公路隧道機(jī)電系統(tǒng)技術(shù)狀況綜合評(píng)價(jià)模型

陳征

(河南省高速公路聯(lián)網(wǎng)監(jiān)控收費(fèi)通信服務(wù)有限公司， 河南，鄭州 450046)

0 引言

近年來，隨著高速公路大規(guī)模發(fā)展，我國隧道工程隨之日益增多。由于隧道內(nèi)部結(jié)構(gòu)和周邊環(huán)境均比較復(fù)雜，為保障隧道的安全運(yùn)營，需要建立一套完整的機(jī)電系統(tǒng)來監(jiān)測(cè)隧道運(yùn)營狀態(tài)[1]。同時(shí)，隧道機(jī)電系統(tǒng)良好的技術(shù)狀況不僅可以維護(hù)隧道的安全運(yùn)行，更能及時(shí)反映隧道存在的安全隱患，因此深入研究隧道機(jī)電系統(tǒng)對(duì)隧道工程的發(fā)展具有重要意義[2-4]。

目前，關(guān)于隧道機(jī)電系統(tǒng)的評(píng)價(jià)方法展開了大量研究，如朱立偉[5]針對(duì)公路隧道機(jī)電系統(tǒng)運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)實(shí)時(shí)評(píng)估技術(shù)進(jìn)行研究，結(jié)果表明該系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)公路隧道機(jī)電系統(tǒng)運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)的實(shí)時(shí)評(píng)估，對(duì)確保公路隧道的安全、高效運(yùn)營，提高公路隧道服務(wù)水平具有重要意義。侯小鵬[6]關(guān)于淺埋暗挖大跨度隧道機(jī)電系統(tǒng)安全性模糊評(píng)價(jià)展開研究，利用AHP層次分析法與模糊數(shù)學(xué)理論，構(gòu)建隧道機(jī)電系統(tǒng)的安全評(píng)價(jià)指標(biāo)體系，并通過建立模糊評(píng)價(jià)矩陣，進(jìn)行影響因素權(quán)重的計(jì)算，得到各個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)的權(quán)重分配，證明了該評(píng)價(jià)體系的有效性。楊麗琴[7]基于光纖光柵的高速公路隧道機(jī)電設(shè)備安全監(jiān)測(cè)展開研究，利用光纖光柵傳感器對(duì)隧道機(jī)電設(shè)備的多種狀態(tài)進(jìn)行綜合監(jiān)測(cè)，能夠?qū)崟r(shí)了解機(jī)電設(shè)備的健康狀態(tài)，為公路隧道的安全運(yùn)營提供保障，并且具有電絕緣、安裝簡(jiǎn)便、反應(yīng)靈敏、實(shí)時(shí)高效的優(yōu)點(diǎn)。謝耀華等[8]關(guān)于一種公路隧道機(jī)電系統(tǒng)運(yùn)營管理綜合評(píng)價(jià)方法展開研究，并提出一種基于公路隧道機(jī)電設(shè)備技術(shù)指標(biāo)狀況、機(jī)電設(shè)備功效指標(biāo)狀況、養(yǎng)護(hù)管理制度完備性與執(zhí)行情況及機(jī)電設(shè)備覆蓋率等4個(gè)方面評(píng)價(jià)指標(biāo)的高速公路隧道機(jī)電系統(tǒng)評(píng)價(jià)方法。綜上所述，我國對(duì)隧道機(jī)電系統(tǒng)的評(píng)價(jià)取得了一定研究成果，主要集中在隧道機(jī)電系統(tǒng)的運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)和運(yùn)營管理方面，而關(guān)于機(jī)電系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)和層次的評(píng)價(jià)方法研究還有待完善。基于此，采用逐級(jí)遞進(jìn)法，在考慮隧道機(jī)電系統(tǒng)設(shè)備可靠性、子系統(tǒng)有效度和整體有效度基礎(chǔ)上評(píng)價(jià)隧道機(jī)電系統(tǒng)綜合技術(shù)狀況。

1 評(píng)價(jià)指標(biāo)體系

1.1 建立原則

影響公路隧道機(jī)電系統(tǒng)的因素較多，其組成也比較復(fù)雜，為了確保公路隧道機(jī)電系統(tǒng)技術(shù)狀況評(píng)價(jià)指標(biāo)體系相對(duì)準(zhǔn)確，在建立評(píng)價(jià)指標(biāo)體系之前，應(yīng)先考慮好評(píng)價(jià)指標(biāo)體系的設(shè)計(jì)思路和實(shí)行方法，同時(shí)，在建立隧道機(jī)電系統(tǒng)指標(biāo)評(píng)價(jià)體系過程中需遵循系統(tǒng)性、科學(xué)性、可操作性及定性描述等原則，采用多元線性回歸法分別建立隧道機(jī)電系統(tǒng)設(shè)備可靠性、子系統(tǒng)有效度及整體有效度評(píng)價(jià)模型，并采用逐級(jí)遞進(jìn)的方法對(duì)隧道機(jī)電系統(tǒng)技術(shù)狀況進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)，以確保公路隧道機(jī)電系統(tǒng)技術(shù)狀況評(píng)價(jià)指標(biāo)體系檢驗(yàn)結(jié)果的精準(zhǔn)性。指標(biāo)評(píng)價(jià)體系的建立需結(jié)合公路隧道機(jī)電系統(tǒng)的運(yùn)行環(huán)境和檢驗(yàn)的可行性進(jìn)行綜合考慮，以防止由于無法進(jìn)行檢驗(yàn)或檢驗(yàn)過程過于復(fù)雜出現(xiàn)較大誤差等情況發(fā)生，從而保證對(duì)公路隧道機(jī)電系統(tǒng)技術(shù)狀況檢測(cè)的時(shí)效性。

1.2 評(píng)價(jià)體系

公路隧道中保證其安全運(yùn)營的關(guān)鍵硬件設(shè)施是機(jī)電系統(tǒng)，對(duì)機(jī)電系統(tǒng)中主要組成部分進(jìn)行客觀、有效的評(píng)價(jià)直接關(guān)系到公路隧道運(yùn)營管理措施的制定和實(shí)施，因此，建立公路隧道機(jī)電系統(tǒng)技術(shù)狀況評(píng)價(jià)指標(biāo)體系尤為重要。由于公路隧道機(jī)電系統(tǒng)設(shè)備覆蓋率較廣、規(guī)模較大，考慮到評(píng)價(jià)指標(biāo)體系的可行性和精準(zhǔn)性，研究時(shí)將公路隧道機(jī)電系統(tǒng)指標(biāo)體系分為系統(tǒng)層、子系統(tǒng)層及設(shè)備層進(jìn)行評(píng)價(jià)。系統(tǒng)層針對(duì)所有系統(tǒng)的整體有效度進(jìn)行評(píng)價(jià)，子系統(tǒng)主要針對(duì)通風(fēng)系統(tǒng)、照明系統(tǒng)、消防系統(tǒng)、交通控制與誘導(dǎo)系統(tǒng)及閉路電視監(jiān)視系統(tǒng)進(jìn)行有效度評(píng)價(jià)，設(shè)備層主要針對(duì)機(jī)電系統(tǒng)中基礎(chǔ)設(shè)施進(jìn)行可靠性評(píng)價(jià)。公路隧道機(jī)電系統(tǒng)技術(shù)狀況評(píng)價(jià)體系結(jié)構(gòu)，如圖1所示。

圖1 公路隧道機(jī)電系統(tǒng)技術(shù)狀況評(píng)價(jià)體系

2 綜合評(píng)價(jià)模型

2.1 設(shè)備可靠性評(píng)價(jià)模型

設(shè)備可靠性指的是公路隧道機(jī)電系統(tǒng)基礎(chǔ)設(shè)備在制定的運(yùn)行環(huán)境下及一定時(shí)間范圍內(nèi)機(jī)電設(shè)備正常使用的概率，概率越高，機(jī)電設(shè)備可靠性越好，公路隧道機(jī)電系統(tǒng)技術(shù)狀況就越佳[9-10]。影響機(jī)電設(shè)備可靠性的重要因素是設(shè)備的完好率和成新率，完好率代表機(jī)電設(shè)備在正常使用過程中的完好程度，成新率代表機(jī)電設(shè)備已使用時(shí)間與可使用期限的比值。研究通過建立公路隧道機(jī)電設(shè)備評(píng)價(jià)指標(biāo)模型，分別針對(duì)機(jī)電設(shè)備完好率、成新率、影響完好率的檢測(cè)項(xiàng)目、影響成新率的年限比值以及影響檢測(cè)項(xiàng)目的檢測(cè)子項(xiàng)進(jìn)行可靠性評(píng)價(jià)。公路機(jī)電設(shè)備可靠性模型，如圖2所示。

圖2 公路隧道機(jī)電設(shè)備可靠性評(píng)價(jià)模型

圖2機(jī)電設(shè)備評(píng)價(jià)模型中，計(jì)算公路隧道機(jī)電系統(tǒng)評(píng)價(jià)模型中檢測(cè)項(xiàng)目完好率：

W1=Q111·W11+Q112·W12+…+Q11n·W1n

(1)

計(jì)算機(jī)電設(shè)備完好率：

W=Q11·W1+Q12·W2+…+Q1n·Wn

(2)

計(jì)算機(jī)電設(shè)備成新率：

(3)

結(jié)合式(2)、式(3)可得到機(jī)電設(shè)備可靠性為

K=Q1·W+Q2·C

(4)

式中，K代表機(jī)電設(shè)備可靠性，Q1代表機(jī)電設(shè)備完好率權(quán)值，Q2代表機(jī)電設(shè)備成新率權(quán)值，Q11、Q12、…、Q1n代表檢測(cè)項(xiàng)目11、檢測(cè)項(xiàng)目12到1n的權(quán)值，Q111、Q112、…、Q11n代表檢測(cè)子項(xiàng)111、檢測(cè)子項(xiàng)112到11n的權(quán)值，W代表機(jī)電設(shè)備完好率，W1、W2、…、Wn代表檢測(cè)項(xiàng)目1、檢測(cè)項(xiàng)目2到n的完好率，W11、W12、…、W1n代表檢測(cè)子項(xiàng)11、檢測(cè)子項(xiàng)12到1n的完好率，C代表機(jī)電設(shè)備成新率，y代表已使用年限，Y代表有效年限。

2.2 子系統(tǒng)有效度評(píng)價(jià)模型

公路隧道機(jī)電系統(tǒng)子系統(tǒng)主要由通風(fēng)系統(tǒng)、照明系統(tǒng)、消防系統(tǒng)、交通控制與誘導(dǎo)系統(tǒng)及閉路電視監(jiān)視系統(tǒng)等組成，子系統(tǒng)有效度指的是隧道機(jī)電系統(tǒng)在運(yùn)行狀態(tài)時(shí)各個(gè)電子系統(tǒng)充分發(fā)揮使用功能的程度，其可實(shí)現(xiàn)度越高，子系統(tǒng)的有效度就越高。同時(shí)，公路隧道機(jī)電系統(tǒng)子系統(tǒng)有效度還與機(jī)電設(shè)備可靠性的相關(guān)，其可靠性越高，子系統(tǒng)有效度也越好，因此子系統(tǒng)有效度主要由機(jī)電設(shè)備的可靠性和電子系統(tǒng)的使用功能狀況決定。在建立公路隧道機(jī)電系統(tǒng)子系統(tǒng)有效度評(píng)價(jià)模型時(shí)，評(píng)價(jià)因素可從3個(gè)方面進(jìn)行考慮，子系統(tǒng)使用功能狀況和對(duì)應(yīng)機(jī)電設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)；子系統(tǒng)使用功能狀況的檢測(cè)項(xiàng)目和相關(guān)機(jī)電設(shè)備的可靠性；子系統(tǒng)功能使用狀況檢測(cè)項(xiàng)目的檢測(cè)子項(xiàng)。公路機(jī)電系統(tǒng)子系統(tǒng)有效度模型，如圖3所示。

圖3 公路隧道機(jī)電子系統(tǒng)有效度評(píng)價(jià)模型

圖3中，Q1表示設(shè)備可靠性相對(duì)于隧道機(jī)電系統(tǒng)子系統(tǒng)的權(quán)值，Q2表示功能檢測(cè)結(jié)果相對(duì)于隧道機(jī)電系統(tǒng)子功能的權(quán)值，Q1n表示設(shè)備n對(duì)應(yīng)設(shè)備可靠性的權(quán)值，Q2n表示檢測(cè)項(xiàng)目n相對(duì)功能檢測(cè)結(jié)果的權(quán)值，Q22n表示檢測(cè)子項(xiàng)n相對(duì)于第二個(gè)檢測(cè)項(xiàng)目的權(quán)值。

公路機(jī)電系統(tǒng)子系統(tǒng)有效度評(píng)價(jià)模型中，相關(guān)機(jī)電設(shè)備的可靠性計(jì)算表達(dá)式為

(5)

功能檢測(cè)結(jié)果完好率計(jì)算表達(dá)式為

(6)

檢測(cè)項(xiàng)目i的完好率計(jì)算表達(dá)式為

(7)

式中，K為相關(guān)機(jī)電設(shè)備的可靠性，Ki為與機(jī)電系統(tǒng)功能狀況相關(guān)的設(shè)備i的可靠性，Q1i為相關(guān)機(jī)電設(shè)備i的權(quán)值，W為功能檢測(cè)結(jié)果完好率，Wi為檢測(cè)項(xiàng)目i的完好率，Q2i為檢測(cè)項(xiàng)目i的權(quán)值，Wi為檢測(cè)項(xiàng)目i的完好率，Wij為檢測(cè)項(xiàng)目i的第j個(gè)檢測(cè)子項(xiàng)的完好率，Q2ij為檢測(cè)項(xiàng)目i的第j個(gè)檢測(cè)子項(xiàng)的權(quán)值。

隧道機(jī)電系統(tǒng)子系統(tǒng)有效度計(jì)算表達(dá)式為

Y=K×Q1+W×Q2

(8)

式中，Y為隧道機(jī)電系統(tǒng)子系統(tǒng)有效度，Q1為相關(guān)設(shè)備對(duì)應(yīng)權(quán)值，Q2為功能檢測(cè)項(xiàng)目對(duì)應(yīng)權(quán)值。

2.3 整體有效度評(píng)價(jià)模型

公路隧道機(jī)電系統(tǒng)整體有效度時(shí)體現(xiàn)機(jī)電設(shè)備運(yùn)行狀況的重要評(píng)價(jià)指標(biāo)，它主要是結(jié)合機(jī)電設(shè)備子系統(tǒng)有效度和子系統(tǒng)對(duì)隧道機(jī)電系統(tǒng)整體有效度的影響程度進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)，因此子系統(tǒng)有效度是影響隧道機(jī)電系統(tǒng)整體有效度的重要因素。通過建立公路隧道機(jī)電系統(tǒng)整體有效度評(píng)價(jià)模型，分別檢測(cè)隧道機(jī)電系統(tǒng)各個(gè)子系統(tǒng)有效度和子系統(tǒng)對(duì)隧道機(jī)電系統(tǒng)整體有效度的影響程度，然后根據(jù)檢測(cè)結(jié)果和子系統(tǒng)的權(quán)值對(duì)公路隧道機(jī)電系統(tǒng)進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)。公路機(jī)電系統(tǒng)整體有效度模型，如圖4所示。

圖4 公路隧道機(jī)電整體有效度評(píng)價(jià)模型

根據(jù)《公路隧道養(yǎng)護(hù)技術(shù)規(guī)范》(JTG H12-2015)的規(guī)范要求，隧道機(jī)電系統(tǒng)子系統(tǒng)權(quán)值相加應(yīng)等于1，即在圖4中Q1+Q2+Q3+…+Qm=1，其中Qm表示第m項(xiàng)子系統(tǒng)相對(duì)于隧道機(jī)電系統(tǒng)整體有效度的權(quán)值。公路隧道機(jī)電系統(tǒng)整體有效度計(jì)算表達(dá)式如下：

(9)

式中，Y為公路隧道機(jī)電系統(tǒng)整體有效度，Yi為第i個(gè)子系統(tǒng)有效度，Qi為第i個(gè)子系統(tǒng)的權(quán)值。

3 案例應(yīng)用分析

以某段穿越隧道較多的高速公路為依托，該路段全長(zhǎng)為114.6 km，全線包含特長(zhǎng)隧道、中長(zhǎng)隧道和中短隧道共計(jì)24座，隧道總長(zhǎng)度合計(jì)約19.6 km。以其中某一中長(zhǎng)隧道為例對(duì)公路隧道機(jī)電系統(tǒng)整體有效度進(jìn)行驗(yàn)證分析，該隧道全長(zhǎng)為7 654.8 m，車道設(shè)計(jì)為單向行車，最高車速限制為80 km/h，機(jī)電系統(tǒng)配套齊全，通風(fēng)、照明及消防等子系統(tǒng)相對(duì)比較完善的公路隧道。

通過采用設(shè)備可靠性評(píng)價(jià)模型、子系統(tǒng)有效度模型和整體有效度模型，依次對(duì)公路隧道機(jī)電系統(tǒng)技術(shù)狀況進(jìn)行實(shí)例分析，分別針對(duì)隧道機(jī)電系統(tǒng)的通風(fēng)系統(tǒng)、照明系統(tǒng)、消防系統(tǒng)、交通控制與誘導(dǎo)系統(tǒng)及閉路電視監(jiān)控系統(tǒng)等多個(gè)子系統(tǒng)功能進(jìn)行監(jiān)測(cè)，然后結(jié)合監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，采用專家法確定子系統(tǒng)權(quán)值(專家分類及權(quán)重見表1所示)，依據(jù)式(8)得到各個(gè)子系統(tǒng)有效度，結(jié)果見表2。結(jié)合式(9)對(duì)隧道機(jī)電系統(tǒng)綜合技術(shù)狀況進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)，得到該隧道機(jī)電系統(tǒng)整體有效度，見表2。

表1 專家分類及權(quán)重

表2 隧道機(jī)電系統(tǒng)整體有效度計(jì)算結(jié)果

根據(jù)表2可知，該隧道機(jī)電系統(tǒng)綜合技術(shù)狀況良好，子系統(tǒng)有效度大多超過0.6[8]，表明該隧道機(jī)電設(shè)備比較完善且機(jī)電系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)比較好。隧道機(jī)電系統(tǒng)子系統(tǒng)中，通信功能和緊急電話及廣播動(dòng)能有效度相對(duì)較低，均未達(dá)到0.6，表明該隧道機(jī)電系統(tǒng)獲取和傳遞信息的功能有所缺陷，可能會(huì)由于信息傳遞不及時(shí)而造成一定安全隱患，有待進(jìn)一步提高和改善。通過結(jié)合子系統(tǒng)有效度和權(quán)值，計(jì)算得出隧道機(jī)電系統(tǒng)整體有效度為72.6%，計(jì)算結(jié)果與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)基本相近，說明該隧道機(jī)電系統(tǒng)處于良好的運(yùn)行狀態(tài)，綜合技術(shù)狀況基本達(dá)標(biāo)，同時(shí)也存在缺陷需要完善。應(yīng)用結(jié)果表明該評(píng)價(jià)模型的構(gòu)建對(duì)隧道機(jī)電系統(tǒng)綜合技術(shù)狀況進(jìn)行評(píng)價(jià)具有可行性。

4 總結(jié)

依據(jù)評(píng)價(jià)指標(biāo)體系建立原則構(gòu)建了隧道機(jī)電系統(tǒng)評(píng)價(jià)指標(biāo)體系結(jié)構(gòu)，并以此為依據(jù)采用多元線性回歸法分別建立隧道機(jī)電系統(tǒng)設(shè)備可靠性評(píng)價(jià)模型、子系統(tǒng)有效度評(píng)價(jià)模型及整體有效度評(píng)價(jià)模型，采用逐級(jí)遞進(jìn)的方法對(duì)隧道機(jī)電系統(tǒng)技術(shù)狀況進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)。結(jié)合工程實(shí)例進(jìn)行應(yīng)用分析，得出該隧道機(jī)電系統(tǒng)整體有效度為72.6%，結(jié)果表明該隧道機(jī)電系統(tǒng)處于良好的運(yùn)行狀態(tài)，綜合技術(shù)狀況基本達(dá)標(biāo)，計(jì)算結(jié)果與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)基本相近，但通信系統(tǒng)和緊急電話及廣播系統(tǒng)有效度存在缺陷，有待進(jìn)一步完善。應(yīng)用結(jié)果表明該評(píng)價(jià)模型對(duì)隧道機(jī)電系統(tǒng)綜合技術(shù)狀況進(jìn)行評(píng)價(jià)是可行的。