徐春華

(中車青島四方機車車輛股份有限公司， 山東青島 266111)

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軌道車輛運營維護費用分析優(yōu)化研究

徐春華

(中車青島四方機車車輛股份有限公司， 山東青島 266111)

軌道車輛的運營維護費用在其全壽命周期費用中所占的比例非常高，運營維護費用的優(yōu)化可以有效降低軌道車輛的全壽命周期費用，本文提出了識別影響軌道車輛運營維護費用因素的主要方法，介紹了如何使用UNIFE-LCC模型計算軌道車輛的運營維護費用，并以高速動車組的某些關鍵系統(tǒng)為例，講解了如何以計算結(jié)果為基礎分析得到影響運營維護費用的主要費用項及敏感性因素。

鐵路運輸； 全壽命周期費用； 運營維護費用； 優(yōu)化； 敏感性分析

軌道車輛產(chǎn)品的全壽命周期費用(Life Cycle Cost，LCC)是指產(chǎn)品在其整個壽命周期中的全部費用的總和[1]。目前軌道交通行業(yè)普遍使用的LCC計算模型是由歐洲鐵路工業(yè)協(xié)會(UNIFE)提出的UNIFE-LCC模型。該模型不僅適用于軌道車輛產(chǎn)品，還適用于整個軌道車輛運營系統(tǒng)，其將產(chǎn)品的全壽命周期費用分解為投資費用、年度費用和運營維護費用3大部分[2]，如圖1所示。

圖1 UNIFE-LCC模型

其中年度費用主要是指軌道車輛運營系統(tǒng)相關的每年固定支出的費用，與軌道車輛產(chǎn)品本身無關。因此對于軌道車輛產(chǎn)品而言，其全壽命周期費用由投資費用和運營維護費用兩部分組成。據(jù)統(tǒng)計，軌道車輛的投資費用是其全壽命周期費用(LCC)的12%～34%，而運營維護費用占其全壽命周期費用(LCC)的66%～88%[3]。相比投資費用而言，運營維護費用不像投資費用那樣相對固定，而是具有較大的波動性，因此也具有更大的優(yōu)化空間；同時由于其占比較高，因此成為了軌道車輛全壽命周期費用優(yōu)化的首選對象。運營維護費用指軌道車輛在運用過程中所花費的運營維護總費用，由運營費用和維護費用構(gòu)成，當規(guī)定了運營條件之后，運營費用較為固定，而不同的維護策略則會導致維護費用產(chǎn)生較大的變化。因此，本文中主要給出車輛在運營階段的維護費用的分析和優(yōu)化方法。

1 運營維護費用分析和優(yōu)化

運營維護費用分析和優(yōu)化的具體過程如圖2所示。

圖2 運營維護費用分析和優(yōu)化過程

進行運營維護費用分析和優(yōu)化首先需要進行運營維護費用計算，其次需要進行運營維護費用分析，確定在運營維護費用中占比較高的費用項；最后需要進行敏度分析，確定哪些因素的變化對運營維護費用影響最大，然后給出相應的分析結(jié)論，為運營維護費用的優(yōu)化提出相應的建議。

1.1 運營維護費用計算

為方便分析人員使用UNIFE-LCC模型進行LCC的計算，UNIFE提供了相應的LCC計算工具——UNILIFE，UNILIFE是微軟電子表格格式的軟件，當輸入相關數(shù)據(jù)后，可實現(xiàn)自動計算結(jié)果的功能[4]。

文中所研究的分析對象主要是指軌道車輛在運營階段的維護費用，UNIFE-LCC模型中維護費用的構(gòu)成及計算方法如式(1)～式(3)所示。

(1)

(2)

(3)

式中CM為軌道車輛在運營階段的維護費用；CPM為軌道車輛在運營階段的預防維修費用；CCM為軌道車輛在運營階段的修復維修費用；CPM,MH為預防維修的工時費用；CPM,Mat.為預防維修的材料費用；CCM,MH為修復維修的工時費用；CCM,Mat.為修復維修的材料費用。

1.1.1 預防維修費用的計算

軌道車輛的預防維修費用由所有零部件的每次預防維修的工時費和材料費構(gòu)成，單個零部件在對應修程的預防維修工時費用和材料費用如式(4)～式(5)所示：

(4)

(5)

式中ncomp.j為一列動車組中該零部件的數(shù)量；nPM,i為在全壽命周期中，一個修程的實施次數(shù)；MPM,i為單次預防維修所需的工時；CMH為單位工時費；CMat.為單次預防維修時所需的耗材費用。

1.1.2 修復維修費用的計算

軌道車輛的修復維修費用由所有零部件的每次修復維修的工時費和材料費構(gòu)成，單個零部件每次修復維修工時費用和材料費用如式(6)～(7)所示：

(6)

(7)

式中M1st/2nd為單次修復維修時1/2線(1st/2nd Line)所需的維修工時；M3rd為單次修復維修時3線(3rd Line)所需的維修工時；t為該零部件年平均運行時間(h)；E為修復維修時該零部件需在線更換的概率；CMat.為單次修復維修時所需的耗材費用；Crepair為單次修復維修時所需的備件費用或修復故障件的費用,L為一個周期生命。

1.2 LCC分析和優(yōu)化

1.2.1 預防維修費用分析優(yōu)化

由式(4)和式(5)可知，預防維修費用主要由預防維修任務的實施次數(shù)和每次實施預防維修任務時所花費的人力和材料費用決定。不同修程的間隔周期決定了各預防維修任務的實施次數(shù)，因此預防維修費用分析優(yōu)化的主要目的就是確定各級修程的費用在預防維修費用中所占的比例，找到費用花費較多的修程，進而確定主要影響因素。

以某型高速動車組的制動系統(tǒng)為例，假設該型動車組的壽命周期為30年，每年運行50萬km，則該型車的制動系統(tǒng)的預防維修費用分析結(jié)果見表1。

表1 預防維修費用分析表

注：表1中數(shù)據(jù)僅為示例，不代表真實數(shù)值。

由表1可知，該型車制動系統(tǒng)的各級修程中費用排名前3的分別為五級修、四級修和二級修。由表1可知，四級修和五級修的總費用和材料總費用的排名均靠前，但是人力費用卻低于二級修；二級修的費用排名第3，但是人力費用卻最高。

影響預防維修費用的因素為：單次工時費用、單次材料費用，以及維修次數(shù)，因此可以通過以下幾種方式進行預防維修費用的優(yōu)化：

(1) 優(yōu)化單次維修所需的工時和材料以降低單次維修費用；

(2) 適當延長修程的間隔里程(即減少維修次數(shù))；

(3) 通過技術(shù)改進將部分低級修程的工作內(nèi)容延長至高級修程中實施。

以表1所示的計算結(jié)果為例，說明以上3種優(yōu)化方式。

(1) 優(yōu)化單次維修所需的工時和材料

由表1可知，四級修和五級修的總費用靠前，且單次材料費用靠前，而單次維修工時費用也僅次于排名第1的二級修，因此可以通過優(yōu)化單次費用來優(yōu)化維修總費用。假設四級修和五級修的單次工時費用和單次材料費用均可以優(yōu)化10%，則四級修和五級修維修總費用的優(yōu)化結(jié)果分別如表2和表3所示。

表2 四級修維修總費用的優(yōu)化結(jié)果

表3 五級修維修總費用的優(yōu)化結(jié)果

由表2可知，當四級修的維修費用降低10%時，總預防維修費用的降幅為0.86%。

由表3可知，當五級修的維修費用降低10%時，總預防維修費用的降幅可達6.37%。

(2) 適當延長修程的間隔里程(即減少維修次數(shù))

由表1可知，一級修總費用盡管排名靠后，但是其維修次數(shù)卻排名第1；二級修總費用排名第3，但其維修次數(shù)卻排名第2；因此可以通過適當延長修程的間隔里程(即減少維修次數(shù))來優(yōu)化維修總費用。假設一級修和二級修的維修間隔里程均可以延長50%，則一級修和二級修維修總費用的優(yōu)化結(jié)果分別如表4和表5所示。

表4 一級修維修總費用的優(yōu)化結(jié)果

表5 二級修維修總費用的優(yōu)化結(jié)果

由表4可知，當一級修的維修間隔里程延長50%時，總預防維修費用的降幅為1.73%。

由表5可知，當二級修的維修間隔里程延長50%時，總預防維修費用的降幅為2.93%。

(3) 通過技術(shù)改進將較低修程中的部分工作內(nèi)容延長至較高修程中實施

整體延長修程的間隔里程需要大規(guī)模的技術(shù)改進，當技術(shù)只有部分改進，且不足以完全支撐延長修程時，可以考慮將較低修程的部分維修內(nèi)容延長至高級修程中，其實這是在減少較低修程中的某些維修任務的次數(shù)。以二級修為例，假設二級修中包括100項維修任務，當前的技術(shù)條件只能將其中的20項任務延長至三級修，其實就是將這20項維修任務的次數(shù)由499次降至12次。也就是說，當前的技術(shù)不足以支撐將二級修程完全延長至三級修，也就是將二級修程中所包含的全部維修任務的維修次數(shù)完全降至12次，但是通過調(diào)整部分維修任務至三級修程，也可以降低維修費用。這種方法其實更符合實際情況。

需要注意的是，LCC計算和分析能夠給出各項措施的有效性，給出費用優(yōu)化的可行性，但在實際實施的過程中，還需考慮當前技術(shù)的限制，產(chǎn)品的可靠性，考慮LCC計算分析所給出措施的可行性，只有進行綜合權(quán)衡才能更好的對費用進行優(yōu)化。

1.2.2 修復維修費用分析

由式(6)和式(7)可知，修復維修費用主要由修復維修任務的實施次數(shù)和每次實施修復維修任務時所花費的人力和材料費用決定。各級系統(tǒng)(或零部件)的數(shù)量及失效率水平?jīng)Q定了各修復維修任務的實施次數(shù)，因此修復維修費用分析優(yōu)化的主要目的就是確定各級系統(tǒng)(或零部件)的費用在修復維修費用中所占的比例，找到費用花費較多的系統(tǒng)(或零部件)，進而確定主要影響因素。以某型高速動車組高壓供電系統(tǒng)為例，其修復維修費用詳細分析結(jié)果見表6。

表6 高壓供電系統(tǒng)修復維修費用分析表

注：上表中數(shù)據(jù)僅為示例，不代表真實數(shù)值。

由表6可知，高壓供電系統(tǒng)中修復維修費用較高的零部件是受電弓和高壓隔離開關，進一步分析可知修復維修的材料費用是最主要的費用項。

可以通過以下幾種方式進行修復維修費用的優(yōu)化：

(1) 優(yōu)化單次維修所需的工時和材料以降低單次維修費用；

(2) 提高零部件的可靠性水平以減少修復維修任務的實施次數(shù)；

(3) 如果零部件的失效率存在隨時間增大而增大的特性，可以適當縮短其預防維修間隔以提高可靠性；

(4) 如果零部件失效前存在特點的故障征兆，可以增加適當?shù)囊暻榫S修或進行狀態(tài)監(jiān)測以提高可靠性。

此外，在確定優(yōu)化改進措施時，還應注意產(chǎn)品中零部件數(shù)量對修復維修次數(shù)的影響，雖然有些單個零部件的失效率可能比其他零部件低很多，當其數(shù)量較多時也會導致維修次數(shù)的迅速增加而產(chǎn)生較高的維修費用。

1.2.3 運營維護費用分析優(yōu)化

費用分析優(yōu)化的最終目的是在滿足產(chǎn)品功能、性能指標的前提下使軌道車輛產(chǎn)品具有較低的運營維護費用。運營維護費用分析優(yōu)化的主要目的是分析預防維修費用和修復維修費用在整個運營維護費用中所占的比例，在其中找到最佳的平衡點，從而實現(xiàn)最低的運營維護費用。

如前所述，軌道車輛產(chǎn)品的維修方式對其實際運用中的可靠性水平有著直接的影響，因此產(chǎn)品的預防維修費用和修復維修費用之間存在相互影響、相互制約的關系。在理想的情況下，軌道車輛應具有較低的修復維修費用和適當?shù)念A防維修費用。國內(nèi)外的很多的工程應用已經(jīng)表明，通過對維修規(guī)程的適當調(diào)整，特別是當系統(tǒng)的失效率隨時間增大而增大時，適當?shù)目s短預防維修周期，可以在小幅增加預防維修費用的條件下，大幅降低修復維修的費用，從而達到運營維護費用最低的目標。

1.2.4 敏度分析

進行敏度分析的主要目的就是確定哪些因素的變動會使系統(tǒng)的運營維護費用有較大的波動，從而為運營維護費用的優(yōu)化措施的制定提供參考。

敏度分析的流程如圖3所示。

圖3 敏度分析的流程

進行敏度分析時，首先需要識別影響所分析費用的主要因素，然后需要根據(jù)實際情況來確定這些因素可能的變動范圍，最后結(jié)合識別出來的主要因素以及相應的變動范圍逐個對主要因素進行擾動分析，通過這些因素的變動對系統(tǒng)的運營維護費用的影響程度，確定出敏度最大的因素。

進行敏度分析時，最常采用的是單因素方法，具體方法如式(8)～式(10)所示。

(8)

(9)

(10)

式中COSTM,O為原始的運營維護費用；COSTM,i為第i個因素變動時的運營維護費用；αi為第i個因素變動的百分比；Δi為由第i個因素變動時引發(fā)的運營維護費用變動的百分比。

以某型高速動車組的車輛設備檢修為例，其檢修工時的敏度分析結(jié)果如表7所示。

表7 車輛設備檢修工時敏度分析結(jié)果

注：上表中數(shù)據(jù)僅為示例，不代表真實數(shù)值。

由表7可見，如果將一級修時、二級修時車輛設備檢修的工時分別減少1.2人時和12.4人時就可分別將運營維護費用降低0.51%和0.82%；而對于五級修而言，減少404.8人時的工作量僅可將運營維護費用降低0.24%。因此，在確定優(yōu)化措施時，可以優(yōu)先考慮一、二級修的檢修工時。

2 結(jié) 論

對產(chǎn)品的運營維護費用進行分析和優(yōu)化，首先需要計算得到運營維護費用，然后對其進行分析得到在運營維護費用中占比較大的具體費用項點，針對這些占比較大的費用項點確定可能的影響因素并進行敏度分析，進而確定可有效降低系統(tǒng)的運營維護費用的敏感因素，為確定切實有效的優(yōu)化措施指明方向。

此外，敏度分析還可以用于確認當前模型中所涉及到的各個數(shù)據(jù)的精度是否滿足要求，如果當前某些輸入數(shù)據(jù)的微小波動都會導致運營維護費用的巨大變化，則應將這些輸入數(shù)據(jù)作為關鍵的輸入?yún)?shù)，必要時應進一步提高這些數(shù)據(jù)的精度要求；若當前某些輸入數(shù)據(jù)的變動只會導致運營維護費用產(chǎn)生微小的變化，則可以適當降低這些數(shù)據(jù)的精度要求，以節(jié)省費用。

[1] IEC 60300-3-3．Dependability management-Part 3-3: Application guide-Life cycle costing[S].

[2] 董錫明．軌道列車可靠性、可用性、維修性和安全性[M]．北京：中國鐵道出版社，2009.

[3] 董錫明．高速列車維修及其保障技術(shù)[M]．北京：中國鐵道出版社，2008.

[4] 王永生，徐桂紅．基于UNIFE模型的鐵路電氣產(chǎn)品LCC分析的應用研究[J]．鐵道機車車輛，2014，34(4)：98-102.

Research of Operation and Maintenance Cost Analysis and Optimization of Rolling Stocks

XUChunhua

(CRRC Qingdao Sifang Co., Ltd., Qingdao 266111 Shandong, China)

The operation and maintenance cost of rolling stocks makes a considerable proportion in its life cycle cost (LCC). And LCC can be effectively reduced by the optimization of operation and maintenance cost. The main method to identify the influence factors of operation and maintenance cost of rolling stocks is put forward in this paper. Using the UNIFE-LCC model calculation method for the operation and maintenance cost is introduced in this paper. The method to determine the main cost items and its sensitive factors which influence the operation and maintenance costs is described and illustrated by some cases of the high speed EMU train.

railway transportation; LCC; operation and maintenance cost; optimize; sensitivity analysis

??)女，高級工程師(

2016-05-03)

1008-7842 (2016) 05-0093-05

U279.2

A

10.3969/j.issn.1008-7842.2016.05.21