基于可靠性的鐵路信號設(shè)備維修周期決策

李新節(jié)

摘要：針對當(dāng)前鐵路信號設(shè)備維修過程中的維修不足和過剩維修等情況，運用以可靠性為中心的維修策略，建立數(shù)據(jù)模型和定量分析的方法，對重點設(shè)備維修工作間隔周期進行確定，從而提高設(shè)備可靠性，實現(xiàn)提高設(shè)備維修費用可控、運行可靠的目的。

關(guān)鍵詞：可靠性；維修；周期；模型

鐵路信號設(shè)備作為鐵路的神經(jīng)系統(tǒng)，是確保鐵路運輸安全的關(guān)鍵設(shè)備，如果發(fā)生故障，造成鐵路運行中斷并可能帶來難以估量的損失。進行科學(xué)合理的維護和維修，很大程度上可以保證設(shè)備在有效使用期限內(nèi)，盡可能少的發(fā)生故障并處于穩(wěn)定的工作狀態(tài)。以可靠性為中心的維修(Reliability Centered Maintenance, RCM)是國際上較為先進的維修方法，全面系統(tǒng)的處理設(shè)備的整體功能以及功能喪失原因，綜合設(shè)備的故障影響以及故障模式等信息，而且結(jié)合定性分析和定量分析的一種維修管理模式。在軍事領(lǐng)域、航空航天領(lǐng)域、核工業(yè)領(lǐng)域等高精尖領(lǐng)域都有著廣泛的運用，并取得了顯著的效果。相對于這些領(lǐng)域，鐵路行業(yè)尤其是在在鐵路信號設(shè)備的管理領(lǐng)域，RCM的研究還廣泛的運用甚至處于嘗試階段。

1RCM理論基礎(chǔ)及實施過程

1.1RCM理論基礎(chǔ)

首先，RCM注重設(shè)備由設(shè)計原因帶來的可靠性和安全性。在設(shè)備設(shè)計和開發(fā)階段，設(shè)備自有的可靠性與安全性已經(jīng)確定和形成，依靠后期的維護和維修可以維持這些特性但提高起來就很困難。如果在設(shè)備使用當(dāng)中，其原有的可靠性、安全性不能滿足使用要求，只能通過再設(shè)計和重新開發(fā)的途徑改變這種情況。

其次，對應(yīng)設(shè)備發(fā)生的不同故障和造成的相應(yīng)后果，必須采取不同的維修策略。將故障造成后果的嚴(yán)重程度進行預(yù)防性維修決策的主要參照依據(jù)。在設(shè)備的使用當(dāng)中，故障發(fā)生是難以估計和很難避免的，但是各種故障引起的損失和影響后果差別很大，根據(jù)這些差別，應(yīng)該針對會帶來較大損失和嚴(yán)重后果的故障進行預(yù)防性維修。

第三，設(shè)備的故障發(fā)生的時間及概率難以預(yù)料，在實際維修工作中需要采取不同策略并注意掌握維修時機。對已經(jīng)掌握其損壞故障規(guī)律的設(shè)備，可以制定周期性維修計劃進行定期拆換，以避免發(fā)生功能故障或引起多次故障；而對于難以掌握其損壞規(guī)律的設(shè)備，如機械地進行定期維修和周期性更換，則會對設(shè)備造成一定危害，通過檢測、點檢等方式掌握設(shè)備狀態(tài)適時進行維修更為合理。

最后，在進行預(yù)防性維修時，不同的維修類型所消耗的資源、產(chǎn)生的費用和維修難度和深度往往不盡相同，甚至差異很大。因此說，采用切實可行和有效可靠地維修策略，不但能夠保證設(shè)備的安全性和可靠性，還可以提高維修效果、減少維修資源占用和維修成本的投入。

1.2RCM的實施過程

進行以可靠性為中心的維修之前，如果要確保維修分析的準(zhǔn)確性和科學(xué)性，應(yīng)當(dāng)盡可能詳細(xì)和全面的掌握包括設(shè)備概況在內(nèi)的相關(guān)信息，主要包括：

設(shè)備整體情況，如設(shè)備的構(gòu)成、主要性能和技術(shù)能力等。已出現(xiàn)過故障信息，如設(shè)備的故障種類、發(fā)生原因、故障機率、故障分析以及功能故障的時點、功能性故障和潛在故障的監(jiān)測手段等。設(shè)備的維護維修資源信息，如可供使用的維修設(shè)備器械、維修配件以及維修人員構(gòu)成等。維修成本信息，包括設(shè)備維修預(yù)算，可供投入的維修資金等。設(shè)備設(shè)計和生產(chǎn)廠家提供的設(shè)備維修手冊、保養(yǎng)手冊等技術(shù)資料等。

實施RCM分析的過程如下：

第一步，依據(jù)日本乘數(shù)法、“構(gòu)造樹”方法、Fuzzy聚類方法和模糊綜合評判等設(shè)備重要性評價方法進行評價，確定關(guān)鍵設(shè)備。

第二步，進行設(shè)備的故障模式及影響程度分析。就是對選定的具有重要功能設(shè)備作故障模式及故障影響分析（Failure Mode and Effect Analysis，F(xiàn)MEA）。

第三步，依據(jù)RCM邏輯判斷圖決策預(yù)防性維修模式。對于重要功能設(shè)備的所有故障起因都要嚴(yán)格按RCM邏輯判斷圖進行分析和判斷，形成對應(yīng)此故障起因的預(yù)防性維修措施與維修周期。

最后，進行信息的綜合梳理和系統(tǒng)分析，形成維修決策方案。要提高提高設(shè)備維修的工作效率，就要不同維修周期的維修任務(wù)進行整理和組合在一起，盡管得到的維修頻率可能會高于實際，但維修效率提高、停機時間減少等所節(jié)省的費用往往大于所維修所增加的費用。

2RCM在鐵路信號設(shè)備維修應(yīng)用

我國的鐵路信號設(shè)備在維修體制上以事后維修和計劃維修為主的，在檢修方式上，一般采用故障檢修、預(yù)防檢修和狀態(tài)修等幾種維修方式，這些檢修體制和檢修方式存在著維修不及時和維修過剩等弊端。

RCM作為國際上應(yīng)用廣泛的用于分析設(shè)備預(yù)防性維修需要，改進維修策略的系統(tǒng)性工程決策方法，該方法依據(jù)設(shè)備運行狀態(tài)，運用實時設(shè)備監(jiān)控手段、可靠性評測及壽命預(yù)測手段，來確定設(shè)備所處的運轉(zhuǎn)狀態(tài)，提前預(yù)估設(shè)備故障的征兆，對故障部位及嚴(yán)重程度、趨勢作出診斷，并根據(jù)診斷結(jié)果制定維修決策。RCM主要解決的核心問題有三個：維修內(nèi)容，維修方法和維修周期。本文主要研究的是維修周期的確定問題。

2.1維修周期模型分析

RCM分析過程中選擇設(shè)備維修周期存在大量的不確定因素。針對可能帶來安全方面后果、任務(wù)方面后果的故障預(yù)防性維修周期，牽涉到維修任務(wù)完成后可否將故障幾率降到能夠接受的技術(shù)狀態(tài)。維修周期過長，發(fā)生故障的概率就越高，設(shè)備突發(fā)安全故障或甚至中斷運行的概率就越大；反之維修周期過短，又會導(dǎo)致預(yù)防性維修次數(shù)增加，設(shè)備的可用度降低，發(fā)生的預(yù)防性維修費用增多。

在RCM的七種不同維修工作類型中，保養(yǎng)周期往往需要依據(jù)設(shè)備設(shè)計參數(shù)進行確定。對于一般的點檢等維護任務(wù)占用時間短、發(fā)生費用較少，可以再日常維保計劃中進行安排，不用單獨制定相應(yīng)的工維修周期。綜合性維修工作周期需要參考相關(guān)維修工作類型的周期綜合決定。所以，需要特別制定的預(yù)防性維修周期包括兩種：一種是可用度檢查和設(shè)備功能檢定；一種是周期設(shè)備報廢和按時零部件拆修。endprint

2.2RCM模型的分類

RCM模型根據(jù)維修工作類型、決策目的和復(fù)雜程度等方面RCM模型進行劃分，其中根據(jù)維修工作類型可以分為：定時更換模型，功能檢測模型，使用檢査模型。根據(jù)決策目的可以分為：費用模型，可用度模型，風(fēng)險模型。根據(jù)復(fù)雜程度劃分：單部件模型，復(fù)雜系統(tǒng)模型。

考慮到維修體制和檢修方式，本文建立了基于不同維修決策目標(biāo)的定時更換模型，再分為以費用為目的的和以可用度為目的的定時更換模型。考慮信號設(shè)備的相關(guān)數(shù)據(jù)信息不全，本文參照日常維修數(shù)據(jù)進行數(shù)據(jù)假設(shè)，并利用Matlab編程計算兩種RCM模型的維修周期。絕大部分鐵路信號設(shè)備，都是供企業(yè)長期使用的，這個時間對于維修周期和維修過程時間而言要長的多，在劃分時間的基礎(chǔ)時，確定為無限使用時限。

2.3定時更換模型

我們可以看出，RCM的維修方案關(guān)于預(yù)防這一過程，涉及到按時對設(shè)備進行修復(fù)和按時報廢兩項工作，兩者相關(guān)的模型建立實則是相同的。按照維修實踐，將其分為工齡更換和成組更換。

對個別設(shè)備進行事前研究，根據(jù)其使用的狀況進行按時定期的更換，也就是無論是設(shè)備涉及到的單獨的部件還是設(shè)備本身只要到了更換周期（包括未發(fā)生故障的設(shè)備），就要根據(jù)使用周期T規(guī)定的時間段開展更換工作，假如沒有在規(guī)定更換周期就發(fā)生了故障的設(shè)備，就采取用新品替代或者修復(fù)的方式。這種更換手段叫做工齡更換也可以稱為個別定時更換。

通常以大量設(shè)備投入到工作生產(chǎn)中起，根據(jù)相應(yīng)的更換周期，對其進行更新?lián)Q代，也就是，在經(jīng)過了更換的周期間T，需要對投入的所有同類設(shè)備進行更換來作為成組更換的定義，也可以稱其為全部定時更換，即使少數(shù)設(shè)備在此周期內(nèi)因發(fā)生故障更換過，到達(dá)更新時刻T時也一起更新。

在設(shè)備的維修過程中，使用周期的更迭需要圍繞T來進行，或者在發(fā)生意外事故后來開展更換工作。其要求開展定期的維護工作，維護的內(nèi)容主要包括更新?lián)Q代和修復(fù)再利用。

使用周期的更換主要適用于某些時間的期限長度與故障率成正比的設(shè)備。但是采用這種方式必須要求做好使用周期的相關(guān)登記工作，并且事前需要周密的部署，所以對于該方法的實行其實是由難度的。

建立使用周期更迭的模型主要的要求是：要結(jié)合數(shù)學(xué)模型的使用才能明確設(shè)備更換的期間T，致使更換的過程不會影響工作質(zhì)量，還能達(dá)到預(yù)計的效果。

假設(shè)數(shù)據(jù)和相關(guān)參數(shù)：

（1）每個工齡T進行更換，如在工齡期間發(fā)上故障則進行故障更換，時間T為常數(shù)；

（2）Cf：每次發(fā)生事故的總的成本費用，主要由設(shè)備的更新?lián)Q代的費用和設(shè)備停止運作所流失的收益構(gòu)成；

（3）Cp：每次使用周期更迭所發(fā)生的費用總和，主要由前期預(yù)防手段所發(fā)生的費用和設(shè)備停止運作所流失的收益構(gòu)成；

（4）C(T)：以間隔期T進行工齡更換時，長期使用下的單位時間的費用；

（5）A(T)：以間隔期T進行工齡更換時，長期使用下的平均可用度；

（6）D(T,t)：以間隔期T進行工齡更換時，在間隔時間[0,t]內(nèi)的期望停運時間；

（7）Tp：預(yù)防性更換所需的平均時間；

（8）Tf：故障更換所需的平均時間；

（9）Pf(t)：以間隔期T進行工齡更換時，在任意時刻之前設(shè)備的故障風(fēng)險；

（10）F(t)、R(t)、f(t)：設(shè)備初次故障時間累積分布函數(shù)、可靠度函數(shù)和故障密度函數(shù)，其中，當(dāng)時表示設(shè)備處于新狀態(tài)。

3以費用為目的定時更換模型

以節(jié)約成本為出發(fā)點按時更換數(shù)據(jù)模型應(yīng)該以探析適當(dāng)?shù)氖褂弥芷赥為主要方向，在使用期間內(nèi)相關(guān)的期望值最低，用表示。

根據(jù)更新過程的基本理論，長期使用下，設(shè)備的平均費用表示為：

（3-1）

更新周期內(nèi)總的期望費用=預(yù)防性更換的費用×預(yù)防性更換的概率+故障更換的費用×故障更換的概率=CpR(t)+CfF(t) （3-2）

期望更新周期長度=平均預(yù)防性更換周期長度×預(yù)防性更換的概率+平均故障更換周期長度×故障更換的概率= （3-3）

如果Tp和Tf相對于T來說很小，在費用模型中可以忽略不計。此時期望更新周期長度變?yōu)椤Ｍㄟ^是單位時間的期望費用最低來求最佳的工齡更換周期T：

（3-4）

在上面的方程式中，假如，就表示設(shè)備的使用周期還沒有進行更換，其產(chǎn)生的成本費用都是停止作業(yè)所導(dǎo)致的。這時，R(t)→0，相關(guān)單位時間的費用可以用下列式子表示

（3-5）

式4-5是計算單個部件不進行任何預(yù)防性維修，只做故障更換時單位時間所需費用的普通模型。

一般情況，我們采用分析探討的方法求出T值致使C(T)的數(shù)值最小是很困難的，然而如果使用搜尋T的可行范圍從而計算出相關(guān)數(shù)值其實是最便捷的通道。

舉例：假設(shè)設(shè)備的故障時間服從α=2,β=100天的威布爾分布，R(t)=exp[-(t/100)2]。設(shè)Cp=8000元，Cf=16000元，Tp=1天，Tp=2天。

通過RCM的運行過程中需要解決下面幾個問題：以經(jīng)濟的發(fā)展情形來看更換使用周期這一手段是否有效。假如采用此方案，應(yīng)該設(shè)定其最佳的上限為長。在以前的RCM應(yīng)用中，以上因素一般是靠日常經(jīng)驗作出，然而建模的途徑更加科學(xué)、準(zhǔn)確。

根據(jù)式子4-5可以得到一定期限內(nèi)使用主體所發(fā)生的費用，假如不在單位周期內(nèi)進行更換，就能得出每天C(∞)=176.56元。

在Matlab中進行編程，得到不同的T值，由式4-4可以算出C(T)的值，見表1。

從表1和可以看出，當(dāng)時80≤t≤160時，C(T)

所以，從節(jié)約成本這方面來說，設(shè)備的試用期間的更迭是有效方案，并且最適合的更換間隔時間為T=100天。