Содержание к диссертации
Введение
1. Анализ существующих методов выработки организационно-технологических решений с определением их надежности при строительстве и реконструкции железных дорог .
1.1. Применяемые в железнодорожном строительстве технологические процессы с позиций системотехники 8
1.2. Системный подход к изучению системотехнических особенностей комплекса работ по сооружению верхнего строения пути 16
1.3. Организационно-технологическая надежность строительных систем и ее определение.
1.3.1. Надежность технологических систем 25
1.3.2. Надежность строительных систем 28
2. Системотехнические особенности технологических процессов и исследование их влияния на надежность организационно-технологического решения при строительстве и реконструкции железных дорог .
2.1. Элементарные модули технологических процессов и объединение их на основе комбинаторно-графовых моделей 40
2.2. Устойчивость функционирования технологических систем... 45
2.3. Методика определения значения организационно-технологической надежности.
2.3.1. Случайные значения продолжительности работ 48
2.3.2. Надежность комплекса работ по сооружению верхнего строения пути 58
2.4. Модели функционирования склада 61
3. Реализация полученных результатов исследования для анализа и выбора организационно-технологических решений .
3.1. Числовое значение надежности комплекса по сооружению верхнего строения пути 71
3.2. Формирование кластеров технологических процессов комплекса по сооружению верхнего строения пути 88
3.3. Влияние местоположения приобъектного склада на надежность комплекса работ по сооружению верхнего строения пути 95
4. Применение методики формирования кластеров работ повышенной надежности при сооружении железнодорожной линии от станции Новая Чара до станции Чина 106
Общие выводы по диссертации ПО
Список литературы 112
Приложения 122
- Системный подход к изучению системотехнических особенностей комплекса работ по сооружению верхнего строения пути
- Устойчивость функционирования технологических систем...
- Формирование кластеров технологических процессов комплекса по сооружению верхнего строения пути
- Применение методики формирования кластеров работ повышенной надежности при сооружении железнодорожной линии от станции Новая Чара до станции Чина
Введение к работе
Условия экономики и развитие научно-технического прогресса требуют особого внимания к вопросу надежности в отрасли строительного производства. Это диктуется развивающейся конкуренцией на рынке услуг транспортного строительства и сложившимся геополитическим положением России, а также появлением новых строительных машин и средств механизации, новых технологий.
В современных экономических условиях к продолжительности строительства предъявляются жесткие требования; уже недостаточно иметь большой практический опыт и хорошую инженерную интуицию. Эффективные и обоснованные решения могут быть приняты только на основе вариантного проектирования и на основе научных методов получения организационно-технологических решений.
В соответствии с принятым законом Российской Федерации «О
техническом регулировании» [11], вновь разрабатываемые СНиП, СП и
другие нормативные документы носят рекомендательный характер. В
них определяются только минимально необходимые основные
требования к потребительским свойствам объектов и сооружений
железной дороги и устанавливаются общие правила принятия
проектных, организационно-технологических решений,
обеспечивающих достижения этих свойств в процессе проектирования и строительства и их сохранения в период эксплуатации и утилизации после выработки ресурса.
Принятие конкретных решений в производственной ситуации возлагается на строительные организации, в связи с чем они должны располагать инструментом обоснованного выбора надежных организационно-технологических решений.
Таким образом, в деятельности строительных организаций одними из решающих факторов являются надежность и технический уровень принимаемых организационно-технологических решений.
Вопрос надежности организационно-технологического решения в существующих условиях транспортного строительства является системотехническим, так как строительство носит сложный системный вероятностный характер. Выбор организационно-технологических решений, применяемых в настоящее время, не всегда позволяет гарантированно ликвидировать вероятностные отклонения в ходе строительства и обеспечить выполнение поставленных задач. Это происходит из-за недоиспользования методов системотехники, отсутствия учета системотехнических особенностей транспортного строительства, что подтверждает актуальность исследования.
Целью исследования является разработка методики определения влияния системотехнических особенностей организационно-технологических процессов на надежность применяемых при строительстве и реконструкции железных дорог организационно-технологических решений с целью формирования кластеров работ повышенной надежности.
Для ее достижения необходимо решить следующие задачи:
Системный подход к изучению системотехнических особенностей комплекса работ по сооружению верхнего строения пути
В строительной литературе строительная система рассматривается как функциональная система, сформированная для достижения определенного результата в строительстве [7]. Строительная система с позиций системного подхода исследуется как единое целое с учетом всех взаимосвязей с изучением отдельных структурных частей.
Методология системного подхода реализована в исследовательском аппарате системного анализа. Она основана на структурном расчленении (декомпозиции), выделении отдельных подсистем, изучении взаимосвязей между этими подсистемами. Организация строительного производства в системном рассмотрении представляется технологической системой с гетерогенной эффекторной структурой, детерминированными, в основном, передаточными связями. Под технологической системой подразумевается совокупность технических систем, в которой отдельные части (технологии) приходится по ходу строительства заменять другими. В силу этого меняется структурный состав элементов. Для железнодорожного строительства подобная ситуация типична и вызывается как переменным воздействием среды, так и спецификой создаваемых объектов, т.е., в целом нестабильностью условий производства по отношению к достаточно устойчивой технологии. Если регулирование хода производства осуществляется технологическими средствами, система выглядит простой. Но смена процессов, использование новых машин, замена материалов в ходе производства и прочие виды регулирования, оказывающие влияние на параметры системы и делающие ее сложной, не относятся к технологии. Они осуществляются подсистемой более высокого порядка, способной выполнить функции организации производства, которая при известных вариантах технологии должна обеспечить в конкретных условиях их рациональное и эффективное осуществление.
Декомпозиция строительного комплекса железных дорог осуществляется на основе сложившейся производственной специализации. Декомпозиция системы железнодорожного строительства. Комплекс работ по сооружению железных дорог обширен, не все его части равноценны по результативности — характеру производимой промежуточной продукции. В частности, если продукция приобретает потребительскую ценность и позволяет, хотя бы с ограничениями, использовать недостроенный объект по основному назначению, то комплекс, производящий эту продукцию, приобретает высший ранг и становиться лидирующим.
Исходя их этого, комплекс работ по сооружению верхнего строения пути можно выделить как имеющий лидирующую роль, так как именно в результате его завершения объект приобретает потребительскую ценность — возможность осуществления движения поездов, которая немедленно реализуется в рабочем движении поездов. В связи с этим, комплекс сооружения верхнего строения пути является объектом исследования настоящей работы с позиций системотехники.
На сооружение верхнего строения пути приходится от 19% до 35% сметной стоимости железной дороги [14]. Комплекс работ по верхнему строению пути включает в себя (в общем случае): - заготовку рельсовых звеньев, блоков стрелочных переводов; - доставку звеньев на приобъектный базовый склад; - погрузку и доставку звеньев к месту монтажа; - монтаж рельсошпальной решетки на основной площадке земляного полотна с выправкой для пропуска рабочих поездов; - балластировку и выправку пути для подготовки к временной, а затем и постоянной эксплуатации.
Комплекс работ по сооружению верхнего строения пути объединяют: использование для доставки больших масс строительных материалов создаваемого рельсового пути; удаление рабочих зон от опорных баз с каждым очередным производственным циклом; связь внутреннего транспортного процесса с внешним, осуществляемым на действующей сети. При определении ведущего комплекса работ внутри комплекса по сооружению верхнего строения пути, его можно разделить на две части: сборочно-укладочный комплекс, продукцией которого является рельсовая колея; балластировочно-выправочные работы, доводящие путь до состояния, отвечающего условиям сдачи во временную или постоянную эксплуатацию.
Лидирующую роль в комплексе сооружения верхнего строения пути, играет сборочно-укладочный комплекс, так как именно в результате его завершения объект впервые приобретает потребительскую ценность - возможность осуществления движения поездов.
Балластировочно-выправочные работы сами по себе не создают более высокой потребительской ценности, так как начало временной эксплуатации связано с определенной степенью готовности ряда устройств железной дороги, а не только пути.
Эффективность лидирующего комплекса сопряжена с увеличением количества выдаваемой им продукции за единицу времени. Такой продукцией на первом этапе строительства железной дороги является, как известно, участок, сдаваемый во временную эксплуатацию [17,18]. Значит, повышение результативности сборочно-укладочного комплекса сопряжено, в первую очередь, с увеличением протяженности участка, сдаваемого во временную эксплуатацию. Доказано [19], что наивысший экономический эффект от сокращения срока строительства обеспечивается, в наибольшей мере, увеличением протяженности участка сдачи во временную эксплуатацию.
Устойчивость функционирования технологических систем...
Проблема устойчивости функционирования технологических систем тесно связана с системотехническим подходом к изучению сложных систем. Этот вопрос является очень важным при решении оптимизационных задач, к числу которых относятся задачи выбора рациональных организационно-технологических решений при строительстве и реконструкции железных дорог. Обычно под устойчивостью некоторого объекта понимают присущую ему способность сопротивляться не учитываемым ранее внешним воздействиям. Анализ устойчивости позволяет определить условия, при которых объект будет возвращаться в положение равновесия при произвольном внешнем воздействии, либо установить предельную величину такого воздействия, которая еще не выводит объект из положения равновесия [50].
Решение является устойчивым, если при некоторых отклонениях параметров решения от расчетных величина критерия оптимальности существенно не изменится. Такой постановке задачи, в принципе, соответствует понятие устойчивости по Ляпунову, сущность которого состоит в том, что при бесконечно малых отклонениях параметров решения от оптимальных разность величин критерия оптимальности в точке оптимума и в бесконечно близко расположенной точке бесконечно мала в течение бесконечно большого времени. На практике это означает, что в течение срока строительства отклонения показателей эффективности, возникающие при случайных колебаниях параметров решения, от оптимальных значений настолько малы, что в идеале не превосходят точности расчетов, т.е. нескольких процентов.
Под случайными колебаниями параметров решения мы будем понимать отклонения, порожденные в контуре управления производственной системой, например, при реакции на внешние помехи или случайные воздействия на строительный процесс.
Классическая процедура анализа устойчивости по Ляпунову предполагает построение системы дифференциальных уравнений, описывающих процесс, и ее решение. В нашем случае это неприменимо, так как организационную схему невозможно описать дифференцируемыми функциями и, более того, технологические и организационные зависимости описываются при помощи графа, что исключает возможность линеаризации функционального описания модели. Поэтому для анализа устойчивости оптимальных технологических решений мы используем статистический метод, а саму устойчивость определим как невыход за границы доверительного интервала, полученного для показателей эффективности оптимального решения, характеризуемого параметрами, отличными от оптимальных. Поэтому целью нашего анализа будет являться поиск предельных отклонений параметров решения, при которых оно остается устойчивым в смысле, определенном выше.
В силу того, что технологическое решение характеризуется графом и сопоставленным ему потоком, анализ устойчивости будем проводить, набирая методом Монте-Карло статистику по величинам показателей эффективности при случайных реализациях топологий графа и величин потоков. Будем считать, что пропускные способности дуг сети распределены по бета-закону, a tmax будем изменять до тех пор, пока полученный доверительный интервал не выйдет за верхнюю границу доверительного интервала показателей эффективности, полученных при бета - распределении пропускных способностей дуг с train 0,85to и tmax=2t0. Зафиксированная при этом величина, характеризующая верхнюю границу пропускной способности дуги, определит предельно допустимое воздействие на строительный процесс, не вызывающее потери устойчивости.
Аналогичная процедура должна быть выполнена для всех допустимых топологий графа, которые могут быть заданы. Обычно анализ устойчивости принимаемых решений не делается. Между тем, эффективное использование ресурсов в конкретной производственной ситуации требует определения диапазонов внешних воздействий на исследуемую производственную систему, которые не вызывают потери ее устойчивости и, в частности, недопустимых отклонений от договорных или директивных сроков строительства.
В [8] устойчивость определяется как надежность, так как надежность является важнейшей составляющей устойчивости. Длительность инвестиционного цикла, и в частности продолжительность строительства в существующих рыночных условиях является одним из важнейших экономических показателей. В отношениях заказчика и подрядчика, зачастую именно срок выполнения заданного объема работ является первостепенным в выборе заказчиком подрядчика. Это объясняется тем, что заказчик заинтересован в более раннем запуске этапа освоения эксплуатации, в течение которого обеспечивается окупаемость инвестиций.
Технологические комплексы работ представлены в виде сетевых графов, генерация случайных продолжительностей работ или комплексов работ производится методом Монте-Карло. Этот метод требует довольно большого количества вычислений. Но ввиду того, что он свободен от систематической ошибки и громоздкости, сравнительно просто реализуется на ЭВМ. После проведения нескольких десятков испытаний собирается статистика, включающая продолжительности работ. На основе полученных результатов по продолжительностям отдельных работ, набирается статистика по продолжительности критического пути [3].
Для проведения статистических испытаний сетевой модели необходимо установить закон распределения вероятностей появления тех или иных продолжительностей работ, входящих в сетевую модель, параметры этого закона. При выборе теоретических распределений случайных величин необходимо учитывать их особенности, выявленные при накоплении опыта исследований. Как было отмечено в [6], для случайных величин - значений времени выполнения отдельных работ -эти особенности состоят в следующем: - все встречающиеся на практике случайные величины имеют ограниченную область возможных значений (tmin, tmax). Появление возможных значений за границами (tH, tK) практически невозможно по организационным, психофизическим, техническим и другим причинам. Границы области возможных значений tmin и tmax являются важнейшими параметрами распределения случайной величины.
Формирование кластеров технологических процессов комплекса по сооружению верхнего строения пути
Под кластером технологических процессов комплекса по сооружению верхнего строения пути в настоящей работе понимается совокупность подкомплексов с близкими значениями коэффициента вариации (путь по сетевому графу).
Анализ коэффициентов вариации позволил выделить несколько кластеров технологических процессов. Работы в кластере по надежности близки, но надежность кластера в целом различна от других кластеров. По результатам, приведенным в таблице 2., сформируем кластеры технологических процессов с близкими значениями коэффициентов вариации.
Из рисунка видно, что кластеры, составленные из элементарных модулей с близкими значениями коэффициента вариации (№№1 и 2), имеют большую надежность, нежели состоящие из элементарных модулей работ с различными коэффициентами вариации (№ 3). 3.3 Влияние местоположения приобъектного склада на надежность комплекса работ по сооружению верхнего строения пути.
При выполнении расчетов в предыдущих главах была выдвинута гипотеза о влиянии местоположения приобъектного склада материальных ресурсов на надежность комплексного технологического процесса. Созданный в работе программный аппарат позволяет произвести численное моделирование для подтверждения этой гипотезы и исследования этого влияния. На рис. 2.6 приведен граф по производству работ на один километр пути, используя этот граф сформируем глобальную сетевую модель комплекса сооружения верхнего строения пути для перегона (L=15 км) 12 r, r 13 Рис.3.7 1 - сборка звеньев РШР; 2 - ожидание въезда; 3 - подача поезда под погрузку; 4 - маневры; 5 -погрузка на поезд звеньев РШР; 6 - маневры для выезда на линию; 7 - транспортировка до головного пункта, 8 - ожидание въезда на головной пункт, 9 - выгрузка звеньев РШР, 10 - ожидание возвращения, 11 - возвращение со строящегося участка; 12 - ожидание выезда на линию; 13 -возвращение на место погрузки; 14 - подготовка пути к балластировке; 15 - погрузка балласта на поезд; 16 - выгрузка балласта; 17 - перераспределение балласта; 18 - подъемка на слой балласта; 19 -выправка, подбивка, рихтовка; 20 - перегонка шпал по меткам, разгонка стыковых зазоров; 21 -отделка балластной призмы. Особенностью сетевой модели данного типа является то, что локальные сетевые модели содержат дуги, продолжительность которых зависит от места локальной модели на глобальной сети и параметры распределения продолжительности Ткр локальных моделей зависят от плеча доставки балластных материалов и звеньев (под плечом понимается расстояние от пункта погрузки соответствующими материалами поезда до головного раздельного пункта).
Данный граф рассчитывается с помощью метода Монте-Карло для разных значений плеч подвоза и места расположения склада.
Глобальная сетевая модель по сооружению верхнего строения пути рассчитана с учетом результатов, полученных в главе 3.1. Средства механизации, применяемые в данном графе берутся из Приложения 1. Приведем пример расчетов числового значения надежности с различным значением плеч подвоза материалов. Примем, что пункты погрузки балласта на поезд и погрузки звеньев рельсошпальной решетки находятся на расстоянии 5 км, 20 км, 100 км, 200 км, 300 км и 500 км от головного пункта.
Применение методики формирования кластеров работ повышенной надежности при сооружении железнодорожной линии от станции Новая Чара до станции Чина
Общее направление укладки пути от ст. Новая Чара до ст. Чина. Материалы верхнего строения доставляются со звеносборочной базы ст. Новая Чара. Балластировка пути производится хоппер-дозаторами вертушками.
Используя исследовательский аппарат описанный ранее, по схеме (Рис. 4.1.) для данного объема работ и техническими данными верхнего строения пути построим кластеры повышенной надежности. Используя кластеры работ полученные в главе 3, проведем расчеты по определению времени выполнения работ и сравним время для кластеров повышенной надежности (рис.3.4.) и кластеров с более низкой надежностью (рис.3.5.). На рис. 4.2. представлены результаты расчетов коэффициентов вариации для приведенных выше данных по кластерам работ, указанных на рис. 3.4 и рис. 3.5. Рис.4.2. Значение коэффициента вариации для кластеров работ по сооружению верхнего строения пути на линии от станции Новая Чара до станции Чина. Сравнив полученные результаты по нескольким наборам статистики можно сделать вывод, что при применении кластеров повышенной надежности время производства работ уменьшается по сравнению с кластерами с меньшей надежностью в среднем в 1,4 раза. по Общие выводы по диссертации:
1 В ходе исследования выполнен анализ подходов к решению задачи обеспечения надежности организационно-технологических решений. В современных исследованиях не полностью учтены системотехнические особенности комплекса работ по сооружению верхнего строения железных железнодорожного пути. Именно учет системотехнических особенностей позволяет достоверно определять параметры надежности.
2 Модель технологического процесса сооружения верхнего строения рассмотрена с учетом влияния транспортной составляющей. Рассчитаны несколько вариантов организационно-технологического решения в зависимости от места нахождения складов, определены параметры надежности для принятых вариантов решений. Выявлена взаимосвязь между надежностью и плечом транспортировки материалов: с увеличением плеча уменьшается значение надежности.
3 Предложена вероятностная модель функционирования приобъектных складов, выполняющих роль буфера при компенсации неравномерности поставок материалов, изделий, конструкций и их элементов к месту монтажа рельсошпальной решетки.
4 Произведено сопоставление надежностей вариантов технологических процессов путем сравнения коэффициентов вариации для соответствующих технологических процессов выборок продолжительностей критических путей, на основании чего сформированы кластеры технологических процессов с близкими значениями коэффициентов вариации.
5 Анализ топологий вариантов критического пути и сочетаний продолжительностей составляющих его работ показал, что надежность организационно-технологического процесса выше, то есть величина случайных колебаний продолжительности критического пути меньше в том случае, если критический путь состоит из работ с разными среднеквадратическими отклонениями. Напротив, близкие среднеквадратические отклонения продолжительностей работ, лежащих на критическом пути, ведут к снижению надежности технологического процесса. Таким образом, предложен принцип формирования комплексных технологических процессов повышенной надежности, что представляет основную научную и практическую ценность настоящей работы.
6 Установлено наличие двух тенденций, которые определяют существование оптимального положения промежуточного склада звеньев рельсошпальнои решетки. Первая тенденция определяется увеличением надежности процесса монтажа рельсошпальнои решетки и соответствующим повышением надежности комплексного технологического процесса сооружения верхнего строения пути при приближении склада к «голове» укладки. Вторая тенденция состоит в снижении надежности комплексного технологического процесса при приближении склада звеньев к «голове» укладки из-за увеличения влияния поездов, заполняющих склад звеньев, на движение рабочих и материальных поездов, обеспечивающих комплексный технологический процесс.
