基于MLR的高速公路隧道機(jī)電系統(tǒng)狀況評價(jià)

摘 要：本文基于多元線性回歸（MLR）方法，設(shè)計(jì)了一種評價(jià)高速公路隧道機(jī)電系統(tǒng)技術(shù)狀況的模型。采用逐級遞進(jìn)的方法對隧道機(jī)電系統(tǒng)技術(shù)狀況進(jìn)行綜合評價(jià)，并結(jié)合工程實(shí)例進(jìn)行應(yīng)用分析。研究結(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)測數(shù)據(jù)基本相近，該評價(jià)模型可以有效反映隧道機(jī)電系統(tǒng)綜合技術(shù)狀況。

關(guān)鍵詞：MLR；高速公路隧道；機(jī)電系統(tǒng)

中圖分類號： U 45" 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

高速公路隧道機(jī)電系統(tǒng)是保障隧道安全運(yùn)行的重要組成部分。隨著技術(shù)的不斷進(jìn)步，隧道機(jī)電設(shè)備的功能也越來越復(fù)雜，對系統(tǒng)的技術(shù)狀況進(jìn)行評價(jià)成為必要的工作[1]。然而，目前缺乏一種全面、客觀的評價(jià)方法。因此，本文基于MLR方法，設(shè)計(jì)了一種評價(jià)模型，旨在提供一種系統(tǒng)性、科學(xué)性的評價(jià)方式，為改進(jìn)和優(yōu)化隧道機(jī)電系統(tǒng)提供參考。

1 高速公路隧道機(jī)電系統(tǒng)技術(shù)狀況評價(jià)指標(biāo)構(gòu)建

1.1 構(gòu)建原則

在創(chuàng)建評價(jià)體系前，先要考慮清楚評價(jià)體系的設(shè)計(jì)理念和推行方式。在創(chuàng)建隧道機(jī)電系統(tǒng)指標(biāo)體系環(huán)節(jié)中，需要遵循以下原則。①系統(tǒng)化標(biāo)準(zhǔn)：評價(jià)體系應(yīng)當(dāng)具備全方位、系統(tǒng)的特性，包括隧道機(jī)電系統(tǒng)的各領(lǐng)域，保證評估結(jié)果的全方位性和準(zhǔn)確性。②科學(xué)性原則：評價(jià)指標(biāo)體系應(yīng)當(dāng)根據(jù)科學(xué)合理理論與實(shí)際工作經(jīng)驗(yàn)，體現(xiàn)出隧道機(jī)電系統(tǒng)的真實(shí)情況。選用科學(xué)方法和數(shù)據(jù)智能分析，保證評估結(jié)果的科學(xué)性和穩(wěn)定性。③可執(zhí)行性標(biāo)準(zhǔn)：評價(jià)指標(biāo)體系應(yīng)當(dāng)具備可執(zhí)行性，即通過數(shù)據(jù)采集與分析進(jìn)行計(jì)算和評估。評價(jià)指標(biāo)體系計(jì)算方法應(yīng)當(dāng)簡潔明了，便于執(zhí)行。④定量研究標(biāo)準(zhǔn)：評價(jià)指標(biāo)體系應(yīng)該進(jìn)行定量研究，即通過指標(biāo)取值和趨勢分析來體現(xiàn)隧道機(jī)電系統(tǒng)的技術(shù)狀態(tài)，便于工作人員進(jìn)行評價(jià)和分析判斷。

針對隧道機(jī)電系統(tǒng)設(shè)備可靠性、子系統(tǒng)有效度和整體有效度這3個(gè)評價(jià)指標(biāo)體系，采取多元回歸法進(jìn)行建模。根據(jù)收集和分析大量實(shí)際數(shù)據(jù)，形成隧道機(jī)電系統(tǒng)評價(jià)指標(biāo)體系，用以評價(jià)體系的技術(shù)狀態(tài)。

須采用逐步遞進(jìn)的方式評價(jià)隧道機(jī)電系統(tǒng)技術(shù)狀況。首先，對每個(gè)分系統(tǒng)進(jìn)行評價(jià)，其次，將子系統(tǒng)的評估結(jié)果加在一起，獲得全面的評估結(jié)果，最后，對系統(tǒng)的技術(shù)狀態(tài)進(jìn)行全方位評估。

1.2 評價(jià)體系

系統(tǒng)層針對所有系統(tǒng)的整體有效度進(jìn)行評價(jià)，子系統(tǒng)主要針對通風(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)以及閉路電視監(jiān)視系統(tǒng)進(jìn)行有效度評價(jià)。在系統(tǒng)層評價(jià)中，綜合考慮各子系統(tǒng)的運(yùn)行狀況和性能指標(biāo)以及它們對整體系統(tǒng)的貢獻(xiàn)程度，以此來評估整個(gè)系統(tǒng)的有效度。

2 基于MLR的高速公路隧道機(jī)電系統(tǒng)綜合評價(jià)模型

2.1 設(shè)備可靠性評價(jià)模型

設(shè)備可靠性評價(jià)模型是基于多元線性回歸（Multiple Linear Regression， MLR）的一種方法，用于評估高速公路隧道機(jī)電系統(tǒng)的可靠性[2]。在設(shè)備可靠性評價(jià)模型中，選擇一系列與機(jī)電系統(tǒng)可靠性相關(guān)的因素作為自變量，例如設(shè)備年限、維護(hù)次數(shù)、維護(hù)質(zhì)量等[3]。對這些因素進(jìn)行數(shù)據(jù)收集和統(tǒng)計(jì)分析，建立多元線性回歸模型，從而預(yù)測機(jī)電系統(tǒng)的可靠性指標(biāo)。通過建立高速公路隧道機(jī)電設(shè)備評價(jià)指標(biāo)模型，分別對以下幾個(gè)方面進(jìn)行可靠性評價(jià)，如圖1所示。

機(jī)電設(shè)備完好率評價(jià)：完好率是指設(shè)備在一定時(shí)間內(nèi)正常運(yùn)行的比例。當(dāng)評價(jià)機(jī)電設(shè)備完好率時(shí)，建立一個(gè)評價(jià)指標(biāo)模型，考慮因素如設(shè)備故障次數(shù)、修復(fù)時(shí)間、維護(hù)質(zhì)量等。通過收集這些數(shù)據(jù)，采用適當(dāng)?shù)慕y(tǒng)計(jì)方法，建立多元線性回歸模型，從而預(yù)測機(jī)電設(shè)備的完好率。計(jì)算檢測項(xiàng)目完好率如公式（1）所示。

W1=Q111·W11+Q112·W12+...+Q11n·W1n （1）

計(jì)算機(jī)電設(shè)備完好率如公式（2）所示。

W=Q11·W1+Q12·W2+...+Q1n·Wn （2）

機(jī)電設(shè)備成新率評價(jià)：成新率就是指設(shè)備運(yùn)行時(shí)長與其工作壽命比例。影響機(jī)械設(shè)備成新率的影響因素比較多，包括機(jī)器設(shè)備期限、維護(hù)保養(yǎng)頻次、維護(hù)保養(yǎng)質(zhì)量等。建立一個(gè)評價(jià)指標(biāo)體系實(shí)體模型，通過收集因素的信息和多元回歸方式，預(yù)測分析機(jī)械設(shè)備的成新率。計(jì)算機(jī)械設(shè)備成新率如公式（3）所示。

（3）

影響機(jī)電設(shè)備完好率的檢測項(xiàng)目評價(jià)：當(dāng)評價(jià)機(jī)電設(shè)備完好率時(shí)，考慮到不同的檢驗(yàn)項(xiàng)目對可利用率的影響程度不同。因此，根據(jù)每個(gè)檢驗(yàn)項(xiàng)目建立一個(gè)評價(jià)指標(biāo)體系實(shí)體模型，參考標(biāo)準(zhǔn)如檢驗(yàn)工作頻率、檢驗(yàn)精確性等，并通過適度的統(tǒng)計(jì)分析方法，預(yù)測分析每個(gè)檢驗(yàn)項(xiàng)目對機(jī)電設(shè)備完好率產(chǎn)生的影響。計(jì)算機(jī)械設(shè)備穩(wěn)定性如公式（4）所示。

K=Q1·W+Q2·C （4）

影響機(jī)電設(shè)備成新率的年限比值評價(jià)：年限比值是指機(jī)器設(shè)備具體使用期限與其工作壽命比例。當(dāng)評價(jià)機(jī)械設(shè)備成新率時(shí)，建立一個(gè)評價(jià)指標(biāo)體系實(shí)體模型，參考標(biāo)準(zhǔn)如設(shè)備期限、維護(hù)保養(yǎng)頻次、維護(hù)保養(yǎng)質(zhì)量等，并通過多元回歸方式，預(yù)測分析期限比率對機(jī)械設(shè)備成新率產(chǎn)生的影響。

影響檢測項(xiàng)目的檢測子項(xiàng)評價(jià)：當(dāng)評價(jià)影響檢驗(yàn)項(xiàng)目的影響因素時(shí)，進(jìn)一步細(xì)化為檢驗(yàn)子項(xiàng)目。建立一個(gè)評價(jià)指標(biāo)體系實(shí)體模型，參考標(biāo)準(zhǔn)如檢驗(yàn)項(xiàng)目的重要性、檢驗(yàn)精確性等，并通過適度的統(tǒng)計(jì)分析方法，預(yù)測分析每個(gè)檢驗(yàn)子項(xiàng)目對檢驗(yàn)項(xiàng)目產(chǎn)生的影響。

2.2 子系統(tǒng)有效度評價(jià)模型

子系統(tǒng)有效度評價(jià)模型從以下3個(gè)方面進(jìn)行考慮。①評價(jià)因素包括子系統(tǒng)本身的使用功能狀況以及與之對應(yīng)的機(jī)電設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)。通過考察子系統(tǒng)的工作效率、工作穩(wěn)定性、故障率等指標(biāo)來評估子系統(tǒng)的使用功能狀況，同時(shí)也要考慮機(jī)電設(shè)備的可靠性，包括設(shè)備的完好率、成新率等指標(biāo)。對這些因素進(jìn)行綜合評價(jià)，確定子系統(tǒng)的有效度[4]。②子系統(tǒng)使用功能狀況的檢測項(xiàng)目和相關(guān)機(jī)電設(shè)備的可靠性：評價(jià)因素包括用于檢測子系統(tǒng)使用功能狀況的檢測項(xiàng)目以及相關(guān)機(jī)電設(shè)備的可靠性。檢測項(xiàng)目包括對子系統(tǒng)各功能模塊進(jìn)行檢測，例如對傳感器、執(zhí)行器、控制器等進(jìn)行檢測。同時(shí)，還要考慮相關(guān)機(jī)電設(shè)備的可靠性，包括設(shè)備的完好率、成新率等指標(biāo)。對這些檢測項(xiàng)目和機(jī)電設(shè)備可靠性進(jìn)行綜合評價(jià)，確定子系統(tǒng)的有效度。③評價(jià)因素包括子系統(tǒng)功能使用狀況檢測項(xiàng)目的檢測子項(xiàng)。這些檢測子項(xiàng)包括對子系統(tǒng)各功能模塊進(jìn)行具體檢測，例如對傳感器的靈敏度、執(zhí)行器的響應(yīng)速度、控制器的穩(wěn)定性等進(jìn)行檢測。通過綜合評價(jià)這些檢測子項(xiàng)，更準(zhǔn)確地評估子系統(tǒng)的有效度。公路機(jī)電系統(tǒng)子系統(tǒng)有效度模型，如圖2所示。

機(jī)電設(shè)備的可靠性如公式（5）所示。

（5）

功能檢測結(jié)果完好率如公式（6）所示。

（6）

檢測項(xiàng)目i的完好率如公式（7）所示。

（7）

式中：Mi為與機(jī)電系統(tǒng)功能狀況相關(guān)的設(shè)備i的可靠性；L1i為相關(guān)機(jī)電設(shè)備i的權(quán)值；L為功能檢測結(jié)果完好率；Li為檢測項(xiàng)目i的完好率；Lij為檢測項(xiàng)目i的第j個(gè)檢測子項(xiàng)的完好率。

計(jì)算最終高速公路隧道機(jī)電系統(tǒng)子系統(tǒng)有效度如公式（8）所示。

Y=M×L1+N×L2 （8）

式中：Y為隧道機(jī)電系統(tǒng)子系統(tǒng)年限；L1為相關(guān)設(shè)備對應(yīng)權(quán)值；L2為功能檢測項(xiàng)目對應(yīng)權(quán)值。

2.3 整體有效度評價(jià)模型

根據(jù)規(guī)范要求，隧道機(jī)電系統(tǒng)的子系統(tǒng)權(quán)值相加應(yīng)等于1。每個(gè)子系統(tǒng)在隧道機(jī)電系統(tǒng)整體有效度中所占的比例應(yīng)該相加等于1[5]。具體來說，L1表示第一個(gè)子系統(tǒng)相對于整體有效度的權(quán)值，L2表示第二個(gè)子系統(tǒng)相對于整體有效度的權(quán)值，以此類推，Lm表示第m個(gè)子系統(tǒng)相對于整體有效度的權(quán)值。通過將所有子系統(tǒng)的權(quán)值相加，得到整體有效度等于1的結(jié)果。這樣的設(shè)計(jì)能保證各子系統(tǒng)在隧道機(jī)電系統(tǒng)中的重要性和貢獻(xiàn)度平衡，從而保證整個(gè)系統(tǒng)能正常運(yùn)行和維護(hù)。系統(tǒng)有效度的計(jì)算過程如公式（9）所示。

（9）

式中：Li相關(guān)設(shè)備對應(yīng)權(quán)值。

3 系統(tǒng)應(yīng)用分析

3.1 案例介紹

本文以某一中長隧道為例，對其高速公路隧道機(jī)電系統(tǒng)整體有效度進(jìn)行驗(yàn)證分析。該隧道全長為7654.8m，車道設(shè)計(jì)為單向行車，最高車速限制為80km/h。

針對每個(gè)子系統(tǒng)功能，使用設(shè)備可靠性評價(jià)模型進(jìn)行監(jiān)測。首先，該模型對設(shè)備的故障率、維修時(shí)間和故障對系統(tǒng)功能的影響等因素進(jìn)行評估，以確定每個(gè)子系統(tǒng)的可靠性水平。其次，使用子系統(tǒng)有效度模型對每個(gè)子系統(tǒng)的有效度進(jìn)行評估。該模型對子系統(tǒng)的性能指標(biāo)、功能要求和使用效果等因素進(jìn)行評價(jià)，以確定每個(gè)子系統(tǒng)相對于整體系統(tǒng)的貢獻(xiàn)度和重要性。再次，結(jié)合監(jiān)測數(shù)據(jù)和專家法，確定每個(gè)子系統(tǒng)的權(quán)值。監(jiān)測數(shù)據(jù)提供子系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)和性能表現(xiàn)，而專家法根據(jù)專家的經(jīng)驗(yàn)和知識，對各子系統(tǒng)的重要性進(jìn)行定量評估。最后，使用整體有效度模型，將每個(gè)子系統(tǒng)的有效度與權(quán)值相乘，并將結(jié)果相加，得到高速公路隧道機(jī)電系統(tǒng)的整體有效度。該模型綜合考慮了每個(gè)子系統(tǒng)的貢獻(xiàn)度和重要性，以評估和衡量整個(gè)系統(tǒng)的技術(shù)狀況和性能水平。

3.2 結(jié)果分析

表1中包括了3個(gè)級別的專家分類，分別是Ⅰ類、Ⅱ類和Ⅲ類。Ⅰ類專家包括隧道機(jī)電設(shè)備專家、隧道設(shè)備負(fù)責(zé)人、機(jī)電設(shè)計(jì)負(fù)責(zé)人和隧道安全負(fù)責(zé)人，權(quán)重為0.5，表示他們的意見和評估在整體決策中具有較高的重要性，Ⅰ類專家共有20人。Ⅱ類專家包括高級職稱機(jī)電科研人員、高級職稱機(jī)電技術(shù)人員和高級職稱機(jī)電設(shè)計(jì)人員，權(quán)重為0.3，表示他們的意見和評估在整體決策中具有中等的重要性，Ⅱ類專家共有15人。Ⅲ類專家包括中級職稱機(jī)電科研人員、中級職稱機(jī)電技術(shù)人員和中級職稱機(jī)電設(shè)計(jì)人員，權(quán)重為0.2，表示他們的意見和評估在整體決策中具有較低的重要性，Ⅲ類專家共有10人。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）。

對隧道機(jī)電系統(tǒng)綜合技術(shù)狀況進(jìn)行綜合評價(jià)，得到該隧道機(jī)電系統(tǒng)整體有效度，見表2。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，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。通風(fēng)功能、照明功能、消防功能、交通控制與誘導(dǎo)功能、閉路電視監(jiān)控功能和接地防雷功能的有效度均超過0.6，表示這些子系統(tǒng)在維持隧道安全和順暢運(yùn)行方面具有良好的性能。然而，通信功能和緊急電話及廣播功能的有效度相對較低，未達(dá)到0.6，說明該隧道機(jī)電系統(tǒng)在獲取和傳遞信息方面存在一些缺陷。這會對應(yīng)急情況處理和隧道內(nèi)部的信息交流造成一定的影響，需要進(jìn)一步改進(jìn)和優(yōu)化這些子系統(tǒng)的功能。綜合來看，隧道機(jī)電系統(tǒng)整體有效度為72.6%。該隧道機(jī)電系統(tǒng)在各子系統(tǒng)功能上的表現(xiàn)和貢獻(xiàn)度較高，整體運(yùn)行狀態(tài)良好。但后續(xù)仍然需要優(yōu)化通信功能和緊急電話及廣播功能，以進(jìn)一步提高整個(gè)系統(tǒng)的綜合性能。

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)。通過進(jìn)一步改進(jìn)和優(yōu)化通信功能和緊急電話及廣播功能，可以進(jìn)一步提高隧道機(jī)電系統(tǒng)的整體效能和保障安全性。

4 結(jié)語

本文設(shè)計(jì)了一種基于MLR的高速公路隧道機(jī)電系統(tǒng)技術(shù)狀況評價(jià)模型，對系統(tǒng)各項(xiàng)指標(biāo)數(shù)據(jù)進(jìn)行回歸分析，計(jì)算各子系統(tǒng)功能的有效度，并得出整體有效度。通過該模型，可以客觀地評估隧道機(jī)電系統(tǒng)的技術(shù)狀況，為改進(jìn)和優(yōu)化系統(tǒng)提供依據(jù)。然而，本文提出的模型仍有局限性，須進(jìn)一步研究和改進(jìn)指標(biāo)權(quán)值確定和模型適用性等。期望本研究能為后續(xù)隧道機(jī)電系統(tǒng)的評價(jià)和改進(jìn)提供一定參考和指導(dǎo)。

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