Кластерный анализ состяний системы мониторинга путевых и строительных машин

Содержание

3

после внедрения способа в качестве средства контроля непосредственно после сварки число разрушений сварных швов уменьшилось.

Однако использование данного способа не позволяет с точностью, требуемой для обеспечения безопасности и безаварийности железнодорожного транспорта, говорить о нем, как о единственно возможном решении вопроса определения целостности рельсов и рельсовых плетей, сваренных алюмотермитным способом. Применительно к системе неразрушающего контроля рельсов России это приведет к увеличению количества контрольных проходов без существенных изменений в качественной составляющей.

Неразрушающий контроль рельсовых стыков, изготовленных алюмотермитной сваркой, для условий России требует разработки методики оценки вероятности появления дефектов в зоне алюмотермитных стыков, позволяющей определять наиболее вероятные причины, приводящие к нарушению целостности рельсовой цепи при конкретных эксплуатационных условиях работы конструкции пути (скорость, осевая нагрузка, грузонапряженность, годовая температурная амплитуда, режим ведения поезда и другие).

Библиографический список

1. Коненков В.И. Алюмотермитная сварка // Евразия. Вести. - 2003. - № 9. - С. 22.

2. Косарев Л.Н., Газизова Г.Г. Усовершенствование систем неразрушающего контроля // Евразия. Вести. - 2003. - № 9. - С. 16-17.

3. Харрис У.Дж., Захаров С.М., Ландгрен Дж., Турне Х. Обобщение передового опыта тяжеловесного движения: вопросы взаимодействия колеса и рельса. - М.: Интекст, 2002. - 408 с.

УДК 621.873/.875

КЛАСТЕРНЫЙ АНАЛИЗ СОСТЯНИЙ СИСТЕМЫ МОНИТОРИНГА ПУТЕВЫХ И СТРОИТЕЛЬНЫХ МАШИН

Я.С. Ватулин

Аннотация

Рассматриваются вопросы повышения производительности и безопасности эксплуатации свободностоящих грузоподъемных средств путем использования алгоритма кластеризации состояний объекта в системе управления бортового процессора.

Ключевые слова: сенсорные средства диагностики, кластеризация образов состояний объекта, интеллектуальные системы управления.

Введение

Известия Петербургского университета путей сообщения

2005/2

Содержание

3

Эффективность эксплуатации путевых и строительно-дорожных машин наряду с показателями объемов выполненных работ определяется также степенью обеспечения безопасности рабочего цикла, недопущением возникновения аварийных ситуаций, снижением последствий возможных аварий.

Рынок современного промышленного производства грузоподъемных средств ставит приоритетной задачей повышение показателей грузовысотных характеристик, расширения зоны обслуживания, быстроты позиционирования и маневрирования грузом. Оснащение гидроприводом исполнительных систем свободностоящих грузоподъемных средств существенно расширяет их эксплуатационные возможности. Вместе с тем неуклонная тенденция роста объемов контролируемой информации, возлагаемой на машиниста, вынуждает принимать меры, направленные на создание мониторинговых подсистем, которые позволят осуществить предварительную обработку (адаптацию) первичной телеметрической информации, классификацию информации по значимости с точки зрения безопасности эксплуатации, представление в виде интегрированного параметра признака состояния системы; прогнозирование развития событий, реализацию стабилизирующего воздействия на систему в экстремальной ситуации.

1 Обзор сенсорных средств грузоподъемных установок

В России установка бортовых процессоров на грузоподъемные средства началась с определенным опозданием по сравнению зарубежными производителями. Этим обстоятельством обусловлена концепция развития материальной базы автоматизированного управления и идеология направления. В настоящее время наблюдается «переходный» период в развитии устройств безопасности на грузоподъемных средствах -современное быстродействующее средство управления взаимодействует с морально устаревшими периферийными электромеханическими средствами сбора информации, что приводит к ограничению потенциальной функциональности системы и снижает ее производительность и надежность в целом.

Применяемый в настоящее время приборный комплекс средств безопасности изначально ориентирован на взаимодействие с машинистом, как замыкающим звеном цепи управления. Между тем существует ограничение по числу воспринимаемых каналов информации человеком (не более трех), скорости реакции на события (варьируемый в весьма широких пределах параметр), относительности пространственного восприятия оператором собственного местоположения (при вращении машинист не контролирует отклонение от горизонтального положения грузоподъемной установки).

Существенным ограничивающим фактором для свободностоящего грузоподъемного средства является его пространственное угловое Известия Петербургского университета путей сообщения

2005/2

Содержание

3

положение, которое не должно превышать 3 град от горизонтали (по требованиям Госгортехнадзора). Для контроля данного параметра в настоящее время применяется гидравлический креномер. Очевидно, что в процессе работы внимание машиниста полностью сосредоточено на перемещаемом грузе, поэтому трудно гарантировать, что этот фактор действительно эффективно контролируется. В определенной степени эту проблему решает наличие в цепи управления интерактивного креномера (систем акселерометров или гравитационного маятника). Однако известно, что грузоподъемное устройство, установленное в строго горизонтальном положении, может находиться на пределе устойчивого состояния. Таким образом, данный контролируемый параметр не определяет устойчивость установки однозначно.

Эффективная система контроля устойчивого положения машины может быть осуществлена посредством использования адаптивных алгоритмов, осуществляющих анализ характера распределения нагрузки на устройства опирания, что позволяет системе прогнозировать случаи опасного снижения устойчивости грузоподъемной установки, контролировать колебания и отклонения грузозахватного устройства из плоскости стрелы, исключая нештатные режимы нагружения несущей металлоконструкции. Такое программное обеспечение системы не зависит от конкретных конструкций исполнительных устройств, их геометрии, а также не требует периодического поддержания параметров настройки в процессе эксплуатации.

При производстве монтажных работ на значительных высотах с грузами, имеющими большую наветренную площадь, одним из определяющих факторов безопасной эксплуатации становится контроль нагрузки от давления воздушного потока. Используемые в настоящее время конструкции анемометров имеют ряд существенных недостатков: не позволяют определить направление воздушного потока; представляют усредненное значение скорости воздушного потока без учета величин порывов ветра; имеют уязвимое механическое устройство, что затрудняет их эксплуатацию в сложных климатических условиях. С использованием современных средств микроэлектроники устройство для контроля данного параметра может быть реализовано с помощью двух датчиков фирмы Siemens (типа М85), представляющих собой самонагревающиеся терморезисторы на основе титаната бария.

К недостаткам применяемых в настоящее время устройств координатной защиты исполнительных систем грузоподъемных машин (ОНК-140, Prise, Robotron) можно отнести зависимость программного обеспечения от конкретного конструктивного исполнения рабочего оборудования, необходимость периодической настройки; оперативность и уровень ошибки при вводе информации; невозможность работы в условиях наличия препятствий типа «выступ», работы стреловым оборудованием в

Известия Петербургского университета путей сообщения

2005/2

Содержание________________________________________________________3_

«проем», отсутствие какой-либо координатной защиты перемещаемого груза; наличие в составе системы ненадежных механических конструктивных компонентов. Все перечисленные задачи решает устройство на основе дальномера сканирующего типа.

Логика построения системы безопасности свободностоящего грузоподъемного средства предполагает наличие в системе процессор -периферийные сенсорные устройства иного, более целесообразного с точки зрения использования процессорного управления приборного комплекса. Таким образом, появление в структуре управления бортового процессора предполагает смену поколения периферийных сенсорных устройств, которые должны соответствовать интерфейсным параметрам самого бортового процессора.

2 Кластеризация образов состояний объекта

Важным аспектом задачи обеспечения безопасности производства работ грузоподъемными кранами является формирование модели эталонного (безопасного) состояния машины в условиях реальной эксплуатации. Поскольку меняются критерии определения опасного состояния машины, должен меняться и характер реакции на нештатное развитие событий. В настоящее время используется детерминистский способ задания безопасного состояния с помощью «заградительных» характеристик, когда предельно допустимые значения контролируемых параметров задаются в «табличной» форме и в виде массива данных хранятся в памяти компьютера. Существующие приборные комплексы мониторинговых систем (ОНК-140, Prise и др.) имеют концепцию построения следящей системы: регистрация отклонений значений

контролируемых параметров и блокирование рабочих операций в случае превышения допустимых значений отклонений.

Данный подход обладает значительным недостатком: отсутствует возможность анализа системой текущей телеметрической информации в комплексе и, следовательно, своевременного определения тенденции опасного развития событий (инертность реакции системы). В реальных условиях эксплуатации грузоподъемная установка практически всегда работает в условиях неопределенности, когда имеется лишь некоторая фрагментарная априорная информация о природе внешних возмущающих факторов, действующих на объект. Для управления объектом в условиях неопределенности применяют экстремальные интеллектуальные системы управления, осуществляющие поиск и поддержание параметров для наивыгоднейшего режима работы. Основными способами построения интеллектуальных систем является применение технологии экспертных систем, ассоциативной памяти и др. Общий принцип работы интеллектуальных систем управления - классификация состояния системы (кластеризация образов состояний) и формирование управляющих воздействий на основе знаний, которые заложены в них.

Известия Петербургского университета путей сообщения 2005/2

Содержание

3

Идея управления кластеризацией образов состояний заключается в фиксации значащих параметров входного информационного потока сенсоров непосредственно перед аварийной ситуацией с целью использования этой информации для прогноза негативного развития событий в будущем и принятия упреждающих действий для их предотвращения (классификация вектора входной информации по признакам опасной ситуации).

В данной интерпретации для системы управления поток входных данных сенсоров представляет собой совокупность образов, разделение которых на кластеры должно удовлетворять следующим требованиям: образы внутри одного кластера подобны; подобные кластеры должны размещаться близко друг от друга (в евклидовом пространстве). Если для каждого кластера рассмотреть вектор, определяемый центроидом (точкой, соответствующей усредненной характеристике размещения всех образов в кластере), то решение о том, какому из кластеров принадлежит вектор данных, определяется значением, возвращающим индекс с наименьшим квадратом расстояния до вектора - центроида. Эти векторы могут рассматриваться как прототипы кластеров (представления ключевых признаков кластера).

Алгоритм кластеризации представляет собой статистическую процедуру выделения групп из имеющегося набора данных. Каждый вектор из набора данных связывается с ближайшим к нему прототипом и новыми прототипами, которые становятся центроидами всех векторов, связанных с исходным прототипом. Для получения более детальной характеристики набора данных кластер представляется несколькими прототипами. Для гарантированного распознавания кластера необходимо располагать сведениями о положении всех прототипов относительно друг друга. Основная проблема состоит в определении оптимального числа кластеров, поскольку малое число кластеров упускает важные составляющие интерпретируемой информации, но и слишком большое число кластеров приведет к отсутствию какой-либо итоговой информации.

Алгоритм, реализующий кластерный анализ входного потока данных, был предложен в [1] в качестве самоорганизующей карты признаков, которая интерпретирует весовые значения кластерных элементов как значения координат, описывающих позицию кластера в пространстве входных данных. В памяти компьютера кластерные элементы размещаются в виде одномерного массива.

Поскольку условия эксплуатации грузоподъемных машин весьма разнообразны, разработать единые и однозначные рекомендации для работы такого алгоритма невозможно. В связи с этим представляет интерес алгоритм на основе дискретной автоассоциативной памяти [2], которая может «вспомнить» сохраненный образец (ключ) по подсказке-контексту (вводимым данным), искаженную помехами версию нужного образца. В

Известия Петербургского университета путей сообщения

2005/2

Содержание

3

качестве образца-контекста выступает совокупность данных

телеметрической информации, описывающей состояние системы

непосредственно перед аварией.

3 Практическая реализация системы управления грузоподъемным средством

Обобщенная функциональная модель стабилизирующей системы может быть построена по принципу замкнутого управления (рисунок).

Обобщенная модель системы управления с замкнутой цепью самонастройки (Wi, W2 - передаточные функции соответственно «рулевого устройства» и самого объекта управления; у - обратная связь; g - задающее воздействие;

х - суммированный сигнал)

Система испытывает возмущающие внешние воздействия (подъем груза, ветровую нагрузку, изменение вылета стрелового оборудования, угловое смещение рамы), в результате чего состояние системы отклоняется от заданных параметров. На основании рассогласования входных параметров (фактического состояния системы) и параметров, задаваемых алгоритмом, устройство компенсации генерирует управляющий импульс, стабилизирующий состояние системы. Вычислительное устройство (бортовой процессор) реализует заданный алгоритм обнаружения образов опасных ситуаций и в случае обнаружения посредством управляющих импульсов воздействует на систему человек -грузоподъемная машина либо оповещением, либо дросселированием потоков рабочей жидкости в приводах исполнительных систем.

4 Заключение

Отличительными чертами системы автоматизированного мониторинга являются возможность прогнозирования и заблаговременного блокирования исполнительных систем при аварийной ситуации; «открытая» архитектура системы, возможность совершенствования модели

Известия Петербургского университета путей сообщения

2005/2

Содержание

3

мониторинга путем обобщения опыта ее эксплуатации на других объектах; возможность оперативного обмена приобретенным опытом между удаленными системами однородных объектов управления (обмен учебными образами признаков аварийной ситуации и способов ее предотвращения); простая адаптация системы к конкретной модели грузоподъемной машины; отсутствие необходимости периодической настройки системы в процессе эксплуатации.

Известия Петербургского университета путей сообщения

2005/2

3

Содержание_________________

Библиографический список

1. Kohonen T. The self-organizing map // Proceedings of the IEEE. -1990. - 78(9). -P.1464-1480.

2. Hopfield J. Neurons with graded response have collective computational properties like those of two-state neurons // Proceedings of the National Academy of Sciences. - 1984. -81. - P. 3088-3092.

УДК 625.151.9

ОБОСНОВАНИЕ РЕМОНТНЫХ СРОКОВ ВЫПОЛНЕНИЯ ПУТЕВЫХ РАБОТ НА СТРЕЛОЧНЫХ ПЕРЕВОДАХ

В.И. Неснов, Д.А. Басовский, В.И. Шулындин, В.А. Писарев

Аннотация

Доказано, что срок службы стрелочных переводов на главных путях может быть подразделен в зависимости от его наработки до соответствующего ремонта на три этапа, а сами ремонты имеют усеченное нормальное распределение по этому параметру. Факт зависимости межремонтных сроков от их технического ресурса позволяет дифференцировать каждый из ремонтов, способствует повышению надежности эксплуатации стрелочных переводов и лучшему использованию их срока службы.

Ключевые слова: стрелочный перевод, пропущенный тоннаж, ремонты, срок службы, технический ресурс.

Введение

Каждый стрелочный перевод состоит из большого числа деталей с относительно большим сроком службы, причем ширина колеи и уровень могут выходить за нормативные допуски от динамического воздействия колес подвижного состава. По мере роста пропущенного тоннажа происходит накопление расстройств геометрических параметров стрелочного перевода.

1 Влияние пропущенного тоннажа на изменение геометрических размеров стрелочных переводов

В ПГУПС на кафедре «Строительное производство» с 1998 года проводятся исследования по технологии текущего содержания стрелочных переводов.

Используя фактические данные о проведенных ремонтно-путевых работах при текущем содержании стрелочных переводов, определяем потребность в их количестве в зависимости от пропущенного тоннажа в каждом сечении стрелочного перевода (Инструкция по текущему содержанию железнодорожного пути ЦП-774) и на переводе в целом.

Известия Петербургского университета путей сообщения

2005/2