Содержание к диссертации
Введение
1. Методология построения и адаптации сппр к задачам обеспечения безопасности 14
1.1. Обоснованность появления СППР и их ориентация на решение определённого класса задач 14
1.2. Сравнительный анализ и систематизация СППР по ряду используемых в качестве отличительных особенностей классификационных признаков 18
1.3. Анализ используемых при принятии решения математических методов и целесообразности их применения в разрабатываемой СППР 25
1.4. Архитектура, методологические особенности и принципы построения СППР, адаптированной к широкому классу задач по обеспечению безопасности 40
1.5. Методологические основы построения концепции использования СППР для решения задач обеспечения безопасности 53
1.6. Выводы по главе 1 61
2. Методологические основы принятия решений по обеспечению безопасности движения на железнодорожных переездах 62
2.1. Актуальность задачи обеспечения безопасности движения на железнодорожных переездах 62
2.2. Мероприятия, методы и технические решения, используемые для обеспечения безопасности на железнодорожных переездах 66
2.2.1. Анализ и систематизация мероприятий и методов повышения безопасности на железнодорожных переездах 66
2.2.2. Направленные на повышение безопасности законодательно-правовые и организационно-профилактические мероприятия 70
2.2.3. Технические мероприятия, методы и решения, используемые для повышения безопасности движения на железнодорожных переездах 75
2.2.4. Аналитические методы и решения задачи повышения безопасности движения на железнодорожных переездах 81
2.3. Анализ влияния различных факторов на уровень безопасности железнодорожного переезда 85
2.4. Сравнительный анализ математических методов, используемых для оценки уровня безопасности железнодорожного переезда... 120
2.5. Выбор критериев для оценки безопасности движения и последствий аварий на железнодорожных переездах 130
2.6. Предлагаемая методика расчёта уровня безопасности железнодорожных переездах 134
2.7. Выводы по главе 2 171
3. Система поддержки принятия решений в задачах обеспечения безопасности движения на железнодорожных переездах 172
3.1. Методология построения СППР для задач обеспечения безопасности движения на железнодорожных переездах 172
3.1.1. Задачи системы поддержки принятия решений по обеспечению безопасности движения на железнодорожных переездах 172
3.1.2. Методологические особенности построения, структура и алгоритм функционирования системы, адаптированной к решению задач по обеспечению безопасности железнодорожных переездов 174
3.1.3. Методология решения возлагаемых на систему задач оптимизации 183
3.2. Паспортизация железнодорожных переездов и их сертификация по уровню обеспечения безопасности 192
3.3. Поддержка принятия решений при классификации железнодорожных переездов 207
3.4. Имитационная модель железнодорожного переезда 228
3.5. Программно-аппаратная реализация СППР в задачах обеспечения безопасности железнодорожного переезда 244
3.6. Технико-экономическое обоснование эффективности внедрения разработанной системы поддержки принятия решений 253
3.7. Выводы по главе 3 262
4. Поддержка принятия решений в задачах обеспечения безопасности управления движением поездов 264
4.1. Архитектура и методология построения СППР в задачах обеспечения безопасности движения поездов 264
4.2. Модели для оценки потенциально реализуемых показателей эксплуатационной работы железнодорожного участка 271
4.3. Модели, применяемые при использовании для решения возлагаемых на СППР задач имитационного моделирования движения поездов 284
4.3.1. Моделирование поезда как объекта управления 284
4.3.2. Модель, имитирующая движение поездов на участке железной дороги, выбранном для проведения исследований 294
4.3.3. Моделирование функционирования на участке железной дороги различных систем обеспечения безопасности 298
4.4. Математические модели регуляторов, имитирующих управление ведением поезда с использованием нечёткой логики 299
4.5. Выводы по главе 4 304
5. Использование СППР в задачах обеспечения безопасности управления движением поездов при проведении исследований 306
5.1. Анализ потенциально реализуемой пропускной способности при оборудовании железнодорожного участка различными системами обеспечения безопасности 306
5.2. Использование математических моделей при оценке точности определения межпоездного интервала 315
5.3. Исследование качества управления ведением поезда 318
5.4. Исследование СППР при проведении исследований различных систем обеспечения безопасности движения поездов 327
5.5. Использование СППР для исследования функционирования различных систем обеспечения безопасности в условиях нарушения графика движения поездов 340
5.6. Выводы по главе 5 350
6. Применение СППР при решении ряда других задач обеспечения безопасности на железнодорожном транспорте 352
6.1. Использование СППР для решения задачи выбора координат располагаемых на участке сигнальных точек при выполнении технологического проектирования 352
6.2. Использование СППР для решения задачи осигнализования станции 356
6.3. Функционирование СППР в составе программно - аппаратного комплекса по обучению локомотивных бригад работе с устройствами обеспечения безопасности 364
6.4. Выводы по главе 6 377
Заключение ...379
Список литературы 385
Приложение А 405
- Сравнительный анализ и систематизация СППР по ряду используемых в качестве отличительных особенностей классификационных признаков
- Анализ и систематизация мероприятий и методов повышения безопасности на железнодорожных переездах
- Методологические особенности построения, структура и алгоритм функционирования системы, адаптированной к решению задач по обеспечению безопасности железнодорожных переездов
- Модель, имитирующая движение поездов на участке железной дороги, выбранном для проведения исследований
Введение к работе
Проблема обеспечения безопасности на железнодорожном транспорте актуальна для большинства государств, имеющих развитую сеть железных дорог. Анализ имеющихся статистических данных и целого ряда публикаций показывает, что на железных дорогах всего мира ежегодно совершаются тысячи аварий, в результате которых погибают или получают травмы различной степени тяжести несколько тысяч человек. Аварии также причиняют значительный материальный ущерб железной дороге, несущей убытки в результате повреждения железнодорожного полотна, контактной сети, подвижного состава, простоя поездов и срыва графика движения, повлекшего несвоевременную доставку на объекты грузов и пассажиров.
Как отмечает в своей книге «Техника управления безопасностью» профессор Колорадского университета (США) Д. Питерсон, можно не только прогнозировать возможность аварии, но и выявить обстоятельства, способствующие ее появлению. Следовательно, безопасностью можно и необходимо управлять так же, как и любой другой областью транспортной системы.
С целью повышения безопасности на железных дорогах РФ и за рубежом разрабатываются и широко применяются различные организационные, профилактические и технические мероприятия, реализация которых требует огромных капиталовложений и не всегда приводит к желаемым результатам. Чем ниже риск возникновения аварии, тем больше приходится платить за каждую единицу его дальнейшего уменьшения. Поэтому, в ряде случаев, дальнейшее повышение уровня безопасности сопряжено с очень большими дополнительными расходами.
Из сказанного выше следует, что с экономической точки зрения планирование и проведение мероприятий по снижению аварийности на железнодорожном транспорте необходимо осуществлять с учётом эффективности данных мероприятий. Эффективность любого мероприятия определяется соотношением функциональной полезности данного мероприятия и его стоимости. Любые ме 7 роприятия по повышению безопасности, осуществляемые без проведения подобного анализа, экономически не целесообразны. Если расчёт стоимости запланированного к проведению мероприятия не вызывает особых затруднений, то для определения функциональной полезности каждого мероприятия необходимо достоверно оценить ожидаемое после его проведения повышение показателей качества выполняемого технологического процесса и снижение числа аварий.
Задача поиска обоснованных решений по обеспечению безопасности при управлении технологическими процессами на железнодорожном транспорте относится к классу многокритериальных, очень сложных, слабоструктурированных, а в ряде случаев, вообще не поддающихся формализации, задач. Поэтому, обеспечивающее безопасность технологического процесса управленческое решение в задачах данного класса может быть найдено только при сочетании опыта, знаний и интуиции принимающего решение человека с возможностями математических методов и имитационного моделирования. Следовательно, реализация предлагаемого подхода к проблеме обеспечения безопасности возможна только с использованием построенной на основе современных компьютерных технологий специальной системы поддержки принятия решений (СППР).
Уровень развития вычислительной техники и имеющийся опыт моделирования технологических процессов на железнодорожном транспорте позволяет создавать СППР, эффективно объединяющие возможности математического моделирования и современных компьютерных технологий с накопленным опытом, знаниями и умением человека в решении слабоструктурированных или не поддающихся структуризации задач. Существенной отличительной особенностью СППР является непосредственное использование системы на всех стадиях процесса принятия решений, заключающегося в изучении проблемы; отборе необходимой для принятия решения информации; формировании и оценке альтернативных решений; выборе наиболее обоснованного решения и контроле за исполнением принятого решения. Поэтому, задача СППР заключается не толь 8 ко в выборе, систематизации и отборе необходимой для формирования управляющего воздействия информации, но и в предоставлении конкретных непосредственно используемых при принятии решения рекомендаций.
К настоящему времени наибольшее распространение на железнодорожном транспорте получили СППР, используемые при построении графика движения поездов, организации управления движением, функционировании различных АРМов и т.д. Принципы построения таких систем и используемых в них математических методов заложены в работах Баранова Л.А.. Лисенко-ваВ.М., Сапожникова В.В., Сапожникова Вл. В., Кравцова Ю.А., Некифоро-ва Б.Д., Ерофеева Е.В., Максимова В.М., Казимова Г.А., Степенского Б.М., Быкова В.П., Василенко М.И., Лисицына В.М., Тишкина Е.М., Абрамова В.М., Астрахана В.И., Моисеева А.А., Головичера ЯМ., Гуськова М.В., Фаминско-го Г.В. и ряда других учёных, занимающихся задачами повышения эффективности работы железнодорожного транспорта.
Решение любой задачи по управлению технологическими процессами, проектированию транспортных объектов, разработке технических средств автоматизации движения поездов и т. д. неразрывно связано с проблемой обеспечения безопасности. Поэтому, проблема создания СППР в задачах обеспечения безопасности на железнодорожном транспорте является весьма актуальной и имеет важное народнохозяйственное и социальное значение.
Актуальность и государственная значимость данной проблемы обусловлена: увеличением размеров движения, скоростей и веса составов; широким внедрением новых технологий и автоматизированных систем управления процессами перевозок; повышением требований к обоснованности каждого принимаемого решения и ответственности за его реализацию; значительными человеческими жертвами и материальными потерями от происходящих аварий и огромными расходами государства на реализацию мероприятий по снижению аварийности. Целью диссертационной работы является разработка методологии и принципов построения систем поддержки принятия решений в задачах обеспечения безопасности управления движением на железнодорожном транспорте.
Реализация данной цели предусматривает решение целого класса задач. Основными поставленными и решёнными в диссертации задачами являются:
1. Разработать методологию построения, архитектуру и алгоритм функционирования системы поддержки принятия решений в задачах обеспечения безопасности на железнодорожном транспорте. Формируемые с использованием данной системы решения должны обоснованными и обеспечивать требуемый уровень безопасности протекания управляемого процесса или функционирования проектируемой системы при минимуме капиталовложений на реализацию принимаемых решений.
2. Адаптировать разработанную систему и входящие в неё модули к решению ряда задач по обеспечению безопасности, таких как:
рациональный выбор мероприятий по обеспечению безопасности движения на железнодорожных переездах;
решение задач по обеспечению безопасности на стадии разработки, проектирования и эксплуатации систем интервального регулирования движения поездов;
- обеспечение безопасности и требуемых эксплуатационных показателей при осигнализовании железнодорожного участка;
обучение рациональному по ряду критериев управлению ведением поезда и работе с локомотивными системами и устройствами безопасности.
3. Разработать методологию и математические модели, используемые системой поддержки принятия решений при формировании вывода, формализации знаний, имитационном моделировании и взаимодействии с пользователем в каждой из поставленных в работе задач.
4. Разработать методологические основы, принципы построения и алгоритм функционирования основанных на нечёткой логике имитационных моделей и регуляторов, используемых разрабатываемой СППР при решении плохо 10 формализуемых или не поддающихся структуризации задач по обеспечению безопасности.
5. Проанализировать обоснованность формируемых системой рекомендаций, полноту предоставляемой пользователю для принятия решения информации и апробировать получаемые с использованием СППР результаты путём опытной эксплуатации и внедрения системы на предприятиях железнодорожного транспорта.
В первой главе диссертационной работы показывается обоснованность появления СППР и ориентация данных систем на решение определённого класса задач. На основе обобщения отечественного и зарубежного опыта проводится сравнительный анализ и систематизация СППР по ряду используемых в качестве отличительных особенностей классификационных признаков. Рассматриваются и анализируются используемые для принятии решений при исследовании операций и оптимизационных задач математические методы. На основе проведённого анализа обосновывается целесообразность применения различных методов для решения возлагаемых на разрабатываемую систему задач. Ещё одной решаемой в данной главе задачей является анализ методологических особенностей построения СППР и выбор на основе данного анализа методологии, архитектуры и принципов построения системы, адаптированной к задачам обеспечения безопасности на железнодорожном транспорте. В этой же главе предлагаются и экономически обосновываются основные положения базирующейся на использовании СППР концепции обеспечения безопасности и положенная в её основу методология решения рассматриваемой проблемы.
Во второй главе диссертационной работы всесторонне обосновывается актуальность задачи обеспечения безопасности движения на железнодорожных переездах. Проведен анализ и систематизация используемых для снижения аварийности на железнодорожных переездах мероприятий, методов и технических решений, позволяющие обобщить накопленный опыт и обоснованно подойти к решению задачи по обеспечению безопасности. На основе анализа статистических данных, полученных с использованием большой выборки переездов дальневосточной и Забайкальской железных дорог, оценивается влияние на безопасность движения различных факторов. Целый раздел главы посвящен рассмотрению и сравнительному анализу применяемых при оценке безопасности железнодорожного переезда критериев и математических методов. На основе результатов проведённого анализа и выполненных исследований формулируются критерии, отличающиеся вероятностным подходом к определению влияния на аварийность различных факторов, а также возможностью количественной оценки и нормирования уровня безопасности для любого железнодорожного переезда. Расчёт данных критериев предлагается осуществлять с использованием специально разработанной и также рассматриваемой в данной главе методики, сочетающей учёт большинства присущих переезду особенностей с применением статистических данных об авариях, имевших место на рассматриваемом и близких к нему по характеристикам железнодорожных переездах.
В третьей главе диссертационной работы рассматриваются предлагаемая методология, архитектура, принципы построения и алгоритм функционирования СППР, адаптированной для решения задач обеспечения безопасность на железнодорожных переездах, позволяющей обеспечить: расчёт критериев безопасности железнодорожного переезда; обоснованный выбор устанавливаемых на переезде устройств автоматики; минимизацию объёма капиталовложений на решение задачи обеспечения безопасности рассматриваемой группы переездов при заданном риске возникновения аварии; минимизацию риска возникновения аварии при фиксированном объёме капиталовложений на реконструкцию и эксплуатацию переездов; составление электронного паспорта каждого из расположенных на дороге переездов; основанную на нечёткой логике классификацию переездов и их сертификацию по уровню безопасности; имитацию функционирования переезда при различных условиях и размерах движения поездов и автотранспорта, а также решение ряда других задач. Принятие СППР в каждой из перечисленных задач обоснованного решения базируется на разработанной автором методологии и математических моделях, также описываемых в рассматриваемой главе диссертационной работы. В заключительном разделе главы выполнен расчёт экономической эффективности внедрения разработанной СППР, показавший, что использование системы на всей сети железных дорог РФ обеспечит ежегодную экономию около 30 млн. рублей.
В четвёртой главе рассматриваются предлагаемая методология, архитектура, принципы построения и алгоритм функционирования СППР, разработанной для задач обеспечения требований безопасности на стадии разработки, проектирования и эксплуатации систем интервального регулирования движения поездов. Предлагается базирующаяся на моделях импульсных систем методика расчёта потенциально реализуемых показателей эксплуатационной работы железнодорожного участка. Рассматриваются принципы построения и алгоритм функционирования ряда разработанных для СППР имитационных моделей, позволяющих имитировать: функционирование основных систем подвижного состава, как объекта управления; движение одного или группы составов по выбранному для проведения исследований железнодорожному участку; функционирование на участке различных систем обеспечения безопасности и т. п. Отдельно рассматриваются предлагаемые в диссертации математические модели регуляторов, имитирующие управление ведением поезда с использованием нечёткой логики и адекватно описывающие процесс управления поездом при наличии человеческого фактора.
В пятой главе описывается методология проведения различных исследований, выполняемых с использованием разработанной СППР, при решении задач обеспечения безопасности управления движением поездов. Рассматриваются предлагаемые в диссертации математические модели для расчёта потенциально реализуемого межпоездного интервала и пропускной способности железнодорожного участка при различных способах построения систем обеспечения безопасности движения поездов. Приводятся результаты выполняемых с помощью данных и ряда других моделей исследований. Рассматривается использование разработанных для СППР имитационных моделей при анализе показателей качества управления ведением поезда и исследовании различных систем обеспечения безопасности. Приводятся и анализируются результаты исследо 13 ваний, выполненных методом имитационного моделирования на этапе разработки микроэлектронных системами автоматической локомотивной сигнализации единого ряда.
В шестой главе диссертационной работы рассматриваются вопросы адаптации разработанной СППР к решению ряда других задач обеспечения безопасности на железнодорожном транспорте. Одной из таких задач является осигнализование железнодорожного участка, обеспечивающие повышение безопасности движения и качества управления технологическими процессами за счёт рационального выбора координат перегонных и станционных сигналов. Разработанная и описываемая в данной главе методология построения используемой при решении данной задачи СППР обеспечивает проведение технологического проектирования с учётом реально существующих параметров и размеров движения поездов, выполняемых поездных и маневровых передвижений и позволяет оценивать влияние принимаемых при проектировании решений на обеспечиваемые показатели эксплуатационной работы. Другой, решаемой в данной главе задачей, является разработка программно-аппаратного комплекса для обучения и проверки уровня подготовки локомотивных бригад, отличающегося от используемых ранее наличием реализованной с использованием нечёткой логики системы поддержки принятия решений при управлении поездом и работе с устройствами обеспечения безопасности. Рассматривается методология построения комплекса и СППР, а также решаемые ими задачи. Приводятся результаты анализа, показывающие, что применение комплекса и входящей в него СППР позволят: существенно снизить затраты времени и средств на обучение и повышение квалификации машинистов, уменьшить число браков в локомотивном хозяйстве, сократить финансовые потери от простоя и задержки составов и повысить безопасность движения поездов.
Сравнительный анализ и систематизация СППР по ряду используемых в качестве отличительных особенностей классификационных признаков
Существенной отличительной особенностью СППР является непосредственное использование системы на всех стадиях процесса принятия решений, заключающегося в изучении проблемы; отборе необходимой для принятия решения, информации; формировании и оценке альтернативных решений; выборе наиболее обоснованного решения и контроля за исполнением принятого решения. Поэтому, задача СППР заключается не только в выборе, систематизации и отборе необходимой для формирования управляющего воздействия информации, но и в предоставлении конкретных, непосредственно используемых при принятии решения, рекомендаций.
Учитывая изложенные соображения, по мнению автора, наиболее целесообразно рассматривать СППР, как некоторый класс автоматизированных интегрированных интеллектуальных информационно управляющих систем, сочетающих возможности математического моделирования и современных компьютерных технологий с накопленным опытом, знаниями и умением человека в решении слабоструктурированных или не поддающихся структуризации задач. Задача поиска обоснованных решений по обеспечению безопасности управления технологическими процессами на железнодорожном транспорте относится к классу слабоструктурированных, а в ряде случаев, вообще не поддающихся формализации задач. Сложность формализации задач данного класса обусловлена: наличием разнообразных, плохо прогнозируемых и контролируемых возмущающих воздействий; присутствием при управлении человеческого фактора, порождающего неопределённость, многокритериальность и субъективность оценок; невозможностью получения с помощью существующего математического аппарата аналитического описания процесса формирования всесторонне обоснованного решения. Обеспечивающее безопасность технологического процесса управленческое решение, в задачах данного класса, может быть найдено только при сочетании опыта, знаний и интуиции принимающего решение человека с возможностями математических методов и имитационного моделирования. Следовательно, с учётом выше изложенного, можно сделать вывод, что для обеспечения безопасности управления технологическими процессами на железнодорожном транспорте, целесообразно использовать специально разработанные, адаптированные к данному классу задач, системы поддержки принятия решений. Обоснованный выбор архитектуры и методологии построения таких систем открывает возможности для их широкого применения при реализации предлагаемой в работе концепции обеспечения безопасности. Вывод по разделу 1.1: Для обеспечения безопасности управления технологическими процессами на железнодорожном транспорте целесообразно использовать специально разработанные, адаптированные к данному классу задач, системы поддержки принятия решений. Анализ опубликованных материалов [1-16] позволил выделить ряд рассмотренных в предыдущем разделе, свойственных всем СППР характерных особенностей, таких как: принадлежность к классу интеллектуальных информационных систем; ориентация на решение слабоструктурированных или вообще не поддающихся формализации задач; - использование определённой методологии построения и характерных для архитектуры системы функциональных модулей; сочетание знаний системы и умения человека принимать обоснованные решения с современными методами математического моделирования. Однако, как показывают результаты проведённого сравнительного анализа, несмотря на наличие общих для данного класса систем функциональных признаков, СППР существенно отличаются друг от друга по ряду характеристик. Данные характеристики могут быть положены в основу построения систематизации СППР по ряду классификационных признаков. В качестве базовых классификаторов СППР целесообразно использовать следующие отличительные признаки: проблемная область, на которую ориентирована система; функциональная принадлежность; уровень иерархии пользователя и решаемых системой задач; характер использования; область применения; концептуальные модели; временной горизонт; способ представления и обработки данных; вид неопределённости используемой информации; программные средства; количество лиц, участвующих в принятии решения; способ формализации и представления знаний; механизм логического вывода; используемые математические методы; технология разработки и т.д. (см. рис. 1.1). Проблемная область определяется типом возлагаемой на СППР задачи, в зависимости от которой можно выделить системы: - прогнозирования развития ситуаций и оценки последствий решений, при нимаемых по изменению ситуации [1, 3-5]; обоснованного отбора и интерпретации данных [1,6]; - поиска отказов объекта или системы [1,2]; выработки определённой последовательности принимаемых решений для достижения требуемого состояния или поведения объекта [1,2, 3]; проектирования объекта или системы с заданными характеристиками [1]. Функциональная принадлежность характеризует целевую направленность системы на решение определённого класса отраслевых или функциональных задач. Отраслевые СППР предназначены для решения проблем в конкретной отрасли, например, в машиностроении [1, 2], медицине [1, 2], энергетике [1,2] и т. д. Системы функциональной направленности ориентированы на решение некоторой функциональной задачи. Примером такой системы может служить СППР Marketing Expert, предназначенная для разработки стратегического и тактического планов маркетинга [1,2].
По уровню иерархии пользователя и решаемых системой задач, а также зависимости ЛПР от других лиц в процессе принятия решения, можно выделить государственные, регионально-территориальные, производственные и локальные СППР. В качестве примера СППР государственного уровня можно привести разработанную компанией IBM Geodata analysis and display system [1,2], используемую при анализе и формировании карт территориального распределения различных ресурсов. К государственному и регионально-территориальному уровню также относятся системы поддержки принятия решений по управлению в чрезвычайных ситуациях [1, 2]. Производственные СППР создаются для решения сложных комплексных проблем предприятия [1, 2]. Локальные системы обеспечивают принятие всесторонне обоснованных решений в отдельных автономных задачах, таких как, проведение лингвистической экспертизы, управление транспортным средством и т. д. [1, 2].
По характеру использования различают, так называемые «ad hoc» (для данного случая) СППР, создаваемые для решения относительно несложных одноразовых проблем, и СППР, ориентированные на использование в сложных, требующих многократно повторяющегося решения, задачах [1,2].
Область применения СППР характеризуется очень широким спектром различных сфер человеческой деятельности: технические системы, экономика, юриспруденция, медицина, образование, наука, искусство, спорт и т.д. [1, 2]. Например, в телекоммуникационных компаниях СППР используются при принятии решений по расширению численности абонентов и минимизации их оттока в другие компании. В банковской сфере СППР обеспечивают более качественный мониторинг различных видов банковской деятельности по обслуживанию займов инвестиций, кредитных карт и т.д.
Анализ и систематизация мероприятий и методов повышения безопасности на железнодорожных переездах
Анализ имеющихся статистических данных и целого ряда публикаций показывает, что на железных дорогах РФ ежегодно совершаются сотни аварий. Особенно актуальна проблема обеспечения безопасности на железнодорожных переездах, где практически каждая авария сопровождается большим числом человеческих жертв, особой тяжестью травматизма и значительными материальными потерями. После каждой крупной аварии собирается совещание и назначается комиссия по расследованию причин, повлекших возникновение данной аварии. Хотя любой аварии сопутствует наличие многих факторов, как правило, выбирается один, по мнению комиссии наиболее значимый и требующий немедленного устранения.
Как отмечает в своей книге «Техника управления безопасностью» профессор Колорадского университета (США) Дан Питерсон, причины любой аварии должны рассматриваться как симптомы неудовлетворительной организации эксплуатационной работы, на улучшение которой и необходимо направлять большую часть усилий. Согласно предложенной Д. Питерсоном теории множественности причин возникновения аварии, можно не только прогнозировать возможность аварии, но и выявить обстоятельства, способствующие ее появлению. Поэтому безопасностью можно и необходимо управлять так же, как и любой другой областью транспортной системы. Следовательно, обеспечение безопасности должно являться такой же ежедневной производственной функцией руководителей различного уровня, как и обеспечение необходимого качества, стоимости и количества перевозок. Сегодня же очень часто внимание к проблеме обеспечения безопасности привлекается только после совершения очередной аварии и сводится к выявлению причин и наказанию виновных в ее возникновении.
По мнению Д. Питерсона, ключом к эффективному осуществлению функции безопасности является установление руководством персональной ответственности за ее обеспечение на отдельных участках транспортной системы. Как показывает практика, ответственность имеет решающий фактор в обеспечении безопасности, а снижение контроля и ответственности неминуемо приводит к возникновению аварии.
При расследовании причин любой аварии необходимо, в первую очередь, выявлять и устранять не ошибки отдельных операторов, а ошибки в используемых методах или самой системе организации управления технологическим процессом. Следовательно, внимание специалистов по безопасности и руководителей всех рангов, в первую очередь, должно быть обращено на слабые места в организации управления, существующих директивах и проводимой технической политике.
В России практически после каждой крупной аварии появляются инструкции, указания и другие нормативные документы, предусматривающие проведение мероприятий по повышению безопасности и технической оснащённости объектов железнодорожного транспорта. Последнее неотъемлемо связано с необходимостью больших капиталовложений, изыскать которые не всегда представляется возможным. Более того, эффективность этих капиталовложений зачастую оказывается столь низкой, что не дает желаемого результата, так как практически не приводит к сокращению числа аварий. Например, даже в такой стране как США, с ее высокоразвитой экономикой, остаются не оборудованными активными ограждающими устройствами около 100 тысяч железнодорожных переездов, размеры движения на которых недостаточны, чтобы оправдать затраты на установку светофорной сигнализации и шлагбаума и их последующую эксплуатацию.
Внедрение новых технических средств на объектах с высокой технической оснащённостью, например, на уже оборудованных устройствами автоматики железнодорожных переездах с большими размерами движения поездов и автотранспорта, также не всегда оправдано. Последнее обусловлено существованием нелинейной зависимости между затратами на обеспечение безопасности и уже существующим риском возникновения аварии. Чем ниже риск возникновения аварии, тем больше приходится платить за каждую единицу его дальнейшего уменьшения. Поэтому, в ряде случаев, дальнейшее повышение уровня безопасности сопряжено с очень большими дополнительными расходами.
Из сказанного выше следует, что с экономической точки зрения введение дополнительных мер по повышению безопасности будет оправдано, если снижение издержек от аварий не меньше затрачиваемых капиталовложений и эксплуатационных расходов от внедрения новой техники. Следовательно, из экономических соображений всегда можно выбрать рациональное значение риска возникновения аварии, при котором достигается оптимальное соотношение за 56 трат на обеспечение безопасности и издержек от последствий совершенных аварий [106,111].
Конечно, такие общечеловеческие ценности, как жизнь и здоровье людей, не могут быть просто сведены к определенной статье расходов. Однако, следует, наконец, признать сам факт невозможности обеспечения абсолютной безопасности. Поэтому, сколько бы мы не затрачивали средств, всегда будет существовать характеризуемый некоторым числовым значением риск возникновения аварии, в том числе и со смертельным исходом. Наглядным примером сказанного, например, применительно к железнодорожным переездам, могут служить многие аварии, происходящие в результате объезда транспортным средством перекрывающего автодорогу шлагбаума, а также падение автомобиля КамАЗ на железнодорожные пути с функционирующего путепровода [6].
С учетом вышесказанных соображений, используемый на железнодорожном транспорте качественный подход к определению безопасности необходимо заменить количественным подходом [106], рассматривая безопасность, как одно из единственных свойств комплексного свойства надежности [108]. Например, при рассмотрении вопроса обеспечения безопасности применительно к железнодорожным переездам, под данным свойством следует понимать сохранение жизненных и материальных ценностей при проследовании переезда поездами, автотранспортными средствами и пешеходами. При данном подходе безопасность можно характеризовать вероятностью возникновения опасных отказов, под которыми понимаются аварии. Величину данной вероятности для каждого объекта железнодорожного транспорта следует выбирать, исходя из экономических соображений. Однако, вычисленное значение данного показателя не должно превышать некоторого, определяемого по соображениям безопасности критического значения.
Методологические особенности построения, структура и алгоритм функционирования системы, адаптированной к решению задач по обеспечению безопасности железнодорожных переездов
Решающий модуль обеспечивает формирование предлагаемых СППР вариантов решения оптимизационных задач и задач, решаемых с использованием лингвистических переменных и системы нечёткого вывода. Выделение в составе СППР данного модуля продиктовано особой значимостью возлагаемых на него задач для формирования обоснованного решения и сертификации переездов по условиям обеспечения безопасности.
Под оптимизационными задачами в рассматриваемой СППР понимается оптимальный по экономическим соображениям и условиям безопасности выбор: типа устанавливаемых на каждом переезде ограждающих устройств, очередности оборудования переезда данными устройствами, вида и этапности проведения различных мероприятий по изменению характеристик и индивидуальных особенностей железнодорожного переезда. Целью оптимизации является поиск одного из множества вариантов реконструкции и оборудования рассматриваемой группы переездов ограждающими устройствами. В зависимости от решаемой задачи, предлагаемый пользователю вариант должен обеспечивать: максимально возможный при выделяемом объеме капиталовложений уровень безопасности или заданный пользователем СППР уровень безопасности при минимально возможных экономических затратах. Более детальному рассмотрению постановки и методологии решения, данных задач, посвящен раздел 3.1.3.
Выполняемая в решающем модуле обработка нечетких лингвистических переменных позволяет скорректировать рассчитанное для каждого переезда значение уровня безопасности, оцениваемое вероятностью возникновения аварий в среднестатистическом часовом интервале. Корректировка осуществляется путем обработки хранящейся в памяти СППР информации об авариях, уже имевших место на рассматриваемом и близких к нему по характеристикам железнодорожных переездах. Формирование однородных по характеристикам групп переездов и определение степени принадлежности любого из переездов каждой группе также осуществляется в решающем модуле системы с использованием методики Fuzzy logic.
Кроме решения указанных выше задач, данный модуль позволяет реализовать предложенный автором способ сертификации переездов по уровню безопасности, а также по-новому подойти к классификации переездов в зависимости от размеров движения поездов и автотранспорта. Изложенной методологии решения задачи классификации и сертификации железнодорожных переездов посвящены разделы 3.2, 3.3.
Еще одной функцией решающего модуля является анализ предлагаемых системой и человеком вариантов решения каждой рассматриваемой задачи. После получения от системы рекомендуемого к использованию варианта, ЛПР предоставляется возможность либо согласиться с предлагаемым СППР вариантом, либо изменить его по своему усмотрению, предварительно оценив с помощью системы обоснованность принимаемого решения.
Информационно-интеллектуальный модуль СППР содержит необходимые для функционирования системы базы данных, а также базу знаний, предназначенную для хранения основанных на опыте специалистов и используемых в процессе принятия решения алгоритмов. Для хранения данных в системе образовано несколько баз, сформированных с учетом вида предоставляемой пользователю информации. Основными из используемых баз данных являются: база, содержащая информацию о расположенных в пределах дороги отделениях, дистанциях пути, дистанциях сигнализации и связи; база, содержащая информацию о расположенных в пределах каждой дистанции железнодорожных переездах; база данных о характеристиках и индивидуальных особенностях каждого из расположенных на дороге переездов; база, содержащая информацию о распределении во времени транспортных потоков по видам автотранспорта и группам железнодорожных переездов; - база данных о технико-эксплуатационных характеристиках автотранспорта и обращающегося в пределах дороги подвижного состава; база данных о климатическом поясе и метеоусловиях региона; база данных, содержащая информацию об уже совершенных авариях и имевших место, зарегистрированных аварийных ситуациях; база, содержащая информацию о стоимости устанавливаемых на переезде технических устройств, а также стоимости строительно-монтажных работ по оборудованию данными устройствами железнодорожного переезда; дополнительная информационная база. Данные о характеристиках и индивидуальных особенностях переезда содержат необходимую для принятия решения информацию. На основе этой информации осуществляется: паспортизация, классификация и сертификация переездов; моделирование функционирования переезда при различных условиях и размерах движения поездов и автотранспорта; решение возлагаемых на систему оптимизационных задач; выдача рекомендаций по реконструкции рассматриваемой группы железнодорожных переездов и т.д. База данных транспортных потоков содержит полученную для различных групп переездов и видов автотранспорта информацию об изменении интенсивности движения по часовым интервалам. При формировании базы предусматривается задание распределений по каждому виду автотранспорта для переездов, расположенных на шоссе, в городской и сельской местности (см. раздел 2.6). В качестве видов автотранспорта рассматриваются: обычные транспортные средства, большегрузные и длиннобазные автомобили, автобусы. База данных о технико-эксплуатационных характеристиках автотранспорта и подвижного состава содержит информацию о длине, массе и тормозных коэффициентах различных категорий автотранспортных средств, определенных при различных типах и состояниях покрытия автодороги. В рассматриваемой базе также хранится информация о типе, массе, длине, скорости движения и специальным образом формализованных тяговых и тормозных характеристиках обращающегося на участке подвижного состава. В базе данных о климатическом поясе и метеоусловиях записана информация о характерном для данного региона распределении по времени года про 181 должительности светового дня, среднем для каждого месяца количестве дней с дождем, туманом и снегопадом, а также среднемесячных температурах. В базе данных об уже совершенных авариях и имевших место зарегистрированных аварийных ситуациях записана информация о времени, месте и причине каждой аварии, марке и номере попавшего в аварию автотранспорта, данные о количестве пострадавших и погибших в результате аварии людей, сведения о принявшем участие в аварии подвижном составе и т.д.
Модель, имитирующая движение поездов на участке железной дороги, выбранном для проведения исследований
Использование Fuzzy Logic позволило разделить все переезды на три описываемых нечеткими множествами сертификационных класса. Наличие нечетких границ и возможности определения степени принадлежности каждого переезда соответствующему классу обеспечивают обоснованный подход к оценке уровня безопасности любого железнодорожного переезда.
Оцениваемый вероятностью возникновения аварии в среднестатистическом часовом интервале уровень безопасности является наиболее полной характеристикой переезда, косвенно учитывающей влияние на безопасность всех индивидуальных особенностей. Однако, при сертификации переездов, наряду с уровнем безопасности, могут также учитываться и другие, характеризующие переезд параметры, такие как: размеры движения поездов и автотранспорта, условия видимости, наличие ограждающих устройств и т.д. По мнению автора, данные параметры целесообразно учитывать не при сертификации переездов по уровню безопасности, а при их классификации по категориям. - разработан включённый в СППР электронный паспорт железнодорожного переезда, обеспечивающий возможность оперативного получения, хранения и корректировки информации о каждом расположенном на дороге переезде; - предложен основанный на разработанной методике расчёта вероятности аварии и нечёткой логике способ сертификации переездов по уровню безопасности с нормированием данной величины по сети или одной железной дороге. В соответствии с положениями инструкции по эксплуатации железнодорожных переездов [55, 57, 65] для классификации переездов используется следующие критерии: место расположения переезда, интенсивность движения железнодорожного и автомобильного транспорта, организация регулирования движения. В зависимости от места расположения выделяются переезды общего и не общего пользования. К первым относятся переезды, расположенные на пересечениях железнодорожных путей общего пользования с автомобильными дорогами общего пользования, муниципальными автодорогами и улицами. Ко вторым - переезды, расположенные на пересечениях железнодорожных путей с автодорогами отдельных предприятий или организаций.
По интенсивности движения железнодорожного и автомобильного транспорта переезды подразделяются на четыре категории, задаваемые в соответствии с изложенной в инструкции [57] методикой.
В зависимости от организации регулирования движения переезды делятся на регулируемые и нерегулируемые. К регулируемым относятся оборудованные переездной сигнализацией или обслуживаемые дежурными работниками переезды, а к нерегулируемым - не оборудованные устройствами переездной сигнализации и не обслуживаемые дежурными работниками переезды.
В виду незначительного числа учитываемых критериев, используемая в инструкции [57] классификация не отличается полнотой представления информации о большинстве присущих переезду индивидуальных особенностей. Ограниченность классификации затрудняет её использование при решении целого ряда практических вопросов. Так, например, при организации перевозки крупногабаритных грузов предоставляемые в соответствии с классификаций данные необходимо дополнить параметрами, позволяющими точно оценить реальную пропускную способность переезда [139]. Такими параметрами являются: ширина проезжей части автодороги на переезде, длина переезда, количество пересекаемых железнодорожных путей, высота подвески контактного провода, место расположения переезда, угол пересечения железной и автомобильной дорог, покрытие автодороги на переезде и подходах к нему, наличие маршрутов движения через переезд пассажирского транспорта и т. д. Для рационального выбора мероприятий по обеспечению безопасности требуется знание ещё большего количества параметров железнодорожного переезда (см. табл. П.5.1). Решение данной задачи достигается путём создания входящего в состав разработанной СППР электронного паспорта каждого из расположенных на дороге переездов, методология построения которого рассмотрена в разделе 3.2.
Электронный паспорт является наиболее полным источником информации о железнодорожном переезде. Паспорт в систематизированном виде содержит сведения о большинстве присущих переезду индивидуальных особенностях, каждая из которых может выступать в роли соответствующей классификационной характеристики переезда.
Сохранение в паспорте информации о категории переезда при наличии сведений о размерах движения поездов и различных видов автомобильного транспорта обусловлено удобством практического использования данной классификационной характеристики. Предусмотренный инструкцией [55, 65] способ определения категории переезда в зависимости от интенсивности движения железнодорожного и автомобильного транспорта иллюстрирует диаграмма, представленная на рис. 3.12.
Как видно из рис. 3.12, незначительное изменение размеров движения поездов и автотранспорта в определённых точках диаграммы приводит к скачкообразному изменению категории переезда. Например, при размерах железнодорожного движения 100 поездов в сутки и размерах движения автотранспорта 200 автомобилей переезду присваивается IV - я категория. При изменении размеров движения в сторону увеличения всего на один поезд (см. точку А) или одно автотранспортное средство (см. точку В) рассматриваемый переезд сразу же переходит в III - ю категорию.
