Л.А. Мугинштейн, заведующий комплексным отделением тяги поездов и экономии топливно-энергетических ресурсов ВНИИЖТа, доктор технических наук
Е.Н. Школьников, начальник топливно-энергетического отдела Департамента локомотивного хозяйства ОАО «РЖД»
А.В. Андреев, старший научный сотрудник ВНИИЖТа
Т.В. Виноградова, заведующая лабораторией
С.А. Виноградов, старший научный сотрудник, кандидат технических наук

Во ВНИИЖТе разработан программный комплекс для анализа расхода энергоресурсов на тягу и выработки управляющих решений на уровне депо - автоматизированное рабочее место теплоэнергетика АРМТ. Такой комплекс функционирует в сети передачи данных СПД ОАО «РЖД» и предназначен для решения задач учета, анализа, нормирования, контроля и управления расходом топливно-энергетических ресурсов (ТЭР) на тягу поездов.

АРМ теплоэнергетика депо является сетевой системой и состоит из сервера баз данных и рабочих станций. Данные о маршрутах и об ограничениях скорости через соответствующие рабочие станции оперативно поступают на сервер баз данных и там накапливаются. На сервере также хранится постоянная информация об участках, обслуживаемых депо, характеристиках подвижного состава, сведения о машинистах и локомотивах.

Рис. 1

Программный комплекс реализован в архитектуре «Клиент-сервер». Можно выделить три его составляющие - это системы управления базой данных (сервер-хранилище данных), сбора информации (конвертор данных) и анализа (клиент АРМТ).

Серверная часть комплекса реализована на основе системы управления базами данных MS SQL-Server, исполняемые модули в виде расширенных хранимых процедур реализованы на языке С++.

Рис. 2

Конвертор предназначен для автоматизации ввода исходных данных с маршрутов машиниста о временных предупреждениях, об ограничении скоростей движения, установленных скоростях движения по перегонам и раздельным пунктам. Планировщик конвертора в назначенное время проверяет по заранее установленному FTP-адресу наличие новой информации и при необходимости запускает конвертор, добавляющий ее в базу данных и рассчитывающий новые маршруты.

Клиент реализован на языке Delphi и выполняет интерфейсные функции.

Специализированное программное обеспечение комплекса решает следующие задачи:

	ввод и корректировка условно-постоянной информации, относящейся к участкам обслуживания;
	автоматизированный ввод информации с маршрутов машинистов и о действующих предупреждениях об ограничении скорости;
	учет фактических расходов энергии на тягу;
	расчет технически обоснованных норм расходов ТЭР на каждую поездку по заданным условиям движения и фактическому их исполнению;
	анализ технического состояния локомотивов и систем измерения расхода энергии;
	анализ работы машинистов;
	анализ влияния ограничений скорости и неграфиковых остановок на расход ТЭР;
	анализ расходов ТЭР по поездам и видам движения;
	расчет и отображение эксплуатационных показателей работы депо;
	формирование отчетных форм.

Таблица 1

Комплекс предоставляет теплоэнергетику депо рассчитанные нормы расхода энергоресурсов и другие необходимые показатели, выявляет наиболее значимые факторы, влияющие на потери ТЭР. На основе этих данных разрабатывают организационные мероприятия, направленные на снижение потерь топливо-энергетических ресурсов.

Количественная оценка и нормирование затрат энергоресурсов на тягу поездов, как известно, является сложной задачей ввиду большого числа факторов, влияющих на величину их расхода. Показания счетчиков электрической энергии или данные замеров топлива дают интегральный результат действия всех условий. Поэтому понятие «норма расхода» должно учитывать и отражать совокупность всех воздействующих факторов. В настоящей версии АРМТа «норма расхода» определяется расчетным путем: при помощи программных модулей рассчитываются энергооптимальная траектория движения поезда и графиковый расход энергии (модули разработаны во ВНИИЖТе).

Таблица 2

Результатом энергооптимального расчета является оптимальная скоростная траектория движения поезда в виде сочетания режимов тяги, выбега и торможения, позволяющих реализовать ее при минимальной работе. Задача оптимизации решается с помощью математического аппарата, основанного на общем принципе максимума Понтрягина. Базой расчета является интегрирование уравнения движения поезда с использованием нормативных формул Правил тяговых расчетов с учетом профиля пути, ограничений скорости, времени хода, типа локомотива и т.д. При этом происходит перераспределение перегонных времен хода по сравнению с установленными, что при максимальном использовании потенциальных возможностей профиля и инерции поезда является одной из составляющих экономии энергоресурсов при сохранении заданного времени хода по участку. Такой метод дает оценку необходимого минимума затрат энергии на тягу.

Модуль графикового расчета осуществляет интегрирование профиля при установленных графиком движения перегонных скоростях. Это дает несколько завышенный по сравнению с энергооптимальным расчетом расход энергии и является верхней границей оценки необходимых затрат энергии на тягу. С помощью расчетных модулей определяется влияние действующих ограничений скорости и неграфиковых остановок на расход ТЭР. Также расчетным путем производится оценка потерь энергии в тяговых цепях локомотива и затрат на собственные нужды (определяются коэффициентом полезного действия, временем работы и мощностью вспомогательного оборудования в зависимости от режима работы локомотива).

Рис. 3

Ожидаемая норма расхода энергии на тягу поездов должна лежать между полученными расчетными оценками. Она определяется выражением Анорм = Кнорм (Амин+Амакс), где Анорм - расчетная норма расхода, Амин и Амакс - минимальная и максимальная оценки расхода, Кнорм - нормирующий коэффициент.

Использование нормирующего коэффициента позволяет пользователю корректировать расчетную норму с целью адаптации расчетных моделей к эксплутационным особенностям конкретных участков обращения поездов. Тем самым минимизируются погрешности расчетных методов, связанные с особенностями и фактическим состоянием верхнего строения пути и подвижного состава, погодными условиями и особыми условиями эксплуатации и пропуска поездов. Первоначально значение нормирующего коэффициента выбирается равным 0,5, т.е. значение расчетной нормы расхода лежит посередине между минимальной и максимальной оценками расхода энергии. По мере накопления статистических данных за длительный период (несколько месяцев) значение нормирующего коэффициента корректируется пользователем, исходя из минимальной разницы между фактическими показаниями счетчиков и расчетной нормы.

Полученная оценка «нормы расхода» сравнивается с показаниями счетчиков локомотивов или замерами расхода топлива и является предметом дальнейшего анализа. Степень расхождений расчетной нормы и фактических показаний счетчиков обусловливается рядом факторов, которые трудно или невозможно учесть в расчетной части: это точность и исправность устройств регистрации расхода, значительные отклонения от рациональных режимов ведения, опыт и мастерство машинистов, особые погодные условия, техническое состояние пути и подвижного состава.

Рис. 4

Практическую обкатку комплекс АРМТ прошел на Горьковской дороге, где проверялась адекватность предложенных моделей и алгоритмов расчетов. Рассмотрим на конкретных примерах его возможности.

Так, зависимость ежесуточного удельного расхода электроэнергии подтвердила близость средних значений расходов по счетчикам и расчетной норме. Для участка Горький Сортировочный – Шахунья это показано на рис. 1. Сам ход кривых иллюстрирует, что расчетная норма учитывает наиболее существенные факторы, обусловливающие расход энергии на тягу.

Сравнительный анализ фактического удельного расхода и удельной нормы на участке Юдино – Аргыз за более длительный период (январь-июль 2004 г.) показан на рис. 2. Как видно, разница между фактическим удельным расходом по счетчикам и удельной расчетной нормой в течение пяти месяцев (март-июль) не превышает 1%. Рост фактического удельного расхода в январе-феврале связан с сильными морозами в этот период.

С помощью АРМТ можно выявить наиболее значимые факторы, влияющие на перерасход энергоресурсов, и разработать организационные мероприятия, направленные на снижение потерь. Так, анализ отклонений показаний счетчиков расхода от расчетной нормы по каждому локомотиву позволяет судить об исправности приборов измерения и при систематических отклонениях на значительную величину принимать меры к устранению неисправностей.

Таблица 3

Анализ, проводимый по отдельным машинистам, позволяет судить о степени их квалификации (локомотивы с выявленными неисправностями устройств регистрации расхода исключают из анализа). Систематический перерасход машинистами топлива или электроэнергии свидетельствует об их неумении применять на практике экономичные методы управления поездом. При выявлении же машинистов с систематическими отклонениями показаний счетчиков от нормы в сторону экономии энергии (причем показания счетчиков меньше результатов модуля расчета энергооптимальной траектории) можно заподозрить их в намеренном вмешательстве в схему регистрации расхода с целью уменьшения его действительной величины.

В табл. 1 и на рис. 3 приведены данные анализа работы машиниста Ф.М. Гафурова. Его можно отнести к группе «среднестатистических» машинистов: среднее отклонение от нормы +0,98 %, большинство выполненных поездок попадает в диапазон от -5% до +5%. В табл. 2 и на рис. 4 приведены данные анализа работы машиниста В.И. Айманова. Его можно отнести к группе пережигающих электроэнергию - среднее отклонение от нормы 10,63 %. В качестве мер по повышению квалификации группы машинистов с подобными показателями можно предложить дополнительное обучение методам экономичного вождения поездов.

Таблица 4

В табл. 3 и на рис. 5 приведены данные анализа работы машиниста Р. Его можно было бы отнести к группе экономящих машинистов - среднее отклонение от нормы - 12,67 % в сторону экономии. Однако вызывают подозрение результаты трех поездок, в которых экономия превышала 40%. Анализ работы локомотива №2503, на котором была выполнена одна из таких поездок, подтвердил подозрения в злоупотреблении со стороны машиниста (табл. 4 и рис. 6).

Анализ влияния предупреждений об ограничении скоростей движения на экономию энергоресурсов позволяет ранжировать их по суммарным затратам энергии и выявлять наиболее энергоемкие с целью приоритетного устранения. Пример оценки влияния предупреждений об ограничении скоростей движения приведен в табл.5. Здесь за выбранный интервал времени показаны места и время действия предупреждений об ограничении скоростей движения, ранжированные по величинам затрат электроэнергии на каждом из них.

Рис. 5

Важным резервом экономии энергоресурсов является уменьшение доли неполновесных и неполносоставных поездов. Ярким примером является зависимость удельного расхода энергии от осевой нагрузки: полностью груженные составы имеют удельный расход электроэнергии почти в 2 раза меньше, чем порожние (табл. 6 и рис. 7).

Опыт эксплуатации АРМТ на Горьковской дороге и анализ результатов за длительный период показал правомерность применения расчетных методов для определения обоснованных норм расхода топливно-энергетических ресурсов.

Внедрение АРМТ позволяет выявлять локомотивы с неисправными системами регистрации расхода электроэнергии и топлива и повышает достоверность учета расхода энергоресурсов, а также позволяет принимать действенные меры по устранению причин перерасхода или по повышению квалификации машинистов. Выявление же случаев несанкционированного вмешательства в схему измерения и регистрации расходов позволит избежать выплат необоснованных премий за «экономию».

Рис. 6

АРМТ позволяет не только оперативно получать необходимую информацию, но и анализировать влияющие на расход ТЭР факторы и выбирать обоснованные нормы расхода. Это инструмент эффективного управления расходами топливно-энергетических ресурсов за счет выявления наиболее значимых факторов, влияющих на перерасход энергоресурсов.

Разработчик на протяжении всего времени эксплуатации комплекса обеспечивает всестороннюю поддержку пользователя. Проводится обучение работе с АПК, семинары по наиболее эффективному его использованию, гарантийное обслуживание оборудования и обновление версий программного обеспечения.

В настоящее время из-за увеличения объемов внедрения и проводимой модернизации программ АРМТ отрабатываются методы контроля за работой комплексов на сети дорог с помощью удаленного доступа к серверам и клиентским рабочим станциям локомотивных депо. В связи с этим часто возникают недоразумения по связи с указанными объектами. Кроме того, не на всех ИВЦ дорог решены вопросы автоматизированного получения данных о временных предупреждениях об ограничении скоростей движения, особенно на участках обслуживания смежных дорог. Эти обстоятельства, а также отсутствие полноценной информации о неграфиковых остановках снижают достоверность расчетов, а следовательно, и анализа. Выявлены также случаи корректировки времени при заполнении маршрутов машинистов, что ведет к браку при выполнении расчетов.

В связи с этим главным инженером Департамента локомотивного хозяйства ОАО «РЖД» поставлена задача о стыковке АРМТ с системой РПДА, что позволит повысить достоверность исходных данных для расчетов и исключить влияние при этом человеческого фактора.

Положительный опыт эксплуатации АРМТ на уровне локомотивных депо и решение вопроса об обмене данными в единой сети передачи СПД ОАО «РЖД» позволяет АРМТ стать основой корпоративной системы АСУ ТЭР и обеспечит возможность контроля реальной ситуации на сети железных дорог, а также выработку управляющих действий в масштабах компании. В настоящее время комплекс АРМТ внедрен по Программе ресурсосбережения в 30 депо Горьковской, Юго-Восточной, Северной, Свердловской и Московской железных дорог.