申喜芹，王亞暉，祝日星，許宏科

(1.河南省交通運(yùn)輸廳高速公路少林寺至新鄉(xiāng)管理處， 鄭州　450000； 2.長安大學(xué)， 西安　710064)

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高速公路機(jī)電設(shè)備升級改造條件研究

申喜芹1，王亞暉1，祝日星2，許宏科2

(1.河南省交通運(yùn)輸廳高速公路少林寺至新鄉(xiāng)管理處， 鄭州450000； 2.長安大學(xué)， 西安710064)

摘要：運(yùn)用模糊評價法，綜合考慮高速公路機(jī)電設(shè)備的使用壽命、故障率、工作環(huán)境、重要性、維護(hù)成本和難度等因素確定其升級改造條件，并提出相應(yīng)的升級改造方案，以有效降低高速公路機(jī)電系統(tǒng)的運(yùn)營成本，提高運(yùn)行可靠性，增加無故障運(yùn)營時間。

關(guān)鍵詞：高速公路；機(jī)電設(shè)備；升級改造；模糊綜合評價法

隨著我國高速公路的飛速發(fā)展，高速公路機(jī)電系統(tǒng)規(guī)模也在不斷擴(kuò)大。作為高速公路正常運(yùn)營的基本保障，機(jī)電設(shè)備對于高速公路的服務(wù)品質(zhì)、不間斷運(yùn)營起著舉足輕重的作用。然而，隨著使用年限增加，高速公路機(jī)電設(shè)備由于磨損、老化等原因，必然存在使用性、穩(wěn)定性、技術(shù)性和經(jīng)濟(jì)性等下降的問題，從而給高速公路的高效運(yùn)營帶來嚴(yán)重影響[1]。目前高速公路機(jī)電設(shè)備升級改造缺乏可參照的標(biāo)準(zhǔn)和依據(jù)，導(dǎo)致設(shè)備升級改造不及時或過頻等不合理問題[2-3]。本文提出高速公路機(jī)電設(shè)備升級改造的科學(xué)依據(jù)，其可有效解決上述問題，使高速公路正常高效地運(yùn)營。

1高速公路機(jī)電設(shè)備壽命周期分析

機(jī)電設(shè)備壽命周期指設(shè)備從開始投入使用起，到其功能喪失或不能滿足需求而最終退出使用的總時間。高速公路機(jī)電設(shè)備使用壽命和故障率常作為其退出使用的衡量標(biāo)準(zhǔn)，同時也是升級改造的重要決策依據(jù)之一。

1.1高速公路機(jī)電設(shè)備使用壽命綜合預(yù)測

本文主要對高速公路機(jī)電設(shè)備的物理壽命和經(jīng)濟(jì)壽命進(jìn)行分析，以綜合預(yù)測其使用壽命[4]。

1.1.1機(jī)電設(shè)備物理壽命

高速公路機(jī)電設(shè)備物理壽命確定主要有如下2種方法：1) 由設(shè)備制造商給出。對常年生產(chǎn)某一設(shè)備的制造商來說，其擁有多年的生產(chǎn)經(jīng)驗和大量的數(shù)據(jù)累積，以及用戶的反饋信息，可以確定其設(shè)備壽命。對于其新研制的設(shè)備，其也可根據(jù)同型號設(shè)備的特點(diǎn)對新設(shè)備物理壽命作出較為準(zhǔn)確的估計。2) 利用Delphi Method對設(shè)備壽命進(jìn)行預(yù)測，即向相關(guān)專家、經(jīng)驗豐富的維護(hù)技術(shù)人員或長期使用者了解設(shè)備及其主要零部件的有關(guān)背景材料，根據(jù)經(jīng)驗對設(shè)備壽命進(jìn)行評估，并將所有人的意見進(jìn)行反復(fù)評估和綜合歸納，直至結(jié)果趨于一致后，再統(tǒng)計并得出設(shè)備物理壽命的最終預(yù)測結(jié)果。

1.1.2機(jī)電設(shè)備經(jīng)濟(jì)壽命

1) 最小年平均費(fèi)用法。

高速公路機(jī)電設(shè)備使用初期運(yùn)行費(fèi)用較低，隨著時間遞延，設(shè)備逐漸陳舊，維護(hù)修理等費(fèi)用逐漸增加，設(shè)備運(yùn)行費(fèi)用和持有成本呈反方向變化，當(dāng)運(yùn)行費(fèi)用和持有成本之和最小時，即為設(shè)備使用的經(jīng)濟(jì)壽命[5]，如圖1所示。

圖1　 機(jī)電設(shè)備的經(jīng)濟(jì)壽命

機(jī)電設(shè)備年平均費(fèi)用由其年均運(yùn)行維護(hù)費(fèi)和年購置費(fèi)組成，可由下式表示：

(1)

式中：Ct為機(jī)電設(shè)備年平均費(fèi)用；t為設(shè)備使用年限；A為設(shè)備購置費(fèi)；Mj為設(shè)備第j年運(yùn)行維護(hù)費(fèi)；Lt為設(shè)備第t年末年時的殘值。當(dāng) Ct取得最小值時，設(shè)備使用年限t0即為設(shè)備的經(jīng)濟(jì)壽命。

2) 低劣化數(shù)值法。

隨著使用時間延長，高速公路機(jī)電設(shè)備綜合磨損不斷加劇，性能不斷下降，其運(yùn)行維修費(fèi)用會相應(yīng)增加，這種現(xiàn)象稱為設(shè)備低劣化[6]。若根據(jù)統(tǒng)計資料預(yù)測其低劣化程度的數(shù)值，則平均每年的設(shè)備費(fèi)用為：

(2)

式中：C為設(shè)備年使用費(fèi)用；i為資金年利息率；B為設(shè)備1年的正常運(yùn)轉(zhuǎn)費(fèi)。

(3)

用低劣化數(shù)值法計算設(shè)備的經(jīng)濟(jì)壽命時，每年的低劣化值λ是給定的，但實際應(yīng)用中很難做到，且通常低劣化值并非嚴(yán)格的線性增長，因此可將每年的低劣化值折現(xiàn)后取其平均值，并將其作為計算公式中的λ值。

1.1.3機(jī)電設(shè)備使用壽命綜合預(yù)測

機(jī)電設(shè)備的物理壽命tp既可以由設(shè)備制造商給出，也可以由Delphi Method得出，或綜合這2種方法來獲取。經(jīng)濟(jì)壽命te同樣可以由最小年平均費(fèi)用法計算，也可以由低劣化數(shù)值法計算，或由這2種計算結(jié)果的平均值作為最終結(jié)果。本文綜合考慮機(jī)電設(shè)備的物理壽命和經(jīng)濟(jì)壽命，加權(quán)求和得出其使用壽命T：

T=ωptp+ωete

(4)

式中：ωp和ωe分別為設(shè)備物理壽命和經(jīng)濟(jì)壽命的權(quán)重，其需要大量統(tǒng)計數(shù)據(jù)來確定?？紤]到機(jī)電設(shè)備的物理壽命由經(jīng)驗累積得出，且一般長于經(jīng)濟(jì)壽命，而經(jīng)濟(jì)壽命與設(shè)備的物理特性、技術(shù)進(jìn)步速度、設(shè)備環(huán)境變化等都有一定關(guān)聯(lián)，高速公路運(yùn)營也應(yīng)符合經(jīng)濟(jì)效益最大化原則[7-8]，且物理壽命和經(jīng)濟(jì)壽命對設(shè)備使用壽命的影響程度存在不平衡性，所以ωp和ωe可用 Pareto Principle (80/20法則)進(jìn)行確定，即為保證高速公路機(jī)電設(shè)備的可靠性和經(jīng)濟(jì)性，ωp和ωe分別設(shè)定為20%和 80%。

使用壽命的綜合預(yù)測模型如圖2所示。

圖2　使用壽命的綜合預(yù)測模型

1.2高速公路機(jī)電設(shè)備故障率

高速公路機(jī)電設(shè)備故障率指工作到某時刻尚未失效的設(shè)備，在該時刻后單位時間內(nèi)發(fā)生失效的概率。故障率研究中，實踐證明大多數(shù)高速公路機(jī)電設(shè)備從投入使用到報廢為止的整個壽命周期內(nèi)，其可靠性變化呈一定規(guī)律，服從浴盆曲線，可分為早期故障期、偶發(fā)故障期和損耗故障期3個階段，如圖3所示。

圖3　設(shè)備壽命周期的故障率曲線

機(jī)電設(shè)備經(jīng)長期使用后到達(dá)損耗故障期，設(shè)備零部件逐漸出現(xiàn)老化、磨損、腐蝕及疲勞現(xiàn)象，設(shè)備壽命逐漸衰竭，處于故障頻發(fā)狀態(tài)，故障率急速增加。此時應(yīng)對設(shè)備進(jìn)行及時升級改造。高速公路機(jī)電設(shè)備的使用壽命和故障率是其升級改造確定的重要依據(jù)。實際上，設(shè)備環(huán)境、維護(hù)成本、重要性等因素均對設(shè)備的升級改造條件有重要影響。因此，本文從設(shè)備故障率、役齡、維護(hù)成本與單價比、重要性、維修難度和所處環(huán)境6個方面進(jìn)行綜合考慮，更加準(zhǔn)確地對高速公路機(jī)電設(shè)備升級改造條件進(jìn)行評估。

2基于模糊綜合評價法的升級改造條件研究

判斷高速公路機(jī)電設(shè)備升級改造條件時，某些設(shè)備信息是模糊、難以量化的，為此，本文針對這種非確定性問題和實際可操作性，采用模糊綜合評價法來解決該問題。模糊綜合評價法在表達(dá)機(jī)電設(shè)備狀態(tài)中的一些過渡性界限或定性知識經(jīng)驗時十分方便，并且可利用模糊規(guī)則庫對機(jī)電設(shè)備升級改造條件進(jìn)行模糊綜合判斷。與其他方法相比，模糊綜合評價法不需精確的數(shù)值或模型表達(dá)，且邏輯比較簡單，容易學(xué)習(xí)和掌握應(yīng)用。

2.1輸入輸出變量的模糊化

本文模糊評價的輸入為設(shè)備故障率、維護(hù)成本與單價比、設(shè)備役齡、重要性、維修難度和設(shè)備所處環(huán)境，輸出為高速公路機(jī)電系統(tǒng)關(guān)鍵設(shè)備應(yīng)采用的養(yǎng)護(hù)維修方式。對于隸屬度曲線而言，則先根據(jù)專家的實際經(jīng)驗將其確定為高斯型或梯形函數(shù)曲線，再通過學(xué)習(xí)和實踐檢驗逐步修改和完善, 最終得到各輸入輸出的隸屬度函數(shù)曲線，如圖4所示。

圖4　模糊綜合評價各輸入輸出隸屬度曲線

2.2模糊規(guī)則確定

模糊控制規(guī)則是根據(jù)專家和設(shè)計人員的經(jīng)驗確定的。模糊規(guī)則庫中包含的輸入為設(shè)備故障率FR、維護(hù)成本與單價比MU、維修難度DM、設(shè)備役齡SY、重要性I和設(shè)備所處環(huán)境EE，語言變量個數(shù)分別為4、3、3、3、5和3。綜合考慮以上6個輸入得出的控制規(guī)則歸納如表1所示。

表1　模糊控制規(guī)則

注：E表示無故障或故障率極低；SFR、MFR、LFR分別表示故障率低、較高和高；SMU、MMU、LMU分別表示維護(hù)成本與單價比低、較高和高； SSY、MSY、LSY分別表示役齡短、較長、長；GEE、MEE、BEE分別表示設(shè)備所處環(huán)境良好、一般和惡劣；I3、I4、I5分別表示設(shè)備重要性級別為3、4、5；SDM、MDM、LDM分別表示設(shè)備維修難度容易、較難、困難；S、M、L、U為養(yǎng)護(hù)維修方式，分別表示保養(yǎng)小修(常規(guī)保養(yǎng)、常規(guī)檢查測試和小修)、中修、大修改造和報廢更新(原型更新或新型更新)。

2.3實例分析

本文應(yīng)用MATLAB的fuzzy工具包對基于模糊綜合評價的高速公路機(jī)電設(shè)備升級改造條件進(jìn)行了仿真模擬，如圖5所示。圖5中，輸入為[0.15 0.5 5 5 0.7 0.8]表示某機(jī)電設(shè)備的故障率為0.15，維護(hù)成本為單價的0.5倍，設(shè)備已使用了5年，設(shè)備重要性程度為5級，維修困難程度為0.7，設(shè)備所處環(huán)境惡劣程度為0.8。輸出為“養(yǎng)護(hù)維修方式=0.859”，根據(jù)其隸屬度曲線可以判斷應(yīng)及時進(jìn)行報廢更新。

圖5　基于模糊綜合評價的設(shè)備升級改造決策實例

3結(jié)束語

本文針對高速公路機(jī)電設(shè)備升級改造條件無統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)和依據(jù)的問題，應(yīng)用模糊綜合評價法從機(jī)電設(shè)備的使用壽命、故障率、所處環(huán)境、技術(shù)性和經(jīng)濟(jì)性等方面提出了有效的升級改造決策方案，為高速公路提供高效可靠的運(yùn)營保障。

參 考 文 獻(xiàn)

[1]陳汗清．探究高速公路機(jī)電設(shè)備使用壽命的管理機(jī)制和實施方法[J].工藝與設(shè)備，2014(4)：69-70.

[2]邵澤波，陳慶.機(jī)電設(shè)備管理技術(shù)[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2014.

[3]沈敏．論高速公路機(jī)電設(shè)備的維護(hù)與管理[J].經(jīng)營管理者，2013(30)：369.

[4]饒永波．高速公路機(jī)電設(shè)備使用壽命的管理機(jī)制和實施方法[D].洛陽：河南科技大學(xué)，2011.

[5]王樹鵬.設(shè)備壽命周期費(fèi)用研究及其應(yīng)用[D].南京：南京航空航天大學(xué)，2007.

[6]徐宏.高速公路機(jī)電設(shè)備經(jīng)濟(jì)壽命分析[J].湖南交通科技，2011(3): 140-142.

[7]張乃斌．高速公路機(jī)電設(shè)備壽命評價方法[J]．中國交通信息化，2013(9)：114-116.

[8]李榮平.對高速公路機(jī)電設(shè)備使用壽命的思考[J]．中國交通信息產(chǎn)業(yè)，2010(1)：106-108.

Research on Conditions for Upgrading and Reconstruction of Electromechanical Equipment for Expressway

SHEN Xiqin1, WANG Yahui1, ZHU Rixing2, XU Hongke2

Abstract:This paper determines the conditions for upgrading and reconstruction of electromechanical equipment by means of the fuzzy evaluation method and in comprehensive consideration of factors such as service life, failure rate, operating environment, importance, maintenance cost/difficulty, etc. of electromechanical equipment for expressway, and proposes the corresponding upgrading and reconstruction schemes to reduce the operating cost of electromechanical equipment for expressway effectively, improve the operating reliability and add trouble-free operation time.

Keywords:expressway; electromechanical equipment; upgrading and reconstruction; fuzzy comprehensive evaluation method

文章編號：1009-6477(2016)02-0127-05

中圖分類號：U412.36+6

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

作者簡介：申喜芹(1979-)，女，河南省鄭州市人，本科，工程師。

收稿日期：2015-11-08

基金項目：河南省交通運(yùn)輸廳科技計劃項目(2014G23-2)；中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費(fèi)專項資金資助項目(2013G3324005)

DOI:10.13607/j.cnki.gljt.2016.02.028