地鐵車輛壽命周期維修成本分析方法研究

摘要：壽命周期成本（LCC）是長(zhǎng)壽命周期產(chǎn)品成本分析最有效的方法之一，在地鐵車輛的采辦環(huán)節(jié)以實(shí)現(xiàn)壽命周期費(fèi)用最低為目標(biāo)決斷，可提升投資質(zhì)量和運(yùn)營(yíng)效率。文章在分析壽命周期成本標(biāo)準(zhǔn)、模型以及RAMS數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，提出用于計(jì)算地鐵車輛壽命周期維修成本的方法，并以制動(dòng)系統(tǒng)典型部件為例進(jìn)行驗(yàn)證。

關(guān)鍵詞：地鐵車輛；壽命周期成本；維修成本；RAMS；制動(dòng)系統(tǒng) 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

中圖分類號(hào)：F234 文章編號(hào)：1009-2374（2017）02-0100-03 DOI：10.13535/j.cnki.11-4406/n.2017.02.047

1 概述

壽命周期成本（Life Cycle Cost，LCC）是產(chǎn)品概念設(shè)計(jì)、系統(tǒng)開發(fā)、生產(chǎn)制造、使用維護(hù)和報(bào)廢處置的所有成本之和。這一概念起源于瑞典軌道交通行業(yè)，由于軌道交通項(xiàng)目系統(tǒng)組成復(fù)雜，使用周期超長(zhǎng)、維修活動(dòng)繁多，相關(guān)成本高昂，所以需要一種可行的方法對(duì)項(xiàng)目經(jīng)濟(jì)性進(jìn)行預(yù)先評(píng)價(jià)，壽命周期成本分析包括了以壽命周期成本為設(shè)計(jì)參數(shù)、對(duì)項(xiàng)目方案進(jìn)行系統(tǒng)分析的過(guò)程和活動(dòng)，通過(guò)在項(xiàng)目實(shí)施過(guò)程中迭代分析，可以輔助決策者從各可行方案中篩選出費(fèi)效比最高的方案。

對(duì)于地鐵車輛而言，壽命周期成本分析最重要的問(wèn)題是計(jì)算車輛全壽命周期的維護(hù)成本。本文通過(guò)對(duì)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)中計(jì)算壽命周期成本的維護(hù)成本所需的維修數(shù)據(jù)要求進(jìn)行分析，提出地鐵車輛研制過(guò)程RAMS分析中修復(fù)性維修和預(yù)防性維修的數(shù)據(jù)要求，給出維修成本計(jì)算方法，并對(duì)制動(dòng)系統(tǒng)典型部件的維護(hù)成本進(jìn)行預(yù)測(cè)。

2 軌道交通壽命周期成本標(biāo)準(zhǔn)與模型

2.1 IEC 60300-3-3 LCC模型

1996年國(guó)際電工委員會(huì)（IEC）發(fā)布了壽命周期成本分析的國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)IEC60300-3-3，并于2004年7月發(fā)布修訂版。該標(biāo)準(zhǔn)建議將產(chǎn)品的壽命周期劃分為概念與定義、設(shè)計(jì)與開發(fā)、制造、部署、使用與維護(hù)以及報(bào)廢處置六個(gè)階段，可以通過(guò)計(jì)算每個(gè)階段產(chǎn)生的成本并求和得到產(chǎn)品的壽命周期成本。IEC60300-3-3將產(chǎn)品的壽命周期成本分為采辦成本、擁有成本和處置成本。較之擁有成本，購(gòu)置成本由于其可見性很容易評(píng)估。處置成本重要與否則因行業(yè)而異，在軌道交通行業(yè)，處置成本通常忽略不計(jì)。

LCC=C采辦+C擁有+C處置

2.2 UNILIFE LCC模型

歐洲鐵路行業(yè)協(xié)會(huì)UNIFE的LCC模型同樣將壽命周期成本劃分為采辦、擁有和處置三項(xiàng)成本。由于它是面向運(yùn)營(yíng)商的壽命周期成本計(jì)算模型，因而其更強(qiáng)調(diào)的是投資、運(yùn)營(yíng)和壽命保障成本。處置成本在此也沒(méi)有被納入考慮。

LCC=C投資+C運(yùn)營(yíng)+C壽命保障

2.3 壽命周期成本分析過(guò)程

壽命周期成本分析包括問(wèn)題描述、成本定義、系統(tǒng)建模、數(shù)據(jù)收集、剖面開發(fā)和結(jié)果評(píng)價(jià)六個(gè)環(huán)節(jié)。

分析活動(dòng)從對(duì)所關(guān)注問(wèn)題的描述開始，整個(gè)工作的復(fù)雜性主要取決于所關(guān)注問(wèn)題的目標(biāo)與范圍，特別是其范圍涵蓋了與可靠性、可用性、維修性和安全性（RAMS）等相關(guān)的產(chǎn)品特性。在進(jìn)行成本定義時(shí)，對(duì)于反映各單項(xiàng)成本的成本元素應(yīng)當(dāng)根據(jù)產(chǎn)品的使用需求與維修策略從全壽命周期的角度系統(tǒng)地分類定義，避免漏掉重要的成本元素。建立成本分解結(jié)構(gòu)是一種系統(tǒng)地識(shí)別成本元素的簡(jiǎn)潔有效的方法。成本分解結(jié)構(gòu)是在產(chǎn)品的壽命周期各個(gè)階段基于產(chǎn)品分解結(jié)構(gòu)或工作分解結(jié)構(gòu)所產(chǎn)生的費(fèi)用分解。而產(chǎn)品分解結(jié)構(gòu)或工作分解結(jié)構(gòu)則是一個(gè)更為詳細(xì)的產(chǎn)品硬件、維修服務(wù)和相關(guān)數(shù)據(jù)的

分解。

在定義好成本元素之后，需要開展系統(tǒng)建模工作，對(duì)成本元素之間、成本元素與產(chǎn)品分解結(jié)構(gòu)/工作分解結(jié)構(gòu)之間的關(guān)系進(jìn)行建模。在確定各元素之間的關(guān)系時(shí)，需要從產(chǎn)品的可靠性、可用性、維修性、安全性、使用需求和維修策略等角度入手，根據(jù)產(chǎn)品使用與維修過(guò)程中對(duì)應(yīng)的RAMS參數(shù)，建立成本模型。由于軌道交通項(xiàng)目周期普遍較長(zhǎng)，在開展壽命周期成本分析時(shí)，還需要建立壽命成本剖面，考慮通膨、利率、匯率和稅率等因素的影響。通過(guò)將這些因素納入考慮，在進(jìn)行結(jié)果評(píng)價(jià)時(shí)，可以將每個(gè)設(shè)計(jì)方案的最終成本置于一個(gè)公共的基礎(chǔ)或參考點(diǎn)上進(jìn)行對(duì)比。分析所需要的數(shù)據(jù)可以通過(guò)分析、統(tǒng)計(jì)、成本報(bào)告、歷史數(shù)據(jù)、合同和供應(yīng)商報(bào)價(jià)單等方式獲取。當(dāng)無(wú)法取得實(shí)際數(shù)據(jù)時(shí)，可以根據(jù)項(xiàng)目工程經(jīng)驗(yàn)去預(yù)計(jì)并在后續(xù)工作中予以修正。在結(jié)果評(píng)價(jià)環(huán)節(jié)，通過(guò)開展敏感性分析，確定壽命周期成本的成本動(dòng)因，尋找導(dǎo)致高成本的產(chǎn)品或工作項(xiàng)目，從而支持備選方案的開發(fā)。同樣這里還應(yīng)該繼續(xù)考慮輸入數(shù)據(jù)的不確定性。在項(xiàng)目實(shí)施過(guò)程中，初始方案構(gòu)成一個(gè)基線系統(tǒng)，通過(guò)壽命周期成本分析的迭代，逐步識(shí)別高成本動(dòng)因，變更相關(guān)產(chǎn)品與服務(wù)狀態(tài)，直至最終得到理想的項(xiàng)目方案。

3 地鐵車輛維修數(shù)據(jù)模板

當(dāng)前，地鐵車輛兼具故障修、定期修和狀態(tài)修三種類型的維修策略，各類維修缺乏統(tǒng)一規(guī)劃與系統(tǒng)管理，因此對(duì)維修成本的預(yù)計(jì)是地鐵車輛壽命周期成本分析的核心問(wèn)題。雖然地鐵車輛各種維修策略針對(duì)對(duì)象和觸發(fā)時(shí)機(jī)各不相同，但總體上仍可分為修復(fù)性維修CM（Corrective Maintenance）和預(yù)防性維修PM（Preventive Maintenance）。在地鐵車輛研制過(guò)程中，需要開展包括故障模式影響分析FMEA和以可靠性為中心的維修分析RCM等可靠性維修性分析工作，支持維修大綱的生成和維修資源的規(guī)劃，并可進(jìn)一步用于壽命周期維修成本的預(yù)計(jì)。通過(guò)分析60300-3-3標(biāo)準(zhǔn)與UNILIFE LCC模型關(guān)于維修成本的數(shù)據(jù)要求，對(duì)FMEA和RCM分析結(jié)果的數(shù)據(jù)項(xiàng)進(jìn)行整理，可以構(gòu)建地鐵車輛的維修成本分析模板。

地鐵車輛產(chǎn)品組成層級(jí)可劃分至現(xiàn)場(chǎng)可更換單元LRU（含現(xiàn)場(chǎng)可報(bào)廢單元DU）和車間可更換單元SRU（含車間可報(bào)廢單元DP），分別適用于運(yùn)營(yíng)商與制造商開展的維修工作。當(dāng)計(jì)算地鐵車輛壽命周期維修成本時(shí)，應(yīng)將制造商維修的SRU納入考慮再填寫如表1所示的產(chǎn)品組成信息。

表中：IID，部件標(biāo)識(shí)；PMID，預(yù)防性維修工作項(xiàng)目標(biāo)識(shí)；DESCR，PM工作項(xiàng)目描述；PMTYPE，PM類型，包括基于日歷時(shí)間（C）和基于使用時(shí)間（O）；MTBM，PM間隔，分別對(duì)應(yīng)C與O類型活動(dòng)間隔的日歷時(shí)間與使用時(shí)間。

每一項(xiàng)部件的維修工作項(xiàng)目都會(huì)導(dǎo)致一個(gè)或一系列的維修活動(dòng)。例如，某一SRU故障時(shí)，首先需要從系統(tǒng)中拆卸并更換包含該SRU的LRU（系統(tǒng)級(jí)CM），然后從LRU中拆卸并更換有故障的SRU（LRU級(jí)CM），最后需要對(duì)該SRU進(jìn)行修理（SRU級(jí)CM）。再例如，當(dāng)某一LRU進(jìn)行周檢修時(shí)，首先需要從系統(tǒng)中拆卸并更換該LRU（系統(tǒng)級(jí)PM），然后對(duì)拆下的LRU進(jìn)行維護(hù)（LRU級(jí)PM）。維修活動(dòng)的最后一項(xiàng)任務(wù)總是核心任務(wù)，該任務(wù)是由故障觸發(fā)或是預(yù)防性維修工作項(xiàng)目的目標(biāo)。因此，部件的維修工作項(xiàng)目可以以表4的方式識(shí)別：

表中：IID，部件標(biāo)識(shí)；MTID，維修工作項(xiàng)目標(biāo)識(shí)；MTMH，完成維修工作項(xiàng)目所需的平均人工時(shí)；TAT，維修周轉(zhuǎn)時(shí)間（維修工作項(xiàng)目從提出到完成預(yù)計(jì)的日歷小時(shí)數(shù)）。

除上述信息外，計(jì)算地鐵車輛壽命周期維修成本時(shí)，還需單獨(dú)定義相關(guān)的全局性變量，包括人力成本單價(jià)PMH、車隊(duì)數(shù)量N、年均使用時(shí)間TMPY、預(yù)期壽命LC，必要時(shí)還需設(shè)定利率IRATE等用于現(xiàn)金流折現(xiàn)。

4 地鐵車輛壽命周期維修成本計(jì)算模型

在上述維修數(shù)據(jù)模板的基礎(chǔ)上，根據(jù)對(duì)地鐵車輛實(shí)際維修數(shù)據(jù)的分析，可以確定壽命周期維修成本分為運(yùn)營(yíng)商維修成本和制造商維修成本，其中運(yùn)營(yíng)商維修成本主要是指由運(yùn)營(yíng)商承擔(dān)的以更換LRU和DU的方式進(jìn)行的對(duì)整車及系統(tǒng)的維修活動(dòng)成本，包括車輛的日常檢修和質(zhì)保期外的維修活動(dòng)；制造商維修成本主要是指由制造商承擔(dān)的以更換SRU和DP以及直接修理的方式進(jìn)行的對(duì)LRU的維修活動(dòng)成本，通常包括車輛的高級(jí)修和質(zhì)保期內(nèi)的維修活動(dòng)。維修成本分解結(jié)構(gòu)的成本元素包括人力成本、備件成本、耗材成本和維修設(shè)備成本等。其中耗材成本可視為備件成本的一部分，維修設(shè)備成本可計(jì)入初始采辦成本，因此維修成本的主要成本元素有人力成本和備件成本。

對(duì)于修復(fù)性維修，其人力成本與備件成本計(jì)算方法分別如下：

修復(fù)性維修人力成本CMH（CM）=N*IQTY*FRT*TMPY*LC*（FRACOP*MTMH*PMH（OP）+FRACMA*MTMH*PMH（MA））

其中，F(xiàn)RACOP與FRACMA分別代表由運(yùn)營(yíng)商與制造商承擔(dān)的維修工作項(xiàng)目比例，兩者之和等于1。

修復(fù)性維修備件成本CI（CM）=N*IQTY*FRT*TMPY*LC*IPRICE

對(duì)于預(yù)防性維修，其人力成本與備件成本計(jì)算方法分別如下：

預(yù)防性維修人力成本CMH（PM）=N*QTY*TMPY（或8760）*LC/MTBM*（MTMH*PMH（OP）+TAT*PMH（MA））

其中，當(dāng)預(yù)防性維修工作項(xiàng)目是基于日歷時(shí)間時(shí)，上式取8760，為一年的日歷小時(shí)數(shù)，否則為TMPY。

預(yù)防性維修備件成本CI（PM）=N*IQTY*TMPY（或8760）*LC/MTBM*IPRICE

地鐵車輛的壽命周期維修成本CM=CMH（CM）+CI（CM）+CMH（PM）+CI（PM）

5 制動(dòng)系統(tǒng)壽命周期維修成本分析示例

某型地鐵車輛采購(gòu)數(shù)量為50列，計(jì)劃使用壽命30年，日行駛時(shí)間6小時(shí)，運(yùn)營(yíng)商與制造商的人力成本單價(jià)均為100元/小時(shí)，質(zhì)保期1年。制動(dòng)系統(tǒng)裝車數(shù)為2套，其組成和維修相關(guān)數(shù)據(jù)簡(jiǎn)化如表5至表8所示。

利用上述數(shù)據(jù)計(jì)算制動(dòng)系統(tǒng)壽命周期維修成本如表9所示：

制動(dòng)系統(tǒng)按組成部件統(tǒng)計(jì)成本在此不再贅述。

6 結(jié)語(yǔ)

本研究提出了一個(gè)地鐵車輛壽命周期維修成本計(jì)算模型與相應(yīng)的數(shù)據(jù)模板，可用于地鐵車輛的壽命周期維修成本分析。該模型的準(zhǔn)確性依賴于成本分解結(jié)構(gòu)建模與輸入數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，后續(xù)還將對(duì)模型不斷細(xì)化與調(diào)整，并通過(guò)加強(qiáng)RAMS工作逐步提高故障率等輸入數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。

參考文獻(xiàn)

[1] BS EN 60300-3-3：2004 Dependability Managenment-Part 3-3：Application Guide–Life Cycle Costing[S].

[2] Ambika Prasad Patra，RAMS and LCC inRail Track Maintenance[D].Lule-University of Technology，Sweden.

作者簡(jiǎn)介：牟明明（1982-），女，山東青島人，中車青島四方機(jī)車車輛股份有限公司工程師，研究方向：軌道車輛RAMS。

（責(zé)任編輯：小 燕）