摘 要：為保證機(jī)電設(shè)備在隧道環(huán)境中高可靠性條件下運(yùn)行，同時(shí)避免過(guò)度維護(hù)導(dǎo)致的資源浪費(fèi)，本文通過(guò)研究數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)模型的方式，采集產(chǎn)品的失效數(shù)據(jù)、退化數(shù)據(jù)，并基于統(tǒng)計(jì)、退化、可靠性函數(shù)綜合預(yù)測(cè)機(jī)電設(shè)備物理壽命和經(jīng)濟(jì)壽命的研究。同時(shí)構(gòu)建隧道機(jī)電綜合管理平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)水下隧道機(jī)電設(shè)備壽命預(yù)測(cè)應(yīng)用。

關(guān)鍵詞：隧道機(jī)電設(shè)備 壽命預(yù)測(cè)

隧道機(jī)電系統(tǒng)是隧道運(yùn)營(yíng)管理系統(tǒng)的“神經(jīng)中樞”，其正常運(yùn)行是隧道內(nèi)安全行車的保障。機(jī)電設(shè)施為隧道日常運(yùn)營(yíng)管理工作提供支撐，研究更先進(jìn)的隧道機(jī)電設(shè)備壽命預(yù)測(cè)技術(shù)手段，對(duì)隧道機(jī)電設(shè)施進(jìn)行維護(hù)修理，可以有效提高機(jī)電設(shè)備運(yùn)行的可靠性。建設(shè)隧道機(jī)電設(shè)備綜合管控系統(tǒng)，充分結(jié)合運(yùn)營(yíng)業(yè)務(wù)，借助大數(shù)據(jù)等信息化技術(shù)，深化在運(yùn)行監(jiān)測(cè)、安全預(yù)警、分析研判、聯(lián)動(dòng)控制、養(yǎng)護(hù)管理等方面的應(yīng)用，推動(dòng)隧道機(jī)電設(shè)施數(shù)字化和運(yùn)行智能化，將有利于實(shí)現(xiàn)對(duì)隧道機(jī)電系統(tǒng)的一體化監(jiān)測(cè)與管理，有效提升高速公路隧道智慧化管理能力，提高隧道交通安全水平。

在國(guó)內(nèi)，對(duì)公路隧道機(jī)電系統(tǒng)故障監(jiān)測(cè)的相關(guān)研究大多為系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方面。近年來(lái)，隨著交通信息化的發(fā)展，國(guó)內(nèi)逐漸開始關(guān)注公路和水下隧道機(jī)電設(shè)備信息化監(jiān)測(cè)與預(yù)警系統(tǒng)的建設(shè)。韋騰高[1]研究開發(fā)了高速公路隧道遠(yuǎn)程維護(hù)系統(tǒng)，以解決高速公路隧道機(jī)電設(shè)備種類多樣、維護(hù)工作技術(shù)復(fù)雜、現(xiàn)場(chǎng)維護(hù)員與售后技術(shù)人員存在溝通困難的問(wèn)題。蘇昌勝[2]對(duì)公路和水下隧道外場(chǎng)設(shè)備自動(dòng)控制系統(tǒng)進(jìn)行了研究，針對(duì)目前隧道運(yùn)維系統(tǒng)智能化水平較低，甚至有些隧道控制系統(tǒng)的自動(dòng)控制功能喪失，系統(tǒng)經(jīng)常處于遠(yuǎn)程手動(dòng)管理狀態(tài)的問(wèn)題提出解決辦法。王少飛[3]等對(duì)公路隧道運(yùn)營(yíng)管理中的大數(shù)據(jù)應(yīng)用進(jìn)行了探討，根據(jù)交通流量、的變化調(diào)整設(shè)備檢修時(shí)間段。胡珉[4]等建立隧道建養(yǎng)信息化系統(tǒng)，通過(guò)大數(shù)據(jù)平臺(tái)及BIM 信息技術(shù)，為隧道建立信息檔案。雖然公路隧道運(yùn)營(yíng)已逐步引入信息化技術(shù)輔助管理，但仍存在數(shù)字化管理能力不足，系統(tǒng)集成、關(guān)聯(lián)度不高等問(wèn)題，難以滿足隧道綜合管控的需要，亟需不斷完善和創(chuàng)新，提升公路隧道運(yùn)營(yíng)水平。

目前，對(duì)機(jī)電設(shè)備的使用壽命的研究多是針對(duì)設(shè)備的故障率，提出了一系列對(duì)設(shè)備進(jìn)行維修維護(hù)的策略，很少?gòu)脑O(shè)備的使用年限方面進(jìn)行研究，導(dǎo)致設(shè)備的報(bào)廢更新沒有明確的時(shí)間數(shù)據(jù)依據(jù)。設(shè)備的物理壽命通常是由設(shè)備制造商根據(jù)設(shè)備的制造過(guò)程和生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)來(lái)確定，經(jīng)研究低劣化數(shù)值法可以很好地計(jì)算設(shè)備的經(jīng)濟(jì)壽命，目前被應(yīng)用到醫(yī)療設(shè)備、油氣管道設(shè)備等多個(gè)領(lǐng)域。

1 隧道機(jī)電設(shè)備壽命預(yù)測(cè)應(yīng)用研究

1.1 隧道關(guān)鍵機(jī)電設(shè)備篩選

從硬件組成上，隧道機(jī)電系統(tǒng)包括視頻監(jiān)控系統(tǒng)、交通信息檢測(cè)系統(tǒng)、交通控制及誘導(dǎo)系統(tǒng)、照明及照明控制系統(tǒng)、通風(fēng)及通風(fēng)控制系統(tǒng)、通信系統(tǒng)、緊急電話系統(tǒng)、廣播系統(tǒng)、火災(zāi)檢測(cè)與報(bào)警系統(tǒng)、消防救援與避險(xiǎn)系統(tǒng)、供配電系統(tǒng)、中央控制與管理系統(tǒng)、防雷接地系統(tǒng)等。這些子系統(tǒng)在隧道監(jiān)控中的地位至關(guān)重要，缺一不可，通過(guò)梳理，表1指標(biāo)體系系統(tǒng)中所涉及的機(jī)電設(shè)備應(yīng)開展壽命預(yù)測(cè)。

1.2 壽命預(yù)測(cè)模型

設(shè)備的使用壽命是指設(shè)備從開始使用到出現(xiàn)不可修復(fù)的故障或不能接受的故障率時(shí)的時(shí)間，度量 單位可以是工作小時(shí)、日、月、年，可以是運(yùn)行千米數(shù)，也可以是循環(huán)次數(shù)等。一般的設(shè)備壽命都是以設(shè)備的故障情況決定的，并且有經(jīng)典的浴盆曲線，根據(jù)損耗期的故障率曲線的上升點(diǎn)來(lái)確定其使用壽命。威布爾分布被廣泛用于設(shè)備壽命的可靠性分析，能整體描述出整個(gè)浴盆曲線，其故障率函數(shù)為：

式中，為時(shí)間；為形狀參數(shù)；為尺度參數(shù)；為位置參數(shù)。

但是對(duì)于機(jī)電設(shè)備而言，由于其種類繁多，很多設(shè)備沒有占支配地位的損耗型故障模式，即沒有明顯的損耗故障期，因此不能單憑故障率來(lái)確定其使用壽命。從不同的角度可將設(shè)備的壽命劃分為物理壽命、經(jīng)濟(jì)壽命和技術(shù)壽命，綜合考慮來(lái)確定復(fù)雜設(shè)備的壽命。物理壽命是指設(shè)備從開始投入使用，由于磨損等的原因使其不再具有正常的功能，無(wú)法繼續(xù)使用所經(jīng)歷的時(shí)間。經(jīng)濟(jì)壽命是指設(shè)備從投入使用到由于經(jīng)濟(jì)不合理而退出服務(wù)所經(jīng)歷的時(shí)間。設(shè)備運(yùn)行后期，由于性能老化，需要高額的維修費(fèi)用來(lái)維持使用，繼續(xù)使用會(huì)造成經(jīng)濟(jì)不合理。技術(shù)壽命是指設(shè)備從投入使用到由于新技術(shù)出現(xiàn)更好的設(shè)備，或無(wú)法滿足更高功能的要求而被淘汰所經(jīng)歷的時(shí)間。一般來(lái)說(shuō)，物理壽命和技術(shù)壽命都要長(zhǎng)于其經(jīng)濟(jì)壽命。

隧道機(jī)電設(shè)備種類繁多，數(shù)量大，涉及領(lǐng)域廣，很多的設(shè)備沒有明顯的故障率曲線，其壽命不一定符合經(jīng)典的浴盆曲線，不能單純地以威布爾分布來(lái)確定設(shè)備的使用壽命，需要綜合考慮設(shè)備的物理壽命、經(jīng)濟(jì)壽命和技術(shù)壽命。由于科學(xué)技術(shù)的發(fā)展的不可預(yù)知性，設(shè)備的技術(shù)壽命通常很難計(jì)算獲得，因此主要從設(shè)備的物理壽命和經(jīng)濟(jì)壽命兩方面考慮，其中設(shè)備的物理壽命可以通過(guò)制造商確定和Delphi Method 預(yù)測(cè)兩種方法獲得，在使用過(guò)程中可單獨(dú)由一種方法計(jì)算，也可以兩種方法同時(shí)計(jì)算然后加權(quán)平均得出設(shè)備的物理壽命。設(shè)備的經(jīng)濟(jì)壽命可以通過(guò)低劣化數(shù)值法獲得。綜合預(yù)測(cè)模型見圖1。

2 隧道機(jī)電綜合管理平臺(tái)構(gòu)建

為了解決水下隧道內(nèi)機(jī)電設(shè)施運(yùn)維工作量大、成本高、效率低和管理不統(tǒng)一等問(wèn)題，提出一個(gè)基于BIM模型的隧道機(jī)電設(shè)施運(yùn)維綜合管理的機(jī)制，包含根據(jù)機(jī)電設(shè)備狀態(tài)進(jìn)行分級(jí)，劃分緊急事件、重大事件、次要事件等，制定運(yùn)維影響度與緊急度、服務(wù)等級(jí)參考表等。通過(guò)整合水下隧道機(jī)電設(shè)施零散、多源的數(shù)據(jù)信息，借助BIM技術(shù)的可視化、信息共享等特點(diǎn)實(shí)現(xiàn)機(jī)電設(shè)施數(shù)據(jù)的傳遞、共享和綜合管理。把隧道供電、通風(fēng)、消防、照明等系統(tǒng)的信息有機(jī)結(jié)合起來(lái)，從而打破各個(gè)系統(tǒng)兼容性不足、封閉獨(dú)立的狀態(tài)，從隧道范圍內(nèi)和智能系統(tǒng)整體上發(fā)揮協(xié)同管理作用，達(dá)到綜合利用運(yùn)維數(shù)據(jù)，以增強(qiáng)管理決策和信息服務(wù)的能力，構(gòu)建一個(gè)高效、快速、服務(wù)范圍廣、信息化及智能化的運(yùn)營(yíng)信息綜合共享體系。（圖2）

前端控制層。在隧道現(xiàn)場(chǎng)部署隧道邊緣控制一體機(jī)，通過(guò)數(shù)據(jù)信號(hào)傳輸實(shí)現(xiàn)與照明燈、誘導(dǎo)燈、通風(fēng)機(jī)、消防火災(zāi)、車道指示器、情報(bào)板、卷閘門、廣播以及物聯(lián)網(wǎng)傳感器等設(shè)備的數(shù)據(jù)采集。將前端設(shè)備采集數(shù)據(jù)與應(yīng)用平臺(tái)下發(fā)數(shù)據(jù)進(jìn)行算法融合，根據(jù)隧道所管理員的業(yè)務(wù)需求實(shí)現(xiàn)對(duì)已接入的前端設(shè)備進(jìn)行控制策略的下發(fā)。

數(shù)據(jù)層。制定統(tǒng)一數(shù)據(jù)交互協(xié)議，與通信系統(tǒng)中物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)進(jìn)行對(duì)接，接入隧道內(nèi)照明燈、誘導(dǎo)燈、通風(fēng)機(jī)、視頻監(jiān)控、消防火災(zāi)、車道指示器、情報(bào)板、卷閘門、廣播等設(shè)備的數(shù)據(jù)；制定數(shù)據(jù)元標(biāo)準(zhǔn)，將所有數(shù)據(jù)歸集到系統(tǒng)緩存中，根據(jù)數(shù)據(jù)類別的不同進(jìn)行數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析、存儲(chǔ)和展示。

應(yīng)用層。對(duì)所有業(yè)務(wù)子系統(tǒng)梳理，對(duì)業(yè)務(wù)流程重新進(jìn)行制定，同時(shí)根據(jù)管理處人員使用習(xí)慣進(jìn)行個(gè)性化定制，子系統(tǒng)之間形成聯(lián)動(dòng)機(jī)制，讓平臺(tái)的管理更智能化。

3 總結(jié)

文章探討的基于數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的隧道機(jī)電設(shè)備壽命預(yù)測(cè)模型，研究機(jī)電設(shè)備影響因素，采用綜合預(yù)測(cè)技術(shù)預(yù)測(cè)設(shè)備的物理壽命與經(jīng)濟(jì)壽命，保證了預(yù)測(cè)的準(zhǔn)確性和實(shí)時(shí)性；同時(shí)構(gòu)建隧道機(jī)電綜合管理平臺(tái)，將機(jī)電設(shè)備壽命預(yù)測(cè)技術(shù)應(yīng)用到機(jī)電設(shè)備運(yùn)維過(guò)程中，提高隧道機(jī)電設(shè)備運(yùn)行的可靠性和經(jīng)濟(jì)性。

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[4]胡珉，劉攀攀，喻鋼，等.基于全生命周期信息和BIM的隧道運(yùn)維決策支持系統(tǒng)[J].隧道建設(shè)，2017，37（04）：394-400.