地铁车辆寿命周期维修成本分析方法研究

摘要：寿命周期成本（LCC）是長寿命周期产品成本分析最有效的方法之一，在地铁车辆的采办环节以实现寿命周期费用最低为目标决断，可提升投资质量和运营效率。文章在分析寿命周期成本标准、模型以及RAMS数据的基础上，提出用于计算地铁车辆寿命周期维修成本的方法，并以制动系统典型部件为例进行验证。

关键词：地铁车辆；寿命周期成本；维修成本；RAMS；制动系统 文献标识码：A

中图分类号：F234 文章编号：1009-2374（2017）02-0100-03 DOI：10.13535/j.cnki.11-4406/n.2017.02.047

1 概述

寿命周期成本（Life Cycle Cost，LCC）是产品概念设计、系统开发、生产制造、使用维护和报废处置的所有成本之和。这一概念起源于瑞典轨道交通行业，由于轨道交通项目系统组成复杂，使用周期超长、维修活动繁多，相关成本高昂，所以需要一种可行的方法对项目经济性进行预先评价，寿命周期成本分析包括了以寿命周期成本为设计参数、对项目方案进行系统分析的过程和活动，通过在项目实施过程中迭代分析，可以辅助决策者从各可行方案中筛选出费效比最高的方案。

对于地铁车辆而言，寿命周期成本分析最重要的问题是计算车辆全寿命周期的维护成本。本文通过对相关标准中计算寿命周期成本的维护成本所需的维修数据要求进行分析，提出地铁车辆研制过程RAMS分析中修复性维修和预防性维修的数据要求，给出维修成本计算方法，并对制动系统典型部件的维护成本进行预测。

2 轨道交通寿命周期成本标准与模型

2.1 IEC 60300-3-3 LCC模型

1996年国际电工委员会（IEC）发布了寿命周期成本分析的国际标准IEC60300-3-3，并于2004年7月发布修订版。该标准建议将产品的寿命周期划分为概念与定义、设计与开发、制造、部署、使用与维护以及报废处置六个阶段，可以通过计算每个阶段产生的成本并求和得到产品的寿命周期成本。IEC60300-3-3将产品的寿命周期成本分为采办成本、拥有成本和处置成本。较之拥有成本，购置成本由于其可见性很容易评估。处置成本重要与否则因行业而异，在轨道交通行业，处置成本通常忽略不计。

LCC=C采办+C拥有+C处置

2.2 UNILIFE LCC模型

欧洲铁路行业协会UNIFE的LCC模型同样将寿命周期成本划分为采办、拥有和处置三项成本。由于它是面向运营商的寿命周期成本计算模型，因而其更强调的是投资、运营和寿命保障成本。处置成本在此也没有被纳入考虑。

LCC=C投资+C运营+C寿命保障

2.3 寿命周期成本分析过程

寿命周期成本分析包括问题描述、成本定义、系统建模、数据收集、剖面开发和结果评价六个环节。

分析活动从对所关注问题的描述开始，整个工作的复杂性主要取决于所关注问题的目标与范围，特别是其范围涵盖了与可靠性、可用性、维修性和安全性（RAMS）等相关的产品特性。在进行成本定义时，对于反映各单项成本的成本元素应当根据产品的使用需求与维修策略从全寿命周期的角度系统地分类定义，避免漏掉重要的成本元素。建立成本分解结构是一种系统地识别成本元素的简洁有效的方法。成本分解结构是在产品的寿命周期各个阶段基于产品分解结构或工作分解结构所产生的费用分解。而产品分解结构或工作分解结构则是一个更为详细的产品硬件、维修服务和相关数据的

分解。

在定义好成本元素之后，需要开展系统建模工作，对成本元素之间、成本元素与产品分解结构/工作分解结构之间的关系进行建模。在确定各元素之间的关系时，需要从产品的可靠性、可用性、维修性、安全性、使用需求和维修策略等角度入手，根据产品使用与维修过程中对应的RAMS参数，建立成本模型。由于轨道交通项目周期普遍较长，在开展寿命周期成本分析时，还需要建立寿命成本剖面，考虑通膨、利率、汇率和税率等因素的影响。通过将这些因素纳入考虑，在进行结果评价时，可以将每个设计方案的最终成本置于一个公共的基础或参考点上进行对比。分析所需要的数据可以通过分析、统计、成本报告、历史数据、合同和供应商报价单等方式获取。当无法取得实际数据时，可以根据项目工程经验去预计并在后续工作中予以修正。在结果评价环节，通过开展敏感性分析，确定寿命周期成本的成本动因，寻找导致高成本的产品或工作项目，从而支持备选方案的开发。同样这里还应该继续考虑输入数据的不确定性。在项目实施过程中，初始方案构成一个基线系统，通过寿命周期成本分析的迭代，逐步识别高成本动因，变更相关产品与服务状态，直至最终得到理想的项目方案。

3 地铁车辆维修数据模板

当前，地铁车辆兼具故障修、定期修和状态修三种类型的维修策略，各类维修缺乏统一规划与系统管理，因此对维修成本的预计是地铁车辆寿命周期成本分析的核心问题。虽然地铁车辆各种维修策略针对对象和触发时机各不相同，但总体上仍可分为修复性维修CM（Corrective Maintenance）和预防性维修PM（Preventive Maintenance）。在地铁车辆研制过程中，需要开展包括故障模式影响分析FMEA和以可靠性为中心的维修分析RCM等可靠性维修性分析工作，支持维修大纲的生成和维修资源的规划，并可进一步用于寿命周期维修成本的预计。通过分析60300-3-3标准与UNILIFE LCC模型关于维修成本的数据要求，对FMEA和RCM分析结果的数据项进行整理，可以构建地铁车辆的维修成本分析模板。

地铁车辆产品组成层级可划分至现场可更换单元LRU（含现场可报废单元DU）和车间可更换单元SRU（含车间可报废单元DP），分别适用于运营商与制造商开展的维修工作。当计算地铁车辆寿命周期维修成本时，应将制造商维修的SRU纳入考虑再填写如表1所示的产品组成信息。

表中：IID，部件标识；PMID，预防性维修工作项目标识；DESCR，PM工作项目描述；PMTYPE，PM类型，包括基于日历时间（C）和基于使用时间（O）；MTBM，PM间隔，分别对应C与O类型活动间隔的日历时间与使用时间。

每一项部件的维修工作项目都会导致一个或一系列的维修活动。例如，某一SRU故障时，首先需要从系统中拆卸并更换包含该SRU的LRU（系统级CM），然后从LRU中拆卸并更换有故障的SRU（LRU级CM），最后需要对该SRU进行修理（SRU级CM）。再例如，当某一LRU进行周检修时，首先需要从系统中拆卸并更换该LRU（系统级PM），然后对拆下的LRU进行维护（LRU级PM）。维修活动的最后一项任务总是核心任务，该任务是由故障触发或是预防性维修工作项目的目标。因此，部件的维修工作项目可以以表4的方式识别：

表中：IID，部件标识；MTID，维修工作项目标识；MTMH，完成维修工作项目所需的平均人工时；TAT，维修周转时间（维修工作项目从提出到完成预计的日历小时数）。

除上述信息外，计算地铁车辆寿命周期维修成本时，还需单独定义相关的全局性变量，包括人力成本单价PMH、车队数量N、年均使用时间TMPY、预期寿命LC，必要时还需设定利率IRATE等用于现金流折现。

4 地铁车辆寿命周期维修成本计算模型

在上述维修数据模板的基础上，根据对地铁车辆实际维修数据的分析，可以确定寿命周期维修成本分为运营商维修成本和制造商维修成本，其中运营商维修成本主要是指由运营商承担的以更换LRU和DU的方式进行的对整车及系统的维修活动成本，包括车辆的日常检修和质保期外的维修活动；制造商维修成本主要是指由制造商承担的以更换SRU和DP以及直接修理的方式进行的对LRU的维修活动成本，通常包括车辆的高级修和质保期内的维修活动。维修成本分解结构的成本元素包括人力成本、备件成本、耗材成本和维修设备成本等。其中耗材成本可视为备件成本的一部分，维修设备成本可计入初始采办成本，因此维修成本的主要成本元素有人力成本和备件成本。

对于修复性维修，其人力成本与备件成本计算方法分别如下：

修复性维修人力成本CMH（CM）=N*IQTY*FRT*TMPY*LC*（FRACOP*MTMH*PMH（OP）+FRACMA*MTMH*PMH（MA））

其中，FRACOP与FRACMA分别代表由运营商与制造商承担的维修工作项目比例，两者之和等于1。

修复性维修备件成本CI（CM）=N*IQTY*FRT*TMPY*LC*IPRICE

对于预防性维修，其人力成本与备件成本计算方法分别如下：

预防性维修人力成本CMH（PM）=N*QTY*TMPY（或8760）*LC/MTBM*（MTMH*PMH（OP）+TAT*PMH（MA））

其中，当预防性维修工作项目是基于日历时间时，上式取8760，为一年的日历小时数，否则为TMPY。

预防性维修备件成本CI（PM）=N*IQTY*TMPY（或8760）*LC/MTBM*IPRICE

地鐵车辆的寿命周期维修成本CM=CMH（CM）+CI（CM）+CMH（PM）+CI（PM）

5 制动系统寿命周期维修成本分析示例

某型地铁车辆采购数量为50列，计划使用寿命30年，日行驶时间6小时，运营商与制造商的人力成本单价均为100元/小时，质保期1年。制动系统装车数为2套，其组成和维修相关数据简化如表5至表8所示。

利用上述数据计算制动系统寿命周期维修成本如表9所示：

制动系统按组成部件统计成本在此不再赘述。

6 结语

本研究提出了一个地铁车辆寿命周期维修成本计算模型与相应的数据模板，可用于地铁车辆的寿命周期维修成本分析。该模型的准确性依赖于成本分解结构建模与输入数据的准确性，后续还将对模型不断细化与调整，并通过加强RAMS工作逐步提高故障率等输入数据的准确性。

参考文献

[1] BS EN 60300-3-3：2004 Dependability Managenment-Part 3-3：Application Guide–Life Cycle Costing[S].

[2] Ambika Prasad Patra，RAMS and LCC inRail Track Maintenance[D].Lule-University of Technology，Sweden.

作者简介：牟明明（1982-），女，山东青岛人，中车青岛四方机车车辆股份有限公司工程师，研究方向：轨道车辆RAMS。

（责任编辑：小 燕）