基于可靠性的铁路信号设备维修周期决策

李新节

摘要：针对当前铁路信号设备维修过程中的维修不足和过剩维修等情况，运用以可靠性为中心的维修策略，建立数据模型和定量分析的方法，对重点设备维修工作间隔周期进行确定，从而提高设备可靠性，实现提高设备维修费用可控、运行可靠的目的。

关键词：可靠性；维修；周期；模型

铁路信号设备作为铁路的神经系统，是确保铁路运输安全的关键设备，如果发生故障，造成铁路运行中断并可能带来难以估量的损失。进行科学合理的维护和维修，很大程度上可以保证设备在有效使用期限内，尽可能少的发生故障并处于稳定的工作状态。以可靠性为中心的维修(Reliability Centered Maintenance, RCM)是国际上较为先进的维修方法，全面系统的处理设备的整体功能以及功能丧失原因，综合设备的故障影响以及故障模式等信息，而且结合定性分析和定量分析的一种维修管理模式。在军事领域、航空航天领域、核工业领域等高精尖领域都有着广泛的运用，并取得了显著的效果。相对于这些领域，铁路行业尤其是在在铁路信号设备的管理领域，RCM的研究还广泛的运用甚至处于尝试阶段。

1RCM理论基础及实施过程

1.1RCM理论基础

首先，RCM注重设备由设计原因带来的可靠性和安全性。在设备设计和开发阶段，设备自有的可靠性与安全性已经确定和形成，依靠后期的维护和维修可以维持这些特性但提高起来就很困难。如果在设备使用当中，其原有的可靠性、安全性不能满足使用要求，只能通过再设计和重新开发的途径改变这种情况。

其次，对应设备发生的不同故障和造成的相应后果，必须采取不同的维修策略。将故障造成后果的严重程度进行预防性维修决策的主要参照依据。在设备的使用当中，故障发生是难以估计和很难避免的，但是各种故障引起的损失和影响后果差别很大，根据这些差别，应该针对会带来较大损失和严重后果的故障进行预防性维修。

第三，设备的故障发生的时间及概率难以预料，在实际维修工作中需要采取不同策略并注意掌握维修时机。对已经掌握其损坏故障规律的设备，可以制定周期性维修计划进行定期拆换，以避免发生功能故障或引起多次故障；而对于难以掌握其损坏规律的设备，如机械地进行定期维修和周期性更换，则会对设备造成一定危害，通过检测、点检等方式掌握设备状态适时进行维修更为合理。

最后，在进行预防性维修时，不同的维修类型所消耗的资源、产生的费用和维修难度和深度往往不尽相同，甚至差异很大。因此说，采用切实可行和有效可靠地维修策略，不但能够保证设备的安全性和可靠性，还可以提高维修效果、减少维修资源占用和维修成本的投入。

1.2RCM的实施过程

进行以可靠性为中心的维修之前，如果要确保维修分析的准确性和科学性，应当尽可能详细和全面的掌握包括设备概况在内的相关信息，主要包括：

设备整体情况，如设备的构成、主要性能和技术能力等。已出现过故障信息，如设备的故障种类、发生原因、故障机率、故障分析以及功能故障的时点、功能性故障和潜在故障的监测手段等。设备的维护维修资源信息，如可供使用的维修设备器械、维修配件以及维修人员构成等。维修成本信息，包括设备维修预算，可供投入的维修资金等。设备设计和生产厂家提供的设备维修手册、保养手册等技术资料等。

实施RCM分析的过程如下：

第一步，依据日本乘数法、“构造树”方法、Fuzzy聚类方法和模糊综合评判等设备重要性评价方法进行评价，确定关键设备。

第二步，进行设备的故障模式及影响程度分析。就是对选定的具有重要功能设备作故障模式及故障影响分析（Failure Mode and Effect Analysis，FMEA）。

第三步，依据RCM逻辑判断图决策预防性维修模式。对于重要功能设备的所有故障起因都要严格按RCM逻辑判断图进行分析和判断，形成对应此故障起因的预防性维修措施与维修周期。

最后，进行信息的综合梳理和系统分析，形成维修决策方案。要提高提高设备维修的工作效率，就要不同维修周期的维修任务进行整理和组合在一起，尽管得到的维修频率可能会高于实际，但维修效率提高、停机时间减少等所节省的费用往往大于所维修所增加的费用。

2RCM在铁路信号设备维修应用

我国的铁路信号设备在维修体制上以事后维修和计划维修为主的，在检修方式上，一般采用故障检修、预防检修和状态修等几种维修方式，这些检修体制和检修方式存在着维修不及时和维修过剩等弊端。

RCM作为国际上应用广泛的用于分析设备预防性维修需要，改进维修策略的系统性工程决策方法，该方法依据设备运行状态，运用实时设备监控手段、可靠性评测及寿命预测手段，来确定设备所处的运转状态，提前预估设备故障的征兆，对故障部位及严重程度、趋势作出诊断，并根据诊断结果制定维修决策。RCM主要解决的核心问题有三个：维修内容，维修方法和维修周期。本文主要研究的是维修周期的确定问题。

2.1维修周期模型分析

RCM分析过程中选择设备维修周期存在大量的不确定因素。针对可能带来安全方面后果、任务方面后果的故障预防性维修周期，牵涉到维修任务完成后可否将故障几率降到能够接受的技术状态。维修周期过长，发生故障的概率就越高，设备突发安全故障或甚至中断运行的概率就越大；反之维修周期过短，又会导致预防性维修次数增加，设备的可用度降低，发生的预防性维修费用增多。

在RCM的七种不同维修工作类型中，保养周期往往需要依据设备设计参数进行确定。对于一般的点检等维护任务占用时间短、发生费用较少，可以再日常维保计划中进行安排，不用单独制定相应的工维修周期。综合性维修工作周期需要参考相关维修工作类型的周期综合决定。所以，需要特别制定的预防性维修周期包括两种：一种是可用度检查和设备功能检定；一种是周期设备报废和按时零部件拆修。endprint

2.2RCM模型的分类

RCM模型根据维修工作类型、决策目的和复杂程度等方面RCM模型进行划分，其中根据维修工作类型可以分为：定时更换模型，功能检测模型，使用检査模型。根据决策目的可以分为：费用模型，可用度模型，风险模型。根据复杂程度划分：单部件模型，复杂系统模型。

考虑到维修体制和检修方式，本文建立了基于不同维修决策目标的定时更换模型，再分为以费用为目的的和以可用度为目的的定时更换模型。考虑信号设备的相关数据信息不全，本文参照日常维修数据进行数据假设，并利用Matlab编程计算两种RCM模型的维修周期。绝大部分铁路信号设备，都是供企业长期使用的，这个时间对于维修周期和维修过程时间而言要长的多，在划分时间的基础时，确定为无限使用时限。

2.3定时更换模型

我们可以看出，RCM的维修方案关于预防这一过程，涉及到按时对设备进行修复和按时报废两项工作，两者相关的模型建立实则是相同的。按照维修实践，将其分为工龄更换和成组更换。

对个别设备进行事前研究，根据其使用的状况进行按时定期的更换，也就是无论是设备涉及到的单独的部件还是设备本身只要到了更换周期（包括未发生故障的设备），就要根据使用周期T规定的时间段开展更换工作，假如没有在规定更换周期就发生了故障的设备，就采取用新品替代或者修复的方式。这种更换手段叫做工龄更换也可以称为个别定时更换。

通常以大量设备投入到工作生产中起，根据相应的更换周期，对其进行更新换代，也就是，在经过了更换的周期间T，需要对投入的所有同类设备进行更换来作为成组更换的定义，也可以称其为全部定时更换，即使少数设备在此周期内因发生故障更换过，到达更新时刻T时也一起更新。

在设备的维修过程中，使用周期的更迭需要围绕T来进行，或者在发生意外事故后来开展更换工作。其要求开展定期的维护工作，维护的内容主要包括更新换代和修复再利用。

使用周期的更换主要适用于某些时间的期限长度与故障率成正比的设备。但是采用这种方式必须要求做好使用周期的相关登记工作，并且事前需要周密的部署，所以对于该方法的实行其实是由难度的。

建立使用周期更迭的模型主要的要求是：要结合数学模型的使用才能明确设备更换的期间T，致使更换的过程不会影响工作质量，还能达到预计的效果。

假设数据和相关参数：

（1）每个工龄T进行更换，如在工龄期间发上故障则进行故障更换，时间T为常数；

（2）Cf：每次发生事故的总的成本费用，主要由设备的更新换代的费用和设备停止运作所流失的收益构成；

（3）Cp：每次使用周期更迭所发生的费用总和，主要由前期预防手段所发生的费用和设备停止运作所流失的收益构成；

（4）C(T)：以间隔期T进行工龄更换时，长期使用下的单位时间的费用；

（5）A(T)：以间隔期T进行工龄更换时，长期使用下的平均可用度；

（6）D(T,t)：以间隔期T进行工龄更换时，在间隔时间[0,t]内的期望停运时间；

（7）Tp：预防性更换所需的平均时间；

（8）Tf：故障更换所需的平均时间；

（9）Pf(t)：以间隔期T进行工龄更换时，在任意时刻之前设备的故障风险；

（10）F(t)、R(t)、f(t)：设备初次故障时间累积分布函数、可靠度函数和故障密度函数，其中，当时表示设备处于新状态。

3以费用为目的定时更换模型

以节约成本为出发点按时更换数据模型应该以探析适当的使用周期T为主要方向，在使用期间内相关的期望值最低，用表示。

根据更新过程的基本理论，长期使用下，设备的平均费用表示为：

（3-1）

更新周期内总的期望费用=预防性更换的费用×预防性更换的概率+故障更换的费用×故障更换的概率=CpR(t)+CfF(t) （3-2）

期望更新周期长度=平均预防性更换周期长度×预防性更换的概率+平均故障更换周期长度×故障更换的概率= （3-3）

如果Tp和Tf相对于T来说很小，在费用模型中可以忽略不计。此时期望更新周期长度变为。通过是单位时间的期望费用最低来求最佳的工龄更换周期T：

（3-4）

在上面的方程式中，假如，就表示设备的使用周期还没有进行更换，其产生的成本费用都是停止作业所导致的。这时，R(t)→0，相关单位时间的费用可以用下列式子表示

（3-5）

式4-5是计算单个部件不进行任何预防性维修，只做故障更换时单位时间所需费用的普通模型。

一般情况，我们采用分析探讨的方法求出T值致使C(T)的数值最小是很困难的，然而如果使用搜寻T的可行范围从而计算出相关数值其实是最便捷的通道。

举例：假设设备的故障时间服从α=2,β=100天的威布尔分布，R(t)=exp[-(t/100)2]。设Cp=8000元，Cf=16000元，Tp=1天，Tp=2天。

通过RCM的运行过程中需要解决下面几个问题：以经济的发展情形来看更换使用周期这一手段是否有效。假如采用此方案，应该设定其最佳的上限为长。在以前的RCM应用中，以上因素一般是靠日常经验作出，然而建模的途径更加科学、准确。

根据式子4-5可以得到一定期限内使用主体所发生的费用，假如不在单位周期内进行更换，就能得出每天C(∞)=176.56元。

在Matlab中进行编程，得到不同的T值，由式4-4可以算出C(T)的值，见表1。

从表1和可以看出，当时80≤t≤160时，C(T)

所以，从节约成本这方面来说，设备的试用期间的更迭是有效方案，并且最适合的更换间隔时间为T=100天。