Об эффективности технической диагностики устройств ЖАТ

Библиографический список

1. Системный анализ в управлении : учеб. пособие / В. С. Анфилатов,

A. А. Емельянов, А. А. Кукушкин; ред. А. А. Емельянов. - М.: Финансы и статистика, 2003. - 368 с. - ISBN 5-279-02435-X.

2. ГОСТ Р ИСО 9000-2001 Системы менеджмента качества. Основные положения и словарь.

3. Теория и методы принятия решений, а также Хроника событий в Волшебных странах : учебник / О. И. Ларичев. - М.: Логос, 2003. - 392 с.

4. Организация измерительных процессов в условиях неопределенности. Регу-ляризирующий байесовский подход / С. В. Прокопчина // Сб. докладов Междунар. конф. по мягким вычислениям и измерениям «SCM-98», Санкт-Петербург, 22-26 июня 1998. - Т. 1. - С. 30-44.

5. Информационные технологии интеллектуализации измерительных процессов. / Д. Д. Недосекин, С. В. Прокопчина, Е. А. Чернявский. - СПб.: Энергоатомиздат, 1995. - 178 с. - ISBN-5-283-04706-7.

6. Концепция байесовской интеллектуализации измерений в задачах мониторинга сложных объектов / С. В. Прокопчина // Новости искусственного интеллекта. -1997. - № 3. - С. 7-56.

7. Создание аналитической системы управления для Селигерской природной территории на основе БИТ / С. В. Клинков, С. В. Скрынник, В. А. Федулин // Сб. докладов Междунар. конф. по мягким вычислениям и измерениям "SCM-2006", Санкт-Петербург, 27-29 июня 2006. - Т. 1. - С. 76-80.

8. Экспертно-аналитическая система обеспечения экологической безопасности при строительстве судов. Опыт внедрения (к материалам круглого стола) / Г. И. Леонова, С. И. Шифрин // Сб. докладов Междунар. конф. по мягким вычислениям и измерениям «SCM-2005», Санкт-Петербург, 27-29 июня 2005. - Т. 1. - С. 106-110. - ISBN-57629-0678-7.

9. Аудит документов СМК в программной среде «Инфоаналитик» /

B. Г. Котельников, Е. В. Гусева, С. В. Грушинский // Сб. докладов Междунар. конф. по мягким вычислениям и измерениям "SCM-2006", Санкт-Петербург, 27-29 июня 2006. -Т. 1. - С. 56-62.

10. Применение байесовских интеллектуальных технологий (БИТ) для оценки интегральных показателей. / С. В. Прокопчина, А. И. Федичкин // Сб. докладов Между-нар. конф. по мягким вычислениям и измерениям "SCM-2006", Санкт-Петербург, 2729 июня 2006. - Т. 2. - С. 20-22.

11. Направления развития информационных технологий на железнодорожном транспорте / В. Г. Котельников, Д. А. Моисеенкова / Сб. докладов Междунар. конф. по мягким вычислениям и измерениям «SCM-2005». Т. 1. - СПб.: Изд-во СПбГЭТУ «ЛЭТИ», 27-29 июня 2005. - С. 73-78. - ISBN-5-7629-0678-7.

Современные технологии - транспорту

А. В. Алексеев

ОБ ЭФФЕКТИВНОСТИ ТЕХНИЧЕСКОЙ ДИАГНОСТИКИ УСТРОЙСТВ ЖАТ

Рассмотрены вопросы технической диагностики систем ж.-д. автоматики и телемеханики. Описаны задачи и виды диагностики. Сформулированы основные принципы построения современных систем диспетчерского контроля, предложена классификация этих систем и составлен перечень контролируемых объектов. Дано понятие эффективности диагностирования, её количественная оценка и составляющие. Предложены варианты повышения достоверности и эффективности диагностирования.

техническая диагностика, системы диспетчерского контроля, объекты диагностирования, эффективность диагностирования, достоверность.

Введение

В процессе эксплуатации технического объекта необходимо непрерывно или периодически контролировать его работоспособность и правильность функционирования. При возникновении отказов объект теряет способность выполнять свои основные функции. В этом случае требуется зафиксировать факт отказа и определить место его возникновения. Для этого используется аппаратура технической диагностики. Диагностирование позволяет обоснованно принимать решения об использовании объекта в требуемый момент времени.

1 Цели и задачи технической диагностики

1.1 Назначение технической диагностики

Техническое диагностирование - это процесс оценки технического состояния объекта, включающий:

контроль технического состояния - процесс проверки соответствия значений параметров устройства установленным требованиям или нормам и определения на основе полученной информации текущего технического состояния объекта контроля (исправное - неисправное, работоспособное -неработоспособное, предотказное состояние);

поиск места и определение причин отказа (неисправности);

прогнозирование технического состояния объекта - определение технического состояния объекта с заданной вероятностью на предстоящий интервал времени или определение с заданной вероятностью интервала времени, в течение которого сохранится работоспособность объекта [1].

1.2 Задачи технической диагностики

В общем случае различают три типа задач по определению состояния технического объекта.

Задача диагноза - это определение состояния, в котором находится объект в настоящий момент времени. Она возникает при решении вопроса о работоспособности и исправности объектов, поиске в них неисправностей, при проверке устройств после их изготовления.

Задача прогноза состоит в предсказании состояния, в котором окажется технический объект в некоторый последующий момент времени. Такая задача часто решается при эксплуатации устройств железнодорожной автоматики, телемеханики и связи, имеющих длительный срок службы. При

этом определяется периодичность профилактических проверок и ремонтов с целью предсказания и недопущения выхода устройств из строя.

Задача генезиса заключается в определении состояния, в котором находился технический объект ранее. Правильное решение этой задачи важно для систем железнодорожной автоматики при определении причин отказов систем с целью их дальнейшего предупреждения. На практике наиболее часто решается задача диагноза.

При диагнозе решаются задачи точного определения состояния, в котором находится система, или установления множества состояний, в одном из которых она находится. Это определяется тем, какая задача ставится при исследовании объекта диагноза. В технической диагностике выделяют четыре задачи диагноза.

Первая задача диагноза - проверка исправности, при которой решается задача обнаружения в объекте любой неисправности, переводящей систему из множества исправных состояний в множество неисправных состояний. Она возникает при изготовлении устройств на заводах, включении их после долгого хранения или ремонта. При введении в эксплуатацию устройств ЖАТС проверяют все элементы, узлы, цепи, источники питания и изоляцию. Часто это очень трудоемкий процесс, для упрощения которого необходимо применять методы технического диагностирования.

Вторая задача диагноза - проверка работоспособности, при которой решается задача обнаружения тех неисправностей, которые переводят систему из множества работоспособных состояний в множество состояний отказавших систем. Во время проверки работоспособности можно оставлять необнаруженными неисправности, не препятствующие применению системы по назначению. Поэтому данная задача является менее детальной, чем проверка исправности, и может быть решена более простыми методами. Проверка работоспособности осуществляется при включении объекта в работу или при профилактических осмотрах, а также когда имеется ограничение на время, отведенное для проверки устройств.

Третья задача диагноза - проверка правильности функционирования -решается во время работы системы. При этом достаточно следить за тем, чтобы в системе не появились неисправности, нарушающие ее нормальную работу в настоящий момент времени, и исключить недопустимое для нормальной работы влияние неисправностей. Проверка правильности функционирования позволяет делать вывод о правильной работе объекта диагноза только в данном режиме и в данный момент времени. Указанная задача имеет важное значение для устройств железнодорожной автоматики, выполняющих ответственные функции по регулированию движения поездов. В них надо следить за тем, чтобы искажение алгоритма функционирования не приводило к опасным последствиям в поведении объекта управления.

Четвертая задача диагноза - поиск неисправностей (дефектов), при котором решается проблема точного указания в объекте неисправного

элемента или множества элементов, среди которых находится неисправный элемент. Поиск дефектов может осуществляться в неисправных, неработоспособных и в неправильно функционирующих устройствах во время наладки при производстве и во время ремонта при эксплуатации и хранении. Результатом процесса поиска неисправностей является разбиение множества состояний неисправных систем (если исследуется неисправный объект) или множества состояний отказавших систем (если исследуется неработоспособный объект) на классы неразличимых между собой (или эквивалентных) состояний, а также соответствующих им неисправностей. Эквивалентными неисправностями называются такие, которые нельзя отличить друг от друга при принятом для исследования устройства способе диагностирования. При этом решается вопрос - в каком из классов эквивалентных состояний находится объект диагноза. Число классов определяет ту степень детализации, которая достигается при поиске неисправностей [2].

1.3 Виды диагностики

Диагностирование, как процесс, осуществляется теми или иными средствами диагностирования. Эти средства могут быть аппаратурными или программными. Средства и объект диагностирования, взаимодействующие между собой, образуют систему диагностирования. Различают системы тестового и функционального диагностирования. При тестовом диагностировании на объект подают специально подготовленные тестовые воздействия. При функциональном - диагностирование происходит в процессе применения объекта по назначению. При этом на объект поступают только рабочие воздействия, предусмотренные самим ходом его функционирования. В обеих системах средства диагностирования воспринимают и анализируют ответные реакции объекта на входные воздействия и выдают результат диагностирования - диагноз.

Системы тестового диагностирования предназначены для проверки исправности и работоспособности, а также для поиска дефектов, нарушающих исправность и работоспособность объекта. Системы функционального диагностирования применяются для проверки правильности функционирования и для поиска дефектов, нарушающих правильное функционирование объекта [3].

При эксплуатации устройств железнодорожной автоматики, телемеханики и связи решение проблем технического диагностирования имеет первостепенное значение, поскольку эти устройства являются обслуживаемыми и восстанавливаемыми. При их отказах может произойти задержка поездов и в худшем случае - нарушение безопасности движения.

Перед эксплуатационным и обслуживающим персоналом (инженерами и электромеханиками) стоят задачи контроля и поддержания исправного состояния устройств, а в случае возникновения отказов - быстрого их обнаружения и устранения. Решение этих задач усложняют особенности

эксплуатации таких устройств: непрерывный характер работы; длительный срок службы (15-20 лет); широкое распространение по всей стране; сложные климатические, динамические и электромагнитные условия работы

[4].

2 Диагностирование систем ЖАТ

2.1 Недостатки систем диагностирования предыдущего поколения

Разработанные в 70-80 гг. прошлого века системы диспетчерского контроля не нашли широкого применения на железных дорогах, так как: применявшаяся элементная база не обладала достаточной надежностью;

каналы передачи данных систем не обеспечивали электромагнитную совместимость с действующими линиями связи;

затраты на строительство, обслуживание и ремонт этих систем превышали эффект от их внедрения;

недостаточный уровень развития вычислительной техники не позволял обеспечить передачу, обработку и представление информации [5].

2.2 Классификация современных систем диагностики

В настоящее время на сети железных дорог России для осуществления технической диагностики систем ЖАТ рекомендованы к применению микропроцессорные системы диспетчерского контроля АПК-ДК, АСДК и АДК-СЦБ.

Системы диагностирования объектов ЖАТ можно разделить на:

стационарные;

мобильные;

переносные.

Стационарные системы диагностирования разделяются на специализированные для диагностирования отдельных видов устройств ЖАТ (рельсовых цепей, кабельных сетей, устройств электропитания и др.) и универсальные для комплексного диагностирования систем ЖАТ.

Стационарные системы диагностирования могут быть распределенными, когда отдельные компоненты системы диагностирования разнесены в пространстве и связь между ними осуществляется по каналам передачи данных (дистанционное диагностирование) или локальными.

Мобильные системы диагностирования размещают на подвижном составе (вагоне-лаборатории, дрезине и т. п.) или на автотранспорте и применяют там, где по технологическим или экономическим условиям нецелесообразно или невозможно применение стационарных систем.

Переносные диагностические комплексы, реализуемые на базе переносных персональных компьютеров, применяются для повышения эффективности поиска неисправностей, проведения ремонтно-восстановительных работ.

В состав распределенных систем диагностирования могут входить:

подсистемы логического контроля функционирования устройств ЖАТ; подсистемы измерения и допускового контроля параметров; подсистема мониторинга; подсистема связи;

средства отображения, обработки и хранения информации; комплекс программного обеспечения для решения прикладных задач [5].

По способу передачи информации системы делятся на:

спорадические;

циклические;

смешанные.

В зависимости от возможности наращивания количества модулей и функций системы бывают: масштабируемые; немасштабируемые.

Применительно к системам АПК-ДК, АСДК и АДК-СЦБ можно отметить общие принципы их построения:

это стационарные распределенные системы для комплексного диагностирования систем ЖАТ, имеющие многоуровневую иерархическую структуру, обладающие возможностью масштабирования; применяется циклический опрос состояния объектов; сбор информации на станции с сигнальных точек перегонов проводится с частотным разделением двоичных сообщений;

передача информации со станции на центральный пост происходит с временным разделением одноименных сообщений разных станций и частотным разделением станций;

центральный пост соединен со станциями участка и перегонными сигнальными точками одной физической цепью [6].

2.3 Контролируемые объекты

Все объекты диагностирования железнодорожной автоматики и телемеханики можно разделить на три группы:

1- я группа - устройства с недостаточно высоким уровнем надежности, требующие полной и глубокой диагностики путем контроля параметров в режиме реального времени;

2- я группа - устройства с высоким уровнем надежности, обусловленной схемно-конструктивными решениями и условиями эксплуатации, требующие частичного контроля параметров;

3- я группа - устройства, не требующие диагностики при помощи внешней системы технической диагностики и мониронинга, обладающие встроенной самодиагностикой, резервированием компонентов с автоматическим переключателем при отказах.

К первой группе устройств относятся:

рельсовые цепи;

светофоры;

стрелки;

устройства электропитания;

кабельные сети;

устройства автоблокировки;

устройства переездной и заградительной сигнализации, управления шлагбаумами;

устройства тоннельной и мостовой сигнализации;

напольные устройства АЛС, САУТ;

устройства контроля технического состояния подвижного состава на ходу поезда.

Ко второй группе устройств относятся постовые устройства ЖАТ.

К третьей группе устройств относятся микропроцессорные системы ЖАТ [1].

3 Достоверность и эффективность диагностирования

3.1 Актуальность проблемы повышения эффективности диагностирования

Технические средства и системы железнодорожной автоматики и телемеханики непосредственно обеспечивают выполнение условий безопасности движения поездов. На верхнем уровне - это системы диспетчерского управления и контроля, выдающие команды управления к устройствам нижнего уровня на станциях и перегонах, а те, в свою очередь, управляют стрелочными переводами и показаниями светофоров.

Отказы в этих системах создают предпосылки появления опасных ситуаций, ведут к авариям и катастрофам. В настоящее время общее состояние технических средств ЖАТ характеризуется высокой степенью их старения. В то же время модернизация устройств стандартными методами приводит к значительным и неоправданным затратам, так как при этом уровень обеспечения безопасности повышается незначительно, а сроки окупаемости превышают 15 лет. Кроме того, происходит ухудшение качественного и количественного уровня обслуживающего персонала, что приводит к повышению роли «человеческого фактора».

Анализ современных автоматизированных систем диспетчерского управления показывает, что функционально в их состав должен входить ряд функциональных подсистем, информационно связанных между собой и дополняющих друг друга. Одна из них - подсистема диспетчерского контроля ДК - предназначена для сбора информации, отсутствующей в ДЦ и необходимой в первую очередь для правильной организации процесса технического обслуживания средств автоматики, а также для оперативного восстановления их работоспособности при появлении отказов и принятия экстренных мер для предотвращения опасных ситуаций и сбоев в движении поездов.

В условиях необходимости сокращения эксплуатационных затрат особое внимание должно быть обращено на необслуживаемые и малообслуживаемые технические средства, снижающие эксплуатационные расхо-

ды и повышающие производительность труда персонала, уменьшающие влияние «человеческого фактора». Данная позиция в полной мере относится и к системам ДК.

На основании данных научно-исследовательской лаборатории систем автоматики ОНИЛСА ПГУПС можно сделать вывод, что не все приборы систем диагностики отвечают современным требованиям. Некоторым необходимы периодическое техническое обслуживание, калибровка, кроме того, они самопроизвольно или при неквалифицированном вмешательстве переходят в состояние неправильного функционирования. Это может значительно снижать достоверность и эффективность диагностирования.

В перспективе система диагностирования и мониторинга должна рассматриваться как подсистема автоматизированных систем управления и контроля объектов ЖАТ (при встроенных средствах диагностирования) либо взаимодействовать с этими системами (при внешних средствах диагностирования). При этом должно предусматриваться использование общих точек съема информации и реализация методов пассивного диагностирования (без воздействий на объект контроля). Как следствие, переход на са-модиагностируемые системы ЭЦ и АБ будет способствовать значительному повышению эффективности диагностирования, но так как это процесс долгий и дорогостоящий, то одним из вариантов решения проблемы могла бы стать диагностика существующей аппаратуры с помощью достоверных средств контроля.

3.2 Эффективность и её количественная оценка

Для обобщенной оценки эффективности Е диагностирования служит критерий вероятности правильности диагноза. При этом объект описывается множеством А диагностических показателей аь а его состояние определяется сравнением диагностических признаков ДП с их номинальными значениями. На практике из-за ряда затруднений реализации метода диагностирования состояние объекта диагностирования (ОД) оценивается по ограниченной совокупности В показателей, причем, так как В е А, достоверность диагностирования снижается.

Зависимость вероятности правильной оценки состояния ОД от показателей аг можно представить в виде «иерархического дерева». На рисунке показаны четыре его уровня, но в принципе их может быть и больше.

Составляющие эффективности диагностирования

На первом (верхнем) уровне находится обобщенный показатель эффективности диагностирования - вероятность Е правильной оценки состояния ОД.

На втором уровне расположены показатели, характеризующие отдельные элементы, участвующие в процессе диагностирования: надежность технических средств диагностирования (ТСД) D\, достоверность диагностирования D2, надежность действий оператора D3.

Третий уровень включает коэффициент готовности С\, вероятность безотказной работы на заданном временном интервале С2, показатель адекватности модели ОД С3, показатель полноты диагностирования С4, инструментальную достоверность С5, вероятность работоспособности оператора Сб в момент to, вероятность сохранения работоспособности оператором С7 в течение требуемого времени. Для автоматизированных систем, таких как системы ДК, показатели D3, Сб и С7 отсутствуют.

На последнем, четвертом уровне размещаются параметры и характеристики Ft (параметры совокупности, информационность ДП и др.).

Для определения вероятности правильной оценки состояния ОД необходимо знать:

количество и информативность диагностических показателей;

величину среднеквадратичного отклонения ДП от математического ожидания и погрешности измерения ДП;

величины допустимых изменений ДП;

коэффициент готовности и вероятность безотказной работы технических средств за время диагностирования;

количество обнаруживаемых и необнаруживаемых дефектов в ОД.

Вероятность Di правильной работы ТСД определяется для двух возможных способов диагностирования:

в режиме функционального диагностирования

А = С1,

где Ci - вероятность того, что в любой момент времени ТСД будут работоспособными;

в режиме тестового диагностирования

где C2 - вероятность сохранения ТСД работоспособности во время диагностирования при условии, что они были работоспособны в момент его начала.

Достоверность диагностирования D2 состоит из методической См и инструментальной С5.

Методическая достоверность определяется как произведение показателя С3 соответствия модели ОД и показателя С4 полноты диагностирования:

Инструментальная достоверность определяется максимальными отклонениями каждого показателя hl и погрешности измерения el:

где sXl и Sdi- среднеквадратичные отклонения этих величин.

С учетом соотношения между hl и е1, а также пределов допустимых значений показателей 5l определяется вероятность ложного заключения du.ni по каждому показателю:

d . = d . + d .,

и. л г л.о г н.о г’

где d^ и dum - вероятности соответственно ложного и необнаруживаемого отказов.

В том случае, когда оцениваемые ДП - независимые, ошибки второго рода также независимы, инструментальная достоверность диагностирования объекта С5 равна вероятности ложного заключения о его состоянии в целом DH.y

D = С • С

^1 М ^2 ’

Если оцениваемые ДП - зависимые, то инструментальная достоверность определяется ошибками первого рода:

На основе полученных соотношений достоверность диагностирования выражается произведением [7]

А = Сз • С4 • С5.

Окончательно выражение для эффективности диагностирования автоматизированными системами контроля будет иметь вид:

Е = Д • Д.

3.3 Способы повышения достоверности и эффективности

Таким образом, повышения достоверности можно добиться, понизив как вероятность необнаружения неисправности, так и вероятность ошибочной фиксации неисправности. В первом случае имеется в виду: увеличение количества точек контроля; оптимизация точек подключения; увеличение глубины диагностирования;

уменьшение количества разнообразных измерительных приборов и приспособлений, повышение автоматизации процесса диагностирования.

Применительно к обеим задачам можно предложить варианты повышения надежности и точности аппаратуры измерения и контроля: резервирование устройств контроля или их отдельных блоков; внедрение самоконтроля в схемы диагностики, что может дать возможность контролировать работоспособность аппаратуры, автоматически тестировать систему и средства диагностирования, производить автоматическую калибровку измерительных подсистем.

Кроме того, в системах диагностирования и мониторинга должны находить всё более широкое применение не требующие периодического технического обслуживания датчики, преобразователи, устройства бесконтактного съема информации.

Увеличение достоверности повышает эффективность диагностирования, что в свою очередь позволит повысить эффективность эксплуатации устройств ЖАТ за счет:

повышения технологической дисциплины путем увеличения степени достоверности данных о состоянии устройств ЖАТ, пути, электроснабжения;

снижения трудоемкости управления процессом эксплуатации устройств ЖАТ;

снижения трудоемкости выполнения работ по техническому обслуживанию устройств;

повышения безопасности.

Заключение

Аппаратура диагностики предоставляет информацию о контролируемых объектах, на основе которой делаются выводы о состоянии этих объектов. Если предоставляемая информация будет неверной, то принимаемые персоналом решения могут нарушить безопасность движения поездов.

Разработка методов и алгоритмов самопроверки систем диагностики позволит повысить достоверность получаемой диагностической информации, ускорить и упростить поиск неисправностей в системах диагностики.

Библиографический список

1. Системы железнодорожной автоматики и телемеханики: системы технического диагностирования и мониторинга. Эксплуатационно-технические требования : РД 1115842.07-2004 / ОАО РЖД. - СПб.: ПГУПС, 2004. - 38 с.

2. Измерения и диагностирование в системах железнодорожной автоматики, телемеханики и связи / И. Е. Дмитренко, В. В. Сапожников, Д. В. Дьяков - М.: Транспорт, 1994. - 263 с. - ISBN 5-277-01411-X.

3. Диагностика электромеханических систем : текст лекций / С. Ю. Огарков, А. В. Соколов. - Челябинск: Изд-во ЮурГУ, 2003. - 55 с.

4. Основы технической диагностики / В. В. Сапожников, Вл. В. Сапожников. -М.: Маршрут, 2004. - 318 с. - ISBN 5-89035-123-0.

5. Концепция технического диагностирования и мониторинга устройств железнодорожной автоматики и телемеханики / МПС России. - СПб., 2003. - 13 с.

6. Аппаратура железнодорожной автоматики и телемеханики : справочник. Кн. 3 / В. И. Сороко, В. М. Кайнов. - М.: НПФ «Планета», 2003. - 1120 с. - ISBN 5901307-05-4.

7. Диагностирование электронных систем / А. В. Мозгалевский, В. П. Калявин, Г. Г. Костанди. - Л.: Судостроение, 1984. - 224 с.

УДК 656.25

Т. А. Белишкина, О. А. Абрамов

АНАЛИЗ ПОКАЗАТЕЛЕЙ ЭКСПЛУАТАЦИОННОЙ НАДЕЖНОСТИ ТЕХНИЧЕСКИХ СРЕДСТВ ЖАТ

Статья основана на материале диссертационной работы и посвящена вопросам оценки надежности с использованием эксплуатационных данных. В ходе выполнения