Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Управление процессами эксплуатации в организационно-технических системах 8
1.1. Эффективность эксплуатации локомотивов 8
1.2. Локомотив как организационно-техническая система 11
1.3. Анализ процессов технической эксплуатации комплекса технических средств локомотива 18
1.4. Задачи управления процессами технической эксплуатации 22
1.5. Системы информационной поддержки принятия решений и требования к ним 28
1.6. Постановка задачи создания методики проектирования систем управления технической эксплуатацией локомотивов 33
Глава 2. Модель системы управления технической эксплуатацией локомотивов 38
2.1. Методы анализа сложных организационно-технических систем 39
2.2. Формальный аппарат анализа сложных организационно-технических систем 42
2.3. Модели эксплуатационных процессов в сложных организационно-технических системах 54
2.3.1. Применение конкретного уровня комбинированного аппарата для моделирования эксплуатации локомотивов 55
2.3.2. Анализ расширений сетей Петри 61
2.3.3. Модификация сетей Петри для анализа организационно-технических систем 71
Глава 3. Разработка системы управления техническим состоянием локомотивов 78
3.1. Модели принятия решений 80
3.2. Информационное обеспечение системы управления техническим состоянием локомотивов 87
3.2.1. Анализ информации, используемой в системах управления 87
3.2.2. Способы представления информации 88
3.2.3. Алгоритм структурирования информации 91
3.2.4. Информационное обеспечение моделирования процессов . 93
3.3. Методика проектирования систем управления техническим состоянием локомотивов 94
3.4. Математическая модель управления техническим состоянием локомотивов 97
Глава 4. Проектирование системы управления техническим состоянием локомотивов 104
4.1. Показатели, характеризующие контролепригодность локомотива . 104
4.2. Методика выбора номенклатуры узлов и агрегатов, подлежащих диагностированию 106
4.3. Формализация процесса технического диагностирования 109
4.4. Постановка задачи планирования технического обслуживания локомотивов 113
4.5. Модель формирования множества заявок на техническое обслуживание 116
Глава 5. Построение систем диагностирования для локомотивов 124
5.1. Выбор номенклатуры узлов и агрегатов, подлежащих диагностированию 124
5.2. Требования к системам технического диагностирования 127
5.3. Построение системы технической диагностики локомотивов . 132
5.4. Эксплуатационные испытания элементов управления техническим состоянием локомотивов 141
Заключение 150
Библиографический список 153
- Локомотив как организационно-техническая система
- Формальный аппарат анализа сложных организационно-технических систем
- Информационное обеспечение системы управления техническим состоянием локомотивов
- Методика выбора номенклатуры узлов и агрегатов, подлежащих диагностированию
Введение к работе
Локомотив рассматривается как сложная автономная многофункциональная организационно-техническая система. Выполнение возложенных на локомотив задач должно обеспечиваться эффективной эксплуатацией комплекса его технических средств. Под эксплуатацией понимается комплекс организационно-технических мероприятий, направленных на обеспечение наиболее эффективного использования локомотива по его назначению и поддержание его высокой технической готовности. Настоящая работа посвящена рассмотрению вопросов управления технической эксплуатацией локомотивов, являющейся основной составляющей эксплуатационного процесса.
Актуальность диссертации определяется решением задач рационального и экономичного расходования всех видов ресурсов, снижения их потерь, ускоренного перехода к ресурсосберегающим технологиям и повышения безопасности движения поездов.
Повышение эффективности процесса технической эксплуатации может быть достигнуто двумя путями: первый связан с повышением технического уровня системы технической эксплуатации, совершенствованием элементов этой системы, в том числе создания высокотехнологических и надежных узлов и агрегатов для подвижного состава, создания для ремонта и обслуживания локомотивов современных средств контроля параметров и технической диагностики; второй путь предлагает совершенствование системы управления эффективностью процесса технической эксплуатации, в том числе обоснования программ по техническому обслуживанию и текущему ремонту тягового подвижного состава, создания программ прогнозирования остаточного ресурса оборудования на базе внедрения автоматизированных систем управления локомотивным хозяйством.
Решение конкретной задачи по эксплуатации комплекса технических средств обеспечивается совокупностью технических систем, использующих общие ресурсы.
Все проблемы, возникающие при выполнении локомотивом назначенных функций, должны решаться силам локомотивной бригады в условиях случайного характера внешних возмущений. Сложность согласованного управления локомотивными определяется взаимной зависимостью задач, систем и ресурсов, дефицитом ресурсов и времени, противоречивостью частных эксплуатационных критериев, значительным объемом документации, неполнотой информации о состоянии систем, автономностью локомотива и постоянным усложнением техники. Указанные причины часто требуют принятия решений машинистом в неоднозначных ситуациях.
Кроме того, иногда приходится решать задачи технической эксплуатации в условиях снижения уровня готовности технических средств, происшедшего вследствие тех или иных повреждений оборудования. Особенно сложно принимать рения в аварийных режимах, когда управляющее воздействие может привести к катастрофическим последствиям.
Развитие систем управления техническим состоянием локомотивов создало предпосылки для управления процессами технической эксплуатации с использованием вычислительной техники. Такими предпосылками являются: - обеспечение систем управления техническим состоянием подсисте мами централизованного сбора и обработки данных о состоянии техничес ких средств для контроля и управления ими; - применение в системах управления техническим состоянием средств вычислительной техники, в частности, создание информационно- управляющих систем с распределенной структурой; - разработка и внедрение компьютерных средств и систем технического диагностирования.
Необходимость согласованного управления множеством различных взаимосвязанных систем для одновременного решения множества разнородных задач при выполнении назначенных функций наряду с указанными факторами обусловили актуальность разработок систем интеллектуальной поддержки процессов технической эксплуатации локомотивов. Следует отметить, что переход к автоматическим системам управления технической эксплуатацией, исключающим человека-оператора из процесса управления, пока проблематичен. Системы интеллектуальной поддержки должны ограничиваться выработкой рекомендаций, а принятие решений и ответственность за последствия их реализации следует возлагать на лицо, принимающее решения — машиниста локомотива.
Большой вклад в теоретическое обоснование вопросов управления процессами сложных систем внесли В.К.Дедков, Н.А.Северцев, Е.Ю.Барзилович, В.А.Каштанов, В.Ф.Воскобоев, С.И.Драницын.
Общетехнические и теоретические вопросы моделирования сложных систем разработаны в трудах Н.П.Бусленко, В.В.Калашникова, М.А.Месаровича, Д.А.Поспелова, Г.Л.Баранова, А.В.Макарова, Н.Г.Малышева.
Формализованные подходы к представлению различных аспектов функционирования сложных систем рассмотрены в работах В.Е.Котова, В.В.Васильева, В.В.Кузьмука, А.А.Лескина, Дж.Питерсона и др.
Вопросы представления информации и построения систем принятия решений отражены в трудах А.А.Башлыкова, И.Ю.Юсупова, Д.Майера, Ш.Атре, Д.Мартина.
Методологические основы построения сложных автоматических систем информационной поддержки процессов эксплуатации изложены в работах С.Н.Турсунова, В.В.Антипова, Р.Э.Кузьмина. Работы этих и других ученых составляют основу настоящего исследования.
Наиболее известные работы в области совершенствования системы ремонта локомотивов В.А.Четвергова, Е.С.Павловича, А.В.Горского, А.А.Воробьева, Ю.Е.Просвирова, Н.Н.Капранова, В.И.Седова, А.Б.Подшивалова, А.А.Чернякова. Она охватывают вопросы надежности тягового подвижного состава, обоснование рационального ремонтного цикла и его стоимости. На базе выполненных исследований и в развитие актуальной темы совершенствования системы ремонта локомотивов, при помощи математических моделей управления техническим состоянием тягового подвижного состава и анализа издержек по всему жизненному циклу оборудования в работе предлагается строить рациональный цикл ремонта локомотивов с учетом фактического технического состояния локомотивов.
Анализ существующих систем, предназначенных для решения задач управлении я эксплуатацией локомотивов, показал, что подобные системы обеспечивают решение ограниченного круга задач и предполагают значительный объем процедур, выполняемых вручную. Многофункциональность локомотива, многовариантность и взаимозависимость принятия решений и возложенных на локомотив задач, взаимосвязь бортовых систем и общность энергетических ресурсов требуют создания единых систем управления всем комплексом эксплуатационных процессов.
Постановка задачи исследования сводится в отсутствии законченных разработок в области создания локомотивных информационно-вычислительных систем, основанных на системном подходе и обеспечивающих согласованное управление разноплановыми процессами эксплуатации многофункционального комплекса технических средств с единых методологических позиций.
Локомотив как организационно-техническая система
Локомотив рассматривается как сложная замкнутая автономная многофункциональная система, обеспечивающая многовариантность решения поставленных задач. Локомотив относится к классу организационно-технических систем, т.к. в его состав входят комплекс функционально взаимосвязанных технических средств и локомотивная бригада, обеспечивающая нормальное функционирование всего комплекса оборудования. Под техническим средством понимается законченное техническое устройство, обладающее способностью выполнять определенные функции. В общем случае организационно-техническая система может быть представлена в виде совокупности трех структур: организационной, технической и структуры ресурсов (рис. 1.1).
Организационная структура регламентирует эксплуатацию комплекса технических средств локомотива локомотивной бригадой, включая управление техническими средствами, порядок и правила ведения поезда, регламент переговоров, правила отчетности, направления, периодичность и объем информационных потоков. Организационная структура локомотива как объекта эксплуатации определяется рядом нормативных и методических документов, принятых на железнодорожном транспорте. Организационная структура является определяющей при построении систем управления технической эксплуатацией.
Техническая структура отражает комплекс технических средств, то есть состав и размещение на локомотиве технических средств, их физические и функциональные взаимосвязи. Таким образом, технические средства организационно-технической системы рассматриваются как единый комплекс технических средств локомотива. С точки зрения иерархии управления, комплекс технических средств локомотива может быть представлен в виде набора базовых элементов технических средств, которые объединяются в функционально законченные группы элементов — системы локомотива. Ряд систем может быть представлен в виде набора подсистем, выполняющих часть функций системы, но не являющихся функционально независимыми. Следует отметить важную особенность, характерную для комплекса технических средств локомотива - это то, что все технические устройства распределены функционально и территориально. Кроме того, большинство подсистем комплекса технических средств являются также автономными объектами сложной структуры и требуется преодолеть несколько уровней иерархии комплекса технических средств, чтобы добраться до простейшего механизма. Обобщенная структура комплекса технических средств приведена на рис.1.2.
Система эксплуатации представляет собой совокупность локомотивного парка, средств его эксплуатации, ремонтного и эксплуатационного персонала и программ управления процессом эксплуатации. Система эксплуатации локомотивов обладает особенностями, присущими сложным техническим системам; наличием единой цели, управляемостью, взаимосвязанностью элементов, иерархической структурой. Система эксплуатации должна удовлетворять требованиям, совокупность которых направлена на выполнение в полном объеме задач, возложенных на эту систему. К таким требованиям относятся обеспечение безопасности движения поездов, высокие эффективность использования и экономичность обслуживания локомотивов.
Исходя из этого, анализ организационно-технических объектов следует основывать на декомпозиции, которая позволяет рассматривать их как иерархическую модель взаимосвязанных систем и подсистем. Декомпозицию следует проводить с учетом организационной структуры, поскольку она отражает установленный регламент эксплуатации оборудования.
Структура ресурсов отражает наличие следующих ресурсов, необходимых для полноценного функционирования организационно-технической системы: - материальное тело (топливо, масло, запасные части и т.п.); - энергия (электрическая, тепловая и т.п.); - информация о процессах, протекающих в организационно технической системе; - людские ресурсы как элемент воздействия на организационно техническую систему.
Необходимо отметить, что все ресурсы могут быть разделены на восстанавливаемые и невосстанавливаемые. Данное свойство характеризует способность вида ресурсов использоваться многократно в течение всего жизненного цикла локомотива и, прежде всего, при его эксплуатации.
Указанные структуры тесно взаимодействуют между собой и обмениваются потоками информации (I), управляющих сигналов (U), материального тела (М) и энергии (Е).
Формальный аппарат анализа сложных организационно-технических систем
Для анализа организационно-технических систем, как и любой сложной системы, необходимо выбрать математический аппарат, позволяющий формализовать процесс анализа системы. Ранее отмечалось, что анализ организационно-технических систем следует основывать на декомпозиции, которая позволяет рассматривать их как иерархическую модель взаимосвязанных систем и подсистем. К формальному аппарату, основанному на декомпозиции организационно-технических систем, предъявляются следующие требования [11, 13]: 1. Метод анализа и синтеза должен представлять собой определенное исчисление; 2. Формальный аппарат должен отражать иерархическую систему обобщенных описаний состояний объекта управления, управляющей системы и окружающей среды; 3. Формальный язык, применяемый для описания элемента любого уровня стратификации системы, должен легко интерпретироваться при переходе с одного уровня на другой; 4. Должны быть выделены примитивные объекты метода простейшие элементы декомпозиции системы на более простые подсистемы - симплексы, функционально замкнутые и специализированные; 5. Номенклатура симплексов должна быть конечна; 6. Любая композиция симплексов (комплекс) должна описываться характеристиками, подобными характеристикам симплекса; 7. Исчисление должно иметь, как минимум, два уровня: - общий (абстрактный), не зависящий от класса моделирующих систем; - частный (конкретный), определяемый классом систем. Рассмотрим классические методы структурного анализа сложных систем, частично удовлетворяющие указанным требованиям.
Метод агрегатирования Бусленко [13] основан на возможности декомпозиции сложной системы с требуемыми качествами из конечной совокупности простых подсистем. Суть подхода заключается в следующем: любая сложная система может быть разбита (в общем случае неоднозначным образом) на функциональные элементы - агрегаты. Агрегат определяется как объект А = A{T,X,Y, Ф, B,H,Q} (рис.2.2), где Т - множество рассматриваемых моментов времени, X={xlfx2, ...,хп} - множество состояний, Y = fyl,y2,...,yl} множество управляющих сигналов, А = {ах,а2,.. .,ак} - множество входных сигналов, Н - оператор переходов, реализующих функцию z(t), ze Z ,Ф={фл, р2,..., (pmj - множество выходных сигналов, G оператор выходов. Агрегатированная система (А-система) не содержит других элементов, кроме агрегатов, и имеет входные и выходные узлы-агрегаты. Сигналы на входные узлы поступают из внешней по отношению к А-системе среды и из А-системы выходят во внешнюю среду через выходные узлы. Любой агрегат, входящий в А-систему имеет в качестве внешней среды агрегаты, с которыми он связан. В [13] определяется совокупность операций, позволяющих производить анализ и синтез А-систем, преобразование их структур из одного вида в другой с целью приведения к одному из канонических видов. Формальный аппарат, применяемый для работы с подобными модулями, обеспечивает проведение структурного анализа, в результате которого удается оценить отношения между элементами и подсистемами сложной системы, проследить циркулирующие в системе потоки информации, выделить элементы и структурные конфигурации, существенные для функционирования системы и управления ею.
Исходя из заданного описания элементов системы и непосредственных связей между ними можно получить заключения о структурных свойствах системы в целом и основных ее подсистем. Однако, несмотря на потенциальную возможность декомпозиции сложной системы на некоторые примитивные объекты (агрегаты), номенклатура этих объектов не выходит за рамки понятия автоматического управления, что не позволяет применять этот метод при условии функциональной специализации агрегатов. Это обстоятельство резко снижает ценность рассмотренной методики. Другой подход — метод координированного управления Месаровича [38]. Здесь при анализе сложных многоуровневых иерархических систем управления в качестве элементарного модуля рассматривается двухуровневая иерархическая структура, в которой выделены управляемый процесс, система-координатор, нижестоящие управляющие системы и сигналы различных типов (рис.2.3). На рис.2.3 приняты следующие обозначения: Ч - управляемый процесс, С0 - вышестоящая управляющая система (координатор), С; -нижестоящие управляющие системы, ф. - управляющие воздействия, у. -координирующие сигналы или вмешательства, z,- - информационные сигналы или сигналы обратной связи.
Информационное обеспечение системы управления техническим состоянием локомотивов
Выработка решений по управлению объектом основана на анализе данных об этом объекте и анализе знаний как о законах протекающих в нем процессов, так и о правилах поиска решений. Поэтому при создании системы информационной поддержки принятия решений по эксплуатации важным элементом является проектирование внутреннего информационного обеспечения — структур базы данных и знаний. Для решения этого вопроса рассмотрим основные характеристики информации. По характеру изменения (обновления) информацию, используемую в системах управления эксплуатацией локомотивов можно разделить на [52]: - условно-постоянную, которая не изменяется или меняется мало с течением времени; - условно-переменную, которая существенно меняется в процессе функционирования систем управления эксплуатацией локомотивов. К условно-постоянной информации относятся различные модели объекта управления, базы знаний, системы критериев оценки качества и принятия решений, систему приоритетов для лиц, принимающих решения.
К условно-переменной относятся оперативная информация о текущем состоянии объекта управления и процессах, протекающих в нем. В зависимости от типа информации (условно-постоянная или условно-переменная), ее структурированности, способа представления ее пользователю можно выделить различные способы хранения информации. Все способы хранения информации можно свести к следующим [4, 5]: - хранение данных в виде несвязного файла произвольного доступа. Данный способ имеет смысл для хранения слабо- или неструктурированной информации, отчетных документов внешнего использования и т.д.; - хранение данных в виде ссылочных файлов (упакованных файлов). Такое представление информации имеет смысл в случае слабо заполненных таблиц; - хранение данных в виде таблиц — реляционные модели данных. Такое представление удобно в том случае, если информация является сильно или слабо структурированной. Каждый из приведенных способов хранения информации имеет как свои достоинства, так и недостатки. Хранение данных в виде несвязанного файла произвольного доступа сопряжено с проблемой доступа к информации, и поэтому может эффективно применяться лишь для подготовки документов для выдачи во внешнюю среду (отчеты) с последующим переводом на другие виды информационных носителей, а также для документирования процесса принятия решений в системе информационной поддержки принятия решений. Достоинствами хранения данных в виде ссылочных файлов являются: - простота программирования такого рода структур; - высокое быстродействие при правильно спроектированных алгоритмах доступа к элементам файла и структуре ссылочного файла. Недостатками ссылочных файлов являются значительная избыточность данных, аномалии, возникающие при изменении информации, а также зависимость данных от задач. К достоинствам табличной формы хранения информации можно отнести: - независимость данных от задач; - возможность обеспечения всех типов взаимосвязей между данными (отношения 1 : 1,1 :М,М: М); - простота и удобство использования; - наличие хорошо разработанной теории построения и применения такого вида моделей данных - реляционной алгебры.
Методика выбора номенклатуры узлов и агрегатов, подлежащих диагностированию
Диагностирование оборудования локомотива или его составляющих частей оправдано, если оно обеспечивает получение существенного положительного эффекта, например, достижение требуемого уровня надежности и безопасности в эксплуатации, сокращение издержек на техническое обслуживание и ремонт. Следовательно, одна из исходных задач является выбор конкретных узлов, агрегатов, оборудования или элементов локомотивов для диагностирования. Основные положения такого выбора предполагают следующее. По полученным экспериментальным данным для каждого элемента оборудования определяется средняя вероятность его отказа Q за межремонтный период (при принятой системе ремонта). Затем рассчитываются удельные издержки S0, связанные с устранением отказа элемента [65] где А - удельные издержки на 1 млн. км пробега.
Помимо этого в процессе эксплуатации расходуются средства на регламентное обслуживание Slt и ремонт Sp где С - удельная стоимость ремонта. Суммарные издержки, связанные с эксплуатацией элемента 5 и локомотива в целом л п - число элементов. Представив издержки по каждому элементу в безразмерной форме, можно оценить их долю G в общих эксплуатационных издержках или уровень относительного «несовершенства» элемента (неприспособленности к эксплуатации) где S3max - величина издержек по наиболее несовершенному элементу, требующий максимальных затрат при эксплуатации и ремонте. Потенциальная эффективность диагностирования 1-го элемента Ээ1 и локомотива в целом Эл можно представить в виде: /=i По аналогии можно оценить их вес в общей эффективности или сопоставить уровни эффективности диагностирования элементов Для выявления фактической эффективности диагностирования элементов, необходимо учесть удельные издержки на диагностирование (Ву), а также минимальную вероятность отказа элемента (Qd), которая достигается в результате диагностирования элемента определенными техническими средствами [55, 59]. В этом случае суммарные издержки по одному элементу составят: SQ , Si, Sp - удельные издержки (руб/млн.км) на устранение отказа, обслуживание и ремонт элемента с применением средств диагностирования. Фактическая экономия достигается за счет диагностирования узлов и агрегатов локомотива в целом (Эдэ ) составит: где т - число элементов, диагностирование которых дает положительный экономический эффект. Стоимости технических обслуживании и текущих ремонтов можно представить в виде: С = Сц + СДР- (4 141 где CfT0, CfTP - стоимость регламентных работ, выполняемых соответственно на техническом осмотре и текущем ремонте; Cfj0, Cf/P - стоимость дополнительных работ, выполняемых соответственно на техническом осмотре и текущем ремонте; В условиях планово-предупредительных системы ремонта локомотива в депо на поддержание исправного оборудования /-го вида за единицу времени или наработки расходуется
