METHOD FOR PLANNING NON-DETERMINED OPERATION PROCESSES OF RAILWAY TECHNICAL SYSTEM PARK

<jats:p>Purpose. The article is aimed to improve the automated systems operation of the railway technical system parks and switch D.C. electric motors (EMs), taking into account all uncertainties. Methodology. Solution of the problem was obtained through the development of the model and the method for optimal planning for the EMs set operation. The method is based on the information technology with the possibility to assess the parameters of the current and the predicted state of EMs based on their individual models. The models are built both for individual EMs and for the specified groups. The factors of non-determinism in the model are calculated based on the Hurst index. The task of planning is solved as calculating the optimal sequence of the EM facilities services, which provides a minimum of the total expected operating costs. Findings. The analysis of the main known models, the automated technologies and the systems of EM (ASEM) park operation on the basis of the remote monitoring was done in the research. Based on the practice of the EM park maintenance the new category of the analysis objects was proposed – the service group (SG). The new procedure for the processes classification was developed based on using the Hurst index to improve the reliability of EM and SG individual models forecasting. The technological and the economic model for planning the EM parks operation was created. The article presents the results of the developed automated data management system based on the improved model for the operation planning of the D.C. EM parks. The optimal planning model ensures the minimization of the expected operating costs for the EMs operation, due to the selection of the EM groups service queue. The specialized procedure is used to classify non-deterministic EM remote monitoring data during planning, which allows increasing the accuracy of forecasting the object state parameters. Origilnality. The article describes development of the mathematical model and the information technology for the remote monitoring of the railway technical systems park operation, the railway switch EMs based on the formation of EM and SG individual models, as well as on the evaluation of their current and predicted states, taking into account random factors. The proposed model of the optimal planning as the possibility to choose the SG service queue differs by the group maintenance of the EM facilities, as well as application of the specialized procedure for classifying EM monitoring data. Practical value. The practical value of the results is determined by the provision of the new opportunities for the group optimal planning of the EM service based on the criterion of the minimum expected costs. The procedure for the monitoring data classification of the operational processes makes it possible to increase the reliability of the forecasting antipersistent time sequences results. It also provides an interpretation of the observational data classification results based on the need for practical usage.</jats:p>

section_content: Цель. Основной целью статьи является совершенствование автоматизированных систем эксплуатации парков железнодорожных технических систем -электродвигателей (ЭД) постоянного тока стрелочных переводов, с учетом факторов неопределенности. Методика. Решение задачи получено за счет развития модели и метода оптимального планирования процессов эксплуатации множества ЭД. Метод использует информационную технологию по оценке параметров текущих и прогнозируемых состояния ЭД на основе их индивидуальных моделей. Модели формируют как для отдельных ЭД, так и для заданных групп. В модели факторы недетерминированности учитывают на основе показателя Херста. Задача планирования сводится к расчету оптимальной последовательности обслуживания объектов парка ЭД, которая обеспечивает минимум общих ожидаемых эксплуатационных затрат. Результаты. В работе был выполнен анализ основных известных моделей, автоматизированных технологий и систем эксплуатации парков ЭД (АСЭД) на основе дистанционного мониторинга. Исходя из практики обслуживания парков ЭД, была предложена новая категория объектов анализагруппа обслуживания (ГЭД). Для повышения достоверности прогнозирования по индивидуальным моделям ЭД и ГЭД разработана процедура классификации процессов, использующая показатель Херста. Сформулирована технолого-экономическая модель по планированию процессов эксплуатации парков ЭД. Выполнено развитие автоматизированной системы управления парков ЭД (АСУЭД) на основе усовершенствованной модели планирования процессов эксплуатации парков стрелочных ЭД постоянного тока. Модель оптимального планирования обеспечивает минимизацию ожидаемых эксплуатационных затрат на эксплуатацию парка ЭД за счет выбора очередности обслуживания групп ЭД. При планировании используют специализированную процедуру классификации недетерминированных данных дистанционного мониторинга ЭД, которая позволяет повысить точность прогнозирования параметров состояний объектов. Научная новизна. В статье получили развитие математические модели и информационные технологии дистанционного мониторинга процессов эксплуатации парков железнодорожных технических систем, стрелочных ЭД, основанные на формировании индивидуальных моделей ЭД и ГЭД, на оценке их текущих и прогнозированных состояний, с учетом случайных факторов. Предложенная модель оптимального планирования, как выбора последовательности обслуживания ГЭД, отличается групповым обслуживанием объектов парка ЭД, а также применением специализированной процедуры классификации данных мониторинга ЭД. Практическая значимость полученных результатов определяется обеспечением новых возможностей группового оптимального планирования обслуживания парка ЭД по критерию минимума ожидаемых затрат. Процедура классификации данных мониторинга процессов эксплуатации позволяет повысить достоверность результатов прогнозирования антиперсистентных Введение В настоящее время одной из приоритетных задач железнодорожного транспорта Украины является всестороннее уменьшение эксплуатационных расходов и повышение эффективности процессов автоматизированной эксплуатации парков технических систем (ТС) [1, 5, 8]. В представленной статье в качестве объектов исследования рассмотрены парки электродвигателей (ЭД) постоянного тока, используемых в железнодорожных стрелочных переводах (СП) -важных системах управления процессами перевозок. Количество этих систем составляет несколько десятков тысяч. Только в Юго-Западном филиале их насчитывается около 6 тис. Основная цель работы заключается в совершенствовании метода оптимального планирования процессов эксплуатации парка ЭД (МОПЭД), а также в развитии соответствующих систем автоматизированного дистанционного мониторинга и диагностирования текущего и прогнозируемого состояния объектов парка ЭД. Планирование процессов эксплуатации парка ЭД здесь заключается в расчете такой оптимальной последовательности обслуживания групповых объектов парка (ГЭД), которая обеспечивает минимальные общие затраты на его эксплуатацию, при условии соблюдения требований по устойчивости и надежности процессов железнодорожных перевозок. Особенностью процедур анализа и прогнозирования параметров состояния является обслуживание групп ТС (ГЭД), а также применение метода классификации временных последовательностей [7], представляющих оценки параметров процессов эксплуатации ЭД. 

На железных дорогах Украины процессы эксплуатации ЭД осуществляются на основе планово-предупредительного метода (ППМ) [4], согласно которому процедуры оценки текущего состояния предусматривают исключение ЭД из реальных процессов для организации комплекса работ по контролю элементов ТС, по измерению значений их параметров. Отмечено в [1, 6], что изъятие ЭД из процессов эксплуатации требует существенных дополнительных временных, финансовых, материальных и других затрат, а главное -может влиять на оценки значений параметров состояний ТС. 

По технологии ППМ эксплуатации стрелочных переводов и их ЭД устанавливают их периодическое обследование по составленному графику [1, 2, 5]. К недостаткам существующей технологии обслуживания СП относят значительные затраты времени, выполнение операций в ручном режиме, большую вероятность человеческого фактора. Вместе с этим отсутствует непрерывный контроль параметров СП, что делает невозможным своевременное выявление и ликвидацию неисправностей. В условиях внедрения высокоскоростного движения поездов актуальность задачи повышения эффективности автоматизированного обслуживания парков СП и ЭД возрастает. 

Развитие автоматизированных систем управления эксплуатацией парков ТС, в том числе стрелочных ЭД, происходит на основе применения современных информационных технологий (ИТ) и методов искусственного интеллекта [1, 5, 8]. В рамках этого направления разрабатываются новые решения задачи по организации и интеграции данных мониторинга, диагностирования, а также по обобщению результатов эксплуатации парка ЭД и планированию. Установлено, что повышение результативности этих методов и соответствующих технологий их реализации с учетом текущего состояния возможно на основе использования средств интеллектуальных систем: моделей кластеризации, методов искусственных нейронных сетей, экспертных систем [4, 12, 14]. В работах [5, 6, 8] Переход к автоматизированной эксплуатации парков ЭД является экономически выгодным, позволяет повысить надежность стрелочных электроприводов, даже с учетом отказов, которые проявляются только при работе стрелочного перевода. Такой вывод в полной мере соответствует мировым тенденциям по внедрению систем дистанционного диагностирования и созданию автоматизированных рабочих мест (АРМ) [1, 5, 8]. 

Как примеры применения современных автоматизированных систем дистанционного диагностирования парков ЭД (АСЭД) на рис. 1, 2 представлены спектральные характеристики токов ЭД железнодорожных СП модели МСП-0,25, которые соответствуют их различным неисправностям. Виды неисправностей ЭД определены экспертом по методике [1, 2, 5]. 

На спектрограммах по оси абсцисс отложено время, по оси ординат -частота гармоник спектра. Отметим, что совокупность неисправностей (рис. 1, 2) обнаружена только с помощью расчетов на основе анализа спектров токов, а не статическими методами измерений (с помощью омметра, трансформатора, импульсного и др. ). 

АСЭД осуществляет управление процессами дистанционного диагностирования, а также решает отдельные задачи эксплуатации парков ЭД [1, 2, 7]. В АСЭД выполняют измерения характеристик двигателей, которые находятся под влиянием номинальных, рабочих значений напряжения, токов, магнитных полей, центробежных сил. АСЭД базируется на анализе частотного спектра рабочего тока двигателя, реализованного с помощью быстрого преобразования Фурье [2, 5]. Для каждого ЭД в индивидуальных моделях (ИМЭД) сохраняют характеристики исправного состояния, которые используют для расчета оценки достоверности выявленных неисправностей при диагностике. Распознавание возможных неисправностей ЭД выполняют нейронными сетями Кохонена [11]. Анализ взаимного расположения кластеров на топологической карте Кохонена позволяет выявлять сходства или различия между разными видами неисправностей (обрыв секции якоря, круговой огонь и др. ). Входной слой сети Кохонена состоит из 256 элементов, на каждый из которых подаются величины интенсивности гармоник преобразования Фурье тока ЭД. Выходной слой сети представляет собой топологическую карту. В результате экспериментов лучшую способность к кластеризации показала топологическая карта размерностью 3 на 5 элементов [5, 6]. На основе текущего и прогнозируемого технического состояния каждого ЭД
section_name: МЕТОД ПЛАНИРОВАНИЯ НЕДЕТЕРМИНИРОВАННЫХ ПРОЦЕССОВ ЭКСПЛУАТАЦИИ ПАРКА ЖЕЛЕЗНОДОРОЖНЫХ ТЕХНИЧЕСКИХ СИСТЕМ

section_content: Представим задачу автоматизированного оптимального управления эксплуатацией парков ТС (ЭД), развивая метод [6] [7] [8], как последовательность реализации следующих задач:

1. Образование групп ЭД парка, формирование индивидуальных моделей процессов эксплуатации стрелочных ЭД, ИМ для ГЭД, общей технолого-экономической модели эксплуатации парка. 

2. Дистанционное измерение, мониторинг, спектральный анализ рабочих токов, диагностирование текучих состояний ЭД. 

3. Оценка параметров и состояний инфраструктуры, классификация ИМ отдельных ЭД, а также их ГЭД, прогнозирование характеристик состояний объектов парка. 

4. Формирование оптимального плана как выбора последовательности обслуживания ГЭД. 

5. Реализация управления этапа Т, выполнение и учет в информационных моделях результатов работ по эксплуатации парка ЭД. 

6. Коррекция индивидуальных моделей ЭД, ГЭД, а также парка в целом. 

Для реализации указанной постановки задачи оптимального планирования потребовалось ввести новую категорию моделей объектов парка -ГЭД, модели групповых свойств ЭД (стрелочные переводы станции, ее участков и т. п. ). Формирование и учет групповых свойств объектов парка выполнен с помощью специализированных процедур АСЭД. 

При заданных множествах групп ЭД, одновременно включаемых в план обслуживания, возникает задача по оценке характеристик ГЭД, представленных ВР, на основе свойств отдельных ЭД. С учетом требований обеспечения надежности транспортных систем параметры ГЭД определяют на основе функций max/min. Поскольку на различных этапах обслуживания реализация функций расчета групповых свойств ГЭД может быть на разных двигателях, то поведение ВР групповых свойств может иметь сложный недетерминированный харак-тер [10]. Ряды групповых свойств могут быть антиперсистентными [7, 9], как и последовательности значений уровней ВР отдельных ЭД. Рассмотрим вопросы прогнозирования и планирования процессов эксплуатации парков ЭД, представленных в ИМЭД недетерминированными ВР. 

Данные о процессах эксплуатации железнодорожного транспорта, накапливающиеся в различных автоматизированных системах управления (АСУ), можно рассматривать как временные ряды (ВР) -упорядоченные по этапам контроля значения заданных показателей. Оценки показателей имеют сложную динамическую структуру и отражают свойства технологических, эксплуатационных, финансовых [9, 10] и других процессов железнодорожного транспорта. В работах [5, 7] исследованы возможности применения новых методов анализа ВР, представляющих свойства вагонопотоков, на основе показателя Херста (XV) [5]. XV оценивает стохастичность ряда, наличие в нем долговременной «памяти», используя процедуру R/S-анализа. Значение XV позволяет классифицировать процессы на персистентные (трендостойкие, H > 0,5), антиперсистентные (излом тенденции, H < 0,5), случайные (H ≈ 0), используя величины вида:

где H -показатель Херста; S -среднее квадратическое отклонение ВР; R -размах накапливаемых отклонений; N -число периодов наблюдений; a -константа (а = π/2 для «коротких» ВР, соответствующих реальным процессам железнодорожных перевозок) [9, 13]. 

В работах [6] [7] [8] были исследованы свойства ВР, характеризующих количество вагонов, отправленных по станциям за сутки. Было выяснено, что показатель Херста этих ВР часто находится в интервале [0,3; 0,5], то есть сведения о предыдущих свойствах и поведении ВР не сохраняются. Это свидетельствует о проблемах прогнозирования и планирования процессов эксплуатации парков ТС. 

Для дальнейшего исследования процессов, описывающихся ВР в области «белого шума» Уровень ИМ-1 обеспечивает данными процедуры определения текущего состояния парка ЭД. Модели уровня ИМ-2 используют для процедур кластеризации данных спектров, а также классификации ВР, получаемых при мониторинге. Для определения класса ВР применяют процедуру ПКР. Данные о спектрах тока ЭД дают возможность установить существующие или же скрытые неисправности контролируемых устройств, которые могут возникнуть на следующих этапах эксплуатации ЭД, а также оценить ожидаемый срок до их проявления. 

Выявленные на основе ИМЭД (рис. 5) непосредственные или потенциальные неисправности ЭД анализируют моделями прогнозирования и планирования процессов эксплуатации (ИМ-3). Оценки параметров ИМ-3 используют для решения задач оптимизации очереди обслуживания ГЭД. 

Для формирования процедур мониторинга состояний парка ЭД в реальном масштабе времени могут быть использованы методы и средства автоматизации станций [14]. Обработку и интерпретацию данных ИМ, с учетом возможности развития парка ЭД, а также расширения перечня контролируемых параметров объектов, обеспечивают современные технологии онтологической поддержки процедур классификации [12], концептуального моделирования данных сложной структуры [13]

МОПОО ГЭД имеет вид:
section_name: Результаты

section_content: Purpose. The article is aimed to improve the automated systems operation of the railway technical system parks and switch D. C. electric motors (EMs), taking into account all uncertainties. Methodology. Solution of the problem was obtained through the development of the model and the method for optimal planning for the EMs set operation. The method is based on the information technology with the possibility to assess the parameters of the current and the predicted state of EMs based on their individual models. The models are built both for individual EMs and for the specified groups. The factors of non-determinism in the model are calculated based on the Hurst index. The task of planning is solved as calculating the optimal sequence of the EM facilities services, which provides a minimum of the total expected operating costs. Findings. The analysis of the main known models, the automated technologies and the systems of EM (ASEM) park operation on the basis of the remote monitoring was done in the research. Based on the practice of the EM park maintenance the new category of the analysis objects was proposedthe service group (SG). The new procedure for the processes classification was developed based on using the Hurst index to improve the reliability of EM and SG individual models forecasting. The technological and the economic model for planning the EM parks operation was created. The article presents the results of the developed automated data management system based on the improved model for the operation planning of the D. C. EM parks. The optimal planning model ensures the minimization of the expected operating costs for the EMs operation, due to the selection of the EM groups service queue. The specialized procedure is used to classify non-deterministic EM remote monitoring data during planning, which allows increasing the accuracy of forecasting the object state parameters. Origilnality. The article describes development of the mathematical model and the information technology for the remote monitoring of the railway technical systems park operation, the railway switch EMs based on the formation of EM and SG individual models, as well as on the evaluation of their current and predicted states, taking into account random factors. The proposed model of the optimal planning as the possibility to choose the SG service queue differs by the group maintenance of the EM facilities, as well as application of the specialized procedure for classifying EM monitoring data. Practical value. The practical value of the results is determined by the provision of the new opportunities for the group optimal planning of the EM service based on the criterion of the minimum expected costs. The procedure for the monitoring data classification of the operational processes makes it possible to increase the reliability of the forecasting antipersistent time sequences results. It also provides an interpretation of the observational data classification results based on the need for practical usage. Keywords: technical system parks; electric motors of switches; operational processes; uncertainty conditions; automated system; monitoring; forecasting; individual process models; optimal planning model; operating costs
section_name: METHOD FOR PLANNING NON-DETERMINED OPERATION PROCESSES OF RAILWAY TECHNICAL SYSTEM PARK