Admin

Разработка киберфизической информационной системы управления надежностью локомотивов на базе КАСАНТ и АСУ ТМХ

И.K. ЛАКИН, д-р техн, наук, профессор, начальник ситуационно-аналитического центра мониторинга и реагирования дирекции
по контролю качества эксплуатации подвижного состава АО «Трансмашхолдинг»

В настоящей статье описана киберфизическая система, создаваемая совместно ОАО «РЖД», АО «НИИАС» и АО «Трансмашхолдинг» для управления надёжностью локомотивов.


 

Содержание

1КИБЕРФИЗИЧЕСКИЕ ПРОИЗВОДСТВЕННЫЕ СИСТЕМЫ 2АСУЖТ 3АСУ ТОи Р 4ЭЛЕКТРОННЫЙ ПРОТОКОЛ РАЗБОРА ОТКАЗОВ 5ЗАКЛЮЧЕНИЕ

КИБЕРФИЗИЧЕСКИЕ ПРОИЗВОДСТВЕННЫЕ СИСТЕМЫ

После разработки математической модели «Машина Тьюринга» в 1936 г. и создания по ней первого в мире компьютера Colossus (Англия, 1943 г.), а затем аналогичного компьютера ENIAC (Electronic Numerical Integrator and Computer, США) в 1945 г. началось бурное развитие компьютерных технологий (IT) второй половины XX века. Появилась новая научно-практическая отрасль — Кибернетика (с 1948 г.), в которую входят сейчас самые разнообразные направления: сама вычислительная техника, распознавание образов, компьютерное зрение, искусственный интеллект, ЗО-печать, устройства ввода и вывода информации, интернет вещей, робототехника и другие. Центральное из них — Автоматизированные системы управления (АСУ), которые начали создавать и в СССР с 1952 г. на базе отечественных электронных вычислительных машин (ЭВМ) серий БЭСМ (большая электронно-счетная машина) и «Урал», позже «ЕС» (Единая система).
Первые экспериментальные ЭВМ были созданы на базе реле, а первые практически используемые — ламповые (первое поколение). Из супербольших вычислительных центров в производственные центры ЭВМ попали после перевода их элементной базы на транзисторы (второе поколение) и микросхемы (третье поколение). Настоящая революция произошла после изобретения микропроцессора (ЭВМ на одном кристалле кремния) в 1971 г., на базе которого появились легендарные настольные компьютеры Apple (с 1976 г.) и персональные компьютеры PC (с 1981 г.) — четвертое поколение ЭВМ (рис. 1). Пятое поколение ЭВМ не совсем успешно пытались определить не по элементной базе, а по математическим методам, разработанному программному обеспечению и даже по наличию элементов искусственного интеллекта, но развитие информационных технологий за последние 40 лет приняло взрывной и многонаправленный характер.
В 2016 г. специалисты Германии предложили текущий этап развития АСУ классифицировать как «Четвертая промышленная революция» (Индустрия 4.0). Первой революцией предлагалось считать этап автоматизации управления паровыми машинами. Второй — электрификацию, внедрение электродвигателей, развитие телеграфных, телефонных, релейных систем связи, защиты и управления. Третьей революцией назван описанный выше этап IT-развития. На этом этапе микропроцессоры становятся частью систем управления (МСУ) станков, входят в почти любое оборудование. Создаются многочисленные автоматизированные рабочие места (АРМ) на базе компьютеров.


Объединение всех разрозненных МСУ и АРМ в единую АСУ становится задачей четвертой промышленной революции — начинают создавать киберфизические производственные системы (Cyber Physical Production Systems — CPPS). Термин CPPS был предложен группой промышленных компаний Германии. Изначально CPPS представлялось как управление заводом, когда инженер только задает параметры нужного изделия, а АСУ самостоятельно настраивает все станки через их МСУ на нужную программу выпуска, получает исходные материалы на складе, запускает процесс изготовления.
CPPS — это единое управление процессом, организованное путем взаимодействия различных АСУ, компьютерных систем, МСУ оборудования. На железнодорожном транспорте — это управление перевозочным процессом из единого центра управления через региональные серверы во взаимодействии с МСУ локомотивов, получением данных от АСУ инфраструктуры, управления сортировочными станциями для дальнейшего формирования квалифицированных управляющих воздействий. Часто CPPS-этап развития АСУ называют «умным» (smart) — «Умная железная дорога», хотя перевод слово «smart» как «умный» не совсем точно отражает суть: умным может быть только человек. Но такое название более интуитивно понятно неспециалистам.
Применительно к железнодорожному транспорту первый этап развития АСУ связан с автоматизацией собственно управления паровозом — паровой машиной и тормозами (с 1804 г.). В России одновременно наступает второй этап: начиная с железной дороги Санкт-Петербург — Москва (с 1846 г.) все линии оснащались электрическим телеграфом, развивались средства СЦБ, позже — диспетчерской централизацией. С конца XIX века в мире появляется электрическая тяга — сначала в виде электропоездов, трамваев и электровозов, а с XX века — также в виде автономной электрической тяги — тепловозов. Третья и последующая четвертая промышленные революции в управлении транспортом связаны с созданием комплексной автоматизированной системы управления железнодорожным транспортом (АСУЖТ).

АСУЖТ

Внедрение АСУ железнодорожного транспорта началось в 1970-е годы под управлением члена-корреспондента АН СССР, доктора технических наук, профессора, Героя СоциалистическогоТруда А.П. Петрова. Будучи длительное время заведующим кафедрой «Организация движения поездов» МИИТ, он отлично понимал стоящие перед управлением перевозками задачи. Им впервые были сформулированы задачи АСУЖТ, включая необходимость создания АСУ локомотивного хозяйства — АСУТ. При А.П. Петрове созданы ПКТБ АСУЖТ, Главное управление вычислительной техники, Главный вычислительный центр. Принципы АСУЖТ сформулированы в его книге «Комплексная автоматизированная система управления железнодорожным транспортом», изданной в 1977 г. Отметим, что поставленные перед АСУЖТ задачи в полном объеме до сих пор в процессе решения.
ЭВМ первых АСУ были достаточно слабыми, хотя и занимали огромные площади (порой — целые этажи), при этом с низкой надежностью и производительностью. Мысли инженеров об автоматизации сильно опережали возможности ЭВМ.

В 1970-х годах задачи применения вычислительной техники в МПС СССР объединили в ведении специально организованного Главного управления вычислительной техники. К началу 1980-х годов на всех железных дорогах и в МПС ввели в эксплуатацию первые очереди АСУ. В их состав вошли информационно-справочные системы о грузовой работе и вагонных парках, работе локомотивного парка, системы слежения за рефрижераторным подвижным составом и крупнотоннажными контейнерами и др.
Главный результат первого этапа развития АСУЖТ — разработка и внедрение в 1980-е годы на сети железных дорог Автоматизированной системы оперативного управления перевозками (АСОУП), включавшей в себя данные (модели) по поездам (включая натурный лист), вагонам, контейнерам, а для локомотивной тяги — локомотивам и локомотивным бригадам. Первоначально до появления персональных компьютеров у дежурных по станции, локомотивных диспетчеров и нарядчиков устанавливались телетайпы для передачи данных и получения справок о движении поездов, захода и выхода локомотивов из депо.
Позже телетайпы заменили на персональные компьютеры. АСОУП и сейчас, являясь основой системы управления перевозками, постоянно развивается. Создана система АСОУП-2 для современного способа доступа к реляционным данным системы, объединенным с дорожного уровня на централизованный. В настоящее время решаемые по данным АСОУП задачи существенно превосходят поставленные изначально. В ближайшей перспективе предусмотрена разработка нового поколения АСОУП — ЕМД ПП (Единая модель данных перевозочного процесса, разработчик Проектно-конструкторско-технологическое бюро по системам информатизации) на импортонезависимой платформе.

Параллельно с разработкой и внедрением АСОУП энтузиастами дорог проектировалась автоматизация формирования главного (наряду с натурным листом поезда) поездного документа — графика исполненного движения (ГИД). Первые варианты АСУ ГИД были созданы на базе цветных телевизоров и внедрены в первом в стране Донецком диспетчерском центре. Но настоящий прорыв был достигнут уже в эпоху персональных компьютеров усилиями Горьковской дороги и Уральского отделения ВНИИЖТ (г. Свердловск, ныне Екатеринбург) в 1988 — 1992 гг. К работам по практическому внедрению системы подключились Восточно-Сибирская и Красноярская дороги, где в середине 1990-х годов впервые удалось отказаться от ручного ведения ГИД, перейдя на его автоматическое формирование по данным АСОУП и СЦБ.
Первое устоявшееся название АСУ — «ГИД Урал», с 1999 г. — «Урал-ВНИИЖТ». К 2003 г. система внедрена во всех дорожных центрах управления перевозками (ДЦУП) на всем полигоне железных дорог, включая ЦУП ОАО «РЖД». Главные пользователи системы — поездные диспетчеры ДЦУП (рис. 2). С системой работают тысячи специалистов через автоматизированные рабочие места (АРМ) — это базовая информационная система ОАО «РЖД» наряду с АСОУП. В ближайшей перспективе предусмотрена разработка нового поколения ГИД — АС ГИД НП (разработчик АО «НИИАС»).

Наряду с АСОУП и ГИД в АСУЖТ входят более 300 информационных систем, включая такие глобальные системы, как управление финансовыми (ЕК АСУФР) и трудовыми (ЕК АСУТР) ресурсами на платформе SAP R/3, подготовки и оформления перевозочных документов ( ).
Революционный переход на работу с персональными компьютерами в конце 1980-х — 1990-х годов привел не только к быстрому созданию многочисленными группами авторов новых автоматизированных технологий, но и к потере совместимости отдельных подсистем АСУЖТ. Объединение всех АСУ в единое информационное пространство — задача уровня четвертой промышленной революции и предполагает создание киберфизической производственной системы (CPPS). Задача усложняется выходом ряда информационных систем за периметр ОАО «РЖД», включая АСУ сервисных компаний, осуществляющих техническое обслуживание и ремонт (ТОиР) подвижного состава. Этот этап развития АСУЖТ часто называют «Умная железная дорога».
КАСАНТ

С 2007 г. в ОАО «РЖД» для устранения отрицательного влияния отказов на перевозочный процесс с участием АО «НИИАС» внедряется «Комплексная автоматизированная система учета, контроля устранения отказов технических средств и анализа их надежности» (КАСАНТ). В настоящее время основным источником информации об отказах технических средств (локомотивное и вагонное хозяйства, СЦБ, инфраструктура и др.) стал ГИД Урал-ВНИИЖТ, где поездной диспетчер (см. рис. 2) делает отметки об отказах на соответствующей «нитке» графика. Это главный источник информации об отказах перевозочного процесса.
Дополнительно в КАСАНТ есть информационный обмен с АСУ ведения актов комиссионных осмотров станций (АС КМО), контроля технического состояния подвижного состава (АСК ПС), выдачи предупреждений (АСУВОП), управления путевым хозяйством (АСУ-П), хозяйством сигнализации и связи (АСУ-Ш), электрификации и электроснабжения (АСУ-Э). Разрабатывается связь с АСУТ и электронным паспортом локомотивов (АС ЭП). Все эти системы создавались различными коллективами авторов независимо друг от друга и по своим правилам для специфического применения. Поэтому КАСАНТ можно назвать киберфизической производственной системой. Курируют эксплуатацию и дальнейшее развитие КАСАНТ главный инженер и Департамент технической политики ОАО «РЖД».
Отказ в КАСАНТ определен как «событие, заключающееся в нарушении работоспособного состояния объекта». Последствия отказа трактуются как «явления, процессы, события и состояния, обусловленные возникновением отказа объекта». При этом отказ трактуется как отказ перевозочного процесса (не локомотива!). Соответственно последствия отказа — это задержка поезда, закрытие перегона (пути перегона) для движения, закрытие основных средств сигнализации и связи, пропуск поездов по дополнительным средствам связи, отмена поезда, прием и отправление поездов при запрещающем показании светофора, отцепка подвижного состава, следование со вспомогательным локомотивом и др.
Для оценки влияния отказов на перевозочный процесс в КАСАНТ введено понятие «категория отказа» (согласно ГОСТ Р 27.102-2021 — это «вид отказа»). Всего их три:

• приведшие к задержке пассажирского, пригородного или грузового поезда на 1 ч и более, либо приведшие к транспортным происшествиям или событиям, связанным с нарушением правил безопасности движения и эксплуатации железнодорожного транспорта;
• приведшие к задержке пассажирского, пригородного или грузового поезда продолжительностью от 6 мин до 1 ч;
• не имеющие последствий, относящихся к отказам 1-й и 2-й категорий (учет данных случаев производится первоначально в рамках АСУ хозяйств); также учитываются отказы, выявленные при проведении ТОиР локомотивов.

Следует отметить, что серьезное повреждение локомотива может несущественно повлиять на перевозочный процесс, и наоборот, несущественный отказ локомотива может остановить движение.

Поэтому категорий отказов в КАСАНТ недостаточно для управления надежностью локомотивов.
Наряду с категориями отказов, характеризующих влияние на перевозки, у локомотивов есть понятие «вид отказа», характеризующее значимость поломки для самого локомотива. Видов отказа тоже три, трактовка которых согласно ГОСТ 31187-2011 и ОСТ 32.46-95 несколько отличается от вышеуказанного ГОСТа:

• отказ, вызвавший вынужденную остановку поезда на перегоне или промежуточной станции, если дальнейшее движение поезда продолжено с помощью вспомогательного локомотива;
• отказ, в результате которого допущена задержка поезда на перегоне хотя бы по одному из путей или на станции сверх времени, установленного графиком движения, на один час и более;
• отказ, требующий выполнения непланового ремонта с неплановым заходом локомотивов в депо (HP).

Управление надежностью в КАСАНТ происходит следующим образом (рис. 3). В случае возникновения проблем (инцидента) в перевозочном процессе (блок 1) поездной диспетчер делает отметку на нитке графика проблемного поезда в ГИД Урал (блок 3), после чего информация автоматически попадает в КАСАНТ (блок 4), где регистрируется новый отказ одной из трех категорий. Далее, после совместного сервисного и эксплуатационного локомотивных депо расследования (блок 5) ответственный работник эксплуатационного локомотивного депо вручную вводит данные в КАСАНТ (блок 6).
Блоки 5 и особенно 6 по рис. 3 являются слабыми звеньями системы управления надежностью. Формирование протокола с использованием текстового редактора Word (блок 5) требует много времени, не используются классификаторы, нет функций встроенного качества, защищающих от ошибок. Дальнейший ручной ввод информации в КАСАНТ (блок 6) также допускает возможность ошибок и даже субъективных действий. Преодолеть проблему можно через взаимодействие с АСУ ТОиР ремонтных предприятий.

АСУ ТОи Р

В июле 2014 г. ОАО «РЖД» перешло на сервисную форму обслуживания локомотивов, заключив 30.04.2014 г. договоры с компаниями ТМХ-Сервис (№ 285) и СТМ-Сервис (№ 286). В ТМХ-Сервис (теперь ЛокоТех-Сервис) под руководством АО «Трансмашхолдинг» (ТМХ) началась разработка собственной АСУ, решающей как типовые задачи бухгалтерии, склада, управления персоналом (на платформе системы 1 С), так и специфические управления ТОиР и надежностью локомотивов производства ТМХ (НЭВЗ, БМЗ, КЗ).
В результате комплекса работ в ТМХ создана АСУ ТОиР под названием «Сетевой график» (рис. 4). Исходные данные об эксплуатации локомотивов, их пробеге, дислокации и заходе в сервисное локомотивное депо (СЛД) берутся из АСОУП через АСУТ (блок 1). Далее в АСУ ТОиР вводятся данные о техническом состоянии локомотива из всех доступных ручных и автоматизированных источников: КАСАНТ (блок 7.1), бортовой журнал локомотива (форма ТУ-152, блок 7.2), бортовая диагностика (блок 7.3), деповская диагностика, осмотры в процессе ремонта (блок 7.4). Вся информация собирается в электронной диагностической карте АСУ ТОиР (блок 2).


Отдельно следует отметить работу АРМ «Умный локомотив» (АРМ УЛ), разработанное в ТМХ (блок 7.3). Информация со всех видов бортовых микропроцессорных устройств управления и диагностирования (МСУД) поступает в АРМ автоматически (через систему «Ковчег») или вручную при помощи переносных Flash-накопителей. Программа автоматически выполняет анализ введенных данных, фиксирует отказы и предотказные состояния, нарушения режимов эксплуатации (согласно утвержденному в ОАО «РЖД» классификатору нарушений). Результаты диагностики автоматически передаются в диагностическую карту АСУ ТОиР для устранения замечаний.

Объем обязательных работ при заходе локомотива определяется согласно электронной нормативной базе данных видом ТОиР: ТО-2, ТО-3, ТР-1, ТР-2, ТР-3 и др. Дополнительный объем ремонта определяется наличием замечаний в электронной диагностической карте (блок 2). После определения объема работ мастер со своего компьютера по безбумажной технологии выписывает исполнителям наряды, запрашивает материалы на складе, вводит данные объективного контроля (блок 3). При необходимости документы распечатываются и подписываются в конце смены.
Дополнительно налажена работа с регистрацией отказов, монтажа и демонтажа, выполненных ТОиР линейного оборудования локомотивов — номерных материалов повторного использования (блок 4). Налажен обмен данными с системой ОАО «РЖД» «Электронный паспорт локомотива» (АС ЭП) разработки ПКБ ЦТ.
Завершается ТОиР сдачей локомотива приемщику ОАО «РЖД» и оформлением соответствующих документов (блок 5). При этом доступна вся информация ТОиР из базы данных АСУ. После приемки локомотив поступает в эксплуатацию (блок 6). Таким образом, АСУ ТОиР ТМХ содержит комплексную информацию о выполненных в сервисном депо работах.
Информация АСУ ТОиР ТМХ является исходной для дальнейшего разбора обнаруженных отказов, для чего создан АРМ инженера по безопасности движения поездов СЛД (АРМ ИБД), который установлен в каждом из 85 СЛД «ЛокоТех» (рис. 5).


Наличие отказов локомотивов в АРМ ИБД контролируется как по данным КАСАНТ (блок 1), так и по данным АСУ ТОиР (блок 2), прежде всего при заходе локомотива в СЛД на неплановый ремонт. При наличии нового отказа (блок 3) в АРМ ИБД заводится новое расследование (блок 4). Далее по утвержденному в компании регламенту проводится первичное расследование причин отказа с приложением сканов подтверждающих документов (блок 5).
Информация из АРМ ИБД передается в АРМ «Дорожные карты» (блок 6), где происходит автоматическая привязка отказа к расследованию по виду оборудования согласно классификатору, разработанному по данным заводов-изготовителей в системе IPS и совместимому с классификаторами ОАО «РЖД» (АС ЭП и КАСАНТ). В АРМ ДК при наличии критического числа отказов по конкретному оборудованию (блок 7) производится определение корневой причины отказов (вторичное расследование), поиск технического решения для устранения проблемы, разработка календарного плана работ (дорожной карты), её утверждение и выполнение (блок 8) с контролем наличия эффекта.
Таким образом, в ТМХ создана комплексная киберфизическая система управления ТОиР и надежностью локомотивов. Данные системы по своей глубине и достоверности являются уникальными, безусловно, полезными для использования не только в сервисных компаниях, в локомотивостроительных и локомотиворемонтных заводах, но и в ОАО «РЖД», прежде всего в КАСАНТ.

ЭЛЕКТРОННЫЙ ПРОТОКОЛ РАЗБОРА ОТКАЗОВ

Наличие двух не связанных между собой АСУ (КАСАНТ и АСУ ТОиР) приводит к снижению управляемости, в теории информации это называется увеличением информационной энтропии. Возникла потребность объединения двух систем, для чего предлагается разработать электронный протокол разбора отказов и определения ответственной стороны.
На рис. 6 представлен предлагаемый алгоритм обмена информацией между АСУ ТОиР ТМХ (пилот-проект) и КАСАНТ. Отказ фиксируется в КАСАНТ (блок 1). Если отказ не повлиял на перевозочный процесс и не зафиксирован в КАСАНТ, то он принудительно фиксируется в КАСАНТ по данным АСУ ТОиР (блоки 2, 3) как отказ третьей категории.


По зафиксированному в АРМ ИБД отказу производится расследование (блок 4), формируются данные, которые затем передаются в КАСАНТ для дальнейшего формирования электронного протокола разбора причин отказа (блок 5). В КАСАНТ в специально создаваемом АРМ проверяются полученные из АСУ ТОиР данные, при необходимости вводится дополнительная информация, определяется ответственная за отказ сторона (блок 6): окончательное решение остается за ОАО «РЖД» (начальником эксплуатационного локомотивного депо), но за сервисным депо остается право особого мнения. При системных случаях взаимного несогласия по определенному виду отказа проводится разбор с привлечением сторонних экспертов.
Окончание расследования фиксируется электронной подписью (блок 7), что позволяет в дальнейшем на базе создаваемых электронных протоколов автоматически (без субъективного разбора) формировать ежемесячные акты сверки по статистике эксплуатации и ремонта локомотивов, определять объем простоя и перепростоя с указанием ответственной стороны. В результате становится реальным перейти на безбумажную технологию взаимного расчета — на реальный Smart-контракт.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Задача автоматизированного взаимодействия с АСУ ТОиР сервисных компаний решается с 2022 г. Рассмотрено несколько вариантов реализации проекта, обсужденных на совместных совещаниях Департамента технической политики (ЦТЕХ), Дирекции тяги (ЦТ), ПКБ ЦТ, АО «НИИАС» и ТМХ. В результате была признана важность решения такой задачи не только для локомотивного хозяйства, но и как пилот-проекта для других хозяйств. Результатом стало утверждение в мае 2024 г. в ЦТ согласованного всеми причастными документа «Типовой протокол для отказов локомотивов» (электронная подпись от 28.05.2024 № 277).
Первый этап работ над проектом завершился решением совещания генерального директора — председателя правления ОАО «РЖД» О.В. Белозёрова по итогам работы по повышению надежности технических средств и снижению технологических нарушений, поставившим задачу реализовать в 2025 г. взаимодействие АС КАСАНТ и АСУ ТОиР ТМХ в части формирования электронного протокола разбора по фактам отказов в работе локомотива (п. 4 протокола от 25.07.2024 № ОБ-82/пр).
В 2024 г. стартовала работа над техническим решением проекта. Заключено соглашение о конфиденциальности между ОАО «РЖД» и ТМХ. Порядок реализации проекта обсужден на совещаниях куратора проекта, заместителя генерального директора — главного инженера ОАО «РЖД» В.Ф. Танаева (куратором проекта от ТМХ является заместитель генерального директора по контролю качества эксплуатации подвижного состава В.Н. Пустовой). В результате в ОАО «РЖД» составлен, согласован и утвержден совместный график работ по формированию электронного протокола (электронная подпись от 24.03.2025 № 448).
В настоящее время идет практическая работа по реализации проекта: разрабатывается техническое решение с соблюдением норм информационной безопасности, гармонизируются классификаторы, готовятся частные технические задания на отдельные функции системы. Головные разработчики — АО «НИИАС» и ТМХ совместно с компанией ООО «Программный инжиниринг и технологии» (ПИИТ). В 2025 г. должен быть реализован пилот-проект системы с его дальнейшим тиражированием по сети дорог.

__________________
Телеграм-канал ЖЕЛЕЗНОДОРОЖНИК