摘 要:為保證機電設備在隧道環(huán)境中高可靠性條件下運行,同時避免過度維護導致的資源浪費,本文通過研究數(shù)據驅動模型的方式,采集產品的失效數(shù)據、退化數(shù)據,并基于統(tǒng)計、退化、可靠性函數(shù)綜合預測機電設備物理壽命和經濟壽命的研究。同時構建隧道機電綜合管理平臺,實現(xiàn)水下隧道機電設備壽命預測應用。
關鍵詞:隧道機電設備 壽命預測
隧道機電系統(tǒng)是隧道運營管理系統(tǒng)的“神經中樞”,其正常運行是隧道內安全行車的保障。機電設施為隧道日常運營管理工作提供支撐,研究更先進的隧道機電設備壽命預測技術手段,對隧道機電設施進行維護修理,可以有效提高機電設備運行的可靠性。建設隧道機電設備綜合管控系統(tǒng),充分結合運營業(yè)務,借助大數(shù)據等信息化技術,深化在運行監(jiān)測、安全預警、分析研判、聯(lián)動控制、養(yǎng)護管理等方面的應用,推動隧道機電設施數(shù)字化和運行智能化,將有利于實現(xiàn)對隧道機電系統(tǒng)的一體化監(jiān)測與管理,有效提升高速公路隧道智慧化管理能力,提高隧道交通安全水平。
在國內,對公路隧道機電系統(tǒng)故障監(jiān)測的相關研究大多為系統(tǒng)的結構設計方面。近年來,隨著交通信息化的發(fā)展,國內逐漸開始關注公路和水下隧道機電設備信息化監(jiān)測與預警系統(tǒng)的建設。韋騰高[1]研究開發(fā)了高速公路隧道遠程維護系統(tǒng),以解決高速公路隧道機電設備種類多樣、維護工作技術復雜、現(xiàn)場維護員與售后技術人員存在溝通困難的問題。蘇昌勝[2]對公路和水下隧道外場設備自動控制系統(tǒng)進行了研究,針對目前隧道運維系統(tǒng)智能化水平較低,甚至有些隧道控制系統(tǒng)的自動控制功能喪失,系統(tǒng)經常處于遠程手動管理狀態(tài)的問題提出解決辦法。王少飛[3]等對公路隧道運營管理中的大數(shù)據應用進行了探討,根據交通流量、的變化調整設備檢修時間段。胡珉[4]等建立隧道建養(yǎng)信息化系統(tǒng),通過大數(shù)據平臺及BIM 信息技術,為隧道建立信息檔案。雖然公路隧道運營已逐步引入信息化技術輔助管理,但仍存在數(shù)字化管理能力不足,系統(tǒng)集成、關聯(lián)度不高等問題,難以滿足隧道綜合管控的需要,亟需不斷完善和創(chuàng)新,提升公路隧道運營水平。
目前,對機電設備的使用壽命的研究多是針對設備的故障率,提出了一系列對設備進行維修維護的策略,很少從設備的使用年限方面進行研究,導致設備的報廢更新沒有明確的時間數(shù)據依據。設備的物理壽命通常是由設備制造商根據設備的制造過程和生產經驗來確定,經研究低劣化數(shù)值法可以很好地計算設備的經濟壽命,目前被應用到醫(yī)療設備、油氣管道設備等多個領域。
1 隧道機電設備壽命預測應用研究
1.1 隧道關鍵機電設備篩選
從硬件組成上,隧道機電系統(tǒng)包括視頻監(jiān)控系統(tǒng)、交通信息檢測系統(tǒng)、交通控制及誘導系統(tǒng)、照明及照明控制系統(tǒng)、通風及通風控制系統(tǒng)、通信系統(tǒng)、緊急電話系統(tǒng)、廣播系統(tǒng)、火災檢測與報警系統(tǒng)、消防救援與避險系統(tǒng)、供配電系統(tǒng)、中央控制與管理系統(tǒng)、防雷接地系統(tǒng)等。這些子系統(tǒng)在隧道監(jiān)控中的地位至關重要,缺一不可,通過梳理,表1指標體系系統(tǒng)中所涉及的機電設備應開展壽命預測。
1.2 壽命預測模型
設備的使用壽命是指設備從開始使用到出現(xiàn)不可修復的故障或不能接受的故障率時的時間,度量 單位可以是工作小時、日、月、年,可以是運行千米數(shù),也可以是循環(huán)次數(shù)等。一般的設備壽命都是以設備的故障情況決定的,并且有經典的浴盆曲線,根據損耗期的故障率曲線的上升點來確定其使用壽命。威布爾分布被廣泛用于設備壽命的可靠性分析,能整體描述出整個浴盆曲線,其故障率函數(shù)為:
式中,為時間;為形狀參數(shù);為尺度參數(shù);為位置參數(shù)。
但是對于機電設備而言,由于其種類繁多,很多設備沒有占支配地位的損耗型故障模式,即沒有明顯的損耗故障期,因此不能單憑故障率來確定其使用壽命。從不同的角度可將設備的壽命劃分為物理壽命、經濟壽命和技術壽命,綜合考慮來確定復雜設備的壽命。物理壽命是指設備從開始投入使用,由于磨損等的原因使其不再具有正常的功能,無法繼續(xù)使用所經歷的時間。經濟壽命是指設備從投入使用到由于經濟不合理而退出服務所經歷的時間。設備運行后期,由于性能老化,需要高額的維修費用來維持使用,繼續(xù)使用會造成經濟不合理。技術壽命是指設備從投入使用到由于新技術出現(xiàn)更好的設備,或無法滿足更高功能的要求而被淘汰所經歷的時間。一般來說,物理壽命和技術壽命都要長于其經濟壽命。
隧道機電設備種類繁多,數(shù)量大,涉及領域廣,很多的設備沒有明顯的故障率曲線,其壽命不一定符合經典的浴盆曲線,不能單純地以威布爾分布來確定設備的使用壽命,需要綜合考慮設備的物理壽命、經濟壽命和技術壽命。由于科學技術的發(fā)展的不可預知性,設備的技術壽命通常很難計算獲得,因此主要從設備的物理壽命和經濟壽命兩方面考慮,其中設備的物理壽命可以通過制造商確定和Delphi Method 預測兩種方法獲得,在使用過程中可單獨由一種方法計算,也可以兩種方法同時計算然后加權平均得出設備的物理壽命。設備的經濟壽命可以通過低劣化數(shù)值法獲得。綜合預測模型見圖1。
2 隧道機電綜合管理平臺構建
為了解決水下隧道內機電設施運維工作量大、成本高、效率低和管理不統(tǒng)一等問題,提出一個基于BIM模型的隧道機電設施運維綜合管理的機制,包含根據機電設備狀態(tài)進行分級,劃分緊急事件、重大事件、次要事件等,制定運維影響度與緊急度、服務等級參考表等。通過整合水下隧道機電設施零散、多源的數(shù)據信息,借助BIM技術的可視化、信息共享等特點實現(xiàn)機電設施數(shù)據的傳遞、共享和綜合管理。把隧道供電、通風、消防、照明等系統(tǒng)的信息有機結合起來,從而打破各個系統(tǒng)兼容性不足、封閉獨立的狀態(tài),從隧道范圍內和智能系統(tǒng)整體上發(fā)揮協(xié)同管理作用,達到綜合利用運維數(shù)據,以增強管理決策和信息服務的能力,構建一個高效、快速、服務范圍廣、信息化及智能化的運營信息綜合共享體系。(圖2)
前端控制層。在隧道現(xiàn)場部署隧道邊緣控制一體機,通過數(shù)據信號傳輸實現(xiàn)與照明燈、誘導燈、通風機、消防火災、車道指示器、情報板、卷閘門、廣播以及物聯(lián)網傳感器等設備的數(shù)據采集。將前端設備采集數(shù)據與應用平臺下發(fā)數(shù)據進行算法融合,根據隧道所管理員的業(yè)務需求實現(xiàn)對已接入的前端設備進行控制策略的下發(fā)。
數(shù)據層。制定統(tǒng)一數(shù)據交互協(xié)議,與通信系統(tǒng)中物聯(lián)網網關進行對接,接入隧道內照明燈、誘導燈、通風機、視頻監(jiān)控、消防火災、車道指示器、情報板、卷閘門、廣播等設備的數(shù)據;制定數(shù)據元標準,將所有數(shù)據歸集到系統(tǒng)緩存中,根據數(shù)據類別的不同進行數(shù)據統(tǒng)計分析、存儲和展示。
應用層。對所有業(yè)務子系統(tǒng)梳理,對業(yè)務流程重新進行制定,同時根據管理處人員使用習慣進行個性化定制,子系統(tǒng)之間形成聯(lián)動機制,讓平臺的管理更智能化。
3 總結
文章探討的基于數(shù)據驅動的隧道機電設備壽命預測模型,研究機電設備影響因素,采用綜合預測技術預測設備的物理壽命與經濟壽命,保證了預測的準確性和實時性;同時構建隧道機電綜合管理平臺,將機電設備壽命預測技術應用到機電設備運維過程中,提高隧道機電設備運行的可靠性和經濟性。
參考文獻:
[1]韋騰高.高速公路隧道遠程維護系統(tǒng)研究[J].西部交通科技,2018(06):142-145.
[2]蘇昌勝.公路隧道通風自動監(jiān)測控制系統(tǒng)的開發(fā)與應用研究[J].科技風,2021(05):13-14.
[3]王少飛,張建陽,趙春艷,等.大數(shù)據技術在公路隧道工程中的應用探討[J].公路,2017,62(08):166-173.
[4]胡珉,劉攀攀,喻鋼,等.基于全生命周期信息和BIM的隧道運維決策支持系統(tǒng)[J].隧道建設,2017,37(04):394-400.