Содержание к диссертации
Введение
Глава I. Состояние вопроса и основные задачи исследования
1.1. Управление техническими средствами на станциях метрополитена . 9
1.2. Анализ методов обслуживания систем управления 24
1.3. Оптимизация поиска и устранения неисправностей технических систем 26
1.4. Цель исследования и ее обоснование Зі
Глава 2. Разработка пбшцші0в создания систем дистанционного управления техническими средствами станций метрополитена дня регулирования пассажиропотоков
2.1. Определение объектов дистанционного управления, степени автоматизации и форш представления оперативной информации 34
2.2. Выбор иерархической структуры системы ДУ-ТСМ 40
2.3. Выводы по главе 2 52
Глава 3. Разработка методов определения численности обслуживающего персонала и количества запасных элементов дж системы дистанционного управления техническими средствами станции метрополитена
3.1. Зависимость между ресурсами, выделяемыми на обслуживание, и надежностью системы теленаблюдения 56
3.2. Определение численности обслуживающего персонала и необходимого количества запасных элементов 71
3.3. Обслуживание системы при ограниченном внедрении 74
3.4. Выводы по главе 3 Р4
Глава 4. Разработка методов оптимального восстановления телеаппаратуш системы ду-ТСМ
4.1. Математическая модель восстановления телеаппаратуры 96
4.2. Метод построения оптимальных алгоритмов восстановления iol
4.3. Выводы по главе 4 ИЗ
Глава 5. Техническая реализация и экономическая эффективность системы ду-тсм :
5.1. Система ДУ-ТСМ станции "Университет" Киевского метрополитена //4
5.2. Расчет экономической эффективности системы /26
5.3. Результаты опытной эксплуатации системы ДУ-ТСМ станции "Университет" Киевского метрополитена І29
Заключение 131
Список литературы
- Анализ методов обслуживания систем управления
- Выбор иерархической структуры системы ДУ-ТСМ
- Определение численности обслуживающего персонала и необходимого количества запасных элементов
- Метод построения оптимальных алгоритмов восстановления
Введение к работе
Одной из главных целей Коммунистической партии и Советского правительства является дальнейшее улучшение условий труда и быта советских людей / і,2 /. Важную роль в жизни населения страны играет общественный транспорт, наиболее быстрым и безопасным видом которого является метрополитен. Сеть метрополитенов СССР непрерывно расширяется, но еще более высокими темпами растет потребность населения в перевозках, что приводит к постоянному увеличению интенсивности перевозочного процесса и загрузки технических средств, связанных с перемещением пассажиров. В этих условиях при существующей технологии работы станций регулирование пассажиропотоков и использование станционного оборудования часто осуществляются далеко не лучшим образом, что способствует образованию скоплений пассажиров у эскалаторов и дверей вагонов. Вместе с тем, увеличение числа станций при существующей технологии их работы приведет к росту эксплуатационного штата (низкоквалифицированных работников), что создаст большие трудности в условиях ограниченных трудовых ресурсов.
Возникла насущная необходимость, используя новые технические средства, улучшить систему управления работой станций метрополитена с целью оптимального решения задачи перевозки пассажиров. Проблема эта усложняется необходимостью одновременного решения важного социального вопроса - уменьшения численности персонала станций.
Решению этой комплексной задачи на советских метрополитенах в значительной степени может содействовать автоматизация управления техническими устройствами станции.
Вопросам совершенствования технологии работы станций метро - 5 политена и управления пассажиропотоками уделяется большое внимание за рубежом. На многих зарубежных метрополитенах используются системы дистанционного управления техническими средствами станций, отличающиеся друг от друга структурой, техническим исполнением и технологическими аспектами эксплуатации.
Общим элементом этих систем является то, что для контроля за техническими средствами станций используется теленаблюдение. Это является следствием того, что другим путем нельзя обеспечить безопасность регулирования пассажиропотоков.
В условиях советских метрополитенов использование этих систем не может оказаться эффективным, поскольку по числу перевозимых пассажиров и нагрузкам на станции большинство советских метрополитенов намного превосходит зарубежные (табл.1.1) /26/, Кроме того, метрополитены СССР отличаются и некоторыми особенностями организации перевозочного процесса. Например, вследствие наличия большого числа станций глубокого заложения на отечественных метрополитенах эскалаторы являются одним из основных технических средств перевозочного процесса, в то время как за рубежом, где преобладает мелкое заложение линий метрополитена, эскалаторы являются, в основном, средством повышения комфорта. В этих условиях, щи максимальном заполнении эскалаторов, возрастает роль телеконтроля как средства повышения оперативности регулирования пассажиропотоков и к системе управления объектами станции и средствам теленаблюдения должны быть предъявлены повышенные требования.
В СССР в течение ряда лет проводились работы по использованию теленаблюдения на Московском, Ленинградском, Киевском и Тбилисском метрополитенах, однако до сих пор системы дистанционного управления техническими средствами станций с применением теленаблюдения не нашли широкого применения, хотя назревшая необходимость их использования очевидна. Это объясняется в первую очередь тем, что до сих пор не были разработаны технологические аспекты эффективного использования таких систем с учетом возможностей нового поколения отечественной телевизионной аппаратуры, конструкции станций, распределения пассажиров и некоторых особенностей организации перевозочного процесса.
Необходимость использования систем дистанционного управления техническими средствами станций метрополитена с применением теленаблюдения подчеркнуло также решение совещания, проведенного Министром путей сообщения СССР 22 июня 1983 г. (протокол № 31), возложившее на ВШИЖТ ответственность за определение наиболее эффективной системы промышленного телевидения для регулирования пассажиропотоков на станциях и повышения безопасности перевозок пассажиров на эскалаторах.
Таким образом, создание системы дистанционного управления техническими средствами станции метрополитена для регулирования пассажиропотоков, соответствующей условиям отечественных метрополитенов, представляет собой актуальную проблему научных исследований.
Разработанная во ВНЮТТ е по результатам исследований автора система дистанционного управления техническими средствами станции метрополитена позволяет одному человеку с операторского пункта станции дистанционно управлять работой эскалаторов, в случае необходимости перекрывать входные и выходные светофоры и снимать напряжение с контактного рельса на обоих путях станции, осуществлять дистанционное управление рабочим и дополнительным освещением прилегающих тоннелей, а также устройствами, разрешающими допуск работников в тоннель. На пульте управления системой размещаются соответствующие органы управления, телевизионные мониторы, средства громкоговорящего оповещения и связи. Использование этой системы позволяет осуществлять непрерывный контроль за пассажиропотоками на станции, повышает оперативность управления и культуру обслуживания пассажиров, улучшает условия труда станционного персонала, дает возможность сократить его численность.
В условиях широкого внедрения системы дистанционного управления техническими средствами станции метрополитена с применением теленаблюдения возникает задача обслуживания и ремонта телевизионной аппаратуры. В разработанной системе используются отечественные однокамерные промышленные телевизионные установки (ПТУ). Выход установки из строя не приводит к отказу системы, но ухудшает качество ее функционирования, поэтому основной задачей обслуживающего персонала является скорейшая замена неисправной ПТУ. Для замены и ремонта элементов системы необходим определенный эксплуатационный штат и некоторое число запасных элементов. Для того, чтобы определить рациональную численность обслуживающего персонала и необходимое количество запасных элементов, нужно установить зависимость между этими ресурсами и показателями надежности системы. Для решения этой задачи в работе применен метод динамики средних. В результате получены простые соотношения для определения неизбыточных ресурсов на обслуживание, достаточных для обеспечения высокой надежности системы.
Как показывают статистические данные, сейчас время восстановления телевизионной аппаратуры достаточно велико. Его можно значительно сократить, предоставив в распоряжение обслуживающего персонала инструкции пошиску и устранению неисправностей, или, другими словами, алгоритмы восстановления. Однако, для одного и того же устройства можно построить большое число алгоритмов вое -8 становления, отличающихся друг от друга как проверками, так и порядком их выполнения. Эффект дает лишь применение того алгоритма, который гарантирует восстановление аппаратуры за минимальное среднее время. Проблеме построения оптимальных алгоритмов диагностирования и восстановления технических систем посвящены работы Г.Ф.Верзакова, И.Е.Дмитренко, СМ.Латинского, А.И.Марона, П.П.Пархоменко, П.С.Пашковского и других исследователей. В этих трудах разработаны теория и методы оптимизации восстановления систем, при диагностировании которых применяются лишь проверки, не изменяющие технического состояния (в этом случае восстановление состоит из двух четко разделенных стадий: поиск неисправности, устранение дефектов). Вопросы же восстановления систем, при поиске неисправностей которых применяются пробные замены элементов, подозреваемых на отказ, пока еще не получили ясного ответа. В то же время для восстановления телевизионной аппаратуры такие диагностические действия являются одними из основных. Вследствие этого актуальной задачей является создание методов построения оптимальных алгоритмов восстановления систем, при поиске неисправностей которых наряду с проверками применяются замены элементов. В настоящей диссертации приводится решение этой задачи.
Данная работа посвящена разработке принципов построения и решению вопросов технической реализации системы дистанционного управления техническими средствами станции метрополитена для регулирования пассажиропотоков, соответствующей условиям отечественных метрополитенов, а также разработке методов ее технического обслуживания и диагностирования.
Анализ методов обслуживания систем управления
Статистические данные показывают, что сейчас время восстановления теле аппаратуры составляет в среднем 5 часов /34- /. Его можно значительно сократить, предоставив обслуживающему персоналу, кроме соответствующих технических средств, инструкции по поиску и устранению неисправностей (алгоритмы восстановления) / 10 / . Од нако, для одного и того же устройства можно составить огромное количество таких алгоритмов, отличающихся друг от друга как входящими в них проверками, так и порядком их осуществления. Каждому из них будет соответствовать определенное среднее время выполнения. Рекомендовать же к применению можно лишь тот алгоритм, использование которого гарантирует восстановление аппаратуры за минимальное среднее время. Для любой телеустановки число возможных алгоритмов восстановления конечно, но настолько велико, что найти оптимальный вариант перебором нельзя. Объем вычислений намного превышает возможности современных ЭВМ. Для построения алгоритма, при котором среднее время восстановления минимально, необходимо воспользоваться специальными математическими методами решения комбинаторных задач. Выбор метода зависит от особенностей процесса восстановления. Для теле аппаратуры характерными являются как детерминированный, так и вероятностный способы восстановления. При детерминированном процессе восстановления применяются лишь проверки, не изменяющие технического состояния объекта диагноза. Вероятностное восстановление предполагает также выполнение пробных замен элементов, причем процесс должен быть организован таким образом, чтобы в конечном итоге замененным оказался только действительно отказавший элемент.
Анализ возможности применения к телеустановкам известных методов оптимизации восстановления технических систем можно начать с детерминированного восстановления. Оно включает в себя две четко разделенные во времени стадии поиска и устранения неисправности. Если при этом элементы системы не являются рассредоточенными, проверки не имеют общих операций, а изменения, внесенные в объект при выполнении проверок, не оказывают влияния на длительности замен элементов, то для достижения минимального среднего времени
восстановления достаточно оптимизировать стадию поиска неисправности. Оптимизации восстановления таких систем, сводящейся к задаче построения оптимального алгоритма диагностирования, был посвящен целый ряд работ советских и зарубежных ученых / 1? 19, 2Q2i)2? 48J62/.
Исторически первой была решена задача поиска одного отказавшего элемента при поэлементных проверках для случая, когда заданы вероятности отказов всех ҐІ элементов системы. Вопрос же ее решения в случае, когда известен лишь момент отказа системы и законы распределения времен безотказной работы элементов, оставался открытым до 1979 года, когда в работе / 12 / была приведена формула для вычисления вероятностей отказов элементов системы по известному моменту отказа и заданным интегральным законам распределения времен безотказной работы ее элементов, а затем найден и метод построения оптимальной последовательности поиска неисправного элемента / 22 /.
Эти результаты применимы для оптимизации поиска неисправностей телевизионной аппаратуры в тех случаях, когда нельзя подавать рабочее питание на вход объекта диагноза, поскольку это может привести к дополнительным повреждениям.
Обычно при поиске неисправностей телеаппаратуры можно учесть связи между элементами.
Когда предположение о возможности поэлементной проверки системы не выполняется, для построения оптимального алгоритма диагноза можно применить методы, основанные на идеях теории кодирования и теории управления / 4} 1І , 28 32, 35) 36, 46, 52, 54,
Выбор иерархической структуры системы ДУ-ТСМ
Выбор иерархической структуры системы ДУ-ТСМ Важнейшим вопросом создания системы ДУ-ТСМ является выбор ее иерархической структуры.
Конкурирующими являются три основных варианта: децентрализованная система, комплексная и централизованная.
При децентрализованной системе (рис.2.2а) операторский пункт оборудуется на каждой станции линии. Оператор этого пункта получает видеоинформацию о положении во всех контрольных зонах станции и имеет возможность дистанционно управлять ее техническими средствами. При комплексной системе (рис.2.26) операторские пункты также создаются на всех станциях, но, кроме того, организуется центральный пункт системы, куда передается видеоинформация со всех станций.
При централизованной системе (рис.2.2в) операторские пункты на станциях не создаются. Управление осуществляется с центрального пункта системы (одного на линию). Централизованная система предполагает эксплуатацию станций без обслуживающего персонала.
Перейдем к сравнительному анализу этих систем, отличающихся иерархической структурой, с целью определения наиболее рационального варианта. Для проведения такого анализа необходимо выбрать критерии эффективности управления техническими средствами станции.
Способность системы осуществлять регулирование пассажиропотоков: на станции при условии обеспечения безопасности можно оценить, используя показатели оперативности управления, надежности и экономической эффективности. Эти показатели отличаются друг от друга как свойствами системы, которые они характеризуют, так и, соответственно, размерностью. Например, экономическая эффективность, в частности, характеризует способность системы регулировать пассажиропотоки, а такой показатель оперативности, как время, необходимое для снятия напряжения с контактного jfeabg xa рактеризует степень обеспечения безопасности.
В силу разнородности показателей качества функционирования системы, их нерационально вводить в качестве аргументов некой общей целевой функции. Задачу выбора оптимальной иерархической структуры системы приходится решать как многокритериальную задачу оптимизации, сравнивая различные варианты по показателям оперативности, надежности и экономичности.
Сравним различные варианты системы по оперативности управления. Для этого введем числовые показатели оперативности.
Из всех технических средств, которыми система позволяет дистанционно управлять, важнейшими являются средства, используемые для обеспечения безопасности пассажиров, а также средства, позволяющие регулировать пассажиропотоки.
Обозначим множество технических средств, дистанционно управляемых с пульта системы в целях регулирования пассажиропотоков, через С , через U обозначим множество технических средств станции, возможность дистанционного управления которыми предоставлена с целью обеспечения безопасности. Каждому техниче-окому стядсгат Се CPUCS - эскалатоэт. автомату аидерной зо-ны 825 В и другим, соответствует свое время управления 2 : , зависящее от типа системы
Определение численности обслуживающего персонала и необходимого количества запасных элементов
Результаты расчетов численности обслуживающего персонала, количества запасных элементов и математических ожиданий числа элементов функционирующих, ожидающих доставки в ремонт, находящихся в ремонте и являющихся запасными при установившемся режиме работы системы для различного количества (от 50 до 1000) элементов (ПТУ), приведены в табл.3.1 ( Л = 2» 10" 1/час; /t/ = 0,2 І/час; J3 = І І/час). Ддя оценки качества работы системы обслуживания целесообразно произвести расчет коэффициентов загрузки обслуживающего персонала ( /иэ- -т? t К - - ) и коэффициента ис-пользования телевизионного оббрудования ( Ка- J, ). Результаты этих расчетов приведены соответственно в табл.3.2 и 3.3, графики этих зависимостей представлены на рис.3.2 3.7.
Графики изменения коэффициентов загрузки эксплуатационного персонала в зависимости от количества работников и числа элементов системы (рис.3.3 и 3.4), а также графики, приведенные на рис.3.2, 3.5, 3.6, могут служить простым пособием по выбору численности обслуживающего персонала и количества запасных элементов.
Анализ проведенных расчетов позволяет утверждать, что применение формул ( ЗЛО) дает возможность определить неизбыточные численности обслуживающего персонала и запасных элементов, достаточные для обеспечения высокой надежности системы теленаблюдения. Результаты расчетов ресурсов, которые необходимо выделить на обслуживание телевизионной аппаратуры децентрализованной системы ДУ-ТСМ советских метрополитенов, приведены в чество телеустановок А/ невелико ( А/ 20 30), а время их замены и доставки в ремонт пренебрежимо мало по сравнению со временем ремонта. Здесь применение метода динамики средних для расчета эксплуатационного штата и числа запасных элементов приведет к значительным погрешностям, поскольку А/ мало. Вместе с тем, именно небольшое количество элементов и тот факт, что замену можно считать мгновенной, позволяют воспользоваться для расчета указанных ресурсов методами теории марковских случайных процессов. Заметим, что решить предыдущую задачу, используя этот математический аппарат, практически невозможно.
Для определения численности обслуживающего персонала и количества запасных элементов, необходимых для эксплуатации системы ДУ-ТСМ при ограниченном внедрении, нужно установить зависимость между данными величинами и показателями надежности системы. Это приводит к следующей задаче.
Имеется техническая система из Л/ однородных элементов (ПТУ). Система исправна, если функционируют все А/ элементов. С уменьшением числа работающих элементов понижается ее эффективность. Отказавшие элементы заменяются на запасные, если таковые имеются и поступают в ремонт. Бремя, затрачиваемое на выполнение этих операций, пренебрежимо мало. Заменой, доставкой и ремонтом элементов занимаются R человек. В момент начала эксплуатации системы в их распоряжении имеется /Ъ запасных элементов ( R .tt N ). Отремонтированные элементы включаются в систему, если число функционирующих в ней элементов меньше N , в противном случае они становятся запасными. Интенсивность отказов элементов равна Л . Интенсивность ремонтов /И . Для установившегося режима эксплуатации системы требуется определить: вероятность исправного состояния системы Гц , а также математические ожидания численностей элементов - (функционирующих (ҐҐІ ), ремонтируемых (/ 31,7 ), ожидающих ремонта ( 2п запасных ( „ ).
Для нахождения искомых величин воспользуемся аппаратом марковских случайных процессов. Каждое состояние процесса эксплуатации характеризуется числом элементов: функционирующих, являющихся запасными, ремонтируемых, ожидающих ремонта (рис.3.8).
Обозначим предельную вероятность состояния с номером о через г ( L =0,1,2,..., Nn ). Найдем данные вероятности. Исследуемый процесс является частным случаем "схемы гибели и размножения" /5 /. Учитывая это, получим:
Метод построения оптимальных алгоритмов восстановления
В соответствии с предложенной моделью процесса восстановления задача построения оптимального алгоритма восстановления телеаппаратуры сводится к тому, чтобы найти управление, переводящее объект из начального состояния в конечное за минимальное в среднем время. Для ее решения можно применить метод динамического программирования. Рекуррентные соотношения, позволяющие найти минимальное среднее время восстановления, имеют вид: Т (0)=0, T(E)= nCnT(,d), («.Л где J ( Р(Е) tj +Ц ПЕЛЕ; Л при cL = 9n Т(ЕМ Л =i J Р(Е) к+-Р№ К+Т(Е№к) »Ри d R: 7) - множество проверок и замен, которые можно выполнять в состоянии S(E)-) Р(Е) - сумма вероятностей неисправностей Є єЄ J - число различных результатов проверки 7tj , возможных в состоянии S (Е). Величина Т(Е) связана с минимальным средним временем восстановления, начиная из состояния S[E) , соотношением Т(Е)=Т(Е)-Р(Е) .пр. ЕФЕ Т(Е ) Т(А ). Условимся записывать алгоритм восстановления в виде дерева (см. рис.4.16,в), вершины (кружки) которого соответствуют диагностическим действиям, дуги их результатам, и листья (квадраты) неисправностям. Тогда можно сказать, что величина Т (Е) имеет следующий физический смысл. Она численно равна средней длине пути в поддереве, дерева, изображающего алгоритм И , для которого корневой является вершина, соответствующая диагностическому действию Ы (Е) , выполняемому в состоянии 5 (Е) . В дальнейшем будем называть Т(Е) весом состояния S (EJ
Докажем, что вес состояния действительно можно вычислить с помощью рекуррентного соотношения (4.5). Допустим, что в состоянии S(E) выполняется проверка 7ti , удовлетворяющая условию ( 4.4 ), а затем восстановление продолжается оптимальным образом. Подсчитаем среднюю длину пути Т(Е} 7Гг) дерева, соответствующего такому алгоритму. Проверка 9Q выполняется тогда, когда возможна любая неисправность Q є Е , поэтому величина 1(Е} 7ft) будет содержать слагаемое mtj - 6g_ re) t,. Какой бы результат Zjt (J- = 1,2,.,., J ) ни имела эта проверка, далее восстановление продолжается оптимальным образом, в силу чего величина 7 (Е} 9tj) будет содержать слагаемое / (EflEjfJ . Окончательно получим T(E V)=pfEjtrz:T(F/i y).
Допустим, что в состоянии S(Ej выполняется замена /?/с , удовлетворяющая условию (4.2), а затем восстановление продолжается оптимальным образом. Определим среднюю длину пути T(E}R/ j дерева, соответствующего такому алгоритму. Замена К -го элемента выполнялась, когда возможными были все неисправности, принад -103-лежащие множеству Є . В силу этого величина Т( Е] R j содер жит слагаемое ЄІЄ Е
Замена может иметь два результата: "работоспособность системы восстановлена" и "работоспособность системы не восстановлена". При первом из них объект восстановления переходит в конечное состояние - процесс восстановления закончен и никаких действий более не выполняется. Соответствующее этому случаю слагаемое в средней длине пути равно нулю. При втором результате замененный элемент необходимо возвратить на прежнее место, на что потребуется tf единиц времени; Второй результат будет иметь место в том случае, если фактическая неисправность системы с ЕОЕк » в силУ чего величина Т(Е)ЯК) будет содержать слагаемое Р(ЕПЁК)К = (? W Если замена не приводит к восстановлению, то далее процесс продолжается из состояния S (Е(] Ек) . Ввиду этого величина Т(Е} RK) будет иметь слагаемое Т(ЕПЕк) . Окончательно получим Т(Е, RK) = P(E)ZK+Р(Е/)ЁК)К Т(ЕПЁк). Вес состояния - это минимально возможная длина пути в дереве, соответствующем алгоритму восстановления, начинающемуся в состоянии S (Е ) . Из этого следует, что его надо искать по формуле (4 5"), сравнивая значения при всех про верках и заменах, допустимых в данном состоянии, что и требова лось доказать.
Для того, чтобы построить ИСКОМЫЙ оптимальный алгоритм восстановления, достаточно выполнить следующие действия.
1. Для каждого состояния S (Е) , начиная с состояний, для которых НЕ II = I, вычислить вес и диагностическое действие d(E) , при котором он достигается.
2. диагностическое действие Oi(E J сделать первым в алго ритме, диагностические действия, соответствующие состояниям, в которые может перейти объект в результате выполнения Z.(J , принять в качестве следующих за ним. Продолжать аналогичные дей ствия до тех пор, пока не будет построен алгоритм, реализация ко торого позволяет восстановить объект при любой неисправности eL є Е\
Поясним вычислительную процедуру построения оптимального алгоритма восстановления на простом абстрактном примере.
Электрическая цепь состоит из трех элементов (рис.4.1,а). На вход цепи подается синусоидальное напряжение 220 В, 50 Гц. Сопротивление первого элемента носит активный характер (R = 50 Ом), второго - индуктивный ( L = 0,1 Гн), третьего - емкостной (С = = 100 мкФ). Для первого элемента характерны дефекты, которые приводят к обрыву между точками 0 и I (неисправность ё± ). Дефекты второго элемента могут вызвать следующие неисправности электрической цепи: 6 2 "" "короткое замыкание точек I и 2", Є3 - "обрыв между точками I и 2й. Дефекты третьего элемента вызывают замыкание точек 2 и 3 (неисправность Є// ).
