Evaluating the cost-effectiveness of the «SMART MONITORING» system for the equipment of Russian railways infrastructure facilities

Full Text

Введение

Система «SMART МОНИТОРИНГ» применяется для мониторинга оборудования объектов инфраструктуры РЖД, в частности вокзалов, с целью оптимизации потребления им электроэнергии. Система позволяет измерять заданные параметры оборудования и характеристики внешней среды объектов инфраструктуры РЖД, накапливать результаты измерений и выдавать их по запросу оператору. Кроме того, система позволяет регулировать работу отдельных объектов по заданному критерию. Например, работу тепловой завесы по заданной температуре в помещениях вокзала. Экономическая эффективность применения системы «SMART МОНИТОРИНГ» характеризуется соотношением полученной экономии стоимости ресурсов, используемых при эксплуатации объектов инфраструктуры РЖД и затрат на создание и эксплуатацию системы на определенном интервале времени. Например, экономия затрат на электроэнергию при работе тепловой завесы. Основные преимущества внедрения системы «SMART МОНИТОРИНГ» [1; 2]:

 

Ход исследования

Технология замеров параметров при помощи системы «SMART МОНИТОРИНГ»

Для осуществления измерений, необходимо войти в систему. В ней отображаются все участки, на которых установлены считыватели. Оператор выбирает необходимый участок и контролирует целевые параметры, которые отображаются в режиме графика. Существует возможность экспортирования данных.

 

Расчет стоимости одного канала системы «SMART МОНИТОРИНГ»

Стоимость канала системы «SMART МОНИТОРИНГ» складывается из следующих величин:

 

,

 

где С_{тех.средства} – стоимость аппаратных средств, входящих в состав канала системы «SMART
МОНИТОРИНГ»;

С_п.о. – стоимость программного обеспечения, реализующего функционирование канала, осуществляющего мониторинг и управление работой контролируемого оборудования (усредненная стоимость программирования и конфигурирования одного канала системы мониторинга);

С_монтаж – ориентировочная стоимость монтажа одного канала системы «SMART МОНИТОРИНГ».

 

Стоимость аппаратных средств, входящих в состав одного канала системы «SMART
МОНИТОРИНГ» ориентировочно составляет 50 000 руб.

Стоимость конфигурирования программного обеспечения, реализующего работу канала с целью мониторинга и управления работой контролируемого оборудования конкорса определяется по формуле:

 

 ,

 

где 1,3 – коэффициент, учитывающий отчисления в фонды социального страхования (пенсионный фонд, фонд социального страхования и фонд обязательного медицинского страхования), начисленные на фонд оплаты труда сотрудников, занимающихся разработкой программного обеспечения;

Т_{с по} – часовая ставка сотрудников, занимающихся разработкой программного обеспечения (руб./час);

Т_{ц по} – длительность цикла разработки программного обеспечения (час).

 

Часовая ставка сотрудника, занимающегося разработкой программного обеспечения, равна:

 

 

Длительность цикла разработки программного обеспечения (Т_{ц по} ) из расчета на один канал определена методом Покер – планирования и составляет 60 чел.-часов.

Таким образом, стоимость разработки программного обеспечения одного канала усредненно
составит:

 

 

Стоимость монтажа одного канала системы «SMART МОНИТОРИНГ» определяется по формуле:

 

,

 

где . –  часовая ставка сотрудников, выполняющих монтажные работы;

 – длительность цикла монтажных работ.

 

Часовая ставка сотрудника, выполняющего монтажные работы равна:

 

Длительность цикла выполнения монтажных работ одного канала системы «SMART МОНИТОРИНГ» определяется методом Покер-планирования или с использованием хронометража и составляет 50 чел.-часов [3; 4].

Стоимость монтажных работ равна:

 

 

Общая стоимость одного канала системы «SMART МОНИТОРИНГ» определяется следующим выражением:

 

Расчет стоимости обслуживания канала системы «SMART МОНИТОРИНГ» за один год

Стоимость обслуживания канала системы «SMART МОНИТОРИНГ» складывается из обслуживания сервера и обслуживания оборудования канала.

Сервер, обеспечивающий функционирование системы «SMART МОНИТОРИНГ», обслуживается системными администраторами. С учетом того, что обслуживание осуществляется 24 часа в сутки в течение всего года, в списочный состав бригады системных администраторов входят 4 человека. Один сервер обслуживает ориентировочно 200 каналов.

С учетом этого, стоимость обслуживания сервера определяется формулой:

 

,

 

где Д_м.– количество месяцев обслуживания;

N – списочная численность системных администраторов (чел.);

ЗП – месячная заработная плата системного администратора (руб.);

1,3 – коэффициент, учитывающий отчисления в фонды социального страхования (пенсионный фонд, фонд социального страхования и фонд обязательного медицинского страхования);

n – количество каналов, которое обслуживает один сервер.

 

Расчет стоимости обслуживания сервера в расчете на один канал за год равна:

 

С_{обс. сервер} = 12 · 4 · 1,3 * 60 000 / 200 =  18 720 (руб.).

 

Стоимость обслуживания оборудования системы «SMART МОНИТОРИНГ» за год определяется по формуле:

С_{обс. об.}. = Д _мес. * Т_{ст. обс.} * t _обс.,

 

где Т_ст.обс. – часовая ставка обслуживания оборудования системы «SMART МОНИТОРИНГ», определяется методом Покер – планирования;

t_обс. – продолжительность обслуживания канала системы «SMART МОНИТОРИНГ» в течение месяца (час.).

 

Стоимость обслуживания оборудования канала системы «SMART МОНИТОРИНГ» в течение года с учетом Т_ст.обс. = 1200 руб./час., t_обс = 2,1 час. _.определяется:

 

С_{обс. об}. = 12 · 1200 · 2,1 = 30 301 (руб.).

 

Стоимость обслуживания одного канала системы «SMART МОНИТОРИНГ» в течение года сведена в таблицу 1.

 

Определение экономии затрат на электроэнергию при эксплуатации тепловой завесы марки BALLY (модель ВНСМ10Т09-PS), полученной за счет внедрения одного канала системы «SMART МОНИТОРИНГ».

На рисунке 1 представлены результаты мониторинга потребляемой электрической энергии тепловой завесой и величины расходов на оплату потребленной электроэнергии во времени.

Таблица 1 – Стоимость обслуживания одного канала системы, руб.

Table 1 – Cost of servicing one channel of the system, rub.

Название элемента стоимости	Стоимость обслуживания сервера	Стоимость обслуживания оборудования канала системы «SMART МОНИТОРИНГ»	Полная стоимость обслуживания канала системы «SMART МОНИТОРИНГ»
Стоимость вида обслуживания	18720	30 301	49 021

 

        

 

Рисунок 1 – Результаты мониторинга потребляемой электрической энергии тепловой завесой
и величины расходов на оплату потребленной электроэнергии во времени

Figure 1 – Results of monitoring the consumed electrical energy by a thermal curtain and the amount
of expenses for paying for the consumed electricity over time

 

Данные графиков на рисунке 1 сводятся в таблицу 2. Для наглядности необходимо упорядочить значения температуры по убыванию значений и рассчитать среднее арифметическое значение температуры за каждый период анализируемого периода до и после внедрения системы соответственно.

 

Таблица 2 – Показатели расхода на оплату электрической энергии при использовании
тепловой завесы

Table 2 – Consumption indicators for paying for electrical energy when using a thermal curtain

Показатели до внедрения				Показатели после внедрения
Дата	Расход, руб.	Температура на улице, 0С		Дата	Расход, руб.	Температура на улице, 0С
16.01.21	4424	–4		19.02.21	3888	–17
17.01.21	4656	–14		20.02.21	3977	–19
18.01.21	4658	–19		21.02.21	3950	–18
19.01.21	4460	–17		22.02.21	3964	–19
20.01.21	4615	–21		23.02.21	4142	–22
21.01.21	5037	–12		24.02.21	4091	–20
22.01.21	4973	–11		25.02.21	4056	–18
23.01.21	4871	–8		26.02.21	3845	–9

Продолжение таблицы 2

Показатели до внедрения				Показатели после внедрения
Дата	Расход, руб.	Температура на улице, 0С		Дата	Расход, руб.	Температура на улице, 0С
24.01.21	4960	2		27.02.21	3813	–1
25.01.21	4932	0		28.02.21	3846	–9
26.01.21	4856	–3		01.03.21	3781	–11
27.01.21	4951	–5		02.03.21	3657	–3
28.01.21	4806	–5		03.03.21	3541	1
29.01.21	4902	–1		04.03.21	3378	1
30.01.21	4803	–1		05.03.21	3540	–3
31.01.21	4816	0		06.03.21	3584	–8
01.02.21	4827	0		07.03.21	3523	–3
02.02.21	4798	0		08.03.21	3069	0
03.02.21	4415	–4		09.03.21	3846	–2
04.02.21	3999	–3		10.03.21	3598	–11
05.02.21	3883	–2		11.03.21	3608	–13
06.02.21	3854	–9		12.03.21	3480	–12
07.02.21	4039	–16		13.03.21	3547	–7
08.02.21	4098	–17		14.03.21	3489	–5
09.02.21	4190	–15		15.03.21	3633	–3
10.02.21	4097	–13		16.03.21	3699	–4
11.02.21	3993	–8		17.03.21	3606	–2
12.02.21	3931	–2		18.03.21	3397	2
13.02.21	3812	0		19.03.21	3452	2
14.02.21	3896	–10		20.03.21	3390	1
15.02.21	3976	–15		21.03.21	3414	1
16.02.21	4066	2		22.03.21	3381	0
17.02.21	3965	0		23.03.21	2190	–1
среднее значение	4441,2	–7		среднее значение	3617,4	–7,03

 

Согласно табл. 2, экономия затрат на оплату электроэнергии при эксплуатации тепловой завесы в конкорсе железнодорожного вокзала в среднем за одни сутки определяется по формуле:

 

∆S_{эл. энерг}. = ,

 

где  – стоимость электроэнергии, потребленной тепловой завесой,в среднем за одни сутки до установки системы «SMART МОНИТОРИНГ»;

 – стоимость электроэнергии, потребленной тепловыми завесами, в среднем за одни сутки после установки системы «SMART МОНИТОРИНГ».

 

Значения среднесуточной̆ температуры по месяцам за последние 3 года (2018-2021гг.), исходя из статистических данных по городу Самара показывает, что эксплуатация тепловых завес актуальна 5 месяцев в год, представлены в табл. 3.

 

Таблица 3 – Среднесуточная температура за период 2018–2021 гг.

Table 3 – Average daily temperature for the period 2018–2021

Год	янв.	фев.	март	апр.	май	июнь	июль	авг	сен	окт	ноя	дек	за год
2018	–10.2	–10.5	–8.2	5.7	16.5	18.4	23.9	20.6	16.1	8.0	–2.9	–8.0	5.8
2019	–10.9	–8.0	–0.8	8.2	17.3	20.8	20.5	18.2	12.0	9.2	–2.1	–4.8	6.6
2020	–3.1	–3.6	2.7	7.3	15.6	18.4	24.3	18.9	13.9	8.5	–2.5	–11.1	7.4
2021	–10.0	–13.5	–4.2	–	–	–	–	–	–	–	–	–	–

 

В среднем за одни сутки после установки системы «SMART МОНИТОРИНГ» экономия затрат на оплату электроэнергии равна:

 

∆S эл. энерг.  =  4441,2 – 3617,4 = 823,8 руб.

 

Таким образом, экономия затрат на оплату электроэнергии, потребленной тепловой завесой за год, составит:

 = 823,8 · 155  = 127 750 руб.

 

Согласно статистическим данным, полученным в результате апробации системы на типе нагрузке, тепловые завесы показали экономию электрической энергии c коэффициентом экономии:

 

К_эк. =(1-

 

Вокзальный комплекс помимо тепловых завес имеет также другое оборудование с высоким энергопотреблением, представлено в табл. 4.

 

Таблица 4 – Перечень оборудования вокзального комплекса Самара, шт.

Table 4 – List of equipment of the station complex Samara, pcs.

№ п/п	Наименование	Марка оборудования	Количество	Общее количество
1	Приточная камера	Train CCGA	12	22
2		LK-8-IA1F3C4V2	10
3	Холодильная машина	EWAD	3	3
4	Фанкойл	–	210	210
5	Кондиционер	–	36	36
6	Эскалатор	ОТИС	4	4
7	Лифт	Отис	13	13
8	Подъемная платформа для МГН	Omega F	3	5
9		ПСПР	1
10		СРМ-30	1
11	Осветительные приборы	–	3500	3500

Согласно данным, предоставленным вокзалом «Самара», основная часть оборудования управляется в ручном режиме. Такой способ управления означает ручной замер параметров, например, температуры в помещении и изменение режимов оборудования по необходимости. Часть оборудования работает сезонно, часть круглый год. Оборудование, представленное в табл. 4, функционирует не менее 6 месяцев в год.

Приточные камеры функционируют круглый год, воздух в холодное время года с улицы подается на теплообменники и подогревается теплоносителем из системы отопления вокзала, в теплое время года внешний воздух охлаждается с помощью холодильных машин. Пропорция воздуха, которая берется в систему вентиляции извне и подмешивается, требует значительных затрат на приведение его температуры к нормальной, задается в ручном режиме. Сотрудник вручную замеряет температуру и на основании этого принимает решение необходимо ли менять режим работы оборудования, при этом настройка происходит без четкого приборного контроля в режиме реального времени. Ввиду большого количества оборудования делать такую настройку ежедневно физически невозможно, таким образом суточные колебание температуры, затраты энергии и их оптимальность не могут быть зафиксированы. 

Фанкойлы (пункт 4 табл. 4) так же включаются сотрудниками в ручном режиме, при этом нет контроля выключается ли фанкойл в ночное время, и необходима ли его работа в данный момент.

Ввиду вышеперечисленного можно принять величину экономии стоимости потребленных ресурсов (электрическая и тепловая энергия) всех климатических систем в результате внедрения системы «SMART МОНИТОРИНГ» равную  К_эко.= 18,5%, которая получена на участке тепловых завес.

Для того, чтобы срок окупаемости внедрения каждого канала системы был не менее срока для участка «тепловые завесы» необходимо что бы стоимость одного канала мониторинга распределялась на мощность не менее чем та, которая была принята на участке «тепловые завесы».

Исходя из суммы экономии затрат на оплату электроэнергии в размере 823,8 руб./сутки, можно определить при тарифе 4,6 Руб./кВт час и базовом расходе 4441,2 руб./сутки получить 965 кВт в сутки или 40 кВт/час .

Допустим, что на мониторинг тепловых завес было израсходовано в среднем 2 канала мониторинга. Для получения  эффекта, подобного эффекту тепловых завес необходимо, чтобы на 1 канал мониторинга в среднем распределялась группа оборудования с непрерывным потреблением не менее 20 кВт/час. Поскольку в состав системы «SMART МОНИТОРИНГ» входят 53 канала, все каналы должны быть распределены на мощность не менее 1060 кВт.

Для оценки мощности работающего оборудования руководством вокзала были предоставлены данные по части оборудования, представленного в табл. 4:

– Приточные камеры (П1-22кВт; П2-7,5кВт; П3-22кВт; П4-22кВт; П5-12кВт; П6-12кВт; П7-22кВт; П8-22кВт; П9-22кВт)

Суммарная мощность (9 шт.) не  менее 141кВт.

Итого: средняя мощность на единицу 15,6 кВт.

Итого: суммарная мощность 22 приточных камер в среднем можно принять – 344 кВт.

 

– Холодильные машины (Машина 1-109 кВт; Машина 2 – 125кВт; Машина 3 – 371кВт)

Итого: суммарная мощность – 605 кВт.

 

– Фанкойлы (210шт. не мене 0,5 кВт)

Итого: суммарная мощность – 105 кВт.

 

– Кондиционеры (36 шт. по 2,5 кВт)

Итого: суммарная мощность – 90 кВт.

 

– Тепловые завесы.

Итого: суммарная мощность  не менее 44,5 кВт.

 

Можно подвести итог – по вышеперечисленному оборудованию: суммарная мощность составляет 1188,5 кВт. Данная мощность климатического оборудования не ниже рассчитанной выше мощности 1060 кВт. Таким образом было определено корректное число выбранного количества каналов.

На основе имеющихся данных можно рассчитать электрическую мощность при полной нагрузке климатическим оборудованием вокзала:

 

P_год = P_Σ. T D_дн D_мес,

 

где P_год – годовой расход электрической энергии климатическим оборудованием вокзала;

P_Σ. – суммарная электрическая мощность, потребляемая климатическим оборудованием вокзала за один час;

T –  количество часов в сутках;

D_дн – количество дней в месяце;

D_мес – количество месяцев в году.

 

Таким образом, годовой расход электроэнергии составит:

 

P_год= 1188,5·24·30·12=10268640 кВт/ч.

 

По данным предоставленным вокзалом «Самара» общий расход электроэнергии по вокзалу фактически составил P_годф = 3995960 кВт/час. Основную долю энергопотребления составляет климатическое оборудование, таким образом можно рассчитать коэффициент использования оборудования:

 

K_об  =  3995960/10268640=0,39.

 

Стоимость электроэнергии, потребленной климатическим оборудованием вокзала в год, составит:

 

S_э/э. = P_{годфакт}·C_т,

 

где C_т  – тариф  1 кВт/часа электроэнергии, руб.

 

Тогда

S_э/.э = 3995960 ·4,6.= 18381416 руб.

 

Распределяя 53 канала мониторинга на перечисленное выше оборудование и принимая ожидаемую среднюю экономию 18,5 %, можно рассчитать годовую экономию затрат на электроэнергию от внедрения системы, она составит:

 

∆S_э/э = S_э/э · К_эк = 18381416 ·0,185=3400560 руб.

 

Тогда ожидаемая экономия на 1 канал в год:

 

∆ S_э/э = 3400560/53 = 64161 руб.

 

Таким образом, распределение 53 каналов мониторинга на вышеперечисленное оборудование при среднем коэффициенте экономии 18,5 % за счет оптимизации режима работы оборудования даст экономию затрат на электроэнергию 64 161руб. на 1 канал в год.

Суммарный расход тепла, по данным предоставленным вокзалом за 2020 год, составил 7524 Гкал, тариф для населения в 2020 году был 1877 руб./Гкал, суммарные затраты в 2020 году составили 14 122548 руб. Можно сделать допущение, что за счет оптимизации работы оборудования можно получить экономию 3 % тепловой энергии, что составит годовую экономию 423 676 руб.

 

Оценка экономии трудовых ресурсов при использовании системы «SMART
МОНИТОРИНГ»

Применение данной системы даст экономию фонда заработной платы электриков, осуществляющих осмотр оборудования с целью предотвращения возникновения нештатных ситуаций. Электрики работают на территории железнодорожного вокзала. В смене работает 2 человека, продолжительность смены – 12 часов. Всего в сутки явочная численность электриков составляет 4 человека. С учетом выполнения требований КЗОТ списочная численность электриков составляет 8 человек. Среди прочих служебных функций фигурирует периодический осмотр оборудования, о котором было упомянуто выше. Одним электриком на осмотр оборудования в смену затрачивается в среднем
3,0 нормо-часа [5–8].

Использование системы «SMART», которая осуществляет регулярный мониторинг работы оборудования, установленного на территории железнодорожного вокзала, позволяет сократить время, которое затрачивает электрик на осмотр оборудования в продолжение одной смены, до 1,5 нормо-часов. Таким образом, в сутки высвобождается:

 

∆τ_сут =  1,5 · 4 = 6 норм-час.

 

Осмотр оборудования осуществляется на железнодорожном вокзале города Самары, который работает в непрерывном режиме в течение всего года. Таким образом, в течение года может быть высвобождено следующее количество нормо-часов:

 

∆τ_год =  ∆τ_сут D_кал,

 

где ∆τ_год – количество нормо-часов трудоемкости, которые высвобождаются в год;

∆τ_сут – количество нормо-часов трудоемкости, которые высвобождаются в сутки;

D_кал  – количество календарных дней за год.

 

∆ τ_год = 6· 365 = 2190 норм-часов.

 

Стоимость одного нормо-часа (С_ст) составляет 131,58 руб.

При этом экономия фонда заработной платы электриков, занятых на осмотре оборудования, составит:

∆ФОТ=С_ст  ∆ τ_год.

 

∆ФОТ =  131,58 · 2190 =  288160,2 руб.

 

Можно сделать вывод, что годовая экономия на 53 канала мониторинга составит:

 

Э_Г= 3400560  + 423676+288160 = 4112396 руб.

 

На один канал экономия будет равна 77592 руб.

 

Расчет срока окупаемости затрат при внедрении одного канала системы «SMART
МОНИТОРИНГ»

Затраты при внедрении канала системы «SMART МОНИТОРИНГ» складываются из затрат на приобретение аппаратных и программных средств канала системы «SMART МОНИТОРИНГ», которые составляют 100 000 руб. Кроме того, в состав затрат входят расходы на обслуживание канала системы «SMART МОНИТОРИНГ», которые за год составляют 49 021 руб.

Таким образом, чистая экономия затрат на эксплуатацию тепловых завес при внедрении канала системы «SMART МОНИТОРИНГ», с учетом затрат на эксплуатацию канала составит:

 

 = 77 592 – 49 021  = 28 571 руб.

 

Выше было указано, что капитальные затраты при внедрении канала системы «SMART МОНИТОРИНГ» составляют 100 000 рублей. При этом, срок окупаемости капитальных затрат определятся следующим образом

 =  /   = 100 000/28 571= 3,5 года,

 

где Tок – срок окупаемости капитальных затрат, год;

 – стоимость капитальных затрат при внедрении канала системы «SMART МОНИТОРИНГ»;

 экономия денежных средств в год при внедрении канала системы «SMART МОНИТОРИНГ».

Поскольку экономия ресурсов была пересчитана на один канал системы» SMART МОНИТОРИНГ», данные по сроку окупаемости, полученные на один канал, распространяются на всю систему «SMART МОНИТОРИНГ» [9; 10].

 

Заключение

1. Система «SMART МОНИТОРИНГ» окупается за 3,5 года своей эксплуатации.

Экономическая эффективность от использования одного канала системы в год составляет 40 400руб. и заключается в сокращении расходов на электроэнергию, связанном с оптимизацией работы электрооборудования с последующим контролем поддержания оптимального режима работы оборудования.

2. Авторами сделано технико-экономическое обоснование, которое даёт положительную оценку результатам внедрения системы «Smart-мониторинг» в подразделениях РЖД. Система снижает эксплуатационные расходы электрооборудования и повышает качество и регулярность его обслуживания. Также система повышает безопасность эксплуатации электрооборудования за счет автоматизации контроля параметров электрической сети.

About the authors

Victor P. Gluhov

Samara National Research University

Author for correspondence.
Email: uchebnik@bk.ru
ORCID iD: 0000-0001-8259-2895

Candidate of Technical Sciences, associate professor, associate professor at the Department of Management and Organization of Production

Russian Federation, 34, Moskovskoye shosse, Samara

Marina V. Skiba

Samara National Research University

Email: mvskiba29@gmail.com
ORCID iD: 0000-0002-2813-767X

Candidate of Еconomics, associate professor, associate professor at the Department of Management and Organization of Production

Russian Federation, 34, Moskovskoye shosse, Samara

References

Supplementary files