Содержание к диссертации
Введение
1. Состояние проблемы управления техническим содержанием инфраструктуры железнодорожного транспорта 13
1.1. Анализ состояния проблемы управления надежностью 13
1.2. Состояние проблемы управления функциональной безопасностью на железнодорожном транспорте 19
1.3. RAMS – методология управления безотказностью, готовностью, ремонтопригодностью и безопасностью – достоинства и недостатки 29
1.4. Состояние проблемы управления рисками 31
1.5. Анализ состояния проблемы управления стоимостью жизненного цикла (СЖЦ) 44
1.6. Цели и задачи исследования 48
1.7. Выводы 51
2. Концепция комплексного управления надежностью, безопасностью, рисками и ресурсами на железнодорожном транспорте 54
2.1. Назначение и цели концепции 54
2.2. Методология УРРАН – развитие методологии RAMS 61
2.3. Эталонные объектно-элементные модели для расчетов надежности объектов инфраструктуры 69
2.3.1. Основные характеристики эталонной объектно-элементной модели верхнего строения пути 69
2.3.2. Основные характеристики эталонной объектно-элементной модели объектов автоматики и телемеханики 73
2.3.3. Основные характеристики эталонной объектно-элементной модели объектов электрификации и электроснабжения 74
2.4. Система управления техническими рисками на железнодорожном транспорте
2.5. Метод оценки и прогнозирования рисков травматизма пешеходов на пешеходных переходах 89
2.6. Выводы 10
3. Математическое обеспечение системы управления надежностью, безопасностью, рисками и ресурсами на железнодорожном транспорте 105
3.1. Структура математического обеспечения системы управления надежностью, безопасностью, рисками и ресурсами на железнодорожном транспорте 105
3.2. Модуль расчета и прогнозирования надежности и функциональной безопасности сложных технических систем железнодорожного транспорта 110
3.2.1. Задачи модуля 110
3.2.2. Теорема расчета стационарных показателей надежности и функциональной безопасности сложных технических систем 113
3.2.3. Оценки нестационарных показателей надежности и безопасности системы 122
3.3. Метод поддержки принятия решения о проведении работ по техническому содержанию объектов инфраструктуры 125
3.3.1. Решающее правило по управлению техническим обслуживанием объекта путевой инфраструктуры 127
3.3.2. Структурная схема системы поддержки принятия решения по управлению техническим содержанием 134
3.3.3. Решающее правило о назначении капитальных ремонтов участка пути 137
3.3.3.1. Управление ресурсами в хозяйстве пути 138
3.3.3.2. Управление ресурсами в хозяйствах автоматики и телемеханики и электрификации и электроснабжения 147
3.4. Метод оценивания и прогнозирования транспортных происшествий на основе состояния факторного анализа с апостериорной обработкой статистических данных 152
3.4.1. Введение 152
3.4.2. Факторный анализ и его нормативная база 154
3.4.3. Классификация факторов 158
3.4.4. Статистический метод поддержки принятия решений 163
3.4.5. Асимптотические свойства критерия 168
3.4.6. Алгоритм поддержки принятия решений 170
3.5. Выводы 17
4. Прикладные информационные системы управления надежностью, безопасностью, рисками и ресурсами на железнодорожном транспорте 176
4.1. Архитектура информационной технологии комплексного управления надежностью, безопасностью, рисками и ресурсами на железнодорожном транспорте 176
4.2. Комплексная автоматизированная система учета, контроля устранения отказов технических средств и анализа их надежности (КАСАНТ) 181
4.2.1. Цель создания системы 181
4.2.2. Архитектура и требования к эксплуатации системы 183
4.2.3. Функции системы 191
4.3. Автоматизированная система управления безопасностью движения (АС РБ) 193
4.3.1. Цель создания системы 193
4.3.2. Архитектура и требования к эксплуатации системы 194
4.3.3.Функции системы 199
4.3.4. Описание задач работы подсистем 200
4.4. Автоматизированная система управления ситуационного центра ОАО «РЖД» (ИКСАР СЦ) 204
4.4.1. Цели и задачи ИКСАР СЦ 204
4.4.2. Архитектура ИКСАР СЦ 211
4.4.3 Описание работы подсистем ИКСАР СЦ 214
4.5. Система анализа и оценки рисков в эксплуатационной работе ОАО «РЖД» на
основе показателей эксплуатационной надежности и безопасности (АС УРРАН)
220
4.5.1. Цели и задачи создания системы 220
4.5.2. Архитектура системы 221
4.5.3. Функции подсистем АС УРРАН 224
4.6. Корпоративная автоматизированная система контроля знаний работников ОАО «РЖД», связанных с обеспечением безопасности движения поездов, на базе СДО (КАСКОР) 228
4.6.1. Цель создания системы 228
4.6.2. Архитектура и требования к эксплуатации системы 230
4.6.3. Функции системы 236
4.7. Выводы 239
5. Внедрение информационных технологий и инструментальных средств комплексного управления надежностью, безопасностью, рисками и ресурсами на железнодорожном транспорте 241
5.1. Внедрение Комплексной автоматизированной системы учета, контроля устранения отказов технических средств и анализа их надежности (КАСАНТ) 241
5.1.1. Предпосылки создания системы 241
5.1.2. Основные результаты эксплуатации системы 242
5.1.3. Эффективность использования и перспективы развития системы 249
5.2. Внедрение автоматизированной системы управления безопасностью движения (АС РБ) 250
5.2.1. Предпосылки создания системы 250
5.2.2. Основные этапы развития системы 253
5.2.3. Основные результаты эксплуатация системы на сети железных дорог 256
5.2.4. Эффективность использования и перспективы развития системы 263
5.3. Внедрение корпоративной автоматизированной системы контроля знаний работников ОАО «РЖД», связанных с обеспечением безопасности движения поездов, на базе СДО (КАСКОР) 265
5.3.1. Предпосылки создания системы 265
5.3.2. Основные результаты разработки и внедрения системы 268
5.3.3. Эффективность использования и перспективы развития системы 273
5.4. Внедрение системы анализа и оценки рисков в эксплуатационной работе ОАО «РЖД» на основе показателей эксплуатационной надежности и безопасности (АС УРРАН) 275
5.4.1. Предпосылки создания системы 275
5.4.2. Основные результаты эксплуатации системы на Северной железной дороге 276
5.4.2.1.Управление надежностью 276
5.4.2.2. Управление ресурсами в хозяйстве пути 283
5.4.2.3. Управление рисками 287
5.4.3. Эффективность использования и перспективы развития системы 288 ЗАКЛЮЧЕНИЕ 289
Список использованной литературы 292
- Состояние проблемы управления функциональной безопасностью на железнодорожном транспорте
- Основные характеристики эталонной объектно-элементной модели верхнего строения пути
- Модуль расчета и прогнозирования надежности и функциональной безопасности сложных технических систем железнодорожного транспорта
- Комплексная автоматизированная система учета, контроля устранения отказов технических средств и анализа их надежности (КАСАНТ)
Введение к работе
Актуальность темы исследования. Техническое содержание сети железных дорог России требует больших экономических затрат, связанных с поддержанием надежности объектов инфраструктуры и обеспечением безопасности перевозочного процесса. В условиях ограниченных ресурсов выбор неверного решения может привести к ошибкам в планировании ремонтных работ на участках инфраструктуры, которые по существующим правилам требуют проведения ремонта, однако при этом имеют достаточно высокий уровень надежности. С другой стороны, проблемные по надежности участки инфраструктуры продолжают эксплуатироваться без модернизации, капитальных ремонтов или хотя бы текущих восстановительных работ. Это, в свою очередь, приводит к рискам возникновения транспортных происшествий.
Для рационального управления ограниченными ресурсами требуется выполнение как минимум двух условий:
-
Получение в реальном времени объективной информации о состоянии надежности и функциональной безопасности всех объектов инфраструктуры железнодорожного транспорта.
-
Создание системы поддержки принятия решений по техническому содержанию инфраструктуры железнодорожного транспорта на линейном, региональном и сетевом уровнях.
Первое условие предусматривает создание и внедрение на всей сети железных дорог России автоматизированной системы сбора, анализа и обработки данных об отказах объектов инфраструктуры и транспортных происшествий. Второе условие означает, что поскольку принципиально невозможно создать и в последующем эксплуатировать объект с абсолютной надежностью и безопасностью, то следует в решение этой задачи вкладывать такие средства, которые реально имеются и оправданы с точки зрения снижения надежности и обеспечения безопасности. Иначе говоря, остаточный
риск возникновения транспортных происшествий должен иметь допустимый уровень.
В этих условиях возникает противоречие между коммерческим интересом владельца инфраструктуры железнодорожного транспорта, направленным на интенсификацию эксплуатации инфраструктуры, с одной стороны, и необходимостью технологических перерывов в эксплуатационной работе в целях поддержания требуемых уровней надежности и безопасности, с другой стороны. Данное противоречие может быть снято путем разработки системы комплексного управления техническим содержанием инфраструктуры железнодорожного транспорта. Эта система должна обеспечить автоматизацию процессов сбора и обработки данных об отказах объектов и транспортных происшествий в реальном времени, процессов выявления наиболее проблемных, с точки зрения надежности, участков пути, а также автоматизацию процессов поддержки принятия решений по распределению ограниченных экономических ресурсов на техническое содержание инфраструктуры при условии достижения допустимых уровней безопасности и требуемых уровней надежности ее составных объектов.
Степень разработанности проблемы. Следует констатировать, что в такой постановке проблема разработки механизма комплексного управления надежностью, безопасностью, рисками и ресурсами объектов инфраструктуры железнодорожного транспорта в отечественной научной литературе еще не ставилась. Тем не менее, при решении многих весьма важных проблем и задач в области управления надежностью, безопасностью, рисками и ресурсами отмеченная проблема в той или иной мере затрагивалась, обозначались возможные подходы к ее решению. Так, в работах И. Брабанта, Л.А. Баранова, П.Ф. Бестемьянова, В.М. Лисенкова, Е.Н. Розенберга, В.В. Сапожникова, Вл.В. Сапожникова, Д.В. Шалягина, X. Шебе, В. Швира, И.Б. Шубинского и др. сформированы теоретические основы функциональной безопасности на железнодорожном транспорте. Предлагаемые решения сводятся к построению
моделей функциональной безопасности отдельных технических систем.
Постановки задач и обсуждение перспективных направлений проблемы исследования надежности сложных восстанавливаемых систем встречались в фундаментальных работах отечественных и зарубежных ученых Ф. Барлоу, Ю.К. Беляева, Б.В. Гнеденко, Г.В. Дружинина, В.А.Каштанова, Ф. Прошана, К. Райншке, А.Д. Соловьева, Г.Н. Черкесова, И.А. Ушакова и др.
В процессе исследования были проанализированы научные работы А. Патры, А. Зоетмана, П. Баррингера, А.Р. Андраде, С. Кумара, В. Смита.
Собственно, заложенные в них идеи позволили сформировать научную основу настоящего диссертационного исследования.
Цель диссертационной работы. Повышение эффективности функционирования железнодорожного транспорта на основе разработки методологии и научных основ комплексного управления надежностью, безопасностью, рисками и ресурсами объектов инфраструктуры и реализации их в автоматизированной системе комплексного управления техническим содержанием инфраструктуры железнодорожного транспорта.
Для достижения отмеченной цели в диссертационной работе поставлены и решены конкретные задачи, которые сгруппированы вокруг трех целевых направлений, детализирующих общую цель.
1. Исследование возможности создания системы комплексного управления надежностью, безопасностью, рисками и ресурсами, что позвояет:
выявить ключевые причины неэффективного управления техническим содержанием инфраструктуры сети железных дорог России и осуществить постановку проблемы по разработке методологии решения данного вопроса;
определить состояние проблемы расчета и прогнозирования надежности и функциональной безопасности объектов железнодорожного транспорта в России;
проанализировать существующие методы комплексного управления надежностью, безопасностью, рисками и ресурсами и возможность их практического применения на сети российских железных дорог.
2. Анализ математических методов и инженерных методик с целью их
практического применения. Разработка на основе проведенного анализа
математического и информационного обеспечения процессов управления
техническим содержанием инфраструктуры сети железных дорог России, что
позволяет:
разработать ключевые положения методологии комплексного управления надежностью, безопасностью, рисками и ресурсами объектов инфраструктуры железнодорожного транспорта;
определить новую систему количественных показателей для оценки и прогнозирования состояния надежности, безопасности и стоимости жизненного цикла объектов инфраструктуры с учетом оценки рисков и объема выполняемой ими эксплуатационной работы;
разработать методы и инженерные методики: оценки и прогнозирования транспортных происшествий и событий на железнодорожном транспорте; расчета и прогнозирования надежности и функциональной безопасности сложных технических систем с произвольной структурой; оценки рисков травматизма пешеходов на пешеходных переходах; метод и решающее правило управления техническим обслуживанием объектов по их техническому состоянию и приоритетного планирования капитальных ремонтов наиболее проблемных по надежности участков пути;
исследовать существующее нормативное и технологическое обеспечение процессов управления техническими рисками на железнодорожном транспорте.
3. Апробирование и оценка эффективности разработанной методологии
и автоматизированной системы для комплексного управления надежностью,
безопасностью, рисками и ресурсами объектов инфраструктуры ОАО «РЖД»,
что позволяет:
- исследовать и установить причины низкой эффективности
существующих автоматизированных систем сбора и обработки данных и
разработать новые автоматизированные системы управления технологическими процессами, позволяющие оперативно собирать и анализировать данные об отказах составных элементов объектов железнодорожного транспорта, а также автоматизировать сбор данных, расследование и прогнозирование транспортных происшествий и событий на сети железных дорог;
- разработать систему автоматизации комплексного управления надежностью, безопасностью, рисками и ресурсами.
Объект исследования - инфраструктура российских железных дорог в составе объектов верхнего строения пути, железнодорожной автоматики и телемеханики и объектов электрификации и электроснабжения.
Предмет исследования составляют научные основы и формализованные методы построения автоматизированной системы комплексного управления техническим содержанием инфраструктуры железнодорожного транспорта.
Теоретическая основа исследования. Теоретическую основу исследования составили фундаментальные положения теории систем и системного анализа, теории автоматического управления, теории алгоритмов, алгебры логики, теории графов, теории вероятностей и математической статистики, Марковские и полумарковские случайные процессы, теории надежности, методов анализа функциональной безопасности, методов анализа рисков, методов экспертной оценки и принятия решений.
Информационную базу исследования составили сведения о существующих АСУ, которые прямо или косвенно используются для управления техническим содержанием объектов инфраструктуры, данные об отказах технических средств, транспортных происшествиях и событиях со всей сети железных дорог. При апробации системы автоматизированного управления техническим содержанием инфраструктуры железнодорожного транспорта были использованы данные, полученные с Северной железной
дороги.
Обоснованность и достоверность выносимых на защиту результатов работы обеспечены строгим соблюдением логики проведения научных исследований, обоснованностью исходных допущений и методов решения поставленных задач, проверкой адекватности априорных предложений и конструируемых моделей, непосредственным сопоставлением полученных результатов с фактическими данными, а также корректным применением известных методик, инструментов исследования и процедур обработки данных.
Научная новизна диссертационного исследования заключается в разработке ключевых положений методологии, научных основ и формировании системы автоматизации комплексного управления техническим содержанием инфраструктуры на сети железных дорог России, позволяющих принимать управленческие решения на основе сбалансированности показателей надежности, функциональной безопасности и стоимости жизненного цикла с учетом оценки рисков для различных объектов инфраструктуры. Эта система основывается на автоматизированном сборе и обработке данных об отказах в реальном времени. Она выявляет наиболее проблемные с точки зрения надежности участки пути, вырабатывает планы распределения ограниченных ресурсов на техническое содержание и осуществляет оценку остаточных рисков обеспечения безопасности перевозочного процесса.
По итогам диссертационного исследования получены следующие основные результаты, содержащие элементы новизны и выносимые на защиту:
1. Установлено, что в современных условиях дальнейшее развитие и эффективная эксплуатация инфраструктуры железнодорожного транспорта возможны на основе внедрения комплексных решений по автоматизированному управлению надежностью, безопасностью и стоимостью жизненного цикла объектов инфраструктуры с учетом оценки
рисков; сделан вывод о том, что в настоящее время на российских железных
дорогах отсутствует единая методология комплексного решения этой проблемы, а сформированная в Европе методология RAMS содержит ряд принципиальных методологических недоработок и не ориентирована на решение задач технического содержания объектов железнодорожного транспорта. Эти недостатки устранены в рамках разработанных в диссертации ключевых положений методологии комплексного управления надежностью, безопасностью, рисками и ресурсами (УРРАН), которая является адаптацией и дальнейшим развитием методологии RAMS в целях рациональной эксплуатации инфраструктуры железных дорог ОАО «РЖД».
-
Сформирована система показателей надежности, безопасности, стоимости жизненного цикла объектов железнодорожного транспорта с учетом объема выполненной эксплуатационной работы, что обеспечивает возможность управлять ресурсами на основе оценки состояния безопасности и надежности объектов и объективно оценивать эксплуатационную деятельность подразделений ОАО «РЖД».
-
Сформулирована и доказана теорема расчета стационарных показателей надежности и функциональной безопасности сложных технических систем с произвольной структурой непосредственно по графу их состояний. На основании этой теоремы впервые для моделей полумарковских случайных процессов систем строго вычисляются следующие показатели: коэффициент безопасности, среднее время между опасными и/или защитными отказами, среднее время возврата в неопасное состояние.
-
Разработанный метод оценивания и прогнозирования транспортных происшествий и событий отличается от известных методов возможностями их оценки на основе рисков и прогнозированием транспортных происшествий на основе сочетания факторного анализа с апостериорной обработкой статистических данных с учетом возможных ущербов от транспортных происшествий и затрат на их предупреждение.
-
Разработан метод, который впервые позволяет оценивать и
прогнозировать риски травматизма пешеходов на пешеходных переходах на
основе адаптации теории импульсных потоков Н.М. Седякина к задачам определения опасных событий при пересечении потоков поездов и пешеходов и обеспечивает поддержку принятия решения по оборудованию пешеходных переходов средствами сигнализации и обустройству пешеходных мостов.
-
Разработанный метод поддержки принятия решений о проведении работ по техническому содержанию объектов инфраструктуры отличается от известных тем, что позволяет на основе сформулированных решающих правил определять по техническому состоянию необходимость технического обслуживания объектов инфраструктуры и планировать приоритеты в проведении капитальных ремонтов наиболее проблемных по надежности участков пути.
-
Разработана архитектура системы автоматизации комплексного управления надежностью, безопасностью, рисками и ресурсами на железнодорожном транспорте.
Теоретическая и практическая значимость результатов исследования. В совокупности вынесенные на защиту результаты диссертации следует интерпретировать как решение важной хозяйственной проблемы - создание эффективного механизма управления техническим содержанием инфраструктуры железных дорог России, которая представляет собой дальнейшее развитие теории и методологии управления железнодорожным транспортом на базе комплексного автоматизированного управления надежностью, безопасностью, рисками и ресурсами. Практическая значимость результатов исследований заключается в том, что использование научно-методического инструментария управления техническим содержанием инфраструктуры железных дорог дает возможность обеспечить ее устойчивое развитие, а также результативное и эффективное функционирование в текущий момент и обозримой перспективе.
Самостоятельное практическое значение имеют следующие положения и результаты работы:
метод поддержки принятия решений по оценке и прогнозированию транспортных происшествий и событий на железнодорожном транспорте;
основанный на доказанной теореме метод расчета и прогнозирования показателей надежности и функциональной безопасности сложных технических систем с произвольной структурой и с большим числом состояний;
метод поддержки принятия решений о проведении работ по техническому содержанию объектов инфраструктуры;
метод оценки и прогнозирования рисков травматизма пешеходов на пешеходных переходах;
автоматизированные системы КАСАНТ, АС УРРАН, АС РБ, ИКСАР СЦ, КАСКОР, построенные на основе разработанных в диссертационном исследовании архитектур, методов и нормативных документов.
Апробация и внедрение результатов. Основные положения и результаты диссертационной работы обсуждались и были одобрены на: 1Х-ой Международной научно-практической конференции «Инфотранс-2004» (Санкт-Петербург, ПГУПС 2004); 1-ой Международной научно-практической конференции «Наука в транспортном измерении» (Украина, Киев 2005); Международной научно-практической конференции «Системы безопасности на транспорте» (Чешская Республика, Пшибрам, АЭН РФ 2005); VI, VIII, IX, XI, XIV Научно-практических конференциях «Безопасность движения поездов» (Москва, МНИТ 2005, 2007, 2008, 2011, 2013); Международной научно-практической конференции, посвященной 50-летию ВНИИАС «Современные тенденции развития средств управления на железнодорожном транспорте» (Москва, ВНИИАС 2006); VI-ой Международной научно-практической конференции «Системы безопасности на транспорте» (Чешская Республика, Прага, АЭН РФ 2011); VIII-ой Международной научно-практической конференции «Техническое регулирование. Сертификация,
безопасность и экологическая безопасность на железнодорожном транспорте»
(Украина, Ялта, ГП «ДОСЖТ» 2012); Научно-техническом семинаре РАН «Качество и надежность технических систем» (Москва, МНИТ 2011, 2013); Международной конференции «Analytics 2012» (Германия, Кёльн, SAS 2012); Международной конференции «SAS the Date for the EGRC/Insurance Risk Customer Connections Event» (Португалия, Лиссабон, SAS 2012).
Одним из основных результатов диссертационного исследования являются разработанные и внедренные на всей сети железных дорог автоматизированные системы КАСАНТ, АС УРРАН, АС РБ, ИКСАР СЦ, КАСКОР. В этих системах реализованы методология и научные основы комплексного управления техническим содержанием инфраструктуры железнодорожного транспорта.
Имеются соответствующие акты о внедрении результатов диссертационного исследования.
Публикации. По теме диссертации опубликовано одна монография и 48 статей общим объемом 42,6 п.л. (авторский объем составляет 22 п.л.), из них 32 статьи опубликованы в журналах, рекомендованных ВАК РФ для опубликования основных результатов диссертационных работ на соискание ученых степеней доктора и кандидата наук. Кроме того, по теме диссертации получен один патент.
Структура работы. Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав, заключения, списка литературы и четырех приложений.
Состояние проблемы управления функциональной безопасностью на железнодорожном транспорте
Общая теория надежности развивается в двух направлениях: 1 структурная надежность [1]; 2 – функциональная надежность [2]. Усилиями многочисленных ученых и практических работников в течение полувека на базе методологии классической (структурной) надежности глубоко разработаны количественные характеристики надежности технических средств, методы анализа и синтеза надежности элементов и устройств, методы повышения надежности аппаратуры на этапах проектирования, рациональные методы технического обслуживания и эксплуатации, методы испытаний аппаратуры на надежность. Теория структурной надежности решает задачи обеспечения бесперебойности работы систем на основе применения надежных составных устройств, обеспечения комфортных условий их работы, применения структурного и/или временного резервирования на уровне элементов, устройств и подсистем, рациональной организации технического обслуживания, рационального построения ЗИП (запасные части, инструменты, принадлежности) и т.д.
Теория и практика функциональной надежности находится в стадии формирования. Она решает задачи построения интегрированного в технической системе надежного программного обеспечения со средствами защиты от отказов и, особенно, сбоев цифровых элементов, защиты от ошибок операторов, защиты от ошибок во входной информации, которые строятся на основе алгоритмической, информационной, функциональной избыточности, с помощью специальных методов обеспечения ошибкоустойчивости и отказоустойчивости.
Железнодорожный транспорт – это многообразие различных функционально законченных технических средств, систем, сооружений, которые принято обозначать общим термином «объект» [3]. При начальном решении проблемы управления надежностью такой большой системы как российские железные дороги доступен уровень их структурной надежности. Вместе с тем, на последующих этапах развития системы управления надежностью железнодорожного транспорта целесообразно будет углубляться в вопросы функциональной надежности процессов управления. Таким образом, исходная задача состоит в том, чтобы определиться на каком уровне развития в настоящее время находится теория структурной надежности технических объектов.
Методы анализа и прогнозирования классической (структурной) надежности развивались в двух основных направлениях. Первое направление связано с расчетом надежности элементов на основе обработки статистики по отказам и с учетом режимов и условий их работы. Второе направление - это построение моделей надежности систем, состоящих из элементов с известными характеристиками надежности. Модели анализа надежности систем могут быть разделены на два класса: статические, в которых состояния системы определяются наборами работоспособных и неработоспособных элементов в определенный момент времени; динамические, когда происходящие явления (отказы, восстановления, контроль, простои объектов) рассматриваются как случайные процессы, развивающиеся во времени.
В рамках статических моделей анализ надежности проводится следующими методами: - методы, использующие основные формулы теории вероятностей (вероятность суммы или произведения событий, формула полной вероятности) и комбинаторики; применяются, главным образом, для последовательно-параллельных, параллельно-последовательных структурных схем и схем надежности типа т из п [4-6, 9, 11, 13-16]; - методы, основанные на записи логических условий, интересующих исследователя функций через состояния элементов системы с последующим применением теории алгебры логики (логико-вероятностные методы [5, 20, 21] , используемые в деревьях отказов [22-24,27], схемах функциональной целостности (СФЦ) [25, 26], блок-схемах надежности [4, 10, 20]). Классические статические модели для восстанавливаемых систем позволяют рассчитывать лишь мгновенные показатели надежности, определяемые в данный момент времени (коэффициент готовности, коэффициент неготовности, вероятность пребывания объекта в определенном состоянии, интенсивность отказа). При этом предполагается известным фиксированное время до восстановления объекта. Главное достоинство этих моделей в том, что они пригодны для объектов с произвольной структурой. Однако они применимы только для простейших потоков отказов, не позволяют исследовать процессы восстановления, простоя, не позволяют учесть динамику обнаружения отказов и др. В рамках динамических моделей применяются: - моделирование систем Марковскими, полумарковскими случайными процессами [1, 4-12]; - моделирование систем с помощью теории восстановления, полумарковских регенерирующих процессов (в основном, используются асимптотические результаты либо для системы в целом, либо для отдельных резервированных звеньев) [4, 5, 10-13]; - статистическое имитационное моделирование [11, 17-19].
Динамические модели позволяют вычислять все основные показатели надежности - мгновенные, интервальные (вероятность безотказной работы (отказа) на интервале времени), независящие от времени стационарные показатели (средняя наработка между отказами, среднее время простоя и т.д.). Вместе с тем, аналитические динамические модели ограничены возможностью исследовать системы с небольшим числом состояний, поскольку при большом числе состояний (например, уже более 7-10) возникают серьезные затруднения в вычислениях обратных преобразований
Основные характеристики эталонной объектно-элементной модели верхнего строения пути
В стратегии научно-технического развития ОАО «Российские железные дороги» на период до 2015 года («Белая книга» ОАО «РЖД») определены ориентиры инновационного развития компании. Одним из таких ориентиров являются требования к безотказности, эксплуатационной готовности, ремонтопригодности и безопасности.
В Компании предусматривается повышение коэффициента эксплуатационной готовности до уровня 0,98, снижение трудоемкости текущего и среднего ремонтов до 50%, увеличение межремонтных пробегов в 2-3 раза, пробега между техническими обслуживаниями в 3-10 раз.
В настоящее время доля стоимости основных фондов инфраструктуры составляет более 60% от общей стоимости основных средств ОАО «РЖД», а доля эксплуатационных затрат на объекты инфраструктуры составляет порядка 35% от общего объема затрат. Оптимизация расходов на содержание инфраструктуры является одной из ключевых задач компании. В результате многолетнего недофинансирования износ основных фондов постоянно увеличивался, что привело к тому, что в настоящее время износ некоторых элементов инфраструктуры компании, наиболее критичных по последствиям выхода из строя, достиг 70%.
Значительный рост цен на материалы в последнее время приводит к существенному увеличению себестоимости ремонтов. По этой причине при сохранении величины годового финансирования ремонта объемы работ имеют тенденцию к постоянному уменьшению. В результате нарастает протяженность участков пути и число других объектов инфраструктуры с просроченными ремонтами различного вида.
Создавшиеся условия, а также процессы изменения организационной структуры ОАО «РЖД» требуют применения комплексного управления надежностью, безопасностью, рисками и ресурсами на железнодорожном транспорте с использованием методологии обеспечения безотказности, готовности, ремонтопригодности и безопасности (RAMS), в соответствии с IEC 62278, а также национальных стандартов ГОСТ серии 27.002-89, ГОСТ Р 53480-2009 «Надежность в технике» и ГОСТ Р серии 51901.х.
Цель внедрения комплексного управления надежностью, безопасностью, рисками и ресурсами на железнодорожном транспорте состоит в решении одной из основных задач инновационного развития ОАО «РЖД» - сокращении стоимости жизненного цикла объектов инфраструктуры и подвижного состава при условии обеспечения высокого уровня надежности технических средств и требуемого уровня безопасности перевозочного процесса.
Комплексное управление надежностью, безопасностью, рисками и ресурсами на железнодорожном транспорте предназначено для реализации следующих основных задач (рисунок 2.1.1):
- управление эксплуатационной работой компании с помощью системы эксплуатационных показателей надежности, выраженных в единицах измерения объема выполненной работы каждым хозяйством ОАО «РЖД»;
- принятие управленческих решений по эксплуатации инфраструктуры и подвижного состава компании должно производиться на основе оценки рисков на всех этапах жизненного цикла.
В основу управления безопасностью перевозочного процесса положены следующие постулаты: - абсолютной безопасности не существует - после принятия защитных мер всегда остается некоторый остаточный риск; - безопасность достигается путем уменьшения риска до допустимого уровня; - остаточный риск не должен быть выше допустимого уровня; - допустимый уровень риска оценивается и корректируется на всех этапах жизненного цикла; - при управлении экономическими рисками производственной деятельности ОАО «РЖД» следует руководствоваться принципом ALARP -настолько низкий уровень остаточного риска, насколько это в разумной мере возможно, исходя из ресурсов компании;
- в отношении рисков, связанных с жизнью и здоровьем людей, животных, экологической безопасностью следует при принятии защитных мер отдавать им приоритет по сравнению с коммерческими интересами ОАО «РЖД»;
- управление стоимостью жизненного цикла должно осуществляться на основании результатов текущей и интегральной оценок эксплуатационных показателей надежности и безопасности технических средств с учетом человеческого фактора (его количественного влияния на надежность и безопасность, а также внедренной системы подготовки и переподготовки операторов);
- все процедуры принятия управленческих и иных решений в эксплуатационной работе ОАО «РЖД» на всех этапах жизненного цикла должны осуществляться в соответствии с требованиями разрабатываемых нормативных документов ОАО «РЖД» в рамках данного направления;
- взаимодействие со смежными компаниями, участвующими совместно с ОАО «РЖД» в перевозочном процессе, разработке, техническом обслуживании должно осуществляться по единым нормативным документам в рамках реализации данного направления.
Поскольку речь идет о новых или измененных подходах к процедурам, введение таковых сразу же ведет к затратам. С другой стороны, появляются потенциальные возможности совершенствования и экономии, что может быть доказано следующими примерами:
1) Целостный, ориентированный на риски подход к рассмотрению проблем облегчает введение новых методов работы и технологических новшеств. 2) Последовательное осуществление управления показателями надежности и безопасности снижает риски в процессе проектирования, так как позволяет выявлять проблемы в более ранние сроки.
3) Благодаря унифицированной структурированной документации создается возможность повторного применения и приемка на основе доказательств безопасности изделий разных изготовителей.
Модуль расчета и прогнозирования надежности и функциональной безопасности сложных технических систем железнодорожного транспорта
Методическое обеспечение системы управления рисками в концептуальном плане содержится в указанных выше нормативных документах, а также в методических рекомендациях по их применению.
Однако на железнодорожном транспорте есть класс задач оценки рисков, который не поддается решению известными методами. Речь идет об оценках рисков на пешеходных переходах и переездах [61]. С этой целью на основе теории пересечения импульсных потоков Н. М. Седякина [62] разработан следующий метод оценки рисков на одноуровневых пешеходных переходах.
Согласно статистике, одноуровневые пешеходные переходы через железнодорожные пути являются одним из самых существенных источников опасности на железной дороге. Для обеспечения безопасности пешеходов требуется, чтобы уровень индивидуального риска травматизма пешеходов, пересекающих пути, не превышал допустимого значения.
В общем случае оценка индивидуального риска травматизма пешехода на пешеходных переходах через железнодорожные пути в одном уровне с рельсами представляет собой произведение безусловной вероятности опасной ситуации на величину ущерба, под которой понимается степень вреда здоровью пешехода. Поскольку во многих случаях наезд железнодорожного состава на пешехода приводит к гибели пешехода, величина данного риска может быть оценена как вероятность одного смертельного случая от наезда состава на пешехода на пешеходном переходе в течение года.
Опасные ситуации, как правило, возникают вследствие маловероятного совпадения нескольких факторов, каждый из которых в отдельности не вызывает опасной ситуации, но может служить предпосылкой её появления.
Согласно модели, предложенной в работах [63, 64], процессы появления и действия факторов, приводящих к опасной ситуации, можно представить в виде стационарных и независимых случайных потоков взаимно не перекрывающихся во времени импульсов.
Для решаемой задачи форма импульсов потоков не играет принципиальной роли и может быть выбрана произвольно. Наиболее целесообразно выбрать прямоугольную форму взаимно неперекрывающихся во времени импульсов, поскольку в этом случае описание процессов, определяющих безопасность пешеходов при пересечении железнодорожных путей на одноуровневых пешеходных переходах, существенно упрощается. Амплитуда импульсов потоков для решаемой задачи также не имеет значения и принимается равной единице.
Рассмотрим простой случай, когда пешеход переходит один железнодорожный путь по одноуровневому пешеходному переходу. При этом опасной можно считать ситуацию, когда пешеход и поезд одновременно находятся в некоторой опасной (для пешехода) зоне, где избежать того, что пешеход будет сбит поездом, либо воздушным потоком, практически невозможно.
Появление пешехода в опасной зоне может быть описано импульсным потоком Xп(t), представляющим собой случайную последовательность импульсов, длительность которых соответствует времени нахождения пешехода в опасной зоне, а пауза между импульсами соответствует времени между появлениями пешеходов в опасной зоне. Появление в опасной зоне поезда может быть аналогично описано импульсным потоком X1, где длительность импульсов соответствует времени нахождения поезда в опасной зоне, а пауза между импульсами соответствует времени между появлениями поездов в опасной зоне.
При совпадении импульсов двух рассматриваемых потоков (рис. 2.5.1) можно говорить о возникновении опасной ситуации, при которой неизбежен наезд поезда на пешехода. При этом учитывается только факт совпадения (перекрытия) импульсов, а длительность совпадения не имеет значения. Случайный поток импульсов совпадений Xс1(t), образованный логической конъюнкцией потоков импульсов пешехода и поезда, представляет собой случайный поток опасных событий возможности наезда поезда на пешехода на одноуровневом пешеходном переходе через один путь:
При известных параметрах (распределениях плотностей вероятности длительностей импульсов и пауз) импульсных потоков, задача о совпадении импульсов, соответствующих потоку пешехода и потоку поезда, может быть решена с использованием теории случайных импульсных потоков [62].
Следует отметить, что моделирование потока пешеходов через переход случайным потоком импульсов не учитывает одну важную особенность - в большинстве случаев пешеход адекватно реагирует на предупреждающие знаки, сигналы светофоров и другие средства оповещения, визуально оценивает приближение поезда и в случае опасности останавливается. Таким образом, если при приближении поезда к переходу пешеход с вероятностью Pа правильно отреагирует на ситуацию и прекратит движение, то наезда поезда на пешехода не произойдет.
Вероятность Pа может быть определена с помощью анализа дерева событий (Event Tree Analysis, ETA), при этом узловые вероятности дерева устанавливаются на основании экспертных оценок исходных данных для каждого сценария развития опасности. Пример дерева событий для определения вероятности адекватной оценки пешеходом приближающегося поезда для одноуровневого пешеходного перехода третьей категории и участка с высокоскоростным движением представлен на рисунке 2.5.3.
С учетом вероятности Pа, поток импульсов совпадений Xс1(t) разрядится, поскольку в опасной ситуации будут задействованы только те пешеходы, которые неадекватно оценили ситуацию. В этом случае выражение (2.5.3) преобразуется к следующему виду оценки пешеходом приближающегося поезда
Комплексная автоматизированная система учета, контроля устранения отказов технических средств и анализа их надежности (КАСАНТ)
Основным критерием при выборе участков пути, которые войдут в план капитальных ремонтов (реконструкции) на будущий год, являются существующие нормативы периодичности. Критерии назначения работ по фактическому состоянию пути и комплексная оценка состояния пути являются дополнительными при выборе участков.
Сопоставление и анализ процессов, относящихся к планированию ремонтных работ инфраструктуры путевого хозяйства ОАО «РЖД», позволили сделать следующие выводы, формирующие предпосылки для изменения действующего порядка назначения работ: – основными критериями текущего планирования являются нормативы по пропущенному тоннажу (сроку службы), в то время как фактическое состояние пути отражено во вспомогательных параметрах; – уровень отказов при назначении ремонтов не учитывается, хотя отказы непосредственно связаны с фактическим состоянием пути: когда путь изнашивается, его фактическое состояние ухудшается, и происходят отказы; – при назначении ремонтов не происходит экономической оптимизации; – отсутствует описание и обоснование процедуры отбора работ в план ремонтов в связи с бюджетными ограничениями.
В связи с этим в рамках разработки методологии УРРАН была проработана возможность использования при назначении ремонтных работ инструментов теории надежности и стоимости жизненного цикла.
Предлагаемый в рамках методологии УРРАН подход к назначению работ по ремонтам пути основывается на сравнении фактических и контрольных значений следующих показателей: – пропущенный тоннаж, млн. т.; – частота отказов на 1 км пути; – прямые расходы на текущее содержание 1 км пути.
Инструмент принятия решений о проведении ремонтных работ представлен в виде таблицы Основным принципом назначения капитального ремонта является превышение контрольных значений по двум из показателей. Значения показателей были установлены следующим образом: 1. Пропущенный тоннаж
Параметрами, от которых зависит периодичность ремонтов, являются группа пути, категория пути, класс пути. Для различных групп утверждены нормативные сроки проведения капитальных ремонтов в зависимости от типа подрельсового основания и степени годности материалов верхнего строения пути, применяемых при последней смене рельсо-шпальной решетки:
Подходы к определению показателя пропущенного тоннажа совпадают с подходами, определенными «Техническими условиями на работы по ремонту и планово-предупредительной выправке пути» (ЦПТ-53).
Частота отказов на 1 км пути Расчет фактического количества отказов на 1 км пути для отдельного отрезка (участка, перегона) представлен в формуле: факт = (ГРК+ ОДР) / l , где факт – фактическая частота отказов на отрезке (участке, перегоне), шт./км; ГРК – количество отказов ГРК на данном отрезке (участке, перегоне) за год, шт; ОДР – количество отказов ОДР на данном отрезке (участке, перегоне) за год, шт; l – длина отрезка (участка, перегона) в километрах, км.
Контрольные значения для каждой группы грузонапряженности определены на основании статистических данных путевого хозяйства: 1) В начале определялись нормы интенсивности отказов для каждой группы грузонапряженности. 2) Далее интенсивность отказов переводилась в частоту отказов для каждой группы грузонапряженности: = Г/103 , где – частота отказов на отрезке (участке, перегоне), – интенсивность отказов на данном отрезке (участке, перегоне), шт./млрд. т км., Г – грузонапряженность, млн. т км брутто/км, 3. Прямые расходы на текущее содержание 1 км пути
Фактические прямые расходы на текущее содержание 1 км пути определяются по формуле: Рфакт = Сотк + Стек (3.3.8) где Рфакт – фактические прямые расходы на текущее содержание 1 км. пути, руб., Сотк – фактическая стоимость устранения отказов на 1 км. пути, руб., Стек – фактическая стоимость текущего содержания на 1 км. пути, руб.
Для определения фактической стоимости устранения отказов использовалась информация о количестве отказов ГРК (геометрия рельсовой колеи) и ОДР (остро дефектный рельс), а также данные о стоимости устранения одного отказа и стоимости задержки поезда по причине отказа:
Сотк = ((ГРК+ ОДР) Сод. отк +((ГРК+ ОДР) Сз) / l где ГРК– количество отказов ГРК на данном отрезке (участке, перегоне) за год, шт., ОДР – количество отказов ОДР на данном отрезке (участке, перегоне) за год, шт., Сод. отк – стоимость устранения одного отказа, руб., Сз – среднестатистическая стоимость задержки поезда от одного отказа, руб., l – длина отрезка (участка, перегона) в километрах.
При определении фактической стоимости текущего содержания должны учитываться данные о заработной плате монтеров пути, стоимости материалов и стоимости работы машин, прочие затраты предполагаются условно-постоянными или несущественными и не принимаются в расчетах:
Похожие диссертации на Автоматизация процессов комплексного управления техническим содержанием инфраструктуры железнодорожного транспорта
