ВВЕДЕНИЕ

Актуальность исследования. В настоящее время актуальным остается вопрос обеспечения безопасности и бесперебойности функционирования железнодорожного транспорта при одновременном повышении качества системы контроля и снижении затрат на поддержание высокого уровня надежности. В силу значительного износа подвижного состава, в частности электропоездов, обеспечивающих отправку 90 % пассажиров, особую важность получает задача повышения качества контроля системы за состоянием локомотива. Текущий уровень качества контроля за состоянием локомотива является недостаточным, что подтверждается большим числом браков, отказов и повреждений электропоездов в пути следования, обусловленных развитием скрытых неисправностей в оборудовании. В свою очередь развитие скрытых неисправностей является следствием отсутствия наблюдаемости технического состояния оборудования.

Таким образом, задача исследования, разработки и внедрения средств систем контроля, обеспечивающих наблюдаемость технического состояния сложного, ответственного и наиболее повреждаемого оборудования подвижного состава, является актуальной и нашла отражение в Стратегии развития железнодорожного транспорта в Российской Федерации до 2030 года, утвержденной распоряжением Правительства РФ № 877р от 17.06.2008 г., и в Функциональной стратегии обеспечения гарантированной безопасности и надежности перевозочного процесса, утвержденной распоряжением ОАО «РЖД» № 987р от 29.05.2007 г.

Обладая арсеналом средств обеспечивающих наблюдаемость и, как следствие, управляемость технического состояния оборудования, можно повысить качество контроля за состоянием локомотива, максимально полно использовать заложенный в оборудовании ресурс, снизить издержки и ускорить реконструкцию системы контроля подвижного состава на эффективной ресурсосберегающей основе.

Цель и задачи дипломной работы – повышение систем контроля за состоянием локомотива эксплуатационной готовности и производственной технологичности электропоездов путем разработки и внедрения новых систем контроля за состоянием локомотива.

Достижение поставленной цели потребовало решения следующих задач:

1. Провести выбор диагностических признаков отказов системы контроля, исследовать их изменение в зависимости от режимов реального времени.

2. Разработать анализы систем контроля, устанавливающие связь между внешними воздействиями, и внутренними.

3. Разработать методику оценки систем контроля за состоянием локомотива в режиме реального времени по выбранным диагностическим признакам, реализующие методику способы контроля.

4. Создать аппаратно-программный комплекс контроля локомотива и технологию его применения в технологических циклах контроля за локомотивом.

5. Провести внедрение показателей работы системы контроля на предприятиях ОАО «РЖД», оценить адекватную работу системы контроля, эффективность применения разработанных систем.

Методы исследования. Выбор объекта исследования проведен на основе анализа системы контроля за состоянием локомотива, отказов и повреждений подвижного состава. Теоретические исследования и математическое моделирование основаны на системе контроля локомотива с использованием методов анализа системы. Анализ режимов системы реального времени функционирования с помощью специализированного программного обеспечения.

Для решения важных прикладных задач обеспечения безопасности движения, мониторинга состояния инфраструктуры, управления перевозками и логистическими операциями на железнодорожном транспорте ОАО «РЖД» проводит целенаправленную и системно выстроенную работу по внедрению спутниковых технологий в соответствии с такими основополагающими документами, как «Стратегия развития железнодорожного транспорта в Российской Федерации до 2030 г.», «Стратегические направления научно-технического развития ОАО «РЖД» на период до2015 г. («Белая книга» ОАО «РЖД»)» и «Концепция и Программа внедрения спутниковых технологий в основную деятельность ОАО «РЖД».В ОАО «НИИАС» выполнен комплекс НИОКР и внедренческих работ, последовательно реализующих принятую Компанией стратегическую концепцию движения от отдельных технических решений и технологий к созданию комплексных информационно-управляющих систем в сфере обеспечения безопасности, управления движением, перевозочным процессом и логистическими операциями, мониторинга состояния инфраструктуры, инженерно-геодезического обеспечения работ по проектированию, строительству и эксплуатации железных дорог. Особое внимание уделено созданию в ОАО «РЖД» единого координатного пространства и единой системы ведения баз геопространственных данных (электронных карт) на базе ГИС РЖД, позволяющих создать надёжный механизм интеграции и синхронизации прикладных информационно-управляющих систем. С помощью спутниковых систем ГЛОНАСС/GPS и информационных сервисов хозяйствам и службам ОАО «РЖД» предоставлена гарантированная возможность с высокой точностью определения дислокации и параметров движения пассажирских и грузовых поездов, включая специальные и опасные грузы, специальные самоходные подвижные средства, путейские бригады, контролировать их движение, а также оценивать параметры состояния бортовых систем. В настоящее время усилия разработчиков нацелены на создание: комплексных многоуровневых систем безопасности движения с использованием нового поколения локомотивных устройств безопасности, спутниковых технологий и цифрового радиоканала; - систем интервального регулирования движения поездов с применением спутниковой навигации и цифрового радиоканала для повышения плотности поездопотоков и пропускной способности железных дорог с особым вниманием к внедрению указанных технологий на малодеятельных участках железных дорог, в труднодоступной местности со сложными природно-климатическими условиями; - спутниковых технологий для контроля и управления подвижным составом в целях ресурсосбережения (экономия энергопотребления, топлива и снижение износа в системе «колесо – рельс»); - принципиально новых комплексных систем диагностики и мониторинга объектов инфраструктуры и подвижного состава, позволяющих перейти к осуществлению ремонтов по фактическому состоянию; технологий оптимизации работы путевой ремонтной техники «в окнах» в увязке с управлением поездной работой с целью обеспечения максимальной пропускной способности железных дорог; технологий оптимизации работы инфраструктурных хозяйств за счет повышения уровня автоматизации и перехода от информационных к информационно-управляющим системам на основе объективной информации о движении подвижного состава, состоянии путевого хозяйства и инфраструктуры, получаемой с помощью средств космической навигации, мониторинга и связи; технологий спутникового контроля за перевозками опасных грузов с целью предупреждения рисков возникновения чрезвычайных ситуаций; технологий спутникового мониторинга для предупреждения рисков неблагоприятных воздействий на железнодорожную инфраструктуру потенциально-опасных природно-техногенных процессов и минимизации затрат на устранение возможных последствий; высокоточного координатного и планово-картографического обеспечения на основе применения спутниковой навигации и высокоразрешающей съемки для целей снижения затрат и трудоемкости при проведении инженерно-геодезических изысканий при проектировании, строительстве и эксплуатации железных дорог.

Методы исследования. Выбор объекта исследования проведен на основе анализа браков, отказов и повреждений системы контроля за состоянием локомотива в режиме реального времени. Теоретические исследования и математическое моделирование основаны на изучении схемотехники и конструктивных особенностей локомотивов с использованием методов анализа аналоговых и дискретных цепей, математического аппарата алгебры логики, методов диагностирования дискретных объектов. Анализ режимов функционирования ЭЦ проведен с помощью специализированного программного продукта для моделирования дискретных и аналоговых устройств Multisim компании Electronics Workbench, а также с помощью разработанных, метрологически аттестованных, сертифицированных и внедренных на предприятиях ОАО «РЖД» систем КОМПАКС производства НПЦ «Динамика».

Научная новизна работы заключается в следующем:

1.  Разработаны математические модели, описывающие связь между вектором воздействий, вектором диагностических признаков и дефектами, определяющими техническое состояние локомотива.

2.  Установлены закономерности изменения диагностических признаков неисправностей цепей управления, силовых и вспомогательных цепей секций локомотива в различных режимах функционирования.

3.  Предложен принцип совместного функционально-тестового диагностирования цепей управления, силовых и вспомогательных электрических цепей локомотива.

4.  Синтезирована база знаний, связывающая отклонения диагностических признаков и неисправности различных элементов локомотива и включающая в себя рассчитанные значения границ различия технических состояний по каждому диагностическому признаку.¹

1. Назначение и классификация систем контроля за состоянием локомотивов

1. Назначение систем контроля за состоянием локомотивов

Системы обеспечивают оперативное получение данных о местонахождении локомотивов и вагонов в любой момент времени, позволяя в реальном масштабе времени определять не только местонахождение составов, но и их состояние (например, в каком пункте прицеплен или отцеплен конкретный вагон, и т.д.). Полученная оперативная информация используется при решении задач управления, анализа, учёта, взаиморасчёта за пользование вагонами, информирования клиентов железных дорог. Основные принципы работы системы ГЛОНАСС и NAVSTAR подвижной состав оборудуется кодовыми бортовыми датчиками КБД-2М, несущими информацию о каждой подвижной единице. Вдоль железнодорожного пути, в опорных точках на трассе (на входе и выходе со стнции депо) устанавливаются пункты считывания, при прохождении которых автоматически считывается информация из датчиков. Полученная информация передается на концентратор линейного уровня, осуществляющего сбор со всех пунктов считывания данного железнодорожного узла. После предварительной обработки данные поступают в концентратор дорожного уровня. Концентратор дорожного уровня формирует конечное сообщение, содержащее идентификационные данные подвижных единиц (8-значный код подвижного средства, код страны и собственника), код станции и код пункта считывания, направление следования и время прохождения, а также перечень подвижных единиц в составе поезда. Системы, аналогичные ГЛОНАСС и NAVSTAR уже применяются в США и странах Европы. Преимущество системы ГЛОНАСС и NAVSTAR перед зарубежными аналогами состоит в том, что она разработана с учётом климатических условий эксплуатации на территории РФ и полностью адаптирована к работе в едином железнодорожном информационном пространстве стран СНГ. Повышенная надёжность системы обеспечивается антивандальным исполнением аппаратуры пунктов считывания и кодовых бортовых датчиков. ГЛОНАСС и NAVSTAR используется в контуре АСУТ железнодорожного депо (реализовано в локомотивных депо на полигоне Мариинск-Карымская и в ряде депо других дорог).

В настоящее время ГЛОНАСС и NAVSTAR эксплуатируется на сети РЖД. Информация от системы передается в системы управления перевозочным процессом. Спутниковые системы обеспечивают контроль за местоположением подвижного объекта, состоянием его и грузов при решении проблем повышения оперативности и безопасности перевозок и управления ими. Принцип прост: с помощью ГЛОНАСС/GPS-навигационных приемников, установленных на транспортном средстве, определяются его координаты, которые вместе с информацией о нем и грузе передаются по каналам связи в центр управления и контроля. Информационные и управляющие сообщения передаются на подвижные единицы. Возможно использование различных связных каналов и оборудования. При разнообразии средств (от радиостанций УКВ-диапазона до спутниковых абонентских устройств) внедрение систем контроля и управления может потребовать полной замены парка имеющихся средств связи, что неизбежно приведет к значительным финансовым затратам. Поэтому перед потребителями особо стоит проблема минимизации расходов на оборудование, его адаптацию к более перспективным связным технологиям и последующее совершенствование.

Основные функции такой системы на железной дороге:

• передача с заданным интервалом времени или по запросу оператора информации с мобильного объекта (локомотив, ремонтная бригада и т.п.): координаты, скорость, состояние бортовых устройств

• генерация и отображение на экране оператора предупреждающих сообщений в экстренных случаях или при активации «тревожной кнопки» локомотивной бригадой

• отображение местоположения подвижных единиц на масштабируемой векторной карте

• поиск борта или группы бортов из списка с автоматическим выбором масштаба и центрированием карты, ближайшей к заданному объекту (станция, переезд и т.п.) подвижной единицы

• просмотр маршрута движения борта за любой интервал времени

• ведение статистики, генерация отчетов и графиков

• формирование управляющей команды на остановку локомотива

При выборе технических средств для создания системы необходимо учесть как особенности эксплуатации аппаратуры в условиях железной дороги (в частности, соответствие ее главам 9, 16 ПТЭ и «Общим техническим требованиям к системам обеспечения безопасности движения специального самоходного подвижного состава», утвержденным в 1998 г.), так и требования государственных и нормативных документов. Согласно постановлению правительства РФ от 9 июня 2005 г. навигационные приемники должны обеспечивать получение данных ГЛОНАСС или ГЛОНАСС/GPS (почти все эксплуатируемые в России принимают данные только системы GPS). Оборудование связи должно быть установленным порядком разрешено к применению на железнодорожном транспорте и отвечать требованиям сертификатов соответствия Российской Федерации. При построении системы желательно использовать уже имеющуюся аппаратуру, что позволит избежать увеличения численности оперативного и эксплуатирующего персонала. Необходимо учитывать, что поезд подолгу движется между склонами, строениями, под мостами, по лесистой местности, где обзор верхней полусферы неба ограничен, что приводит к снижению уровня или полному отсутствию спутникового сигнала. Поскольку предполагается применять беспроводные каналы, в системе управления и контроля должна быть решены вопросы безопасности связи, а именно секретности и аутентификации. Очевидно, что готовые автомобильные, корабельные или самолетные системы не могут быть использованы без адаптации к условиям стальных магистралей. Рассмотрим возможные варианты построения спутниковой системы управления и контроля для железной дороги. Поскольку локомотивы оборудованы устройствами КЛУБ-У (12% локомотивного парка) и КЛУБ-УП (100%) и уже имеют приемники радионавигационных сигналов ГЛОНАСС/GPS, а в состав КЛУБ-У входит радиостанция МОСТ-ММ1 (обеспечивающая передачу данных на скорости до 9600 бит/с в диапазоне 160 МГц), реализовать систему можно следующим образом: стационарное устройство (КУПОЛ) получает данные с подвижных единиц на станции (перегонах) и передает эти данные в центр управления.

Достоинства такого варианта, надежность которого проверена на Октябрьской дороге:

• высокая точность определения местоположения (как по данным навигационного приемника, так и по информации от осевого датчика);

• гарантированное качество связи;

• высокая скорость обновления информации (от 200 мс);

• отсутствие абонентской платы;

• решен вопрос определения местоположения при отсутствии сигналов от спутников;

• возможно использование средств связи TETRA или GSM.

Построения такой системы связан с применение аппаратуры GSM. Координаты каждой подвижной единицы определяются по сигналам спутниковой навигационной системы GPS мобильным терминалом установленным на борту. Далее эти данные передаются на сервер по сотовому каналу (технология GPRS), откуда поступают на компьютер оператора, где отображаются на электронной карте и сохраняются в базе данных.

Система "Охват" - это аппаратно-программный комплекс, обеспечивающий с точностью до 1 метра определение местоположения локомотивов и иных самоходных подвижных единиц железнодорожного транспорта на цифровой электронной схеме путевого развития станций и перегонов в одноосной системе координат, с точным указанием номера пути следования и линейных координат. Высокая точность определения местоположения достигается за счёт реализации относительного метода определения местоположения по сигналам спутниковых радионавигационных систем ГЛОНАСС/GPS. В интеграции с системой «Охват» могут работать:

• системы контроля расхода топлива и параметров работы локомотивов;

• системы диспетчерского контроля и управления движением;

В современных условиях, при существующем уровне информатизации в транспортной отрасли, просто невозможно представить систему контроля и управления движением, которая не использует информацию о точном местонахождении контролируемых объектов. Обеспечение диспетчерского персонала этой информацией в режиме реального времени – и есть основная функция системы «Охват», реализовать которую позволяет аппаратура потребителей (АП) ГНСС, в сочетании с электронными картами путевого развития станций и перегонов и средствами связи. На первый взгляд может показаться, что ничего нового в системе «Охват» нет, так как отслеживание транспортных объектов при помощи ГЛОНАСС/GPS используется достаточно давно. Действительно, слежение за подвижными объектами при помощи ГЛОНАСС/GPS действительно широко применяется в автомобильном, и даже на железнодорожном транспорте, но отличия есть, и эти отличия носят принципиальный характер.

Первое отличие – это точность определения местоположения. Все, даже самые современные, системы мониторинга определяют местоположение контролируемых объектов с точностью 10-15 м, с вероятностью 95%. Это обусловлено тем, что определение местоположение реализуется так называемым «абсолютным» методом, при котором для вычисления координат объекта используется только один приёмник радионавигационных сигналов. Система «Охват», в отличие ото всех существующих систем мониторинга, позволяет определять местоположение локомотивов с точностью 1 м, с вероятностью 99,9%.

Достижение такой высокой точности обусловлено тем, что определение местоположения осуществляется так называемым «относительным» методом, при котором определение местоположения осуществляется относительно так называемых «базовых станций» (точек с известными с сантиметровой точностью координатами), на которых также установлены приёмники радионавигационных сигналов. Высокая надёжность точностных характеристик получаемых координат гарантируется тем, то в системе «Охват» используются одновременно 3 базовые станции, 2 приёмника радионавигационных сигналов на каждом локомотиве, и специальный запатентованный алгоритм обработки данных. Вторым отличием системы «Охват» ото всех существующих систем мониторинга является её способность определения местоположения, скорости и направления движением локомотивов, с отображением на электронной карте путевого развития железнодорожного объекта в линейной (№ пути, км, ПК, плюс) системе координат, принятой именно на этом объекте. То есть система «Охват» позволяет диспетчерскому персоналу любого объекта железнодорожного транспорта осуществлять контроль перемещений локомотива на привычной для них схеме путевого развития, с тем только отличием, что эта схема, с расположенными на ней объектами (стрелочными переводами, светофорами, предельными столбиками и пр.) отображается на экране монитора, а локомотивы отмечаются на ней в виде условных знаков, с указанием номера локомотива, направления и скорости движения. Таким образом, система «Охват», в отличие от всех систем мониторинга, применяемых в настоящее время на железнодорожном транспорте, позволяет точно определять, на каком именно пути находится локомотив с точностью 1 м. При этом информация о местонахождении локомотива предоставляется в пикетажной системе координат (КМ, ПК, плюс), что не позволяет ни одна из существующих систем мониторинга. Это обстоятельство делает систему «Охват» эффективным средством повышения эффективности контроля и управления поездной и маневровой работой, что в особенности актуально для крупных железнодорожных станций и предприятий промышленного железнодорожного транспорта.

Соответственно есть и другие системы контроля локомотива например: Бортовая акустико-эмиссионная система диагностики колесно-моторных блоков предназначена для постоянного комплексного контроля состояния колесно-моторных блоков электровозов в эксплуатации и позволяет:

• контролировать состояние элементов колесно-моторных блоков в режиме реального времени

• оперативно информировать локомотивную бригаду и работников депо о возникающих неисправностях и формировать рекомендации по движению, обслуживанию и мониторингу

• накапливать результаты мониторинга с целью детального анализа и формирования базы данных;

• выполнять долгосрочный прогноз технического состояния

Преимущество такой системы:

• оперативный контроль технического состояния;

• непосредственная передача данных оперативному персоналу;

• возможность перехода на выполнение периодических регламентных работ по фактическому состоянию;

• возможность сокращения объемов смазочных работ и экономии смазочных материалов;

• возможность увеличения межремонтных пробегов и сокращения простоев на ремонте.

Состав бортовой системы контроля локомотива:

• комплект акустико-эмиссионных датчиков; (Рисунок 1.1)

• каналы связи;

• коммутационные блоки;

• центральный аналитический блок обработки информации;

• цветной графический дисплей;

• система связи;

• система накопления данных.

Рисунок.1.1 Схема Бортовой системы

Также в локомотиве присутствует бортовая система контроля параметров работы локомотива "Дельта СУ/GPS", которая имеет возможность непрерывной регистрации основных параметров эксплуатации локомотива:

1. Измерение, запись и индикация скорости движения от 0,5 км/час до 120 км/час (и более по индивидуальному заказу) с дискретностью 0,5 км/час, вычисление средней/ минимальной/ максимальной скорости на участке. Справка: Скоростемеры СЛ3М, находящиеся сейчас в эксплуатации, регистрируют скорость от 8 км/час (средняя скорость при маневровой работе 5-8 км/час, есть ограничения по скорости на участках до 2 км/час).

2. Запись пройденного пути с дискретностью 1,0 м. Справка: Скоростемеры СЛ3М - 1мм протяжки ленты соответствует 200 м пройденного расстояния.

3. Определение выполненной полезной работы, кВт*ч.

4. Определение коэффициента использования локомотива, %.

5. Определение показателя использования топлива, кг/кВт*ч.

6. Измерение и запись динамики количества топлива в баке локомотива в течение смены с дискретностью 1 л.

7. Анализ расхода топлива в баке, т.е. сравнение расчётного расхода с показаниями датчика количества топлива в баке.

Система контроля эксплуатации локомотивов "Дельта" предназначена для контроля, учёта и нормирования расхода топлива тепловозами в эксплуатации, мониторинга эксплуатационных показателей и общего технического состояния локомотива. (Рисунок.1.2)

Рисунок.1.2 Датчики

Применение данной системы позволит:

• Производить контроль расхода

• Оперативно контролировать техническое топлива тепловозом в эксплуатации, вести автоматизированный учёт и нормирование состояние локомотива, предотвращая случаи перерасхода топлива и отказов систем локомотива.

• Совершенствовать систему содержания локомотивов с учётом их текущего технического состояния.

• Оперативно контролировать параметры, оказывающие влияние на безопасность движения.

• Оценивать уровень мастерства и дисциплины локомотивных бригад.

• Производить оценку режимов и реальной загруженности каждого локомотива и принимать меры для их рационального использования на участках работы и маршрутах.

• Производить геоинформационный мониторинг каждого локомотива.

• Система может быть функционально расширена согласно требований конкретного заказчика.

"Дельта" позволяет практически исключить "человеческий фактор" при предоставлении информации.¹