Концептуальная модель процесса электрической тяги как основа развития теории тягового электрооборудования городского электрического транспорта
А.Э. Аухадеев, Р.С. Литвиненко, Л. Н. Киснеева, П. В. Егорова
Аннотация
Предмет и цель работы. Теория тягового электрооборудования нуждается в развитии представлений о тяговом процессе, так как именно режимы работы тягового электрооборудования однозначно определяют режимы движения электроподвижного состава, а электрическая тяга является точкой приложения управления производственно-техническим процессом городского электрического транспорта, которое является не только научной, но и важной практической проблемой. Изложена научная гипотеза о том, что режимы работы тягового электрооборудования электроподвижного состава городского электрического транспорта формируются под воздействием сложноорганизованного технологического процесса электрической тяги и являются топологической основой его структуры. Целью исследования было изучение процесса преобразования электрической энергии в целенаправленное механическое перемещение подвижного состава при реализации всех технологических условий производственно-технической системы городского электрического транспорта. Материалы и методы. Теоретическое исследование выполнялось на основе методологического анализа теории тягового электрооборудования, теории автоматического управления и автоматизированного электропривода, теории электрической тяги, теории построения движения, системного подхода и синергетической естественно-научной парадигмы. Результаты. Основным результатом является сформулированная концептуальная модель (теоретическая система), позволяющая представить процесс электрической тяги как систему, состоящую из пяти уровней, находящихся в иерархических отношениях и решающих каждый отдельную специфическую задачу построения движения электрического транспорта. Выводы. Полученная теоретическая система позволит развить общую теорию тягового электрооборудования городского электрического транспорта путем совершенствования методологических основ принципов формирования режимов работы тягового электрооборудования при реализации технологии перевозочного процесса в производственно-технической системе городского электрического транспорта.
Ключевые слова: модель процесса электрической тяги, тяговое электрооборудование, городской электрический транспорт, система построения движения, системный подход, синергетическая естественно-научная парадигма.
Abstract
CONCEPTUAL MODEL OF THE PROCESS OF ELECTRIC TRACTION AS A BASIS FOR THE DEVELOPMENT OF THEORY TRACTION ELECTRICAL EQUIPMENT OF URBAN ELECTRIC TRANSPORT
A.E. Auhadeev, R. S. Litvinenko, L. N. Kisneeva, P. V. Yegorova
Subject and goals. The theory of traction electrical equipment requires the development of ideas about the traction process, because It is the operating modes of the electric equipment that uniquely determine the modes of movement of electric rolling stock, and the electric traction is the application point for managing the production and technical process of urban electric transport, which is not only a scientific but also an important practical problem. The article describes the scientific hypothesis that the operating modes of traction electrical equipment as part of the automated electric drive of the rolling stock of urban electric transport are formed under the influence of the complex Technological process of electric traction and are the topological basis of its structure. The purpose of the study was to study the process of transformation of electric energy into purposeful mechanical movement of rolling stock during realization of all technological conditions of industrial and technical system of urban electric Transport. Materials and methods. Theoretical research was carried out on the basis of methodological analysis of the theory of traction electrical equipment, the theory of automatic control and automated electric drive, the theory of electric traction, the theory of motion structure, System approach and synergetic natural science paradigm. Results. The main result is the formulated conceptual model (theoretical system), which allows to present the process of electric traction as a system consisting of five levels, which are in hierarchical relations and solving each individual specific task Construction of electric transport traffic. Conclusions. The obtained theoretical system will allow developing the general theory of traction electrical equipment of urban electric transport by improving the methodological basis of the principles of forming the modes of traction electrical equipment at Implementation of the technology of the transportation process in the industrial and technical system of urban electric transport.
Keywords: electric traction process model, electric traction equipment, urban electric transport, motion building system, system approach, synergetic natural science paradigm.
Введение
Общая теория тягового электрооборудования (ТЭО) городского электрического транспорта (ГЭТ), основываясь на методологических положениях теории электрических машин, теории автоматического управления и автоматизированного электропривода и теории электрической тяги, располагает множеством методов расчета рациональных режимов работы ТЭО, которые как показывает практика, не всегда дают достаточный уровень адекватности при реальных условиях эксплуатации ГЭТ. Очевидно, что это связано с высокой сложностью процессов, определяющих формирование режима работы ТЭО при реализации электрической тяги в системе ГЭТ и отсутствием достаточно проработанной методологии их интерпретации в отраслевой теории [1, 2]. На этом фоне многие исследователи подтверждают, что опытные, хорошо технически подготовленные водители способны реализовать рациональные режимы работы ТЭО, обеспечивающие режимы движения электро- подвижного состава (ЭПС), позволяющие экономить до 10 % электроэнергии по сравнению с полученными в результате расчетов и рекомендованными к исполнению режимной картой [3, 4]. Все это определяет актуальность научной проблемы развития теории и методов расчета рациональных режимов работы ТЭО ЭПС ГЭТ на основе разработки методологии описания процессов, определяющих формирование режимов работы ТЭО при реализации технологического процесса электрической тяги в производственнотехнической системе ГЭТ.
Очевидно, что вопросы теории ТЭО, связанные с расчетом технологических режимов его работы, лежат в предметной области теории электрической тяги. Данный факт определяет возможность развития теории и методов расчета рациональных режимов работы ТЭО путем совершенствования основополагающих представлений о принципах формирования электрической тяги как процесса преобразования электрической энергии в целенаправленное механическое движение ЭПС при реализации всех технологических условий производственно-технической системы ГЭТ. Для этого авторами сформулирована основанная на системном подходе и синергетической методологии научная гипотеза об интерпретации электрической тяги как открытого сложноорганизованного процесса, топологической основой многоуровневой конфигурации которого являются реализации режимов работы ТЭО [5-7]. Подобный методологический подход позволит развить представления об особенностях формирования режима работы ТЭО, об архитектуре взаимодействий с другими техническими, технологическими и производственными процессами, характеризующими реализацию электрической тяги, что будет способствовать решению актуальной научной проблемы повышения эффективности использования электрической энергии в системе ГЭТ.
Методика теоретического исследования
Согласно высказанной научной гипотезе технологический процесс электрической тяги, основной задачей которого является целенаправленное механическое движение ЭПС, реализуемое ТЭО, в общем случае может быть представлен совокупностью иерархически выстроенных уровней (подпроцессов). Для описания этих подпроцессов целесообразно воспользоваться теорией «построения движения», предложенной знаменитым биомехаником первой половины ХХ в. Н. А. Бернштейном [8] и нашедшей применение в робототехнике и мехатронике [9]. В соответствии с этой теорией реализация управляемого движения объектов или систем различной природы, в том числе биологических и технических, осуществляется посредством его «построения». При этом построение движения происходит в общем случае по 5 уровням («А», «В», «С», <Ю», «Е»), которые называются «уровни построения движения» [8]. Теория построения движения определяет механизмы контроля и управления движением, которые формируются особым образом по уровням и имеют сложную структуру. Такой механизм «построения движения» позволяет организовать эффективный алгоритм «построения решений» в управлении движением сложных динамических систем [9].
По данной теории уровни построения движения ЭПС при реализации электрической тяги могут быть идентифицированы.
Уровень А (УА) - особый уровень построения движений, на котором движение как таковое отсутствует, но при этом происходят процессы, связанные с его подготовкой, т.е. ресурсное обеспечение процесса движения ЭПС.
Уровень В (Ув) - уровень построения движений в собственных координатах системы (конкретного ЭПС), т.е. пространственная, временная и силовая координация механической работы ТЭО как отдельного элемента всего комплекса электромеханического оборудования ЭПС.
Уровень С (Ус) - уровень построения движений в окружающем предметном пространстве, т.е. пространственная, временная и силовая координация управляемого механического перемещения ЭПС в условиях маршрута движения (план и профиль пути, маршрутная система и т.д.).
Уровень Б (У^ - уровень построения движений системы при взаимодействии с предметами окружающего пространства, обусловленном представлениями об их качествах и свойствах взаимных отношений (основанных на объективном мониторинге параметров посредством измерительных инструментальных средств), т.е. реализация целенаправленного механического перемещения ЭПС в условиях технологии перевозочного процесса (график движения, межпоездной интервал, время хода и пр.)
Уровень Е (УЕ) - уровень построения движений системы при взаимодействии с предметами окружающего пространства, основанном на знаниях об их качествах и свойствах взаимных отношений, т.е. реализация «идеализированных» механических перемещений ЭПС, удовлетворяющих основным прогнозным параметрам задачи производственного процесса ГЭТ, формируемых системой организационного управления.
Уровни построения движения выстраиваются в соответствии с иерархией решаемых специфических задач. При этом задачи решаются параллельно, для каждого уровня непрерывно формируются вышестоящим и управляют нижестоящим уровнем, подчиняются условиям задачи общего процесса движения ЭПС. Таким образом, иерархия подпроцессов, реализуемых задач на каждом уровне построения движения, вступая во взаимосвязи, формирует структуру процесса механического движения ЭПС.
Рассмотренный выше процесс движения ЭПС можно условно представить как «механическую» составляющую реализации электрической тяги. Очевидно, что присутствует и «электротехническая» составляющая, которая определяет процессы преобразования электрической энергии, формирования электрических режимов ТЭО, взаимодействия с окружающей средой, энергетической системой, другими ЭПС и т.д. Такие процессы также имеют четкую иерархическую структуру и в общем случае могут быть представлены 5 уровнями построения системы электрической тяги (как на постоянном, так и на переменном токе) [10].
Анализ условно выделенных механической и электротехнической составляющих технологического процесса электрической тяги позволяет сделать выводы, что основной процесс также представляет собой систему уровней, связанных иерархической подчиненностью и во взаимосвязи реализующих различные специфические задачи, которые в совокупности решают основную задачу. Реальный технологический процесс электрической тяги невозможно однозначно разделить на механическую и электротехническую составляющие, но схожесть их иерархических структур позволяет сформулировать основные особенности построения процесса электрической тяги: многоуровневость процесса; иерархичность уровней; параллельность и взаимосвязь подпроцессов; обмен энергетическими, материальными и информационными ресурсами.
Обсуждение результатов исследования
С учетом вышеперечисленных особенностей сформулирована концептуальная модель (теоретическая система) построения процесса электрической тяги. За основу взяты положения теории построения движения, так как основной задачей электрической тяги является управляемое механическое движение ЭПС. Предложенная концептуальная модель процесса электрической тяги графически представлена на рис. 1.
Многоуровневость процесса электрической тяги определяется наличием в его структуре нескольких уровней (подпроцессов), каждый из которых решает конкретную специфическую задачу, отличающуюся от других, но в совокупности с другими направленную на решение основной задачи процесса. Такой подпроцесс или группа подпроцессов могут сформировать один из уровней системы. Так, в структуре процесса электрической тяги предлагается выделить 5 уровней:
1. Уровень энергетического обеспечения (У1). По аналогии с уровнем УА построения движения является определяющим для всего процесса электрической тяги. На данном уровне не происходит формирование тяги как таковой, а обеспечивается функциональная готовность процесса к деятельности путем обеспечения стабильного и надежного энергообеспечения перевозочного процесса. Энергообеспечение определяется способами, методами и средствами приема, преобразования и распределения энергии в системе тягового электроснабжения, его технологическим уровнем, наличием резерва по мощности, материальным обеспечением, а также квалификацией обслуживающего персонала.
Рис. 1. Концептуальная модель процесса электрической тяги:
У1 -У5 - уровни построения процесса электрической тяги; Ям,е,і - обмен соответственно материальными, энергетическими и информационными ресурсами