鐵路可靠性維修管理過程優(yōu)化研究

張 巖

ZHANG Yan

（中國鐵道科學(xué)研究院運輸及經(jīng)濟研究所，北京100081）

(Transportation and Economics Research Institute, China Academy of Railway Sciences, Beijing 100081, China)

鐵路可靠性維修管理過程優(yōu)化研究

張 巖

ZHANG Yan

（中國鐵道科學(xué)研究院運輸及經(jīng)濟研究所，北京100081）

(Transportation and Economics Research Institute, China Academy of Railway Sciences, Beijing 100081, China)

闡述一般性的可靠性維修管理過程，提出鐵路可靠性維修過程優(yōu)化包括風(fēng)險分析、維修優(yōu)化、檢修管理和績效分析4個環(huán)節(jié)，全面考慮設(shè)備故障帶來的環(huán)境、安全、運營損失、維修成本等的影響，能夠綜合體現(xiàn)鐵路行業(yè)管理特征。在此基礎(chǔ)上，提出由信息平臺、監(jiān)控中心、智能維修輔助決策和移動智能檢修終端4個子系統(tǒng)組成的鐵路可靠性維修管理信息系統(tǒng)構(gòu)建方案，并分析基于鐵路可靠性維修管理信息系統(tǒng)的標準化檢修管理和績效分析過程。

可靠性維修管理；維修優(yōu)化；維修計劃；維修方式

1　概述

鐵路基礎(chǔ)設(shè)施養(yǎng)護維修主要包括線路、橋梁、隧道、供電及信號等設(shè)備設(shè)施的檢查、保養(yǎng)、修理和更換，目的是保證設(shè)備處于良好運行狀態(tài)，從而保證鐵路運輸安全。以可靠性為中心的維修(Reliability Centered Maintenance，RCM，以下簡稱“可靠性維修”) 綜合考慮狀態(tài)維修、計劃維修和事后維修等維修方式，目的是組合形成一套維修成本更低、系統(tǒng)可靠性更高的維修策略[1]?？煽啃跃S修管理過程是實施維修管理需要進行的步驟、環(huán)節(jié)和方法，是決定能否降低維修管理成本、提高維修管理效率和設(shè)備可靠性的關(guān)鍵因素。目前我國鐵路工務(wù)、電務(wù)、供電等專業(yè)的基礎(chǔ)設(shè)施養(yǎng)護維修工作主要按照修程修制、維護規(guī)則等鐵路規(guī)章中制定的各種設(shè)備的日常巡檢、集中檢修周期，編制年、季、月維修計劃，并結(jié)合鐵路高速綜合檢測列車、信號集中監(jiān)測等檢測、監(jiān)測系統(tǒng)和設(shè)備輸出的基礎(chǔ)設(shè)施狀態(tài)信息，安排具體維修任務(wù)。各專業(yè)的普速和高速鐵路設(shè)備維修規(guī)則已經(jīng)開始嘗試應(yīng)用可靠性維修管理理論和原則，如電務(wù)信號專業(yè)普速鐵路維護規(guī)則要求，設(shè)備維修工作應(yīng)在提高設(shè)備可靠性基礎(chǔ)上，積極采用先進成熟的檢測、監(jiān)測系統(tǒng)和設(shè)備，實現(xiàn)狀態(tài)修 (根據(jù)設(shè)備特性變化狀態(tài)有針對性地進行維修) 和計劃修 (根據(jù)設(shè)備維修周期確定維修計劃) 相結(jié)合的維修模式，不斷推進修程修制改革[2]。

在可靠性維修管理過程中，維修方式和維修計劃的優(yōu)化是關(guān)鍵。維修方式優(yōu)化主要是根據(jù)定量或定性風(fēng)險分析結(jié)果和邏輯決策過程，給出適合的維修方式[3-5]；維修計劃優(yōu)化則基于選定的維修方式，通過求解可靠性模型的目標函數(shù)，確定最優(yōu)維修時機[6]。但是，一般的可靠性維修管理過程不能綜合體現(xiàn)鐵路行業(yè)管理特征及設(shè)備故障帶來的環(huán)境、安全、運營損失、維修成本等的影響，而且缺乏動態(tài)反饋和調(diào)整機制，再加上鐵路行業(yè)缺乏高效的可靠性維修管理信息化系統(tǒng)作為輔助，很難真正落實可靠性維修計劃。因此，需要在保持 RCM 理論基本原則不變的基礎(chǔ)上，改進一般的可靠性維修管理過程，使其更加適應(yīng)鐵路維修管理工作的實際情況，并結(jié)合先進管理信息系統(tǒng)的應(yīng)用，提高鐵路維修管理的質(zhì)量和效率[7-9]。

2　鐵路可靠性維修管理過程優(yōu)化

鐵路可靠性維修管理過程優(yōu)化包括風(fēng)險分析、維修優(yōu)化、檢修管理和績效分析 4 個環(huán)節(jié)。風(fēng)險分析環(huán)節(jié)基于通用的故障模式分析方法獲得設(shè)備的主要故障模式和影響；維修優(yōu)化環(huán)節(jié)根據(jù)風(fēng)險分析環(huán)節(jié)提供的設(shè)備風(fēng)險等級和績效分析環(huán)節(jié)反饋的檢修歷史數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析結(jié)果，進行維修方式輔助決策和維修計劃優(yōu)化；檢修管理環(huán)節(jié)利用科學(xué)的管理方式和方法保證維修優(yōu)化環(huán)節(jié)輸出的最優(yōu)維修計劃得到正確的執(zhí)行；績效分析環(huán)節(jié)進行維修工作情況分析、故障頻率計算和維修質(zhì)量評價等工作，向風(fēng)險分析和維修優(yōu)化環(huán)節(jié)提供反饋數(shù)據(jù)，實現(xiàn)閉環(huán)動態(tài)反饋管理。鐵路可靠性維修管理過程優(yōu)化如圖1 所示。

圖1　鐵路可靠性維修管理過程優(yōu)化

2.1 風(fēng)險分析

風(fēng)險分析包括故障模式分析和風(fēng)險等級計算 2個環(huán)節(jié)，故障模式分析與一般可靠性維修管理過程中的故障模式分析方法類似，包括系統(tǒng)邊界劃分、設(shè)備功能定義、危險因素識別和故障模式影響分析(Failure Mode Effect Analysis，F(xiàn)MEA) 4 個步驟，分析需要的數(shù)據(jù)來源是設(shè)備生產(chǎn)廠家提供的規(guī)范和標準中提取的基礎(chǔ)信息，設(shè)備狀態(tài)的日常檢測、監(jiān)測數(shù)據(jù)，以及績效分析環(huán)節(jié)反饋的客觀的故障后果和故障頻率信息等。完成故障模式分析后，需要綜合評價故障頻率和故障后果，利用故障嚴重程度和故障風(fēng)險推理方法，推理計算設(shè)備風(fēng)險等級。

（1）故障模式分析。①系統(tǒng)邊界劃分。明確工務(wù)、電務(wù)和供電等專業(yè)需要進行維修管理的設(shè)備設(shè)施及其功能屬性，只有明確了系統(tǒng)邊界，才能有效進行設(shè)備可靠性分析和維修管理。②設(shè)備功能定義。列出設(shè)備具備的功能屬性，從而為每個功能屬性故障模式的確定提供基礎(chǔ)。③危險因素識別。尋找可能造成人員傷害、環(huán)境污染、運營損失和維修成本增加的因素。④故障模式影響分析。確定設(shè)備的故障模式、故障原因，以及可能對安全、環(huán)境、運營和維修成本帶來的影響。

（2）風(fēng)險等級計算。①故障頻率計算。故障頻率的計算需要綜合考慮設(shè)備實績統(tǒng)計故障頻率、管理情況和設(shè)備特性，并通過修正因子對故障頻率進行修正。修正因子應(yīng)考慮鐵路天窗管理、績效考核、檢修班組、檢修設(shè)備配備、培訓(xùn)措施等管理因素，以及設(shè)備的供貨商、生產(chǎn)工藝、安裝質(zhì)量、運行環(huán)境、使用強度等差異。②故障后果計算。故障后果包括故障的安全、環(huán)境、生產(chǎn)損失和維修成本的后果，每種后果都可以分為嚴重、一般和輕微，需要利用故障嚴重程度推理方法來推理計算設(shè)備故障后果的嚴重程度。嚴重程度推理方法的推理原則是首先判斷安全和環(huán)境因素，只要安全后果或環(huán)境后果有一個是嚴重，則不需要再判斷生產(chǎn)損失和維修成本，故障整體后果計算結(jié)果為嚴重；在安全和環(huán)境后果不嚴重的情況下，再判斷生產(chǎn)損失后果和故障維修成本后果，按規(guī)則推理得出故障整體后果。③故障風(fēng)險分析。獲得故障后果的嚴重程度之后，還需利用故障風(fēng)險推理方法推理計算故障模式風(fēng)險等級。故障模式風(fēng)險等級分為高、中、低3類。④設(shè)備風(fēng)險等級。設(shè)備風(fēng)險等級取設(shè)備所有的故障模式風(fēng)險等級之中最大值。

2.2 維修優(yōu)化

維修優(yōu)化包括維修方式優(yōu)化和維修計劃優(yōu)化。

（1）維修方式優(yōu)化。根據(jù)定量化風(fēng)險分析得到設(shè)備的動態(tài)風(fēng)險等級，利用可靠性維修方式邏輯決策方法，給出最優(yōu)的維修方式?？煽啃跃S修方式邏輯決策方法首先判斷該設(shè)備的風(fēng)險等級，如果設(shè)備風(fēng)險等級為低風(fēng)險，則推薦事后維修，待設(shè)備故障后再維修[10-11]；如果設(shè)備風(fēng)險等級為中等風(fēng)險或高風(fēng)險，并且設(shè)備狀態(tài)容易利用鐵路高速綜合檢測列車等先進設(shè)備進行檢測和監(jiān)測，則推薦狀態(tài)維修，通過設(shè)備故障預(yù)測、狀態(tài)診斷分析等方法對將要發(fā)生的設(shè)備故障進行預(yù)警[12]，并安排維修工區(qū)進行針對性的專門維修；如果無法有效監(jiān)控高風(fēng)險等級設(shè)備的狀態(tài)，在故障率不斷增加的情況下可以選擇計劃維修，否則需要重新設(shè)計或更換設(shè)備。

（2）維修計劃優(yōu)化。通過求解設(shè)備可靠性目標函數(shù)[13-15]的方法確定最優(yōu)的計劃維修周期，從而優(yōu)化維修計劃。基于可靠性的維修計劃優(yōu)化目標函數(shù)定義為

式中：C 為設(shè)備整體維修管理成本；Ci為設(shè)備所包含的第 i 個部件的維修成本；Ri為第 i 個部件的可靠性；n 為設(shè)備包含的部件個數(shù)；Rs為設(shè)備的可靠性，首先計算部件可靠性，然后利用可靠性框圖 (RBD) 分析方法，用設(shè)備與部件間可靠性關(guān)系公式計算出設(shè)備的可靠性 Rs(Ri)；Rg為期望的設(shè)備可靠性；Ri,min為第 i 個部件的最小可靠性，Ri,max為第 i 個部件的最大可靠性。

通過公式⑵描述的優(yōu)化過程可以得到滿足條件的 Rg，即

式中：t 為自變量，指設(shè)備的整體運行時間；t*為合適的維修或更換時間點；ms代表設(shè)備的平均故障間隔時間 (Mean Time Between Failures，MTBF)。通過求解目標函數(shù)，可以獲得最優(yōu)化的維修或更換時間 ，從而為維修計劃輔助優(yōu)化決策提供定量化的支持。

2.3 檢修管理

鐵路工務(wù)、電務(wù)、供電專業(yè)的檢修工作直接決定維修計劃執(zhí)行質(zhì)量和檢修數(shù)據(jù)的準確性。為成功實施可靠性維修管理過程，必須對人工檢修工作加強管理。檢修管理主要包括檢修任務(wù)下發(fā)、檢修過程監(jiān)控和檢修結(jié)果采集3個部分。檢修管理人員根據(jù)維修方式和維修計劃，結(jié)合狀態(tài)檢測、監(jiān)測信息分析結(jié)果，規(guī)劃最優(yōu)檢修路線并制定檢修任務(wù)；為保證檢修任務(wù)能夠得到正確的執(zhí)行，需要采用信息化等手段對檢修過程進行嚴格的監(jiān)控管理；檢修結(jié)果采集是指將檢修過程中記錄的設(shè)備檢查信息進行準確的收集和規(guī)范化的存儲，為績效分析提供依據(jù)。

2.4 績效分析

績效分析環(huán)節(jié)包括作業(yè)量統(tǒng)計、故障分析、故障后果分析，并計算故障頻率、故障趨勢、MTBF、平均故障修復(fù)時間 (Mean Time To Repair, MTTR)、故障后果等參數(shù)。鐵路可靠性維修管理是一個動態(tài)執(zhí)行的過程，績效分析結(jié)果可以用來評價可靠性維修管理過程產(chǎn)生的維修方式和優(yōu)化的維修計劃的有效性和合理性，同時又可為維修管理部門實施正負激勵管理手段提供支持。

3　鐵路可靠性維修管理信息系統(tǒng)構(gòu)建

鐵路可靠性維修管理過程優(yōu)化需要信息系統(tǒng)作為支撐。信息系統(tǒng)可以為人工風(fēng)險分析提供全面必要的可視化信息，能夠輔助完成可靠性維修管理過程中的一些統(tǒng)計、計算、推理和分析，同時還可以提高檢修管理效率、維修計劃執(zhí)行質(zhì)量和采集檢修數(shù)據(jù)的準確性。

3.1 鐵路可靠性維修管理信息系統(tǒng)功能設(shè)計

根據(jù)鐵路可靠性維修管理過程有效實施的信息化需求，將鐵路可靠性維修管理信息系統(tǒng)分為信息平臺、監(jiān)控中心、智能維修輔助決策和移動智能檢修終端 4 個子系統(tǒng)。工務(wù)、電務(wù)和供電等專業(yè)在段、車間和工區(qū)可以用瀏覽器訪問部署在鐵路局應(yīng)用服務(wù)器上的信息平臺和智能維修輔助決策子系統(tǒng)；鐵路局數(shù)據(jù)服務(wù)器需要接入并存儲外部檢測、監(jiān)測系統(tǒng)及相應(yīng)數(shù)據(jù)分析、挖掘和診斷系統(tǒng)的設(shè)備參數(shù)、故障預(yù)測、狀態(tài)診斷和報警等信息，并為未來新增系統(tǒng)預(yù)留接口。鐵路可靠性維修管理信息系統(tǒng)的功能設(shè)計如下。

（1）信息平臺：設(shè)備基本信息管理，設(shè)備部件管理，檢修任務(wù)生成，缺陷類別管理，檢修結(jié)果查詢，設(shè)備參數(shù)檢測結(jié)果統(tǒng)計，維修人員管理，維修任務(wù)管理，設(shè)備狀態(tài)檢測、監(jiān)測信息采集，缺陷統(tǒng)計，故障預(yù)測信息采集，診斷報警信息采集，設(shè)備預(yù)警信息顯示，設(shè)備狀態(tài)查看等。

（2）監(jiān)控中心：線路地圖顯示、設(shè)備狀態(tài)顯示、檢修班組位置顯示、天窗維修上下線審批、檢修狀態(tài)監(jiān)視、指揮調(diào)度等。

（3）移動檢修終端：工具檢查、維修任務(wù)下載、檢修路徑提示、設(shè)備檢修步驟及標準提示、檢測參數(shù)輸入、缺陷記錄、事件記錄、缺陷記錄消除、維修作業(yè)登銷記管理、上下線維修作業(yè)申請、檢修結(jié)果上傳、實時 GPS 定位等。

（4）智能維修輔助決策：檢修電子記錄、作業(yè)情況統(tǒng)計 (包括天窗兌現(xiàn)情況統(tǒng)計、作業(yè)量統(tǒng)計、到位情況統(tǒng)計)、故障分析 (包括故障趨勢分析、故障預(yù)測、故障數(shù)量占比分析)，故障頻率計算、修正因子數(shù)值配置、故障風(fēng)險等級計算、設(shè)備風(fēng)險等級計算、危險因素管理、故障嚴重程度推理知識庫管理、故障風(fēng)險推理知識庫管理、維修方式邏輯決策、維修計劃優(yōu)化、MTBF 和 MTTR 計算等。

3.2 基于鐵路可靠性維修管理信息系統(tǒng)的標準化檢修管理

利用鐵路可靠性維修管理信息系統(tǒng)進行檢修管理工作時，檢修管理人員在信息平臺子系統(tǒng)上規(guī)劃最優(yōu)檢修路線并制定檢修任務(wù)；檢修工作人員將當日檢修任務(wù)下載到移動智能檢修終端，參考最優(yōu)檢修路徑步行或乘車到現(xiàn)場，根據(jù)智能檢修終端的標準化作業(yè)提示進行檢修工作；檢修過程中管理人員利用監(jiān)控中心子系統(tǒng)實時監(jiān)控檢修人員的位置信息和作業(yè)過程狀態(tài)信息，對維修作業(yè)過程進行調(diào)度指揮，為維修計劃的規(guī)范化、標準化執(zhí)行提供監(jiān)控手段；檢修完成后，檢修人員將檢修數(shù)據(jù)上傳至信息平臺子系統(tǒng)，軟件自動采集、統(tǒng)計并存儲檢修結(jié)果信息，為智能維修輔助決策子系統(tǒng)的天窗兌現(xiàn)情況統(tǒng)計、作業(yè)量統(tǒng)計、故障趨勢分析、維修方式輔助決策、維修計劃優(yōu)化和關(guān)鍵指標績效分析等功能提供數(shù)據(jù)支持。

3.3 基于鐵路可靠性維修管理信息系統(tǒng)的績效分析

績效分析環(huán)節(jié)中的故障分析包括故障趨勢分析、故障預(yù)測和故障數(shù)量占比分析。其中，故障趨勢分析可利用一元線性回歸分析方法，分析鐵路沿線的某個工務(wù)、電務(wù)或供電維修車間某段時間某類或全部設(shè)備的故障趨勢；如果故障趨勢為下降，則該單位將會取得更好的績效考核結(jié)果。故障預(yù)測根據(jù)某個維修工區(qū)特定類型設(shè)備的歷史故障統(tǒng)計情況，利用基于一元回歸預(yù)測、灰色預(yù)測和加權(quán)移動平均預(yù)測的組合預(yù)測方法[16]，預(yù)測未來一個周期特定維修部門特定設(shè)備的故障數(shù)量，為整體維修計劃的調(diào)整和下一階段重點維修工作的布置提供依據(jù)。

4　結(jié)束語

鐵路可靠性維修管理過程優(yōu)化考慮了設(shè)備故障帶來的環(huán)境、安全、運營損失、維修成本等因素的影響，能夠更好地實現(xiàn)定量化的數(shù)據(jù)分析和智能維修管理輔助決策。而鐵路可靠性維修管理信息系統(tǒng)可以對檢修執(zhí)行過程進行有效監(jiān)管，對于提高鐵路基礎(chǔ)設(shè)施維修管理過程的科學(xué)化、標準化、信息化和規(guī)范化具有重要意義。

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責任編輯：劉 新

Study on Optimization of Reliability-Centered Railway Maintenance Management Process

This paper expounds the process of general reliability-centered maintenance management, and puts forward 4 steps to optimize reliability-centered railway maintenance including risk analysis, maintenance optimization, maintenance management and performance analysis, during which the influence of equipment faults on environment, safety, operation loss and maintenance cost is completely considered, and which adapts to characteristics of railway industry management. Based on above, the paper puts forward the framework of reliability-centered railway maintenance management information system, which is composed of 4 sub-systems including information platform, supervision center, intelligent maintenance decision and intelligent mobile maintenance terminal, and analyzes the process of standardized maintenance management and performance analysis which are based on the system.

Reliability-Centered Maintenance; Maintenance Optimization; Maintenance Plan; Maintenance Mode

1003-1421(2016)04-0073-05

U216

B

10.16668/j.cnki.issn.1003-1421.2016.04.16

2015-11-22

中國鐵路總公司科技研究開發(fā)計劃課題(2014X007-D，2015X004-A)