A model of transition to an optimal repair structure as a stage of integration into the system of "digital repair" of a passenger car at the operational stage of its life cycle

Четвертая промышленная революция, получившая свое название от инициативы 2011 года, возглавляемая бизнесменами, политиками и представителями науки Германии, определила усиленную интеграцию «киберфизических систем» в промышленности, которая позволила повысить конкурентоспособность в производственных отраслях. Интеграция различных систем, несомненно, нашла свое отражение на рынке труда и в повседневной жизни каждого гражданина

Решения по реализации цифровых стратегических инициатив также рассматривались и рассматриваются на предприятиях промышленности Российской Федерации

В 2022 году в соответствии с данными информационно-правового портала «Гарант.ру»

Вопрос увеличения доли цифровизации в отраслях промышленности связан с различными факторами, от увеличения покрытия территории страны широкополосным интернетом, позволяющим осуществлять доступ к сетям связи и осуществлять мониторинг технического состояния объектов в режиме реального времени, формирование цифровой аналитики, позволяющая использовать ключевые аспекты в обработке поступающих данных для наработки статистической базы и создания предиктивного прогноза до момента проведения ему технического обслуживания или ремонта

Целью исследования является рассмотрение вопроса цифровизации процесса ремонта пассажирского подвижного состава как самого объекта (вагона), так и выполнения регламентных технологических операций. С математической точки зрения оптимально спланированная ремонтная компания является функцией нахождения условий, при которых исполнитель получает максимальное значение выручки с минимальным уровнем затрат на поддержание оборудования в технологических операциях в технически исправном состоянии. Согласно исследованиям компании PWC, существует потенциальная возможность прироста годовой выручки на 2,9% с сокращением затрат в среднем на 3,6% в год за счет использования интеллектуальных алгоритмов оптимизации технических процессов на производственном предприятии

Применение современных аналитических систем может быть полезно как при проведении планово-предупредительного ремонта, так и при техническом (сервисном) обслуживании как самого пассажирского вагона (далее – ПВ), так и его элементной базы, в том числе, по мониторингу его фактического состояния. В случае использования классических подходов к планированию проведения технического обслуживания и ремонта ПВ, также невозможно избежать потребности в анализе и обработке больших массивных данных, связанных с различными характеристиками использования в межремонтный период

При постановке задач необходимо сопоставить объемные показатели технического обслуживания и планового-предупредительного ремонта вагона на рассматриваемый период таким образом, чтобы исключить фактор проведения некачественного ремонта (обслуживания), а также сверхнормативного простоя ПВ в ремонте из-за отсутствия персонала, запасных частей, материалов, а также заблаговременно подготовить ремонтную базу для проведения регламентного объема работ

В текущих условиях, с учетом динамично развивающейся цифровизации, необходимости обработки большого количества поступающей информации, невозможно представить работу крупной компании без использования автоматизированных систем. Даже предприятия, которые напрямую не используют сложные автоматизированные системы в своей деятельности, как минимум применяют примитивную автоматизацию. Зачастую автоматизированные системы используют для обнаружения аварийного узла. Однако этого недостаточно, чтобы перспективная автоматизированная модель была построена на обработке поступающих в режиме реального времени мониторинговых данных с узлов и деталей объекта. Их оперативная обработка, в том числе с использованием облачных хранилищ и построением итоговых прогнозных моделей (по каждому диагностируемому узлу), в конечном итоге позволяет значительно повысить эффективность использования оборудования и установить цепочку предаварийных состояний, восстановительный ремонт которых наносит гораздо меньший ущерб, чем от результата их разрушения

Система технического обслуживания и ремонта подвижного состава до недавнего времени не рассматривалась с точки зрения автоматизации процесса и создания «цифрового ремонта» на предприятии. Вместе с тем, концепция проведения ремонта по мониторингу изменения фактического состояния в различных промышленных отраслях набирает стремительную популярность, которая сказывается на повышении надежности и экономической эффективности. Достаточно много примеров таких решений можно найти в области гражданского, авиационного и автомобильного транспорта.

Для формирования основного массива данных и оптимального принятия итоговых решений в рамках проведения ремонта или технического обслуживания ПВ необходимо установить четкие исходные параметры и предиктивные критерии браковки, без которых невозможен достоверный анализ качественных условий оценки работоспособности, в первую очередь, наиболее ответственных элементов. От выбора и установки пороговых критериев зависит качество самой выбранной прогнозной модели, что напрямую связывает и получаемый эффект. В случае использования чисто статистических методов любая из возможных случайных ошибок, таких как кратковременное пропадание сигнала с датчика (неустойчивая зона приема-передачи), возникновение фоновых помех, может быть принята ею как нарушение. Также ошибки могут возникнуть по причине «человеческого фактора» (некачественная установка), а также из-за недостаточных компетенций обработки полученных диагностируемых данных. На практике существует много попыток создания огромных серверных хранилищ для анализа и обработки данных, но полезными и эффективными является лишь небольшая их часть. К эффективным системам мониторинга по праву можно отнести сервисный ситуационный центр дистанционного мониторинга и диагностирования тепловозов компании General Electric Transportation (GE)

Для установления задач и подходов работы с аналитическими системами, в первую очередь, необходимо сформировать условия, распределить и классифицировать их по группам. Данный этап имеет ключевое значение для эффективной работы аналитической модели, так как на основании группы и значимости по различным элементам им присваиваются различные удельные веса, а также производится оценка влияния их на итоговый процесс.

В целом, для формирования качественных условий и получения итоговой предиктивной модели необходимо сформировать группы их удельного влияния по следующим процессам.

- анализ мониторинговых данных с объекта по заданным параметрам;

- архивные данные по структуре ранее зафиксированных инцидентов, зачастую связанных с качеством ранее проведенных ремонтных работ в рамках технического обслуживания и планово-предупредительного ремонта;

- иные данные об эксплуатируемом объекте (технические характеристики, используемое оборудование, климатические условия и т.д.);

- финансовые характеристики объекта мониторинга;

- качественные показатели использования.

Таким образом, чтобы создать эффективную модель «цифрового двойника» объекта, необходимо анализировать не только его технические характеристики, но и финансовые, а также качественные показатели (полигон курсирования, населенность, цена билета, оборот вагона). Именно совокупность данных различного происхождения позволит эффективно использовать инструмент анализа, а с внедрением в него процесса «просеивания» больших объемов данных и извлечения из них наиболее ценной информации для точечного применения, в том числе и с использованием нестандартных по своей природе подходов, станет возможно сформировать предиктивную модель использования физического объекта по его «цифровому клону», а также сформировать прогнозную бизнес модель использования ПВ.

В качестве одного из подходов к автоматизированному планированию ремонта и его перехода в полноценную модель «цифрового ремонта» необходимо выделить использование информационных систем для принятия стратегических решений, используя эвристические методы

Рассмотрим процесс ремонта пассажирских вагонов (далее – ПВ) по их техническому состоянию (далее – ТС), который имеет в своем составе n-ое количество заменяемых деталей, опираясь на несколько предельных состояний ПВ. Процесс ремонта по ТС ПВ будет трансформирован в многоуровневую модель

В настоящее время процесс ремонта на вагоноремонтном предприятии можно разделить на следующие два основных направления – это «внеплановый ремонт» и «планово-предупредительный ремонт». «Внеплановый ремонт» выполняется по факту достижения ПВ состояния отказа оборудования и перехода его в неработоспособное состояние, приводящее к снижению эффективности его использования и влекущее к дополнительным внеплановым затратам. «Планово-предупредительный ремонт» зачастую влечет за собой ряд избыточных действий для проверки работоспособности ПВ и фактического достижения допустимого ресурса использования его элементной базы. Эти факторы приводят к снижению эффективности использования ПВ на эксплуатационном этапе его жизненного цикла.

Для решения данной задачи целесообразно рассмотреть концепцию ремонта подвижного состава «по состоянию», опираясь на мониторинг данных, полученных с диагностических систем и технических неисправностей, фиксируемых в период эксплуатации ПВ. На основании диагностики и мониторинга можно рассчитать остаточный ресурс (далее – ОР) самого ПВ, а также его диагностируемых элементов, также возможно определить «узкие места» в технологических операциях или установить недостаточную надежность отдельных деталей, установленных на ПВ

При рассмотрении классических вариантов ремонта объекта «по состоянию» обычно данные процессы сводятся применительно к одной единице оборудования (ПВ). В нашем же случае, ремонтное предприятие, принимая на себя обязательства ремонта «по состоянию» должно понимать, что имеет дело со множеством целевых факторов, такие как: общецеховые цели на выпуск отремонтированной продукции (в данном случая ПВ), наличие персонала, вовлеченного в процесс ремонта, включая их компетенции и навыки, информация о ремонтируемом парке ПВ (включая модели вагонов, их назначения, номенклатуру ремонтируемого оборудования в зависимости от компоновки ПВ), мониторинговые и диагностические данные о его эксплуатации, фактическая и перспективная заявка запасных частей и материалов (в том числе и ПВ с повышенным объемом ремонта) и т.д.

Если сформировать эталонный процесс ремонта, то он должен быть структурирован следующим образом (рис. 1).

Рисунок 1 - Эталонная схема ремонта пассажирского вагона

DOI:10.60797/IRJ.2024.143.142.1

Таким образом, при выполнении ремонта ремонтное предприятие будет представлять собой комбинацию ремонтных работ каждого элемента подвижного состава (колесные пары, тормозное оборудование, электрооборудование и т.д.). Для реализации своевременного выпуска ПВ после ремонтных операций необходимо найти оптимальное решение в использовании технологических, финансовых ресурсов, загрузкой ремонтного предприятия объектами, а также наличия необходимого количества ремонтного персонала.

Для решения данной задачи примем:

· Предприятие содержит m ПВ и n производственных цехов (n<m).

· Для выполнения плана ремонта предприятию необходимо отремонтировать l ПВ (l – изменяется в соответствии с планом выпуска из ремонта вагонов с учетом, что предприятием должно быть достигнуто l≤m).

· Каждый ПВ состоит из p элементов (подлежащие ремонту). Оставшийся остаточный ресурс (ОР) вагона известен.

· Все работники имеют одинаковую квалификацию.

· Одинаковые узлы имеют одинаковое время ремонта.

Введем дополнительные условия и допущения:

· При замене узла на новый в ПС его ресурс ОР возрастает до максимального значения.

· ОР детали ПВ уменьшается при работе, во время простоя ОР детали не изменяется. Кроме того, ОР детали может корректироваться на основании опыта эксплуатации (исторических данных).

· Запасные части и узлы всегда доступны для их замены на новые.

· ОР делали ПС подсчитаны верно.

· Один цех осуществляет ремонт одной детали ПВ.

Состояние каждого ПВ сравнивается с данными о предельном состоянии с установленной периодичностью. В рамках данной статьи будет рассмотрено 2 состояния детали: «подлежит ремонту» – τ (подлежит замене на новую) и «условный ремонт» – T (предельное значение).

Таким образом, условия по организации ремонта ПВ примет следующее состояние:

1. ОР>T в таком случае ПВ перейдет в состояние «Ремонт не требуется» А1.

2. τ<ОР≤T в таком случае ПВ перейдет в состояние «Условный ремонт» А2. При данном состоянии ПВ будет зависеть от множества различных факторов, такие как укомплектованность штата работников, последовательное выполнение операций и т.д.

3. ОР<τ в таком случае ПВ перейдет в состояние «Обязательное проведение ремонта» A3.

Рисунок 2 - Предельные значения состояний ПВ

DOI:10.60797/IRJ.2024.143.142.2

При расчете значения τ и T устанавливаются эвристическим путем на основании полученных данных с мониторинговых датчиков. Параметр τ также может устанавливаться на основании регламентирующих или рекомендуемых данных производителем ПВ или его соответствующей элементной базы.

Основной целью выполнения данного процесса является максимальной доступностью элементов ПВ для выполнения ремонта за планируемый период.

Организация ремонта ПВ «по стоянию» требует от участков (цехов) большой коммуникации как между собой, так и с диспетчерским аппаратом предприятия. Более того, руководители цехов и диспетчерский аппарат должны оперативно влиять на постоянно меняющуюся ситуацию с целью принятия корректирующих мер и решений по выполнению плана ремонта. Как один из вариантов реализации программы ремонта является формирование многоуровневой модели.

В рамках данной системы структуру ремонта «по стоянию» можно раздробить на 2 уровня: Уровень Вагоноремонтного Предприятия (далее – УВП) и Уровень Ремонтного Персонала (далее – УРП), а сам процесс управления предприятием можно выделить как Уровень Управления и Взаимодействия (далее – УУВ).

УВП является стратегическим органом управления и описывает свойственные ей характеристики, в том числе расчет надежности, который отвечает за формирование требований к объемным показателям ремонта и технического обслуживания.

В свою очередь, УРП содержит требования к планированию и распределению работ в соответствующих цехах и производственных участках с последующим докладом руководству вагоноремонтного предприятия. Данная многоуровневая модель схематически представлена на рис. 3.

Рисунок 3 - Структура двухуровневой модели управления ремонтным предприятием

DOI:10.60797/IRJ.2024.143.142.3

Основное планирование осуществляется со стороны УВП. Когда УВП принимает доклады от УРП, он координирует, осуществляет внешнее взаимодействие и контролирует процессы организации и проведения ремонта подвижного состава в целом, формирует стратегию ремонтной компании с учетом рационального использования трудовыми и финансовыми ресурсами.

Внутрицеховое взаимодействие между УВП и УРП направлено на реализацию конкретных заданий для качественного проведения технического обслуживания и ремонта ПВ.

Порядок взаимодействия между цехами и участками основан на эвристических правилах.

Предположим, что взаимодействие между всеми участками и цехами осуществляются на принципах «взаимовыручки» и «соревнования». Это означает, что каждый руководитель участка осуществляет взаимодействие с подразделениями своей и других (смежных) компаний таким образом, чтобы максимизировать свою роль на пределе своих возможностей. Практически формируется следующий процесс: каждый ремонтный участок стремиться отремонтировать свою часть ПВ как можно быстрее, взаимодействие между работниками цехов выстраивается таким образом, чтобы осуществить ремонт как можно большего количества ПВ.

Так как в условиях выбрана двухуровневая система взаимодействия назовем их «независимое взаимодействие» (далее – НВ) и «внешнее взаимодействие» (далее – ВВ). Заданные условия для изыскания и проведения оптимизации по результатам взаимодействия между несколькими ремонтными бригадами является достаточно сложной, следовательно, каждый уровень их сотрудничества должен также подчиняться эвристическим правилам. Рассмотрим каждое из них.

Эвристическое правило «независимое взаимодействие». На уровне НВ свободный УРП взаимодействует с УПВ для того, что получить дополнительное задание на ремонт подвижного состава. Можно рассмотреть вариативность выполнения данного НВ путем следующих альтернативных решений:

1. ПВ находится в статусе «Обязательное проведение ремонта», состояние А3:

· Принцип минимального ожидания ремонта: для каждой единицы ПВ структурное предприятия, находящиеся в состоянии А3, запланировано минимальное среднее время ожидания ПВ перед постановкой их на ремонтные позиции. Обозначим этот алгоритм, как «принцип 1А».

· Принцип максимального количества отремонтированных ПВ за отведенный период времени: в данном случае, когда персонал участка (цеха) не задействован в ремонте ПВ (отсутствуют объекты ремонта), участку (цеху) оформляется задание на его ремонт с наименьшим временем. Обозначим этот алгоритм как «принцип 1Б».

· Принцип занятости персонала участка (цеха): данный принцип включает в себя максимальное количество отремонтированных ПВ силами минимального количества персонала. Освободившиеся работники направляются на ремонт других элементов ПВ или производят ремонт деталей и оборудования оборотного фонда, а также для нужд эксплуатационных подразделений. Обозначим это как «принцип 1В».

2. ПВ находится в состоянии «Условного ремонта», состояние А2:

· Принцип наибольшего количества ремонта ПВ в ограниченный интервал времени: данное условие возникнет если у персонала отсутствуют объекты ремонта и на него может быть оформлен наряд на ремонт ПВ с наименьшим временем ремонта. Обозначим этот принцип, как «принцип 2А».

Эвристическое правило «внешнее воздействие» (ВВ). В его рамках ВВ УУВ взаимодействует с УВП для формирования глобальной стратегии ремонта ПВ, выполнения технологических операций и маршрутных карт с последующей отправкой заданий УРП.

Допустим, что план отремонтированных ПВ на текущий момент времени равен ln. УРП представляет информацию о текущем состоянии ПВ приемщику пассажирских вагонов (далее – ППВ). ППВ анализирует информацию и записывает в каком состоянии находится каждая единица ПВ. Так, в состоянии «Обязательное проведение ремонта» находится m3 ПВ, в состоянии «Условный ремонт» находятся m2 ПВ и в состоянии «Ремонт не требуется» находятся m1 единиц ПВ. Далее ППВ подсчитывает количество ПВ, которые можно отремонтировать в рамках отведенного периода времени m4 и, согласно правилам 1А, 1Б, 1В ищет максимально возможное значение m4. Таким образом количество ПВ, готовых к проведению ремонта составит ma = m1 + m2 + m4.

На основании проведенного анализа эвристические правила принятия решения примут следующие возможные варианты:

1. Если ma<ln, тогда выполнение плана ремонта вагонов невозможен, план нереализуем. Обозначим эта «принцип 3А».

2. Если количество ПВ, находящееся в состоянии А1, удовлетворяет условию m1≥ln, тогда необходимое количество ПВ будет задействовано в перевозках, ПВ требующий ремонт и находящийся в состоянии A3 будет ремонтироваться в соответствии с принципом 1А. После завершения ремонта ПВ в состоянии А3, УРП приступит к ремонту ПВ в состоянии А2 согласно принципу 2А. Зафиксируем его как «принцип 3Б».

3. Если m1<ln≤m1+m2, тогда ПВ находящиеся в стоянии А3 будут ремонтироваться в соответствии с принципом 1Б. Примем это за «принцип 3В».

4. Если m1+m2<ln≤m1+m2+m4, тогда ПВ, находящийся в ремонте А3, будет ремонтироваться по принципу оптимального ОР. Данный принцип обозначим, как «принцип 3Г».

5. После получения необходимого количества отремонтированных ПВ для осуществления перевозок выбираем ПВ с наименьшим ОР. Обозначим данный принцип как «принцип 3Д».

6. В случае, если производственные мощности предприятия не задействованы в текущем производственном процессе, а ПВ находится в стадиях А2 и А3, то их ремонт будет осуществляться по принципам 2А и 1А соответственно. Обозначим это, как «принцип 3Е».

На основании изложенного и структуры формируемой модели, схема взаимодействия в структурном предприятии будет выглядеть следующим образом (рис. 4).

Рисунок 4 - Схема внутрицехового взаимодействия

DOI:10.60797/IRJ.2024.143.142.4

Таким образом, информация о поступающим в ремонт ПВ имеет важную составляющую. Заблаговременное предоставление информации о мониторинге и состоянии ПВ позволит обеспечить заявку необходимого количества запасных частей и материалов для сокращения нахождения вагона в ремонте. В зависимости от состояния ОР элементной базы подвижного состава можно увеличить количество отремонтированных ПВ за отчетный период, в сравнении с классическим подходом, а также повысить эффективность, безотказность и надежность в эксплуатации. Периодическая переподготовка и обучение персонала позволяет избежать «человеческого фактора» при ремонте и техническом обслуживании нового и модернизированного подвижного состава. Кроме того, применение современных алгоритмов при грамотно выстроенном процессе позволит существенно улучшить процесс управляемости и оборачиваемости запасных частей и деталей для проведения планового восстановительного ремонта, а также для эксплуатационных нужд.