ГЛАВА 1
НАДЕЖНОСТЬ ТРАНСПОРТНЫХ СИСТЕМ.
КЛАССИФИКАЦИЯ ОТКАЗОВ
1.1. Общая характеристика транспортных систем
Проблема надежности на транспорте имеет существенные особенности и не сводится только к надежности технических средств. Она определяется также условиями пропуска и закономерностями транспортных потоков. Традиционно к работе железнодорожного транспорта предъявляются высокие требования как по удовлетворению потребностей народного хозяйства и населения в перевозках, так и по обеспечению безопасности движения поездов и маневровой работы, сохранности перевозимых грузов.
Особенности проблемы надежности транспортных систем определяют следующие факторы:
мобильность, динамичность работы таких крупных транспортных систем, как станция, узел, участок, линия, полигон;
взаимосвязь и взаимодействие этих систем, учитывая, что отказы и сбои в их работе проявляются на значительных расстояниях: задержка движения на относительно короткий промежуток времени вызывает осложнения в эксплуатационной работе, проявляющиеся в течение одних или нескольких суток;
транспортные потоки, которые являются нагрузкой на транспортные системы и сами являются системами, в которых режимы движения единиц — поездов — взаимозависимы и регулируются автоблокировкой, диспетчерской централизацией и диспетчерским контролем, причем свободный (независимый в известных пределах) режим движения возможен только при определенных условиях и параметрах транспортного потока;
сложность устранения последствий отказов в работе транспортных систем, когда для ввода в график задержанных поездов нужны резервные нитки графика, т. е. резервная пропускная способность, а для остановки задержанных поездов — дополнительные (резервные) пути на станциях;
большое воздействие на работу транспортных систем фактора времени и регламентация процесса перемещения графиком движения грузовых и пассажирских поездов, а также непрерывность транспортного процесса в течение суточного, а следовательно, и годового периодов;
многомерность транспортной системы и сложность управления, когда отказы в одном месте системы вызывают необходимость в прогнозировании мер по предупреждению последствий отказов в других ее местах, например из-за задержки локомотивов, вагонов.
Исходя из необходимости снижать влияние отказов на экономику возникает объективная необходимость иметь резервы не только пропускной способности, но и локомотивов, вагонов, материально- технических средств. При отсутствии таких резервов последствия отказов усугубляются, регулирование и управление усложняются, поскольку они осуществляются в условиях жестких ограничений по пропускной способности и подвижному составу.
Большое воздействие на работу железнодорожного транспорта оказывают информационные потоки и надежность информационно- управляющих систем. Сбои (отказы) по информации приводят к задержкам продвижения транспортного потока. Поэтому информационно-планирующие и информационно-управляющие системы, создаваемые на базе современных средств приема и переработки информации, микропроцессорной техники и ЭВМ, должны иметь высокую степень надежности, иначе их трудно использовать в качестве управляющих.
Особенно важно обеспечить надежность при создании информационно-управляющих систем, работающих в реальном масштабе времени на основе единого банка данных о размещении поездов, вагонов и локомотивов в грузовом движении. Именно проблема надежности объясняет тот факт, что разработка и внедрение таких управляющих систем на первых порах отстают от потребностей практики и что на первом этапе создаются, по существу, информационные системы, которые полностью оставляют функции управления за человеком.
В транспортных человеко-машинных системах велика роль управляющего фактора, а функция управления, несмотря на обилие технических средств, облегчающих управление движением и в той или иной степени отражающих положение системы в реальном масштабе времени (пульты, системы диспетчерского контроля, информационные системы на базе микропроцессоров и ЭВМ), по-прежнему остается за человеком. Особенностью человеко-машинных систем является зависимость общей надежности функционирования системы от оператора, диспетчера, от времени, которое ему необходимо для восприятия информации, ее осмысления и выработки управляющих воздействий. Работоспособность технических средств транспортной системы не определяет полностью ее безопасность. Это — необходимое, но недостаточное условие надежности транспортной системы, поскольку отказы могут возникать и возникают из-за недостаточной пропускной и перерабатывающей способности станции, железнодорожного узла, неточности пли отсутствия информации, недостатка времени на выработку управляющих воздействий. Отказы могут возникать также в связи с информационной перегрузкой оперативного персонала, занятого управлением работой станций или других подразделений сети.
Для систем любого типа и степени сложности, в том числе и для таких больших систем, как железнодорожные станции, проблема надежности рассматривается в двух аспектах. Первый аспект касается разработки методов определения надежности. Решать эту задачу трудно, особенно для больших систем со сложной структурой взаимодействующих элементов. Аналитические методы не в полной мере здесь применимы в связи с недостаточным их соответствием структуре и процессам, которые в действительности здесь происходят. Практическую ценность для таких систем представляют методы имитационного моделирования, с помощью которых удается с достаточной степенью точности воспроизвести работу сложных систем и учесть основные функциональные взаимосвязи и зависимости, рассчитать показатели работы и определить основные исходные параметры и показатели надежности.
Надежность работы системы связана с целым комплексом характеризующих ее физических показателей и параметров. Для транспортных систем наряду с техническими характеристиками большое влияние на уровень надежности оказывают такие комплексные характеристики, как пропускная, провозная и перерабатывающая способность. Методы расчета величины (уровня) надежности разрабатываются и расчет надежности выполняется как для эксплуатируемых, так и для вновь проектируемых или реконструируемых и развиваемых систем (станций, узлов, участков, локомотивов, вагонов, систем автоматики, телемеханики и связи, управления и др.). И хотя во всех этих случаях методы расчета надежности имеют некоторые отличия, речь идет об определении (измерении) надежности.
Другим аспектом проблемы надежности является обеспечение заданного или экономически оправданного уровня надежности системы. Здесь уже речь идет о технических, технологических, информационных и других характеристиках системы, которые во взаимосвязи определяют тот или иной уровень работоспособности системы при заданных величинах нагрузки.
Если первый аспект проблемы надежности связан с методологическими вопросами расчета и нормирования уровня надежности, то второй характеризует технический и инженерный уровень создаваемой или эксплуатируемой системы и связан с эффективностью капитальных вложений на создание, эксплуатацию и развитие системы. Обеспечение надежности определяется уровнем технического прогресса в отраслях народного хозяйства, технологией и организацией производства.
1.2. Основные понятия и определения теории надежности
Большинство терминов и понятий теории надежности в СССР стандартизированы (Государственный стандарт Союза ССР 27002—83 «Надежность в технике. Термины и определения»). Но поскольку они предназначены, главным образом, для сугубо технических объектов и, естественно, не учитывают особенностей работы транспортных систем, необходимы отдельные пояснения и дополнения исходя из условий функционирования транспортных человеко-машинных информационных технологических систем.
К числу наиболее общих понятий теории надежности относятся объект, система, элемент системы. Под объектом понимается предмет определенного целевого назначения, рассматриваемый в периоды проектирования, производства, эксплуатации, изучения, исследования и испытания на надежность. В это понятие входят сооружения, устройства, установки, изделия, машины, аппараты и др. в зависимости от их целевого назначения и задач по исследованию надежности.
Для термина система известно несколько определений. Под системой на транспорте будем понимать совокупность элементов, объединенных взаимодействием и взаимозависимостью. Большинство транспортных систем, таких, например, как сортировочная или пассажирская станция, информационно-управляющая система узла и др., отличаются характером взаимодействия элементов, причем это взаимодействие проявляется в постоянно повторяющемся регулярном процессе выполнения различных операций с поездами, вагонами, грузами, документами, информацией. По продолжительности выполнения операций этот процесс является неравномерным. Транспортные объекты отличаются развитой системой или системами управления, которые в свою очередь могут рассматриваться как отдельные системы или подсистемы.
Элемент — объект, являющийся простейшей частью системы. Несколько элементов могут объединяться в подсистему, если она, состоя из отдельных элементов, выполняет какие-то определенные функции, являющиеся составной частью (подфункциями) работы системы в целом.
Транспортные системы — станции, узлы, участки, полигоны, депо, грузовые дворы, склады и др. — системы и подсистемы с входом и выходом. Вход и выход могут объединяться одним элементом (устройством): однопутная линия на подходах к станции, например, является входом и выходом на каждое направление движения.
Транспортные системы отличаются также и таким очень важным показателем, как емкость. Она зависит от числа и длины путей (для станций, узлов, линий, полигонов), длины фронтов погрузочно-разгрузочных работ (для подъездных путей, грузовых дворов), вместимости складов (для складских систем и подсистем) и др. Емкость системы рассматривается и во взаимосвязи с мощностью (пропускной способностью) входов и выходов.
В связи с тем что на путях выполняются различные операции технологического процесса, требующие затрат труда, материальных, топливно-энергетических ресурсов и самого дорогостоящего ресурса — времени, между интенсивностью потоков поездов (вагонов) на входах и выходах, емкостью и безотказностью в работе существуют определенные взаимозависимости: при заполнении емкостей (путей, парков путей, складов и др.) поток на входе будет остановлен, и наоборот, при занятости выхода из системы или неисправном выходе поток из системы (поезда, вагоны, грузы) не может быть выведен и емкость не будет освобождаться, а это приводит не только к задержке потока в самой системе, но и к последующей задержке потока на входе.
Таким образом, под термином «безотказность» следует понимать свойство системы непрерывно сохранять свою работоспособность. Работоспособность для транспортных систем типа станций, грузовых дворов, складов, контейнерных терминалов, вокзалов и др. — это способность обеспечивать регулярный прием транспортного потока на входе (по мере поступления потока, а при его отсутствии — сохранять готовность к его приему) и, функционируя в соответствии с установленной технологией, непрерывно отправлять поток из системы или сохранять соответствующую готовность к его отправлению. Этот термин в теории надежности стандартизирован. Под работоспособностью понимается состояние системы, при котором она выполняет или может выполнять заданные функции, сохраняя значения основных параметров в пределах, установленных нормативно-технической документацией.
Если система не выполняет установленные показатели в заданных пределах по отношению к нормативным, то ее работоспособность является пониженной, что требует проведения соответствующих мер по совершенствованию работы отдельных элементов, подсистем или систем в целом. Для транспортных (железнодорожных) систем, наряду с паспортными нормативами технических устройств и подвижного состава, нормативно-техническими документами являются план формирования поездов, график движения, технологические процессы станции, депо, пунктов технического обслуживания (ПТО) вагонов, технический план работы и др. Нормативы, показатели, устанавливаемые этими документами (скорости движения поездов, простои поездов и вагонов, размеры приема, сдачи поездов и вагонов и др.), должны быть объективными, учитывать реальные условия эксплуатации системы, нагрузку, пропускную способность и мощность (производительность) элементов системы и систем в целом, т. е. управление системой, анализ ее функционирования и надежности должны быть инженерно, методически и научно обоснованы.
Надежность является сложным понятием, включающим в себя и безотказность работы системы, и ее работоспособность. Под надежностью системы понимается свойство выполнять определенные задачи в определенных условиях эксплуатации. Нельзя отождествлять надежность функционирования системы, определяемую как свойство выполнять установленные для системы функции, как некоторую вероятностную безразмерную величину, с другими параметрами и характеристиками системы (например, пропускной или перерабатывающей способностью). Чем более сложной является система, тем большее число факторов влияет на ее эксплуатационную надежность.
Показатели надежности устанавливают количественные характеристики одного или нескольких свойств, определяющих надежность системы. На надежность таких транспортных систем, как станция (сортировочная, грузовая, пассажирская, техническая и др.), узел, участок, линия, влияют надежность технических элементов (систем) — пути, устройств автоматики, телемеханики и связи, локомотивов, вагонов, а также число и длина путей, пропускная и перерабатывающая способность, нагрузка на систему, управление.
Для каждого типа системы рассматриваются состояние вообще и предельное состояние как функции времени. Предельное состояние, соответствующее технической невозможности или нецелесообразности дальнейшей эксплуатации системы, обусловлено требованиями безопасности или неустранимым снижением эффективности. Такое понимание состояния и предельного состояния относится к техническим системам (путь, локомотивы, вагоны и др.). Это состояние зависит от срока службы системы (изделия), когда под воздействием «старения» первоначальные параметры системы и ее работоспособность постепенно снижаются. Так, часть локомотивного парка дороги может находиться в таком техническом состоянии, когда потери, вызываемые отказами, и затраты на ремонт и восстановление превышают эффективность эксплуатации. Очевидно, такие локомотивы должны сниматься с эксплуатации, поскольку они достигли предельного технического состояния. Кроме того, и это очень важно, такие локомотивы не обеспечивают безопасность движения.
Исходя из этих факторов и устанавливается срок службы с уче том, конечно, всей системы восстановительных и текущих ремонтов. Под сроком службы понимается календарная продолжительность эксплуатации объекта от определенного момента времени до предельного состояния. Аналогичные рассуждения применимы, например, к рельсам, стрелочным переводам, вагонам и другим техническим элементам транспортных систем. Однако если в качестве системы рассматривать станцию, контейнерный терминал, грузовой двор, железнодорожный участок или узел, то под ее состоянием следует понимать степень заполнения поездами, вагонами, контейнерами, грузами, а предельное состояние соответствует переполнению (насыщению) системы, когда возникают отказы — задержки транспортного потока на входах. При этом техническое состояние может быть идеальным, полностью работоспособным.
Такие системы проектируются и строятся как постоянно действующие транспортные комплексы, хотя их технические элементы и физически, и морально стареют и подлежат замене или восстановлению. Для них не применим термин повреждение (событие, заключающееся в нарушении исправности объекта), который правомерен для технических объектов. Например, аэропорт может быть закрыт для приема самолетов из-за плохой погоды или по другим причинам, станция, морской порт могут быть закрыты для приема поездов и соответственно судов из-за заполнения путей, причалов или по другим причинам, вызвавшим отказ в их работе. Термины «ресурс», «срок службы», «старение», «повреждение», «исправность», «неисправность», «долговечность», «сохраняемость» для таких систем не применяются.