軌道車輛運(yùn)營維護(hù)費(fèi)用分析優(yōu)化研究

徐春華

(中車青島四方機(jī)車車輛股份有限公司， 山東青島 266111)

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軌道車輛運(yùn)營維護(hù)費(fèi)用分析優(yōu)化研究

徐春華

(中車青島四方機(jī)車車輛股份有限公司， 山東青島 266111)

軌道車輛的運(yùn)營維護(hù)費(fèi)用在其全壽命周期費(fèi)用中所占的比例非常高，運(yùn)營維護(hù)費(fèi)用的優(yōu)化可以有效降低軌道車輛的全壽命周期費(fèi)用，本文提出了識(shí)別影響軌道車輛運(yùn)營維護(hù)費(fèi)用因素的主要方法，介紹了如何使用UNIFE-LCC模型計(jì)算軌道車輛的運(yùn)營維護(hù)費(fèi)用，并以高速動(dòng)車組的某些關(guān)鍵系統(tǒng)為例，講解了如何以計(jì)算結(jié)果為基礎(chǔ)分析得到影響運(yùn)營維護(hù)費(fèi)用的主要費(fèi)用項(xiàng)及敏感性因素。

鐵路運(yùn)輸； 全壽命周期費(fèi)用； 運(yùn)營維護(hù)費(fèi)用； 優(yōu)化； 敏感性分析

軌道車輛產(chǎn)品的全壽命周期費(fèi)用(Life Cycle Cost，LCC)是指產(chǎn)品在其整個(gè)壽命周期中的全部費(fèi)用的總和[1]。目前軌道交通行業(yè)普遍使用的LCC計(jì)算模型是由歐洲鐵路工業(yè)協(xié)會(huì)(UNIFE)提出的UNIFE-LCC模型。該模型不僅適用于軌道車輛產(chǎn)品，還適用于整個(gè)軌道車輛運(yùn)營系統(tǒng)，其將產(chǎn)品的全壽命周期費(fèi)用分解為投資費(fèi)用、年度費(fèi)用和運(yùn)營維護(hù)費(fèi)用3大部分[2]，如圖1所示。

圖1 UNIFE-LCC模型

其中年度費(fèi)用主要是指軌道車輛運(yùn)營系統(tǒng)相關(guān)的每年固定支出的費(fèi)用，與軌道車輛產(chǎn)品本身無關(guān)。因此對(duì)于軌道車輛產(chǎn)品而言，其全壽命周期費(fèi)用由投資費(fèi)用和運(yùn)營維護(hù)費(fèi)用兩部分組成。據(jù)統(tǒng)計(jì)，軌道車輛的投資費(fèi)用是其全壽命周期費(fèi)用(LCC)的12%～34%，而運(yùn)營維護(hù)費(fèi)用占其全壽命周期費(fèi)用(LCC)的66%～88%[3]。相比投資費(fèi)用而言，運(yùn)營維護(hù)費(fèi)用不像投資費(fèi)用那樣相對(duì)固定，而是具有較大的波動(dòng)性，因此也具有更大的優(yōu)化空間；同時(shí)由于其占比較高，因此成為了軌道車輛全壽命周期費(fèi)用優(yōu)化的首選對(duì)象。運(yùn)營維護(hù)費(fèi)用指軌道車輛在運(yùn)用過程中所花費(fèi)的運(yùn)營維護(hù)總費(fèi)用，由運(yùn)營費(fèi)用和維護(hù)費(fèi)用構(gòu)成，當(dāng)規(guī)定了運(yùn)營條件之后，運(yùn)營費(fèi)用較為固定，而不同的維護(hù)策略則會(huì)導(dǎo)致維護(hù)費(fèi)用產(chǎn)生較大的變化。因此，本文中主要給出車輛在運(yùn)營階段的維護(hù)費(fèi)用的分析和優(yōu)化方法。

1 運(yùn)營維護(hù)費(fèi)用分析和優(yōu)化

運(yùn)營維護(hù)費(fèi)用分析和優(yōu)化的具體過程如圖2所示。

圖2 運(yùn)營維護(hù)費(fèi)用分析和優(yōu)化過程

進(jìn)行運(yùn)營維護(hù)費(fèi)用分析和優(yōu)化首先需要進(jìn)行運(yùn)營維護(hù)費(fèi)用計(jì)算，其次需要進(jìn)行運(yùn)營維護(hù)費(fèi)用分析，確定在運(yùn)營維護(hù)費(fèi)用中占比較高的費(fèi)用項(xiàng)；最后需要進(jìn)行敏度分析，確定哪些因素的變化對(duì)運(yùn)營維護(hù)費(fèi)用影響最大，然后給出相應(yīng)的分析結(jié)論，為運(yùn)營維護(hù)費(fèi)用的優(yōu)化提出相應(yīng)的建議。

1.1 運(yùn)營維護(hù)費(fèi)用計(jì)算

為方便分析人員使用UNIFE-LCC模型進(jìn)行LCC的計(jì)算，UNIFE提供了相應(yīng)的LCC計(jì)算工具——UNILIFE，UNILIFE是微軟電子表格格式的軟件，當(dāng)輸入相關(guān)數(shù)據(jù)后，可實(shí)現(xiàn)自動(dòng)計(jì)算結(jié)果的功能[4]。

文中所研究的分析對(duì)象主要是指軌道車輛在運(yùn)營階段的維護(hù)費(fèi)用，UNIFE-LCC模型中維護(hù)費(fèi)用的構(gòu)成及計(jì)算方法如式(1)～式(3)所示。

(1)

(2)

(3)

式中CM為軌道車輛在運(yùn)營階段的維護(hù)費(fèi)用；CPM為軌道車輛在運(yùn)營階段的預(yù)防維修費(fèi)用；CCM為軌道車輛在運(yùn)營階段的修復(fù)維修費(fèi)用；CPM,MH為預(yù)防維修的工時(shí)費(fèi)用；CPM,Mat.為預(yù)防維修的材料費(fèi)用；CCM,MH為修復(fù)維修的工時(shí)費(fèi)用；CCM,Mat.為修復(fù)維修的材料費(fèi)用。

1.1.1 預(yù)防維修費(fèi)用的計(jì)算

軌道車輛的預(yù)防維修費(fèi)用由所有零部件的每次預(yù)防維修的工時(shí)費(fèi)和材料費(fèi)構(gòu)成，單個(gè)零部件在對(duì)應(yīng)修程的預(yù)防維修工時(shí)費(fèi)用和材料費(fèi)用如式(4)～式(5)所示：

(4)

(5)

式中ncomp.j為一列動(dòng)車組中該零部件的數(shù)量；nPM,i為在全壽命周期中，一個(gè)修程的實(shí)施次數(shù)；MPM,i為單次預(yù)防維修所需的工時(shí)；CMH為單位工時(shí)費(fèi)；CMat.為單次預(yù)防維修時(shí)所需的耗材費(fèi)用。

1.1.2 修復(fù)維修費(fèi)用的計(jì)算

軌道車輛的修復(fù)維修費(fèi)用由所有零部件的每次修復(fù)維修的工時(shí)費(fèi)和材料費(fèi)構(gòu)成，單個(gè)零部件每次修復(fù)維修工時(shí)費(fèi)用和材料費(fèi)用如式(6)～(7)所示：

(6)

(7)

式中M1st/2nd為單次修復(fù)維修時(shí)1/2線(1st/2nd Line)所需的維修工時(shí)；M3rd為單次修復(fù)維修時(shí)3線(3rd Line)所需的維修工時(shí)；t為該零部件年平均運(yùn)行時(shí)間(h)；E為修復(fù)維修時(shí)該零部件需在線更換的概率；CMat.為單次修復(fù)維修時(shí)所需的耗材費(fèi)用；Crepair為單次修復(fù)維修時(shí)所需的備件費(fèi)用或修復(fù)故障件的費(fèi)用,L為一個(gè)周期生命。

1.2 LCC分析和優(yōu)化

1.2.1 預(yù)防維修費(fèi)用分析優(yōu)化

由式(4)和式(5)可知，預(yù)防維修費(fèi)用主要由預(yù)防維修任務(wù)的實(shí)施次數(shù)和每次實(shí)施預(yù)防維修任務(wù)時(shí)所花費(fèi)的人力和材料費(fèi)用決定。不同修程的間隔周期決定了各預(yù)防維修任務(wù)的實(shí)施次數(shù)，因此預(yù)防維修費(fèi)用分析優(yōu)化的主要目的就是確定各級(jí)修程的費(fèi)用在預(yù)防維修費(fèi)用中所占的比例，找到費(fèi)用花費(fèi)較多的修程，進(jìn)而確定主要影響因素。

以某型高速動(dòng)車組的制動(dòng)系統(tǒng)為例，假設(shè)該型動(dòng)車組的壽命周期為30年，每年運(yùn)行50萬km，則該型車的制動(dòng)系統(tǒng)的預(yù)防維修費(fèi)用分析結(jié)果見表1。

表1 預(yù)防維修費(fèi)用分析表

注：表1中數(shù)據(jù)僅為示例，不代表真實(shí)數(shù)值。

由表1可知，該型車制動(dòng)系統(tǒng)的各級(jí)修程中費(fèi)用排名前3的分別為五級(jí)修、四級(jí)修和二級(jí)修。由表1可知，四級(jí)修和五級(jí)修的總費(fèi)用和材料總費(fèi)用的排名均靠前，但是人力費(fèi)用卻低于二級(jí)修；二級(jí)修的費(fèi)用排名第3，但是人力費(fèi)用卻最高。

影響預(yù)防維修費(fèi)用的因素為：單次工時(shí)費(fèi)用、單次材料費(fèi)用，以及維修次數(shù)，因此可以通過以下幾種方式進(jìn)行預(yù)防維修費(fèi)用的優(yōu)化：

(1) 優(yōu)化單次維修所需的工時(shí)和材料以降低單次維修費(fèi)用；

(2) 適當(dāng)延長修程的間隔里程(即減少維修次數(shù))；

(3) 通過技術(shù)改進(jìn)將部分低級(jí)修程的工作內(nèi)容延長至高級(jí)修程中實(shí)施。

以表1所示的計(jì)算結(jié)果為例，說明以上3種優(yōu)化方式。

(1) 優(yōu)化單次維修所需的工時(shí)和材料

由表1可知，四級(jí)修和五級(jí)修的總費(fèi)用靠前，且單次材料費(fèi)用靠前，而單次維修工時(shí)費(fèi)用也僅次于排名第1的二級(jí)修，因此可以通過優(yōu)化單次費(fèi)用來優(yōu)化維修總費(fèi)用。假設(shè)四級(jí)修和五級(jí)修的單次工時(shí)費(fèi)用和單次材料費(fèi)用均可以優(yōu)化10%，則四級(jí)修和五級(jí)修維修總費(fèi)用的優(yōu)化結(jié)果分別如表2和表3所示。

表2 四級(jí)修維修總費(fèi)用的優(yōu)化結(jié)果

表3 五級(jí)修維修總費(fèi)用的優(yōu)化結(jié)果

由表2可知，當(dāng)四級(jí)修的維修費(fèi)用降低10%時(shí)，總預(yù)防維修費(fèi)用的降幅為0.86%。

由表3可知，當(dāng)五級(jí)修的維修費(fèi)用降低10%時(shí)，總預(yù)防維修費(fèi)用的降幅可達(dá)6.37%。

(2) 適當(dāng)延長修程的間隔里程(即減少維修次數(shù))

由表1可知，一級(jí)修總費(fèi)用盡管排名靠后，但是其維修次數(shù)卻排名第1；二級(jí)修總費(fèi)用排名第3，但其維修次數(shù)卻排名第2；因此可以通過適當(dāng)延長修程的間隔里程(即減少維修次數(shù))來優(yōu)化維修總費(fèi)用。假設(shè)一級(jí)修和二級(jí)修的維修間隔里程均可以延長50%，則一級(jí)修和二級(jí)修維修總費(fèi)用的優(yōu)化結(jié)果分別如表4和表5所示。

表4 一級(jí)修維修總費(fèi)用的優(yōu)化結(jié)果

表5 二級(jí)修維修總費(fèi)用的優(yōu)化結(jié)果

由表4可知，當(dāng)一級(jí)修的維修間隔里程延長50%時(shí)，總預(yù)防維修費(fèi)用的降幅為1.73%。

由表5可知，當(dāng)二級(jí)修的維修間隔里程延長50%時(shí)，總預(yù)防維修費(fèi)用的降幅為2.93%。

(3) 通過技術(shù)改進(jìn)將較低修程中的部分工作內(nèi)容延長至較高修程中實(shí)施

整體延長修程的間隔里程需要大規(guī)模的技術(shù)改進(jìn)，當(dāng)技術(shù)只有部分改進(jìn)，且不足以完全支撐延長修程時(shí)，可以考慮將較低修程的部分維修內(nèi)容延長至高級(jí)修程中，其實(shí)這是在減少較低修程中的某些維修任務(wù)的次數(shù)。以二級(jí)修為例，假設(shè)二級(jí)修中包括100項(xiàng)維修任務(wù)，當(dāng)前的技術(shù)條件只能將其中的20項(xiàng)任務(wù)延長至三級(jí)修，其實(shí)就是將這20項(xiàng)維修任務(wù)的次數(shù)由499次降至12次。也就是說，當(dāng)前的技術(shù)不足以支撐將二級(jí)修程完全延長至三級(jí)修，也就是將二級(jí)修程中所包含的全部維修任務(wù)的維修次數(shù)完全降至12次，但是通過調(diào)整部分維修任務(wù)至三級(jí)修程，也可以降低維修費(fèi)用。這種方法其實(shí)更符合實(shí)際情況。

需要注意的是，LCC計(jì)算和分析能夠給出各項(xiàng)措施的有效性，給出費(fèi)用優(yōu)化的可行性，但在實(shí)際實(shí)施的過程中，還需考慮當(dāng)前技術(shù)的限制，產(chǎn)品的可靠性，考慮LCC計(jì)算分析所給出措施的可行性，只有進(jìn)行綜合權(quán)衡才能更好的對(duì)費(fèi)用進(jìn)行優(yōu)化。

1.2.2 修復(fù)維修費(fèi)用分析

由式(6)和式(7)可知，修復(fù)維修費(fèi)用主要由修復(fù)維修任務(wù)的實(shí)施次數(shù)和每次實(shí)施修復(fù)維修任務(wù)時(shí)所花費(fèi)的人力和材料費(fèi)用決定。各級(jí)系統(tǒng)(或零部件)的數(shù)量及失效率水平?jīng)Q定了各修復(fù)維修任務(wù)的實(shí)施次數(shù)，因此修復(fù)維修費(fèi)用分析優(yōu)化的主要目的就是確定各級(jí)系統(tǒng)(或零部件)的費(fèi)用在修復(fù)維修費(fèi)用中所占的比例，找到費(fèi)用花費(fèi)較多的系統(tǒng)(或零部件)，進(jìn)而確定主要影響因素。以某型高速動(dòng)車組高壓供電系統(tǒng)為例，其修復(fù)維修費(fèi)用詳細(xì)分析結(jié)果見表6。

表6 高壓供電系統(tǒng)修復(fù)維修費(fèi)用分析表

注：上表中數(shù)據(jù)僅為示例，不代表真實(shí)數(shù)值。

由表6可知，高壓供電系統(tǒng)中修復(fù)維修費(fèi)用較高的零部件是受電弓和高壓隔離開關(guān)，進(jìn)一步分析可知修復(fù)維修的材料費(fèi)用是最主要的費(fèi)用項(xiàng)。

可以通過以下幾種方式進(jìn)行修復(fù)維修費(fèi)用的優(yōu)化：

(1) 優(yōu)化單次維修所需的工時(shí)和材料以降低單次維修費(fèi)用；

(2) 提高零部件的可靠性水平以減少修復(fù)維修任務(wù)的實(shí)施次數(shù)；

(3) 如果零部件的失效率存在隨時(shí)間增大而增大的特性，可以適當(dāng)縮短其預(yù)防維修間隔以提高可靠性；

(4) 如果零部件失效前存在特點(diǎn)的故障征兆，可以增加適當(dāng)?shù)囊暻榫S修或進(jìn)行狀態(tài)監(jiān)測以提高可靠性。

此外，在確定優(yōu)化改進(jìn)措施時(shí)，還應(yīng)注意產(chǎn)品中零部件數(shù)量對(duì)修復(fù)維修次數(shù)的影響，雖然有些單個(gè)零部件的失效率可能比其他零部件低很多，當(dāng)其數(shù)量較多時(shí)也會(huì)導(dǎo)致維修次數(shù)的迅速增加而產(chǎn)生較高的維修費(fèi)用。

1.2.3 運(yùn)營維護(hù)費(fèi)用分析優(yōu)化

費(fèi)用分析優(yōu)化的最終目的是在滿足產(chǎn)品功能、性能指標(biāo)的前提下使軌道車輛產(chǎn)品具有較低的運(yùn)營維護(hù)費(fèi)用。運(yùn)營維護(hù)費(fèi)用分析優(yōu)化的主要目的是分析預(yù)防維修費(fèi)用和修復(fù)維修費(fèi)用在整個(gè)運(yùn)營維護(hù)費(fèi)用中所占的比例，在其中找到最佳的平衡點(diǎn)，從而實(shí)現(xiàn)最低的運(yùn)營維護(hù)費(fèi)用。

如前所述，軌道車輛產(chǎn)品的維修方式對(duì)其實(shí)際運(yùn)用中的可靠性水平有著直接的影響，因此產(chǎn)品的預(yù)防維修費(fèi)用和修復(fù)維修費(fèi)用之間存在相互影響、相互制約的關(guān)系。在理想的情況下，軌道車輛應(yīng)具有較低的修復(fù)維修費(fèi)用和適當(dāng)?shù)念A(yù)防維修費(fèi)用。國內(nèi)外的很多的工程應(yīng)用已經(jīng)表明，通過對(duì)維修規(guī)程的適當(dāng)調(diào)整，特別是當(dāng)系統(tǒng)的失效率隨時(shí)間增大而增大時(shí)，適當(dāng)?shù)目s短預(yù)防維修周期，可以在小幅增加預(yù)防維修費(fèi)用的條件下，大幅降低修復(fù)維修的費(fèi)用，從而達(dá)到運(yùn)營維護(hù)費(fèi)用最低的目標(biāo)。

1.2.4 敏度分析

進(jìn)行敏度分析的主要目的就是確定哪些因素的變動(dòng)會(huì)使系統(tǒng)的運(yùn)營維護(hù)費(fèi)用有較大的波動(dòng)，從而為運(yùn)營維護(hù)費(fèi)用的優(yōu)化措施的制定提供參考。

敏度分析的流程如圖3所示。

圖3 敏度分析的流程

進(jìn)行敏度分析時(shí)，首先需要識(shí)別影響所分析費(fèi)用的主要因素，然后需要根據(jù)實(shí)際情況來確定這些因素可能的變動(dòng)范圍，最后結(jié)合識(shí)別出來的主要因素以及相應(yīng)的變動(dòng)范圍逐個(gè)對(duì)主要因素進(jìn)行擾動(dòng)分析，通過這些因素的變動(dòng)對(duì)系統(tǒng)的運(yùn)營維護(hù)費(fèi)用的影響程度，確定出敏度最大的因素。

進(jìn)行敏度分析時(shí)，最常采用的是單因素方法，具體方法如式(8)～式(10)所示。

(8)

(9)

(10)

式中COSTM,O為原始的運(yùn)營維護(hù)費(fèi)用；COSTM,i為第i個(gè)因素變動(dòng)時(shí)的運(yùn)營維護(hù)費(fèi)用；αi為第i個(gè)因素變動(dòng)的百分比；Δi為由第i個(gè)因素變動(dòng)時(shí)引發(fā)的運(yùn)營維護(hù)費(fèi)用變動(dòng)的百分比。

以某型高速動(dòng)車組的車輛設(shè)備檢修為例，其檢修工時(shí)的敏度分析結(jié)果如表7所示。

表7 車輛設(shè)備檢修工時(shí)敏度分析結(jié)果

注：上表中數(shù)據(jù)僅為示例，不代表真實(shí)數(shù)值。

由表7可見，如果將一級(jí)修時(shí)、二級(jí)修時(shí)車輛設(shè)備檢修的工時(shí)分別減少1.2人時(shí)和12.4人時(shí)就可分別將運(yùn)營維護(hù)費(fèi)用降低0.51%和0.82%；而對(duì)于五級(jí)修而言，減少404.8人時(shí)的工作量僅可將運(yùn)營維護(hù)費(fèi)用降低0.24%。因此，在確定優(yōu)化措施時(shí)，可以優(yōu)先考慮一、二級(jí)修的檢修工時(shí)。

2 結(jié) 論

對(duì)產(chǎn)品的運(yùn)營維護(hù)費(fèi)用進(jìn)行分析和優(yōu)化，首先需要計(jì)算得到運(yùn)營維護(hù)費(fèi)用，然后對(duì)其進(jìn)行分析得到在運(yùn)營維護(hù)費(fèi)用中占比較大的具體費(fèi)用項(xiàng)點(diǎn)，針對(duì)這些占比較大的費(fèi)用項(xiàng)點(diǎn)確定可能的影響因素并進(jìn)行敏度分析，進(jìn)而確定可有效降低系統(tǒng)的運(yùn)營維護(hù)費(fèi)用的敏感因素，為確定切實(shí)有效的優(yōu)化措施指明方向。

此外，敏度分析還可以用于確認(rèn)當(dāng)前模型中所涉及到的各個(gè)數(shù)據(jù)的精度是否滿足要求，如果當(dāng)前某些輸入數(shù)據(jù)的微小波動(dòng)都會(huì)導(dǎo)致運(yùn)營維護(hù)費(fèi)用的巨大變化，則應(yīng)將這些輸入數(shù)據(jù)作為關(guān)鍵的輸入?yún)?shù)，必要時(shí)應(yīng)進(jìn)一步提高這些數(shù)據(jù)的精度要求；若當(dāng)前某些輸入數(shù)據(jù)的變動(dòng)只會(huì)導(dǎo)致運(yùn)營維護(hù)費(fèi)用產(chǎn)生微小的變化，則可以適當(dāng)降低這些數(shù)據(jù)的精度要求，以節(jié)省費(fèi)用。

[1] IEC 60300-3-3．Dependability management-Part 3-3: Application guide-Life cycle costing[S].

[2] 董錫明．軌道列車可靠性、可用性、維修性和安全性[M]．北京：中國鐵道出版社，2009.

[3] 董錫明．高速列車維修及其保障技術(shù)[M]．北京：中國鐵道出版社，2008.

[4] 王永生，徐桂紅．基于UNIFE模型的鐵路電氣產(chǎn)品LCC分析的應(yīng)用研究[J]．鐵道機(jī)車車輛，2014，34(4)：98-102.

Research of Operation and Maintenance Cost Analysis and Optimization of Rolling Stocks

XUChunhua

(CRRC Qingdao Sifang Co., Ltd., Qingdao 266111 Shandong, China)

The operation and maintenance cost of rolling stocks makes a considerable proportion in its life cycle cost (LCC). And LCC can be effectively reduced by the optimization of operation and maintenance cost. The main method to identify the influence factors of operation and maintenance cost of rolling stocks is put forward in this paper. Using the UNIFE-LCC model calculation method for the operation and maintenance cost is introduced in this paper. The method to determine the main cost items and its sensitive factors which influence the operation and maintenance costs is described and illustrated by some cases of the high speed EMU train.

railway transportation; LCC; operation and maintenance cost; optimize; sensitivity analysis

??)女，高級(jí)工程師(

2016-05-03)

1008-7842 (2016) 05-0093-05

U279.2

A

10.3969/j.issn.1008-7842.2016.05.21