УКРАЇНСЬКА ДЕРЖАВНА АКАДЕМІЯ ЗАЛІЗНИЧНОГО

ТРАНСПОРТУ

Бойнік Анатолій Борисович

........................... УДК 656.216.2: 658.011.8

ТЕОРЕТИЧНІ ОСНОВИ ЕФЕКТИВНОЇ ЕКСПЛУАТАЦІЇ

СИСТЕМ КЕРУВАННЯ ЗАГОРОДЖУВАЛЬНИМИ ПРИСТРОЯМИ

Спеціальність 05.22.20 – Експлуатація та ремонт засобів транспорту

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня

доктора технічних наук

Харків -2003

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана в Українській державній академії залізничного транспорту

на кафедрі “Автоматика та комп’ютерні системи управління”, Міністерство транспорту

України, м. Харків.

Науковий консультант

Доктор технічних наук, професор

Соболєв Юрій Володимирович,

Українська державна академія залізничного транспорту,

ректор академії

Офіційні опоненти

Доктор технічних наук, професор

Бутько Тетяна Василівна,

Українська державна академія залізничного транспорту,

завідуюча кафедрою “Управління експлуатаційною роботою

та міжнародними перевезеннями”;

Доктор технічних наук, професор

Разгонов Адам Пантелійович,

Дніпропетровський національний університет залізничного

транспорту імені академіка В. Лазаряна, професор кафедри

"Автоматика, телемеханіка та зв’язок”;

Доктор технічних наук, професор

Фурман Ілля Олександрович,

Харківський державний технічний університет сільського

господарства, завідувач кафедри "Автоматизація та

комп’ютерні технології"

Провідна установа – Східноукраїнський національний університет імені В. Даля,

кафедра “Транспортні технології”, Міністерство освіти і науки

України, м. Луганськ

Захист відбудеться “ 9 ” жовтня 2003 р.

о 13 30 годині в ауд. конферец залі на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 64.820.04 в Українській державній академії залізничного транспорту за адресою:

61050, м. Харків, м.Фейєрбаха,7.

З дисертацією можна ознайомитися у бібліотеці Української державної академії

залізничного транспорту

Автореферат розісланий 5 вересня 2003 р.

Вчений секретар

спеціалізованої вченої ради Бабанін О.Б.

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Вступ. Транспортна система України виконує велику роль у задоволенні потреб населення та підприємств у перевезеннях, що сприяє поліпшенню економічних зв'язків між регіонами, вирішенню багатьох соціальних питань та організації зовнішньої торгівлі.

Залізничний транспорт України, займаючи основне місце в цій системі, забезпечує перевезення близько 69% вантажів і більше 65% пасажирів від усіх загальнодержавних перевезень. Найважливішими показниками діяльності залізничного транспорту є безпека руху та пропускна спроможність. Загальна сума матеріальних збитків від порушень умов безпеки руху та затримок поїздів на магістральному транспорті у 2000 р. склала 3,51 млн. гривень, а у 2001 р. – 4,25 млн. гривень. Основна частина аварій, дорожньо-транспортних пригод (ДТП) та інцидентів, як свідчить статистика, відбувається на складних транспортних об'єктах, до числа яких відносяться залізничні переїзди, станції з технологічним обслуговуванням рухомого складу, виробничі приміщення з в'їздом і виїздом маневрових составів, тунелі, естакади навантаження та вивантаження і т.п. Аналіз аварій і ДТП свідчить, що більше 75% з них пов'язані з людським фактором, а також з експлуатацією систем керування (СК), які не в повній мірі відповідають сучасним вимогам.

У комплексі технічних засобів залізничного транспорту важливе місце займають системи автоматики та телемеханіки, за допомогою яких автоматизується процес його інтервального регулювання по перегонах і станціях, а також забезпечується безпека руху. Заради підвищення пропускної спроможності та безпеки руху транспорту складні транспортні об'єкти обладнуються спеціальними загороджувальними пристроями (ЗП) з автоматичним і напівавтоматичним, безпосереднім чи дистанційним керуванням (ДК). СК ЗП займають особливе місце серед систем регулювання руху транспорту через їх важливу роль в одночасному забезпеченні безпеки руху багатьох видів транспорту, технологічного персоналу і пішоходів, а також пропускної спроможності. Тому питання їх удосконалювання давно є предметом досліджень як у нашій країні, так і за кордоном.

Актуальність теми. В умовах ринкової економіки на залізничному транспорті відбулися важливі структурні, соціальні та економічні зміни. Тому існуюча система забезпечення пропускної спроможності та безпеки руху транспорту на складних транспортних об'єктах потребує значного удосконалення. За останні одинадцять років на 18000 залізничних переїздів магістрального та промислового транспорту України відбулося більше ніж 1100 ДТП, в яких постраждали тисячі людей та на сотні годин затримувався рух транспорту. На переїздах магістрального залізничного транспорту за чотири останніх роки зареєстровано 510 ДТП, в яких загинуло 143 та одержали поранення більше 500 чоловік. У 434 випадках цих ДТП поїзди зіштовхувалися з автотранспортними засобами (АЗ) та в 76 випадках - АЗ із поїздами. На інших складних транспортних об'єктах кількість аварій та інцидентів складає декілька сот, при яких ушкоджувалася техніка й інженерне устаткування, що викликало значні економічні збитки та великі нераціональні транспортні затримки.

Розвиток засобів залізничної автоматики наприкінці 50-60-х рр. минулого сторіччя у значній мірі дозволив автоматизувати процеси керування ЗП. Надалі змінювалася елементна база СК, модернізувалася конструкція ЗП, але принципи їх побудови практично залишалися без змін. За цей час значно змінилися технічні можливості транспортних засобів і залізничного рухомого складу, а також інтенсивність і швидкість їх руху, що сприяло введенню нових правил дорожнього руху та правил технічної експлуатації залізниць України. У результаті цього склалась невідповідність технічних можливостей СК ЗП сучасним вимогам як по забезпеченню безпеки та пропускної спроможності, так і по автоматизації процесів функціонування. Питання про ліквідацію складних транспортних об'єктів, у тому числі і залізничних переїздів, за економічними показниками не розглядаються в жодній з країн світу, які мають залізничний транспорт. Навпаки, останні роки характеризуються підвищеною увагою до розробки ефективних СК ЗП. На Україні відповідні роботи знаходяться ще в початковій стадії і ведуться вкрай повільно, розрізнено, без загального плану, хоча при цьому не підлягає сумніву, що удосконалювання процесів керування рухом транспорту на небезпечних транспортних об'єктах потрібно здійснювати за науково і практично обґрунтованим планом.

Розширення межі застосування СК ЗП неминуче приводить до зміни вимог щодо ефективності характеристик цих систем та особливо щодо безпеки руху транспорту, пропускної спроможності, оптимальності ДК і можливості відеоконтролю стану технологічних операцій і небезпечних зон. Виникають проблеми оптимізації СК ЗП, придатності використаних критеріїв і розробки їх нових видів, які більше відповідають вимогам сучасних застосувань. Вирішення проблеми підвищення ефективності функціонування СК ЗП має комплексний характер і може бути здійснене за рахунок розробки математичних моделей функціонування та моделювання процесів роботи складних транспортних об'єктів на основі оцінки критеріїв безпеки руху, а також пропускної спроможності. Це дозволить створити ефективні СК ЗП нового покоління з удосконаленими принципами побудови. Таким чином, розвиток теоретичних основ ефективного функціонування СК ЗП є актуальною науковою проблемою і має велике значення для транспорту України.

Зв’язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Дисертаційна робота виконана з 1982 по 2002 рр. на кафедрі “Автоматика та комп’ютерні системи управління” (АКСУ) Української державної академії залізничного транспорту відповідно до Постанови КМУ від 22 квітня 1997 р. за № 367 ”Про Програму підвищення безпеки руху на залізницях у 1997 – 2001 роках” та реалізації Постанов РМ СРСР від 20 червня 1982 р. № 539, від 10 березня 1988 р. № 179, від 29 листопада 1990 р. № 1097 “О мерах по усилению безопасности движения на железнодорожных переездах” та планів науково-дослідних робіт УкрДАЗТу (ХІІТу, ХарДАЗТу), що проводилися у рамках галузевих програм МШС СРСР, Міністерства транспорту України і Укрзалізниці з тем: “Разработка мероприятий по повышению надежности автоматики и телемеханики” № ДР Інв. № .0027849, “ Разработка мероприятий по повышению надежности автоматики и телемеханики” № ДР , Інв. № 0281.0016481, “Повышение надежности автоматической блокировки” № ДР , Інв. № . 0009137, “Повышение защищенности автоблокировки от схода изолирующих стыков и толчков тягового тока” № ДР 01870020197, Інв. № 02.9.00055517, “Разработка мероприятий и средств повышения эксплуатационной надежности устройств железнодорожной автоматики” № ДР 01910033284, Інв. № 0291.0023763, “Теоретичні дослідження статистичних характеристик спрацювання поверхні катання рейок у поздовжньому профілю в експлуатаційних умовах”, № ДР 0199U003104, архів № 0202U006021; “Дослідження роботи безстикової колії в процесі експлуатації”, № ДР 0100U000820.

Мета і задачі дослідження. Метою роботи є вирішення науково-прикладної проблеми – підвищення ефективності експлуатації СК ЗП небезпечних транспортних об'єктів за рахунок поліпшення якості їх функціонування та проектних рішень, які приймаються для забезпечення безпеки руху і пропускної спроможності транспорту. Засобом досягнення зазначеної мети є математичне моделювання процесів руху транспорту та керування ЗП, яке необхідно будувати на єдиній методологічній основі взаємозв’язаних функціональних моделей з використанням системного підходу.

Для досягнення поставленої мети необхідно вирішити такі задачі:

- провести аналіз процесів функціонування різних СК ЗП небезпечних об'єктів залізничного транспорту для підвищення на них безпеки руху і збільшення пропускної спроможності;

- провести дослідження характеру конфліктних ситуацій у небезпечних зонах переїздів, як одних із найбільш небезпечних транспортних об'єктів, і розробити оціночний критерій ефективності СК ЗП;

- розробити моделі процесів функціонування залізничних переїздів за критеріями безпеки руху транспорту, пропускної спроможності з розрахуванням транспортних затримок та впливу відмов елементів СК, а також визначити ймовірність ДТП і виконати оцінку середніх затримок АЗ;

- провести дослідження ефективності існуючих методів оцінки безпеки руху транспорту в небезпечних зонах та удосконалити метод оцінки безпеки залізничних переїздів різних категорій з урахуванням їх завантажування;

- провести дослідження експлуатованих і перспективних СК ЗП переїздів за критерієм часу сповіщення і розробити оптимальні принципи їх побудови та раціональні структури інтелектуальних систем з урахуванням автоматизації контролю небезпечних ситуацій і пріоритетного пропуску спеціальних видів АЗ;

- розробити модель небезпечного впливу колійних датчиків (КД) накладення на процеси функціонування СК ЗП та визначити їх імовірнісні показники;

- розробити імітаційну модель процесів функціонування переїздів і визначити транспортні затримки при поїзному і маневровому характері руху составів;

- обґрунтувати концепцію подальшого розвитку та удосконалення СК ЗП.

Об'єктом дослідження є процеси функціонування небезпечних транспортних об'єктів та їх СК ЗП при різній інтенсивності і параметрах руху транспорту, що вимагають рішення досить широкого кола задач теоретичного, практичного й організаційного плану.

Предметом дослідження є небезпечні транспортні об'єкти – залізничні переїзди, станційні технологічні колії і виробничі приміщення, які мають введення залізничних колій.

Методи дослідження. Виконані в дисертаційній роботі дослідження ґрунтуються на теорії ймовірності і математичній статистиці, математичному аналізі, теорії масового обслуговування, теорії автоматичного регулювання, математичного та імітаційного моделювання, теорії надійності, а також на чисельних методах розрахунків на ЕОМ.

Наукова новизна отриманих результатів. Вирішена науково - прикладна проблема створення ефективних СК ЗП нового покоління небезпечних транспортних об'єктів, які забезпечать підвищення рівня безпеки руху транспорту та їх пропускної спроможності.

Уперше встановлені, створені та запропоновані:

- кореляційні залежності взаємозв'язку між виникненням ДТП, затримками транспортних засобів і інтенсивністю їх руху та небезпечними помилками водіїв, чергових по переїзду, небезпечних відмов елементів СК ЗП;

- моделі функціонування переїздів за критеріями безпеки руху та пропускної спроможності, які дозволяють достовірно оцінювати їх ефективність при різних параметрах руху транспорту та виникненні дестабілізуючих факторів;

- модель небезпечного впливу КД на процес функціонування СК ЗП;

- імітаційна модель функціонування переїздів з різними СК ЗП для машинного (комп’ютерного) експерименту для дослідження транспортних затримок при стаціонарному та нестаціонарному режимах руху транспорту;

- науково обґрунтована концепція удосконалення СК ЗП небезпечних об'єктів залізничного транспорту.

Вдосконалені:

- метод оцінки безпеки залізничних переїздів різних категорій з урахуванням їх завантажування, який дозволяє комплексно визначити фактичні та граничні показники безпеки;

- модель прогнозування стану СК ЗП на основі приватного алгоритму екстраполяції, використання якої сприяє переходу технологічного обслуговування на раціональний принцип - у залежності від технічного стану.

Дістали подальшого розвитку принципи ефективного керування ЗП залізничних переїздів, станційних технологічних колій навантаження–вивантаження та пунктів технічного обслуговування рухомого складу, а також виробничих приміщень з в'їздом  виїздом маневрових составів.

Практичне значення отриманих результатів полягає в тому, що реалізація обґрунтованої у дисертації концепції удосконалювання СК ЗП забезпечує значне підвищення безпеки руху транспорту і пропускної спроможності небезпечних транспортних об'єктів.

У дисертаційну роботу включені наукові положення, висновки і рекомендації, а також розроблені методи, моделі й алгоритми, які отримані автором у ході виконання ряду НДР із 1982 по 2002 рр. на замовлення МШС СРСР, Міністерства транспорту України і Укрзалізниці, а також відповідно до тематичних планів УкрДАЗТу (ХІІТу, ХарДАЗТу) та договорів про творчу співдружність з підприємствами.

Практичне застосування, що підтверджено матеріалами впровадження результатів дисертаційної роботи, знаходять:

1) методи оцінки безпеки залізничних переїздів у практиці ЗАО “Інститут Харківський Промтранспроект”;

2) моделюючі програми визначення ефективності функціонування залізничних переїздів із різними СК ЗП у практиці ЗАО “Інститут Харківський Промтранспроект”;

3) автоматичні СК ЗП залізничних переїздів на магістральному і промисловому транспорті, а також на Лисичанському НПЗ, Рубежанському ВО “Краситель”, п/с А-7462, п/с А–2609, Могілівському ВО “Хімволокно” та інших підприємств України, Російської Федерації та Білорусії;

4) алгоритми послідовного і паралельного відображення відеоінформації на кольорових моніторах ДП Харківський метрополітен;

5) способи оптимального розташування органів ДК на ДП Харківський метрополітен;

6) напівавтоматичні системи в'їзної і виїзної сигналізації на Бєлгородському заводі “Энергомаш”;

7) напівавтоматичні системи дистанційного огородження станційних технологічних колій на Астраханському ГПЗ.

Теоретичні результати, які були отриманні у ході виконання цієї роботи, використовуються в курсі лекцій з дисциплін “Системи автоматики на перегонах”, “Системи автоматики на станціях”, “Спеціальні вимірювання та технічна діагностика систем залізничної автоматики”, у курсовому та дипломному проектуванні на ФПК і при підготовці магістрів в ІППК.

Особистий внесок здобувача. Усі наукові положення, розробки і результати досліджень, що виносяться на захист, отримані особисто автором. У наукових працях, що опубліковані у співавторстві, особистий внесок автора такий.

У [1, 7, 8, 9, 10, 23, 26] – розробка перспективних принципів побудови, структурних і принципових схем СК ЗП на релейно-контактній і напівпровідниковій елементній базі. У роботах [2, 32, 33, 34] – теоретичні і практичні основи реалізації мікропроцесорних СК ЗП для різних транспортних експлуатаційних ситуацій. У [3] – теоретичні основи побудови математичної моделі функціонування залізничного переїзду. У [12] - критерії оцінки стану безпеки руху транспорту і перспективи удосконалювання ЗП. У [13, 15, 16] – перспективи удосконалювання систем інтервального регулювання руху поїздів, особливості і роль СК ЗП у забезпеченні безпеки руху поїздів. У [14] – аналіз і причини ДТП на залізничних переїздах, а також принципи побудови автоматичних пристроїв контролю стану небезпечних зон за допомогою замкнутих і розімкнутих пристроїв технічного “зору” - промислових телевізійно-обчислювальних пристроїв. У [17, 37, 39] – критерії оцінки черговими по станції кольорового відеозображення небезпечних транспортних об'єктів і принципи побудови оптимального ДК ЗП. У [18, 36] – аналіз методів оцінки небезпеки залізничних переїздів. У [24, 25, 27, 28, 29, 30, 35] – принципи побудови перспективного рейкового датчика, визначення параметрів руху поїздів, пристроїв електричного поділу рейкових датчиків з адаптивним регулюванням і спосіб виміру амплітуд тягового і сигнального струмів.

Апробація результатів дисертації. Основні положення дисертації доповідалися, обговорювалися і схвалені на 19 науково-технічних конференціях та школах-семінарах, у тому числі:

а) на 6-ти міжнародних: 7-й Міжнародній школі  семінарі “Мікропроцесорні системи зв'язку і керування на залізничному транспорті” (м. Алушта, 1994 р.); 14  й Міжнародній школі  семінарі “Перспективні системи керування на залізничному транспорті” (м. Алушта, 2001р.); 4 – й Міжнародній конференції “Влив людського фактора на безпеку руху на залізничному транспорті” (м. Львів, 2001 р.); 63-й Міжнародній науково-технічній конференції кафедр академії (ХарДАЗТу) та спеціалістів залізничного транспорту і підприємств (м. Харків,  р.); 64-й Міжнародній науково-технічній конференції кафедр академії (УкрДАЗТу) та спеціалістів залізничного транспорту і підприємств (м. Харків,  р.); 15–й Міжнародній школі–семінарі “Перспективні системи керування на залізничному, промисловому та міському транспорті” (м. Алушта, 2002 р.);

б) на республіканській “Мікропроцесорні системи зв'язку і керування на залізничному транспорті ” (м. Київ, 1991р.);

в) на 2-х галузевих: “Роль молодих вчених і фахівців у розвитку науково  технічного прогресу на залізничному транспорті” (м. Москва – 1984р.); “Попередження наїздів рухомого складу на працівників залізничного транспорту”м. Новосибірськ, 1985р.);

г) на 9-ти (50–й, 51–й, 52–й, 53–й, 54–й, 55–й, 56–й, 57–й та 59–й ) науково-технічних конференціях кафедр УкрДАЗТу (ХІІТу, ХарДАЗТу) та фахівців залізничного транспорту;

д) на нараді “Перспективи розвитку і нові розробки залізничної автоматики” (м. Харків, 1995 р.).

Цілком дисертаційна робота доповідалася на розширених засіданнях кафедри АКСУ УкрДАЗТу в 2002-2003 рр. за участю членів спеціалізованої вченої ради.

Публікації. Матеріали дисертації опубліковані в 25 основних наукових працях, у тому числі в 6 статтях у збірниках наукових праць, у 16 статтях у науково-технічних збірниках праць, у 3 авторських посвідченнях на винаходи, а також у 15 додаткових працях: 4 авторських посвідченнях на винаходи та 11 тезах доповідей на міжнародних, всесоюзних та республіканських науково-технічних конференціях, семінарах та школах, у виданнях, затверджених ВАК України.

Структура й обсяг дисертації. Дисертація складається зі вступу, шести розділів, висновків і чотирьох додатків. Повний обсяг дисертації складає 338 сторінок, із яких 273 сторінки основного тексту, 68 ілюстрацій і 23 таблиці (41 із них на окремих сторінках), список використаних джерел, що включає 194 найменування вітчизняних і закордонних джерел, та 4 додатки на 6 сторінках.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ ДИСЕРТАЦІЇ

У вступі подана загальна характеристика роботи, її зв'язок із науковими програмами і темами. Обґрунтована актуальність теми дисертації, визначено наукову новизну отриманих результатів та показана їх практична цінність. Сформульовано мету і основні задачі досліджень, положення , що виносяться на захист.

Перший розділ присвячений аналізу та дослідженню сучасного стану проблеми забезпечення безпеки руху транспорту і пропускної спроможності небезпечних об'єктів залізничного транспорту і містить: огляд і аналіз процесів функціонування залізничних переїздів, станційних колій технологічного обслуговування та виробничих приміщень, обладнаних ЗП; причини транспортних затримок, ДТП і аварій; методи оцінки небезпеки руху транспорту; аналіз сучасних тенденцій удосконалювання СК ЗП і шляхи підвищення ефективності функціонування небезпечних об'єктів залізничного транспорту.

Питання безпеки руху транспорту та підвищення пропускної спроможності складних об'єктів залізничного транспорту розглядалися у працях таких вітчизняних вчених і практиків, як Бабаєва М.М., Брилеєва А.М., Бутько Т.В., Дмитренко І.Е., Жуковицького І.В., Загарія Г.І., Кравцова Ю.О., Котляренка М.Ф., Лисенкова В.М., Разгонова А.П., Самсонкіна В.М., Сапожнікова В.В., Сапожнікова Вл.В., Соболєва Ю.В., Філіппенка І.Г., Фурмана І.О., Шалягіна Д.В., Шафіта Є. М., Шелухіна В.І., та закордонних - О. Поупе, Л.Венера, Дж. Кольєра, Р. Мак – Найта, Е. Мурра, І. Воно та інших.

На залізницях України сьогодні експлуатується близько 6,4 тисяч переїздів, більше 560 станцій з технологічним обслуговуванням рухомого складу та до 600 виробничих приміщень із в'їздом і виїздом залізничного рухомого складу. Більшість із цих небезпечних транспортних об'єктів обладнані спеціальними ЗП із автоматичним і напівавтоматичним керуванням. Аналіз ДТП на переїздах магістрального залізничного транспорту, виконаний за багаторічними статистичними матеріалами, свідчить, що щорічна середня їх кількість досягає 145 випадків. Основними їх причинами є: порушення водіями АЗ правил проїзду зони переїздів; недостатня експлуатаційно-технічна надійність АЗ; ненадійне кріплення вантажів і розвал їх у зоні переїзду; недосконалість експлуатованих ЗП і систем їх керування. Найбільша кількість ДТП відбувається з першої причини та при цьому через ігнорування сигналів ЗП відбувається до 31,5% їх випадків, через керування свідомо несправними АЗ –19% випадків, зміни режиму руху АЗ у зоні переїздів, що з'явилося причиною їх зупинки, –18,5% випадків, через перевищення швидкості руху АЗ перед переїздом і наступний в'їзд їх у зону переїзду – 6% випадків, внаслідок обгону в межах зони переїзду та утворення “пробок” – 5% випадків, незаконного проїзду надважкої техніки і перевезення негабаритних вантажів – 5% випадків, технічної несправності ЗП і систем їх керування, що стало причиною в'їзду АЗ у небезпечну зону, – 3% випадків, з інших причин – 12% випадків.

Забезпечення пропускної спроможності та безпеки руху транспорту на переїздах, а також на інших складних транспортних об'єктах як в Україні, так і за кордоном є досить гострою проблемою, і тому у світовій практиці її рішенню приділяється велика увага. Дослідження методом патентної і технічної статистики більше ніж 750 літературних джерел з цієї проблеми дозволили встановити такий міжнародний ранг значимості, його експертну оцінку та коефіцієнт динамічності розробок окремих елементів переїзної сигналізації (табл.1).

Таблиця 1

Напрямки удосконалення пристроїв систем переїзної сигналізації

Найменування

Найменув | Статистичний аналіз | Експертна оцінка

рангу напрямку

(якісний аналіз)

% від усіх

джерел | Міжнародний

ранг

значимості | Коефіцієнт динамічності

Розвинуті

країни | СНД |

Україна

Загороджувальні пристрої: | всього 20

світлофори | 9 | 0,1 | +0,016 | 2 | 1 | 1

шлагбауми | 7 | 0,08 | -0,155 | 4 | 2 | 2

пристрої загороджування | 4 | 0,1 | -0,234 | 3 | 1 | -

Системи керування: | всього 41

елементна база | 17 | 0,1 | +0,076 | 4 | 3 | -

принципи побудови | 10 | 0,1 | +0,08 | 3 | 5 | -

приводи шлагбаумів та схеми світлофорів | 14 | 0,07 | -0,025 | 5 | 4 | 3

Пристрої контролю аварійних ситуацій | 27 | 0,25 | +0,12 | 1 | 5 | -

Колійні датчики параметрів руху поїздів | 12 | 0,2 | +0,09 | 2 | 5 | -

Аналіз наведених даних вказує, що в Україні через відсутність обґрунтованої концепції удосконалювання СК ЗП пріоритети в розвитку цих підсистем відрізняються від розвинутих країн, що негативно впливає на ефективність функціонування небезпечних транспортних об'єктів.

У цьому розділі також розглянуті зарубіжні методи оцінки безпеки руху транспорту на переїздах та інших небезпечних транспортних об’єктах, які можна звести до порівняння числа ДТП до і після реконструкції, оцінки безпеки руху транспорту за допомогою індексів небезпеки, визначення очікуваного числа ДТП за прогнозуючим рівнянням, коефіцієнтів аварійності і багатофакторного регресивного аналізу. Ці дослідження показали, що застосувати їх до транспортних об’єктів України важко через такі недоліки, як вимоги незмінності параметрів транспортних шляхів протягом 10-15 років, приведення результатів розрахунків до 1,0 млн. прослідувань АЗ та ускладнення щодо реалізації математичних моделей і т. ін.

Встановлено, що на цей час в Україні проблема безпеки руху та пропускної спроможності небезпечних транспортних об’єктів стоїть досить гостро і причиною тому є недосконале керування ЗП.

Для підвищення ефективності функціонування зазначених об'єктів необхідна оптимізація керування ЗП, заснована на розробці перспективних принципів і структур побудови СК ЗП на підставі обліку параметрів руху транспорту, формалізації інформаційних можливостей ЗП, автоматичного контролю стану небезпечної зони, оптимального ДК ЗП і діагностування.

Другий розділ присвячений розробці теоретичних основ безпеки руху транспорту на переїздах та інших небезпечних транспортних об’єктах. У першу чергу для оцінки якості функціонування небезпечних транспортних об'єктів був обраний показник, що залежить від типу СК ЗП, психологічного стану водія, технічного стану автомобіля, дорожнього покриття, і доцільний, з економічної точки зору, транспортний переїзний ризик руху

, (1)

де Рз і Рдтп – відповідні ймовірності затримок АЗ та їх участь у ДТП;

Сз і Сдтп – відповідні вартості витрат від затримок АЗ і ДТП.

Встановлено, що фізична природа явищ, які визначають ймовірності Рз і Рдтп, різноманітна, а інтервали часу зміни Рз Сз складають кілька годин, Рдтп Сдтп - кілька місяців, а іноді років. Називаючи цей ризик, обчислений в інтервалі локальної стаціонарності, транспортним ризиком руху k-го переїзду, можна одержати важливу інформацію про динаміку процесів руху транспорту, визначити середні втрати і вчасно вжити ефективних заходів на вибір СК ЗП, дорожнього покриття і т. ін. Якщо позначити: – ймовірність того, що час можливого прослідування АЗ небезпечної зони буде більше встановленого; – ймовірність того, що час можливого прослідування АЗ небезпечної зони буде встановлений; – ймовірність того, що до переїзду під’їжджає АЗ; –- ймовірність того, що до переїзду не під’їжджає АЗ; – ймовірність того, що ЗП переїзду будуть включені при під'їзді АЗ при наближенні поїздів чи ушкодження елементів СК ЗП ( можливо зміниться); – ймовірність того, що ЗП переїзду при під'їзді АЗ будуть виключені; –ймовірність того, що через нераціональні затримки АЗ чи ДТП мають місце матеріальні витрати; - ймовірність того, що немає нераціональних затримок АЗ чи ДТП та матеріальних витрат; Gп – показник сумарних матеріальних витрат, то поточний транспортний ризик руху для k-го переїзду може бути визначений як

, (2)

У тих випадках, коли параметри руху транспорту і переїзду мало змінюються, тоді за його значенням можна визначити вплив надійності функціонування СК ЗП та адаптивного регулювання. Знаходячи суму поточного ризику Rп.t.k за визначений період часу експлуатації Те та період часу стаціонарного руху транспорту Тст, можна одержати сумарний транспортний переїзний ризик руху

RУ.п = (Rп.t.k) n, (3)

де N = Те / Тст - відношення періодів часу; n – кількість років експлуатації.

Як бачимо, сумарний транспортний переїзний ризик R У? характеризує середню вартість усіх витрат. Якщо порівняти витрати на розробку та експлуатацію різних СК ЗП, то за розміром середніх збитків можливо оцінити ефективність та межу їх удосконалення.

З огляду на те, що на переїздах повинен здійснюватися переважний пропуск одного виду транспорту перед іншим, обладнання їх ЗП з оптимальним керуванням і обсягом сигнальної інформації є дуже важливою задачею. Встановлено, що для сучасного автодорожнього транспорту не стають нездоланною перешкодою ЗП, які експлуатуються, і тому захист від зіткнень транспорту поки що залежить від сигнальної інформації. Для безпечного регулювання руху транспорту на ряді переїздів організоване обслуговування черговими працівниками. Однак, як свідчить статистика ДТП, це сприяє деякому зменшенню числа зіткнень транспорту, але все ж таки не гарантує повної безпеки руху транспорту. Статистика свідчить, що за останні 15 років тільки в 42% випадків аварійних ситуацій черговими працівниками вчасно та правильно вживалися всі заходи для запобігання ДТП. Тому для зменшення кількості ДТП необхідно доповнити ЗП, які експлуатуються спеціальними інформаційними табло, і здійснювати автоматичний контроль стану небезпечної зони. Для збільшення обсягу сигнальної інформації, яка передається водіям АЗ, на вказаних табло повинна відображатися обстановка руху поїздів поблизу переїздів та передбачуваний час їх в'їзду у небезпечну зону, що буде сприяти прийняттю водіями рішень, безпечних для руху транспорту.

Встановлено, що на безпеку руху транспорту особливо негативно впливають такі дестабілізуючі фактори, як небезпечні помилки водіїв АЗ (фактор Ф01), небезпечні відмови АЗ (фактор Ф02), небезпечні відмови СК ЗП (фактор Ф03) та небезпечні помилки чергових працівників (фактор Ф04). Детальний аналіз причин ДТП показує, що в абсолютній більшості випадків вони є незалежними із ймовірним характером виникнення. З огляду на те, що процеси руху транспорту на переїздах мають безпечний (б), небезпечний (н) та аварійний (а) виходи, сума їх ймовірностей дорівнює одиниці, тобто Рб + Рн + Ра = 1. Між зазначеними виходами існує визначений взаємозв'язок, уявлення про який можна одержати на підставі теорії множин. Відповідно до цієї теорії повна множина ? станів процесу руху транспорту є сукупністю таких підмножин: безпечного (Sб), небезпечного (Sн) та аварійного (Sа ),

Щ = {S б, S н, S а (4)

де Sб – підмножина подій з безпечним виходом процесу руху транспорту, тобто при в'їзді поїздів на ділянку сповіщення та прослідування переїзду в небезпечній зоні АЗ не було;

Sн – підмножина подій з небезпечним виходом, тобто при наближенні поїздів до переїзду в його небезпечній зоні знаходиться АЗ;

Sа – підмножина подій з аварійним виходом – ДТП.

Підмножини Sб і Sн характеризуються тим, що вони не можуть відбуватися одночасно і тому вони являють собою підмножини , що не пересікаються. Підмножина Sа є ДТП на переїзді і вона обов'язково відбувається після небезпечних подій, що визначає підмножину Sн. З цієї причини підмножини Sн і Sа пересікаються, тобто У такому випадку, якщо ДТП на переїзді прийняти за подію А, його ймовірність Р(А) може потрапити в будь-яку точку тільки підмножини Sа. Протилежною до цієї події є подія A, що характеризує безпечний процес руху транспорту, а ймовірність такої події Р(A) може потрапити в будь-яку точку підмножин Sб і Sн . Оскільки визначені ймовірності складають повну групу подій, їх сума ймовірностей дорівнює одиниці, і в такому випадку справедлива така рівність

Р (A ) Sб + Р (A )Sн + Р (A) Sа = 1. (5)

Тоді загальна ймовірність безпечного руху транспорту за період часу Т дорівнює

РТ (В) = ?Т (В) Sб + РТ (В )Sн, (6)

а умовна ймовірність ДТП

(7)

де РТ( Sa | Sн Р(А) ) – умовна ймовірність виникнення ДТП виходячи з того, що небезпечна подія вже наступила.

Дослідження дестабілізуючих факторів і вивчення технічних джерел показує, що функції розподілу небезпечних відмовлень Qн(t) щодо СК ЗП і АЗ відомі, а що стосується небезпечних помилок водіїв АЗ і чергових на переїздах, то вони мало вивчені. Аналізуючи матеріали кримінальних справ більше 140 ДТП на регульованих переїздах з черговими працівниками за останні п'ятнадцять років, встановлено, що, в основному, вони відбуваються за фізіологічних, тобто психологічних і біологічних причин, властивих людині. Встановлено, що протягом робочого часу (tн - tк) ймовірність небезпечних помилок водіїв і чергових на переїздах в абсолютній своїй більшості аналогічна і протягом доби має максимальні значення в період часу “входження в роботу” (tн - tу1) та в період “стомлювання” (tу2 - tк ), мінімальні значення –в період “стійкої роботи” (tу1 - tу2), а щільність ймовірності змінюється таким чином (рис.1).

Рис. . Розподіл небезпечних помилок водіїв і чергових по переїздах у робочий час

На першому етапі на основі статистичних даних побудовані відповідні гістограми та сформульована гіпотеза про бета-розподіл небезпечних помилок водіїв і чергових на переїздах. На другому етапі, використовуючи метод максимальної правдоподібності, а також після перевірки несуперечності сформульованої вище гіпотези статистичним даним встановлено: якщо за нульове значення часу прийнятий час початку робочого дня tн, то характер зміни інтенсивності небезпечних помилок водіїв АЗ і чергових на переїздах описується бета –розподілом.

Ймовірність переходу процесу руху транспорту в аварійний стан (Ga) за визначений період часу Т від впливу дестабілізуючих факторів можна визначити, як

(8)

На регульованих переїздах без чергового на процес виникнення ДТП можуть впливати дестабілізуючі фактори Ф01, Ф02 і Ф03, а на регульованих переїздах з черговим –додатково і фактор Ф04. Тоді на регульованих переїздах без чергового ймовірність безпечного руху транспорту при впливі дестабілізуючих факторів Ф01, Ф02 і Ф03 дорівнює

чи Р б.ч (t) = РФ01(t) РФ02(t) РФ03(t), (9)

а на регульованих переїздах з черговим

чи Pч (t) = РФ01(t) РФ02(t) РФ03(t) РФ04(t), (10)

де РФ01(t), РФ02(t), РФ03(t) і РФ04(t) відповідно ймовірності безпечного процесу руху транспорту при впливі на нього дестабілізуючих факторів Ф01, Ф02, Ф03 і Ф04.

Для повного дослідження ймовірних процесів руху транспорту на переїздах з погляду безпеки руху розроблена математична модель, що являє собою систему масового обслуговування транспорту з двома стійкими станами: Б – безпечний, коли здійснюється безпечний рух транспорту, і А – аварійний (зіткнення транспорту – ДТП). Визначені особливості й обмеження, основними з яких є: один прилад, який обслуговує як залізничний, так і автодорожній транспорт, але абсолютним пріоритетом в обслуговуванні є вимоги залізничного транспорту. Якщо на переїзді в момент часу t здійснюється безпечне обслуговування вимог обох видів транспорту, то система знаходиться в безпечному стані Б. При русі транспорту через переїзд при впливі одного чи декількох дестабілізуючих факторів у будь-який момент часу може відбутися їх зіткнення – ДТП. Тоді ймовірність того, що протягом інтервалу часу (t, t + t) система може перейти зі стану Б в стан А, дорівнює з точністю до нескінченно малих першого порядку диференціалу ймовірності ?t. При цьому ? - параметр, який описує потік моментів переходу системи зі стану Б в стан А, і належить до пуассонівського потоку розподілу. Аналогічно, після виконання відновлювальних робіт за умови безпечного руху транспорту через переїзд обернений перехід системи зі стану А в стан Б дорівнює диференціалу ймовірності ?t. При цьому ? - параметр, який описує потік моментів переходу системи зі стану А в стан Б, також належить до пуассонівського потоку розподілу. Очевидно, що коли система знаходитися в стані А, припиняється обслуговування усіх вимог, тобто рух транспорту через переїзд припиняється до закінчення відновлювальних робіт.

Позначаючи ймовірності стану розглянутої системи відповідно через РБ(t) і РА(t), і з огляду на швидкий термін часу (кілька секунд) процес переходу системи зі стану Б в стан А, можна записати такі диференціальні рівняння:

(11)

Приймаючи до уваги те, що для всіх t повинна виконуватися рівність РБ(t) + РА(t) =1, розв’язання системи рівнянь буде таким:

(12)

де РБ(0) і РА(0) позначають ймовірності станів Б і А системи в початковий період часу.

По своїй суті (11) є диференційним рівнянням процесу і за умови t> ? ймовірності станів системи наближається до граничних значень

(13)

З огляду на те, що РБ () + РА () = 1, ці граничні значення являють собою розподіл ймовірностей рівноваги, аналіз рівності (12) показує, що при t(? + д) ”1 ?мовірності РБ (t) і РА(t) мало відрізняються від своїх граничних значень РБ () і РА (). Цей висновок дозволяє відповісти на запитання про можливий стан системи в будь-який момент часу, якщо при цьому важко установити початковий момент її функціонування.

У силу існування розподілу ймовірностей рівноваги його вид можна визначити, виходячи з властивостей стохастичних процесів, не звертаючись до диференціальних рівнянь. Якщо похідні, записані в лівій частині диференціальних рівнянь (11), прирівняти нулю, а ймовірності РБ () і РА () для стислості позначити через РБ і РА, то можна одержати таку форму запису рівнянь рівноваги:

- б ?Б + д ?А = 0,

б ?Б - д ?А = 0. (14)

Ці рівняння рівноважні тому, що в розглянутій системі є лише два характерних стани Б і А, і тоді умови розподілу ймовірностей РБ + РА= 1 відповідають єдиному розв’язанню

РБ =д/(б + д),

РА = б /( б + д). (15)

У цьому випадку, як свідчать наслідки експлуатації переїздів, а саме те, що тільки на 145 переїздах із 6,4 тисяч щорічно відбуваються ДТП, після яких відновлення умов безпечного руху поїздів потребує кілька годин, можна зробити висновок, що система обслуговування транспорту абсолютно тривалий період часу знаходиться в стаціонарному безпечному стані Б. Тому ймовірність одного ДТП на переїзді з урахуванням сучасних розмірів руху транспорту та їх технічних характеристик можна визначити таким чином. Розглянемо випадок, коли через переїзд за визначений період часу Т проїхало nп поїздів і nа АЗ і відбулося одне ДТП. У цьому випадку кількість поїздів, що безпечно проїхали через переїзд, склала n п.б = nп – 1, а число АЗ – n а.б = nа – 1. При цьому відносна статистична ймовірність ДТП на переїзді у зазначений період часу дорівнює

(16)

Практичне використання цього значення дозволяє визначити ймовірність одного ДТП на переїздах різної категорії протягом року: I категорії – Р*ДТП = 0,0045; II категорії –Р*ДТП = 0,0048; III категорії – Р*ДТП = 0,0052 і IV категорії – Р*ДТП = 0,0061. З огляду на те, що ДТП на переїздах мають дві характерні риси зіткнення транспорту – наїзди поїздів на АЗ і в'їзди АЗ у поїзди, що рухаються, в дисертаційній роботі визначені ймовірнісні показники цих зіткнень.

Для прогнозування можливих ДТП на переїздах магістрального транспорту України визначене математичне очікування їх кількості, що дорівнює 143 випадкам, у тому числі на регульованих переїздах з черговими –32 випадки, а на регульованих переїздах без чергових – 111 випадків. При цьому число ДТП, за яких одержали травми і загинули люди, –78 випадків.

За допомогою запропонованої математичної моделі визначена тривалість періоду часу протягом доби можливого зіткнення транспорту на переїзді.

Для оцінки пропускної спроможності переїздів та затримок АЗ розроблена імовірнісна модель на основі теорії масового обслуговування з ненадійним пріоритетним обслуговуючим приладом. В основу моделі покладено те, що заявки на обслуговування залізничного транспорту мають вищий пріоритет щодо заявок автодорожнього транспорту. Основними характеристиками системи масового обслуговування є: tп – час прослідування АЗ небезпечної зони переїзду; tв = t в.с - Q(t) t з.в – час відкритого стану переїзду для руху АЗ; tз = t з.с + Q(t) t з.в –час закритого стану переїзду для руху АЗ; tж – час утворення черги АЗ перед переїздом, де Q(t) – ймовірність відмови СК