轨道车辆运营维护费用分析优化研究

徐春华

(中车青岛四方机车车辆股份有限公司， 山东青岛 266111)



轨道车辆运营维护费用分析优化研究

徐春华

(中车青岛四方机车车辆股份有限公司， 山东青岛 266111)

轨道车辆的运营维护费用在其全寿命周期费用中所占的比例非常高，运营维护费用的优化可以有效降低轨道车辆的全寿命周期费用，本文提出了识别影响轨道车辆运营维护费用因素的主要方法，介绍了如何使用UNIFE-LCC模型计算轨道车辆的运营维护费用，并以高速动车组的某些关键系统为例，讲解了如何以计算结果为基础分析得到影响运营维护费用的主要费用项及敏感性因素。

铁路运输； 全寿命周期费用； 运营维护费用； 优化； 敏感性分析

轨道车辆产品的全寿命周期费用(Life Cycle Cost，LCC)是指产品在其整个寿命周期中的全部费用的总和[1]。目前轨道交通行业普遍使用的LCC计算模型是由欧洲铁路工业协会(UNIFE)提出的UNIFE-LCC模型。该模型不仅适用于轨道车辆产品，还适用于整个轨道车辆运营系统，其将产品的全寿命周期费用分解为投资费用、年度费用和运营维护费用3大部分[2]，如图1所示。

图1 UNIFE-LCC模型

其中年度费用主要是指轨道车辆运营系统相关的每年固定支出的费用，与轨道车辆产品本身无关。因此对于轨道车辆产品而言，其全寿命周期费用由投资费用和运营维护费用两部分组成。据统计，轨道车辆的投资费用是其全寿命周期费用(LCC)的12%～34%，而运营维护费用占其全寿命周期费用(LCC)的66%～88%[3]。相比投资费用而言，运营维护费用不像投资费用那样相对固定，而是具有较大的波动性，因此也具有更大的优化空间；同时由于其占比较高，因此成为了轨道车辆全寿命周期费用优化的首选对象。运营维护费用指轨道车辆在运用过程中所花费的运营维护总费用，由运营费用和维护费用构成，当规定了运营条件之后，运营费用较为固定，而不同的维护策略则会导致维护费用产生较大的变化。因此，本文中主要给出车辆在运营阶段的维护费用的分析和优化方法。

1 运营维护费用分析和优化

运营维护费用分析和优化的具体过程如图2所示。

图2 运营维护费用分析和优化过程

进行运营维护费用分析和优化首先需要进行运营维护费用计算，其次需要进行运营维护费用分析，确定在运营维护费用中占比较高的费用项；最后需要进行敏度分析，确定哪些因素的变化对运营维护费用影响最大，然后给出相应的分析结论，为运营维护费用的优化提出相应的建议。

1.1 运营维护费用计算

为方便分析人员使用UNIFE-LCC模型进行LCC的计算，UNIFE提供了相应的LCC计算工具——UNILIFE，UNILIFE是微软电子表格格式的软件，当输入相关数据后，可实现自动计算结果的功能[4]。

文中所研究的分析对象主要是指轨道车辆在运营阶段的维护费用，UNIFE-LCC模型中维护费用的构成及计算方法如式(1)～式(3)所示。

(1)

(2)

(3)

式中CM为轨道车辆在运营阶段的维护费用；CPM为轨道车辆在运营阶段的预防维修费用；CCM为轨道车辆在运营阶段的修复维修费用；CPM,MH为预防维修的工时费用；CPM,Mat.为预防维修的材料费用；CCM,MH为修复维修的工时费用；CCM,Mat.为修复维修的材料费用。

1.1.1 预防维修费用的计算

轨道车辆的预防维修费用由所有零部件的每次预防维修的工时费和材料费构成，单个零部件在对应修程的预防维修工时费用和材料费用如式(4)～式(5)所示：

(4)

(5)

式中ncomp.j为一列动车组中该零部件的数量；nPM,i为在全寿命周期中，一个修程的实施次数；MPM,i为单次预防维修所需的工时；CMH为单位工时费；CMat.为单次预防维修时所需的耗材费用。

1.1.2 修复维修费用的计算

轨道车辆的修复维修费用由所有零部件的每次修复维修的工时费和材料费构成，单个零部件每次修复维修工时费用和材料费用如式(6)～(7)所示：

(6)

(7)

式中M1st/2nd为单次修复维修时1/2线(1st/2nd Line)所需的维修工时；M3rd为单次修复维修时3线(3rd Line)所需的维修工时；t为该零部件年平均运行时间(h)；E为修复维修时该零部件需在线更换的概率；CMat.为单次修复维修时所需的耗材费用；Crepair为单次修复维修时所需的备件费用或修复故障件的费用,L为一个周期生命。

1.2 LCC分析和优化

1.2.1 预防维修费用分析优化

由式(4)和式(5)可知，预防维修费用主要由预防维修任务的实施次数和每次实施预防维修任务时所花费的人力和材料费用决定。不同修程的间隔周期决定了各预防维修任务的实施次数，因此预防维修费用分析优化的主要目的就是确定各级修程的费用在预防维修费用中所占的比例，找到费用花费较多的修程，进而确定主要影响因素。

以某型高速动车组的制动系统为例，假设该型动车组的寿命周期为30年，每年运行50万km，则该型车的制动系统的预防维修费用分析结果见表1。

表1 预防维修费用分析表

注：表1中数据仅为示例，不代表真实数值。

由表1可知，该型车制动系统的各级修程中费用排名前3的分别为五级修、四级修和二级修。由表1可知，四级修和五级修的总费用和材料总费用的排名均靠前，但是人力费用却低于二级修；二级修的费用排名第3，但是人力费用却最高。

影响预防维修费用的因素为：单次工时费用、单次材料费用，以及维修次数，因此可以通过以下几种方式进行预防维修费用的优化：

(1) 优化单次维修所需的工时和材料以降低单次维修费用；

(2) 适当延长修程的间隔里程(即减少维修次数)；

(3) 通过技术改进将部分低级修程的工作内容延长至高级修程中实施。

以表1所示的计算结果为例，说明以上3种优化方式。

(1) 优化单次维修所需的工时和材料

由表1可知，四级修和五级修的总费用靠前，且单次材料费用靠前，而单次维修工时费用也仅次于排名第1的二级修，因此可以通过优化单次费用来优化维修总费用。假设四级修和五级修的单次工时费用和单次材料费用均可以优化10%，则四级修和五级修维修总费用的优化结果分别如表2和表3所示。

表2 四级修维修总费用的优化结果

表3 五级修维修总费用的优化结果

由表2可知，当四级修的维修费用降低10%时，总预防维修费用的降幅为0.86%。

由表3可知，当五级修的维修费用降低10%时，总预防维修费用的降幅可达6.37%。

(2) 适当延长修程的间隔里程(即减少维修次数)

由表1可知，一级修总费用尽管排名靠后，但是其维修次数却排名第1；二级修总费用排名第3，但其维修次数却排名第2；因此可以通过适当延长修程的间隔里程(即减少维修次数)来优化维修总费用。假设一级修和二级修的维修间隔里程均可以延长50%，则一级修和二级修维修总费用的优化结果分别如表4和表5所示。

表4 一级修维修总费用的优化结果

表5 二级修维修总费用的优化结果

由表4可知，当一级修的维修间隔里程延长50%时，总预防维修费用的降幅为1.73%。

由表5可知，当二级修的维修间隔里程延长50%时，总预防维修费用的降幅为2.93%。

(3) 通过技术改进将较低修程中的部分工作内容延长至较高修程中实施

整体延长修程的间隔里程需要大规模的技术改进，当技术只有部分改进，且不足以完全支撑延长修程时，可以考虑将较低修程的部分维修内容延长至高级修程中，其实这是在减少较低修程中的某些维修任务的次数。以二级修为例，假设二级修中包括100项维修任务，当前的技术条件只能将其中的20项任务延长至三级修，其实就是将这20项维修任务的次数由499次降至12次。也就是说，当前的技术不足以支撑将二级修程完全延长至三级修，也就是将二级修程中所包含的全部维修任务的维修次数完全降至12次，但是通过调整部分维修任务至三级修程，也可以降低维修费用。这种方法其实更符合实际情况。

需要注意的是，LCC计算和分析能够给出各项措施的有效性，给出费用优化的可行性，但在实际实施的过程中，还需考虑当前技术的限制，产品的可靠性，考虑LCC计算分析所给出措施的可行性，只有进行综合权衡才能更好的对费用进行优化。

1.2.2 修复维修费用分析

由式(6)和式(7)可知，修复维修费用主要由修复维修任务的实施次数和每次实施修复维修任务时所花费的人力和材料费用决定。各级系统(或零部件)的数量及失效率水平决定了各修复维修任务的实施次数，因此修复维修费用分析优化的主要目的就是确定各级系统(或零部件)的费用在修复维修费用中所占的比例，找到费用花费较多的系统(或零部件)，进而确定主要影响因素。以某型高速动车组高压供电系统为例，其修复维修费用详细分析结果见表6。

表6 高压供电系统修复维修费用分析表

注：上表中数据仅为示例，不代表真实数值。

由表6可知，高压供电系统中修复维修费用较高的零部件是受电弓和高压隔离开关，进一步分析可知修复维修的材料费用是最主要的费用项。

可以通过以下几种方式进行修复维修费用的优化：

(1) 优化单次维修所需的工时和材料以降低单次维修费用；

(2) 提高零部件的可靠性水平以减少修复维修任务的实施次数；

(3) 如果零部件的失效率存在随时间增大而增大的特性，可以适当缩短其预防维修间隔以提高可靠性；

(4) 如果零部件失效前存在特点的故障征兆，可以增加适当的视情维修或进行状态监测以提高可靠性。

此外，在确定优化改进措施时，还应注意产品中零部件数量对修复维修次数的影响，虽然有些单个零部件的失效率可能比其他零部件低很多，当其数量较多时也会导致维修次数的迅速增加而产生较高的维修费用。

1.2.3 运营维护费用分析优化

费用分析优化的最终目的是在满足产品功能、性能指标的前提下使轨道车辆产品具有较低的运营维护费用。运营维护费用分析优化的主要目的是分析预防维修费用和修复维修费用在整个运营维护费用中所占的比例，在其中找到最佳的平衡点，从而实现最低的运营维护费用。

如前所述，轨道车辆产品的维修方式对其实际运用中的可靠性水平有着直接的影响，因此产品的预防维修费用和修复维修费用之间存在相互影响、相互制约的关系。在理想的情况下，轨道车辆应具有较低的修复维修费用和适当的预防维修费用。国内外的很多的工程应用已经表明，通过对维修规程的适当调整，特别是当系统的失效率随时间增大而增大时，适当的缩短预防维修周期，可以在小幅增加预防维修费用的条件下，大幅降低修复维修的费用，从而达到运营维护费用最低的目标。

1.2.4 敏度分析

进行敏度分析的主要目的就是确定哪些因素的变动会使系统的运营维护费用有较大的波动，从而为运营维护费用的优化措施的制定提供参考。

敏度分析的流程如图3所示。

图3 敏度分析的流程

进行敏度分析时，首先需要识别影响所分析费用的主要因素，然后需要根据实际情况来确定这些因素可能的变动范围，最后结合识别出来的主要因素以及相应的变动范围逐个对主要因素进行扰动分析，通过这些因素的变动对系统的运营维护费用的影响程度，确定出敏度最大的因素。

进行敏度分析时，最常采用的是单因素方法，具体方法如式(8)～式(10)所示。

(8)

(9)

(10)

式中COSTM,O为原始的运营维护费用；COSTM,i为第i个因素变动时的运营维护费用；αi为第i个因素变动的百分比；Δi为由第i个因素变动时引发的运营维护费用变动的百分比。

以某型高速动车组的车辆设备检修为例，其检修工时的敏度分析结果如表7所示。

表7 车辆设备检修工时敏度分析结果

注：上表中数据仅为示例，不代表真实数值。

由表7可见，如果将一级修时、二级修时车辆设备检修的工时分别减少1.2人时和12.4人时就可分别将运营维护费用降低0.51%和0.82%；而对于五级修而言，减少404.8人时的工作量仅可将运营维护费用降低0.24%。因此，在确定优化措施时，可以优先考虑一、二级修的检修工时。

2 结 论

对产品的运营维护费用进行分析和优化，首先需要计算得到运营维护费用，然后对其进行分析得到在运营维护费用中占比较大的具体费用项点，针对这些占比较大的费用项点确定可能的影响因素并进行敏度分析，进而确定可有效降低系统的运营维护费用的敏感因素，为确定切实有效的优化措施指明方向。

此外，敏度分析还可以用于确认当前模型中所涉及到的各个数据的精度是否满足要求，如果当前某些输入数据的微小波动都会导致运营维护费用的巨大变化，则应将这些输入数据作为关键的输入参数，必要时应进一步提高这些数据的精度要求；若当前某些输入数据的变动只会导致运营维护费用产生微小的变化，则可以适当降低这些数据的精度要求，以节省费用。

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

[2] 董锡明．轨道列车可靠性、可用性、维修性和安全性[M]．北京：中国铁道出版社，2009.

[3] 董锡明．高速列车维修及其保障技术[M]．北京：中国铁道出版社，2008.

[4] 王永生，徐桂红．基于UNIFE模型的铁路电气产品LCC分析的应用研究[J]．铁道机车车辆，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，高级工程师(

2016-05-03)

1008-7842 (2016) 05-0093-05

U279.2

A

10.3969/j.issn.1008-7842.2016.05.21