以可靠性為中心的維修方法及其在隧道中的應用

王景春，房思思，李曉萌，張偉

（1.石家莊鐵道大學土木工程學院，石家莊050043；2.石家莊鐵道大學大型結構健康診斷與控制研究所，石家莊050043）

一、前言

隨著經濟的快速發展，我國對交通的需求量日益增加，對交通安全的要求也越來越嚴格，且新建交通基礎設施明顯增加。鑒于我國地理形勢嚴峻復雜，使得隧道成為交通事業中主要的發展方向。隨著科學技術的不斷發展，現代化工程結構演變的更加復雜，功能更趨于完善。但在發展過程中許多結構仍面臨著無法避免的影響因素[1]，特別是近些年來隧道“老齡化”凸顯，頻發的交通事故和自然破壞增加了設備故障率，這些因素阻礙了隧道的正常運行。而目前傳統的維修方法常導致大量人員和資源浪費，這給工程結構的維修帶來巨大的經濟損失。我國正從隧道的大范圍建設模式向大范圍維修模式轉變，隧道的維修和管理已成為隧道工程中的一個重要問題。

二、RCM的基本觀點和優勢

（一）RCM的產生與基本內涵

我們將維修大概劃分為三個時段：第一時段是以功能故障修復為主；第二時段主要集中在維修計劃與安排方面；第三時段則關注預防、監測和避免失敗的后果。第三時段的維修從20世紀70年代左右開始，改變了對當時的失敗模式的認識。大量的研究發現[2～4]，條件故障概率與時間有關的比例大概占11%，剩下的89%均與時間無關。這就意味著，以時間為基礎的定時維修并不能處理和完善大多數故障模式。這一結論直接挑戰了傳統的“及時處理故障完全依賴定期預防性維護”的理念，同時刺激了新的維修概念和優化技術的誕生。

以可靠性為中心的維修（reliability centered maintenance，RCM）屬于第三時段具有代表性的維修模式[5～7]。這種維修思想最早起源于美國的民航界，發展已超過半個世紀，其定義在不同的領域有所不同。然而，最主要和最基本的定義是：RCM是一個確定在使用時對有形資產有維護需求的過程。所以，從本質上講它是一種制定決策的分析方法。RCM以風險分析和可靠性方法為基礎，以失效模式和故障后果作為制定維修策略的主要依據，然后以最少的維修資源消耗、運用邏輯決斷分析方法來確定維修內容和方式，并制定出預防維修大綱從而達到優化和延長使用壽命的目的。

（二）RCM的優勢

1.與傳統維修方式的對比

作為一種優化的維修策略，RCM的概念和原理比較系統化，可以為現代企業設備的發展提供科學的指導方法。其在概念及應用上與傳統維護方法存在顯著差異，具體見表1。

2.與其他維修策略的對比

對設備故障原因及其所造成的后果有不同層次的理解將會對應不同的維修方法，如圖1所示。如果對設備故障（模式、現象、概率）、故障原因及其可能造成的后果尚不清楚，只能進行事后修復(BM)和定期維護(TBM)；如果能在設備狀態和變化趨勢上實現監測或定期檢測，便可以實施狀態維修(CBM)；如果已知故障的概率和后果，則可以使用RCM，同時掌握故障機制和故障的初始原因，即可以主動去修理，進行根治維修(RM)。

三、隧道維修現狀

在國民經濟快速發展的大背景下，鐵路作為我國經濟的大動脈，近年來發展空間不斷擴大。我國地理形勢嚴峻復雜，這也給隧道的快速發展提供了更大的平臺和契機。

有相關數據統計，到2015年年底，全國在建的鐵路隧道總共3 784條，總長度為8 692 km，規劃中的隧道總共4 384條，總長度為9 345 km；總共13 411條運營隧道，總長度為13 038 km。2015年新建成通車鐵路隧道1 316條，全長2 160 km，其中18條隧道長度超過10 km，總長245 km [8]。我國已經是世界上隧道規模最大、數量最多和修建技術發展最快的國家，不難看出我國隧道擁有的市場很大。另外，隧道經過一定時期的運行后，需要對其進行維修和養護，然而現有的維修方式大多采用對故障進行逐一排查后再進行修復的模式，這種維修方式效率較低，而且隧道一旦發生故障，將會被迫停止運行或導致更嚴重的后果。鑒于這些原因，一個新的運營理念引起研究者的關注，這就是以可靠性為中心的維修。

表1 RCM與傳統維護方法的比較

圖1 基于對設備了解程度的不同維修方式

（一）隧道監控系統維修現狀

對運營隧道監控系統進行維修和保養，重點工作在于對隧道內各類設施和隧道整體運行狀態的安全監視、監測和隧道必要的通信設施，及相應的系統設備的監測和故障應急管理。

隧道監控系統對整個隧道的正常運行起著關鍵性的作用，在隧道運行過程中相當于一個管理者。未能有效地解決或及時修理相關設施或系統，會導致城市地區交通的混亂。因此，最終的目標和主要原則就是有效地預防和處理好隧道監控系統。

2013年，廈門市的一場暴雨導致了梧村隧道發生洪水，這次災害造成了3 h的交通堵塞。2017年，北京北站地下隧道由于暴雨導致上下行線近1 km區域內的道路全部被淹，隧道高4.5 m，淹水水位距離隧道頂端約1.5 m，此次事故還導致了北京城區部分路段斷交。還有很多這樣的隧道事故，都帶來了嚴重的經濟損失甚至人身傷害。造成這些損失的原因不單是自然災害，設備無法良好運行、預防及應急措施不到位等也是其中很重要的原因。所以，隧道內各類設備的良好維護對隧道的正常運行發揮著極其重要的作用。

（二）隧道監控系統維修中存在的問題

常見的隧道監控設備有較強的隱蔽性，它相比較于其他設備存在很多特殊的地方，大部分采用傳統隧道監控系統的維護方法：終端產品和設備的維修和保養，設備和產品的預定報廢，以及在一定年限之后進行的改善和維護。這種方法基本上是被動的，沒有針對性的維護。在日常生產過程中，維修人員只針對 “看得見” 的設備發生破壞的地方進行維修，而不是進行定期的系統性的檢測和維修。此外，對于沒有經任何相關的檢查和維護的內部功能設備的“隱形”系統，僅根據傳統的使用經驗和設備使用壽命進行單一定期維修，這樣沒有考慮到設備實際運行情況。然而改進的維護也并不具有針對性，沒有考慮到監控系統使用條件和實際情況，僅僅依靠傳統的經驗。該方法不能有效避免損失，而且未能識別出隱蔽故障，需要花費很長的時間去檢查和維護。當系統發生不能避免的功能性缺陷，甚至很嚴重的故障后果時，例如，系統癱瘓，維修人員將沒有具體策略和有效措施去應對。

四、隧道RCM分析

隧道監控系統可以確保行車安全和避免交通事故的發生，有效的減輕城市交通壓力。將RCM的分析方法引入到隧道中去，可以使其發揮更重要的作用。

（一）隧道監控RCM分析過程

對隧道監控系統進行RCM分析，要從以下六個方面入手：①故障信息的采集；②故障模式的分析；③明確故障原因；④故障影響及后果的評估；⑤制定維修策略；⑥根據已有經驗數據不斷更新優化策略庫。

只有非常清楚其定義和理解隧道內各種設施的功能和故障，才能對上述六個方面進行詳細的描述。要做到這一點，需要我們找到所有設備的故障模式，把它們按照造成影響的嚴重程度依次進行分類和排序，根據排序結果決定是否采取預防措施以及采取何種預防措施來對付故障。這就是故障模式及影響分析（FMEA）。一般流程的RCM分析具體如圖2所示[9,10]。

（二）隧道RCM故障分析

在進行隧道RCM分析時，首先要識別故障模式，然后對其可靠性進行一定的分析才能做到有效的維修管理。下面以具體的隧道風機分析為例進行闡述。

平均故障時間（MTBF）是指在一段時間內，平均每兩次失效模式的平均時間。

根據風機在隧道內的運行情況，該風機在運行的3 000 h內，總共發生了4次故障，根據公式（1）可得平均故障時間為：

假設該風機的故障率符合指數分布規律，

那么它的可靠度為：

式（3）中，f(t)為風機故障率分布函數；λ為風機在一定時間內發生故障的次數；t為風機運行時間。

如果該風機的可靠度要求達到80%，即R(t) =0.8，那么根據公式（3）可得：

圖2 RCM分析的一般流程

從以上分析可以看出，如果風機的可靠度要求達到80%，那么風機檢修周期應該保持在167 h左右。將該風機運行時間與隧道監控平臺對接，在達到此檢修周期時，系統會自動提示工作人員進行隧道維修。

五、隧道引入RCM的應用和效益

雖然在前期工作中付出了很多的時間和精力，但后期得到的回報將遠大于之前的投資。RCM的引入在一定程度上削減了各種類型的費用，包括設備維修費、設備報廢和再采購費，以及人事費。隧道維修策略得以優化[11～13]，改造維修過程變得更加有規劃性和目的性。

（一）成本降低

引入RCM可以降低維修成本，主要體現在兩個方面。一方面，通過RCM制定出得到優化的策略，這樣減少了日常項目維修需要的經費，同時也延長了維修需要的時間間隔；另一方面，為了保證整個系統的穩定性，降低大型設備故障率及維修成本，增加了一些配件或小配件的定期保養。表2為南京某隧道引入RCM管理前后維修費用對比結果。

（二）安全性提高

這里所指的安全性提高主要體現在兩個方面，一是保障了行車人員的安全，二是增強了城市環境的安全。在引入RCM后，隧道可以保證系統的穩定運行，防止因隧道故障導致的特殊故障或自然災害造成的經濟損失或人身傷害[14]。RCM的引入使隧道可以正常運行，保障了道路的順利通行，減緩了地面行車壓力，減少了廢氣污染物的排放，有利于城市環境保護，同時也減少了環境污染對市民健康的影響。

（三）社會效益增長

交通擁堵會給國家帶來巨大的經濟損失，2012年《人民日報》刊登的一篇文章表明：“交通擁堵造成的影響可以使中國15個城市每天損失10億元。”文章通過對隧道設備進行故障模式和可靠性分析，得到當設備風機可靠性達到一定程度時所需要的維修周期，在這個周期內進行維修大大降低了設備故障發生概率和設備的損壞率，使隧道設備基本處于良好的操作環境，這無疑緩解了地上交通的壓力。另外，當隧道引入RCM對設備故障進行分析后，可通過具體情況制定出最優維修策略確保隧道正常運行，給公民營造了一定程度的安全感，經濟損失也明顯下降。

表2 優化維修前后總費用對比

六、結語

RCM是一種極具現代化的維修管理模式，相比較于其他的傳統維修方法，其優勢在各個領域都已被證實。它的實用、科學、專業、高效的特點也是未來維修管理模式發展的必然趨勢，也是唯一的出路。筆者結合我國隧道維修現狀和實際工程中遇到的問題，創新性地將可靠性理念運用其中，對隧道的維修提出了一套切之可行的管理模式。目的是在有限的資源下，提供對隧道更為有利的管理、維修和運營。相信隨著國內功能性隧道的逐漸普及，RCM的高效性和實用性將有更大的發展空間。

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