铁路远程状态监控的寿命周期成本分析

何 军，王 烈

(1.北京交通大学 经济管理学院，北京 100044；2.中国铁道科学研究院 铁道科学技术研究发展中心，北京 100081)

铁路远程状态监控的寿命周期成本分析

何 军1，王 烈2

(1.北京交通大学 经济管理学院，北京 100044；2.中国铁道科学研究院 铁道科学技术研究发展中心，北京 100081)

在铁路基础设施方面，远程状态监控通过采用预测维修对系统状态持续地或阶段性地进行评估，以提高点制动器的可靠性。通过对远程状态监控的寿命周期成本分析，提出铁路远程状态监控寿命周期成本的一般模型，寿命周期成本在铁路远程状态监控中的应用可以为投资决策和提供高质量的铁路运输服务。

远程状态监控；寿命周期成本；制动器

1 远程状态监控及其应用

采用远程状态监控 (RCM) 是减少点制动器故障造成的列车延误的重要手段。RCM 的前期应用主要是通过预测维修而不是故障检修提高点制动器的可靠性，有利于铁路资产的可靠性、可用性、可维修性和安全性 (RAMS)。因此，采用 RCM 这项新技术的寿命周期成本 (LCC) 分析十分重要。

随着远程遥测电子、计算机和通信技术的进步，RCM通过监控一个或更多的静态和/或动态参数，对系统状态持续地或阶段性地进行评估，远程状态监控系统如图1所示。

在铁路基础设施方面，RCM 的应用主要有两种途径：①通过带宽将远程遥测和已有的通信基础设施结合起来；②引进独立的通信管道。 RCM 分为直接监控和间接监控。直接监控发生在系统状态能由信号来直接进行检测或系统信号受控制时；间接监控发生在系统状态不能由信号来直接获取或轮轨的测量信号在铁路道口冲撞时[1]。

制动器故障可能导致延误和惩罚成本。RCM需要记录继电器控制信号和温度，以及来自每个制动器的驱动力和电流信号。每个故障模式的发生数量、发生概率、延误时间，通过 RCM 可检测的故障比例的估计值、及时检测的概率和故障预防概率得到体现[2-3]。

制动器故障模式一般包括驱动连杆调整不当(OOA)、对向道岔锁闭器调整不当 (FPLOOA)、滑床板故障、微动开关故障、滑床板阻塞/污染、检查杆调整不当、熔合不良、继电器不良、接触不良、电机电刷故障、拉伸杆/系杆故障、检测装置故障、螺栓故障、换向器故障、断流器复位故障、驱动杆故障、检测杆故障、加热器故障、电缆故障等[4]。

可检测的故障比例的估计值P (FRCM) 见公式⑴；检测到的总概率P (D) 见公式⑵；综合效率 η 见公式⑶[5]。

式中：m 为故障模式的总数量；fk为故障模式 k 的比例；xk，Nk，P(Q)k，P(P) 分别为故障模式 k 的关于RCM 的潜在监测能力的二进制变量、发生数量、及时检测的概率及- 故障预防的总概率。资产故障率见公式⑷；每故障的平均延误分钟 见公式⑸。

式中：Y 为总成本；上标 T 为总年数；yi是分解为第i 项的成本；λ 为净现值向量。

对于 RCM，选择 n=4 比较合理 (投资：i=1；运行：i=2；惩罚：i=3；维护：i=4)[8]。用 aij代表单位成本cij发生的次数，可以得出 A=[a1,…,a4]及C=[c1,…,c4]，这里 ai和 ci是长度为5的一维数列，ai=[ai1,…,ai5]，ci=[ci1,…,ci5]。对于所有的 i 和 j，aij≥0；cij的负值表示成本，正值表示和没有采用 RCM 的情况作对比引起的成本节省[9]。开发成本和投资成本在此归并到一起作为 RCM 中的投资成本；运营和支持成本作为运行 RCM 的成本、惩罚成本的节省和维护成本的节省。寿命周期成本正负符号不确定。除了后面要定义的，A 中代表元素的值的正负号或者是一致的 (即相关成本都发生了)，或者是零 (相关成本都没有发生)。这一点是寿命周期成本模型和其他的一般模型所不同的[10]。

2.2.1 RCM 的投资成本

投资成本 (前期的购置成本) c1，包括资本成本c11、安装成本 c12、政府审批成本 c13、前期的培训成本 c14、电力成本和通信成本 c15[11]。c1所包含的因素如果非零，就全为负值。

2.2.2 RCM的运营成本

运营 (运行) 成本 c2是电力和通信成本及技术管理过程成本，包括电力和通信成本 c21(c21= c15)、技术管理过程成本 c22、年度维修成本c23、RCM 的每一故障额外修理成本 c24，c25=0。

损失成本是虚假警报率[12]和 RCM 故障额外维

式中：dk为由故障模式 k 所引起的延误时间 (以min计)；T 为数据收集的总年数。

2 寿命周期成本及其在铁路 RCM 中的应用

2.1 寿命周期成本

理论上，寿命周期成本是产品或工程设计、开发、建造、使用、维修和报废等过程中发生的费用，即该项工程在其确定的寿命周期内或在预定的有效期内所需支付的研究开发费、制造安装费、运行维修费、报废回收费等费用的总和[6]。

对寿命周期成本的投资评估主要包括4项成本：道德风险成本、投资成本、维护和运行成本、延误成本 (有时称为递延生产成本)。寿命周期成本包括直接和间接的初始成本加上运行和维护的定期成本或连续成本[7]。

国际电工委员会 (IEC) 提出把寿命周期成本细分为两类：①投资成本 (购置成本)，即在运行之前发生的初始成本。由于投资成本发生在第1年 (基年)，因此没有必要求其折现值。②拥有成本或运行的保障成本，例如运营成本、维修成本 (不是重置成本)，需要将其折现为现值。

2.2 寿命周期成本在铁路 RCM 中的应用

假设财产税、增值税、通货膨胀等保持不变，而且都包含在年度折现率里；由企业提供投资 (不通过借贷)，因此所有者权益比率为 1。标准的寿命周期成本模型可以表达如下：修成本的乘积。同样被纳入考虑范围的还有维护成本、不定期维修成本和每分钟延误成本。同样，c2的所有元素如果非零，就都为负。

2.2.3 惩罚成本节省

根据方程式(6)，将会产生一个 4 × 4 的矩阵，行相乘，得到结果如下：

给定 λ 的值和 RCM 的投资成本、运行成本、惩罚成本节省、维护成本节省，就可以得到它们的和，即总的寿命周期成本。

3 结束语

通常 RCM 可以降低预防维护成本，但却增加了预测维护成本。当预防维护成本超过预测维护成本时，便形成了累积净收益，主要是由年度收益、总延误分钟和惩罚成本计算得出的。同时，每分钟惩罚成本将依赖于线路的重要程度，预防维护成本的减少和总的延误分钟是成比例的。

以上对铁路基础设施领域中寿命周期成本的表述考虑了投资、运营、惩罚和修理成本，并归纳提出了铁路RCM寿命周期成本的一般模型。寿命周期成本也可以直接扩展到铁路系统的其他元素中，如平交道口、轨道电路等。铁路基础设施的寿命周期成本将有利于做出更加有效的投资决策并提供更高质量的铁路运输服务。

[1] Andersson C.，Dahlberg T.. Wheel/rail impacts at railway turnout crossing [J]. Journal of Rail and Rapid Transit，1998(2)： 123-134.

[2] Wang W.. A model to determine the optimal critical level and the monitoring in condition based maintenance [J]. International Journal of Production Research 2000(4)： 1425-1436.

[3] Zhou F.B.，Archer N.，Bowles J.，et al. Remote condition monitoring and validation of railway points [J]. Computing &Control Engineering Journal，2002：221-230.

[4] Knothe K.，Grassie S.L.. Modeling of railway track and vehicle/track interaction at high frequencies [J]. Vehicle System Dynamics，1993：209-262.

[5] Fausto Pedro García Márquez，Felix Schmid，Javier Conde Collado. Wear assessment employing remote condition monitoring：a case study [J]. Elsevier，2003：1209-1220.

[6] 姜早龙. 工程经济学[M]. 长沙：中南大学出版社，2005.

[7] Milwaukee，Wisconsin. Life cycle cost-techniques and applications [J]. American Society， 1992：21-38.

[9] Fausto Pedro García Márquez，Richard W. Lewis，Andrew M. Tobias，Clive Roberts. Life cycle costs for railway condition monitoring [J]. Science Direct，Transportation Research Part E， 2007：1175-1187.

[10] McHutchon M.A.，Staszewski W.J.，Schmid F.. Signal processing for remote condition monitoring of railway points [J].Blackwell Publishing Ltd.，2005：71-85.

[11] Redeker F.R.. Condition monitoring for railway infrastructure objects [J]. Condition Monitoring and Diagnostic Engineering Management，2006：689-699.

[12] Roden A.. Monitoring system gives early warning of problems [J]. International Railway Journal，2005：22-23.

[13] Pedregal D.J.，Garc´a Ma´rquez F.P.，Schmid F.. RCM2predictive maintenance of railway systems based on unobserved components models [J]. Reliability Engineering & System Safety， 2004：103-110.

LCC Analysis on Railway Remote Monitoring

HE Jun1, WANG Lie2

(1. Economy and Management School, Beijing Jiaotong University, Beijing 100044, China; 2. Railway Scientific Research and Development Center, CARS, Beijing 100081, China)

In the aspect of railway infrastructure,remote monitoring could increase reliability of point brake through the continual or periodical evaluation on the system status by using predictive maintenance.Through LCC analysis on remote monitoring, this paper puts forward the general model for LCC of railway remote monitoring, and the application of LCC on railway remote monitoring could service for investment decision and high-quality railway transport service.

Remote Monitoring; LCC (life cycle cost);Brake

1003-1421(2011)02-0027-05

F530

A

2010-05-24

责任编辑：金 颖