公路隧道機(jī)電系統(tǒng)可靠性分析方法

張宏軍

摘 ?要：文章提出了一種基于專家法和層次分析法的公路隧道機(jī)電系統(tǒng)可靠性評(píng)估體系和評(píng)估方法。評(píng)估體系由目標(biāo)層、系統(tǒng)層、設(shè)備層以及評(píng)價(jià)單元層構(gòu)成，覆蓋公路隧道五大機(jī)電子系統(tǒng)。其系統(tǒng)整體可靠性可由抽樣檢測(cè)設(shè)備的個(gè)體可靠性結(jié)合由專家法和層次分析法得出的權(quán)值計(jì)算得出。設(shè)備個(gè)體可靠性分析方法考慮設(shè)備功能完好率、成新率、穩(wěn)定率以及支撐條件等因素，并結(jié)合機(jī)電設(shè)備技術(shù)要求進(jìn)行綜合評(píng)估。

關(guān)鍵詞：公路隧道;機(jī)電系統(tǒng);可靠性;層次分析法

中圖分類號(hào)：U457 ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A ? ? ? ? 文章編號(hào)：2095-2945（2020）25-0136-02

Abstract： This paper presents a reliability evaluation system and method of highway tunnel mechatronical system based on expert method and analytic hierarchy process（AHP）. The evaluation system is composed of target layer， system layer， equipment layer and evaluation unit layer， covering the five major mechatronical systems of highway tunnel. The overall reliability of the system can be calculated from the individual reliability of the sampling testing equipment combined with the weights obtained by the expert method and the analytic hierarchy process. The equipment individual reliability analysis method takes into account the equipment function integrity rate， innovation rate， stability rate and support conditions and other factors， and makes a comprehensive evaluation combined with the technical requirements of mechatronical equipment.

Keywords： highway tunnel; mechatronical system; reliability; analytic hierarchy process

引言

公路隧道是公路交通系統(tǒng)的重要構(gòu)成要素，為保障隧道行駛的安全性、高效性，道路管理單位會(huì)在隧道中配置一定規(guī)模的機(jī)電系統(tǒng)設(shè)備設(shè)施，用以實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和控制公路隧道運(yùn)行環(huán)境參數(shù)。公路隧道機(jī)電系統(tǒng)構(gòu)成復(fù)雜、要素眾多，其結(jié)構(gòu)單元是否能夠?qū)崿F(xiàn)其設(shè)計(jì)功能、以及實(shí)現(xiàn)的程度等顯著影響著道路管理單位對(duì)隧道運(yùn)行狀態(tài)的監(jiān)測(cè)和控制效果。

為了及時(shí)掌握機(jī)電系統(tǒng)本身運(yùn)行性能狀態(tài)，本文提出一種基于專家法和層次分析法的公路隧道機(jī)電系統(tǒng)可靠性分析體系和分析方法。以下章節(jié)分為評(píng)估體系結(jié)構(gòu)和評(píng)估方法兩部分簡(jiǎn)述。

1 公路隧道機(jī)電系統(tǒng)可靠性評(píng)估體系結(jié)構(gòu)

公路隧道機(jī)電系統(tǒng)可靠性指機(jī)電系統(tǒng)各個(gè)子系統(tǒng)、設(shè)備設(shè)施在運(yùn)營(yíng)時(shí)對(duì)設(shè)計(jì)功能及其工作支撐環(huán)境的實(shí)現(xiàn)程度。機(jī)電系統(tǒng)可靠性是系統(tǒng)各層子要素可靠性的綜合體現(xiàn)，應(yīng)能對(duì)整個(gè)機(jī)電系統(tǒng)、子系統(tǒng)、設(shè)備設(shè)施進(jìn)行評(píng)估。

影響機(jī)電系統(tǒng)可靠性評(píng)價(jià)要素可分為四層：目標(biāo)層、系統(tǒng)層、設(shè)備層以及評(píng)價(jià)單元層。其中，目標(biāo)層為系統(tǒng)可靠性，系統(tǒng)層包含機(jī)電系統(tǒng)各個(gè)子系統(tǒng)，設(shè)備層為子系統(tǒng)下所有構(gòu)成設(shè)備設(shè)施。隧道機(jī)電系統(tǒng)可靠性評(píng)估要素體系結(jié)構(gòu)見表1。

本文采用專家法和層次分析法，將評(píng)價(jià)體系中各個(gè)指標(biāo)要素的重要性由行業(yè)內(nèi)專家通過(guò)問(wèn)卷調(diào)查進(jìn)行重要性判斷，再采用層次分析法（Analytic Hierarchy Process，AHP）對(duì)重要性判斷矩陣進(jìn)行一致性判斷、重要性計(jì)算，最終得到評(píng)價(jià)體系各層要素的重要性權(quán)重。

基于公路隧道機(jī)電系統(tǒng)可靠性評(píng)價(jià)體系結(jié)構(gòu)及其重要性權(quán)值，不同隧道對(duì)象的機(jī)電系統(tǒng)可通過(guò)設(shè)備可靠性，通過(guò)加權(quán)求和計(jì)算子系統(tǒng)可靠性Ci和系統(tǒng)可靠性U：

Ci=Wi*Qi （1）

U=W*C （2）

其中，Wi為子系統(tǒng)中設(shè)備重要性權(quán)值向量，Qi=（q1，q2，…，qn）為子系統(tǒng)中構(gòu)成設(shè)備的整體可靠性向量。W為子系統(tǒng)重要性權(quán)值向量，C為子系統(tǒng)可靠性向量。

設(shè)備整體可靠性受單個(gè)設(shè)備可靠性影響，公路隧道機(jī)電系統(tǒng)構(gòu)成設(shè)備數(shù)量大，為保證檢測(cè)準(zhǔn)確性和檢測(cè)效率，可通過(guò)抽樣檢測(cè)方法對(duì)布設(shè)數(shù)量較大的設(shè)備類型進(jìn)行可靠性評(píng)估。采樣測(cè)點(diǎn)數(shù)量不小于設(shè)備母體總數(shù)的30%，同時(shí)應(yīng)保證測(cè)點(diǎn)數(shù)最少不低于3個(gè)。通過(guò)抽樣，設(shè)備整體可靠性通過(guò)計(jì)算抽樣設(shè)備個(gè)體可靠性的加權(quán)和或均值得到：

2 設(shè)備可靠性評(píng)估方法

機(jī)電系統(tǒng)設(shè)備可靠性受設(shè)備本身性能以及運(yùn)行環(huán)境影響，因而可靠性評(píng)價(jià)要素總體分為功能可靠性和支撐環(huán)境可靠性。其中，設(shè)備可靠性即設(shè)備設(shè)施能夠執(zhí)行預(yù)期功能的概率。設(shè)備可靠性與設(shè)備的完好率、成新率、穩(wěn)定率有關(guān)。因此，本文中，設(shè)備個(gè)體可靠性評(píng)價(jià)體系結(jié)構(gòu)分為兩層，設(shè)備個(gè)體可靠性可通過(guò)其功能可靠性和支撐條件可靠性得分與對(duì)應(yīng)重要性權(quán)重加權(quán)求和得到。功能可靠性可通過(guò)設(shè)備完好率、成新率、穩(wěn)定率得分的加權(quán)和得出。體系中指標(biāo)要素的重要性同樣采用專家法和層次分析法得出，指標(biāo)及其重要性權(quán)重見表2。

計(jì)算得到設(shè)備個(gè)體可靠性后，同類設(shè)備可靠性、子系統(tǒng)設(shè)備可靠性、機(jī)電系統(tǒng)整體穩(wěn)定性可分別通過(guò)公式（3）（1）（2）計(jì)算得出。

3 結(jié)論

本文所提出公路隧道機(jī)電系統(tǒng)可靠性評(píng)估體系和評(píng)估方法，考慮了設(shè)備功能的完好率、成新率、穩(wěn)定率以及支撐條件等因素。整體體系可靠性可由設(shè)備個(gè)體可靠性經(jīng)層次結(jié)構(gòu)加權(quán)求和，得到同類設(shè)備可靠性、子系統(tǒng)可靠性、機(jī)電系統(tǒng)整體可靠性。評(píng)估結(jié)果信息覆蓋五大子系統(tǒng)從局部到整體的可靠性信息，可用于分析隧道設(shè)備工作可靠性并由機(jī)電系統(tǒng)維護(hù)保養(yǎng)決策提供數(shù)據(jù)支持。

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