崔鏡宇 李一鋒 蔣曲然

（中鐵二院工程集團有限責任公司，四川 成都 610031）

0 引言

截至2022年底，全國高速公路通車里程已突破17.7萬公里，高速公路建設在PPP項目模式下增長迅猛，預計至“十四五”末，全國高速公路通車里程將突破21萬公里。隨著以PPP模式開展的高速公路建設不斷推進，大部分項目由工程建設進入運維管理的高峰周期。高速公路機電設備主要包括收費設施、監(jiān)控設施、通信設施、供配電設施等，其覆蓋領域廣、專業(yè)性強、綜合技術含量高，對保障高速公路暢通、安全和舒適起著至關重要的作用，是高速公路養(yǎng)護運維的關鍵對象[1]。

本文以高速公路機電設備為研究對象，基于準時制狀態(tài)檢修技術，研究科學的機電設備運維實施策略，針對機電運維管理模式、監(jiān)測技術、設備診斷及評價等方面提出有效建議，為保持機電設備正常運行、順利開展機電運維工作提供技術依據(jù)。

1 國內高速公路機電設備運維現(xiàn)狀

國內高速公路PPP項目運營單位多年的機電系統(tǒng)運維經驗表明，目前高速公路機電運維仍然存在許多不足之處：

（1）信息化、智能化應用水平不高，數(shù)據(jù)資源利用率不高，沒有建立統(tǒng)一的高速公路數(shù)據(jù)信息庫，無法充分挖掘數(shù)據(jù)價值；

（2）無法實現(xiàn)機電設備運行狀態(tài)自動監(jiān)測，無法開展預測性檢修工作；

（3）機電設備全壽命周期管理信息化程度低，既有運維數(shù)據(jù)無法支撐后續(xù)設備升級改造；

（4）機電運維管理系統(tǒng)開放程度不高，封閉的系統(tǒng)影響了系統(tǒng)的實用性和體驗；

（5）一般情況下是采用“一路一管理”的方式，沒有合理、有效地進行運維跨區(qū)域、集中化管理，運維人員存在分配不合理的情況，迫切需要優(yōu)化運維人員結構，整合運維資源，進行運維統(tǒng)籌管理[2]。

結合上述情況，現(xiàn)有高速公路機電設備在運營期基本處于“亞健康”狀態(tài)，特別是其檢測和故障診斷手段具有明顯的局限性，主要表現(xiàn)在：

（1）不預知性，即不能詳細掌握設備的健康狀況，不能確定故障的發(fā)生時間，常常導致突發(fā)性故障，對運維系統(tǒng)的穩(wěn)定造成嚴重影響；

（2）不確定性，即沒有相應的故障診斷技術對設備的故障進行定量分析和綜合判斷，不能準確定位故障類型和故障點，常常延誤故障處理時機，造成經濟損失；

（3）不連續(xù)性，即僅憑技術人員的工作經驗，沒有形成系統(tǒng)、科學的檢測方法和制度，常常造成主觀臆斷[3]。

2 準時制狀態(tài)檢修理論前瞻性分析

2.1 前瞻性研究的定義

前瞻性研究指的是在研究對象和研究方式提前確定的條件下，對研究對象進行追蹤，并在原定計劃的時間內評估，把符合原設計的方法列入統(tǒng)計，將統(tǒng)計結果作為研究成果。那么，本文將“高速公路重點機電設備”作為研究對象，“準時制狀態(tài)檢修理論”作為研究方法，研究其在“運營維護期內”的連續(xù)運行狀態(tài)，提出高速公路機電設備的狀態(tài)檢修實施策略。

2.2 準時制的定義

準時制的標準定義指的是一種生產方式，即在所需的時刻，按照需要的數(shù)量生產所需要的產品的生產模式。其目的是加速半成品的流轉，將庫存的積壓減少到最低的限度，從而提高企業(yè)的生產效益[4]。

當準時制應用于機電設備狀態(tài)檢修時，可將時間定義為前置參數(shù)，機電設備運維準時制則表示：在高速公路PPP合同確認的時間范疇內（運營期），以優(yōu)質的監(jiān)測手段和檢修策略保持機電設備技術狀態(tài)良好，確保機電系統(tǒng)穩(wěn)定運行，在運營期結束之后作為合格的產品順利移交。

2.3 狀態(tài)檢修的定義

狀態(tài)檢修是指在準時制和前瞻性的前置條件下，將新的設備診斷技術應用于設備運營維護期的管理，根據(jù)設備狀態(tài)監(jiān)測和故障診斷所預知的設備狀態(tài)，來確定設備維修工作的時間和內容，制定出科學的維修策略，提高設備運行維護的可靠度。

狀態(tài)檢修具有三個顯著的特征：一是預知性，即用先進的診斷技術檢測設備的狀態(tài)，提前掌握設備健康度的第一手資料；二是系統(tǒng)性，即依據(jù)對設備的狀態(tài)檢測，給出設備運行趨勢，制定維修計劃，充分體現(xiàn)系統(tǒng)化的集成度，展示其性價比；三是安全性，即通過狀態(tài)檢測，判斷設備運行狀態(tài)，提高設備健康水平，保持運維系統(tǒng)穩(wěn)定運行[5]。

2.4 基于準時制狀態(tài)檢修的高速公路機電設備運維思路

目前，大量高速公路PPP項目進入了運營維護階段。在各新建項目中高速公路重點機電設備具有設備類型多、數(shù)量大、系統(tǒng)復雜、自動化程度高等特點，“如何保證高速公路重點機電設備在運營維護期安全穩(wěn)定運行”就成為項目建成后設備運營維護管理的首要課題。筆者認為，應按照現(xiàn)代化的設備管理模式，以“準時制運行狀態(tài)數(shù)軸單邊理論”為基礎，以提高設備穩(wěn)定運行能力為立足點，以建立高速公路機電運維監(jiān)測及管理一體化平臺為切入點，以全方位實施設備狀態(tài)維修為著眼點，逐步完善“技術總師系統(tǒng)宏觀調控、系統(tǒng)抓總，路橋總部機關規(guī)劃協(xié)調、分類指導，檢測中心實驗室微觀調節(jié)、技術把關”的功能，使設備始終在良好的技術狀態(tài)下運行，在項目運營維護期具備持續(xù)可靠的經濟運行能力，最終以合格的產品順利移交，實現(xiàn)高速公路建設設備運營維護管理的新突破。

3 準時制運行狀態(tài)數(shù)軸單邊理論

本文以機電設備狀態(tài)參數(shù)在時間軸上單向運行建立數(shù)軸單邊模型，如圖1所示。

圖1 機電設備狀態(tài)數(shù)軸單邊示意圖

圖中，數(shù)軸上每個數(shù)值點微積分的連續(xù)性，形成了機電設備狀態(tài)。機電設備狀態(tài)參數(shù)在時間軸上進行單向運行，與時間參數(shù)有著“一對一”的關系，即一個時間參數(shù)對應著一個狀態(tài)參數(shù)，可用（α，t）表示“機電設備狀態(tài)”的確認。（α，t）=（0，0）表示在時間原點和狀態(tài)原點，運行條件下，高速公路PPP項目主合同中回購期計取的時間值和經濟值；其負值（-α，-t）代表了建設期，正值（+α，+t）代表了運營期。

以時間起始原點進行平面旋轉，可以得到狀態(tài)參數(shù)的運動軌跡，也就是狀態(tài)參數(shù)與時間參數(shù)的“對沖”，其代表了狀態(tài)參數(shù)的經濟運行曲線。理論公式如下：

式中：k為設備運行函數(shù)；d為運維合同時間函數(shù)；λ為運維經濟函數(shù)。

根據(jù)上述理論，高速公路PPP項目的建設成果可以用“連續(xù)運行狀態(tài)的數(shù)軸單邊理論”展示為“狀態(tài)參數(shù)在時間軸的單邊方向下的連續(xù)運動，其旋轉運動軌跡形成了項目管理的經濟運行曲線（設備狀態(tài)浴盆曲線）”，如圖2所示。

圖2 設備狀態(tài)浴盆曲線示意圖

4 高速公路機電設備運維實施策略

4.1 高速公路機電運維監(jiān)測及管理一體化平臺

在研究“連續(xù)運行狀態(tài)的數(shù)軸單邊理論”的基礎上，為了更好地為理論研究提供支持性成果，本文認為，應該研發(fā)高速公路機電運維監(jiān)測及管理一體化平臺，這是開展高速公路重點機電設備狀態(tài)檢修的基礎。高速公路機電運維監(jiān)測及管理一體化平臺必須具備狀態(tài)檢測、故障診斷、信息管理、學術研究和專業(yè)培訓五個基本功能[6]。

（1）狀態(tài)檢測功能：通過高速公路機電運維監(jiān)測及管理一體化平臺，技術人員對設備進行日常巡檢和定期檢測，分析處理各類檢測數(shù)據(jù)，繪制設備的“健康”曲線，為掌握設備運行狀態(tài)提供預知信息，確定設備維修及使用意見。

（2）故障診斷功能：通過各類先進的檢測儀器，對故障設備進行診斷，經過數(shù)據(jù)分析，界定故障機理，判明故障原因，給出故障處理意見。

（3）信息管理功能：編制設備信息處理系統(tǒng)，建立設備歷史狀態(tài)信息數(shù)據(jù)庫，實現(xiàn)對檢測信息的統(tǒng)計、分析、處理、歸檔的全過程管理，為設備的狀態(tài)評估提供可靠的信息保證。

（4）學術研究功能：結合高速公路重點機電設備的運行情況，組織專業(yè)技術人員有針對性地開展學術研究，不斷提高對設備的檢測能力，完善平臺的功能。

（5）專業(yè)培訓功能：依托一體化平臺，開展各種實際操作訓練、理論分析訓練和系統(tǒng)模擬訓練，培養(yǎng)一批操作型人才、分析型人才和總體型人才。

高速公路機電運維監(jiān)測及管理一體化平臺狀態(tài)檢修與診斷流程主要包括：首先通過日常巡檢、定期檢測及檢測儀器等收集設備運行信息、檢測信息、檢修信息，再通過平臺信息處理系統(tǒng)對檢測信息進行統(tǒng)計、分析，并提取故障信息進行診斷，界定故障機理，判明故障原因，給出故障處理意見。最后，形成設備狀態(tài)全壽命周期歸檔記錄，為后續(xù)設備狀態(tài)評估、學術研究等提供可靠的信息保證。上述流程如圖3所示。

圖3 設備狀態(tài)檢測與診斷功能流程圖

4.2 高速公路機電設備運維策略

在建立機電運維監(jiān)測及管理一體化平臺并實現(xiàn)上述功能的基礎上，為實現(xiàn)對高速公路機電設備的全方位信息化管理，還應建立一套完善的運維策略以規(guī)范管理模式和體制，具體涉及管理模式、監(jiān)測技術、設備診斷、狀態(tài)評估、經濟分析、人員素質等多個方面。本文重點從以下三方面進行說明[7]：

（1）建立狀態(tài)檢修組織機構和檢測網絡：為加強對設備狀態(tài)檢修工作的組織領導，應采取集中控制與分級管理相結合的方法，成立狀態(tài)檢修的三層組織機構和兩級檢測網絡。三層組織機構為決策層、管理層和操作層。決策層由設備運營維護管理主管領導和技術專家組組成，負責狀態(tài)檢修的規(guī)劃、管理，作出檢修決策，評估實施效果等；管理層為檢測診斷中心，具體負責獲取設備狀態(tài)信息，分析評估后提出檢修建議，制定或審查檢修方案、工藝等，同時負責檢修的實施監(jiān)督和檢查驗收；操作層為運營檢修班組，負責設備狀態(tài)檢測、檢修和維護，制訂檢修項目的具體實施方案，對檢修項目的質量負責。兩級檢測網絡即檢測中心和檢修班組，分別負責設備動態(tài)信息（運行信息）的監(jiān)測和靜態(tài)信息（常規(guī)試驗）的檢測。

（2）制定狀態(tài)檢修管理制度和技術標準：與傳統(tǒng)的計劃檢修管理模式相比，設備狀態(tài)檢修是一項更為科學、更為嚴謹?shù)南到y(tǒng)工程，需要有健全、完善的制度作保障。為此，必須制定設備狀態(tài)檢修管理辦法、狀態(tài)檢修控制程序、狀態(tài)檢修實施細則、狀態(tài)診斷管理辦法等管理制度，編制設備狀態(tài)檢測標準化作業(yè)指導書、狀態(tài)診斷標準、設備狀態(tài)評定分級與檢修策略、設備維修技術標準等技術標準，為推行設備狀態(tài)檢修提供可靠的制度保證。

（3）配置先進的檢測儀器及監(jiān)測設備：全面、系統(tǒng)的狀態(tài)監(jiān)測數(shù)據(jù)是狀態(tài)檢修的信息基礎，能否用先進的檢測技術預先掌握設備所處的狀態(tài)，查明缺陷性質及其嚴重程度是狀態(tài)檢修的前提。因此，必須高度重視檢測手段建設，配置相應的檢測儀器設備。如配備電氣設備絕緣檢測裝置、電氣特性檢測裝置、動力設備特性檢測裝置、紅外監(jiān)測裝置以及故障診斷裝置等儀器，在設備現(xiàn)場安裝電能品質監(jiān)測系統(tǒng)、機組振動監(jiān)測系統(tǒng)等在線監(jiān)測裝置[8]。

高速公路機電設備運維以健全、完善的機電運維規(guī)范或技術標準作為保障，通過先進的檢測儀器及監(jiān)測裝置對機電設備進行檢測，形成海量檢測數(shù)據(jù)，通過運維平臺實時監(jiān)測，挖掘故障信息，開展信息分析、處理，制定故障設備狀態(tài)檢修的計劃，作出檢修決策。最終全面深化狀態(tài)檢修，將其研究成果涵蓋到所有重點機電設備，進一步豐富和完善檢測、管理、運維手段，形成全壽命周期的高速公路重點機電設備運營維護管理模式。上述流程如圖4所示。

圖4 機電設備運維策略技術流程圖

5 結束語

近年來，隨著高速公路PPP項目的全面建設實施，全新的項目管理模式對機電設備的技術要求越來越高，對機電設備的運維管理也提出了更新的要求。高速公路機電設備具有設備類型多、數(shù)量大、系統(tǒng)復雜、自動化程度高等特點，為了實現(xiàn)高速公路機電設備運維標準化、制度化和系統(tǒng)化管理，應當進一步加強運維實施策略研究，進一步完善檢測手段和管理方式，確保重點機電設備在運營維護期安全穩(wěn)定運行。本文基于準時制狀態(tài)檢修技術，研究科學的機電設備運維實施策略，針對機電運維管理模式、監(jiān)測技術、設備診斷及評價等方面提出了有效建議，可為高速公路機電運維工作提供技術依據(jù)。