Введение к работе
Актуальность проблемы. Важнейшей составляющей активной части основных производственных фондов железнодорожного транспорта является подвижной состав. От уровня эксплуатационной готовности подвижного состава, характеризующего его техническое совершенство, текущее состояние, условия эксплуатации, а также систему технического обслуживания и ремонта, во многом зависят результаты деятельности железнодорожного транспорта в целом.
Совместный проект между компанией Siemens AG и компанией ОАО «РЖД» по созданию высокоскоростных поездов (далее ВСП) «Сапсан» на базе платформы Velaro для России является одним из первых примеров в отечественной практике, в котором компания-производитель берет на себя полную ответственность не только за разработку, адаптацию и изготовление, но также за техническое обслуживание, ремонт и модернизацию поставляемого подвижного состава в период всего срока службы, что в настоящее время является важнейшей современной тенденцией в компании ОАО «РЖД» и на международном рынке железнодорожного транспорта. Однако существующие методики оценки показателей готовности не в полной мере учитывают современные тенденции развития. Задача совершенствования методик с учётом перспективных видов взаимоотношений между компанией-производителем и эксплуатирующей компанией для уточнённой оценки и детального анализа показателей готовности является весьма актуальной. Большое практическое значение приобретают расчётные и имитационные методы моделирования и прогнозирования показателей готовности, которые должны быть многоцелевыми, адаптируемыми к изменяющимся условиям эксплуатации, и позволять использование на протяжении всего жизненного цикла ВСП «Сапсан».
Степень разработанности темы. Проведённый анализ ряда научных исследований, национальных и международных стандартов, а также методик оценки показателей готовности и стоимости жизненного цикла (далее СЖЦ) показал, что они зачастую основываются на сознательно упрощённой бинарной модели эксплуатации железнодорожного подвижного состава, включающей всего два состояния (работоспособное и неработоспособное) и
допущение о том, что распределения временных показателей, характеризующих процесс эксплуатации объекта, не противоречат экспоненциальному закону распределения. Это затрудняет определение фактических показателей готовности на основе обработки статистических данных о техническом состоянии железнодорожного подвижного состава в условиях рядовой эксплуатации. Решение этой проблемы осложняется как различием научно-технических подходов к оценке этих показателей, так и незавершённостью процессов гармонизации стандартов и др. нормативно-технической документации у сторон международного сотрудничества.
Отмеченные факты дают основание следующим образом сформулировать объект, предмет, цель и задачи диссертационного исследования.
Объект исследования - ВСП «Сапсан» и его показатели готовности.
Предмет исследования - методика оценки, анализа и прогнозирования показателей готовности, а также моделирование процесса эксплуатации ВСП «Сапсан».
Целью работы является разработка методики уточнённой оценки показателей готовности, их анализ и прогнозирование для ВСП «Сапсан» с учётом научного и практического опыта России и Германии.
Задачи исследования. Для достижения поставленной цели решались следующие задачи:
-
Анализ процесса эксплуатации и оценка показателей готовности ВСП «Сапсан» на основе эксплуатационных данных.
-
Разработка методики уточнённой оценки показателей готовности, их анализ и прогнозирование для ВСП «Сапсан» на основе многоцелевого моделирования процесса эксплуатации поезда. Верификация полученных результатов на основе эксплуатационных данных, расчётных моделей теории надёжности и имитационных экспериментов.
-
Разработка и обоснование практических рекомендаций для эффективного управления резервами времени с целью рационального повышения эксплуатационной готовности ВСП «Сапсан».
-
Анализ взаимосвязи между показателями готовности и СЖЦ при наличии ограничений по готовности и изменений эксплуатационных факторов, а также разработка комплексного подхода к определению и оценке факторов, влияющих на показатели готовности в течение жизненного цикла
В СП «Сапсан».
5. Разработка практических рекомендаций по совершенствованию и гармонизации существующей национальной и международной методической базы в области оценки показателей готовности с учётом современных и перспективных требований рыночной экономики.
Научная новизна и теоретическая значимость результатов состоит в следующих положениях:
разработана математическая модель процесса эксплуатации ВСП «Сапсан», учитывающая его одиннадцать возможных состояний и пятнадцать временных показателей, характеризующих процесс эксплуатации поезда, используемая для проведения уточнённой оценки показателей готовности и анализа резервов времени в процессе эксплуатации ВСП;
разработана методика углублённого анализа и прогнозирования функций готовности ВСП «Сапсан», учитывающая влияние не экспоненциальных законов распределения временных показателей и появления отказов в начале эксплуатации ВСП;
установлена взаимосвязь показателей готовности и СЖЦ поезда при наличии ограничений по готовности и изменений эксплуатационных факторов.
Практическая ценность проведенных исследований состоит в том, что в вычислительной среде MathCAD и программном пакете Arena разработана имитационная модель процесса эксплуатации ВСП «Сапсан» для оперативной уточнённой оценки и углублённого анализа показателей готовности на разных этапах жизненного цикла ВСП, а также учёта и анализа влияния не экспоненциальных законов распределения временных показателей, характеризующих процесс эксплуатации ВСП, на функции готовности; выполнены расчёты показателей готовности и проведён анализ их зависимости от времени, а также от временных показателей, характеризующих процесс эксплуатации ВСП; выявлены резервы времени в процессе эксплуатации ВСП, в течение которых работоспособный и готовый к эксплуатации поезд не эксплуатируется, и предложены практические рекомендации по их рациональному использованию. Предложены практические рекомендации по совершенствованию существующей методической базы в области оценки показателей готовности с учётом
современных и перспективных требований к компании-производителю, а также даны рекомендации по проведению дальнейшей гармонизации российской и европейской методик оценки показателей готовности. Выполнена модификация программного обеспечения (далее ПО) «UNIFE -UNILIFE» Европейской ассоциации железнодорожной промышленности «UNIFE» для проведения автоматизированных расчётов показателей готовности и СЖЦ поезда на ПЭВМ при наличии ограничений по готовности и изменений эксплуатационных факторов. Предложен комплексный подход к определению и оценке факторов, влияющих на показатели готовности в течение жизненного цикла железнодорожного подвижного состава.
Методы исследования. В диссертации использован методический подход, позволяющий осуществить синтез теории марковских процессов и имитационного моделирования применительно к задачам уточнённой оценки, анализа и прогнозирования показателей готовности железнодорожного подвижного состава. При теоретическом исследовании показателей готовности применялись алгоритмы и методы классической теории надёжности. С целью автоматизации расчёты проводились с использованием современного ПО на ПЭВМ.
На защиту выносятся следующие положения диссертации, полученные лично соискателем:
разработанная математическая модель процесса эксплуатации ВСП «Сапсан» для проведения уточнённой оценки показателей готовности;
разработанная имитационная модель процесса эксплуатации ВСП «Сапсан» для анализа и прогнозирования показателей готовности;
разработанная методика уточнённой оценки, углублённого анализа и прогнозирования функций готовности на разных этапах жизненного цикла ВСП «Сапсан», учитывающая влияние не экспоненциальных законов распределения временных показателей и появления отказов в начале эксплуатации ВСП;
полученные результаты анализа зависимости показателей готовности от времени, а также от изменения временных показателей, характеризующих процесс эксплуатации ВСП «Сапсан»;
полученные результаты анализа взаимосвязи показателей готовности и СЖЦ поезда при наличии ограничений по готовности и изменений
эксплуатационных факторов.
Обоснованность и достоверность полученных выводов и результатов подтверждена статистическими данными рядовой эксплуатации ВСП «Сапсан» и имитационными экспериментами, выполненными на современном научно-техническом уровне. Вывод о наличии нестационарности функций готовности ВСП «Сапсан», выраженной затухающими колебаниями и провалами ниже стационарного значения, подтверждён результатами расчётов, выполненных на основе алгоритмов классической теории надёжности, имитационного моделирования, а также эмпирическими данными.
Апробация работы. Результаты исследований и основные положения диссертации докладывались на: 10-12 Международных железнодорожных конференциях «Rad / Schiene» в городе Дрезден (Германия, 2009, 2011 и 2012); на научных семинарах кафедры «Рельсовый подвижной состав» Технического университета города Дрезден и кафедры «Машиностроение и технология производства» Высшей школы техники и экономики города Дрезден (Германия, 2010 и 2011); XII и XIII Международных научно-практических конференциях «Безопасность движения поездов» (Москва, 2011 и 2012); 22 Научно-транспортной конференции в Техническом университете города Дрезден (Германия, 2009); V, VII Международных научно - практических конференциях «Trans-Mech-Art-Chem» (Москва, 2008, 2010); XIX-XXII Международных Инновационно (интернет)-ориентированных конференциях молодых учёных и студентов (Москва, 2007-2010); на научных семинарах кафедры «Инновационные технологии» и Научно-практических конференциях НЕДЕЛЯ НАУКИ «НАУКА МИИТа -ТРАНСПОРТУ» (Москва, 2008 - 2013).
Публикации. Основные научные результаты и положения кандидатской диссертации опубликованы в 19 печатных работах, общим объёмом 5,5 печатных листов, в том числе 5 в зарубежных научных изданиях и 3 в рецензируемых научных журналах, включённых в перечень ВАК.
Структура и объём работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы (включает 225 наименований, в том числе 80 на иностранных языках) и приложения. Диссертация содержит 145 страниц машинописного текста, 72 иллюстрации и 21 таблицу.
