鐵路遠(yuǎn)程狀態(tài)監(jiān)控的壽命周期成本分析

何 軍，王 烈

(1.北京交通大學(xué) 經(jīng)濟(jì)管理學(xué)院，北京 100044；2.中國鐵道科學(xué)研究院 鐵道科學(xué)技術(shù)研究發(fā)展中心，北京 100081)

鐵路遠(yuǎn)程狀態(tài)監(jiān)控的壽命周期成本分析

何 軍1，王 烈2

(1.北京交通大學(xué) 經(jīng)濟(jì)管理學(xué)院，北京 100044；2.中國鐵道科學(xué)研究院 鐵道科學(xué)技術(shù)研究發(fā)展中心，北京 100081)

在鐵路基礎(chǔ)設(shè)施方面，遠(yuǎn)程狀態(tài)監(jiān)控通過采用預(yù)測維修對(duì)系統(tǒng)狀態(tài)持續(xù)地或階段性地進(jìn)行評(píng)估，以提高點(diǎn)制動(dòng)器的可靠性。通過對(duì)遠(yuǎn)程狀態(tài)監(jiān)控的壽命周期成本分析，提出鐵路遠(yuǎn)程狀態(tài)監(jiān)控壽命周期成本的一般模型，壽命周期成本在鐵路遠(yuǎn)程狀態(tài)監(jiān)控中的應(yīng)用可以為投資決策和提供高質(zhì)量的鐵路運(yùn)輸服務(wù)。

遠(yuǎn)程狀態(tài)監(jiān)控；壽命周期成本；制動(dòng)器

1 遠(yuǎn)程狀態(tài)監(jiān)控及其應(yīng)用

采用遠(yuǎn)程狀態(tài)監(jiān)控 (RCM) 是減少點(diǎn)制動(dòng)器故障造成的列車延誤的重要手段。RCM 的前期應(yīng)用主要是通過預(yù)測維修而不是故障檢修提高點(diǎn)制動(dòng)器的可靠性，有利于鐵路資產(chǎn)的可靠性、可用性、可維修性和安全性 (RAMS)。因此，采用 RCM 這項(xiàng)新技術(shù)的壽命周期成本 (LCC) 分析十分重要。

隨著遠(yuǎn)程遙測電子、計(jì)算機(jī)和通信技術(shù)的進(jìn)步，RCM通過監(jiān)控一個(gè)或更多的靜態(tài)和/或動(dòng)態(tài)參數(shù)，對(duì)系統(tǒng)狀態(tài)持續(xù)地或階段性地進(jìn)行評(píng)估，遠(yuǎn)程狀態(tài)監(jiān)控系統(tǒng)如圖1所示。

在鐵路基礎(chǔ)設(shè)施方面，RCM 的應(yīng)用主要有兩種途徑：①通過帶寬將遠(yuǎn)程遙測和已有的通信基礎(chǔ)設(shè)施結(jié)合起來；②引進(jìn)獨(dú)立的通信管道。 RCM 分為直接監(jiān)控和間接監(jiān)控。直接監(jiān)控發(fā)生在系統(tǒng)狀態(tài)能由信號(hào)來直接進(jìn)行檢測或系統(tǒng)信號(hào)受控制時(shí)；間接監(jiān)控發(fā)生在系統(tǒng)狀態(tài)不能由信號(hào)來直接獲取或輪軌的測量信號(hào)在鐵路道口沖撞時(shí)[1]。

制動(dòng)器故障可能導(dǎo)致延誤和懲罰成本。RCM需要記錄繼電器控制信號(hào)和溫度，以及來自每個(gè)制動(dòng)器的驅(qū)動(dòng)力和電流信號(hào)。每個(gè)故障模式的發(fā)生數(shù)量、發(fā)生概率、延誤時(shí)間，通過 RCM 可檢測的故障比例的估計(jì)值、及時(shí)檢測的概率和故障預(yù)防概率得到體現(xiàn)[2-3]。

制動(dòng)器故障模式一般包括驅(qū)動(dòng)連桿調(diào)整不當(dāng)(OOA)、對(duì)向道岔鎖閉器調(diào)整不當(dāng) (FPLOOA)、滑床板故障、微動(dòng)開關(guān)故障、滑床板阻塞/污染、檢查桿調(diào)整不當(dāng)、熔合不良、繼電器不良、接觸不良、電機(jī)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(fù)位故障、驅(qū)動(dòng)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(jì)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(shù)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(guān)于RCM 的潛在監(jiān)測能力的二進(jìn)制變量、發(fā)生數(shù)量、及時(shí)檢測的概率及- 故障預(yù)防的總概率。資產(chǎn)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(biāo) T 為總年數(shù)；yi是分解為第i 項(xiàng)的成本；λ 為凈現(xiàn)值向量。

對(duì)于 RCM，選擇 n=4 比較合理 (投資：i=1；運(yùn)行：i=2；懲罰：i=3；維護(hù)：i=4)[8]。用 aij代表單位成本cij發(fā)生的次數(shù)，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(shù)列，ai=[ai1,…,ai5]，ci=[ci1,…,ci5]。對(duì)于所有的 i 和 j，aij≥0；cij的負(fù)值表示成本，正值表示和沒有采用 RCM 的情況作對(duì)比引起的成本節(jié)省[9]。開發(fā)成本和投資成本在此歸并到一起作為 RCM 中的投資成本；運(yùn)營和支持成本作為運(yùn)行 RCM 的成本、懲罰成本的節(jié)省和維護(hù)成本的節(jié)省。壽命周期成本正負(fù)符號(hào)不確定。除了后面要定義的，A 中代表元素的值的正負(fù)號(hào)或者是一致的 (即相關(guān)成本都發(fā)生了)，或者是零 (相關(guān)成本都沒有發(fā)生)。這一點(diǎn)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(xùn)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(fù)值。

2.2.2 RCM的運(yùn)營成本

運(yùn)營 (運(yùn)行) 成本 c2是電力和通信成本及技術(shù)管理過程成本，包括電力和通信成本 c21(c21= c15)、技術(shù)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(bào)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(shí)間 (以min計(jì))；T 為數(shù)據(jù)收集的總年數(shù)。

2 壽命周期成本及其在鐵路 RCM 中的應(yīng)用

2.1 壽命周期成本

理論上，壽命周期成本是產(chǎn)品或工程設(shè)計(jì)、開發(fā)、建造、使用、維修和報(bào)廢等過程中發(fā)生的費(fèi)用，即該項(xiàng)工程在其確定的壽命周期內(nèi)或在預(yù)定的有效期內(nèi)所需支付的研究開發(fā)費(fèi)、制造安裝費(fèi)、運(yùn)行維修費(fèi)、報(bào)廢回收費(fèi)等費(fèi)用的總和[6]。

對(duì)壽命周期成本的投資評(píng)估主要包括4項(xiàng)成本：道德風(fēng)險(xiǎn)成本、投資成本、維護(hù)和運(yùn)行成本、延誤成本 (有時(shí)稱為遞延生產(chǎn)成本)。壽命周期成本包括直接和間接的初始成本加上運(yùn)行和維護(hù)的定期成本或連續(xù)成本[7]。

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

2.2 壽命周期成本在鐵路 RCM 中的應(yīng)用

假設(shè)財(cái)產(chǎn)稅、增值稅、通貨膨脹等保持不變，而且都包含在年度折現(xiàn)率里；由企業(yè)提供投資 (不通過借貸)，因此所有者權(quán)益比率為 1。標(biāo)準(zhǔn)的壽命周期成本模型可以表達(dá)如下：修成本的乘積。同樣被納入考慮范圍的還有維護(hù)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(fù)。

2.2.3 懲罰成本節(jié)省

根據(jù)方程式(6)，將會(huì)產(chǎn)生一個(gè) 4 × 4 的矩陣，行相乘，得到結(jié)果如下：

給定 λ 的值和 RCM 的投資成本、運(yùn)行成本、懲罰成本節(jié)省、維護(hù)成本節(jié)省，就可以得到它們的和，即總的壽命周期成本。

3 結(jié)束語

通常 RCM 可以降低預(yù)防維護(hù)成本，但卻增加了預(yù)測維護(hù)成本。當(dāng)預(yù)防維護(hù)成本超過預(yù)測維護(hù)成本時(shí)，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(jì)算得出的。同時(shí)，每分鐘懲罰成本將依賴于線路的重要程度，預(yù)防維護(hù)成本的減少和總的延誤分鐘是成比例的。

以上對(duì)鐵路基礎(chǔ)設(shè)施領(lǐng)域中壽命周期成本的表述考慮了投資、運(yùn)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(kuò)展到鐵路系統(tǒng)的其他元素中，如平交道口、軌道電路等。鐵路基礎(chǔ)設(shè)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(zhì)量的鐵路運(yùn)輸服務(wù)。

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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(zé)任編輯：金 穎