以可靠性為中心的維修方法及其在隧道中的應用

王景春，房思思，李曉萌，張偉

（1.石家莊鐵道大學土木工程學院，石家莊050043；2.石家莊鐵道大學大型結(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峻復雜，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行。而目前傳統(tǒng)的維修方法常導致大量人員和資源浪費，這給工程結(jié)構(gòu)的維修帶來巨大的經(jīng)濟損失。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)注預防、監(jiān)測和避免失敗的后果。第三時段的維修從20世紀70年代左右開始，改變了對當時的失敗模式的認識。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防性維護”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，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，并制定出預防維修大綱從而達到優(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)展提供科學的指導方法。其在概念及應用上與傳統(tǒng)維護方法存在顯著差異，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，只能進行事后修復(BM)和定期維護(TBM)；如果能在設(shè)備狀態(tài)和變化趨勢上實現(xiàn)監(jiān)測或定期檢測，便可以實施狀態(tài)維修(CBM)；如果已知故障的概率和后果，則可以使用RCM，同時掌握故障機制和故障的初始原因，即可以主動去修理，進行根治維修(RM)。

三、隧道維修現(xiàn)狀

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

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)過一定時期的運行后，需要對其進行維修和養(yǎng)護，然而現(xiàn)有的維修方式大多采用對故障進行逐一排查后再進行修復的模式，這種維修方式效率較低，而且隧道一旦發(fā)生故障，將會被迫停止運行或?qū)е赂鼑乐氐暮蠊?。鑒于這些原因，一個新的運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

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

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

2013年，廈門市的一場暴雨導致了梧村隧道發(fā)生洪水，這次災害造成了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，都帶來了嚴重的經(jīng)濟損失甚至人身傷害。造成這些損失的原因不單是自然災害，設(shè)備無法良好運行、預防及應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)備的良好維護對隧道的正常運行發(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)品的預定報廢，以及在一定年限之后進行的改善和維護。這種方法基本上是被動的，沒有針對性的維護。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)生破壞的地方進行維修，而不是進行定期的系統(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)驗和設(shè)備使用壽命進行單一定期維修，這樣沒有考慮到設(shè)備實際運行情況。然而改進的維護也并不具有針對性，沒有考慮到監(jiān)控系統(tǒng)使用條件和實際情況，僅僅依靠傳統(tǒng)的經(jīng)驗。該方法不能有效避免損失，而且未能識別出隱蔽故障，需要花費很長的時間去檢查和維護。當系統(tǒng)發(fā)生不能避免的功能性缺陷，甚至很嚴重的故障后果時，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行詳細的描述。要做到這一點，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重程度依次進行分類和排序，根據(jù)排序結(jié)果決定是否采取預防措施以及采取何種預防措施來對付故障。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

在進行隧道RCM分析時，首先要識別故障模式，然后對其可靠性進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機分析為例進行闡述。

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)風機在隧道內(nèi)的運行情況，該風機在運行的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)該風機的故障率符合指數(shù)分布規(guī)律，

那么它的可靠度為：

式（3）中，f(t)為風機故障率分布函數(shù)；λ為風機在一定時間內(nèi)發(fā)生故障的次數(shù)；t為風機運行時間。

如果該風機的可靠度要求達到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，如果風機的可靠度要求達到80%，那么風機檢修周期應該保持在167 h左右。將該風機運行時間與隧道監(jiān)控平臺對接，在達到此檢修周期時，系統(tǒng)會自動提示工作人員進行隧道維修。

五、隧道引入RCM的應用和效益

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用，包括設(shè)備維修費、設(shè)備報廢和再采購費，以及人事費。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，這樣減少了日常項目維修需要的經(jīng)費，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)定運行，防止因隧道故障導致的特殊故障或自然災害造成的經(jīng)濟損失或人身傷害[14]。RCM的引入使隧道可以正常運行，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，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?！蔽恼峦ㄟ^對隧道設(shè)備進行故障模式和可靠性分析，得到當設(shè)備風機可靠性達到一定程度時所需要的維修周期，在這個周期內(nèi)進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，當隧道引入RCM對設(shè)備故障進行分析后，可通過具體情況制定出最優(yōu)維修策略確保隧道正常運行，給公民營造了一定程度的安全感，經(jīng)濟損失也明顯下降。

表2 優(yōu)化維修前后總費用對比

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。它的實用、科學、專業(yè)、高效的特點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)狀和實際工程中遇到的問題，創(chuàng)新性地將可靠性理念運用其中，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的高效性和實用性將有更大的發(fā)展空間。

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