鐵路遠程狀態監控的壽命周期成本分析

何 軍，王 烈

(1.北京交通大學 經濟管理學院，北京 100044；2.中國鐵道科學研究院 鐵道科學技術研究發展中心，北京 100081)

鐵路遠程狀態監控的壽命周期成本分析

何 軍1，王 烈2

(1.北京交通大學 經濟管理學院，北京 100044；2.中國鐵道科學研究院 鐵道科學技術研究發展中心，北京 100081)

在鐵路基礎設施方面，遠程狀態監控通過采用預測維修對系統狀態持續地或階段性地進行評估，以提高點制動器的可靠性。通過對遠程狀態監控的壽命周期成本分析，提出鐵路遠程狀態監控壽命周期成本的一般模型，壽命周期成本在鐵路遠程狀態監控中的應用可以為投資決策和提供高質量的鐵路運輸服務。

遠程狀態監控；壽命周期成本；制動器

1 遠程狀態監控及其應用

采用遠程狀態監控 (RCM) 是減少點制動器故障造成的列車延誤的重要手段。RCM 的前期應用主要是通過預測維修而不是故障檢修提高點制動器的可靠性，有利于鐵路資產的可靠性、可用性、可維修性和安全性 (RAMS)。因此，采用 RCM 這項新技術的壽命周期成本 (LCC) 分析十分重要。

隨著遠程遙測電子、計算機和通信技術的進步，RCM通過監控一個或更多的靜態和/或動態參數，對系統狀態持續地或階段性地進行評估，遠程狀態監控系統如圖1所示。

在鐵路基礎設施方面，RCM 的應用主要有兩種途徑：①通過帶寬將遠程遙測和已有的通信基礎設施結合起來；②引進獨立的通信管道。 RCM 分為直接監控和間接監控。直接監控發生在系統狀態能由信號來直接進行檢測或系統信號受控制時；間接監控發生在系統狀態不能由信號來直接獲取或輪軌的測量信號在鐵路道口沖撞時[1]。

制動器故障可能導致延誤和懲罰成本。RCM需要記錄繼電器控制信號和溫度，以及來自每個制動器的驅動力和電流信號。每個故障模式的發生數量、發生概率、延誤時間，通過 RCM 可檢測的故障比例的估計值、及時檢測的概率和故障預防概率得到體現[2-3]。

制動器故障模式一般包括驅動連桿調整不當(OOA)、對向道岔鎖閉器調整不當 (FPLOOA)、滑床板故障、微動開關故障、滑床板阻塞/污染、檢查桿調整不當、熔合不良、繼電器不良、接觸不良、電機電刷故障、拉伸桿/系桿故障、檢測裝置故障、螺栓故障、換向器故障、斷流器復位故障、驅動桿故障、檢測桿故障、加熱器故障、電纜故障等[4]。

可檢測的故障比例的估計值P (FRCM) 見公式⑴；檢測到的總概率P (D) 見公式⑵；綜合效率 η 見公式⑶[5]。

式中：m 為故障模式的總數量；fk為故障模式 k 的比例；xk，Nk，P(Q)k，P(P) 分別為故障模式 k 的關于RCM 的潛在監測能力的二進制變量、發生數量、及時檢測的概率及- 故障預防的總概率。資產故障率見公式⑷；每故障的平均延誤分鐘 見公式⑸。

式中：Y 為總成本；上標 T 為總年數；yi是分解為第i 項的成本；λ 為凈現值向量。

對于 RCM，選擇 n=4 比較合理 (投資：i=1；運行：i=2；懲罰：i=3；維護：i=4)[8]。用 aij代表單位成本cij發生的次數，可以得出 A=[a1,…,a4]及C=[c1,…,c4]，這里 ai和 ci是長度為5的一維數列，ai=[ai1,…,ai5]，ci=[ci1,…,ci5]。對于所有的 i 和 j，aij≥0；cij的負值表示成本，正值表示和沒有采用 RCM 的情況作對比引起的成本節省[9]。開發成本和投資成本在此歸并到一起作為 RCM 中的投資成本；運營和支持成本作為運行 RCM 的成本、懲罰成本的節省和維護成本的節省。壽命周期成本正負符號不確定。除了后面要定義的，A 中代表元素的值的正負號或者是一致的 (即相關成本都發生了)，或者是零 (相關成本都沒有發生)。這一點是壽命周期成本模型和其他的一般模型所不同的[10]。

2.2.1 RCM 的投資成本

投資成本 (前期的購置成本) c1，包括資本成本c11、安裝成本 c12、政府審批成本 c13、前期的培訓成本 c14、電力成本和通信成本 c15[11]。c1所包含的因素如果非零，就全為負值。

2.2.2 RCM的運營成本

運營 (運行) 成本 c2是電力和通信成本及技術管理過程成本，包括電力和通信成本 c21(c21= c15)、技術管理過程成本 c22、年度維修成本c23、RCM 的每一故障額外修理成本 c24，c25=0。

損失成本是虛假警報率[12]和 RCM 故障額外維

式中：dk為由故障模式 k 所引起的延誤時間 (以min計)；T 為數據收集的總年數。

2 壽命周期成本及其在鐵路 RCM 中的應用

2.1 壽命周期成本

理論上，壽命周期成本是產品或工程設計、開發、建造、使用、維修和報廢等過程中發生的費用，即該項工程在其確定的壽命周期內或在預定的有效期內所需支付的研究開發費、制造安裝費、運行維修費、報廢回收費等費用的總和[6]。

對壽命周期成本的投資評估主要包括4項成本：道德風險成本、投資成本、維護和運行成本、延誤成本 (有時稱為遞延生產成本)。壽命周期成本包括直接和間接的初始成本加上運行和維護的定期成本或連續成本[7]。

國際電工委員會 (IEC) 提出把壽命周期成本細分為兩類：①投資成本 (購置成本)，即在運行之前發生的初始成本。由于投資成本發生在第1年 (基年)，因此沒有必要求其折現值。②擁有成本或運行的保障成本，例如運營成本、維修成本 (不是重置成本)，需要將其折現為現值。

2.2 壽命周期成本在鐵路 RCM 中的應用

假設財產稅、增值稅、通貨膨脹等保持不變，而且都包含在年度折現率里；由企業提供投資 (不通過借貸)，因此所有者權益比率為 1。標準的壽命周期成本模型可以表達如下：修成本的乘積。同樣被納入考慮范圍的還有維護成本、不定期維修成本和每分鐘延誤成本。同樣，c2的所有元素如果非零，就都為負。

2.2.3 懲罰成本節省

根據方程式(6)，將會產生一個 4 × 4 的矩陣，行相乘，得到結果如下：

給定 λ 的值和 RCM 的投資成本、運行成本、懲罰成本節省、維護成本節省，就可以得到它們的和，即總的壽命周期成本。

3 結束語

通常 RCM 可以降低預防維護成本，但卻增加了預測維護成本。當預防維護成本超過預測維護成本時，便形成了累積凈收益，主要是由年度收益、總延誤分鐘和懲罰成本計算得出的。同時，每分鐘懲罰成本將依賴于線路的重要程度，預防維護成本的減少和總的延誤分鐘是成比例的。

以上對鐵路基礎設施領域中壽命周期成本的表述考慮了投資、運營、懲罰和修理成本，并歸納提出了鐵路RCM壽命周期成本的一般模型。壽命周期成本也可以直接擴展到鐵路系統的其他元素中，如平交道口、軌道電路等。鐵路基礎設施的壽命周期成本將有利于做出更加有效的投資決策并提供更高質量的鐵路運輸服務。

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LCC Analysis on Railway Remote Monitoring

HE Jun1, WANG Lie2

(1. Economy and Management School, Beijing Jiaotong University, Beijing 100044, China; 2. Railway Scientific Research and Development Center, CARS, Beijing 100081, China)

In the aspect of railway infrastructure,remote monitoring could increase reliability of point brake through the continual or periodical evaluation on the system status by using predictive maintenance.Through LCC analysis on remote monitoring, this paper puts forward the general model for LCC of railway remote monitoring, and the application of LCC on railway remote monitoring could service for investment decision and high-quality railway transport service.

Remote Monitoring; LCC (life cycle cost);Brake

1003-1421(2011)02-0027-05

F530

A

2010-05-24

責任編輯：金 穎