普通公路隧道機(jī)電設(shè)施故障檢測(cè)方法研究

康云霞，潘江塞，程 旭

(1.北京市公路事業(yè)發(fā)展中心，北京 102488；2.中科軟科技股份有限公司，北京 102488)

0 引言

在普通公路隧道的日常管養(yǎng)過(guò)程中，對(duì)于機(jī)電設(shè)施的故障檢測(cè)始終處于相對(duì)被動(dòng)的響應(yīng)階段，既不能做到及時(shí)主動(dòng)地預(yù)防，也不能在故障發(fā)生的第一時(shí)間對(duì)其進(jìn)行保養(yǎng)與測(cè)試，且該項(xiàng)檢測(cè)工程也一直受到“故障后再維修”傳統(tǒng)思想的影響[1]。就現(xiàn)有發(fā)展形式來(lái)看，普通公路隧道機(jī)電設(shè)施的日常保養(yǎng)，由于無(wú)法及時(shí)獲得設(shè)備常規(guī)運(yùn)行狀態(tài)數(shù)據(jù)，相關(guān)工作人員往往只能在設(shè)備表面進(jìn)行簡(jiǎn)單的擦拭，這使得整個(gè)保養(yǎng)工作不具備明顯的針對(duì)性，更無(wú)法做到養(yǎng)護(hù)業(yè)務(wù)流程的全面性覆蓋。這種維護(hù)形式的長(zhǎng)期延續(xù)，不但會(huì)造成公路隧道機(jī)電設(shè)施運(yùn)維養(yǎng)護(hù)費(fèi)用的嚴(yán)重浪費(fèi)，還可能引發(fā)一系列的安全隱患問(wèn)題。

近年來(lái)，普通公路隧道機(jī)電設(shè)施的養(yǎng)護(hù)與管理工作主要面臨著養(yǎng)護(hù)技術(shù)水平有限、管理制度不到位、資金投入不足等問(wèn)題，這也在無(wú)形中加重了機(jī)電設(shè)備的老化程度，并極有可能使其陷入完全癱瘓的狀態(tài)[2-3]。在過(guò)去很長(zhǎng)的一段時(shí)間里，相關(guān)單位對(duì)各條普通公路隧道實(shí)施集中化管理，在對(duì)所有機(jī)電設(shè)備進(jìn)行統(tǒng)一編號(hào)的同時(shí)，做到對(duì)整個(gè)養(yǎng)護(hù)過(guò)程的高度標(biāo)準(zhǔn)化管理，并將養(yǎng)護(hù)維修工作的規(guī)范化原則落到實(shí)處。然而，隨著機(jī)電設(shè)施使用年限的延長(zhǎng)，各類故障行為的發(fā)生幾率也會(huì)大大增加，在此情況下，設(shè)施聲波信號(hào)的表現(xiàn)形式會(huì)與其常規(guī)表現(xiàn)形式產(chǎn)生較大出入，從而使得隧道機(jī)電設(shè)施的實(shí)際利用效率受到嚴(yán)重影響。

為解決上述問(wèn)題，本文針對(duì)普通公路隧道機(jī)電設(shè)施的故障設(shè)計(jì)了一種新的故障檢測(cè)方法。

1 普通公路隧道機(jī)電設(shè)施的故障檢測(cè)指標(biāo)選取

普通公路隧道機(jī)電設(shè)施的故障檢測(cè)指標(biāo)選取包含技術(shù)性能指標(biāo)定義、運(yùn)營(yíng)效果指標(biāo)定義和權(quán)重值確定3個(gè)處理環(huán)節(jié)。

1.1 技術(shù)性能指標(biāo)

對(duì)于普通公路隧道機(jī)電設(shè)施自身的技術(shù)性能指標(biāo)可以從設(shè)備元件對(duì)于環(huán)境的適應(yīng)性、設(shè)備自身物理性能和設(shè)備自身功能等多個(gè)方面進(jìn)行全方位評(píng)價(jià)。本文將以耐機(jī)械震動(dòng)指標(biāo)、設(shè)備手動(dòng)性能指標(biāo)和設(shè)備自動(dòng)性能指標(biāo)3類要素為例。

a.耐機(jī)械震動(dòng)指標(biāo)。

耐機(jī)械震動(dòng)是指由于機(jī)械設(shè)施出現(xiàn)震動(dòng)，而促使普通公路隧道機(jī)電設(shè)施的聲波信號(hào)受到損耗影響，或者使其輸出能量大大減少[4]。該項(xiàng)指標(biāo)是故障檢測(cè)定性行為與定量行為相結(jié)合的表現(xiàn)形式，在實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中，能夠直接決定普通公路隧道機(jī)電設(shè)施故障的作用強(qiáng)度。

b.設(shè)備手動(dòng)性能指標(biāo)。

該項(xiàng)指標(biāo)表明普通公路隧道機(jī)電設(shè)施故障的檢測(cè)行為在一定情況下可以手動(dòng)控制，在檢測(cè)過(guò)程中，始終表現(xiàn)為定性指標(biāo)。

c.設(shè)備自動(dòng)性能指標(biāo)。

該項(xiàng)指標(biāo)能夠描述在普通公路隧道機(jī)電設(shè)施故障檢測(cè)過(guò)程中，相關(guān)故障元件是否受到實(shí)際操作行為的影響，也屬于一種定性指標(biāo)[5]。

設(shè)σi為耐機(jī)械震動(dòng)指標(biāo)，εi為設(shè)備手動(dòng)性能指標(biāo)，δi為設(shè)備自動(dòng)性能指標(biāo)，i為普通公路隧道機(jī)電設(shè)施的故障特征，聯(lián)立上述物理量，可將技術(shù)性能指標(biāo)選取定義為

(1)

對(duì)于普通公路隧道機(jī)電設(shè)施而言，技術(shù)性能指標(biāo)只能作為故障檢測(cè)判別的參與條件，并不能作為直接決定因素。

1.2 運(yùn)營(yíng)效果指標(biāo)

對(duì)于普通公路隧道機(jī)電設(shè)施故障檢測(cè)方法運(yùn)營(yíng)效果指標(biāo)的評(píng)價(jià)，可以從機(jī)械應(yīng)用滿意度、設(shè)備安全性能、儀表運(yùn)行效率和能源環(huán)境4個(gè)方面進(jìn)行分析。

a.機(jī)械應(yīng)用滿意度可用來(lái)描述普通公路隧道機(jī)電設(shè)施故障行為的表現(xiàn)強(qiáng)度，一般來(lái)說(shuō)，在實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中，機(jī)械應(yīng)用滿意度指標(biāo)的數(shù)值越大，則表示普通公路隧道機(jī)電設(shè)施故障行為的表現(xiàn)能力越弱[6-7]。

b.設(shè)備安全性能是指普通公路隧道機(jī)電設(shè)施故障表現(xiàn)行為的改善程度，受到時(shí)間、事故率和故障強(qiáng)度等多項(xiàng)指標(biāo)參量的共同影響。具體計(jì)算式為

(2)

c.儀表運(yùn)行效率是指檢測(cè)方法對(duì)于排查普通公路隧道機(jī)電設(shè)施故障行為的貢獻(xiàn)程度，在不同檢測(cè)階段中，該項(xiàng)指標(biāo)參量的表現(xiàn)數(shù)值也會(huì)有所不同。

d.能源環(huán)境指標(biāo)是指檢測(cè)機(jī)電系統(tǒng)對(duì)于普通公路隧道機(jī)電設(shè)施故障行為的影響強(qiáng)度，在實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中，故障問(wèn)題越嚴(yán)重，能源環(huán)境指標(biāo)的影響能力也就越強(qiáng)。具體計(jì)算式為

(3)

1.3 權(quán)重確定

在確定了基本檢測(cè)評(píng)價(jià)方法后，需要賦予技術(shù)性能指標(biāo)、運(yùn)營(yíng)效果指標(biāo)等多項(xiàng)參與變量相應(yīng)的權(quán)重值。指標(biāo)權(quán)重將直接影響檢測(cè)方法的作用效果，并最終干預(yù)普通公路隧道機(jī)電設(shè)施故障的行為表現(xiàn)強(qiáng)度[8]。

(4)

同時(shí)取技術(shù)性能指標(biāo)與運(yùn)營(yíng)效果指標(biāo)，則可將普通公路隧道機(jī)電設(shè)施的故障權(quán)重表示為

(5)

對(duì)于普通公路隧道機(jī)電設(shè)施故障檢測(cè)方法而言，特征指標(biāo)集的子集數(shù)量越大，與故障表現(xiàn)行為匹配的權(quán)重值越能反映聲波信號(hào)的存在形式。

2 故障檢測(cè)方法設(shè)計(jì)

在檢測(cè)指標(biāo)選取原則的支持下，按照故障信號(hào)特點(diǎn)分析、按需采集、特征向量提取、故障行為識(shí)別的處理流程，完成普通公路隧道機(jī)電設(shè)施故障檢測(cè)方法的設(shè)計(jì)與應(yīng)用。

2.1 故障信號(hào)的特點(diǎn)與采集

當(dāng)普通公路隧道機(jī)電設(shè)施發(fā)生故障時(shí)，其輸出聲波信號(hào)特征會(huì)根據(jù)故障行為的表現(xiàn)形式作出相應(yīng)的變化，因此可通過(guò)分析聲波信號(hào)特征的方式，研究普通公路隧道機(jī)電設(shè)施當(dāng)前所處的運(yùn)行狀態(tài)[9]。

普通公路隧道機(jī)電設(shè)施的聲波信號(hào)具有以下特點(diǎn)：

a.在正常運(yùn)行過(guò)程中，故障行為發(fā)生前聲波信號(hào)的基礎(chǔ)頻帶很寬，其單位傳輸頻率能夠超過(guò)20 000 Hz。

b.在可采集范圍內(nèi)，隨著故障行為表現(xiàn)能力的增強(qiáng)，待采集的故障信號(hào)大量累計(jì)，且由于普通公路隧道機(jī)電設(shè)施的連續(xù)運(yùn)行，這些信號(hào)的初始傳輸頻率可能發(fā)生一定程度的改變[10-11]。

c.機(jī)電設(shè)施在運(yùn)行過(guò)程中所產(chǎn)生的噪聲總是與聲波信號(hào)保持相同的傳輸頻率。因此，為保證故障檢測(cè)結(jié)果的絕對(duì)穩(wěn)定性，應(yīng)針對(duì)噪聲信號(hào)與原聲波信號(hào)進(jìn)行分別采集處理。

設(shè)Δt為普通公路隧道機(jī)電設(shè)施故障行為的單位表現(xiàn)時(shí)長(zhǎng)；d為信號(hào)采集特征值；β為故障信號(hào)的連續(xù)傳輸系數(shù)。聯(lián)立式(5)，可將普通公路隧道機(jī)電設(shè)施故障信號(hào)的采集結(jié)果表示為

(6)

普通公路隧道機(jī)電設(shè)施故障信號(hào)的狀態(tài)變化能夠引起聲波分布形式的直接改變，因此，為保證最終故障檢測(cè)結(jié)果的絕對(duì)真實(shí)性，應(yīng)采集大量聲波信號(hào)，并在計(jì)算過(guò)程中，以各個(gè)參量的平均數(shù)值結(jié)果代替原始存在的特征值結(jié)果。

2.2 故障信號(hào)特征向量提取

對(duì)于普通公路隧道機(jī)電設(shè)施故障行為而言，特征向量提取操作限定了聲波信號(hào)的實(shí)際傳輸方向，在已知采集量條件的情況下，單位間隔距離越大，檢測(cè)指令的執(zhí)行難度也就相對(duì)較大[12-13]。單位間隔距離是指2個(gè)普通公路隧道機(jī)電設(shè)施故障聲波原信號(hào)之間的物理距離，定義Q1、Q2為2個(gè)不同的故障聲波原信號(hào)，在信號(hào)采集量保持為W的情況下，可將原信號(hào)的單位間隔距離表示為

(7)

(8)

在實(shí)際檢測(cè)過(guò)程中，普通公路隧道機(jī)電設(shè)施故障行為特征向量不一定保持完全穩(wěn)定的傳輸形式。因此，為保證檢測(cè)結(jié)果的真實(shí)性，必須將所有可能存在的故障行為特征全部考慮在內(nèi)。

2.3 故障行為識(shí)別

故障行為識(shí)別是實(shí)現(xiàn)普通公路隧道機(jī)電設(shè)施故障檢測(cè)的末尾處理環(huán)節(jié)，由于故障行為特征向量的傳輸形式有所不同，所以在實(shí)施識(shí)別時(shí)，必須注重所采用方法的適應(yīng)性能力[14-15]。

設(shè)定v1,v2,…,vn為n個(gè)不同的故障行為傳輸波段系數(shù)，在單位提取空間R中，可將基于波段系數(shù)的故障行為檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)條件定義為

(9)

設(shè)m?為普通公路隧道機(jī)電設(shè)施故障行為表現(xiàn)量為?時(shí)的聲波信號(hào)識(shí)別系數(shù)，ζ?為此時(shí)的故障行為判別條件。聯(lián)立式(8)和式(9)，可將普通公路隧道機(jī)電設(shè)施的故障行為識(shí)別結(jié)果表示為

(10)

3 實(shí)例分析

3.1 實(shí)驗(yàn)方案

本次實(shí)驗(yàn)的數(shù)據(jù)獲取階段由分為如下幾個(gè)步驟：

a.在公路隧道環(huán)境中，利用圖1所示設(shè)備，記錄機(jī)電設(shè)備常規(guī)聲波信號(hào)的傳輸形式。

b.人為制造機(jī)電設(shè)備故障問(wèn)題，并再次利用圖1所示設(shè)備，記錄機(jī)電設(shè)備故障聲波信號(hào)的傳輸形式。

c.分析常規(guī)情況下的聲波信號(hào)幅值，將數(shù)值結(jié)果與其所在的記錄時(shí)間節(jié)點(diǎn)對(duì)應(yīng)起來(lái)。

d.分析故障聲波信號(hào)幅值，將數(shù)值結(jié)果與其所在的記錄時(shí)間節(jié)點(diǎn)對(duì)應(yīng)起來(lái)。

e.利用機(jī)電設(shè)施故障檢測(cè)方法對(duì)步驟d中的數(shù)據(jù)結(jié)果進(jìn)行過(guò)濾處理。

f.對(duì)比常規(guī)聲波信號(hào)、過(guò)濾后故障聲波信號(hào)和未過(guò)濾故障聲波信號(hào)。

3.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

聲波信號(hào)能夠反映普通公路隧道機(jī)電設(shè)施的運(yùn)行狀態(tài)，一般來(lái)說(shuō)，在不存在故障行為的情況下，信號(hào)始終保持相對(duì)穩(wěn)定的波動(dòng)變化狀態(tài)，如圖2所示。

圖2 常規(guī)聲波信號(hào)的波動(dòng)曲線

由圖2可以知道，當(dāng)實(shí)驗(yàn)時(shí)間小于30 s時(shí)，常規(guī)聲波信號(hào)的波動(dòng)情況相對(duì)較為平穩(wěn)，該過(guò)程中區(qū)域極大值與區(qū)域極小值之間的物理差值結(jié)果僅為0.011 4 dBm，該階段聲波信號(hào)的極大值水平較低，只能達(dá)到0.015 3 dBm；當(dāng)實(shí)驗(yàn)時(shí)間處于35～65 s之間時(shí)，常規(guī)聲波信號(hào)的波動(dòng)情況則更為明顯，該過(guò)程中區(qū)域極大值與區(qū)域極小值之間的物理差值結(jié)果達(dá)到了0.013 2 dBm，且該階段聲波信號(hào)的極大值水平較高，達(dá)到了0.018 9 dBm。

若存在故障行為，普通公路隧道機(jī)電設(shè)施聲波信號(hào)的傳輸波動(dòng)狀態(tài)則會(huì)出現(xiàn)一定的變化，若變化后聲波信號(hào)與常規(guī)聲波信號(hào)間的差異性過(guò)于明顯，則會(huì)導(dǎo)致隧道機(jī)電設(shè)施運(yùn)行效率的大幅下降。

未過(guò)濾聲波信號(hào)、經(jīng)機(jī)電設(shè)施故障檢測(cè)方法過(guò)濾后聲波信號(hào)的變化趨勢(shì)及其與常規(guī)聲波信號(hào)間的對(duì)比情況如表1所示。

表1 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析

由表1可知，在整個(gè)實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，經(jīng)故障檢測(cè)方法過(guò)濾后的聲波信號(hào)幅值變化趨勢(shì)始終與常規(guī)聲波信號(hào)幅值變化趨勢(shì)保持一致，當(dāng)時(shí)間為15 s時(shí)，二者之間的物理差值最大，達(dá)到了0.000 8 dBm。在前25 s的實(shí)驗(yàn)時(shí)間內(nèi)，未過(guò)濾故障聲波信號(hào)幅值的變化趨勢(shì)能夠與常規(guī)聲波信號(hào)幅值變化趨勢(shì)保持一致，從第30 s開始，未過(guò)濾故障聲波信號(hào)幅值開始不斷上升，而到第55 s，又開始持續(xù)下降。整個(gè)實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，當(dāng)時(shí)間為50 s時(shí)，二者之間的物理差值最大，達(dá)到了0.061 9 dBm，遠(yuǎn)高于故障檢測(cè)方法過(guò)濾后的信號(hào)幅值差結(jié)果。

為進(jìn)一步驗(yàn)證所提方法可有效識(shí)別故障行為，實(shí)驗(yàn)中分析了本文方法對(duì)故障表現(xiàn)行為的識(shí)別準(zhǔn)確率，得到的實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖3 所示。

圖3 故障表現(xiàn)行為的識(shí)別準(zhǔn)確率結(jié)果分析

由圖3可知，采用本文方法識(shí)別普通公路隧道機(jī)電設(shè)施故障的準(zhǔn)確率較為理想，隨著識(shí)別次數(shù)的不斷變化，采用本文方法識(shí)別故障的準(zhǔn)確率與理想值較為一致，均高于90%，驗(yàn)證了本文方法可有效實(shí)現(xiàn)故障的檢測(cè)。

4 結(jié)束語(yǔ)

在實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中，由于應(yīng)用不當(dāng)?shù)葐?wèn)題，極易使普通公路隧道機(jī)電設(shè)施出現(xiàn)故障，此時(shí)機(jī)電設(shè)施聲波信號(hào)會(huì)與原始聲波信號(hào)產(chǎn)生較大出入。為解決此問(wèn)題，提出普通公路隧道機(jī)電設(shè)施故障檢測(cè)方法，在已知技術(shù)性能指標(biāo)、運(yùn)營(yíng)效果指標(biāo)的前提下，該方法可對(duì)權(quán)重系數(shù)值進(jìn)行重新規(guī)劃，既保證了故障信號(hào)的原始采集特點(diǎn)，也可實(shí)現(xiàn)對(duì)故障表現(xiàn)行為的準(zhǔn)確識(shí)別。