李新節(jié)

摘要：針對(duì)當(dāng)前鐵路信號(hào)設(shè)備維修過程中的維修不足和過剩維修等情況，運(yùn)用以可靠性為中心的維修策略，建立數(shù)據(jù)模型和定量分析的方法，對(duì)重點(diǎn)設(shè)備維修工作間隔周期進(jìn)行確定，從而提高設(shè)備可靠性，實(shí)現(xiàn)提高設(shè)備維修費(fèi)用可控、運(yùn)行可靠的目的。

關(guān)鍵詞：可靠性；維修；周期；模型

鐵路信號(hào)設(shè)備作為鐵路的神經(jīng)系統(tǒng)，是確保鐵路運(yùn)輸安全的關(guān)鍵設(shè)備，如果發(fā)生故障，造成鐵路運(yùn)行中斷并可能帶來難以估量的損失。進(jìn)行科學(xué)合理的維護(hù)和維修，很大程度上可以保證設(shè)備在有效使用期限內(nèi)，盡可能少的發(fā)生故障并處于穩(wěn)定的工作狀態(tài)。以可靠性為中心的維修(Reliability Centered Maintenance, RCM)是國際上較為先進(jìn)的維修方法，全面系統(tǒng)的處理設(shè)備的整體功能以及功能喪失原因，綜合設(shè)備的故障影響以及故障模式等信息，而且結(jié)合定性分析和定量分析的一種維修管理模式。在軍事領(lǐng)域、航空航天領(lǐng)域、核工業(yè)領(lǐng)域等高精尖領(lǐng)域都有著廣泛的運(yùn)用，并取得了顯著的效果。相對(duì)于這些領(lǐng)域，鐵路行業(yè)尤其是在在鐵路信號(hào)設(shè)備的管理領(lǐng)域，RCM的研究還廣泛的運(yùn)用甚至處于嘗試階段。

1RCM理論基礎(chǔ)及實(shí)施過程

1.1RCM理論基礎(chǔ)

首先，RCM注重設(shè)備由設(shè)計(jì)原因帶來的可靠性和安全性。在設(shè)備設(shè)計(jì)和開發(fā)階段，設(shè)備自有的可靠性與安全性已經(jīng)確定和形成，依靠后期的維護(hù)和維修可以維持這些特性但提高起來就很困難。如果在設(shè)備使用當(dāng)中，其原有的可靠性、安全性不能滿足使用要求，只能通過再設(shè)計(jì)和重新開發(fā)的途徑改變這種情況。

其次，對(duì)應(yīng)設(shè)備發(fā)生的不同故障和造成的相應(yīng)后果，必須采取不同的維修策略。將故障造成后果的嚴(yán)重程度進(jìn)行預(yù)防性維修決策的主要參照依據(jù)。在設(shè)備的使用當(dāng)中，故障發(fā)生是難以估計(jì)和很難避免的，但是各種故障引起的損失和影響后果差別很大，根據(jù)這些差別，應(yīng)該針對(duì)會(huì)帶來較大損失和嚴(yán)重后果的故障進(jìn)行預(yù)防性維修。

第三，設(shè)備的故障發(fā)生的時(shí)間及概率難以預(yù)料，在實(shí)際維修工作中需要采取不同策略并注意掌握維修時(shí)機(jī)。對(duì)已經(jīng)掌握其損壞故障規(guī)律的設(shè)備，可以制定周期性維修計(jì)劃進(jìn)行定期拆換，以避免發(fā)生功能故障或引起多次故障；而對(duì)于難以掌握其損壞規(guī)律的設(shè)備，如機(jī)械地進(jìn)行定期維修和周期性更換，則會(huì)對(duì)設(shè)備造成一定危害，通過檢測(cè)、點(diǎn)檢等方式掌握設(shè)備狀態(tài)適時(shí)進(jìn)行維修更為合理。

最后，在進(jìn)行預(yù)防性維修時(shí)，不同的維修類型所消耗的資源、產(chǎn)生的費(fèi)用和維修難度和深度往往不盡相同，甚至差異很大。因此說，采用切實(shí)可行和有效可靠地維修策略，不但能夠保證設(shè)備的安全性和可靠性，還可以提高維修效果、減少維修資源占用和維修成本的投入。

1.2RCM的實(shí)施過程

進(jìn)行以可靠性為中心的維修之前，如果要確保維修分析的準(zhǔn)確性和科學(xué)性，應(yīng)當(dāng)盡可能詳細(xì)和全面的掌握包括設(shè)備概況在內(nèi)的相關(guān)信息，主要包括：

設(shè)備整體情況，如設(shè)備的構(gòu)成、主要性能和技術(shù)能力等。已出現(xiàn)過故障信息，如設(shè)備的故障種類、發(fā)生原因、故障機(jī)率、故障分析以及功能故障的時(shí)點(diǎn)、功能性故障和潛在故障的監(jiān)測(cè)手段等。設(shè)備的維護(hù)維修資源信息，如可供使用的維修設(shè)備器械、維修配件以及維修人員構(gòu)成等。維修成本信息，包括設(shè)備維修預(yù)算，可供投入的維修資金等。設(shè)備設(shè)計(jì)和生產(chǎn)廠家提供的設(shè)備維修手冊(cè)、保養(yǎng)手冊(cè)等技術(shù)資料等。

實(shí)施RCM分析的過程如下：

第一步，依據(jù)日本乘數(shù)法、“構(gòu)造樹”方法、Fuzzy聚類方法和模糊綜合評(píng)判等設(shè)備重要性評(píng)價(jià)方法進(jìn)行評(píng)價(jià)，確定關(guān)鍵設(shè)備。

第二步，進(jìn)行設(shè)備的故障模式及影響程度分析。就是對(duì)選定的具有重要功能設(shè)備作故障模式及故障影響分析（Failure Mode and Effect Analysis，F(xiàn)MEA）。

第三步，依據(jù)RCM邏輯判斷圖決策預(yù)防性維修模式。對(duì)于重要功能設(shè)備的所有故障起因都要嚴(yán)格按RCM邏輯判斷圖進(jìn)行分析和判斷，形成對(duì)應(yīng)此故障起因的預(yù)防性維修措施與維修周期。

最后，進(jìn)行信息的綜合梳理和系統(tǒng)分析，形成維修決策方案。要提高提高設(shè)備維修的工作效率，就要不同維修周期的維修任務(wù)進(jìn)行整理和組合在一起，盡管得到的維修頻率可能會(huì)高于實(shí)際，但維修效率提高、停機(jī)時(shí)間減少等所節(jié)省的費(fèi)用往往大于所維修所增加的費(fèi)用。

2RCM在鐵路信號(hào)設(shè)備維修應(yīng)用

我國的鐵路信號(hào)設(shè)備在維修體制上以事后維修和計(jì)劃維修為主的，在檢修方式上，一般采用故障檢修、預(yù)防檢修和狀態(tài)修等幾種維修方式，這些檢修體制和檢修方式存在著維修不及時(shí)和維修過剩等弊端。

RCM作為國際上應(yīng)用廣泛的用于分析設(shè)備預(yù)防性維修需要，改進(jìn)維修策略的系統(tǒng)性工程決策方法，該方法依據(jù)設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)，運(yùn)用實(shí)時(shí)設(shè)備監(jiān)控手段、可靠性評(píng)測(cè)及壽命預(yù)測(cè)手段，來確定設(shè)備所處的運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)，提前預(yù)估設(shè)備故障的征兆，對(duì)故障部位及嚴(yán)重程度、趨勢(shì)作出診斷，并根據(jù)診斷結(jié)果制定維修決策。RCM主要解決的核心問題有三個(gè)：維修內(nèi)容，維修方法和維修周期。本文主要研究的是維修周期的確定問題。

2.1維修周期模型分析

RCM分析過程中選擇設(shè)備維修周期存在大量的不確定因素。針對(duì)可能帶來安全方面后果、任務(wù)方面后果的故障預(yù)防性維修周期，牽涉到維修任務(wù)完成后可否將故障幾率降到能夠接受的技術(shù)狀態(tài)。維修周期過長，發(fā)生故障的概率就越高，設(shè)備突發(fā)安全故障或甚至中斷運(yùn)行的概率就越大；反之維修周期過短，又會(huì)導(dǎo)致預(yù)防性維修次數(shù)增加，設(shè)備的可用度降低，發(fā)生的預(yù)防性維修費(fèi)用增多。

在RCM的七種不同維修工作類型中，保養(yǎng)周期往往需要依據(jù)設(shè)備設(shè)計(jì)參數(shù)進(jìn)行確定。對(duì)于一般的點(diǎn)檢等維護(hù)任務(wù)占用時(shí)間短、發(fā)生費(fèi)用較少，可以再日常維保計(jì)劃中進(jìn)行安排，不用單獨(dú)制定相應(yīng)的工維修周期。綜合性維修工作周期需要參考相關(guān)維修工作類型的周期綜合決定。所以，需要特別制定的預(yù)防性維修周期包括兩種：一種是可用度檢查和設(shè)備功能檢定；一種是周期設(shè)備報(bào)廢和按時(shí)零部件拆修。endprint

2.2RCM模型的分類

RCM模型根據(jù)維修工作類型、決策目的和復(fù)雜程度等方面RCM模型進(jìn)行劃分，其中根據(jù)維修工作類型可以分為：定時(shí)更換模型，功能檢測(cè)模型，使用檢査模型。根據(jù)決策目的可以分為：費(fèi)用模型，可用度模型，風(fēng)險(xiǎn)模型。根據(jù)復(fù)雜程度劃分：單部件模型，復(fù)雜系統(tǒng)模型。

考慮到維修體制和檢修方式，本文建立了基于不同維修決策目標(biāo)的定時(shí)更換模型，再分為以費(fèi)用為目的的和以可用度為目的的定時(shí)更換模型。考慮信號(hào)設(shè)備的相關(guān)數(shù)據(jù)信息不全，本文參照日常維修數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)假設(shè)，并利用Matlab編程計(jì)算兩種RCM模型的維修周期。絕大部分鐵路信號(hào)設(shè)備，都是供企業(yè)長期使用的，這個(gè)時(shí)間對(duì)于維修周期和維修過程時(shí)間而言要長的多，在劃分時(shí)間的基礎(chǔ)時(shí)，確定為無限使用時(shí)限。

2.3定時(shí)更換模型

我們可以看出，RCM的維修方案關(guān)于預(yù)防這一過程，涉及到按時(shí)對(duì)設(shè)備進(jìn)行修復(fù)和按時(shí)報(bào)廢兩項(xiàng)工作，兩者相關(guān)的模型建立實(shí)則是相同的。按照維修實(shí)踐，將其分為工齡更換和成組更換。

對(duì)個(gè)別設(shè)備進(jìn)行事前研究，根據(jù)其使用的狀況進(jìn)行按時(shí)定期的更換，也就是無論是設(shè)備涉及到的單獨(dú)的部件還是設(shè)備本身只要到了更換周期（包括未發(fā)生故障的設(shè)備），就要根據(jù)使用周期T規(guī)定的時(shí)間段開展更換工作，假如沒有在規(guī)定更換周期就發(fā)生了故障的設(shè)備，就采取用新品替代或者修復(fù)的方式。這種更換手段叫做工齡更換也可以稱為個(gè)別定時(shí)更換。

通常以大量設(shè)備投入到工作生產(chǎn)中起，根據(jù)相應(yīng)的更換周期，對(duì)其進(jìn)行更新?lián)Q代，也就是，在經(jīng)過了更換的周期間T，需要對(duì)投入的所有同類設(shè)備進(jìn)行更換來作為成組更換的定義，也可以稱其為全部定時(shí)更換，即使少數(shù)設(shè)備在此周期內(nèi)因發(fā)生故障更換過，到達(dá)更新時(shí)刻T時(shí)也一起更新。

在設(shè)備的維修過程中，使用周期的更迭需要圍繞T來進(jìn)行，或者在發(fā)生意外事故后來開展更換工作。其要求開展定期的維護(hù)工作，維護(hù)的內(nèi)容主要包括更新?lián)Q代和修復(fù)再利用。

使用周期的更換主要適用于某些時(shí)間的期限長度與故障率成正比的設(shè)備。但是采用這種方式必須要求做好使用周期的相關(guān)登記工作，并且事前需要周密的部署，所以對(duì)于該方法的實(shí)行其實(shí)是由難度的。

建立使用周期更迭的模型主要的要求是：要結(jié)合數(shù)學(xué)模型的使用才能明確設(shè)備更換的期間T，致使更換的過程不會(huì)影響工作質(zhì)量，還能達(dá)到預(yù)計(jì)的效果。

假設(shè)數(shù)據(jù)和相關(guān)參數(shù)：

（1）每個(gè)工齡T進(jìn)行更換，如在工齡期間發(fā)上故障則進(jìn)行故障更換，時(shí)間T為常數(shù)；

（2）Cf：每次發(fā)生事故的總的成本費(fèi)用，主要由設(shè)備的更新?lián)Q代的費(fèi)用和設(shè)備停止運(yùn)作所流失的收益構(gòu)成；

（3）Cp：每次使用周期更迭所發(fā)生的費(fèi)用總和，主要由前期預(yù)防手段所發(fā)生的費(fèi)用和設(shè)備停止運(yùn)作所流失的收益構(gòu)成；

（4）C(T)：以間隔期T進(jìn)行工齡更換時(shí)，長期使用下的單位時(shí)間的費(fèi)用；

（5）A(T)：以間隔期T進(jìn)行工齡更換時(shí)，長期使用下的平均可用度；

（6）D(T,t)：以間隔期T進(jìn)行工齡更換時(shí)，在間隔時(shí)間[0,t]內(nèi)的期望停運(yùn)時(shí)間；

（7）Tp：預(yù)防性更換所需的平均時(shí)間；

（8）Tf：故障更換所需的平均時(shí)間；

（9）Pf(t)：以間隔期T進(jìn)行工齡更換時(shí)，在任意時(shí)刻之前設(shè)備的故障風(fēng)險(xiǎn)；

（10）F(t)、R(t)、f(t)：設(shè)備初次故障時(shí)間累積分布函數(shù)、可靠度函數(shù)和故障密度函數(shù)，其中，當(dāng)時(shí)表示設(shè)備處于新狀態(tài)。

3以費(fèi)用為目的定時(shí)更換模型

以節(jié)約成本為出發(fā)點(diǎn)按時(shí)更換數(shù)據(jù)模型應(yīng)該以探析適當(dāng)?shù)氖褂弥芷赥為主要方向，在使用期間內(nèi)相關(guān)的期望值最低，用表示。

根據(jù)更新過程的基本理論，長期使用下，設(shè)備的平均費(fèi)用表示為：

（3-1）

更新周期內(nèi)總的期望費(fèi)用=預(yù)防性更換的費(fèi)用×預(yù)防性更換的概率+故障更換的費(fèi)用×故障更換的概率=CpR(t)+CfF(t) （3-2）

期望更新周期長度=平均預(yù)防性更換周期長度×預(yù)防性更換的概率+平均故障更換周期長度×故障更換的概率= （3-3）

如果Tp和Tf相對(duì)于T來說很小，在費(fèi)用模型中可以忽略不計(jì)。此時(shí)期望更新周期長度變?yōu)?。通過是單位時(shí)間的期望費(fèi)用最低來求最佳的工齡更換周期T：

（3-4）

在上面的方程式中，假如，就表示設(shè)備的使用周期還沒有進(jìn)行更換，其產(chǎn)生的成本費(fèi)用都是停止作業(yè)所導(dǎo)致的。這時(shí)，R(t)→0，相關(guān)單位時(shí)間的費(fèi)用可以用下列式子表示

（3-5）

式4-5是計(jì)算單個(gè)部件不進(jìn)行任何預(yù)防性維修，只做故障更換時(shí)單位時(shí)間所需費(fèi)用的普通模型。

一般情況，我們采用分析探討的方法求出T值致使C(T)的數(shù)值最小是很困難的，然而如果使用搜尋T的可行范圍從而計(jì)算出相關(guān)數(shù)值其實(shí)是最便捷的通道。

舉例：假設(shè)設(shè)備的故障時(shí)間服從α=2,β=100天的威布爾分布，R(t)=exp[-(t/100)2]。設(shè)Cp=8000元，Cf=16000元，Tp=1天，Tp=2天。

通過RCM的運(yùn)行過程中需要解決下面幾個(gè)問題：以經(jīng)濟(jì)的發(fā)展情形來看更換使用周期這一手段是否有效。假如采用此方案，應(yīng)該設(shè)定其最佳的上限為長。在以前的RCM應(yīng)用中，以上因素一般是靠日常經(jīng)驗(yàn)作出，然而建模的途徑更加科學(xué)、準(zhǔn)確。

根據(jù)式子4-5可以得到一定期限內(nèi)使用主體所發(fā)生的費(fèi)用，假如不在單位周期內(nèi)進(jìn)行更換，就能得出每天C(∞)=176.56元。

在Matlab中進(jìn)行編程，得到不同的T值，由式4-4可以算出C(T)的值，見表1。

從表1和可以看出，當(dāng)時(shí)80≤t≤160時(shí)，C(T)

所以，從節(jié)約成本這方面來說，設(shè)備的試用期間的更迭是有效方案，并且最適合的更換間隔時(shí)間為T=100天。