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）是長壽命周期產品成本分析最有效的方法之一，在地鐵車輛的采辦環節以實現壽命周期費用最低為目標決斷，可提升投資質量和運營效率。文章在分析壽命周期成本標準、模型以及RAMS數據的基礎上，提出用于計算地鐵車輛壽命周期維修成本的方法，并以制動系統典型部件為例進行驗證。

關鍵詞：地鐵車輛；壽命周期成本；維修成本；RAMS；制動系統 文獻標識碼：A

中圖分類號：F234 文章編號：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）是產品概念設計、系統開發、生產制造、使用維護和報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，由于軌道交通項目系統組成復雜，使用周期超長、維修活動繁多，相關成本高昂，所以需要一種可行的方法對項目經濟性進行預先評價，壽命周期成本分析包括了以壽命周期成本為設計參數、對項目方案進行系統分析的過程和活動，通過在項目實施過程中迭代分析，可以輔助決策者從各可行方案中篩選出費效比最高的方案。

對于地鐵車輛而言，壽命周期成本分析最重要的問題是計算車輛全壽命周期的維護成本。本文通過對相關標準中計算壽命周期成本的維護成本所需的維修數據要求進行分析，提出地鐵車輛研制過程RAMS分析中修復性維修和預防性維修的數據要求，給出維修成本計算方法，并對制動系統典型部件的維護成本進行預測。

2 軌道交通壽命周期成本標準與模型

2.1 IEC 60300-3-3 LCC模型

1996年國際電工委員會（IEC）發布了壽命周期成本分析的國際標準IEC60300-3-3，并于2004年7月發布修訂版。該標準建議將產品的壽命周期劃分為概念與定義、設計與開發、制造、部署、使用與維護以及報廢處置六個階段，可以通過計算每個階段產生的成本并求和得到產品的壽命周期成本。IEC60300-3-3將產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，購置成本由于其可見性很容易評估。處置成本重要與否則因行業而異，在軌道交通行業，處置成本通常忽略不計。

LCC=C采辦+C擁有+C處置

2.2 UNILIFE LCC模型

歐洲鐵路行業協會UNIFE的LCC模型同樣將壽命周期成本劃分為采辦、擁有和處置三項成本。由于它是面向運營商的壽命周期成本計算模型，因而其更強調的是投資、運營和壽命保障成本。處置成本在此也沒有被納入考慮。

LCC=C投資+C運營+C壽命保障

2.3 壽命周期成本分析過程

壽命周期成本分析包括問題描述、成本定義、系統建模、數據收集、剖面開發和結果評價六個環節。

分析活動從對所關注問題的描述開始，整個工作的復雜性主要取決于所關注問題的目標與范圍，特別是其范圍涵蓋了與可靠性、可用性、維修性和安全性（RAMS）等相關的產品特性。在進行成本定義時，對于反映各單項成本的成本元素應當根據產品的使用需求與維修策略從全壽命周期的角度系統地分類定義，避免漏掉重要的成本元素。建立成本分解結構是一種系統地識別成本元素的簡潔有效的方法。成本分解結構是在產品的壽命周期各個階段基于產品分解結構或工作分解結構所產生的費用分解。而產品分解結構或工作分解結構則是一個更為詳細的產品硬件、維修服務和相關數據的

分解。

在定義好成本元素之后，需要開展系統建模工作，對成本元素之間、成本元素與產品分解結構/工作分解結構之間的關系進行建模。在確定各元素之間的關系時，需要從產品的可靠性、可用性、維修性、安全性、使用需求和維修策略等角度入手，根據產品使用與維修過程中對應的RAMS參數，建立成本模型。由于軌道交通項目周期普遍較長，在開展壽命周期成本分析時，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。通過將這些因素納入考慮，在進行結果評價時，可以將每個設計方案的最終成本置于一個公共的基礎或參考點上進行對比。分析所需要的數據可以通過分析、統計、成本報告、歷史數據、合同和供應商報價單等方式獲取。當無法取得實際數據時，可以根據項目工程經驗去預計并在后續工作中予以修正。在結果評價環節，通過開展敏感性分析，確定壽命周期成本的成本動因，尋找導致高成本的產品或工作項目，從而支持備選方案的開發。同樣這里還應該繼續考慮輸入數據的不確定性。在項目實施過程中，初始方案構成一個基線系統，通過壽命周期成本分析的迭代，逐步識別高成本動因，變更相關產品與服務狀態，直至最終得到理想的項目方案。

3 地鐵車輛維修數據模板

當前，地鐵車輛兼具故障修、定期修和狀態修三種類型的維修策略，各類維修缺乏統一規劃與系統管理，因此對維修成本的預計是地鐵車輛壽命周期成本分析的核心問題。雖然地鐵車輛各種維修策略針對對象和觸發時機各不相同，但總體上仍可分為修復性維修CM（Corrective Maintenance）和預防性維修PM（Preventive Maintenance）。在地鐵車輛研制過程中，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劃，并可進一步用于壽命周期維修成本的預計。通過分析60300-3-3標準與UNILIFE LCC模型關于維修成本的數據要求，對FMEA和RCM分析結果的數據項進行整理，可以構建地鐵車輛的維修成本分析模板。

地鐵車輛產品組成層級可劃分至現場可更換單元LRU（含現場可報廢單元DU）和車間可更換單元SRU（含車間可報廢單元DP），分別適用于運營商與制造商開展的維修工作。當計算地鐵車輛壽命周期維修成本時，應將制造商維修的SRU納入考慮再填寫如表1所示的產品組成信息。

表中：IID，部件標識；PMID，預防性維修工作項目標識；DESCR，PM工作項目描述；PMTYPE，PM類型，包括基于日歷時間（C）和基于使用時間（O）；MTBM，PM間隔，分別對應C與O類型活動間隔的日歷時間與使用時間。

每一項部件的維修工作項目都會導致一個或一系列的維修活動。例如，某一SRU故障時，首先需要從系統中拆卸并更換包含該SRU的LRU（系統級CM），然后從LRU中拆卸并更換有故障的SRU（LRU級CM），最后需要對該SRU進行修理（SRU級CM）。再例如，當某一LRU進行周檢修時，首先需要從系統中拆卸并更換該LRU（系統級PM），然后對拆下的LRU進行維護（LRU級PM）。維修活動的最后一項任務總是核心任務，該任務是由故障觸發或是預防性維修工作項目的目標。因此，部件的維修工作項目可以以表4的方式識別：

表中：IID，部件標識；MTID，維修工作項目標識；MTMH，完成維修工作項目所需的平均人工時；TAT，維修周轉時間（維修工作項目從提出到完成預計的日歷小時數）。

除上述信息外，計算地鐵車輛壽命周期維修成本時，還需單獨定義相關的全局性變量，包括人力成本單價PMH、車隊數量N、年均使用時間TMPY、預期壽命LC，必要時還需設定利率IRATE等用于現金流折現。

4 地鐵車輛壽命周期維修成本計算模型

在上述維修數據模板的基礎上，根據對地鐵車輛實際維修數據的分析，可以確定壽命周期維修成本分為運營商維修成本和制造商維修成本，其中運營商維修成本主要是指由運營商承擔的以更換LRU和DU的方式進行的對整車及系統的維修活動成本，包括車輛的日常檢修和質保期外的維修活動；制造商維修成本主要是指由制造商承擔的以更換SRU和DP以及直接修理的方式進行的對LRU的維修活動成本，通常包括車輛的高級修和質保期內的維修活動。維修成本分解結構的成本元素包括人力成本、備件成本、耗材成本和維修設備成本等。其中耗材成本可視為備件成本的一部分，維修設備成本可計入初始采辦成本，因此維修成本的主要成本元素有人力成本和備件成本。

對于修復性維修，其人力成本與備件成本計算方法分別如下：

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

其中，FRACOP與FRACMA分別代表由運營商與制造商承擔的維修工作項目比例，兩者之和等于1。

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

對于預防性維修，其人力成本與備件成本計算方法分別如下：

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

其中，當預防性維修工作項目是基于日歷時間時，上式取8760，為一年的日歷小時數，否則為TMPY。

預防性維修備件成本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 制動系統壽命周期維修成本分析示例

某型地鐵車輛采購數量為50列，計劃使用壽命30年，日行駛時間6小時，運營商與制造商的人力成本單價均為100元/小時，質保期1年。制動系統裝車數為2套，其組成和維修相關數據簡化如表5至表8所示。

利用上述數據計算制動系統壽命周期維修成本如表9所示：

制動系統按組成部件統計成本在此不再贅述。

6 結語

本研究提出了一個地鐵車輛壽命周期維修成本計算模型與相應的數據模板，可用于地鐵車輛的壽命周期維修成本分析。該模型的準確性依賴于成本分解結構建模與輸入數據的準確性，后續還將對模型不斷細化與調整，并通過加強RAMS工作逐步提高故障率等輸入數據的準確性。

參考文獻

[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.

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

（責任編輯：小 燕）