隧道機(jī)電設(shè)備檢測評價方法

引言

機(jī)電設(shè)備在正常使用一定年限后會出現(xiàn)性能明顯下降或不穩(wěn)定現(xiàn)象，由于公路隧道機(jī)電系統(tǒng)設(shè)備多數(shù)在外場7X24小時不間斷運(yùn)行，更易導(dǎo)致機(jī)電系統(tǒng)硬件設(shè)備老化、性能下降,因此對隧道機(jī)電設(shè)備運(yùn)行情況的科學(xué)評價是公路運(yùn)管部門需要研究的重點課題。定期對機(jī)電設(shè)備檢測可以了解機(jī)電設(shè)備的運(yùn)行狀況，通過設(shè)備維護(hù)保養(yǎng)等方法可以極大地延長機(jī)電設(shè)備的使用壽命，保證隧道機(jī)電設(shè)備的正常工作能力，從而最大限度地保障公路的行車安全與道路暢通。

不僅如此，隧道機(jī)電設(shè)備運(yùn)營檢測還是隧道機(jī)電系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)及功能優(yōu)化升級與擴(kuò)容的需要。在隧道機(jī)電系統(tǒng)建設(shè)的初期，側(cè)重于滿足基本運(yùn)管需求，建設(shè)規(guī)模較?。划?dāng)隧道機(jī)電系統(tǒng)達(dá)到一定規(guī)模以后，需要在原有的系統(tǒng)上增加或調(diào)換設(shè)備，如果對機(jī)電設(shè)備運(yùn)行情況不了解，則會導(dǎo)致機(jī)電系統(tǒng)資源規(guī)劃失調(diào)，給機(jī)電系統(tǒng)的穩(wěn)定、高質(zhì)量的運(yùn)行帶來一定的隱患。

1檢測評價方法

1.1研究基礎(chǔ)

我國公路隧道建設(shè)事業(yè)起步較晚，但我國公路交通工程方面的工作經(jīng)過近二十年的研究和實踐，已積累了豐富的經(jīng)驗,交通部先后組織編寫、制定、完善了大量的標(biāo)準(zhǔn)、規(guī)范和技術(shù)條件。這些標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范對確定我國公路交通工程及沿線設(shè)施的設(shè)置規(guī)模、制式和方式，提高我國交通工程設(shè)施的設(shè)計水平、施工水平和產(chǎn)品開發(fā)都起到了極大的推動作用，產(chǎn)生了極大的社會經(jīng)濟(jì)效益。但從這些標(biāo)準(zhǔn)、規(guī)范所涉及的領(lǐng)域和涵蓋的范圍來看，還不夠全面和完善。目前已頒布實施的國家、行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)、規(guī)范和正組織編寫的標(biāo)準(zhǔn)、規(guī)范，其內(nèi)容主要涉及交通工程的規(guī)劃、設(shè)計、施工及相關(guān)機(jī)電產(chǎn)品的技術(shù)開發(fā)和研制。在交通工程項目所包含的交通安全設(shè)施、收費(fèi)系統(tǒng)、通信系統(tǒng)和監(jiān)控系統(tǒng)四大部分中，除關(guān)于交通安全設(shè)施部分的質(zhì)量檢驗標(biāo)準(zhǔn)、規(guī)范較為全面和完善外，有關(guān)收費(fèi)、通信、監(jiān)控系統(tǒng)方面的工程質(zhì)量檢驗標(biāo)準(zhǔn)、規(guī)范則幾乎是空白。不僅如此，國內(nèi)隧道檢測研究相關(guān)論文也大多數(shù)側(cè)重于土建方面及交工/竣工檢測方面，對于隧道機(jī)電運(yùn)營檢測涉獵較少。

在國外的有關(guān)資料中，也未發(fā)現(xiàn)成套的交通工程機(jī)電系統(tǒng)工程質(zhì)量檢驗評定標(biāo)準(zhǔn)。只是在美國運(yùn)輸部聯(lián)邦公路總署《交通控制系統(tǒng)手冊》、日本道路公團(tuán)《日本高等級公路設(shè)計規(guī)范》、美國運(yùn)輸工程研究所《交通信號設(shè)計手冊》等文獻(xiàn)中發(fā)現(xiàn)有少量的描述。

在隧道檢測實踐方面，國內(nèi)一部分隧道機(jī)電設(shè)備檢測主要依靠交通機(jī)電工程檢測，包括：機(jī)電產(chǎn)品企業(yè)生產(chǎn)能力的檢驗、出廠驗收、工程施工現(xiàn)場檢驗、交工驗收檢測和竣工驗收檢測等各項方法。隧道運(yùn)營檢測采用設(shè)備運(yùn)營情況作為評價指標(biāo)，即該設(shè)備能進(jìn)行正常工作即為優(yōu)，不能正常工作即為差。這種評價方法在以下幾個方面還需提升：

應(yīng)能定量化描述設(shè)備工作能力；

應(yīng)能動態(tài)地描述設(shè)備在不同工作時間跨度下的工作

能力，即剛投入運(yùn)行的設(shè)備與數(shù)年連續(xù)工作的設(shè)備評價結(jié)果不同；

（3）現(xiàn)有評價指標(biāo)為檢測時間點的靜態(tài)結(jié)果，沒有涉及設(shè)備將來工作能力，不能全面掌握設(shè)備運(yùn)行情況。

因此，當(dāng)評判設(shè)備工作能力時，不僅需要考慮靜態(tài)檢測結(jié)構(gòu)，還需考慮設(shè)備在未來一段時間之內(nèi)的工作能力變化趨勢。若設(shè)備此時工作能力為優(yōu)，則需要根據(jù)未來工作年限對結(jié)果再進(jìn)行修正，使評價指標(biāo)可以描述機(jī)電設(shè)備在一定的運(yùn)行年限中的運(yùn)行狀況。

下面對設(shè)備運(yùn)行功能特性及“浴盆曲線”進(jìn)行分析，結(jié)合作者從事隧道運(yùn)營檢測及評定的工作實踐，對公路隧道機(jī)電系統(tǒng)檢測的質(zhì)量評定方法進(jìn)行分析和討論，以建立一種科學(xué)的公路隧道機(jī)電設(shè)備檢測及評定方法。

1.2評價原理

在文章中，將隧道機(jī)電設(shè)備評價進(jìn)行階段性劃分，第一步是對隧道機(jī)電設(shè)備運(yùn)行工作情況進(jìn)行分析，第二步是對隧道機(jī)電設(shè)備運(yùn)行情況進(jìn)行修正優(yōu)化。本文將隧道機(jī)電設(shè)備在某一點的工作能力稱為“工作狀態(tài)”，對機(jī)電設(shè)備工作能力的修正量稱為“工作能力修正參數(shù)”。這兩類參量中，“工作狀態(tài)”指的是隧道機(jī)電設(shè)備在當(dāng)前的工作情況，稱為現(xiàn)性（now）；“工作能力修正參數(shù)”是隧道機(jī)電設(shè)備在將來正常運(yùn)行的能力，稱為勢性（future）。這兩類指標(biāo)根據(jù)隧道機(jī)電設(shè)備的性能-時間曲線進(jìn)行具現(xiàn)化，達(dá)到評價隧道機(jī)電設(shè)備功能特性的目標(biāo)。

評價機(jī)電設(shè)備功能特性即評價機(jī)電設(shè)備能否正常工作，若能正常工作則代表其無功能故障，因此要研究的功能特性，首先應(yīng)從機(jī)電產(chǎn)品故障率入手。

圖1顯示了機(jī)電設(shè)備故障率與時間對應(yīng)的壽命曲線，又稱為“浴盆曲線”。

從圖1中可以看出，機(jī)電壽命特性曲線分為三部分:早期故障期、T1偶發(fā)故障期、T2耗損故障期。

To早期故障期：機(jī)電設(shè)備從投入使用到晚時刻為止，該階段特點是開始時故障率較高，但隨著運(yùn)轉(zhuǎn)時間的增加，故障率又很快下降，進(jìn)入故障恒定階段；

T偶發(fā)故障期：機(jī)電設(shè)備從t1時刻運(yùn)轉(zhuǎn)到t2時刻這一階段的故障率最低，而且故障恒定。一般情況下這一階段不會發(fā)生故障或由于某些原因發(fā)生少量故障。在這段時間內(nèi)，可能由于零件的強(qiáng)度降低及使用載荷的增高等情形造成超負(fù)荷損壞,因此該階段應(yīng)合理使用、加強(qiáng)維修保養(yǎng)，延長使用壽命；

T2耗損故障期：當(dāng)機(jī)電設(shè)備使用到3時刻后，故障率再度升高，這是由于零件磨損、材料疲勞等過程引起的。在此階段為了保證機(jī)電設(shè)備的正常運(yùn)行，應(yīng)該及時維修或更換。

據(jù)圖1的分析可以得出隧道機(jī)電設(shè)備功能特性與時間的關(guān)系曲線如圖2所示。該曲線可根據(jù)機(jī)電設(shè)備的運(yùn)行情況分為磨合、穩(wěn)定、老化3個時間段：磨合期時間長度較短，不作為運(yùn)營檢測考慮范圍；穩(wěn)定期設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)良好；老化期設(shè)備故障增多，工作能力急劇降低。在老化點之后，設(shè)備無法完成正常功能,此時其工作狀態(tài)為差。在機(jī)電設(shè)備評價方法中，“工作能力修正參數(shù)”即是在設(shè)備在能完成正常工作的前提下（穩(wěn)定期、老化期時間段內(nèi)），機(jī)電設(shè)備的修正參量。

在圖2中，磨合期雖然存在早期故障，但磨合階段是由于設(shè)備運(yùn)行逐漸適應(yīng)系統(tǒng)而產(chǎn)生的，因此,認(rèn)為設(shè)備損耗增加,但其功能會有略微提升。

影響機(jī)電設(shè)備功能的因素是現(xiàn)性，影響將來可用性的因素主要為勢性，兩者的綜合即是設(shè)備的可用性。穩(wěn)定期內(nèi)設(shè)備可用性較高；老化期內(nèi)影響可用性的因素主要為現(xiàn)性，且當(dāng)現(xiàn)性取最大值時（機(jī)電設(shè)備報廢時），可用性為最小。

1.3評價方法

為了評價方便，可將現(xiàn)性、勢性進(jìn)行簡化，并用三角合成法將其與可用性進(jìn)行聯(lián)系。具體方法為：將機(jī)電設(shè)備開始運(yùn)行點設(shè)為原點，將其工作狀態(tài)分為時間維和狀態(tài)維兩個維度，時間維代表了其工作延續(xù)的時間、狀態(tài)維代表其工作狀態(tài)衰減。機(jī)電設(shè)備評價的三角合成法如圖3所示。

如圖3所示可知：現(xiàn)性直線角度的大小即代表機(jī)電設(shè)備運(yùn)行特性，在穩(wěn)定區(qū)間內(nèi)，功能恒定；在老化區(qū)間內(nèi)，角度越大功能特性越差；勢性直線角度的大小即代表機(jī)電設(shè)備功能完成能力特性，單位時間內(nèi)角度變化越大，功能特性老化程度越嚴(yán)重；合成直線角度的大小即代表一段時間內(nèi)機(jī)電設(shè)備功能特性，穩(wěn)定性區(qū)間內(nèi)，角度越大則可用時間越長，功能特性越好；在老化區(qū)間內(nèi)，角度越大功能特性越差。

但應(yīng)注意的是：現(xiàn)性終點仍為檢測時，機(jī)電設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)需要根據(jù)其運(yùn)行時間確定，取點時應(yīng)避開磨合期；第二，勢性終點需根據(jù)隧道環(huán)境及設(shè)備運(yùn)行等實際情況確定機(jī)電設(shè)備繼續(xù)工作時間，超過報廢點的，認(rèn)為其不能完成工作任務(wù)；第三，為了保證在實際運(yùn)用中不出現(xiàn)兩條合成直線角度相同而引起的一值多義現(xiàn)象（如圖4所示，合成直線C角度相同），可將坐標(biāo)軸進(jìn)行平移，平移后的起始點應(yīng)在磨合期和穩(wěn)定運(yùn)行期結(jié)合點處（即忽略磨合期對隧道機(jī)電設(shè)備的影響），圖5所示是優(yōu)化后的三角合成法。

優(yōu)化后，根據(jù)分析可知，現(xiàn)性直線角度隨著時間增加,先穩(wěn)定處于0°（穩(wěn)定期內(nèi)），后增加至極限值（報廢點處）,即加＜如時,Ml＜0A2；勢性直線特性根據(jù)現(xiàn)性直線的終點及繼續(xù)工作時間長短而定，當(dāng)繼續(xù)工作時間一定時，勢性直線角度隨著現(xiàn)性直線終點的變化而逐漸增加，即加＜如時，編＜0B2；合成直線隨著現(xiàn)性直線角度和勢性直線角度的增加而增加。

1.4評價指標(biāo)等級劃分

以該類方法得到的機(jī)電設(shè)備評價指標(biāo)可根據(jù)機(jī)電設(shè)備功能進(jìn)行分級，明確各不同狀態(tài)下機(jī)電設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)?？紤]到在報廢點之后，機(jī)電設(shè)備已不能完成正常工作，因此，修正曲線上報廢點可作為判定機(jī)電設(shè)備功能的輔助點。圖6所示是現(xiàn)性直線變化圖。

現(xiàn)性直線從A到A'時，角度逐漸增大，機(jī)電設(shè)備性能逐漸減小，設(shè)最大張角為α。則會出現(xiàn)如圖7所示的勢性直線變化圖。

在一定時長內(nèi)，勢性直線的角度隨著現(xiàn)性直線長度的增加而增加，從B到B'角度逐漸增大，機(jī)電設(shè)備可用能力逐漸減小，角度從β（設(shè)為最小張角）逐漸增大，角度極限值為功能特性曲線在報廢點處斜率的反正切值β'（設(shè)為最大張角）。圖8所示是可用性直線變化曲線。

設(shè)備可用性直線從C到C'變化時，角度逐漸增大，機(jī)電設(shè)備性能逐漸降低，設(shè)最大張角為γ，則可以得到如表1所列的機(jī)電設(shè)備性能分級表。

由表1可知，當(dāng)情況1出現(xiàn)時，設(shè)備運(yùn)行優(yōu)良；當(dāng)4、6、10、12等情況出現(xiàn)時，機(jī)電設(shè)備運(yùn)行良好；當(dāng)出現(xiàn)13、14、15情況時，機(jī)電設(shè)備運(yùn)行能力差。由于機(jī)電設(shè)備評價時采用的均為單值增加的三角函數(shù)，因此還可對角度進(jìn)行歸一化處理，以百分制定量評價機(jī)電設(shè)備的運(yùn)行狀況。考慮到數(shù)據(jù)的簡易型及易用性，因此可將功能衰減度進(jìn)行適當(dāng)修正，使得歸一化值計算及使用方便。

2方法特點

該方法具有以下特點：

（1）現(xiàn)性和勢性的定義是符合機(jī)電設(shè)備性能曲線的，矢量化處理在一定程度上描述了機(jī)電設(shè)備運(yùn)行發(fā)展的趨勢，符合實際情況；

（2）采用三角合成法而不是雙因子平方和等計算方式主要是考慮到現(xiàn)性和勢性并不是相互獨(dú)立的，機(jī)電設(shè)備當(dāng)前的工作狀態(tài)及已經(jīng)工作的時間長度對其之后的工作能力有著較大影響；

（3）將以往機(jī)電設(shè)備性能的經(jīng)驗性簡單定性評價方法進(jìn)行優(yōu)化，本方法基于大量統(tǒng)計數(shù)據(jù)匯集而成的浴盆曲線進(jìn)行分析，數(shù)據(jù)支持有力；

（4）該方法可進(jìn)行定性評價及定量評價，方式靈活；

（5）根據(jù)大樣本分析得到的機(jī)電設(shè)備功能特性曲線在一定程度上代表了隧道機(jī)電設(shè)備運(yùn)營養(yǎng)護(hù)情況，因此用此種方法分析時，可以不必考慮隧道機(jī)電設(shè)備運(yùn)營養(yǎng)護(hù)情況下曲線的再次修正；

（6）本方法不僅可用于隧道機(jī)電設(shè)備檢測，還可延伸拓展至其他機(jī)電設(shè)備檢測。

本方法的不足之處有兩點：一是本方法立足于隧道機(jī)電設(shè)備運(yùn)營評價，因此，在統(tǒng)計學(xué)的大樣本分析中是成立的，但由于功能特性曲線是大量機(jī)電設(shè)備長時間實驗得出的統(tǒng)計性結(jié)果，單個機(jī)電設(shè)備運(yùn)行情況可能與其略有差異，這樣就無法精確預(yù)測某一特定機(jī)電設(shè)備工作的能力；其二，由于同一設(shè)備不同廠家生產(chǎn)的產(chǎn)品功能特性不盡相同，因此導(dǎo)致各類產(chǎn)品的浴盆曲線也不相同，但考慮到在同樣的安裝環(huán)境與安裝要求下，同一類設(shè)備的功能特性區(qū)別不大，因此在精度要求不太高時，可以利用同一浴盆曲線對同類設(shè)備中的不同產(chǎn)品進(jìn)行比較。

3實例分析

在某隧道的29個風(fēng)機(jī)中，取樣12個進(jìn)行檢查，風(fēng)機(jī)使用年限為10年，已經(jīng)使用了5年，預(yù)期再使用4年。則可得到如圖9所示的設(shè)備性能曲線圖。

考慮到縱軸跨度設(shè)置過大時不適合計算及數(shù)據(jù)使用，因此可對功能衰減值進(jìn)行5級劃分，報廢時縱軸坐標(biāo)為5。由圖可知A直線角度為0°，B直線角度為arctan0.9375=43.15。,C直線角度為arctan5/12=22.61°。由設(shè)備分級表可以看出,線性為優(yōu)，勢性為良，可用性直線則代表在預(yù)期的9年之內(nèi),設(shè)備的功能特性為良。

若要進(jìn)行歸一化處理，則需對極限值進(jìn)行劃分，考慮到檢測目的主要是設(shè)備此時的功能特性及在預(yù)期時間范圍內(nèi)的可用性，因此，在這個例子中，僅需了解現(xiàn)性及可用性即可。表2給出了隧道機(jī)電設(shè)備檢測值的歸一化表。

該結(jié)果表明，該隧道風(fēng)機(jī)運(yùn)行情況優(yōu)良，在預(yù)期的9年之內(nèi)，設(shè)備功能特性良好，但是已接近報廢邊緣，建議根據(jù)設(shè)備運(yùn)行情況及時養(yǎng)護(hù)或更換設(shè)備。

4結(jié)語

本文從機(jī)電設(shè)備運(yùn)行實際情況出發(fā)、基于大樣本功能特性曲線對機(jī)電設(shè)備的運(yùn)行狀況及工作能力進(jìn)行分析，并提出了基于現(xiàn)性和勢性的三角合成法及相應(yīng)的評價指標(biāo)作為機(jī)電設(shè)備檢測方法。本方法在判定設(shè)備評價方面有其優(yōu)點也有其局限性，但在現(xiàn)今的機(jī)電設(shè)備檢測評價環(huán)境下，還是具有一定的實際意義的。在實際工程中也可與機(jī)電設(shè)備聯(lián)網(wǎng)檢測技術(shù)等方法聯(lián)合使用，較為全面準(zhǔn)確地評判機(jī)電設(shè)備。基于現(xiàn)有成果,在下一步工作中，還需要完善評價方法、重構(gòu)評價體系，對評價方法進(jìn)行深一步的分析和優(yōu)化。

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