摘要：本文綜合分析了機電設(shè)備在故障分析與預測、運行狀態(tài)評估、使用壽命預測等方面的國內(nèi)外研究現(xiàn)狀，以目前已有的研究結(jié)果為基礎(chǔ)，深入闡述了相關(guān)研究結(jié)果中機電設(shè)備日常管養(yǎng)工作的優(yōu)勢與不足，并根據(jù)目前存在的問題，提出高速公路機電設(shè)施智慧維養(yǎng)技術(shù)新的發(fā)展方向，為機電設(shè)備的預測和健康管理技術(shù)的進一步研究提供了參考和依?據(jù)。

關(guān)鍵詞：公路；機電設(shè)施；健康管理；狀態(tài)評估；壽命預測

中圖分類號：U418.3""""""""""""""""""""""""""""""" 文獻標識碼：A"""""""""""""""""""""""""""""""""" 文章編號：1673-6478（2023）04-0090-05

Fault Prediction and Intelligent Management of Expressway Electromechanical Equipment

PU Mishihang YANG Meng CHEN Jianzhong

（1. Chongqing Jiaotong University， Chongqing 400074， China; 2. Chongqing Communications Research and Design Institute Co.， Ltd.， Chongqing 400067， China; 3. National Engineering?Research Center for Road Tunnel， Chongqing 400067， China）

Abstract： This paper comprehensively analyzes the research status of electromechanical equipment in fault analysis and prediction， operation state evaluation， service life prediction and other aspects at home and abroad. Based on the existing research results， this paper expounds the advantages and disadvantages of relevant research results on the daily management and maintenance of electromechanical equipment. According to the existing problems， the new development direction of intelligent maintenance technology of highway electromechanical facilities is put forward， which provides reference and basis for further research on the prediction and health management technology of electromechanical equipment.

Key words： road; electromechanical facilities; health management; status assessment; life prediction

0 引言

隨著我國高速路網(wǎng)結(jié)構(gòu)的不斷完善，公路工程建設(shè)已由建設(shè)階段轉(zhuǎn)向維養(yǎng)階段。高速公路機電系統(tǒng)是高速公路安全運營的重要保障，一旦公路功能失效，不僅威脅駕乘人員的安全，還會嚴重影響區(qū)域經(jīng)濟的運行。目前，高速公路機電系統(tǒng)管理制度仍停留在應急搶修階段，“重建設(shè)、輕運營”，“重收費、輕管養(yǎng)”，故障突發(fā)且頻發(fā)，維護維修滯后，功能退化等[1]問題已成為高速公路安全運營中面臨的主要技術(shù)問題。

高速公路機電系統(tǒng)具有結(jié)構(gòu)復雜，技術(shù)含量高，設(shè)備昂貴等特點，伴隨著公路路網(wǎng)的不斷擴大，公路機電設(shè)施的種類和數(shù)量也逐漸變得繁多，且設(shè)備構(gòu)造越來越精細，為公路機電系統(tǒng)的日常管理工作增加了難度。機電設(shè)備的維護占據(jù)了管理工作很大的比重，所以利用現(xiàn)代化信息技術(shù)以及智能手段，在日常維護工作中對機電系統(tǒng)進行預見性智能仿真研究很有必要?，F(xiàn)階段，針對高速公路機電設(shè)施智能仿真已有諸多研究[2?6]，有宏觀地對機電設(shè)施智能仿真研究重要性進行分析，深入闡述對高速公路機電設(shè)施研究的必要性；也有對機電設(shè)施服役過程中某個階段進行深入研究，通過定性、定量的分析對機電設(shè)施進行分析。目前國內(nèi)外專家學者對高速公路機電設(shè)施的研究主要包括設(shè)備故障的分析與預測、機電設(shè)施在役期間運行狀態(tài)的評估以及設(shè)備使用壽命的預測三個方面。

本文介紹了高速公路機電設(shè)備故障預測與健康管理（Prognostics Health Management， PHM）技術(shù)的國內(nèi)外研究現(xiàn)狀，分析了目前高速公路機電設(shè)備PHM技術(shù)面臨的困難和挑戰(zhàn)，并根據(jù)已有研究成果，提出高速公路機電設(shè)施智慧維養(yǎng)技術(shù)新的發(fā)展方向。

1 機電設(shè)備PHM技術(shù)研究現(xiàn)狀

1.1 機電設(shè)備故障分析與預測研究現(xiàn)狀

隨著電子技術(shù)的不斷發(fā)展，高速公路機電設(shè)施類別、數(shù)量以及復雜程度不斷增加，其機電設(shè)備故障的頻率及類型也呈現(xiàn)多樣性，傳統(tǒng)的高速公路機電設(shè)備維養(yǎng)管理技術(shù)已難以滿足日?；蚨ㄆ陴B(yǎng)護的需求，預防性維護或維修成為目前高速公路機電設(shè)備維養(yǎng)管理的主要方向，因此對機電設(shè)備的故障進行分析與預測也成了機電設(shè)備PHM技術(shù)的核心內(nèi)容。

目前在機電設(shè)備的故障分析和預測方面已經(jīng)取得了較好進展，且建立了許多具有參考意義的故障數(shù)據(jù)倉與故障分類規(guī)則。呂建培[7]、溫延超[8]和李春伸[9]等人對高速公路機電設(shè)備的故障進行分析，對不同機電設(shè)備故障的類型進行分類，建立了機電設(shè)備故障信息庫。He、徐紅輝、倪雙靜等通過機電設(shè)備故障信息庫分別建立了基于馬爾可夫鏈的故障概率模型[10]、基于故障狀態(tài)演化的故障預測診斷混合模型[11]、基于NSET的高速公路機電故障預測模型[12]等可靠的設(shè)備故障預測模型；Prieto[13]通過對機電設(shè)備的故障信息進行特征提取，然后利用智能算法實現(xiàn)了機電設(shè)備的故障分類診斷；孫昊[14]通過對機電設(shè)備故障發(fā)生時間進行統(tǒng)計分析，從而實現(xiàn)對機電設(shè)備故障發(fā)生時間間隔的預測；游婷[15]等根據(jù)機電設(shè)備的故障機理，構(gòu)建了高速公路隧道機電設(shè)備養(yǎng)護管理體系；沈家怡[16]借助人工智能算法，通過對公路隧道中射流風機的故障數(shù)據(jù)進行建模，并根據(jù)歷史數(shù)據(jù)對風機的故障進行預測；秦余[17]等以高速公路機電設(shè)備運行數(shù)據(jù)與環(huán)境數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，通過分析三種不同數(shù)據(jù)預測模型，選擇最優(yōu)的數(shù)據(jù)模型作為高速公路機電設(shè)備故障預測模型。

已有研究發(fā)現(xiàn)，目前機電設(shè)備的故障分析與預測主要運用機電設(shè)備的歷史管養(yǎng)數(shù)據(jù)對故障的演化情況進行分析和預測，并建立相應的數(shù)據(jù)庫或預測模型，但是研究內(nèi)容相對集中于運用故障數(shù)據(jù)來進行預防性的研究，而缺乏對設(shè)備故障源頭及設(shè)備退化規(guī)律的研究。研究流程及存在的具體問題如圖1所示。

1.2 機電設(shè)備在役狀態(tài)評估研究現(xiàn)狀

在實際的公路運營管理過程中，要掌握機電設(shè)備的健康動態(tài)，機電設(shè)備的狀態(tài)評估是必要環(huán)節(jié)。

（１）基于數(shù)據(jù)的狀態(tài)評估技術(shù)

基于數(shù)據(jù)的狀態(tài)評估方法是指在無先前經(jīng)驗的情況下采集數(shù)據(jù)進行分析處理，然后基于數(shù)據(jù)模型展開狀態(tài)評估。例如，楊金銓[18]開發(fā)了機電設(shè)施智能化養(yǎng)護檢測系統(tǒng)平臺，并通過數(shù)據(jù)的監(jiān)測和處理，制定合理的機電設(shè)施養(yǎng)護方法。Catelani[19]利用機電設(shè)備現(xiàn)場數(shù)據(jù)并分析其關(guān)鍵指標因素，在完成經(jīng)濟分析的前提下實現(xiàn)了對收費系統(tǒng)的評價。崔黎明[20]提出了基于模糊分布和模糊統(tǒng)計實驗法的評價指標隸屬函數(shù)確定方法，并以試驗數(shù)據(jù)進行了驗證。鄧炳杰[21]通過關(guān)鍵特征指標對各部件進行評價，并根據(jù)機電設(shè)備各關(guān)鍵部件的剩余使用壽命分別對不同部件運行狀況進行評價，綜合各關(guān)鍵指標及剩余使用壽命評價結(jié)果，采用模糊綜合評價的方法對機電設(shè)施的運行狀態(tài)進行綜合評估。

（２）基于模型的狀態(tài)評估方法

基于模型的狀態(tài)評估方法是通過提取影響機電設(shè)備的關(guān)鍵指標，建立相應的機電設(shè)施評估模型進行評估。例如，喬曉冉等[22]提取相關(guān)評價指標，采用層次分析法構(gòu)建評價體系，以模糊綜合評價法實現(xiàn)機電系統(tǒng)的綜合評價；徐昆等[23]采用層次分析法，構(gòu)建了高速公路機電系統(tǒng)安全風險模型和評估模型；儲誠贊?[24]和Zhang等[25]以高速公路機電設(shè)施養(yǎng)護數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，通過采用機電設(shè)施定量和定性的評價指標，綜合層次分析與模糊綜合評價方法，實現(xiàn)了對高速公路機電設(shè)施運行狀態(tài)的評估；譚小剛[26]和高杰[27]根據(jù)機電設(shè)施的五大模塊建立了層次分析法?模糊綜合評價模型，最終對機電設(shè)施進行多級模糊綜合評價；林中質(zhì)[28]提取關(guān)鍵機電設(shè)備以構(gòu)建高速公路機電設(shè)施運行狀態(tài)評價指標體系，最終實現(xiàn)了機電設(shè)施的定性評價；朱立偉[29]等從風險的角度出發(fā)，對公路隧道機電設(shè)施的運行風險、運行狀態(tài)進行了評估；勵曉華等?[30]根據(jù)我國公路隧道機電設(shè)備的運行風險，構(gòu)建了機電設(shè)施運行風險實時評估模型；田園[31]采用層次分析法建立公路隧道機電設(shè)施分步評價方法，實現(xiàn)對高速公路隧道機電設(shè)施的運行狀態(tài)評價。

總體來說，雖然目前機電設(shè)備的在役狀態(tài)評估已經(jīng)有一定進展，但是仍存在缺陷，基于數(shù)據(jù)評估與基于模型評估，都需要大量實際數(shù)據(jù)作為支撐，然后對當前設(shè)備狀態(tài)作出評價，這就導致實時獲取機電設(shè)備的健康狀態(tài)困難。而且這類方法的評估結(jié)果只能對機電設(shè)備進行定性的評價，而無法提出能夠表征其運行狀態(tài)的特征參數(shù)，其評價結(jié)果仍不能精確描述機電設(shè)備的健康狀態(tài)，其性能是否能夠滿足公路運營的基本要求也難以考證。

1.3 使用壽命預測研究現(xiàn)狀

機電設(shè)備的剩余壽命預測也是機電設(shè)備PHM技術(shù)的核心內(nèi)容之一，由于機電設(shè)備的工作環(huán)境各不相同，會導致機電設(shè)備的使用壽命長短存在差異。同時機電設(shè)備的養(yǎng)護手段、養(yǎng)護頻率等也都會直接影響機電設(shè)備的使用壽命，因此對機電設(shè)備進行使用壽命預測能夠為我們提供合理的換修依據(jù)，目前，針對機電設(shè)備的壽命預測的方法主要集中在三個方面。

（１）基于預測模型的壽命預測方法

現(xiàn)階段，相關(guān)專家學者主要是以日常的維養(yǎng)數(shù)據(jù)、監(jiān)測數(shù)據(jù)及設(shè)備的故障數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，采用數(shù)學或智能模型來對機電設(shè)施進行壽命預測。饒永波[32]根據(jù)機電設(shè)施維養(yǎng)及故障數(shù)據(jù)構(gòu)建預測模型，并通過預測使用年限制定了科學合理的機電設(shè)備報廢方案；于泉[33]等結(jié)合馬爾科夫理論，研究分析高速公路機電設(shè)備的故障概率，提出了高速公路機電設(shè)備使用壽命預測模型。

（２）基于數(shù)據(jù)分析的壽命預測方法

相關(guān)學者通過對數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計和理論分析來對其使用壽命進行預測。周曉旭等[34]以高速公路機電設(shè)備維養(yǎng)數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，利用統(tǒng)計學方法和可靠性理論實現(xiàn)了機電設(shè)備使用壽命評估；張乃斌等[35]結(jié)合機電設(shè)備養(yǎng)護數(shù)據(jù)和監(jiān)測數(shù)據(jù)，采用威布爾分布對機電設(shè)備的使用壽命進行分析研究。

（３）基于數(shù)據(jù)融合的壽命預測方法

由于機電系統(tǒng)各部件的退化情況不同，所以有學者提出基于數(shù)據(jù)融合的使用壽命預測方法。牛一凡等?[36]利用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)理論中的自編碼器對設(shè)備退化參數(shù)進行了融合，然后利用CUSUM算法提取出設(shè)備退化過程中的分段點，構(gòu)建了多階段維納退化模型；谷夢瑤[37]根據(jù)機電設(shè)備不同構(gòu)件的退化機理，分析機電設(shè)備壽命預測中不同階段融合預測的結(jié)果，其方法能夠有效地對機電設(shè)施的使用壽命進行預測。

雖然目前對機電設(shè)備的使用壽命預測已經(jīng)取得了一定進展。但是這些研究方法仍然無法提取出能夠有效表現(xiàn)出機電設(shè)備退化狀態(tài)的特征參數(shù)，同時在進行設(shè)備壽命預測時的指標選取也缺乏可靠性。因此，目前已有的研究方法在預測機電設(shè)備使用壽命的準確性還達不到客觀的要求。

2 機電設(shè)備PHM面臨問題

（１）機電設(shè)備的退化及損耗性規(guī)律不明確

機電設(shè)備的健康損耗性規(guī)律是對其進行故障分析、壽命預測及健康管理的基礎(chǔ)，機電設(shè)備種類繁多，且運行環(huán)境、運行應力及退化狀況也不相同，目前在公路行業(yè)，仍是利用日常養(yǎng)護數(shù)據(jù)、維護維修數(shù)據(jù)以及功能測試數(shù)據(jù)，對機電設(shè)備進行故障分析和預測工作，且采用的模型或數(shù)據(jù)分析得到的預測結(jié)果仍不精準[38?39]。也缺乏機電設(shè)備退化機理的研究，由于機電設(shè)備可使用年限一般較長，所以難以通過實驗手段獲取機電設(shè)備全壽命周期的退化數(shù)據(jù)，同時機電設(shè)備任意時刻的健康情況仍然無法定量地準確判斷，所以其健康損耗性規(guī)律就更難以獲得，這也是機電設(shè)備PHM技術(shù)面臨的巨大挑戰(zhàn)。

（２）機電設(shè)備的服役狀態(tài)難以表征

高速公路機電工程是一個系統(tǒng)工程，其中包含照明、通風、供配電、監(jiān)控、通信、消防六大系統(tǒng)。由于系統(tǒng)中設(shè)備退化的狀態(tài)難以直接觀測，導致無法觀測外在征兆來刻畫其從正常到故障的衰退過程。而目前仍只能通過設(shè)立健康等級進行定性判斷，即機電設(shè)備的健康狀態(tài)仍難以表征，這也是機電設(shè)備PHM技術(shù)的一個關(guān)鍵難點。

（３）機電設(shè)備PHM技術(shù)缺少特征參數(shù)

當前機電設(shè)備的構(gòu)造變得越來越復雜，即使能夠?qū)ζ錉顟B(tài)進行定性判斷，并實現(xiàn)故障和壽命預測，但研究結(jié)果仍然缺乏準確度與可靠性，其原因就是缺少相應的特征參數(shù)對其進行刻畫，缺少表征其退化狀態(tài)及運行狀態(tài)的特征參數(shù)。這些特征參數(shù)是提高PHM技術(shù)精確度的重要因素。

（４）機電設(shè)備的故障突發(fā)

機電設(shè)備的元件眾多，結(jié)構(gòu)復雜度各不相同，而原件在設(shè)計和加工過程中存在一定的設(shè)計和質(zhì)量缺陷，加之在不同的環(huán)境和應力的作用下，機電設(shè)備會發(fā)生不同程度的退化和損傷，所以機電設(shè)備的故障發(fā)生就具有不確定性，這也給機電設(shè)備從健康狀態(tài)到逐漸損耗的退化過程增加了隨機性[40]。因此，必須掌握機電設(shè)備的故障成因。

針對機電設(shè)備的退化及損耗性規(guī)律不明確、機電設(shè)備的運行狀態(tài)難以表征的問題，需要尋找出能夠反映其退化狀態(tài)與規(guī)律的特征，并以該特征作為研究基礎(chǔ)，研究分析機電設(shè)備健康損耗性規(guī)律和運行狀態(tài)的表征技術(shù)。針對機電設(shè)備PHM技術(shù)缺少特征參數(shù)的問題，可以利用部分原件的電信號特征參數(shù)來進行研究，或結(jié)合機電設(shè)備完整的退化周期機理提取出可利用的特征參數(shù)。針對機電設(shè)備的故障發(fā)生具有不確定性的問題，一方面要提高機電設(shè)備的穩(wěn)定性，減少在設(shè)計和制造方面的缺陷，另一方面可以通過機電設(shè)備的狀態(tài)信息、環(huán)境因素以及工作應力等信息，綜合分析高速公路機電設(shè)備的故障原因。

3 機電設(shè)備PHM研究發(fā)展方向

（１）在故障分析和預測方面的發(fā)展方向

目前對機電設(shè)施的故障分析及預測，主要通過統(tǒng)計學方法、人工智能算法對故障頻發(fā)的機電設(shè)備進行研究分析，以機電設(shè)備基礎(chǔ)數(shù)據(jù)、檢查數(shù)據(jù)及監(jiān)測數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，根據(jù)機電設(shè)備的故障狀況，分析機電設(shè)備的故障規(guī)律。由于機電設(shè)備工作環(huán)境與工作應力差異，會導致其退化規(guī)律與故障類型差異，目前研究主要針對機電設(shè)施出現(xiàn)故障后的研究分析，缺少機電設(shè)施故障的成因及故障維修后的結(jié)果分析，從而導致二次故障的成因不明，也難以維修后設(shè)備的健康狀態(tài)進行判別。目前的故障預測手段仍利用設(shè)備的故障頻率來進行預測，且采用指標較為單一，無法從深層次對機電設(shè)備的故障進行描述。因此，機電設(shè)備的故障預測仍需更多可靠指標，需要追溯故障發(fā)生成因并對故障后的維修結(jié)果進行深入分析，從而保證故障預測結(jié)果的可靠性。

（２）在服役狀態(tài)評估研究方面的發(fā)展方向

目前對機電設(shè)施服役狀態(tài)評估主要采用定性判別的方式，以機電設(shè)施養(yǎng)護內(nèi)容及數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，采用定性評估模型或方法實現(xiàn)機電設(shè)施整體的綜合評價，但評價結(jié)果仍然無法對機電設(shè)施的日常管理提出實用性的參考。機電設(shè)備種類繁多，且不間斷運行，關(guān)鍵設(shè)備的優(yōu)劣會直接影響公路的正常運營，因此，需要對機電設(shè)備的重要程度進行劃分，以實現(xiàn)機電設(shè)施的精細化管理。

（３）在使用壽命預測方面的發(fā)展方向

目前對于機電設(shè)施使用壽命預測的研究主要集中在以機電設(shè)備維護維修數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，采用相關(guān)的算法或模型對機電設(shè)備的使用壽命進行預測。機電設(shè)備的壽命預測需要機電設(shè)備運行期間全生命周期的數(shù)據(jù)，但是全生命周期數(shù)據(jù)的監(jiān)測與收集仍是難題，缺少相應的監(jiān)測與收集方法。機電設(shè)備的退化是一個動態(tài)的過程，但又缺少能夠描述退化狀態(tài)的特征參數(shù)，而且在實現(xiàn)機電設(shè)備使用壽命預測時，也缺乏可靠的指標選取。所以，選取可靠的指標，并采用合理的方法收集機電設(shè)備全生命周期的運行數(shù)據(jù)，提出合理的特征參數(shù)來表征機電設(shè)備的退化狀態(tài)，從而保障預測結(jié)果的可靠性，也是目前機電設(shè)備使用壽命預測方向所亟須解決的問題。

綜上所述，雖然關(guān)于公路機電設(shè)備PHM技術(shù)已經(jīng)有諸多研究，但是大多研究結(jié)果仍無法直接運用于機電設(shè)備的日常管養(yǎng)工作。提高機電設(shè)備預測研究的準確性，保障機電設(shè)備狀態(tài)評價的精確性，仍是目前機電設(shè)備PHM技術(shù)的主要方向。

4 結(jié)語

高速公路機電設(shè)備是保障高速公路正常運營的重要組成部分，隨著機電設(shè)備結(jié)構(gòu)越來越復雜、技術(shù)含量越來越高，公路機電系統(tǒng)的日常管理工作難度加大。近些年來，國內(nèi)外學者開展了大量機電設(shè)備PHM技術(shù)的研究工作，且取得了一定的進展。本文對機電設(shè)備的故障分析與預測方法、運行狀態(tài)評價方法以及使用壽命預測方法等國內(nèi)外研究現(xiàn)狀進行了深入分析，在此基礎(chǔ)上分析了機電設(shè)備PHM技術(shù)面臨的問題，然后結(jié)合這些問題與挑戰(zhàn)，提出了高速公路機電設(shè)備PHM技術(shù)發(fā)展的方向。

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