Defining a Rational Locomotive Maintenance System Considering a Cost-Based Risk Acceptability Threshold

ENG: This study examines a locomotive technical maintenance system, represented as a set of interconnected nodes with a predefined structure of dependent failures. The task addressed is to determine a rational locomotive maintenance system in which the total costs for planned and unplanned repairs are minimal provided that the risk of failures does not exceed the limit level set by the "value at risk" criterion. A risk-oriented mathematical model for the construction of a rational maintenance system has been proposed, in which dependent failures are taken into account by "waves" of failures. An optimization problem has been stated to minimize the total costs for planned and unplanned repairs provided that the risk level is not exceeded. To model dependent failures, a structure of node connections was constructed, which makes it possible to assess the risk of failure of nodes and the system as a whole, taking into account economic consequences. Based on the results from modeling a set of maintenance strategies, a nonlinear nature of change in total costs with an increase in the permissible level of risk was revealed; a ranking of elements by the frequency of the need for repair impact was obtained. This is explained by the redistribution between planned and unplanned repairs when changing the adopted risk threshold. It is shown that taking into account dependent failures increases the cost estimate for the maintenance system compared to the independent failure model by 18–47% depending on the adopted risk threshold. A distinctive feature of the approach is the combination of the “value at risk” criterion with the consideration of dependent failures within a single strategy selection procedure, which provides a comparison of strategies on the “risk-cost” scale. The results of the study could be used when planning the volume and frequency of maintenance and repair of a locomotive fleet. The practical application is to establish the correspondence between the accepted acceptable risk level and a technical maintenance and repair (TM&R) strategy.

UKR: Об’єкт дослідження – система технічного утримання локомотива, поданого як множина взаємопов’язаних вузлів із заданою структурою залежних відмов. Проблема полягає у визначенні раціональної системи утримання локомотива, при якій сумарні витрати на планові та непланові ремонти мінімальні за умови, що ризик відмов не перевищує граничного рівня, заданого критерієм «значення під ризиком». Запропоновано ризик-орієнтовану математичну модель формування раціональної системи утримання, у якій залежні відмови враховано «хвилями» відмов. Сформульовано оптимізаційну задачу мінімізації сумарних витрат на планові та непланові ремонти за умови неперевищення рівня ризику. Для моделювання залежних відмов побудовано структуру зв’язків вузлів, що дозволяє оцінювати ризик відмови вузлів і системи в цілому з урахуванням економічних наслідків. За результатами моделювання для набору стратегій утримання виявлено нелінійний характер зміни сумарних витрат зі зростанням допустимого рівня ризику та отримано ранжування елементів за частотою необхідності ремонтного впливу. Це пояснюється перерозподілом між плановими та неплановими відновленнями при зміні прийнятого порога ризику. Показано, що урахування залежних відмов збільшує оцінку витрат на систему утримання порівняно з моделлю незалежних відмов на 18–47% залежно від прийнятого порога ризику. Відмінною рисою підходу є поєднання критерію «значення під ризиком» з урахуванням залежних відмов у єдиній процедурі вибору стратегії, що забезпечує порівняння стратегій за шкалою «ризик–витрати». Результати дослідження можуть бути використані під час планування обсягів і періодичності технічного обслуговування та ремонту локомотивного парку. Практичне застосування полягає у встановлені відповідності прийнятого допустимого рівня ризику та стратегії ТОіР (технічного обслуговування і ремонту).