基于可靠性維修的地鐵車輛修程修制改革分析

張仕華

（成都中車四方軌道車輛有限公司，四川 成都 610100）

0 前言

地鐵車輛架修需要開展車輛重要部件的分解、檢查、清洗、探傷、修理，同時(shí)開展地鐵車輛的全面檢測(cè)、試驗(yàn)、維修，以此保證地鐵車輛的綜合性能滿足標(biāo)準(zhǔn)。結(jié)合實(shí)際調(diào)研可以發(fā)現(xiàn)，地鐵車輛架修會(huì)受到車輛技術(shù)類型因素、維修流程因素、人力因素、運(yùn)營(yíng)因素、設(shè)施設(shè)備因素、物料供應(yīng)因素、外部因素的直接影響，這類影響都需要在地鐵車輛修程修制改革中得到體現(xiàn)。

1 地鐵車輛架修方式及維修周期

為了深入地了解地鐵車輛修程修制，該節(jié)將圍繞地鐵車輛的架修方式分類、架修方式特點(diǎn)、架修維修影響因素、修程修制現(xiàn)狀4個(gè)方面進(jìn)行深入地分析，以此為后續(xù)研究奠定基礎(chǔ)。

1.1 架修方式分類

地鐵車輛架修需要兼顧維修與保養(yǎng)，同時(shí)以預(yù)防性修理為主，地鐵車輛運(yùn)行的可靠性和安全性能夠得到保障，先期破壞的可能性也能夠隨之降低?；诰S修能力、部件維修方式、部件維修地點(diǎn)、車輛架修組織方式，可以將地鐵車輛架修方式劃分為分修制、合修制、分散修、集中修、換件修、原件修、委外修以及自主修[1]。

1.2 架修方式特點(diǎn)

合修制存在較高的一次性投入和較大的場(chǎng)地需求，如保障維修質(zhì)量、降低維修成本、集中設(shè)施與人才資源等；分修制能夠減少架修停時(shí)及轉(zhuǎn)線時(shí)間，可以較好地保證維修質(zhì)量，但是可能導(dǎo)致重復(fù)投資問題；分散修無(wú)需長(zhǎng)途運(yùn)輸，能夠節(jié)約時(shí)間、提升檢修效率及靈活性，但是可能導(dǎo)致重復(fù)投資的問題；集中修能夠較好地實(shí)現(xiàn)專業(yè)人才集中，在專業(yè)設(shè)施利用、維修效率提高、重復(fù)投資規(guī)避方面表現(xiàn)出色，但是需要較大的設(shè)施投資；原件修能夠降低維修耗費(fèi)，適用于沒有備件的情況；換件修能夠快速、及時(shí)地滿足維修要求，對(duì)維修人員和維修級(jí)別的技能要求不高，在節(jié)省人力、保證質(zhì)量、縮短修理停時(shí)方面表現(xiàn)出色；自主修有利于把控架修進(jìn)度，且能夠不斷地提升員工的維修水平，但是同時(shí)存在較高的維修成本；委外修能夠有效地降低維修成本，充分利用外部資源[2]。

1.3 架修維修影響因素

地鐵車輛架修維修會(huì)受到多方面因素的影響，架修維修能力是其中的代表。地鐵車輛的架修維修能力可以細(xì)分為有效能力和設(shè)計(jì)能力，有效能力指的是車輛技術(shù)差異、車輛質(zhì)量因素、設(shè)備維修、個(gè)人時(shí)間在設(shè)計(jì)能力扣除下導(dǎo)致的維修能力降低，設(shè)計(jì)能力是指地鐵車輛在理想狀態(tài)下所能夠完成的架修數(shù)量。受到維修深度、地鐵車輛技術(shù)類型等因素的影響，設(shè)計(jì)能力一般大于有效能力，但是受到人員缺勤、設(shè)備故障等因素影響，有效能力一般大出實(shí)際產(chǎn)出。通過進(jìn)一步分析，維修流程、運(yùn)營(yíng)因素、物料供應(yīng)因素、車輛技術(shù)類型因素、設(shè)施設(shè)備因素、人力因素以及外部因素等都會(huì)給地鐵車輛架修維修帶來(lái)影響，這種影響會(huì)在架修維修能力中直觀地體現(xiàn)。以維修流程為例，地鐵車輛的維修能力直接受到維修效率的影響，維修效率高低則直接由維修流程的決定。在地鐵車輛的架修維修過程中，維修效率為標(biāo)準(zhǔn)及生產(chǎn)工時(shí)的比值，前者指的是地鐵車輛架修需要的平均耗時(shí)，屬于正常生產(chǎn)下需要的成本及時(shí)間，后者是指實(shí)際需要的特定維修生產(chǎn)耗時(shí)，屬于實(shí)際投入維修的成本及時(shí)間。生產(chǎn)速度的穩(wěn)定性直接受到維修效率高低的影響，通過優(yōu)化架修維修流程并且提高維修質(zhì)量，地鐵車輛的架修維修能力就可以有效地提升，圖1為設(shè)備故障率浴盆曲線，地鐵車輛設(shè)備的故障率變化基本遵循該曲線，由此可以進(jìn)行針對(duì)性的地鐵車輛架修維修。

1.4 現(xiàn)狀分析

以北京地鐵為例，其車輛架修選擇分修制，設(shè)置的架修周期為26萬(wàn)km～30萬(wàn)km以及24 d的庫(kù)停時(shí)間；上海地鐵采用分修制的車輛架修，設(shè)置有運(yùn)營(yíng)5 a或50萬(wàn)km的架修周期以及25 d的庫(kù)停時(shí)間；廣州地鐵采用分修制的車輛架修，設(shè)置有運(yùn)營(yíng)6 a或52萬(wàn)km～75萬(wàn)km的架修周期，以及30 d的庫(kù)停時(shí)間；南京地鐵采用委外修與合修制的車輛架修，設(shè)置有運(yùn)營(yíng)5 a或50萬(wàn)km～60萬(wàn)km的架修周期，以及28 d的庫(kù)停時(shí)間[3]。

2 基于可靠性維修的地鐵車輛修程修制改革路徑

2.1 架修維修流程改革路徑

為了直觀地展示地鐵車輛架修維修流程改革路徑，該節(jié)將圍繞架修維修模塊化設(shè)計(jì)、架修維修流程優(yōu)化模型以及案例分析3個(gè)方面進(jìn)行深入探討。

2.1.1 架修維修模塊化設(shè)計(jì)

圖1為地鐵車輛架修流程示意圖，結(jié)合該圖可以將地鐵車輛架修細(xì)分為6個(gè)部分，包括車輛的分解清洗、轉(zhuǎn)向架輪對(duì)系統(tǒng)檢修、檢修電氣系統(tǒng)、檢修制動(dòng)系統(tǒng)、檢修車門內(nèi)裝系統(tǒng)、靜態(tài)和動(dòng)態(tài)調(diào)試。

圖1 地鐵車輛架修流程示意圖

在基于可靠性維修的地鐵車輛架修流程改革中，需要基于于“七步作業(yè)法”開展地鐵車輛系統(tǒng)的可靠性分析，選定的維修模塊涉及維修工時(shí)、維修內(nèi)容、維修人員、工器具、維修周期、維修條件、備配備件，具體包括以下7個(gè)步驟：1）關(guān)鍵設(shè)備選擇。需要針對(duì)性地確定架修維修模塊的工位數(shù)及名稱。2）關(guān)鍵設(shè)備性能及功能指標(biāo)確定。需完成維修內(nèi)容的初選。3）確定所有合理功能故障。選定維修工器具、診斷工具。4）完成可最可信維修模式及后果確定。維修內(nèi)容明確。5）有效和可行維修策略選擇。維修條件確定。6）計(jì)劃制定和策略實(shí)施。確定維修的工時(shí)、人員、備品備件。7）維修策略優(yōu)化及效果評(píng)價(jià)開展。維修周期確定[4]。

將架修維修模塊細(xì)分為標(biāo)準(zhǔn)模塊和可變模塊，標(biāo)準(zhǔn)模塊指的是僅能單獨(dú)開展維修操作的工藝、架修維修中空調(diào)拆解等必不可少的工藝?？勺兡K指的是可以不修或少修的工藝以及可以同時(shí)與其他工藝一起維修的工藝。

2.1.2 架修維修流程優(yōu)化模型

對(duì)于存在維修時(shí)間約束的各模塊來(lái)說，模塊間同時(shí)存在互斥約束和裙帶約束，因此架修維修流程優(yōu)化模型的建設(shè)不能簡(jiǎn)單地對(duì)所有架修工序、工藝進(jìn)行拆分、組合，而是需要在明確各類維修的特殊維修條件和基本信息基礎(chǔ)上，完成模塊重組模型的建設(shè)，同時(shí)完成維修模塊組合的最佳求解，地鐵車輛架修的需要。地鐵車輛的運(yùn)行的可靠性和安全性也能夠得到保障?；谔嵘罔F車輛利用效率和維修人員工作效率確定目標(biāo)函數(shù)，由于二者存在一定的正相關(guān)性，在劃分地鐵車輛架修工藝維修模塊的過程中，基于不同模塊工作內(nèi)容，對(duì)維修人員數(shù)量進(jìn)行精編，工作效率提升將順利實(shí)現(xiàn)，由此開展的目標(biāo)函數(shù)構(gòu)建主要依據(jù)為地鐵車輛利用效率提升，即架修過程中地鐵車輛庫(kù)停時(shí)間的縮短，基于最少庫(kù)停時(shí)間的目標(biāo)函數(shù)模型如公式（1）和公式 （2）所示。

式中：N、M、T分別為車輛架修工位總數(shù)、車輛架修維修模塊總數(shù)、架修維修中每天維修人員的標(biāo)準(zhǔn)工時(shí)；i、j分別為車輛架修工藝（第i個(gè)）、車輛架修維修模塊（第j個(gè)）；分別為每個(gè)工位標(biāo)準(zhǔn)模塊在車輛架修維修工藝中的維修總時(shí)間、車輛架修維修模塊（第j個(gè)）維修工作量、車輛架修維修可變模塊（第j個(gè)）維修工作量、車輛架修維修工藝（第i個(gè)）維修工作總量上限；xij=0、xij=1分別為架修維修工藝（第i個(gè)）與架修維修模塊（第j個(gè)）不在、在同一時(shí)間進(jìn)行，j1、j2代表架修工藝中的2個(gè)工藝。深入分析上述模型可以發(fā)現(xiàn)，該模型存在3個(gè)約束條件，包括工作量約束（每個(gè)架修工位）、同一個(gè)架修工位中2個(gè)模塊是否可以同時(shí)進(jìn)行、2個(gè)模塊必須在不同時(shí)間或不同的架修工位進(jìn)行。在模型的求解中，該文采用模擬退火算法作為隨機(jī)的搜索算法，該算法具備魯棒性強(qiáng)、通用、簡(jiǎn)單以及并行處理效果顯著等優(yōu)勢(shì)，在復(fù)雜的非線性優(yōu)化問題求解中有出色表現(xiàn)[5]。

2.1.3 案例分析

以某地鐵維修公司為例，該公司擁有工位12個(gè)，基于針對(duì)性的跟蹤統(tǒng)計(jì)，將該公司的車輛架修工藝細(xì)分為標(biāo)準(zhǔn)模塊和可變模塊，數(shù)量分別為22個(gè)、32個(gè)，同時(shí)存在50 h的標(biāo)準(zhǔn)模塊維修總時(shí)間，表2為可變模塊維修時(shí)間。

表 2 可變模塊維修時(shí)間

案例中模型求解采用模擬退火算法，N、M、T、Wi分別為12、32、5 h、24 人，Bt、由現(xiàn)場(chǎng)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)決定，K取0.95，初始溫度T、終止溫度t分別設(shè)置為10000 ℃、10-12℃。通過求解能夠得到最優(yōu)解23，這說明優(yōu)化地鐵車輛架修流程后，存在23 d的車輛架修庫(kù)停時(shí)間。

2.2 架修維修周期改革路徑

為了直觀地展示架修維修周期改革路徑，該文將圍繞關(guān)鍵部件選擇與特征分析、架修維修周期優(yōu)化模型、案例分析3個(gè)方面進(jìn)行深入探討。

2.2.1 關(guān)鍵部件選擇與特征分析

在地鐵車輛部件的分類過程中，可以采用ABC分類法和層次分析法，準(zhǔn)則指標(biāo)包括故障率、維修費(fèi)用、運(yùn)營(yíng)服務(wù)性、運(yùn)營(yíng)安全性，然后確定車輛部件對(duì)準(zhǔn)則的權(quán)重，這一環(huán)節(jié)ABC分類法，加權(quán)權(quán)重計(jì)算可基于層次分析法確定，最終ABC分類可基于車輛部件的加權(quán)權(quán)重開展，架修維修中車輛部件的針對(duì)性將大幅提升。

在選擇地鐵車輛的關(guān)鍵部件過程中，以設(shè)備部件的關(guān)鍵性為目標(biāo)層，以故障率、維修費(fèi)用、運(yùn)營(yíng)服務(wù)性、運(yùn)營(yíng)安全性為準(zhǔn)則層，以設(shè)備部件為方案層，具體的權(quán)重計(jì)算公式如公式（3）所示。

結(jié)合矩陣A∶A（Aj）4×4（i，j=1，2，3，4），即可完成權(quán)重計(jì)算，其中aij數(shù)值為1、3、5、7、9，分別代表存在同等重要的2個(gè)影響因素、存在稍微重要的1個(gè)影響因素、存在比較重要的1個(gè)影響因素、存在非常重要的1個(gè)影響因素、存在極其重要的1個(gè)影響因素，2、4、6、8則代表處于上述相鄰情況之間的影響因素，每個(gè)影響因素對(duì)目標(biāo)層的權(quán)重可以由此計(jì)算得出，進(jìn)一步引入ABC分類法，可得到表3所示的ABC分類結(jié)果。

表3 ABC分類結(jié)果

通過對(duì)每個(gè)參與分類部件關(guān)鍵性的權(quán)重計(jì)算，由高到低排序權(quán)重，關(guān)鍵部件即可通過ABC分類順利獲取。以某地鐵檢修公司為例，統(tǒng)計(jì)該公司的車輛部件維修費(fèi)用、故障統(tǒng)計(jì)等基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，采用該文方法進(jìn)行針對(duì)性分類，可以得到ABC分類權(quán)重分配及判斷依據(jù)詳情表，見表4。

表4 ABC分類權(quán)重分配及判斷依據(jù)詳情表

基于具體數(shù)據(jù)，可得到表5所示的車輛部件分類結(jié)果。

表5 車輛部件分類結(jié)果

2.2.2 架修維修周期優(yōu)化模型

為了判定設(shè)備部件可靠狀態(tài)，需要結(jié)合《國(guó)家城市軌道交通運(yùn)營(yíng)突發(fā)事件應(yīng)急預(yù)案》的相關(guān)要求，明確地鐵車輛不可靠狀態(tài)、次可靠狀態(tài)、可靠狀態(tài)，分別為0.09次/萬(wàn)列公里以下的導(dǎo)致車輛退出服務(wù)部件故障率、小于等于0.1次且大于0.09次/萬(wàn)列公里、大于0.1次/萬(wàn)列公里，其中不可靠狀態(tài)屬于不可接受的可靠性。在架修維修周期優(yōu)化模型的建設(shè)中，考慮到較多的地鐵車輛部件種類一一統(tǒng)計(jì)的工作量過大，因此該研究只是圍繞影響地鐵車輛運(yùn)行可靠性較大的關(guān)鍵部件開展，以此為架修修程的最佳維修周期確定提供依據(jù)。在具體的優(yōu)化過程中，優(yōu)化需要以安全可靠的部件運(yùn)營(yíng)為前提，以此實(shí)現(xiàn)維修周期延長(zhǎng)和維持成本控制。因此需要以可靠性維修為約束條件，優(yōu)化目標(biāo)為架修周期內(nèi)地鐵車輛安全運(yùn)營(yíng)最低平均維修費(fèi)用，以此建立模型?？紤]到在架修庫(kù)或修理廠的拆解維修會(huì)直接影響地鐵運(yùn)營(yíng)，因此需要設(shè)法兼顧維修人工成本、維修材料成本、架修停機(jī)時(shí)間損失，由此可得到地鐵車輛關(guān)鍵部件架修周期優(yōu)化模型如公式（4）所示。

式中：C（L）、R（l）分別為一次架修流程中地鐵車輛單位安全運(yùn)營(yíng)里程總成本、關(guān)鍵部件可靠度函數(shù)；ca、cd、cr分別為單次架修維修總費(fèi)用、庫(kù)停維修時(shí)間產(chǎn)生的損失費(fèi)用、進(jìn)入架修前地鐵車輛的部件維修單次費(fèi)用，其中cd包括水電費(fèi)、租賃費(fèi)等，ca包括了維修材料費(fèi)、分工成本和委外維保費(fèi)用等。L、R（L）、Re分別為架修維修周期決策變量、關(guān)鍵部件在L運(yùn)營(yíng)里程時(shí)的可靠度、關(guān)鍵部件可靠度要求下限，f（l）、dl分別為關(guān)鍵部件故障概率密度函數(shù)、可靠運(yùn)營(yíng)里程（單個(gè)架修周期內(nèi)）。為了確定模型參數(shù)，需要對(duì)地鐵車輛架修流程記錄數(shù)據(jù)進(jìn)行收集和分析，以此開展數(shù)理統(tǒng)計(jì)及針對(duì)性的分布檢驗(yàn)，主要的分布函數(shù)、對(duì)應(yīng)的壽命分布類型、相應(yīng)的參數(shù)即可確定。還應(yīng)該結(jié)合員工工資維修消耗、維修記錄賬單等統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，獲得維修材料相關(guān)費(fèi)用數(shù)據(jù)，結(jié)合可靠度的約束條件進(jìn)行模型求解，地鐵車輛架修維修的最佳里程周期即可順利求得?；诘罔F車輛架修維修的最佳里程周期，地鐵車輛的可靠安全運(yùn)行能夠得到保障，維修成本節(jié)約可以同時(shí)兼顧，地鐵車輛架修維修經(jīng)濟(jì)性與部件可靠性的合理優(yōu)化平衡點(diǎn)能夠順利獲得。

2.2.3 案例分析

為了提升研究的價(jià)值，以某地鐵維修公司統(tǒng)計(jì)的已完成架修工作為研究對(duì)象，共涉及地鐵車輛61列，分別統(tǒng)計(jì)進(jìn)入標(biāo)準(zhǔn)架修作業(yè)里程的地鐵車輛關(guān)鍵部件至實(shí)際執(zhí)行架修作業(yè)時(shí)里程范圍內(nèi)的故障情況，同時(shí)統(tǒng)計(jì)和分析地鐵車輛架修流程中的具體故障情況，選擇萬(wàn)公里故障率作為可靠性分析指標(biāo)，故障頻數(shù)與走行公里數(shù)的比值即為故障率，“次/萬(wàn)公里”為故障率的單位。對(duì)故障率走勢(shì)進(jìn)行分析可以得出地鐵車輛部件安全可靠運(yùn)營(yíng)里程范圍minL，如公式（5）所示。

基于公式（5），可確定存在[0，70.2]的安全可靠運(yùn)營(yíng)里程范圍。在對(duì)案例中61列地鐵車輛的統(tǒng)計(jì)中，走行公里數(shù)在75萬(wàn)km以上的有7列，在75萬(wàn)km以內(nèi)的有54列。進(jìn)一步統(tǒng)計(jì)進(jìn)入架修期的地鐵車輛走行里程數(shù)據(jù)，取0.05為置信度，基于計(jì)算得到的1.2738結(jié)果（威布爾分布檢驗(yàn)統(tǒng)計(jì)量），可以確定分布檢驗(yàn)條件得到滿足，因此61列地鐵車輛存在服從威布爾分布規(guī)律的部件故障率。進(jìn)一步進(jìn)行計(jì)算，可以得到地鐵車輛部件的可靠度函數(shù)和故障概率密度函數(shù)，如公式（6）和公式（7）所示。

在具體計(jì)算中，ca、cd、cr分別取2200000、5300、520000，m、Re、η分別取6.6、0.85、581128.553。在架修周期優(yōu)化模型中帶入相關(guān)參數(shù)，具體求解采用MATLAB數(shù)學(xué)工具，最終可以得到如圖2所示的維修費(fèi)用與架修周期對(duì)應(yīng)關(guān)系。

基于圖2進(jìn)行分析可以發(fā)現(xiàn)，能夠得到66.5×104km的地鐵車輛最佳架修維修周期，此時(shí)開展架修能夠得到最經(jīng)濟(jì)的效果。但是由于地鐵車輛運(yùn)營(yíng)中基于架修任務(wù)的固定運(yùn)營(yíng)里程控制存在較高難度，因此該文建議以[65×104，68×104km]為架修周期，這不僅能夠控制地鐵車輛架修維修費(fèi)用，同時(shí)能夠保證地鐵車輛始終在可靠、安全的范圍內(nèi)運(yùn)營(yíng)，地鐵車輛的架修周期也能夠有效延長(zhǎng)，較好地規(guī)避了維修資源浪費(fèi)等問題。

圖2 維修費(fèi)用與架修周期對(duì)應(yīng)關(guān)系

3 結(jié)論

綜上所述，基于可靠性維修的地鐵車輛修程修制改革具有較高的現(xiàn)實(shí)意義。在此基礎(chǔ)上，該文涉及的架修維修模塊化設(shè)計(jì)、架修維修流程優(yōu)化模型、關(guān)鍵部件選擇與特征分析、架修維修周期優(yōu)化模型等內(nèi)容，則提供了可行性較高的地鐵車輛修程修制改革路徑。為了更好地優(yōu)化地鐵車輛修程修制，車輛架修修精益化生產(chǎn)等精益管理思想的引入、智能化診斷及監(jiān)測(cè)技術(shù)的應(yīng)用同樣需要得到相關(guān)業(yè)內(nèi)人士的重視。