以可靠性為中心的維修方法及其在隧道中的應(yīng)用

王景春，房思思，李曉萌，張偉

（1.石家莊鐵道大學(xué)土木工程學(xué)院，石家莊050043；2.石家莊鐵道大學(xué)大型結(jié)構(gòu)健康診斷與控制研究所，石家莊050043）

一、前言

隨著經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，我國對交通的需求量日益增加，對交通安全的要求也越來越嚴(yán)格，且新建交通基礎(chǔ)設(shè)施明顯增加。鑒于我國地理形勢嚴(yán)峻復(fù)雜，使得隧道成為交通事業(yè)中主要的發(fā)展方向。隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，現(xiàn)代化工程結(jié)構(gòu)演變的更加復(fù)雜，功能更趨于完善。但在發(fā)展過程中許多結(jié)構(gòu)仍面臨著無法避免的影響因素[1]，特別是近些年來隧道“老齡化”凸顯，頻發(fā)的交通事故和自然破壞增加了設(shè)備故障率，這些因素阻礙了隧道的正常運(yùn)行。而目前傳統(tǒng)的維修方法常導(dǎo)致大量人員和資源浪費(fèi)，這給工程結(jié)構(gòu)的維修帶來巨大的經(jīng)濟(jì)損失。我國正從隧道的大范圍建設(shè)模式向大范圍維修模式轉(zhuǎn)變，隧道的維修和管理已成為隧道工程中的一個重要問題。

二、RCM的基本觀點(diǎn)和優(yōu)勢

（一）RCM的產(chǎn)生與基本內(nèi)涵

我們將維修大概劃分為三個時段：第一時段是以功能故障修復(fù)為主；第二時段主要集中在維修計劃與安排方面；第三時段則關(guān)注預(yù)防、監(jiān)測和避免失敗的后果。第三時段的維修從20世紀(jì)70年代左右開始，改變了對當(dāng)時的失敗模式的認(rèn)識。大量的研究發(fā)現(xiàn)[2～4]，條件故障概率與時間有關(guān)的比例大概占11%，剩下的89%均與時間無關(guān)。這就意味著，以時間為基礎(chǔ)的定時維修并不能處理和完善大多數(shù)故障模式。這一結(jié)論直接挑戰(zhàn)了傳統(tǒng)的“及時處理故障完全依賴定期預(yù)防性維護(hù)”的理念，同時刺激了新的維修概念和優(yōu)化技術(shù)的誕生。

以可靠性為中心的維修（reliability centered maintenance，RCM）屬于第三時段具有代表性的維修模式[5～7]。這種維修思想最早起源于美國的民航界，發(fā)展已超過半個世紀(jì)，其定義在不同的領(lǐng)域有所不同。然而，最主要和最基本的定義是：RCM是一個確定在使用時對有形資產(chǎn)有維護(hù)需求的過程。所以，從本質(zhì)上講它是一種制定決策的分析方法。RCM以風(fēng)險分析和可靠性方法為基礎(chǔ)，以失效模式和故障后果作為制定維修策略的主要依據(jù)，然后以最少的維修資源消耗、運(yùn)用邏輯決斷分析方法來確定維修內(nèi)容和方式，并制定出預(yù)防維修大綱從而達(dá)到優(yōu)化和延長使用壽命的目的。

（二）RCM的優(yōu)勢

1.與傳統(tǒng)維修方式的對比

作為一種優(yōu)化的維修策略，RCM的概念和原理比較系統(tǒng)化，可以為現(xiàn)代企業(yè)設(shè)備的發(fā)展提供科學(xué)的指導(dǎo)方法。其在概念及應(yīng)用上與傳統(tǒng)維護(hù)方法存在顯著差異，具體見表1。

2.與其他維修策略的對比

對設(shè)備故障原因及其所造成的后果有不同層次的理解將會對應(yīng)不同的維修方法，如圖1所示。如果對設(shè)備故障（模式、現(xiàn)象、概率）、故障原因及其可能造成的后果尚不清楚，只能進(jìn)行事后修復(fù)(BM)和定期維護(hù)(TBM)；如果能在設(shè)備狀態(tài)和變化趨勢上實(shí)現(xiàn)監(jiān)測或定期檢測，便可以實(shí)施狀態(tài)維修(CBM)；如果已知故障的概率和后果，則可以使用RCM，同時掌握故障機(jī)制和故障的初始原因，即可以主動去修理，進(jìn)行根治維修(RM)。

三、隧道維修現(xiàn)狀

在國民經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展的大背景下，鐵路作為我國經(jīng)濟(jì)的大動脈，近年來發(fā)展空間不斷擴(kuò)大。我國地理形勢嚴(yán)峻復(fù)雜，這也給隧道的快速發(fā)展提供了更大的平臺和契機(jī)。

有相關(guān)數(shù)據(jù)統(tǒng)計，到2015年年底，全國在建的鐵路隧道總共3 784條，總長度為8 692 km，規(guī)劃中的隧道總共4 384條，總長度為9 345 km；總共13 411條運(yùn)營隧道，總長度為13 038 km。2015年新建成通車鐵路隧道1 316條，全長2 160 km，其中18條隧道長度超過10 km，總長245 km [8]。我國已經(jīng)是世界上隧道規(guī)模最大、數(shù)量最多和修建技術(shù)發(fā)展最快的國家，不難看出我國隧道擁有的市場很大。另外，隧道經(jīng)過一定時期的運(yùn)行后，需要對其進(jìn)行維修和養(yǎng)護(hù)，然而現(xiàn)有的維修方式大多采用對故障進(jìn)行逐一排查后再進(jìn)行修復(fù)的模式，這種維修方式效率較低，而且隧道一旦發(fā)生故障，將會被迫停止運(yùn)行或?qū)е赂鼑?yán)重的后果。鑒于這些原因，一個新的運(yùn)營理念引起研究者的關(guān)注，這就是以可靠性為中心的維修。

表1 RCM與傳統(tǒng)維護(hù)方法的比較

圖1 基于對設(shè)備了解程度的不同維修方式

（一）隧道監(jiān)控系統(tǒng)維修現(xiàn)狀

對運(yùn)營隧道監(jiān)控系統(tǒng)進(jìn)行維修和保養(yǎng)，重點(diǎn)工作在于對隧道內(nèi)各類設(shè)施和隧道整體運(yùn)行狀態(tài)的安全監(jiān)視、監(jiān)測和隧道必要的通信設(shè)施，及相應(yīng)的系統(tǒng)設(shè)備的監(jiān)測和故障應(yīng)急管理。

隧道監(jiān)控系統(tǒng)對整個隧道的正常運(yùn)行起著關(guān)鍵性的作用，在隧道運(yùn)行過程中相當(dāng)于一個管理者。未能有效地解決或及時修理相關(guān)設(shè)施或系統(tǒng)，會導(dǎo)致城市地區(qū)交通的混亂。因此，最終的目標(biāo)和主要原則就是有效地預(yù)防和處理好隧道監(jiān)控系統(tǒng)。

2013年，廈門市的一場暴雨導(dǎo)致了梧村隧道發(fā)生洪水，這次災(zāi)害造成了3 h的交通堵塞。2017年，北京北站地下隧道由于暴雨導(dǎo)致上下行線近1 km區(qū)域內(nèi)的道路全部被淹，隧道高4.5 m，淹水水位距離隧道頂端約1.5 m，此次事故還導(dǎo)致了北京城區(qū)部分路段斷交。還有很多這樣的隧道事故，都帶來了嚴(yán)重的經(jīng)濟(jì)損失甚至人身傷害。造成這些損失的原因不單是自然災(zāi)害，設(shè)備無法良好運(yùn)行、預(yù)防及應(yīng)急措施不到位等也是其中很重要的原因。所以，隧道內(nèi)各類設(shè)備的良好維護(hù)對隧道的正常運(yùn)行發(fā)揮著極其重要的作用。

（二）隧道監(jiān)控系統(tǒng)維修中存在的問題

常見的隧道監(jiān)控設(shè)備有較強(qiáng)的隱蔽性，它相比較于其他設(shè)備存在很多特殊的地方，大部分采用傳統(tǒng)隧道監(jiān)控系統(tǒng)的維護(hù)方法：終端產(chǎn)品和設(shè)備的維修和保養(yǎng)，設(shè)備和產(chǎn)品的預(yù)定報廢，以及在一定年限之后進(jìn)行的改善和維護(hù)。這種方法基本上是被動的，沒有針對性的維護(hù)。在日常生產(chǎn)過程中，維修人員只針對 “看得見” 的設(shè)備發(fā)生破壞的地方進(jìn)行維修，而不是進(jìn)行定期的系統(tǒng)性的檢測和維修。此外，對于沒有經(jīng)任何相關(guān)的檢查和維護(hù)的內(nèi)部功能設(shè)備的“隱形”系統(tǒng)，僅根據(jù)傳統(tǒng)的使用經(jīng)驗(yàn)和設(shè)備使用壽命進(jìn)行單一定期維修，這樣沒有考慮到設(shè)備實(shí)際運(yùn)行情況。然而改進(jìn)的維護(hù)也并不具有針對性，沒有考慮到監(jiān)控系統(tǒng)使用條件和實(shí)際情況，僅僅依靠傳統(tǒng)的經(jīng)驗(yàn)。該方法不能有效避免損失，而且未能識別出隱蔽故障，需要花費(fèi)很長的時間去檢查和維護(hù)。當(dāng)系統(tǒng)發(fā)生不能避免的功能性缺陷，甚至很嚴(yán)重的故障后果時，例如，系統(tǒng)癱瘓，維修人員將沒有具體策略和有效措施去應(yīng)對。

四、隧道RCM分析

隧道監(jiān)控系統(tǒng)可以確保行車安全和避免交通事故的發(fā)生，有效的減輕城市交通壓力。將RCM的分析方法引入到隧道中去，可以使其發(fā)揮更重要的作用。

（一）隧道監(jiān)控RCM分析過程

對隧道監(jiān)控系統(tǒng)進(jìn)行RCM分析，要從以下六個方面入手：①故障信息的采集；②故障模式的分析；③明確故障原因；④故障影響及后果的評估；⑤制定維修策略；⑥根據(jù)已有經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)不斷更新優(yōu)化策略庫。

只有非常清楚其定義和理解隧道內(nèi)各種設(shè)施的功能和故障，才能對上述六個方面進(jìn)行詳細(xì)的描述。要做到這一點(diǎn)，需要我們找到所有設(shè)備的故障模式，把它們按照造成影響的嚴(yán)重程度依次進(jìn)行分類和排序，根據(jù)排序結(jié)果決定是否采取預(yù)防措施以及采取何種預(yù)防措施來對付故障。這就是故障模式及影響分析（FMEA）。一般流程的RCM分析具體如圖2所示[9,10]。

（二）隧道RCM故障分析

在進(jìn)行隧道RCM分析時，首先要識別故障模式，然后對其可靠性進(jìn)行一定的分析才能做到有效的維修管理。下面以具體的隧道風(fēng)機(jī)分析為例進(jìn)行闡述。

平均故障時間（MTBF）是指在一段時間內(nèi)，平均每兩次失效模式的平均時間。

根據(jù)風(fēng)機(jī)在隧道內(nèi)的運(yùn)行情況，該風(fēng)機(jī)在運(yùn)行的3 000 h內(nèi)，總共發(fā)生了4次故障，根據(jù)公式（1）可得平均故障時間為：

假設(shè)該風(fēng)機(jī)的故障率符合指數(shù)分布規(guī)律，

那么它的可靠度為：

式（3）中，f(t)為風(fēng)機(jī)故障率分布函數(shù)；λ為風(fēng)機(jī)在一定時間內(nèi)發(fā)生故障的次數(shù)；t為風(fēng)機(jī)運(yùn)行時間。

如果該風(fēng)機(jī)的可靠度要求達(dá)到80%，即R(t) =0.8，那么根據(jù)公式（3）可得：

圖2 RCM分析的一般流程

從以上分析可以看出，如果風(fēng)機(jī)的可靠度要求達(dá)到80%，那么風(fēng)機(jī)檢修周期應(yīng)該保持在167 h左右。將該風(fēng)機(jī)運(yùn)行時間與隧道監(jiān)控平臺對接，在達(dá)到此檢修周期時，系統(tǒng)會自動提示工作人員進(jìn)行隧道維修。

五、隧道引入RCM的應(yīng)用和效益

雖然在前期工作中付出了很多的時間和精力，但后期得到的回報將遠(yuǎn)大于之前的投資。RCM的引入在一定程度上削減了各種類型的費(fèi)用，包括設(shè)備維修費(fèi)、設(shè)備報廢和再采購費(fèi)，以及人事費(fèi)。隧道維修策略得以優(yōu)化[11～13]，改造維修過程變得更加有規(guī)劃性和目的性。

（一）成本降低

引入RCM可以降低維修成本，主要體現(xiàn)在兩個方面。一方面，通過RCM制定出得到優(yōu)化的策略，這樣減少了日常項(xiàng)目維修需要的經(jīng)費(fèi)，同時也延長了維修需要的時間間隔；另一方面，為了保證整個系統(tǒng)的穩(wěn)定性，降低大型設(shè)備故障率及維修成本，增加了一些配件或小配件的定期保養(yǎng)。表2為南京某隧道引入RCM管理前后維修費(fèi)用對比結(jié)果。

（二）安全性提高

這里所指的安全性提高主要體現(xiàn)在兩個方面，一是保障了行車人員的安全，二是增強(qiáng)了城市環(huán)境的安全。在引入RCM后，隧道可以保證系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行，防止因隧道故障導(dǎo)致的特殊故障或自然災(zāi)害造成的經(jīng)濟(jì)損失或人身傷害[14]。RCM的引入使隧道可以正常運(yùn)行，保障了道路的順利通行，減緩了地面行車壓力，減少了廢氣污染物的排放，有利于城市環(huán)境保護(hù)，同時也減少了環(huán)境污染對市民健康的影響。

（三）社會效益增長

交通擁堵會給國家?guī)砭薮蟮慕?jīng)濟(jì)損失，2012年《人民日報》刊登的一篇文章表明：“交通擁堵造成的影響可以使中國15個城市每天損失10億元。”文章通過對隧道設(shè)備進(jìn)行故障模式和可靠性分析，得到當(dāng)設(shè)備風(fēng)機(jī)可靠性達(dá)到一定程度時所需要的維修周期，在這個周期內(nèi)進(jìn)行維修大大降低了設(shè)備故障發(fā)生概率和設(shè)備的損壞率，使隧道設(shè)備基本處于良好的操作環(huán)境，這無疑緩解了地上交通的壓力。另外，當(dāng)隧道引入RCM對設(shè)備故障進(jìn)行分析后，可通過具體情況制定出最優(yōu)維修策略確保隧道正常運(yùn)行，給公民營造了一定程度的安全感，經(jīng)濟(jì)損失也明顯下降。

表2 優(yōu)化維修前后總費(fèi)用對比

六、結(jié)語

RCM是一種極具現(xiàn)代化的維修管理模式，相比較于其他的傳統(tǒng)維修方法，其優(yōu)勢在各個領(lǐng)域都已被證實(shí)。它的實(shí)用、科學(xué)、專業(yè)、高效的特點(diǎn)也是未來維修管理模式發(fā)展的必然趨勢，也是唯一的出路。筆者結(jié)合我國隧道維修現(xiàn)狀和實(shí)際工程中遇到的問題，創(chuàng)新性地將可靠性理念運(yùn)用其中，對隧道的維修提出了一套切之可行的管理模式。目的是在有限的資源下，提供對隧道更為有利的管理、維修和運(yùn)營。相信隨著國內(nèi)功能性隧道的逐漸普及，RCM的高效性和實(shí)用性將有更大的發(fā)展空間。

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