基于精益生產(chǎn)方法的鐵路貨車維修

陳文瑞

摘 要：鐵路調(diào)車場(chǎng)的吞吐量和終點(diǎn)站能直接影響整體鐵路網(wǎng)絡(luò)容量。影響終點(diǎn)站性能的一個(gè)重要因素是檢查和修理軌道車的效率。由于檢查時(shí)間的減少和鐵路樞紐運(yùn)營(yíng)的改善，鐵路車輛檢查自動(dòng)化技術(shù)得到了發(fā)展，因此提高了鐵路樞紐的效率。本研究將精益生產(chǎn)方法應(yīng)用于鐵路貨車維護(hù)過(guò)程，并通過(guò)實(shí)施自動(dòng)化狀態(tài)監(jiān)控技術(shù)，研究消除浪費(fèi)和降低可變性的潛在方法，對(duì)單位列車檢查的潛在影響，并量化了軌道車檢查造成的直接和間接延誤成本。這種分析為使用自動(dòng)化技術(shù)開發(fā)具有成本效益的檢查和維護(hù)策略提供了基礎(chǔ)，并評(píng)估了在提高效率和增加容量方面的潛在好處。

關(guān)鍵詞：精益生產(chǎn);列車檢測(cè);自動(dòng)監(jiān)控

中圖分類號(hào)：U279.3 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

0 引言

在過(guò)去的一個(gè)世紀(jì)里，我國(guó)的列車檢查和維護(hù)實(shí)踐有了很大的發(fā)展。在鐵路運(yùn)輸?shù)脑缙冢瑱z查技術(shù)包括一把錘子用來(lái)“探測(cè)”破裂或破損的車輪，一根粉筆或其他標(biāo)記設(shè)備來(lái)識(shí)別可能有缺陷的汽車，以及一個(gè)用于晚上檢查火車的燈。在這些檢車技術(shù)中，鐵路車輛的安全性和可靠性在很大程度上取決于列車檢查員的精神敏銳度、個(gè)人能力和后期培訓(xùn)。這些檢車方法一直持續(xù)到20世紀(jì)下半葉，當(dāng)時(shí)已開發(fā)了各種技術(shù)來(lái)更有效地檢測(cè)軌道車設(shè)備缺陷。在過(guò)去的幾十年里，我國(guó)在鐵路貨車檢車技術(shù)的開發(fā)和實(shí)施方面投入了大量資金以實(shí)現(xiàn)減少相關(guān)設(shè)備的脫軌和運(yùn)行故障。此外，與當(dāng)前系統(tǒng)相比，這些技術(shù)有可能通過(guò)加強(qiáng)維護(hù)和保養(yǎng)和減少檢查冗余來(lái)提高效率。在當(dāng)前網(wǎng)絡(luò)容量有限和對(duì)可靠服務(wù)需求更大的時(shí)代，提高調(diào)車場(chǎng)和終端效率將變得越來(lái)越重要。本文回顧和評(píng)估了終端操作背景下鐵路貨車檢測(cè)的現(xiàn)狀，并預(yù)測(cè)了與自動(dòng)狀態(tài)監(jiān)控和改進(jìn)維護(hù)策略相關(guān)的潛在優(yōu)勢(shì)。

1 研究動(dòng)機(jī)和背景

早在1925年，鐵路終點(diǎn)站就被認(rèn)為是貨運(yùn)作業(yè)生產(chǎn)率損失的主要來(lái)源。到20世紀(jì)60年代，終點(diǎn)站的效率已經(jīng)成為鐵路工程研究的一個(gè)主要焦點(diǎn)。20世紀(jì)后半葉，隨著鐵路樞紐研究的繼續(xù)，其他行業(yè)的管理技術(shù)也在不斷發(fā)展，以提高生產(chǎn)和制造效率。在2000年，通過(guò)引入精益鐵路建設(shè)，各種生產(chǎn)管理技術(shù)被應(yīng)用于終點(diǎn)站作業(yè)。精益鐵路建設(shè)通過(guò)提高鐵路樞紐的整體能力、效率和資產(chǎn)利用率，提供了一種消除運(yùn)營(yíng)浪費(fèi)的方式。隨著鐵路繼續(xù)利用新的可用技術(shù)和管理策略，精益鐵路建設(shè)的原則可以應(yīng)用于終點(diǎn)站作業(yè)的各個(gè)方面，包括鐵路貨車檢查和維修保養(yǎng)，以進(jìn)一步提高效率。

1.1 精益鐵路運(yùn)輸

精益鐵路運(yùn)輸?shù)母拍钍窃?000年發(fā)展起來(lái)的，是一種提高終點(diǎn)站效率的方法。因?yàn)榉诸惤K端可以被認(rèn)為是生產(chǎn)系統(tǒng)，所以它們的性能可以通過(guò)采用由三種成熟的生產(chǎn)管理技術(shù)組成的集成方法來(lái)提高：精益、約束理論和統(tǒng)計(jì)過(guò)程控制[1]。在本分析中，我們將只關(guān)注精益生產(chǎn)的概念，因?yàn)樗呀?jīng)以精益鐵路建設(shè)的形式應(yīng)用于鐵路終端運(yùn)營(yíng)。

1990年，“精益生產(chǎn)”一詞首次出現(xiàn)在麻省理工學(xué)院的一項(xiàng)研究中。該研究得出結(jié)論，豐田的生產(chǎn)技術(shù)優(yōu)于汽車制造業(yè)的其他競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手[2]。這些發(fā)現(xiàn)有助于推動(dòng)精益方法和其他原則的使用，這些原則首先由豐田公司實(shí)施，并已被世界各地的許多公司采用。雖然類似的原則以前曾在鐵路樞紐中使用過(guò)，但精益技術(shù)的第一次正式應(yīng)用是在2000年代初，由加拿大太平洋鐵路（CPR）站場(chǎng)運(yùn)營(yíng)小組進(jìn)行的。

精益被定義為使用最小緩沖成本生產(chǎn)商品或服務(wù)。過(guò)度緩沖的來(lái)源包括直接浪費(fèi)和可變性。直接浪費(fèi)是不需要的操作的精益術(shù)語(yǔ)。鐵路站場(chǎng)設(shè)置中的示例包括：返工、事故、傷害、車輛損壞、不必要的運(yùn)動(dòng)和不必要的信息收集。大多數(shù)經(jīng)理關(guān)注于減少直接浪費(fèi)，但在減少可變性方面花費(fèi)的精力較少。然而，可變性是浪費(fèi)的一個(gè)基本來(lái)源，因?yàn)樗枰灶~外庫(kù)存、容量或時(shí)間的形式進(jìn)行緩沖。在鐵路站場(chǎng)，過(guò)量庫(kù)存緩沖的來(lái)源包括：燃料需求的可變性、需要維護(hù)的軌道車或機(jī)車的數(shù)量以及所需維護(hù)的范圍。這些緩沖可以以柴油、貨車部件、機(jī)車部件等儲(chǔ)備供應(yīng)的形式出現(xiàn)。列車到達(dá)的可變性和需要維護(hù)的意外缺陷會(huì)導(dǎo)致緩沖能力過(guò)剩，這可能包括額外的調(diào)車場(chǎng)軌道、汽車檢查員或維修人員。最后，到達(dá)時(shí)間、檢查和維修時(shí)間或勞動(dòng)力可用性的可變性可以通過(guò)在列車時(shí)刻表中添加“空閑時(shí)間”來(lái)緩沖。所有這些緩沖都是鐵路站場(chǎng)內(nèi)各種過(guò)程固有的不確定性的結(jié)果，它們以間接浪費(fèi)的形式導(dǎo)致不必要的成本。

德恩伯格制定了在終點(diǎn)站實(shí)施精益鐵路的步驟，包括：消除直接浪費(fèi)、交換緩沖區(qū)、減少可變性和執(zhí)行持續(xù)改進(jìn)。現(xiàn)在正在應(yīng)用精益鐵路建設(shè)的各個(gè)方面來(lái)提高終點(diǎn)站的性能。隨著鐵路不斷尋求改善終端性能，新的方法和技術(shù)將被整合到調(diào)車場(chǎng)系統(tǒng)中，以進(jìn)一步消除浪費(fèi)和減少可變性。改進(jìn)軌道車檢查和維護(hù)實(shí)踐是將精益流程與鐵路終端運(yùn)營(yíng)相結(jié)合的一個(gè)途徑。

1.2 自動(dòng)控制和檢查

首次推廣準(zhǔn)時(shí)制生產(chǎn)概念的豐田生產(chǎn)系統(tǒng)是精益生產(chǎn)概念的前身。除了準(zhǔn)時(shí)制之外，豐田生產(chǎn)系統(tǒng)的一個(gè)主要元素是自動(dòng)控制，或“人性化的自動(dòng)化”[3，4]。正如精益技術(shù)已在更廣泛的意義上應(yīng)用于鐵路終端運(yùn)營(yíng)一樣，自動(dòng)控制原則也可應(yīng)用于軌道車檢查和維護(hù)實(shí)踐，以提高終端性能。如上所述，鐵路終點(diǎn)站可以被視為一個(gè)工業(yè)生產(chǎn)系統(tǒng)。如果被“制造”的產(chǎn)品是由火車提供的高效、安全和可靠的運(yùn)輸，那么列車檢驗(yàn)過(guò)程可以被比作質(zhì)量控制的一種形式。

人和機(jī)器的模型已經(jīng)被用來(lái)產(chǎn)生混合自動(dòng)化，這通常比單獨(dú)的人或機(jī)器表現(xiàn)得更好。總的來(lái)說(shuō)，機(jī)器在執(zhí)行缺陷檢測(cè)（搜索）功能方面更快，而人類在做出關(guān)于缺陷的有效性和/或嚴(yán)重性的決策方面更好。在某些情況下，機(jī)器可以幫助人類做出這些決定。例如，計(jì)算機(jī)視覺系統(tǒng)可以突出顯示數(shù)字圖像中可能存在缺陷的位置，并且操作員將決定突出顯示的部分是否實(shí)際包含缺陷。具有完善檢測(cè)機(jī)制的軌道車檢查系統(tǒng)（例如，車輛識(shí)別系統(tǒng)（WILDs）或自動(dòng)駕駛系統(tǒng)（ABDs））可以進(jìn)行編程，以便計(jì)算機(jī)在出現(xiàn)缺陷的可能性較高，但當(dāng)缺陷可能性較低時(shí)，將由人工檢驗(yàn)員做出決定。

在其他情況下，如機(jī)器視覺技術(shù)，機(jī)器可能不是總能夠做出準(zhǔn)確的決定，所以計(jì)算機(jī)搜索人類決策系統(tǒng)將是最合適的。例如，機(jī)器視覺系統(tǒng)可以識(shí)別出中梁有裂紋。該系統(tǒng)可以標(biāo)記這輛車，突出顯示有問(wèn)題的位置，并允許汽車檢查員目視檢查中梁，并確認(rèn)或拒絕計(jì)算機(jī)的建議。不管系統(tǒng)安排如何，這些技術(shù)有助于使得汽車檢查員將注意力集中在最有可能有部件缺陷的汽車上。

1.3 當(dāng)前列車檢測(cè)情況

在列車離開調(diào)車場(chǎng)或終點(diǎn)站之前，放置在列車上的每節(jié)車廂都必須接受機(jī)械檢查。此外，長(zhǎng)途行駛的列車在行駛1500公里后必須停下來(lái)接受檢查，但如果滿足特殊條件，允許在兩次檢查之間行駛5600公里。當(dāng)列車在終點(diǎn)站組裝后進(jìn)行初始檢查時(shí)，該檢查被稱為初始終點(diǎn)站或一級(jí)檢查，而1500公里的中間檢查被稱為一級(jí)檢查。為了滿足一級(jí)和二級(jí)檢驗(yàn)的要求，鐵路必須高度依賴貨車的人工檢驗(yàn)。目前的軌道車檢查實(shí)踐需要一名車檢員沿著列車的整個(gè)長(zhǎng)度行走或乘坐車輛，目視檢查每輛車兩側(cè)的機(jī)械部件。根據(jù)汽車檢查員的特殊經(jīng)驗(yàn)或能力，這些檢查的效率和效果會(huì)有所不同。由于人工檢查固有的低效率和主觀性，鐵路公司開發(fā)了一些技術(shù)來(lái)增強(qiáng)汽車檢查員的工作。

1.4 自動(dòng)化狀態(tài)監(jiān)控技術(shù)（ACMT）

自20世紀(jì)90年代初以來(lái)，鐵路行業(yè)開發(fā)、安裝和維護(hù)能夠監(jiān)控貨車部件狀況的路旁檢測(cè)系統(tǒng)。本文中稱為自動(dòng)狀態(tài)監(jiān)控技術(shù)（ACMT），這些系統(tǒng)使用各種傳感機(jī)制來(lái)測(cè)量熱、力、聲音和視覺參數(shù)，以監(jiān)控軌道車部件的狀態(tài)。早期的路旁檢測(cè)系統(tǒng)旨在識(shí)別途中有缺陷的部件，以防止軸頸軸承過(guò)熱、拖動(dòng)設(shè)備或其他缺陷導(dǎo)致的脫軌。這些檢查系統(tǒng)對(duì)于防止脫軌是必不可少的，但是由于它們對(duì)缺陷檢測(cè)的反應(yīng)性方法，它們并沒有極大地提高執(zhí)行維護(hù)的效率。然而，以ACMT為代表的新檢測(cè)系統(tǒng)有能力通過(guò)準(zhǔn)確和客觀的狀態(tài)監(jiān)測(cè)促進(jìn)預(yù)防性維護(hù)。

此外也對(duì)軌道車部件進(jìn)行狀態(tài)監(jiān)測(cè)，以便進(jìn)行趨勢(shì)分析和早期檢測(cè)損壞的部件。例如，聲學(xué)軸承檢測(cè)器（ABDs）和卡車性能檢測(cè)器（TPDs）等技術(shù)現(xiàn)在為機(jī)械部門管理人員提供了相關(guān)信息，以便在故障發(fā)生前移除有故障的軸頸軸承或卡車部件。其他能夠監(jiān)控狀況的路旁檢測(cè)系統(tǒng)包括車輪沖擊負(fù)載檢測(cè)器（WILDs）、熱車輪檢測(cè)器（HWDs）、冷車輪檢測(cè)器（CWDs）、卡車蛇行檢測(cè)器（THDs）和車輪輪廓監(jiān)控（WPM）系統(tǒng)。2009年進(jìn)行的一項(xiàng)分析驗(yàn)證了研究、開發(fā)和實(shí)施ACMT的經(jīng)濟(jì)可行性。

雖然通過(guò)減少設(shè)備造成的脫軌和運(yùn)行故障可以立即獲得回報(bào)，但通過(guò)提高終點(diǎn)站效率和提高資產(chǎn)利用率可以實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)期效益。通過(guò)實(shí)施精益鐵路建設(shè)原則，可以做出有關(guān)軌道車檢查和維護(hù)的決策，從而提高調(diào)車場(chǎng)效率并提供全系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)效益。

2 精益在軌道車檢驗(yàn)中的應(yīng)用

使用以下四步流程，將以下精益鐵路建設(shè)原則應(yīng)用到軌道車檢查和維護(hù)實(shí)踐中：消除直接浪費(fèi)、交換緩沖、減少可變性和執(zhí)行持續(xù)改進(jìn)。結(jié)果分析表明，就勞動(dòng)力成本而言，混合的機(jī)器搜索人工決策檢查過(guò)程的使用效率大約是純?nèi)斯z查的九倍。這些結(jié)果雖然僅限于一個(gè)一級(jí)鐵路樞紐，但顯示了顯著減少運(yùn)營(yíng)浪費(fèi)的潛力。雖然道旁檢測(cè)技術(shù)尚未達(dá)到每個(gè)鐵路樞紐都能從混合過(guò)程中受益的水平，但通過(guò)消除對(duì)健康車輛的人工檢查，可以提高大部分檢查的效率。除了這些節(jié)約之外，還可以通過(guò)消除其他形式的浪費(fèi)、適當(dāng)分配緩沖區(qū)和減少可變性來(lái)降低其他成本。

隨著新檢查技術(shù)的開發(fā)和實(shí)施，軌道車維護(hù)流程將需要不斷檢查和改進(jìn)。不管管理者多么努力地追求可變性的減少，它將永遠(yuǎn)存在于生產(chǎn)系統(tǒng)中。因此，鐵路管理層應(yīng)該采取積極的方法來(lái)平衡時(shí)間、庫(kù)存和容量緩沖。隨著維護(hù)過(guò)程變得越來(lái)越具有預(yù)測(cè)性，可以根據(jù)需要訂購(gòu)新的軌道車零件，而不是保留大量未使用的零件。正如豐田的準(zhǔn)時(shí)制生產(chǎn)方法所證明的那樣，這種維護(hù)方法將減少庫(kù)存緩沖。此外，隨著軌道車維護(hù)效率的提高，車輛可用性和資產(chǎn)利用率也將提高。這將允許鐵路公司及其客戶通過(guò)清算未充分利用的軌道車來(lái)回收資本投資成本，或者利用現(xiàn)有的軌道車車隊(duì)尋求新的業(yè)務(wù)。如果鐵路公司選擇減少其車輛車隊(duì)的規(guī)模，通過(guò)移除或合并存儲(chǔ)軌道和降低容量緩沖可以獲得額外的節(jié)約。因此，使用精益原則的改進(jìn)可以對(duì)整個(gè)鐵路網(wǎng)的效率產(chǎn)生重大影響。

3 結(jié)論和討論

與其他制造系統(tǒng)一樣，鐵路站場(chǎng)可以從精益生產(chǎn)方法的應(yīng)用中顯著受益。提出了一種將鐵路精益化應(yīng)用于軌道車檢查和維護(hù)實(shí)踐的方法，該方法采用四步方法：1）消除浪費(fèi);2）交換緩沖;3）減少可變性;4）執(zhí)行持續(xù)改進(jìn)。

為了消除與軌道車檢查實(shí)踐相關(guān)的操作浪費(fèi)，首先，必須全面開發(fā)和集成能夠監(jiān)控所有安全關(guān)鍵軌道車部件的自動(dòng)路旁檢測(cè)系統(tǒng)。這將需要開發(fā)可靠和強(qiáng)大的狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)后，可能會(huì)采用新的法規(guī)來(lái)允許自動(dòng)化技術(shù)來(lái)增強(qiáng)人工檢查，從而形成更有效和高效的混合系統(tǒng)。其次，配備電控空氣（ECP）制動(dòng)系統(tǒng)[5]的列車在進(jìn)行必要的空氣制動(dòng)器檢查之前，允許行駛5 600公里。隨著路旁檢測(cè)系統(tǒng)被進(jìn)一步結(jié)合到鐵路機(jī)械實(shí)踐中，檢查之間的距離可能會(huì)增加和/或單個(gè)檢查的人工需求會(huì)減少。

參考文獻(xiàn)：

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