基于精益生產(chǎn)方法的鐵路貨車維修

陳文瑞

摘 要：鐵路調(diào)車場的吞吐量和終點站能直接影響整體鐵路網(wǎng)絡容量。影響終點站性能的一個重要因素是檢查和修理軌道車的效率。由于檢查時間的減少和鐵路樞紐運營的改善，鐵路車輛檢查自動化技術(shù)得到了發(fā)展，因此提高了鐵路樞紐的效率。本研究將精益生產(chǎn)方法應用于鐵路貨車維護過程，并通過實施自動化狀態(tài)監(jiān)控技術(shù)，研究消除浪費和降低可變性的潛在方法，對單位列車檢查的潛在影響，并量化了軌道車檢查造成的直接和間接延誤成本。這種分析為使用自動化技術(shù)開發(fā)具有成本效益的檢查和維護策略提供了基礎(chǔ)，并評估了在提高效率和增加容量方面的潛在好處。

關(guān)鍵詞：精益生產(chǎn);列車檢測;自動監(jiān)控

中圖分類號：U279.3 文獻標識碼：A

0 引言

在過去的一個世紀里，我國的列車檢查和維護實踐有了很大的發(fā)展。在鐵路運輸?shù)脑缙冢瑱z查技術(shù)包括一把錘子用來“探測”破裂或破損的車輪，一根粉筆或其他標記設備來識別可能有缺陷的汽車，以及一個用于晚上檢查火車的燈。在這些檢車技術(shù)中，鐵路車輛的安全性和可靠性在很大程度上取決于列車檢查員的精神敏銳度、個人能力和后期培訓。這些檢車方法一直持續(xù)到20世紀下半葉，當時已開發(fā)了各種技術(shù)來更有效地檢測軌道車設備缺陷。在過去的幾十年里，我國在鐵路貨車檢車技術(shù)的開發(fā)和實施方面投入了大量資金以實現(xiàn)減少相關(guān)設備的脫軌和運行故障。此外，與當前系統(tǒng)相比，這些技術(shù)有可能通過加強維護和保養(yǎng)和減少檢查冗余來提高效率。在當前網(wǎng)絡容量有限和對可靠服務需求更大的時代，提高調(diào)車場和終端效率將變得越來越重要。本文回顧和評估了終端操作背景下鐵路貨車檢測的現(xiàn)狀，并預測了與自動狀態(tài)監(jiān)控和改進維護策略相關(guān)的潛在優(yōu)勢。

1 研究動機和背景

早在1925年，鐵路終點站就被認為是貨運作業(yè)生產(chǎn)率損失的主要來源。到20世紀60年代，終點站的效率已經(jīng)成為鐵路工程研究的一個主要焦點。20世紀后半葉，隨著鐵路樞紐研究的繼續(xù)，其他行業(yè)的管理技術(shù)也在不斷發(fā)展，以提高生產(chǎn)和制造效率。在2000年，通過引入精益鐵路建設，各種生產(chǎn)管理技術(shù)被應用于終點站作業(yè)。精益鐵路建設通過提高鐵路樞紐的整體能力、效率和資產(chǎn)利用率，提供了一種消除運營浪費的方式。隨著鐵路繼續(xù)利用新的可用技術(shù)和管理策略，精益鐵路建設的原則可以應用于終點站作業(yè)的各個方面，包括鐵路貨車檢查和維修保養(yǎng)，以進一步提高效率。

1.1 精益鐵路運輸

精益鐵路運輸?shù)母拍钍窃?000年發(fā)展起來的，是一種提高終點站效率的方法。因為分類終端可以被認為是生產(chǎn)系統(tǒng)，所以它們的性能可以通過采用由三種成熟的生產(chǎn)管理技術(shù)組成的集成方法來提高：精益、約束理論和統(tǒng)計過程控制[1]。在本分析中，我們將只關(guān)注精益生產(chǎn)的概念，因為它已經(jīng)以精益鐵路建設的形式應用于鐵路終端運營。

1990年，“精益生產(chǎn)”一詞首次出現(xiàn)在麻省理工學院的一項研究中。該研究得出結(jié)論，豐田的生產(chǎn)技術(shù)優(yōu)于汽車制造業(yè)的其他競爭對手[2]。這些發(fā)現(xiàn)有助于推動精益方法和其他原則的使用，這些原則首先由豐田公司實施，并已被世界各地的許多公司采用。雖然類似的原則以前曾在鐵路樞紐中使用過，但精益技術(shù)的第一次正式應用是在2000年代初，由加拿大太平洋鐵路（CPR）站場運營小組進行的。

精益被定義為使用最小緩沖成本生產(chǎn)商品或服務。過度緩沖的來源包括直接浪費和可變性。直接浪費是不需要的操作的精益術(shù)語。鐵路站場設置中的示例包括：返工、事故、傷害、車輛損壞、不必要的運動和不必要的信息收集。大多數(shù)經(jīng)理關(guān)注于減少直接浪費，但在減少可變性方面花費的精力較少。然而，可變性是浪費的一個基本來源，因為它需要以額外庫存、容量或時間的形式進行緩沖。在鐵路站場，過量庫存緩沖的來源包括：燃料需求的可變性、需要維護的軌道車或機車的數(shù)量以及所需維護的范圍。這些緩沖可以以柴油、貨車部件、機車部件等儲備供應的形式出現(xiàn)。列車到達的可變性和需要維護的意外缺陷會導致緩沖能力過剩，這可能包括額外的調(diào)車場軌道、汽車檢查員或維修人員。最后，到達時間、檢查和維修時間或勞動力可用性的可變性可以通過在列車時刻表中添加“空閑時間”來緩沖。所有這些緩沖都是鐵路站場內(nèi)各種過程固有的不確定性的結(jié)果，它們以間接浪費的形式導致不必要的成本。

德恩伯格制定了在終點站實施精益鐵路的步驟，包括：消除直接浪費、交換緩沖區(qū)、減少可變性和執(zhí)行持續(xù)改進?，F(xiàn)在正在應用精益鐵路建設的各個方面來提高終點站的性能。隨著鐵路不斷尋求改善終端性能，新的方法和技術(shù)將被整合到調(diào)車場系統(tǒng)中，以進一步消除浪費和減少可變性。改進軌道車檢查和維護實踐是將精益流程與鐵路終端運營相結(jié)合的一個途徑。

1.2 自動控制和檢查

首次推廣準時制生產(chǎn)概念的豐田生產(chǎn)系統(tǒng)是精益生產(chǎn)概念的前身。除了準時制之外，豐田生產(chǎn)系統(tǒng)的一個主要元素是自動控制，或“人性化的自動化”[3，4]。正如精益技術(shù)已在更廣泛的意義上應用于鐵路終端運營一樣，自動控制原則也可應用于軌道車檢查和維護實踐，以提高終端性能。如上所述，鐵路終點站可以被視為一個工業(yè)生產(chǎn)系統(tǒng)。如果被“制造”的產(chǎn)品是由火車提供的高效、安全和可靠的運輸，那么列車檢驗過程可以被比作質(zhì)量控制的一種形式。

人和機器的模型已經(jīng)被用來產(chǎn)生混合自動化，這通常比單獨的人或機器表現(xiàn)得更好。總的來說，機器在執(zhí)行缺陷檢測（搜索）功能方面更快，而人類在做出關(guān)于缺陷的有效性和/或嚴重性的決策方面更好。在某些情況下，機器可以幫助人類做出這些決定。例如，計算機視覺系統(tǒng)可以突出顯示數(shù)字圖像中可能存在缺陷的位置，并且操作員將決定突出顯示的部分是否實際包含缺陷。具有完善檢測機制的軌道車檢查系統(tǒng)（例如，車輛識別系統(tǒng)（WILDs）或自動駕駛系統(tǒng)（ABDs））可以進行編程，以便計算機在出現(xiàn)缺陷的可能性較高，但當缺陷可能性較低時，將由人工檢驗員做出決定。

在其他情況下，如機器視覺技術(shù)，機器可能不是總能夠做出準確的決定，所以計算機搜索人類決策系統(tǒng)將是最合適的。例如，機器視覺系統(tǒng)可以識別出中梁有裂紋。該系統(tǒng)可以標記這輛車，突出顯示有問題的位置，并允許汽車檢查員目視檢查中梁，并確認或拒絕計算機的建議。不管系統(tǒng)安排如何，這些技術(shù)有助于使得汽車檢查員將注意力集中在最有可能有部件缺陷的汽車上。

1.3 當前列車檢測情況

在列車離開調(diào)車場或終點站之前，放置在列車上的每節(jié)車廂都必須接受機械檢查。此外，長途行駛的列車在行駛1500公里后必須停下來接受檢查，但如果滿足特殊條件，允許在兩次檢查之間行駛5600公里。當列車在終點站組裝后進行初始檢查時，該檢查被稱為初始終點站或一級檢查，而1500公里的中間檢查被稱為一級檢查。為了滿足一級和二級檢驗的要求，鐵路必須高度依賴貨車的人工檢驗。目前的軌道車檢查實踐需要一名車檢員沿著列車的整個長度行走或乘坐車輛，目視檢查每輛車兩側(cè)的機械部件。根據(jù)汽車檢查員的特殊經(jīng)驗或能力，這些檢查的效率和效果會有所不同。由于人工檢查固有的低效率和主觀性，鐵路公司開發(fā)了一些技術(shù)來增強汽車檢查員的工作。

1.4 自動化狀態(tài)監(jiān)控技術(shù)（ACMT）

自20世紀90年代初以來，鐵路行業(yè)開發(fā)、安裝和維護能夠監(jiān)控貨車部件狀況的路旁檢測系統(tǒng)。本文中稱為自動狀態(tài)監(jiān)控技術(shù)（ACMT），這些系統(tǒng)使用各種傳感機制來測量熱、力、聲音和視覺參數(shù)，以監(jiān)控軌道車部件的狀態(tài)。早期的路旁檢測系統(tǒng)旨在識別途中有缺陷的部件，以防止軸頸軸承過熱、拖動設備或其他缺陷導致的脫軌。這些檢查系統(tǒng)對于防止脫軌是必不可少的，但是由于它們對缺陷檢測的反應性方法，它們并沒有極大地提高執(zhí)行維護的效率。然而，以ACMT為代表的新檢測系統(tǒng)有能力通過準確和客觀的狀態(tài)監(jiān)測促進預防性維護。

此外也對軌道車部件進行狀態(tài)監(jiān)測，以便進行趨勢分析和早期檢測損壞的部件。例如，聲學軸承檢測器（ABDs）和卡車性能檢測器（TPDs）等技術(shù)現(xiàn)在為機械部門管理人員提供了相關(guān)信息，以便在故障發(fā)生前移除有故障的軸頸軸承或卡車部件。其他能夠監(jiān)控狀況的路旁檢測系統(tǒng)包括車輪沖擊負載檢測器（WILDs）、熱車輪檢測器（HWDs）、冷車輪檢測器（CWDs）、卡車蛇行檢測器（THDs）和車輪輪廓監(jiān)控（WPM）系統(tǒng)。2009年進行的一項分析驗證了研究、開發(fā)和實施ACMT的經(jīng)濟可行性。

雖然通過減少設備造成的脫軌和運行故障可以立即獲得回報，但通過提高終點站效率和提高資產(chǎn)利用率可以實現(xiàn)長期效益。通過實施精益鐵路建設原則，可以做出有關(guān)軌道車檢查和維護的決策，從而提高調(diào)車場效率并提供全系統(tǒng)的經(jīng)濟效益。

2 精益在軌道車檢驗中的應用

使用以下四步流程，將以下精益鐵路建設原則應用到軌道車檢查和維護實踐中：消除直接浪費、交換緩沖、減少可變性和執(zhí)行持續(xù)改進。結(jié)果分析表明，就勞動力成本而言，混合的機器搜索人工決策檢查過程的使用效率大約是純?nèi)斯z查的九倍。這些結(jié)果雖然僅限于一個一級鐵路樞紐，但顯示了顯著減少運營浪費的潛力。雖然道旁檢測技術(shù)尚未達到每個鐵路樞紐都能從混合過程中受益的水平，但通過消除對健康車輛的人工檢查，可以提高大部分檢查的效率。除了這些節(jié)約之外，還可以通過消除其他形式的浪費、適當分配緩沖區(qū)和減少可變性來降低其他成本。

隨著新檢查技術(shù)的開發(fā)和實施，軌道車維護流程將需要不斷檢查和改進。不管管理者多么努力地追求可變性的減少，它將永遠存在于生產(chǎn)系統(tǒng)中。因此，鐵路管理層應該采取積極的方法來平衡時間、庫存和容量緩沖。隨著維護過程變得越來越具有預測性，可以根據(jù)需要訂購新的軌道車零件，而不是保留大量未使用的零件。正如豐田的準時制生產(chǎn)方法所證明的那樣，這種維護方法將減少庫存緩沖。此外，隨著軌道車維護效率的提高，車輛可用性和資產(chǎn)利用率也將提高。這將允許鐵路公司及其客戶通過清算未充分利用的軌道車來回收資本投資成本，或者利用現(xiàn)有的軌道車車隊尋求新的業(yè)務。如果鐵路公司選擇減少其車輛車隊的規(guī)模，通過移除或合并存儲軌道和降低容量緩沖可以獲得額外的節(jié)約。因此，使用精益原則的改進可以對整個鐵路網(wǎng)的效率產(chǎn)生重大影響。

3 結(jié)論和討論

與其他制造系統(tǒng)一樣，鐵路站場可以從精益生產(chǎn)方法的應用中顯著受益。提出了一種將鐵路精益化應用于軌道車檢查和維護實踐的方法，該方法采用四步方法：1）消除浪費;2）交換緩沖;3）減少可變性;4）執(zhí)行持續(xù)改進。

為了消除與軌道車檢查實踐相關(guān)的操作浪費，首先，必須全面開發(fā)和集成能夠監(jiān)控所有安全關(guān)鍵軌道車部件的自動路旁檢測系統(tǒng)。這將需要開發(fā)可靠和強大的狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)，實現(xiàn)這一目標后，可能會采用新的法規(guī)來允許自動化技術(shù)來增強人工檢查，從而形成更有效和高效的混合系統(tǒng)。其次，配備電控空氣（ECP）制動系統(tǒng)[5]的列車在進行必要的空氣制動器檢查之前，允許行駛5 600公里。隨著路旁檢測系統(tǒng)被進一步結(jié)合到鐵路機械實踐中，檢查之間的距離可能會增加和/或單個檢查的人工需求會減少。

參考文獻：

[1]寧樂振.精益生產(chǎn)在鐵路貨車維修中的應用分析[J].交通世界，2019，26（Z1）：268-269.

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[5]林暉，錢立新.重載列車有線電控空氣制動系統(tǒng)的研究[J].中國鐵道科學，2007，29（01）：63-70.