,14 2,57

10 5 КСоед (046,049,054) 0,0357 0,11 15,21 78,56 0,92 2,36

11 6 Фиксир. трос (ПБСА) 0,0238J 0,05 10,87 59,55 1,03 1,99

4 7 Заземлен. (ИПМ, СИ-2) 0,0833 0,58 42,21 28,31 1,50 1,39

3 8 Проч. элем (изол,кроны) 0,0833 0,58 22,18 23,89 0,82 0,64

... . . » ... ...

20 21 Конструкции Разъед-ля 0,0119 0,01 0,23 0,44 0,01 0,00

21 22 Консоли 0,0119 0,01 0,35 0,13 0,00 0,00

22 23 Привод мот. разъед КС 0,0119 0,01 0,11 0,04 0,00 0,000

На базе программы БТАТГБТЮА 6.0 построена 12-ти факторная модель усовершенствованного диагностического показателя «комплексная оценка содержания КС», который обобщает и корректирует показатель «балльная

I И5 - Риск Ущерба в перевоз, работе Ау, млн.ткм бр

- Р5 - Вероятн. Возн. Отказа Котк

- Кривая Парето по рискам ущерба в ткм работе

Сортировка по Р вер-та по - риску

мцерба Ду

Рисунок 3 - Гистограмма рисков ущерба и график вероятностей возникновения отказов по типам технических устройств контактной сети

оценка КС» по фактическим данным эксплуатационных факторов из групп ; I - IV. (таблица 5). Адекватность данного показателя на 54% выше показателя «балльная оценка КС» по отношению к эксплуатационным показателям. Проведение корректировки эквивалентно внесению (исключению) штрафных баллов в отчеты ВЖС по разделам «визуальные», «повторные» и «учитываемые» показатели.

Таблица 5 - Параметры и показатели многофакторной модели показателя

комплексной оценки содержания контактной сети - КОС КС

Я в и •2> с Е ! 1- № фактора Показатель /100 км.разв.дл. Коэф. многофакторного уравнения регрессии а Коэф. корреляции с показат. "балльная оценка КС» Коэф. корреляции с показат "комплек екая оценка содержа ния КС»

I Балльная оценка КС 1 0,65

1 Уд. электропотребл. Wyfl, кВтч/1км.экс дл. 0,0075 0,08 0,13

И 2 Уд. Кол-во нарушений КС 4,5956 0,22 0,34

3 Уд. Задержки Грузовых поезд, час 0,2791 0,37 0,57

4 Уд. Кол-во поломок токоприемников, ед 10,5816 0,29 0,44

III 5 Уд. Перерывы питания, час -0,2355 0,23 0,35

6 Уд. Задержки Пассажир, поездов, час 9,8001 0,12 0,18

7 Уд. Задержки Пригородн. поездов, час -8,4155 -0,10 -0,16

8 Уд. Эксплуатационные расходы на содержание КС, млн руб -0,0018 -0,35 -0,54

9 Уд. Кол-во отработанных "окон"/1 км разв. дл.КС -17,6253 -0,11 -0,17

rv 10 Уд. Затраты на Капитальный ремонт, на 1тыс.р. стоимости КС 0,1402 -0,05 -0,08

11 Производительность труда Э, млн. ткм бр/чел -0,0934 -0,07 -0,11

12 Затраты раб.силы на ТО и ремонт КС, чел. 0,4243 0,29 0,44

0 Intercept (свободный член 12-ти факторного уравнения регрессии) 48,9741

На рисунке 4 приведен результат корректировки оценки качества содержания контактной сети для 15 филиалов ОАО «РЖД» за период с 2003 по 2009гг. Полученная модель позволяет прогнозировать уровень качества содержания контактной сети при изменении условий (факторов) её содержания, например при изменении объемов финансирования работ, количества отработанных «окон» и так далее. Так в 2009г. на Свердловской железной дороге качество содержания контактной сети за счет достигнутых эксплуатационных и привнесенных управляющих показателей должно составлять не 40,7 баллов, а 28,4 балла, что на 30% лучше.

Рисунок 4 - Графики показателя «балльная оценка КС» и показателя «комплексная оценка содержания КС», построенному по 12-ти факторной модели

В четвёртой главе представлены результаты технико-технологических решений по совершенствованию системы диагностики контактной сети.

Предложена экспериментально-расчетная методика оценки положения компенсирующих грузов и вероятности разрегулировки контактной сети вследствие атмосферного и токового нагрева контактного провода. Определено, что расхождение критической температуры разрегулировки -Гэкс. крит. может до 20% отличаться от определенной в ПУТЭКС - 7теор. крит.. Моделированием на основании известного уравнения теплопроводности, при известном атмосферном нагреве проводов и токах нагрузки определяется вероятность «укладки» грузов на поверхность земли. В проведенных расчетах для атмосферного нагрева проводов до 60°С вероятности «укладки» составляет Р= 0,12.

Совершенствование системы технической диагностики контактной сети предложено осуществлять при использовании мобильных контрольно-вычислительных комплексов (далее МКВК) различной конструкции с устройствами дистанционного сканирования проводов контактной сети, включая провода с полевой стороны (рисунок 5).

Программное обеспечение МКВК позволяет визуализировать геометрические показатели устройств контактной сети в плане, в профиле (высота) и в пространственных ЗБ координатах (рисунок 6). На устройство МКВК получен патент на полезную модель.

а) б)

а) принцип сканирования; б) функциональная схема.

Рисунок 5 - Мобильный контрольно-вычислительный комплекс для диагностики контактной сети

Рисунок 6 - Результаты сканирования геометрии макета контактной сети в плане, профиле, в пространстве

Эффект от использования усовершенствованного диагностического показателя «комплексная оценка содержания КС» на отдельных филиалах ОАО «РЖД» характеризуется, например, увеличением коэффициента корреляции с показателем «удельные нарушения КС» с 0,22 до 0,61 (рисунок 7). Это позволяет использовать диагностический показатель «комплексная оценка состояния КС» для оценки и прогнозирования качества содержания контактной сети. Так улучшение (снижение) показателя «комплексная оценка

содержания КС» с 50 до 45 баллов, позволит прогнозировать на 20 % сокращение количества удельных нарушений и на 15 % количество поломок токоприемников.

Уд.Кол-во нарушений КС = =0,0333* К£>С КС - 0,7149 й = 0,6"1-

>лдмки токопр : = 0;0133х 10,2153 И = 0, ,54_

я Уд. Кол-во нарушений КС о Уд. Кол-во поломок токопр.

50 55 60 Компл Оценка Содерж КС

Рисунок 7 - Регрессионные зависимости диагностического показателя «комплексная оценка содержания КС» с показателями «удельные нарушения КС» и «удельные поломки токоприемников»

Расчетный экономический эффект от использования МКВК достигается за счет сокращения количества повреждений контактной сети, сокращения задержек поездов в результате своевременной диагностики и устранения причин потенциальных нарушений. Расчет проводился для нарушений по трем видам устройств контактной сети с наибольшим риском ущерба: «воздушные стрелки», «контактный провод», «усиливающий провод» (рисунок 3, таблица 4). Ущерб рассчитывался в привязке к полигону ЭЧ в 500 км эксплуатационной длины и к пропуску поездов средней массой 3900 тонн. Усредненные финансовые потери, вызванные задержками поездов, рассчитываются как произведение удельных приведенных затрат от задержки поезда 5зп = 2000 руб./ 1 отказ и среднего количества задержанных поездов Л"отк = 5,5, что составляет 11 тыс. рублей. Финансовые затраты на восстановление контактной сети при нарушении с изломом одного токоприемника в среднем составляет около 70 тыс. рублей. Таким образом, средние затраты на ликвидацию последствий одного отказа составят не менее 80 тыс. руб. без учета затрат на восстановление токоприемников. Использование разработанных средств диагностики и устранение на одном ЭЧ пяти нарушений контактной сети за один год позволит экономить до 400 тыс. руб. Срок окупаемости мобильного контрольно-вычислительного комплекса стоимостью 400 тыс. рублей составит один год.

19

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

1. Анализ характера диагностической оценки контактной сети («балльная оценка КС»), проведенный в хозяйствах электрификации и электроснабжения на пятнадцати филиалах ОАО «РЖД» за семилетний период, выявил, что данный показатель не в полной мере адекватен эксплуатационным показателям технологических процессов (например, «количество нарушений на КС») и показателям удовлетворенности перевозок (например, «задержки грузовых поездов»). Коэффициент корреляции данного диагностического показателя с перечисленными показателями не превышает 0,24. Совершенствование диагностической оценки контактной сети должно производиться на базе понятийного аппарата теории рисков с учетом показателей нарушений контактной сети и показателей удовлетворенности перевозочного процесса.

2. Разработана усовершенствованная управленческо-технологическая структура системы диагностики контактной сети хозяйства электрификации и электроснабжения ОАО «РЖД» дорожного уровня, отличающаяся наличием в её составе подсистемы оперативного выявления и прогнозирования наиболее проблемных участков, видов устройств контактной сети на основании методов моделирования и оценки рисков ущерба. В качестве показателя ущерба предложено использовать ущерб в перевозочной работе, измеряемый в тонно-километрах брутто. Выявленные по риску ущербов наиболее проблемные типы технических устройств контактной сети определяют приоритетность их диагностики и обслуживания.

3. Разработанные модель и методика проведения риск-анализа состояния контактной сети позволяют прогнозировать уровень качества содержания контактной сети при изменении условий ее содержания; принимать решение о способах обслуживания контактной сети на основании сопоставления прогнозных и целевых показателей рисков нарушений и их последствий. В рамках модели и методики предложен новый диагностический показатель -«комплексная оценка содержания КС», корректирующий показатель «балльная оценка КС» в соответствие с фактическими показателями эксплуатации и показателями нарушений контактной сети и улучшающий адекватность оценки состояния контактной сети более чем на 50%.

4. Разработана методика экспериментально-расчетной оценки положения компенсирующих грузов и рисков разрегулировки контактной сети вследствие атмосферного и токового нагрева контактного провода, которая позволяет организовать сезонную регулировку компенсирующих грузов по

прогнозному состоянию и минимизировать затраты на обслуживание контактной сети.

5. Разработаны методические, технологические и технические решения для повышения эффективности системы технической диагностики контактной сети, включающие использование мобильных контрольно-вычислительных комплексов различной конструкции с устройствами дистанционного сканирования проводов контактной сети и позволяющие обеспечить: точную идентификацию отклонений геометрических параметров контактной сети от нормативных без подъема персонала на высоту (±2 мм); возможность осуществлять оперативный отчет-мониторинг об устранении нарушений содержания контактной сети с записью в электронный паспорт участка (Патент на полезную модель Роспатент РФ. № 108387 от 09.03.2011).

6. Расчетный экономический эффект от внедрения одного комплекта мобильного контрольно-вычислительного комплекса на одной дистанции электроснабжения составит до 400 тыс. рублей в год. Расчетный срок окупаемости комплекса - один год.

Основные положения диссертации опубликованы в следующих работах:

Публикации в изданиях рекомендованных ВАК Минобразования РФ и патенты:

1. Митрофанов С. А. Методика проведения риск-анализа и прогнозирования показателей качества состояния контактной сети [Текст] / А. Г. Галкин, С. А. Митрофанов и др. // Вестник Самарского муниципального института управления: теоретический и научно-методический журнал - 2011.

- № 3 (18). - С.172 - 181. - ISSN 2071 - 9558.

2. Митрофанов С. А. Мобильной программно-технический комплекс для диагностики состояния элементов контактной сети [Текст] / А. Г. Бахрах, М. А. Гаранин, С. А. Митрофанов II Вестник транспорта Поволжья — 2010. — № 4 (24). - С. 49 - 52. - ISSN 1997 - 0722.

3. Митрофанов С. А. Математическая модель оценки качества состояния объектов системы электроснабжения ОАО «РЖД» [Текст] / Д. В. Волгушев, С. А. Митрофанов и др. // Вестник Самарского муниципального института управления: теоретический и научно-методический журнал - 2011. -№ 1(16).

- С.168 - 176. - ISSN 2071 - 9558.

4. Митрофанов С. А. Программно-технические средства мобильной диагностики состояния элементов контактной сети [Текст] / А. Г. Бахрах, С. А. Митрофанов // Вестник Самарского муниципального института

управления: теоретический и научно-методический журнал - 2010. - № 4(15). - С.128 - 133. - ISSN 2071 - 9558.

5. Митрофанов С. А. Мобильный контрольно-вычислительный комплекс для диагностики контактной сети / А. Г. Бахрах, М. А. Гаранин, С. А. Митрофанов и др. // Патент на полезную модель Роспатент РФ. № 108387 от 09.03.2011.

В других изданиях:

6. Митрофанов С. А. Статистический анализ адекватности оценки состояния контактной сети на филиалах ОАО «РЖД» [Текст] / А. Г. Галкин, С. А. Митрофанов // Инновационный транспорт: научно-публицистическое издание - Екатеринбург : Изд-во АМБ. - 2011. - № 1(1). - С. 48 - 54.

7. Митрофанов С. А. Теоретические принципы построения модели риск-анализа процессов содержания объектов инфраструктуры ОАО «РЖД» [Текст] / А. Г. Галкин, С. А. Митрофанов // Известия Академии управления: теория, стратегия, инновации: научно-методический журнал. - Самара : Изд-во СМИУ. - 2011. - № 3(4). - С. 29 - 39. - ISSN 2221 - 5697.

8. Митрофанов С. А. Анализ и проблемы использования методики возникновения и предупреждения происшествий и событий на контактной сети [Текст] / А. Н. Митрофанов, С. А. Митрофанов // Материалы Всероссийской научно-практической конференции с международным участием. «Актуальные проблемы проектирования и эксплуатации контактных подвесок и токоприемников электрического транспорта». - Омск: ОМГУПС, 2011,-С. 161-169.

9. Митрофанов С. А. Технические средства диагностики контактной сети [Текст] / А. Г. Бахрах, Д. А. Фомочкина, С. А. Митрофанов // Инновации для транспорта: Сб. научных статей с международным участием в трех частях. Часть 2. - Омск: ОмГУПС, 2010. - С. 125 - 128.

Ю.Митрофанов С. А. Программный комплекс для анализа и прогнозирования качества содержания инфраструктуры электроснабжения [Текст] / Д. А. Машков, С. А. Митрофанов // Математическое моделирование, численные методы и информационные системы: сб. статей II Всероссийской научно-практической конференции с международным участием. - Самара: Изд-во СМИУ, 2010.-№ 11.-С.154- 160.

П.Митрофанов С. А. Модель и методы мониторинга видов нарушений электрообеспечения хозяйствующих объектов [Текст] / Д. В. Волгушев, С. А. Митрофанов // Математическое моделирование, численные методы и информационные системы: сб. статей II Всероссийской научно-практической

конференции с международным участием. - Самара: Изд-во СМИУ, 2010. — № 11.-С.61 -71.

12.Митрофанов С. А. Математическая модель для измерительного устройства пространственного состояния контактного провода [Текст] / А. Г. Бахрах, М. А. Гаранин, С. А. Митрофанов // Математическое моделирование, численные методы и информационные системы: сб. статей II Всероссийской научно-практической конференции с международным участием. - Самара: Изд-во СМИУ. - 2010. - № 11. - С.39 - 46.

1 З.Митрофанов С. А. Методика статистического анализа для выявления индикативных показателей производственно-финансовой деятельности электроснабжающих предприятий. [Текст] // Вестник Самарского муниципального института управления: теоретический и научно-методический журнал. - Самара: Изд-во СМИУ, 2009. - № 11.- С.20 - 26. -ВБИ 2071-9558.

14.Митрофанов С. А. Математическая модель расчета нагрева элементов контактной сети в задачах диагностики системы тягового электроснабжения [Текст] / Е. В. Добрынин, С. А. Митрофанов // Математическое моделирование, численные методы и информационные системы: сб. статей Межвузовской научно-практической конференции. - Самара: Изд-во СМИУ, 2009. -№ 11.-С.37-43.

15.Митрофанов С. А. Процессный анализ структуры и управления производственно-экономической деятельностью предприятий энергетического хозяйства железнодорожного транспорта [Текст] // Вестник Самарского муниципального института управления: теоретический и научно-методический журнал. - Самара: Изд-во СМИУ, 2009. - № 10. - С.89 - 100. -ВБИ 2071-9558.

16.Митрофанов С. А. Рейтинговая оценка экономической деятельности предприятий энергетического хозяйства [Текст] // Материалы десятой научной конференции студентов и аспирантов: сб. статей. - Самара: Изд-во «Самарский муниципальный институт управления», 2009. - С. 14 - 16.

17.Митрофанов С. А. Повышение эффективности работы хозяйства электроснабжения на базе информационных ресурсов экспертно-аналитической системы ситуационного центра [Текст] // Материалы XI научной конференции студентов и аспирантов: сб. статей. - Самара: Изд-во «Самарский муниципальный институт управления», 2010. - С.121-123.

18.Митрофанов С. А. Прогнозирование отказов и браков контактной сети на участках железных дорог по оценке ее балльного состояния [Текст] / М. А. Гаранин, С. А. Митрофанов и др. // Актуальные проблемы развития

23

транспортного комплекса. Материалы IV Международной научно-практ. конференции. - Самара: СамГУПС. - 2008. - С.160 - 162.

19.Митрофанов С. А. Прогнозирование тягового электропотребления и финансовых затрат на ее приобретение в условиях варибельности поездной работы [Текст] / Д. А. Машков, С. А. Митрофанов, Д. Ю. Еремеев // Электрификация, инновационные технологии, скоростное и высокоскоростное движение на ж.д. тр-те., 200 лет ПГУПС. Тезисы докладов V межд. Симп. «ЕПгам 2009». - СПб: ПГУПС, 2009.- С.39 - 40.

20.Митрофанов С. А. Методика повышения качества энергообеспеченности тяги тяжеловесных поездов [Текст] / М. А. Гаранин, Н. Л. Гаранина, С. А. Митрофанов // Электрификация и организация скоростных и тяжеловесных коридоров на ж.д. тр-те. Тезисы докладов IV межд. Симп. «ЕИпшв 2007». - СПб.: ПГУПС, 2007 - С. 25 - 26.

МИТРОФАНОВ СЕМЕН АЛЕКСАНДРОВИЧ

СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ СИСТЕМЫ ДИАГНОСТИКИ И ОЦЕНКИ СОСТОЯНИЯ КОНТАКТНОЙ СЕТИ ЭЛЕКТРИФИЦИРОВАННЫХ ЖЕЛЕЗНЫХ ДОРОГ

Специальность 05.22.07 - Подвижной состав железных дорог, тяга поездов и электрификация Подписано к печати 27.01.2012 г. Формат бумаги 60 х 84 1/16 Объем 1,5 п.л.

Тираж 100 экз. _Заказ 31_

Типография УрГУПС, 620034, г. Екатеринбург, ул. Колмогорова, 66

61 12-5/1С50

На правах рукописи

МИТРОФАНОВ СЕМЕН АЛЕКСАНДРОВИЧ

СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ СИСТЕМЫ ДИАГНОСТИКИ И ОЦЕНКИ СОСТОЯНИЯ КОНТАКТНОЙ СЕТИ ЭЛЕКТРИФИЦИРОВАННЫХ

ЖЕЛЕЗНЫХ ДОРОГ

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

ДИССЕРТАЦИЯ

на соискание учёной степени кандидата технических наук

Научный руководитель

д.т.н, профессор

Галкин Александр Геннадьевич

Екатеринбург - 2011

СОДЕРЖАНИЕ

стр.

ВВЕДЕНИЕ 6 1. АНАЛИЗ СОВРЕМЕННОГО СОСТОЯНИЯ СИСТЕМЫ ДИАГНОСТИКИ УСТРОЙСТВ КОНТАКТНОЙ СЕТИ И ТЕНДЕНЦИЙ ЕЕ РАЗВИТИЯ.......................................... 12

1.1. Концептуальные основы построения инфраструктуры хозяйства электрификации и электроснабжения ОАО «РЖД» 12

1.1.1. Основные технологические процессы хозяйства электрификации и электроснабжения..................... 12

1.1.2. Основные показатели качества исполнения технологических процессов в хозяйстве электрификации

и электроснабжения.............................................. 15

1.2. Техническая диагностика как средство организации технического обслуживания и ремонта контактной сети .... 27

1.2.1. Нормативные средства построения системы технической диагностики........................................................ 27

1.2.2. Технико-технологические средства построения системы технической диагностики контактной сети.................. 31

1.2.3. Методологические и научно-исследовательские предпосылки совершенствования показателей качества содержания контактной сети на базе теории рисков........ 38

1.2.4. Организационные средства построения системы технической диагностики на базе Ситуационных Центров

и мониторинга рисков............................................... 47

1.2.5. К АС АНТ как источник информации о нарушениях технических устройств хозяйства электрификации и электроснабжения................................................... 53

1.3. Анализ использования действующей Методики возникновения и предупреждения происшествий и событий на контактной сети...................................................

1.3.1. Основные положения Методики.............................. 57

1.3.2. Проблемы реализации Методики.............................. 59

1.4. Выводы по первой главе............................................... 64

2. СТАТИСТИЧЕСКИЙ АНАЛИЗ И КЛАССИФИКАЦИЯ ПОКАЗАТЕЛЕЙ СОСТОЯНИЯ КОНТАКТНОЙ СЕТИ............ 66

2.1. Анализ показателей состояния контактной сети по департаменту электрификации и электроснабжения

ОАО «РЖД».............................................................. 66

2.1.1. Формализованное представление состояния контактной сети..................................................................... 66

2.1.2. Статистический анализ показателей состояния контактной сети по филиалам ОАО «РЖД»................................... 67

2.1.3. Статистический анализ показателей отказов контактной сети по видам технических устройств........................... 77

2.2. Анализ показателей состояния контактной сети по отдельным хозяйствам электрификации и электроснабжения на филиалах ОАО «РЖД»............................................................... 82

2.2.1. Статистический анализ показателей состояния контактной сети по филиалам ОАО «РЖД».................................... 82

2.2.2. Статистический анализ показателей отказов контактной сети по видам технических устройств на отдельном филиале ОАО «РЖД»............................................. 87

2.3. Выводы по второй главе.............................................................. 91

3. ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ПРИНЦИПЫ ОЦЕНКИ И ПРОГНОЗИРОВАНИЯ КАЧЕСТВА СОДЕРЖАНИЯ КОНТАКТНОЙ СЕТИ......................................................... 93

3.1. Теоретическая постановка задачи построения модели оценки, и прогнозирования состояния контактной сети в хозяйстве электрификации и электроснабжения............................... 93

3.2. Структура математической модели риск-анализа и прогнозирования состояния контактной сети..................... 98

3.3. Методика проведения риск-анализа и прогнозирования показателей качества состояния контактной сети................. 100

3.4. Применение модели и методики риск-анализа и прогнозирования показателей качества состояния контактной сети........................................................................ 120

3.5. Математическая модель диагностики состояний грузов компенсаторов контактной сети...................................... 127

3.6. Выводы по третьей главе.............................................. 134

4. ПРАКТИЧЕСКАЯ РЕАЛИЗАЦИЯ И МОДЕЛИРОВАНИЕ

МЕТОДОВ И СРЕДСТВ СОВЕРШЕНСТВОВАНИЯ СИСТЕМЫ ДИАГНОСТИКИ СОСТОЯНИЯ КОНТАКТНОЙ СЕТИ............... 136

4.1. Мониторинг и идентификация критических зон и участков в хозяйствах электрификации и электроснабжения по качеству содержания контактной сети.......................................... 136

4.2. Методика экспериментально-расчетной оценки рисков разрегулировки контактной сети вследствие атмосферного и токового нагрева контактного провода.............................. 140

4.3. Программные средства мониторинга, расчета и прогнозирования эксплуатационных, диагностических показателей, показателей нарушений контактной сети и их последствий............................................................... 144

4.4. Проект разработки мобильного контрольно-вычислительного комплекса для диагностики персоналом ЭЧК геометрических параметров, элементов и устройств контактной сети............ 148

4.5. Выводы по четвертой главе................................................... 159

ЗАКЛЮЧЕНИЕ ............................................................... 161

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ....................................... 163

Приложение 1: «Показатели производственно-хозяйственной деятельности хозяйства электрификации и электроснабжения

ОАО «РЖД»........................................................... 179

Приложение 2: «Результаты статистического анализа показателей содержания контактной сети по филиалу ОАО «РЖД» Куйбышевская железная дорога за период с 2006 по

2010 гг. (60 месяцев).......................................... 201

Приложение 3: «Коэффициенты корреляции производственно-хозяйственной деятельности хозяйства электрификации

и энергоснабжения ОАО «РЖД».............................. 206

Приложение 4: «Результаты мониторинга и статистической обработки показателя «балльная оценка КС» по ЭЧК филиала ОАО «РЖД» Куйбышевская железная дорога за период с

2006 по 2010 гг.»................................................ 213

Приложение 5: «Статистические оценки показателей рисков отказов и ущербов контактной сети по филиалу ОАО «РЖД» Куйбышевская железная дорога за период с 2006 по

2010 гг.».......................................................... 222

Приложение 6: «Результаты использования и внедрения результатов

диссертационного исследования».......................... 235

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность проблемы. Основные цели и задачи развития электрифицированного железнодорожного транспорта определены в Стратегических направлениях научно-технического развития ОАО «Российские железные дороги» на период до 2015 г. («Белая книга» ОАО «РЖД») [104] и в «Стратегии развития железнодорожного транспорта Российской Федерации до 2030 г.», утверждённой распоряжением Правительства РФ № 878-р 17.06.2008 г. Указанные директивы требуют от хозяйства электрификации и электроснабжения ОАО «РЖД» (Э) гарантированного электрообеспечения тяги поездов и обоснованного снижения расходов по содержанию инфраструктуры. Одним из приоритетных направлений в деятельности хозяйства, позволяющим перейти на качественно новый уровень экономической эффективности, является обслуживание и ремонт устройств по результатам диагностики их состояния. Для решения данной задачи в ОАО «РЖД» разработана «Программа диагностики наиболее ответственных и дорогостоящих элементов системы тягового электроснабжения», которая 07.04.2009 г. утверждена Вице-президентом ОАО «РЖД В.Б. Воробьевым. В программе наибольшее внимание уделено диагностике контактной сети (КС) как наиболее ответственной и не резервируемой части системы электроснабжения тяги поездов. Предусмотрено совершенствование технологий диагностики КС на основе внедрения диагностических мобильных средств и инновационных передовых технологий. Наиболее важной компонентой в системе диагностики КС является адекватность отражения диагностическими оценками фактического качества содержания КС. Распоряжением ОАО «РЖД» № 13 от 11.01.07 г. была утверждена «Функциональная стратегия управления рисками в ОАО «РЖД», определяющая актуальные направления повышения эффективности диагностических оценок: выявление потенциальных областей риска и оценка предотвращения или минимизации рисков отказов; предупреждение возникновения рисков на основе их систематического прогнозирования и оценки [117]. В рамках данной стратегии в хозяйстве приступили к освоению

«Методики определения уровня безопасности движения на основе статистического анализа и индексов оценки ситуации для хозяйства электрификации и электроснабжения», разработанной ОАО «НИИАС» в 2010 г. с учетом проведенных исследований [90, 91]. Однако в целом по хозяйству электрификации и электроснабжения для оценки качества содержания КС и безопасности движения поездов используются традиционные и взаимно не согласованные показатели: «балльная оценка КС», «количество допущенных событий и нарушений», «количество и время задержки поездов» и ряд других. Полученные на практике результаты применения обозначенной методики, не в полной мере удовлетворяют требованиям эксплуатации устройств электроснабжения в связи с низким качеством и точностью прогноза показателей. Отсутствуют методики составления комплексных показателей качества содержания контактной сети, основанных на подходах функциональной стратегии управления рисками. Построение рисков отказов устройств электроснабжения в финансовых (денежных) показателях, проведенное в известных исследованиях [30], может также приводить к низкой точности оценки, например, в связи, с существенным разбросом стоимости восстановления неисправности одного и того же элемента на разных участках сети дорог. Значительным направлением в совершенствовании диагностики контактной сети является разработка и внедрение диагностических мобильных технических средств. Таким образом, совершенствование системы диагностики контактной сети и повышение адекватности показателей качества содержания контактной сети, на базе вышеобозначенных требований, является актуальной задачей.

Цель диссертационной работы состоит в совершенствовании методического и технико-технологического построения системы диагностики, учитывающей условия содержания, риски нарушений работы и обеспечивающей прогноз состояния контактной сети.

Достижение указанной цели осуществлялось в ходе постановки и решения следующих задач:

1. Проведение анализа адекватности существующей системы диагностики и оценок состояния контактной сети требованиям качества содержания, удовлетворенности перевозок и функциональной стратегии управления рисками ОАО «РЖД».

2. Разработка управленческо-техно логической структуры системы диагностики контактной сети, позволяющей на основании методов моделирования и риск-анализа оперативно выявлять наиболее «проблемные» участки и виды устройств контактной сети и прогнозировать их состояние..

3. Разработка математической модели и методики проведения риск-анализа и прогнозирования состояния контактной сети, включающих построение комплексной диагностической оценки, учитывающей условия содержания, показатели нарушений и последствий нарушений контактной сети.

4. Разработка экспериментально-расчетной методики оценки положения компенсирующих грузов и вероятности разрегулировки контактной сети вследствие атмосферного и токового нагрева контактного провода.

5. Разработка методических, технологических и технических решений улучшающих качество и адекватность диагностики контактной сети.

Объект исследования. Контактная сеть, технологии ремонта и технического обслуживания, системы управления качеством продукции (услуг).

Предмет исследования. Техническая диагностика, критерии оценки состояния систем электроснабжения.

Методы исследования. В ходе исследования использовались методы математической статистики; идентификации и прогнозирования; методы имитационного моделирования показателей нагрузочной способности элементов системы тягового электроснабжения; а также методы расчета линейных электрических цепей и теплопроводности проводов контактной сети.

Научная новизна работы состоит в совершенствовании методических решений и алгоритмов построения системы диагностики, оценки и прогнозирования качества содержания контактной сети на базе использования методов риск-анализа.

Основные научные результаты, полученные в работе.

1. Разработана управленческо-технологическая структура системы диагностики контактной сети хозяйства электрификации и электроснабжения ОАО «РЖД» дорожного уровня, отвечающая требованиям функциональной стратегии управления рисками ОАО «РЖД» и отличающаяся наличием в её составе подсистемы оперативного выявления и прогнозирования наиболее проблемных участков и видов устройств контактной сети на основании методов моделирования и риск-анализа.

2. Разработаны модель и методика риск-анализа и прогнозирования состояния контактной сети, отличающиеся вычислением рисков последствий нарушений; наличием нового диагностического показателя контактной сети -«комплексная оценка содержания КС», учитывающего фактические показатели эксплуатации и нарушения контактной сети.

3. Разработана методика экспериментально-расчетной оценки положения компенсирующих грузов и рисков разрегулировки контактной сети вследствие атмосферного и токового нагрева контактного провода, отличающаяся наличием процедуры прогнозирования положение грузов компенсатора.

4. Предложен метод повышения эффективности технической диагностики контактной сети, основанный на использовании мобильных контрольно-вычислительных комплексов и отличающейся дистанционным сканированием пространственного положения устройств контактной сети; идентификацией отклонений параметров от нормативных без подъема персонала на высоту; формированием электронного паспорта участка.

Практическая значимость исследования.

Разработанная управленческо-технологическая структура системы диагностики и обслуживания контактной сети позволит оперативно выявлять и прогнозировать проблемные участки, виды устройств и элементы контактной сети и может быть использована в Ситуационных Центрах безопасности движения поездов дорожного уровня.

Разработанные модель и методика проведения риск-анализа позволяют прогнозировать состояние контактной сети и могут быть использованы

работниками экспертно-аналитических групп хозяйства электрификации и электроснабжения для формирования планов и условий её содержания, объемов финансирования, потребности в затратах рабочей силы, в количестве «окон» и Т. д.

Разработанные конструкция и принципы функционирования мобильного контрольно-вычислительного комплекса (Патент на полезную модель Роспатент РФ. № 108387 от 09.03.2011) могут быть использованы при технической диагностике, обслуживании и ремонте контактной сети, а также при исследовании динамики пространственного положения её устройств и элементов.

Достоверность полученных результатов обеспечивается использованием современных средств и методик проведения исследований и подтверждается совпадением полученных модельных и натурных результатов исследований с известными теоретическими положениями, экспериментальными данными, а также с практикой эксплуатации контактной сети.

На защиту выносится:

1. Усовершенствованная управленческо-технологическая структура системы диагностики контактной сети хозяйства электрификации и электроснабжения ОАО «РЖД» дорожного уровня, отвечающая требованиям функциональной стратегии управления рисками ОАО «РЖД».

2. Модель и методика проведения риск-анализа и прогнозирования, состояния контактной сети, включающие процедуры формирования показателей рисков и нового диагностического показателя контактной сети -«комплексная оценка содержания КС».

3. Методика экспериментально-расчетной оценки положения компенсирующих грузов и рисков разрегулировки контактной сети вследствие атмосферного и токового нагрева контактного провода.

4. Метод повышения эффективности технической диагностики контактной сети, основанный на использовании мобильных контрольно-

вычислительных комплексов и обеспечивающий дистанционное сканировании пространственного положения устройств контактной сети.

Апробация работы. Основные результаты работы докладывались и обсуждались на конференциях: IV и V Международные Симпозиумы «Екгаш 2007» и «Екгаш 2009» (г. Санкт-Петербург, 2007г., 2009г.); IV Международная научно-практическая конференция «Актуальные проблемы развития транспортного комплекса» (г. Самара, 2008 г.); II Всероссийская научно-практическая конференция с международным участием «Математическое моделирование, численные методы и информационные системы» (г. Самара, 2010г.); Всероссийская научно-практическая конференция с международным участием «Актуальные проблемы проектирования и эксплуатации контакт�