隧道監(jiān)控系統(tǒng)中的故障診斷

烏家玫

(1.上海交通大學(xué) 電子信息與電氣工程學(xué)院，上海 200240，2.上海電氣自動化設(shè)計研究所有限公司，上海 200023)

0 引言

如今，現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)在隧道監(jiān)控系統(tǒng)中的設(shè)備上應(yīng)用的越來越廣泛，現(xiàn)代設(shè)備的結(jié)構(gòu)越來越復(fù)雜，功能越來越齊全，自動化程度也越來越高。由于許多無法避免的因素影響，會導(dǎo)致設(shè)備出現(xiàn)各種故障，從而降低或失去預(yù)定的功能，甚至?xí)斐蓢乐氐囊灾翞?zāi)難性的事故。若將設(shè)備故障診斷技術(shù)應(yīng)用于隧道監(jiān)控系統(tǒng)中的設(shè)備維修和管理，就能夠?qū)⒄麠l隧道的維護成本以及設(shè)備故障所帶來的一系列損失降到最低，創(chuàng)造巨大的經(jīng)濟效益和社會效益。因此，在隧道內(nèi)設(shè)備正式投入運行后，應(yīng)對其做出合理的維護計劃，并可將其聯(lián)入隧道監(jiān)控系統(tǒng)，以協(xié)助運維人員的現(xiàn)場維護。

合理的設(shè)備維護方式應(yīng)該是具有預(yù)知性的，而并非在設(shè)備發(fā)生故障后進行維修。因此就需要故障診斷系統(tǒng)接入隧道監(jiān)控系統(tǒng)。通過就其設(shè)備所在現(xiàn)場環(huán)境情況、運行方式等各種信號的采集與分析，并結(jié)合其運營單位運維人員的經(jīng)驗以及施工單位的施工經(jīng)驗，設(shè)備發(fā)生故障的預(yù)測以及處理進行管理，以提高設(shè)備運行的效率。

1 可靠性為中心的維修(RCM)分析方法

如圖1所示，以可靠性為中心的維修(RCM)是目前國際上通用的用以確定設(shè)(裝)備預(yù)防性維修需求、優(yōu)化維修制度的一種系統(tǒng)工程方法。它的基本思路是:對系統(tǒng)進行功能與故障分析，明確系統(tǒng)內(nèi)各故障后果;用規(guī)范化的邏輯決斷程序，確定各故障后果的預(yù)防性對策;通過現(xiàn)場故障數(shù)據(jù)統(tǒng)計、專家評估、定量化建模等手段在保證安全性和完好性的前提下，以最小的維修停機損失和最小的維修資源消耗為目標(biāo)，優(yōu)化系統(tǒng)的維修策略[1]。

圖1 RCM分析的一般過程

2 系統(tǒng)中設(shè)備的維修及預(yù)防性措施

以可靠性為中心的維修，實際上是將維修和預(yù)防性措施視作一個整體，其目標(biāo)就是為了“解決問題”。對于一些結(jié)構(gòu)簡單、功能相對單一的元器件或者設(shè)備來說，其使用年限可以將設(shè)備原有的一般使用壽命和損耗情況結(jié)合起來進行考慮。但是，在實際運用中，一般使用的元器件或者設(shè)備都相對復(fù)雜。這些復(fù)雜的設(shè)備不能僅用功能壽命和損壞率來判斷，還應(yīng)與其工作環(huán)境、與其相對的輔助設(shè)備使用情況等各類因素有關(guān)。因此在隧道監(jiān)控系統(tǒng)中，即便是同樣的設(shè)備或者元器件，安裝在不同的位置，其輔助設(shè)備安裝的方式或者輔助設(shè)備本身的工況都會對其使用壽命和維修方案造成不同的影響[2]。

因此，實際使用中設(shè)備的維修及預(yù)防性措施必須根據(jù)設(shè)備實際的工況編制有針對性的預(yù)防性措施。因此，引入維修及預(yù)防性措施數(shù)據(jù)庫。

(1)預(yù)防性維修

2顯示了潛在故障發(fā)生的一般過程:PF 曲線，它顯示了故障開始劣化到故障，可被探測到的點(潛在故障點P)，如果未探測到也未糾正，則性能繼續(xù)變壞，速度常變快，直到到達功能故障點F[3]。如果在P點和F點之間探測到潛在故障，那么有兩種可能性:一是防止功能性故障，有時可能在現(xiàn)有部件完全失效前進行維修，這取決于故障機理的性質(zhì)。在這種情況里，我們既可以預(yù)防故障，又可以防止或降低故障后果。二是避免故障后果，在大多數(shù)情況下，探測一個潛在故障實際上無法防止部件發(fā)生故障，但仍可能避免或降低故障后果[4]。

(2)對象數(shù)據(jù)庫

在隧道系統(tǒng)中，此數(shù)據(jù)庫就是按照故障影響對其進行分類，并詳細列出每一種故障針對設(shè)備的功能、性能及其對應(yīng)的維修方案及預(yù)防性措施，并實時更新和歸類系統(tǒng)運行過程中實際發(fā)生的所有故障。

系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫的來源主要由兩個方面。第一，根據(jù)設(shè)備本身各參數(shù)，并參照之前使用時發(fā)生過的故障情況，在系統(tǒng)投入之前，存入數(shù)據(jù)庫。第二，根據(jù)實際使用情況實時更新數(shù)據(jù)庫，并調(diào)整預(yù)防性措施的周期及方案[5]。

圖2 P—F曲線

3 監(jiān)控系統(tǒng)預(yù)案庫設(shè)計

根據(jù)RCM分析，完成故障模式及影響分析后，便進入了RCM邏輯決斷過程。但是，由于隧道監(jiān)控系統(tǒng)的復(fù)雜性和特殊性，為了確?？煽啃跃S修的實現(xiàn)，其需要的不僅僅是一個故障分析的數(shù)據(jù)庫，而且需要更為重要的數(shù)據(jù)庫，即:預(yù)案庫。此數(shù)據(jù)庫是針對不同的故障，根據(jù)以往經(jīng)驗、常規(guī)判斷，以及實際運營過程中維修、預(yù)防等的實際經(jīng)歷，構(gòu)成一個提供“解決問題”方法的數(shù)據(jù)庫。

(1)設(shè)備監(jiān)控

針對隧道內(nèi)的各種設(shè)備，采集管理所需的各類數(shù)據(jù)，實現(xiàn)設(shè)備的遠程狀態(tài)集中監(jiān)視、數(shù)據(jù)檢測、報警等功能。通過傳統(tǒng)的PLC、D/A、I/O模塊對隧道現(xiàn)場的各類控制柜、末端元器件等進行遙信、遙測等功能。對于中央控制室及機房內(nèi)設(shè)備實行自診斷、運行監(jiān)控及錯誤報警功能。通過以上功能實現(xiàn)對隧道內(nèi)所有監(jiān)控設(shè)備的遠程設(shè)備監(jiān)控。

(2)使用檢查

在設(shè)備使用前及使用過程中，對其外觀、控制點和基本動作進行檢查，并在使用過程中，對設(shè)備的運行情況及運行狀態(tài)進行確認。

(3)日常保養(yǎng)

① 定期對設(shè)備的除塵、清理，掃凈監(jiān)控設(shè)備顯露的塵土，對攝像機、防護罩等部件要卸下徹底吹風(fēng)除塵，之后用無水酒精棉將各個鏡頭擦干凈，調(diào)整清晰度，防止由于機器運轉(zhuǎn)、靜電等因素將塵土吸入監(jiān)控設(shè)備機體內(nèi)，以確保機器正常運行。同時檢查監(jiān)控機房通風(fēng)、散熱、凈塵、供電等設(shè)施。室外溫度應(yīng)在－20℃ ～+60℃，相對濕度應(yīng)在10% ～100%;室內(nèi)溫度應(yīng)控制在+5℃ ～+35℃，相對濕度應(yīng)控制在10% ～80%，使機房監(jiān)控設(shè)備有一個良好的運行環(huán)境。

② 根據(jù)監(jiān)控系統(tǒng)各部份設(shè)備的使用說明，定期檢測其各項技術(shù)參數(shù)及監(jiān)控系統(tǒng)傳輸線路質(zhì)量，處理故障隱患，協(xié)助監(jiān)控主管設(shè)定使用級別等各種數(shù)據(jù)，確保各部份設(shè)備各項功能良好，能夠正常運行。

③ 對容易老化的監(jiān)控設(shè)備部件定期進行全面檢查，一旦發(fā)現(xiàn)老化現(xiàn)象應(yīng)及時更換、維修，如視頻頭等。

④ 對易吸塵部份定期清理，如監(jiān)視器暴露在空氣中，由于屏幕的靜電作用，會有許多灰塵被吸附在監(jiān)視器表面，影響畫面的清晰度，要定期擦拭監(jiān)視器，校對監(jiān)視器的顏色及亮度。

⑤ 對長時間工作的監(jiān)控設(shè)備定期維護，如硬盤錄像機長時間工作會產(chǎn)生較多的熱量，一旦其電風(fēng)扇有故障，會影響排熱，造成硬盤錄像機工作不正常。

⑥對監(jiān)控系統(tǒng)及設(shè)備的運行情況進行監(jiān)控，分析運行情況，及時發(fā)現(xiàn)并排除故障。如:網(wǎng)絡(luò)設(shè)備、服務(wù)器系統(tǒng)、監(jiān)控終端及各種終端外設(shè)。桌面系統(tǒng)的運行檢查，網(wǎng)絡(luò)及桌面系統(tǒng)的病毒防御。

⑦ 提供定期的信息服務(wù)，定期將上月?lián)屝?、維修、維護、保養(yǎng)記錄表以電子文檔的形式報送監(jiān)控中心負責(zé)人。之后用無水酒精棉將各個鏡頭擦干凈，調(diào)整清晰度，防止由于機器運轉(zhuǎn)、靜電等因素將塵土吸入監(jiān)控設(shè)備機體內(nèi)，確保機器正常運行。

(4)預(yù)防維修

根據(jù)“設(shè)備監(jiān)控”、“使用檢查”及“日常保養(yǎng)”報表，對存在不穩(wěn)定風(fēng)險的設(shè)備進行定期的預(yù)處理，對于可能產(chǎn)生故障的設(shè)備進行提前的維修和處理[6]。

(5)修復(fù)維修

在設(shè)備發(fā)生故障時，對設(shè)備進行及時維修及故障處理。為保證維修的效率和可靠性，必須事先建立主要設(shè)備配件及基本元器件庫，對于設(shè)備維修中必要的元器件進行儲備(如各種必須的模塊、開關(guān)、繼電器、供電電源等)。

(6)設(shè)備更換

在設(shè)備無法維修、不能維修或者從代價上不值得維修時，對設(shè)備進行直接更換處理。為保證維修的效率和可靠性，必須事先建立主要備品備件庫，對于經(jīng)常性、易損性及需要相當(dāng)長采購周期的產(chǎn)品進行儲備(如攝像頭、監(jiān)視器、光纜、光端機、緊急電話、揚聲器、各類探頭、信號燈等)。

(7)改進維修

在對設(shè)備進行維修處理的過程中，如發(fā)現(xiàn)現(xiàn)有設(shè)備內(nèi)相關(guān)元器件已經(jīng)無法滿足需求、類似更新的產(chǎn)品在實際使用上有遠超于現(xiàn)有產(chǎn)品性能或能大幅提升系統(tǒng)效率、已被新產(chǎn)品更新(包括原型號已經(jīng)停產(chǎn)無法采購等因素)，進行對應(yīng)的設(shè)備改進維修。設(shè)備的改進維修必須注意新產(chǎn)品或新工藝對于原有系統(tǒng)的兼容性和使用的穩(wěn)定性。

(8)預(yù)訂報廢

對于使用周期短、使用壽命短、在實際工況下無法保證長時間正常工作的設(shè)備，制定報廢計劃。直接根據(jù)計劃對相應(yīng)設(shè)備進行報廢和更換。

(9)技術(shù)改造

由于監(jiān)控系統(tǒng)在系統(tǒng)的先進性、功能性和系統(tǒng)兼容性上受新技術(shù)、新工藝、新方法的影響相對較大，為了保證系統(tǒng)內(nèi)部功能的完善、對外接口的協(xié)調(diào)等。需對存在的功能上疏漏、不合理、有缺陷，對外接口形式落后、數(shù)據(jù)傳輸滯后的設(shè)備進行技術(shù)改造。由于技術(shù)改造涉及范圍較廣、影響較大，需要有專業(yè)性團隊進行設(shè)計、改造;如涉及面廣，相關(guān)方案需通過上級部門批準。

4 RCM計劃

由于隧道設(shè)備監(jiān)控系統(tǒng)對于安全性和可靠性要求的特點，其不存在修復(fù)維修、預(yù)訂報廢、改造維修之間的選擇，一旦發(fā)生無法修復(fù)維修的情況必須第一時間進行改造維修;一旦到達預(yù)定報廢的使用期限必須第一時間報廢更換。由于同樣原因，對于隧道設(shè)備監(jiān)控系統(tǒng)而言，一切維修策略的出發(fā)點和終結(jié)點都是系統(tǒng)風(fēng)險的最小化，所以同樣無需考慮風(fēng)險價值和風(fēng)險預(yù)判等問題。其計劃完全根據(jù)RCM影響分析和故障模式得出。但是，必須指出，隨著故障點樣本容量的擴大，其對于故障的風(fēng)險/優(yōu)先級也會隨之發(fā)生變化(簡單而言，可能會在實際運營過程中出現(xiàn)故障風(fēng)險系數(shù)低的故障點反而需要優(yōu)先處理的情況)，但是，由于其對于預(yù)案數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)采集及樣本容量的增大是一個漫長而又多變的過程，就現(xiàn)今運行的隧道，并不會出現(xiàn)上述情況。故僅作為未來可能需要優(yōu)化的一個潛在點提出，以備考據(jù)。

5 結(jié)束語

RCM作為現(xiàn)代化的維修管理模式，已經(jīng)在各個領(lǐng)域里證明了其相比傳統(tǒng)維修處理方式的優(yōu)化。其實用性、科學(xué)性、專業(yè)性、高效性的特點也是未來維修管理模式的必然趨勢。

隧道監(jiān)控系統(tǒng)，作為現(xiàn)代化隧道運營、控制、管理的核心組成，同樣已經(jīng)逐漸成為了當(dāng)今隧道設(shè)計的關(guān)注點。相比其他工業(yè)系統(tǒng)，隧道監(jiān)控系統(tǒng)本身存在，系統(tǒng)多樣、功能復(fù)雜、涉及知識及技術(shù)面廣、產(chǎn)品及技術(shù)更新速度快等特點。由此導(dǎo)致隧道監(jiān)控系統(tǒng)的維修管理，一直以來是隧道維護保養(yǎng)的一大難題和隱患。但是，由于管理人員及管理儲備等諸多原因，導(dǎo)致對于如何制定一套隧道監(jiān)控系統(tǒng)的維修管理模式，從未得到有效的解決。

本篇結(jié)合隧道實際的工況以及長年隧道施工及運營管理的經(jīng)驗，利用可靠性維修的理念，對隧道的維修管理提出了一套能符合實際操作及運營的模式。在有限的資源情況下，更為有利的對隧道進行管理、運營及維修。并同時將由于監(jiān)控系統(tǒng)及其設(shè)備可能造成的風(fēng)險降低到最低限度。

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