高速公路机电设备经济寿命分析

徐 宏，全湘平，唐 敏

(1.湖南省高速公路监控中心，湖南长沙 410003;2.湖南省交通科学研究院，湖南长沙 410015)

0 引言

高速公路机电设备是高速公路正常运营的基础保障，对于发挥高速公路的高品质服务起着举足轻重的作用，由于高速公路的不间断运营特点，对其配套的机电设备也提出了高质量的要求。高速公路机电设备数量大、种类多，随着使用年限的增加，必然会存在使用性、经济性等下降的现象，并对系统运营产生不可忽视的影响。而目前对机电设备使用寿命的研究多是针对于设备的使用、保养、维修、管理的过程和设备的故障率［1～6］，很少从设备寿命方面进行研究，导致设备的报废更新没有明确的时间依据。本文通过对高速公路机电设备进行寿命分析，提出以经济寿命为主要指标的寿命确认方法，为机电设备的报废更新提供依据。

1 高速公路机电设备寿命类别

高速公路机电设备的寿命可分为自然寿命、经济寿命和技术寿命。设备的自然寿命，是指设备从开始使用到报废为止所经历的时间，其长短主要取决于设备的自身质量、运行过程中的使用、保养和正常维护。设备的经济寿命是指设备从使用到因经济上不合算而停止使用所经历的时间。这里所说的不合算是指维持设备的继续使用所需要的维持费用大于设备继续使用所带来的收益。设备的技术寿命是指设备从开始使用到技术过时的时间，其在很大程度上取决于社会技术进步和技术更新的周期。

对于高速公路机电设备来说，自然寿命一般由设备制造商根据多年的生产经验和大量的数据累积，以及用户的反馈信息来确定给出。技术寿命由于科技发展的不可预见性，往往难以计算得出，但其相对较长，且对设备更换的影响较小［7］。设备的经济寿命与设备本身的物理性能、自然寿命、技术进步速度、设备使用的外部环境的变化等都有直接的联系。在设备更新分析中，经济寿命是确定设备最优更新期的主要依据。这也符合经济效率最大化的经济原则。一般而言，自然寿命和技术寿命都要长于其经济寿命。

考虑实际情况，以及经济效益最大化的经济原则，高速公路机电设备的更新可采用设备的经济寿命为中主要依据。

2 高速公路机电设备经济寿命的确定

设备经济寿命的确定主要有两种方法:年平均使用成本法和低劣化数值法。

2.1 年平均使用成本法

年平均使用成本即每年使用固定资产的平均成本。它由两个部分组成:一是持有成本，这部分是设备成本的年摊销额，主要包括折旧、占用资金利息等。二是运行成本。主要包括维修费用以及原材料、能源消耗增加费用等。

随着固定资产的价值逐渐减少，折旧费用随之减少，因此运行成本与持有成本两者是互为消长关系。在固定资产使用前期，持有成本的减少大于运行成本的提高。固定资产的年平均使用成本呈下降趋势，但超过一定期限后，持有成本减少就小于运行成本的提高，使用固定资产平均使用成本转而上升，两者之和呈马鞍形，如图1示。因此，必然存在一个最经济的使用年限。

图1 固定资产的年平均使用成本

设备经济寿命计算模型:年平均使用成本最小法:

式中:C为固定资产原值;Sn为n年后固定资产余值;Cn为第n年运行成本;n为预计使用年限;i为投资最低报酬率;UAC为固定资产平均年成本;P/(A，i，n)为普通年金现值系数。

因此，UAC为最小值时的n，为该固定资产的更新年限。

2.2 低劣化数值法

设备随着使用年限的增长，有形磨损和无形磨损不断加剧，设备的运行费用相应增大，这就是设备成本低劣化现象。如果能按照统计资料预测这种低劣化程度每年以λ的数值呈线性递增，则可能在设备使用早期即可测定设备的最佳更新期。每年是以λ的数值呈线性递增，则t年内每年的平均低劣化值为λ，平均每年的设备费用为［8］:

设备的最佳使用期te为C最低时的使用年限。令=0，则:

式中:C为设备年使用费用;t为设备的使用年限;A为设备的购置费;Lt为设备第t年年末时的残值;i为资金年利息率;B为设备1 a的正常运转费。

3 应用实例

以湖南某条高速公路的机电设备寿命分析为例，具体的机电设备如下:

收费系统:工控机、收发卡机、显示器、收费键盘、票据打印机、自动栏杆、费额显示器、车牌识别、计重设备、服务器、工作站、UPS、激光打印机 、内部对讲、广场摄像机、车道摄像机、室内摄像机、硬盘录像机、监视器、视频分配器等。

监控系统:大型可变情报板、车检器、限速标志、能见度仪、外场摄像机、彩色喷墨打印机、多串口卡、光端机、地图板、大屏等。

主要是分析贵重、复杂、耐用设备的经济寿命，其他廉价、简单、消耗性设备直接利用自然寿命，不做经济寿命分析。经济寿命分析采用年平均使用成本最小法，分析结果如表1所示。

表1 某条高速公路机电设备寿命分析 a

续表1 某条高速公路机电设备寿命分析 a

最终得出设备更换计划表，见表2。

4 结束语

科学合理地确定高速公路机电设备的寿命，能够提高设备的使用效率和降低能耗，对充分发挥高速公路的效能和正常运行具有重大作用。本文关于高速公路机电设备的寿命分析还有较多不足之处，各类寿命指标可以进行综合考虑，还有待进一步加强。

表2 某条高速公路机电设备更换计划表

［1］李荣平.对高速公路机电设备使用寿命的思考［J］.中国交通信息产业，2010:106-108.

［2］Ruey huei yeh，Kow-Chin Kao.Optimal Preventive Maintenance Policy for Leased Equipment Using Failure Rate Reduction［J］.Computer＆Industrial Engineering，2009，57(1):304-309.

［3］Nader M O，Dan M F.Redundancy of Structural Systems with and Without Maintenance:An Approach Based on Lifetime Functions［J］.Reliability Engineering and System Safety，2010，95(5):520-533.

［4］Natali Hritonenko，Yuri Yatsenko.The Dynamics of Asset Lifetime Under Technological Change［J］.Operations Research Letters，2008，36:565-568.

［5］李 卓.高速公路机电设备故障预测及维修决策系统研究［D］.西安:长安大学，2009.

［6］陈 琦.基于可靠性的设备维护优化研究［D］.天津:天津大学，2008.

［7］饶永波，常治元，等.高速公路机电设备使用寿命预测模型［J］.河南科技大学学报，2011，32(2):12-15.

［8］李景元，李久州，等.油气管道站场生产设备使用寿命研究［J］.油气储运，2009，28(9):73-75.