Содержание к диссертации
Введение
1. Проблема контроля качества функционирования системы «машинист-локомотив» 12
1.1 Укрупненные источники снижения энергетической эффективности тепловоза как тяговой тепловой машины 12
1.2 Исследование топливной эффективности тепловозов на конкретном полигоне тяги 18
1.3 Анализ выполненных исследований в области повышения и поддержания энергетической эффективности тепловозной тяги 31
Выводы 39
2. Исследование режимов работы дизель-генераторной установки тепловоза в исполненных поездках 40
2.1 Лингвистическое описание процесса функционирования системы «машинист-тепловоз» 40
2.2 Экспериментальные исследования статистических характеристик реализованных режимов ДГУ в исполненных поездках 48
2.2.1 Обоснование допустимости идентификации установившихся режимов ДГУ моментами переключения позиций контроллера машиниста 49
2.2.2 Оценка статистической значимости (устойчивости) распределения времени нахождения ДГУ на фиксированном режиме 55
2.2.3 Формирование показателя последовательного контроля процесса эксплуатации тепловоза на полигоне тяги по данным реализованных режимов ДГУ 62
2.3 Статистическая оценка энергетической эффективности поездки на основе дискретного вейвлет-преобразования последовательности 68
2.3.1 Исходные предпосылки 68
2.3.2 Теоретические основы вейвлет-анализа 72
2.3.3 Вейвлет-анализ последовательности реализованных за поездку режимов ДГУ тепловоза 79
Выводы 84
3. Последовательный статистический контроль эффективности процесса эксплуатации тепловоза 86
3.1 Последовательный статистический контроль технологических процессов 88
3.1.1 Контрольные карты анализа процессов 88
3.1.2 Обоснование выбора CUSUM-карты для контроля процесса эксплуатации тепловоза 89
3.2 Формирование текущих значений показателей и построение CUSUM-карты контроля энергетической эффективности тепловоза 91
3.2.1 Влияющие на расход топлива за поездку факторы и их учет при определении опорного значения 92
3.2.2 Коэффициент загрузки дизеля как показатель энергетической эффективности тепловоза 93
3.3 Последовательный статистический контроль эффективности управляющей деятельности машиниста тепловоза по фактическим данным о расходе топлива за поездку 97
3.4 Критерий предельного состояния машиниста при последовательном статистическом контроле 101
3.4.1 Обзор методов моделирования деятельности операторов человеко-машинных систем 102
3.4.2 Имитационный подход к формированию феноменологической модели управляющей деятельности машиниста в виде СМО 107
3.4.3 Основы имитационного моделирования систем массового обслуживания 110
3.4.4 Классификация сетевых СМО 112
3.4.5 Формирование и исследование концептуальной схемы имитационной модели управляющей деятельности машиниста 114
3.5 Расчет экономической эффективности применения последовательного статистического анализа исполненных поездок 118
Выводы 125
Основные выводы 126
Список использованных источников 128
Приложения 140
- Исследование топливной эффективности тепловозов на конкретном полигоне тяги
- Экспериментальные исследования статистических характеристик реализованных режимов ДГУ в исполненных поездках
- Формирование текущих значений показателей и построение CUSUM-карты контроля энергетической эффективности тепловоза
- Критерий предельного состояния машиниста при последовательном статистическом контроле
Введение к работе
В соответствии с Концепцией развития локомотивного комплекса для достижения целей, поставленных в Стратегической программе развития ОАО «РЖД» в настоящее время в локомотивном хозяйстве решаются следующие основные задачи:
• повышение эффективности работы локомотивного хозяйства;
• повышение инвестиционной привлекательности локомотивного хозяйства;
• повышение уровня координации деятельности при решении вопросов обеспечения устойчивой работы локомотивного хозяйства;
• совершенствование системы управления обеспечением безопасности движения;
• совершенствование технологического обеспечения производственных процессов, связанных с организацией ремонта, эксплуатации локомотивов и работой локомотивных бригад.
Очевидно, что решение указанных задач немыслимо без существенного снижения эксплуатационных затрат, зависимых, в частности, в локомотивном хозяйстве от энергетической эффективности тепловозов в процессе их эксплуатации и браков в работе локомотивных бригад. В то же время, как показывают статистические данные, темпы снижения количества браков в компании ОАО «РЖД» в последние годы замедлились, а по локомотивному хозяйству, особенно в поездной работе, наметилась тенденция к их росту, при этом затраты на топливо на тягу поездов в тепловозных депо достигают 50% от всех эксплуатационных затрат. В связи с этим все более актуальным направлением совершенствования существующих технологий эксплуатационной работы является повышение качества контроля процесса эксплуатации локомотива, как неотъемлемой части системы управления качеством перевозочного процесса.
Процесс эксплуатации тепловоза при ведении поезда по участку - это процесс функционирования эргатической системы «машинист-локомотив окружающая среда». Будем считать, что окружающая среда не является объектом управления при функционировании данной системы, поэтому в дальнейшем в работе будем рассматривать только первые две ее составляющие, а третья рассматривается в виде внешних факторов влияния на них. В соответствии с этим выделим те свойства оставшихся двух элементов системы, которые обуславливают указанные выше негативные последствия ее функционирования — снижение энергетической эффективности тепловозов и браки в работе бригад.
Снижение топливной эффективности тепловоза в эксплуатации обуславливается тремя группами факторов различной природы — ухудшением технического состояния тепловоза, снижением эффективности использования заложенных при создании свойств в процессе его эксплуатации и, наконец, нерациональным ведением поезда машинистом. Соответственно, с целью поддержания энергетической эффективности тепловоза на должном уровне необходимо осуществлять в процессе его эксплуатации постоянный контроль показателей, отражающих степень влияния на нее этих групп факторов. В связи с этим работы, направленные на решение этих задач являются актуальными, и, в особенности, для тепловозной тяги [1-24].
Как известно, следствием недостаточного качества функционирования человеческого звена в системе «машинист-тепловоз» является браки в его работе. Браки машиниста, проявляющиеся непосредственно при ведении им поезда, условно можно разделить на три группы. К первой группе относятся браки, связанные с нарушениями безопасности движения. Эти браки приводят или потенциально могут привести к тяжелым последствиям — человеческим жертвам, экологическим катастрофам, крупным убыткам компании. Ко второй группе относятся браки, которые приводят к снижению показателей долговечности оборудования локомотива, его функциональных качеств, что приводит к увеличению эксплуатационных затрат на восстановление надежности локомотива, убыткам от задержек поездов и т.п. Примером таких браков является перегрев тяговых электродвигателей, дизеля и т.п. вследствие неправильных управляющих воздействий машиниста. Наконец, к третьей группе браков относятся браки, обусловленные нерациональными (с точки зрения энергетической эффективности силовой установки локомотива) управляющими воздействиями машиниста, приводящие к перерасходу электроэнергии или к пережогу топлива. Таким образом, наряду с обеспечением энергетической эффективности тепловозов в эксплуатации, поддержание заданного качества управляющей деятельности машиниста (УДМ) локомотива является как экономически, так и социально важной проблемой в современных условиях функционирования железнодорожного транспорта.
Поддержание и повышение качества функционирования системы «машинист-тепловоз» - комплексная задача, решение которой предполагает работы по нескольким направлениям. Одно из таких важных направлений — разработка контрольных функций в процессе эксплуатации тепловоза как неотъемлемой части системы поддержания заданного уровня энергетической эффективности тепловозов и качества управляющей деятельности машинистов, реализация которых предусмотрена на различных уровнях АСУТ.
В настоящее время, в отличие от контроля энергетической эффективности тепловозов, который по признаку времени проведения осуществляется после выполнения рейса [18], контроль управляющей деятельности машиниста выполняется в основном непосредственно в процессе ведения поезда. Это обусловлено тем, что в этом случае качество исполнения функций машинистом подобными оперативными методами контролируется непосредственно в ходе поездки, а, значит, является важным звеном в системе оперативного управления безопасностью движения. Данные методы разнообразны по сути, имеют большую историю, постоянно развиваются и совершенствуются [28-34]. В отличие от оперативных методов, послерейсовые методы контроля УДМ исторически были направлены на выполнение задач генеза, т.е. на оценку правильности действий машиниста после поездки. Данные методы, как правило, основываются на анализе информации, зарегистрированной с помощью специальных бортовых устройств — скоростемеров и, несмотря на большой объем регистрируемой ими информации, имеют достаточно узкое как по времени, так и по целям назначение - установление причины брака в поездной работе. Основной преградой для широкого использования регистрируемой скоростемерами информации, для повседневных задач мониторинга показателей безопасности, топливной эффективности и т.п., была трудоемкость ее обработки. Следует отметить, что послерейсовые методы контроля УДМ развивались параллельно с совершенствованием скоростемеров.
В последние годы резко возросло количество внедряемых бортовых средств цифровой регистрации различных параметров - движения, работы силовой установки и т.п. [31,34[. Кроме того, опыт в других отраслях (атомная энергетика [38, 39], авиация [40 - 43], космонавтика [44,45]) показывает, что использование подобной информации, например, для оценки качества или надежности деятельности оператора, позволяет существенно повысить эффективность человеко-машинных систем [31-45].
Подытоживая вышесказанное, можно сделать вывод, что актуальной и обусловленной естественным ходом развития информационных технологий вообще и, на железнодорожном транспорте в частности, проблемой в настоящее время является разработка и реализация методов использования накопленной на борту локомотива информации для повышения качества эксплуатационной работы. В частности, информации о реализованных режимах силовой установки тепловоза в процессе его эксплуатации для задач контроля энергетической эффективности тепловозов и качества управляющей деятельности машиниста. Общая характеристика работы.
Тема и цель работы соответствует положениям Стратегической программы развития ОАО «РЖД», Концепции развития его локомотивного комплекса в части повышения эффективности работы локомотивного хозяйства и совершенствования системы управления обеспечением безопасности движения.
Целью данной диссертационной работы является повышение эффективности тепловозной тяги на участках обращения локомотивов путем применения информации о реализованных режимах дизель-генераторной установки ДГУ при последовательном контроле процесса эксплуатации тепловоза.
Учитывая результаты анализа особенностей функционирования системы «машинист-тепловоз», в диссертации в качестве гипотезы исследования выдвинуто положение, в соответствии с которым предполагается, что, если выбор машинистом того или иного мощностного режима ДГУ тепловоза при ведении поезда обуславливаются, в том числе, состоянием как тепловоза, так и самого машиниста, то в течение поездки реализуется соответствующий этим состояниям спектр режимов ДГУ, а сформированные на основании этого спектра показатели могут быть использованы для объективной оценки таких свойств элементов системы «машинист-тепловоз» как энергетическая эффективность локомотива и надежность машиниста. Соответственно, объектом исследования в диссертационной работе является процесс функционирования системы «машинист-тепловоз» при ведении поезда по участку, а изучение характеристик реализованных режимов ДГУ тепловоза, а также методы формирования на их основе показателей для контроля указанных свойств являются предметом исследования.
Для достижения указанной цели с учетом выдвинутой гипотезы были последовательно поставлены и решены задачи диссертационного исследования по следующим направлениям:
1. Поиск путей применения регистрируемой на борту тепловоза информации о реализованных режимах работы ДГУ для целей контроля качества функционирования системы «машинист-тепловоз» в процессе ведения поезда.
2. Экспериментальное исследование статистических характеристик реализованных в процессе поездок режимов ДГУ тепловоза с целью обоснования возможности применения в последовательном статистическом контроле процесса эксплуатации тепловоза.
3. Разработка показателей качества функционирования системы «машинист-тепловоз» на основе информации о реализованных режимах ДГУ.
4. Экспериментальная проверка и оценка эффективности применения разработанных показателей в последовательном статистическом контроле процесса эксплуатации тепловоза.
Методы исследования. Методологической основой диссертационного исследования послужили положения, в соответствии с которыми имеет место неразрывность связи между различными отраслями знаний как отражение единой реальности (постановка гипотезы исследования). Практическую основу диссертационной работы составляют теоретические и экспериментальные исследования, выполненные автором с использованием методов математической статистики, теории массового обслуживания, разложения временных рядов по базисным функциям с применением соответствующего программного обеспечения и имитационного моделирования. Решения задач базируются на экспериментальных данных и известных теоретических положениях в области функционирования тепловоза в целом и дизель-генераторной установки тепловоза в частности.
На защиту выносятся
1. Результаты информационного поиска путей повышения эффективности процесса эксплуатации тепловоза за счет применения данных о реализованных в исполненных поездках режимах работы ДГУ тепловоза.
2. Результаты экспериментального исследования статистических характеристик реализованных режимов работы ДГУ тепловоза в конкретных условиях эксплуатации.
3. Метод формирования показателя энергетической эффективности тепловоза и его опорного значения для последовательного статистического контроля на основании информации о реализованных режимах ДГУ.
4. Частные показатели и их опорные значения для контроля энергетической эффективности конкретного тепловоза и состояния конкретного машиниста в эксплуатации, сформированные на основе реализованных режимов ДГУ тепловоза.
5. Имитационная модель и результаты имитационного исследования функционирования машиниста в условиях изменения уровня его загрузки. Научная новизна результатов исследования
1. Экспериментально доказана статистическая значимость (устойчивость) распределения времени работы ДГУ тепловоза на реализованных тяговых, промежуточных режимах, а также на холостом ходу (во время движения) при его эксплуатации на участках обращения конкретного полигона тяги. При этом установлено, что распределение данного параметра на указанных режимах работы ДГУ соответствует экспоненциальному закону.
2. Установлена зависимость между среднеквадратическим отклонением значений масштабирующего коэффициента при дискретном вейвлет-разложении кумулятивной кривой, вырабатываемой в течение поездки ДГУ тепловоза механической энергии и расходом топлива за поездку.
3. Предложена имитационная модель управляющей деятельности машиниста, которая представляет собой одноканальную систему массового обслуживания с двумя потоками заявок, отличающихся приоритетом обработки. При этом один из потоков характеризует поток информации, связанной с реализацией машинистом приоритетной функции - обеспечением выполнения графика и безопасности движения по участку, а второй -бесприоритетной - обеспечением рациональных энергетических режимов ДГУ в течение поездки. Модель позволяет исследовать влияние времени обслуживания на вероятность отказов в обслуживании бесприоритетных заявок.
Достоверность научных положений и выводов. Достоверность разработанных статистических и имитационной моделей подтверждена достоверностью предпосылок и исходных данных, строгостью теоретического обоснования и сравнением полученных результатов моделирования с опытными данными и опубликованными результатами аналогичных исследований.
Практическая ценность работы.
Полученные научные результаты позволили сформировать доступные для практического использования объективные опорные показатели для последовательного статистического контроля соответственно энергетической эффективности отдельного тепловоза и надежности управляющей деятельности конкретного машиниста, применение которого на полигоне тяги, например, в виде индивидуальных контрольных карт, решает ряд задач, заложенных в АСУТ.
Апробация работы. Основные положения диссертационной работы представлялись, обсуждались и были одобрены: на I Всесоюзном научно-практическом семинаре по автоматизации инженерного труда «Жизнь и компьютер», Харьков, 1990 г., на III Всесоюзной научно-технической конференции «Автоматизированные системы испытаний объектов железнодорожного транспорта», ОмИИТа, 1991 г., на II - «Актуальные проблемы развития железнодорожного транспорта» и IV - «Актуальные проблемы транспортного комплекса» международных научно-практических конференциях Самара, 2005, 2008 г.г., на научно-практической конференции, посвященной 130-летию Куйбышевской железной дороги, Самара, 2009 г. Публикации. По теме диссертации опубликовано 12 научных работ, в том числе: 10 статей, из них 2 в изданиях из перечня, рекомендованного ВАК, тезисы к двум докладам на конференциях.
Исследование топливной эффективности тепловозов на конкретном полигоне тяги
Важность исследований топливной эффективности тепловозов на полигоне тяги обусловлена тем, что только там реализуется влияние всей совокупности факторов на расход топлива на тягу. В настоящее время наиболее распространенным методом такого рода исследований является статистический анализ данных, взятых из штатной эксплуатационной документации [1-4, 23, 27-29, 38, 41, 42, 45. 47, 54-56, 65, 69, 70, 93, 105,]. Существенными недостатками таких исследований являются высокая трудоемкость и ограниченная номенклатура анализируемых данных. Имитационное моделирование, нашедшее на сегодняшний день широкое распространение [33, 59, 85, 91, 104 108, 115, 117], все же не может в полной мере охватить все действующие факторы и, поэтому, натурные исследования остаются важной составляющей такого рода работ.
Наиболее полную и достоверную первичную информацию, связанную с оценкой топливной эффективности тепловозной тяги получают при использовании динамометрических вагонов. Существенными недостатками таких исследований является их высокая трудоемкость и, как следствие, ограниченный статистический объем получаемых данных.
В данной работе для исследования топливной эффективности тепловозов на конкретном полигоне тяги использовалась методика, которая позволяла осуществлять обработку и анализ собираемой в локомотивном депо штатной, указываемой в нормативных документах, и специальной, собираемой специализированным автоматическим регистратором на борту тепловоза, информации.
Из штатной информации в соответствии с указанной методикой в депо собирались следующие данные: Стационарные. профили и кривые участков обращения; постоянные ограничения скорости на участках; типы эксплуатируемых локомотивов и виды выполняемых ими работ. Нестационарные. дата поездки и номер поезда; станции отправления и назначения; время отправления и прибытия; масса состава и количество осей; временные ограничения скорости движения на участках; время пребывания локомотива на ТО-2 и ТО-3; расход топлива за поездку. Специальная информация, собираемая с помощью бортового регистратора, представляет собой привязанные к астрономическому времени моменты: изменения позиции контроллера машиниста; запуска и останова ДГУ; включения и отключения режима тяги; отключения ведомой секции. Функциональная схема и описание специализированного бортового регистратора событий, общий вид которого показан на Рис. 1.2, приведены в Приложении 1. По согласованию с Департаментом локомотивного хозяйства на основании распоряжения по Ульяновскому отделению Куйбышевской железной дороги регистратор был установлен на тепловоз 2ТЭ10М №3003, приписанный к депо Ульяновск. Этот тепловоз относился к группе тепловозов в депо, эксплуатируемых в смешанном (пассажирском и грузовом) движении. Такой выбор позволил, при оснащении регистратором одного локомотива оценить эффективность тепловозов, работающих в грузовом, пассажирском и, естественно, в грузопассажирском движении. Оснащенный регистратором локомотив эксплуатировался в течение семи месяцев (с декабря июль), что позволило оценить сезонность влияющих факторов, в том числе и климатических. Информация с борта тепловоза снималась в среднем один раз в месяц с помощью портативного компьютера (Рис. 1.3). После этого обрабатывалась в среде стандартных программных средств, в основном предназначенных для статистической обработки больших массивов данных.
Данные, собираемые в депо указанными выше способами и средствами, являлись исходными, по которым, после ввода их в память компьютера, рассчитывались различные показатели, характеризующие эффективность тепловозов.
Распределение длительности работы тепловоза по позициям контроллера машиниста в процессе его эксплуатации определялось статистической обработкой данных, снимаемых с бортового регистратора, в среде стандартной программы статистической обработки и анализа данных.
Бюджет времени тепловоза по укрупненным статьям определялся после обработки файла с данными о режимах его работы за конечный период времени. Обработка заключалась в привязке времен отправления и прибытия поездов, взятых со скоростемерных лент выполненных поездок, к последовательности режимов ДГУ, выделении периодов нахождения тепловоза под поездом, дислокации его в основном и оборотных депо, суммирования этих периодов за конечный интервал времени, например за день, неделю, месяц и т.д.: где toc - время нахождения локомотива в основных депо и станции основного депо; tm - время нахождения локомотива под поездом; t0Q - время нахождения локомотива на станции оборотного депо и в оборотном депо.
Экспериментальные исследования статистических характеристик реализованных режимов ДГУ в исполненных поездках
С целью проверки статистической значимости распределения времени работы ДГУ на фиксированных режимах были проведены экспериментальные работы на участках Ульяновского отделения Куйбышевской железной дороги -филиала ОАО «РЖД», методика и некоторые результаты которых приведены в первом разделе диссертации. Эмпирическая оценка статистической значимости характеристик мощностиых режимов ДГУ осуществлялась в два этапа. На первом этапе определялась допустимость оценки статистической значимости распределения времени работы ДГУ на фиксированных мощностных режимах тепловоза, которые идентифицируются номером позиции контроллера машиниста. Такое допущение существенно упрощает выполнение одного из важнейших требований к построению показателей, а именно, доступность исходной информации.
Обоснование допустимости идентификации установившихся режимов ДГУ моментами переключения позиций контроллера машиниста Если принять в качестве базового описания предметной области стохастическую модель эксплуатации тепловоза, предложенную в /0000/ при условии, что под состоянием z, понимается некоторый априори известный энергетический режим работы ДГУ, соответствующий конкретной позиции контроллера машиниста, то, в этом случае, P и ( -соответственно статистическая оценка вероятности и закон распределения времени пребывания ДГУ на фиксированном режиме, соответствующем /-ой позиции контроллера машиниста, а вероятности переходов Р-- - вероятность перехода ДГУ с /-ой на j -ую позицию контроллера машиниста.
Будем считать, что такое упрощение допустимо, если конкретная позиция контроллера машиниста однозначно сопоставима с различимой, достаточно компактной областью значений, реализующейся при работе на установившемся режиме мощности ДГУ. Кроме этого, продолжительность переходных режимов в процессе эксплуатации ДГУ тепловоза должна быть несущественной по сравнению с продолжительностью ее работы на установившихся режимах. В общем случае в качестве критерия компактности можно принять величину, равную отношению разности максимального и минимального значения мощности на установившемся режиме к абсолютной величине разности средних значений мощности на смежных режимах:
Если же значения мощности на установившемся режиме работы ДГУ соответствуют нормальному закону распределения, то в качестве такого критерия, очевидно, можно принять величину:
Будем считать, что условие различимости энергетического режима выполняется, если s 0,4. Для оценки выполнимости второго требования, а именно преимущественности работы ДГУ тепловоза в эксплуатации на установившихся режимах, очевидным является необходимость выявления моментов их начала и окончания. Чтобы оценить, на сколько указанные требования выполняются в реальных условиях эксплуатации тепловоза, рассмотрим динамику величины мощности ДГУ при изменении позиции контроллера машиниста и статистические характеристики реализованной мощности ДГУ на установившихся режимах в процессе эксплуатации тепловоза.
На рис.2.3 представлен фрагмент графика изменения мощности на клеммах тягового генератора секции тепловоза 2ТЭ10М при ведении поезда на участке Ульяновск-Сызрань, а также реализованных при этом позиций контроллера машиниста. Для дальнейшего анализа были отобраны только те позиции, на которых, во-первых, реализовывались установившиеся режимы работы ДГУ, а, во-вторых, число значении мощности на этих установившихся режимах за всю поездку обеспечивало бы статистически значимую выборку. Минимальное количество значений в выборке, обеспечивающее выполнение второго требования, было определено по значениям мощности ДГУ тепловоза 2ТЭ1 ОМ, работавшего на 15-ой позиции контроллера машиниста, приведенным в [65].
Формирование текущих значений показателей и построение CUSUM-карты контроля энергетической эффективности тепловоза
Как указывалось выше, формула (2.12) для расчета опорного значения показателя является базовой, т.к. при этом предполагается условно постоянные характеристики поезда и участка, соответствующие осредненным по участкам обращения и грузопотоку на них. Очевидно, что для ее использования при расчете опорного значения показателя для конкретной поездки, например, при контроле энергетического состояния конкретного локомотива, работающего на всех участках обращения, необходимо привести ее к условиям данной поездки. Это значит, необходимо учесть отличие уровня факторов, влияющих на величину удельного расхода топлива, действующих в данной текущей поездке, от уровня тех же факторов, осредненного по полигону обращения локомотива. Очевидно, также, что выбор номенклатуры и оценку степени влияния факторов можно осуществить на основании ранее выполненных исследований [42, 106]. Однако при этом необходимо учесть особенности последовательного статистического анализа и результаты полученных результатов во второй главе диссертации.
Факторы, влияющие на расход топлива за поездку, разделим на две группы: постоянные и временные. К постоянным отнесем такие факторы, которые определяются планом и профилем пути на участке поездки, а именно: кривые, подъемы, площадки, спуски и переломы, взаимное расположение элементов профиля. К переменным — режим ведения поезда, техническое состояние локомотива, квалификация машиниста, вес поезда, нагрузка на ось, график движения, метеоусловия, ограничения скорости [106].
В соответствии с проведенными экспериментальными исследованиями постоянные факторы можно учесть через коэффициент сложности участка, который показывает, насколько постоянные факторы конкретного участка отличаются от средневзвешенных на полигоне обращения локомотивов. Этот коэффициент будем определять как отношение среднего значения коэффициента загрузки дизеля тепловоза на участке к значению коэффициента загрузки дизеля, осредненному по всем участкам обращения локомотива при прочих равных условиях:
Коэффициенты загрузки дизеля для поездки определяются по формуле: где JV/ - относительная мощность при /-ом положении контроллера машиниста; U - продолжительности работы дизеля на /-ом режиме.
В соответствии с данной формулой определен коэффициент сложности участка Ульяновск - Нурлат. При этом среднее значение коэффициента загрузки дизеля при ведении пассажирских поездов №256 составил 0,498, а среднее по всему полигону для этих поездов — 0,471. Соответственно коэффициент сложности данного участка относительно всего полигона составил величину 1,058. Следует заметить, что при расчете масса и число вагонов в данных поездах принимались величинами постоянными. Оценка степени влияния массы поезда и удельной нагрузки на ось не имеет большой сложности, т.к. существует большое число проведенных соответствующих исследований в этой области, которые позволяют оценить влияние данных характеристик состава на расход топлива за поездку [42, 65, 106].
Наиболее простой вариант проведения последовательного статистического контроля энергетической эффективности тепловоза на основании данных о реализованных в исполненных поездках режимов ДГУ можно осуществить с привязкой к одному участку. Если в выражении для часового расхода топлива сомножители под знаком суммы умножить и разделить на величину номинальной мощности NH, то с учетом выражения для коэффициента загрузки дизеля kd = J=L-f5 получим:
Далее, если принять, что в выражении (3.2) значения удельного расхода топлива Ье(Кді) и номинальная мощность однозначно определены паспортными или фактическими значениями (например, при реостатных испытаниях) для данного локомотива, то, в этом случае, его топливная эффективность по данному источнику обуславливается только значением коэффициента его загрузки Кд. Следовательно, последовательный статистический анализ энергетической эффективности тепловозов можно осуществлять по текущим средним за поездку значениям коэффициента загрузки дизеля.
Для иллюстрации этого подхода построим CUSUM-карту для участка Ульяновск-Нурлат. Неучтенными в этом случае факторами являются удельная нагрузка на ось и метеоусловия. Учитывая, что подавляющая часть проведенных поездов на этом участке были пассажирскими, у которых эта удельная нагрузка на ось величина приблизительно постоянная (в данном случае 16,5 т/ось), пренебрежем вносимой этим фактором ошибкой. В таблице 3.1 представлены значения влияющих факторов и расчетные значения Кд для ряда поездок на участке Ульяновск - Нурлат.
Критерий предельного состояния машиниста при последовательном статистическом контроле
Задача заключается в отыскании такого признака на графике карты кумулятивных сумм, который бы позволял идентифицировать предельное состояние машиниста, при котором дальнейшая его деятельность опасна. Очевидно, что решить такую задачу натурным экспериментом чрезвычайно сложно. Такие попытки предпринимались неоднократно при количественном анализе /Нерсесян/, однако применить результаты этих исследований на практике не представляется пока возможным. В нашем же случае задача несколько проще, т.к. не требуется установить определенное количественное значение критерия, а лишь требуется найти признак, наличие которого на графике. CUSUM-карты будет являться основанием для принятия соответствующего решения.
Сравнение различных математических методов моделирования деятельности оператора в человеко-машинных системах, как правило, осуществляется по признакам, характеризующим различные стороны деятельности человека в человеко-машинных системах. Например, результаты анализа существующих математических методов на возможность ими моделировать разнородные характеристики деятельности оператора в человеко-машинных системах [7, 48, 49, 51, 52, 53, 60, 61, 62, 66, 73, 79, 98, 103] приведены в табл. 3.2, . Из таблицы видно, что метода, одинаково хорошо учитывающего все характеристики деятельности, в настоящее время нет. Каждый из рассмотренных методов оптимален лишь по одной-двум характеристикам, иными словами, удачно описывает лишь определенные стороны деятельности оператора.
Наиболее широкое использование в настоящее время для описания деятельности оператора нашли методы теории информации, теории массового обслуживания, теории автоматического управления.
Учитывая особенности деятельности машиниста локомотива и заявленную цель - отыскание признака в тенденции изменения используемого показателя при последовательном статистическом анализе, с которым бы можно было увязать достижение машинистом предельного состояния, остановимся на особенностях математического моделирования методами теории массового обслуживания и теории автоматического управления.
Для построения математических моделей деятельности оператора в системах непрерывного типа (транспортные средства, в том числе, локомотив; системы, в которых оператор выполняет функции слежения или наведения; системы регулирования параметров, работающие с участием человека, и т. п.) могут применяться методы теории автоматического управления (ТАУ). С позиций ТАУ человек-оператор рассматривается как элемент следящей системы, какой представляется в данном случае система "человек - машина". На работу системы влияют динамические связи элементов системы друг с другом и человеком. При моделировании необходимо учитывать такие особенности человека: ограниченность полосы пропускания, одноканальность, недостаточную точность работы, нестабильность коэффициента усиления, внесение помех и т. п. Как правило, учесть все эти особенности практически невозможно, поэтому используют лишь упрощенные модели деятельности оператора, что существенно снижают ценность данных методов. Кроме того, существенным недостатком известных моделей, основанных на использовании аппарата ТАУ, является их линейность. Между тем хорошо известно, что человек-оператор является сугубо нелинейным звеном следящей системы.
Краткая характеристика метода моделирования, основанного на теории массового обслуживания [68, 85, 94, 104, 108, 117].
Структурная схема системы массового обслуживания (СМО) с человеком-оператором показана на рисунке 3.4. Информация со средств отображения и от взаимодействующих операторов, а также сигналы внешней среды образуют входящий поток заявок (требований на обслуживание). Обычно предполагается, что входящий поток подчинен закону Пуассона. Такой поток иначе называется простейшим. Для его описания требуется знать плотность входящего потока, которая равняется числу заявок, поступивших в единицу времени. Заявки поступают или прямо к оператору, или становятся в очередь на обслуживание (если оператор занят обслуживанием предыдущей заявки). Устройством для хранения очереди могут быть средства отображения информации (СОИ) или память оператора.
