Admin

Ведение рельсового хозяйства на основе предиктивных методов

ЕРМАКОВ В.М., ООО НПП «АпАТэК», управляющий директор, докт. техн, наук, ВАСИЛЬЕВА С.А., ОАО «Российские железные дороги», Управление пути и сооружений Центральной дирекции инфраструктуры, ведущий инженер, ЯНОВИЧ О.А., ООО НПП «АпАТэК», заместитель управляющего директора, ЕГОРОВ М.А., АО «Инжиниринговый центр железнодорожного транспорта», эксперт, канд. техн, наук


Аннотация. Применение предиктивного анализа при ведении рельсового хозяйства позволит оптимизировать затраты на путевую инфраструктуру в целом. Целевой задачей анализа является формирование трендов интенсивностей выхода рельсов по основным типам (причинам образования дефектов) по мере наработки тоннажа на каждом единичном участке с последующим объединением единичных участков с одинаковыми параметрами в пределах перегонов и главных путей примыкающих станций. Используя тренды фактической интенсивности дефектообразования в рельсах и ее прогноз на каждом единичном участке, планируются профилактические работы или ремонты пути.
Ключевые слова: предиктивный менеджмент, дефекты рельсов, эксплуатационная стойкость рельсов, прогнозное образование дефектов, ЕК АСУИ, условия эксплуатации, профилактические работы, пропущенный тоннаж.
В современных условиях, когда высоки конкуренция между различными видами транспорта и темпы развития новых технологий и технических средств для обеспечения устойчивого функционирования железнодорожной отрасли, необходимо повышать эффективность управления. Одним из инструментов такого повышения является предиктивный менеджмент [I, 2].
Из подразделений ОАО «РЖД» путевой комплекс является наиболее фондоемким и затратным, поэтому оптимизация управления путевым хозяйством и расходов очень актуальна.
Ключевым элементом предиктивного управления является планирование деятельности подразделений на основе достоверных прогнозов состояния технических средств, развития технологий, изменения конъюнктуры рынка и т. п.
Состояние рельсов — основного элемента пути — в значительной степени определяет стратегию и тактику ведения путевого хозяйства, затраты, влияние на перевозочный процесс, уровень безопасности и др. [3, 4]. Достоверная информация о фактическом состоянии рельсов в режиме реального времени, об интенсивности дефектообразования и обоснованный прогноз их ресурса на любом участке является объективной необходимостью. Современные IT-технологии, технические средства и базы данных в составе ЕК АСУИ и других корпоративных АСУ позволяют решать эти задачи [5, 6].
Мировой опыт свидетельствует о том, что при переходе от системы ведения хозяйства по фактическому состоянию к предиктивным принципам обеспечивается снижение до 10—20 % совокупных затрат в течение жизненного цикла объектов за счет увеличения межремонтных сроков, снижения внезапных отказов, уменьшения аварийных запасов, непроизводительных потерь при текущем обслуживании [7—9].
Необходимо оптимизировать затраты на ведение рельсового и путевого хозяйства в целом на основе:
достоверной информации о фактическом состоянии рельсов в режиме реального времени, об интенсивности дефектообразования;
обоснованного прогноза их ресурса посредством создания в составе ЕК АСУИ блока анализа и прогноза эксплуатационной стойкости рельсов;
перехода на принципы предиктивной эксплуатации рельсов и пути в целом.
Адресное прогнозирование появления и развития дефектов рельсов (вплоть до каждого пикета) в зависимости от их вида и условий эксплуатации позволит обоснованно планировать периодичность диагностики, объемы по-километровых запасов, превентивные меры (шлифовку, наплавку и т. п.), а также назначать капитальные ремонты с заменой рельсов.
Сочетание перехода на предиктивные принципы рельсового хозяйства и новых нормативов назначения тяжелых видов ремонтов пути с заменой рельсов обеспечит оптимизацию параметров безопасности движения и расходов.
В качестве подготовительной работы выполнен анализ эксплуатационной стойкости рельсов в целях разработки и обоснования параметров агрегации факторов и видов дефектов для оптимизации степени детализации расчетов с обеспечением достаточной дифференциации результатов анализа и прогноза.
Рассмотрены контрольные участки на восьми железных дорогах с различной грузонапряженностью, в разных климатических зонах общей протяженностью 3324 км; проанализирован выход рельсов в течение трех лет.


Для сравнения различных участков, категорий и производителей рельсов, влияния других факторов введен показатель удельного выхода (УВ) рельсов на 1 км пути за период наработки 1 млрд т брутто.
В результате анализа подтверждена прямая зависимость между интенсивностью бокового износа и радиусом кривых. На отдельных участках с большой долей кривых малых радиусов выход рельсов по боковому износу может достигать 76 % общего выхода, поэтому интенсивность бокового износа следует анализировать отдельно.
Участки с малой грузонапряженностью имеют повышенный УВ, обусловленный наличием старогодных рельсов, деревянных шпал и др. Поэтому количественные параметры анализа таких участков отделены от среднесетевых.
Дальнейшие анализ и прогноз выполнены с привязкой к пропущенному тоннажу, так как он является основным фактором, определяющим выход рельсов.
К значимым факторам также относятся следующие:

• категории и производители рельсов (рис. 1);
• радиусы кривых (рис. 2);
• осевые нагрузки (рис. 3);
• род шпал и производный от них тип пути (звеньевой на деревянных шпалах и бесстыковой на железобетонных) — установлено 2—3-кратное превышение интенсивности выхода рельсов на участках звеньевого пути по сравнению с бесстыковым;
• внутренняя или наружная рельсовая нить (в кривых участках) — соотношение выхода рельсов по внутренней и наружной нитям (без бокового износа) составляет 60/40.

К малозначимым факторам относятся следующие: бровочная или междупутная нить в прямых участках; профиль пути;
тип скреплений.
По результатам выполненных исследований обоснованы: перечень и порядок учета факторов, влияющих на интенсивность дефектообразования в рельсах;
степень детализации их учета в целях прогнозирования и формирования участков, на которых реализуются одинаковые с точки зрения прогнозирования образования дефектов условия эксплуатации (единичные участки).
Анализ фактической интенсивности дефектообразования в рельсах и ее прогноз выполняются при помощи специального программного обеспечения в составе ЕК АСУИ.


Единичные участки пути должны иметь постоянные значения по следующим параметрам:

• производитель и категория рельсов;
• пропущенный тоннаж с шагом 100 млн т брутто;
• радиусы круговых кривых до 2500 м с шагом 100 м; при этом одна половина длины переходной кривой добавляется к круговой, а другая относится к прямой;
• количество шлифовок рельсов;
• род шпал (деревянные или железобетонные);
• осевые нагрузки с шагом 2 тс.
  
• В кривых рельсовые нити подразделяются на наружную и внутреннюю. Факультативно фиксируются типы промежуточных скреплений. Стрелочные переводы от стыков рамных рельсов до задних стыков крестовин исключаются.
• По каждому единичному участку в режиме реального времени должны вноситься по мере их появления или изменения следующие параметры:
• средневзвешенные фактически реализуемые скорости грузовых поездов в сечении середины круговых кривых радиусами до 2500 м;
• параметры лубрикации в кривых;
• факты выполнения шлифовок рельсов и количество проходов рельсошлифовальных поездов;
• факты выполнения наплавок локальных дефектов рельсов;
• количество рельсовых стыков на 100 м нити;
• среднее с начала периода наблюдения и ежемесячно обновляемое количество просадок, перекосов и рихтовок на 100 м пути;
• максимальная (минимальная) температура воздуха в сутках изъятия остродефектного рельса (ОДР);
• усредненные на 25-метровых отрезках осадки головки рельса и шпал под нагрузочным поездом;
• по изымаемым ОДР: км, ПК+, код дефекта; по лежащим в пути дефектным рельсам (ДР): км, ПК+, код дефекта, размеры дефекта;
• даты проходов колесных пар со сверхнормативными размерами ползунов и выбоин.
  
• По всей сети должны дополняться и корректироваться приведенные на рис. 1—3 зависимости, а также формироваться новые зависимости интенсивности выхода рельсов по мере наработки тоннажа от влияния следующих факторов: непогашенного ускорения в кривых при средневзвешенных фактически реализуемых скоростях грузовых поездов;
• параметров лубрикации в кривых, в том числе модификации поверхности катания внутренних нитей;
• выполненных шлифовок (фрезеро-вок) рельсов;
• количества рельсовых стыков на 100 м нити;
• количества отступлений геометрии рельсовой колеи (просадок, перекосов и рихтовок) на 100 м пути;
• максимальной (минимальной) температуры воздуха;
• усредненных на 25-метровых отрезках осадок головки рельса и шпал под нагрузочным поездом;
• различных типов скреплений на железобетонных шпалах.
• Такие зависимости должны формироваться с дифференциацией по четырем ключевым факторам: производитель и категория рельсов; радиусы кривых участков;
• осевые нагрузки;
• род шпал (деревянные или железобетонные).

Целевой задачей анализа является формирование трендов интенсивностей выхода рельсов по мере наработки тоннажа на каждом единичном участке с последующим объединением участков с одинаковыми параметрами в пределах перегонов и главных путей примыкающих станций (кроме стрелочных переводов).
По каждому единичному участку в режиме реального времени строятся полиноминальные или линейные зависимости изъятия рельсов нарастающим итогом с приведением к 1 км от пропущенного тоннажа с начала эксплуатации рельсов (по фактическим значениям до наработки тоннажа текущей даты с прогнозным продлением до уровня нормативной наработки, а при необходимости — и далее), в том числе в кривых с дифференциацией по наружной и внутренней нитям (далее — тренды):
а) по всем кодам, кроме бокового износа;
б) по поверхностным (включая смятие головки) и контактно-усталостным дефектам;
в) по стыковым дефектам;
г) по дефектам сварки;
д) по пробуксовкам;
е) по нарушению технологии работ;
ж) по изломам без видимых причин, коррозии подошвы и другим дефектам.
По каждому единичному участку в режиме реального времени фиксируются следующие данные:
интенсивность бокового износа наружного рельса (в кривых);
местоположение дефектных рельсов с указанием кода и размеров;
невосстановленные сваркой рельсовые стыки.
При выходе рельсов в остродефектные и дефектные формируются затраты в различных хозяйствах.


Затраты в хозяйстве пути:

• на замену рельса (устранение отказа технического средства — внеплановая замена с приваркой соединителей; сварка в местах временного восстановления плетей бесстыкового пути);
• на ремонт дефектного рельса в пути (наплавка в зонах дефектов; шлифование или фрезерование рельсошлифовальными или рельсофрезерными поездами; сварка стыков).

Затраты в эксплуатационной работе. Потери, вызванные задержкой и остановкой грузовых, пассажирских и пригородных поездов, определяются по формуле


C = NjSOCTi + Ni*t3i*Snp,


где Nj — количество задержанных
поездов каждой категории, шт.; SOCTi — себестоимость остановки одного поезда соответствующей категории, руб.; t3i — время задержки поездов, ч; Snp — себестоимость простоя одного поезда каждой категории, руб.
Дополнительные затраты энергии на разгон поездов после ограничения скорости в местах действия предупреждений определяются на основе тяговых расчетов.
Общие затраты в эксплуатационной работе, на тягу поездов и в хозяйстве пути от появления ДР и ОДР на участках с различными условиями эксплуатации существенно отличаются.
Если при ограничении скорости в течение часа и грузонапряженности 20 млн т-км брутто/км в год доля затрат хозяйства пути составляет 70 % общих, то при трехчасовом ограничении скорости и грузонапряженности 150 млн т-км брутто/км в год доля затрат хозяйства пути составляет всего 20 %, а 80 % реализуются в эксплуатационной работе и на тягу поездов; при этом общие затраты достигают 0,5 млн руб. на один ОДР.
Специальное программное обеспечение в составе ЕК АСУИ должно обеспечивать получение в режиме реального времени соответствующих выходных форм. Используя тренды фактической интенсивности дефектообразования в рельсах (упомянутые выше а—ж) и ее прогноз на каждом единичном участке, планируют профилактические работы (см. таблицу) или ремонты пути.
Пример расчета эффективности назначения шлифования рельсов на участке с высокой интенсивностью их выхода. В соответствии с приведенной выше таблицей для оценки эффективности шлифовки используются следующие выходные формы анализа и прогноза выхода рельсов (тренды):
б) по поверхностным (включая смятие головки рельса) и контактно-усталостным;
д) по пробуксовкам.
Условия эксплуатации: участок протяженностью 100 км; грузонапряженность 100 млн т-км брутто/км в год; нагрузка 15,5 тс/ось; бесстыковой путь;

протяженность кривых радиусом менее 1200 м — до 10 %; пропущенный тоннаж на 01.01.2022: на 20 км — 250, 16 км — 340, 40 км — 480, 24 км — 780 млн т брутто.
За период эксплуатации данного участка образовывались поверхностные дефекты. Динамика изъятия рельсов по контактно-усталостным дефектам на поверхности головки (дефекты 10, 11, 12, 16, 19) и смятия головки (дефекты 40, 49, 41, 43), приведенная к 1 км, представлена на рис. 4 (на участке 780 — 1000 млн т брутто график продлен на основе ранее выполненных исследований).
В период эксплуатации были также изъяты рельсы по контактно-усталостным дефектам в головке (дефекты 20, 21, 22, 30 (ЗОГ), 31 (ЗОВ), 22). Динамика их изъятия за период эксплуатации с прогнозом до 1000 млн т брутто приведена на рис. 5.
По данным, представленным на рис. 4, для участка рассчитываем прогнозное образование дефектов на поверхности катания рельсов.

В 2022 г.:
(0,36-0,29)20 = 1,4 шт.
(0,48-0,36)16 = 1,98 шт.
(0,85-0,48)40 = 14,74 шт.
(1,52-1,35)24 = 4,01 шт.
Итого 22 рельса.
В 2023 г.:
(0,48-0,36)20 = 12,47 шт.
(0,85-0,48)16 = 5,9 шт.
(1,12-0,85)40 = 10,58 шт.
(2,03-1,52)24 = 12,38 шт.
Итого 31 рельс.
Например, к концу 2022 г. наработка на первом участке протяженностью 20 км увеличится до 350 млн т брутто. При наработке 350 млн т брутто накопленное количество дефектных рельсов составит 0,36 шт/км (см. рис. 4). Из этого значения нужно вычесть ранее изъятые на начало года при наработке 250 млн т брутто 0,29 шт/км и умножить на длину участка 20 км. Получим изъятие за 2022 г.: 1,4 рельса на 1 км.
В соответствии с утвержденными ОАО «РЖД» расходными ставками и оценочными уровнями затрат для экономических задач средняя стоимость замены одного рельса для бесстыкового пути составляет 84,6 тыс. руб., т. е. 1861,3 и 2624,5 тыс. руб. на рассматриваемом участке в 2022 и 2023 гг. соответственно.
По данным, представленным на рис. 5, выполняем прогноз выхода ОДР по контактным усталостным напряжениям.
В 2022 г.:

• (0,022-0,017)20 = 0,09 шт.
• (0,026-0,022)16 = 0,07 шт.
• (0,039-0,026)40 = 0,52 шт.
• (0,082-0,065)24 = 0,42 шт.
• Итого 1,09 рельса (округляем до 1).
• В 2023 г.:
• (0,026-0,022)20 = 0,09 шт.
• (0,039-0,026)16 = 0,21 шт.
• (0,054-0,039)40 = 0,61 шт.
• (0,11-0,082)24 = 0,68 шт.

Итого 1,58 рельса (округляем до 2).


Потери в эксплуатационной работе и дополнительные затраты на тягу поездов из-за ограничения скорости до 15 км/ч продолжительностью 2 ч по причине образования ОДР при грузонапряженности 100 млн т-км брутто/км в год составляют 460 тыс. руб.
Дополнительные затраты на данном участке составляют в 2022 г. (изъятие одного ОДР) 460 тыс. руб., в 2023 г. (изъятие двух ОДР) — 920 тыс. руб.
На рис. 4 и 5 интенсивности изъятия рельсов приведены без учета влияния шлифовки, которая устраняет поверхностные дефекты, замедляет их рост, а также не дает развиваться дефектам в головке рельса. Поэтому в расчете принимаем, что в 2022 и 2023 гг. ОДР не будет, а изъятие по контактным усталостным дефектам сократится на 70 %.
Затраты на замену рельсов при отсутствии шлифовки составляют:
460 + 1861,3 = 2321,3 тыс. руб. в 2022 г.;
920 + 2624,5 = 3544,5 тыс. руб. в 2023 г.; за два года — 5865,8 тыс. руб.
Стоимость шлифовки 1 км пути составляет 41,306 тыс. руб. на 1 км, или 4130,6 тыс. руб. на 100 км. Затраты на замену 30 % рельсов составляют в 2022 г. 558,4 тыс. руб., в 2023 г. —
ZUZZ Г. ЭЭ6,Ч тыс. руо., в ZUZJ г. — 787,4 тыс. руб.
Таким образом, затраты на шлифовку в 2022 г. превышают затраты на замену рельсов. Однако с учетом уменьшения изъятия рельсов и в 2023 г. затраты на шлифовку окупаются уже через 1,86 года.


Денежный поток для определения эффективности шлифования рельсов представлен на рис. 6.
Кроме того, в данном примере не рассматривались следующие эффекты от шлифования:

• сокращение затрат на текущее содержание пути за счет улучшения динамики взаимодействия подвижного состава с рельсами (снижение количества выправок, выхода элементов скреплений, образования выплесков и т. д.);
• увеличение межремонтного срока за счет снижения интенсивности одиночного выхода ОДР в сумме за срок службы, которые должны быть учтены при практических расчетах для назначения шлифовки рельсов.

Таким образом, планирование работ и ряда мероприятий на основе предиктивного анализа рельсового хозяйства осуществляется по критерию оптимизации стоимости жизненного цикла пути с учетом дополнительных затрат в эксплуатационной работе и на тягу поездов. Сочетание достоверных прогнозов выхода рельсов в ОДР или ДР, в том числе по различным дефектам с расчетом затрат на замену, а также на профилактические работы и ремонты пути, позволяет обоснованно планировать и реализовывать оптимизированные решения при ведении как отдельно рельсового хозяйства, так и путевого хозяйства в целом на основе предиктивных методов планирования.

Список источников

1. Озеров А.В., Ольшанский А.М., Куроптева А.П. Предиктивная аналитика с использованием Data Science на железнодорожном транспорте // Наука и технологии железных дорог. 2020. Т. 4. № 4 (16). С. 63-76.
2. Facilitating maintenance decisions on the Dutch railways using big data: The ABA case study / A. Nunez, J. Hendriks, Z. Li, B. De Schutter, R. Dollevoet // Proceedings of the 2014 IEEE International Conference on Big Data. Washington, DC, 2014. P. 48—53. doi: 10.1109/ BigData. 2014.7004431.
3. Ермаков B.M. О некоторых вопросах ведения рельсового хозяйства // Улучшение качества и условий эксплуатации рельсов и рельсовых скреплений: сборник научных докладов по материалам юбилейного 130-го заседания НП «Рельсовая комиссия». Екатеринбург, 2015. С. 137-148.

__________________
Телеграм-канал ЖЕЛЕЗНОДОРОЖНИК