基于故障狀態(tài)演化的高速公路機(jī)電運(yùn)維智能化系統(tǒng)設(shè)計(jì)

栗紅陽

（中電建冀交高速公路投資發(fā)展有限公司，河北邢臺(tái) 054000）

0 引言

高速公路是專供汽車高速行駛的公路，其建設(shè)和運(yùn)維管理涉及到國家經(jīng)濟(jì)、社會(huì)生活的各個(gè)方面[1]。高速公路機(jī)電運(yùn)維智能化系統(tǒng)設(shè)計(jì)是保障高速公路可持續(xù)運(yùn)行發(fā)展的核心與基礎(chǔ)。

為有效提升高速公路機(jī)電設(shè)備運(yùn)維管理質(zhì)量，對(duì)基于故障狀態(tài)演化的高速公路機(jī)電運(yùn)維智能化系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)，并通過實(shí)踐檢驗(yàn)分析，判斷該系統(tǒng)的應(yīng)用實(shí)效。

1 高速公路機(jī)電設(shè)備維護(hù)維修現(xiàn)狀

1.1 維護(hù)模式

（1）自行維護(hù)模式。如果高速公路運(yùn)行管理單位選擇此模式對(duì)機(jī)電設(shè)備進(jìn)行維護(hù)，則單位自身必須組建高素質(zhì)維護(hù)團(tuán)隊(duì)，應(yīng)擁有單獨(dú)維護(hù)部門。該項(xiàng)工作覆蓋范圍廣，涉及多項(xiàng)技術(shù)，對(duì)維護(hù)人員技術(shù)水平與工作能力提出了較高要求[2]。團(tuán)隊(duì)中應(yīng)安排機(jī)電系統(tǒng)建設(shè)人員，此類人員熟悉相關(guān)業(yè)務(wù)，可以為開展后續(xù)工作提供參考意見。但是，此模式需要足夠的維護(hù)設(shè)備進(jìn)行支撐，在前期需要投入大量成本，維護(hù)年費(fèi)控制難度較大[3]。

（2）自行維護(hù)與專業(yè)維護(hù)相結(jié)合的模式。根據(jù)機(jī)電系統(tǒng)內(nèi)部設(shè)備專業(yè)性進(jìn)行劃分，部分機(jī)電設(shè)備自行維護(hù)，專業(yè)性較高的設(shè)備交由外包公司或廠家進(jìn)行維修[4]，在提高運(yùn)維工作的標(biāo)準(zhǔn)化、規(guī)范化、信息化程度的基礎(chǔ)上，提升機(jī)電運(yùn)維及管理實(shí)效。

1.2 存在的問題

高速公路設(shè)備種類眾多，設(shè)備管理工作可以決定高速公路實(shí)際使用壽命，影響民眾人身安全，因此必須引起相關(guān)人員重視[5]。現(xiàn)階段，高速公路行業(yè)對(duì)設(shè)備安裝、技術(shù)改造工作的關(guān)注度在不斷提高，但是由于日常管理屬于粗狂型管理模式，設(shè)備維護(hù)管理措施存在以下問題：

（1）設(shè)備日常保養(yǎng)頻率過低，且保養(yǎng)操作規(guī)范性不足，導(dǎo)致設(shè)備故障發(fā)生率較高[5]。

（2）維修手冊(cè)包含內(nèi)容較多，且缺乏電子版，查找難度較高，導(dǎo)致新從業(yè)人員無法獨(dú)立完成日常工作。

（3）傳統(tǒng)設(shè)備管理工作重點(diǎn)為恢復(fù)設(shè)備原有性能，其弊端為無法與企業(yè)進(jìn)行合作，無法實(shí)現(xiàn)自主經(jīng)營。在實(shí)際工作中需要考慮設(shè)備輸入與輸出問題，提高管理工作經(jīng)濟(jì)效益。

（4）每次檢修作業(yè)工作內(nèi)容都存在一定差異。檢修工作主要目標(biāo)為找到故障點(diǎn)及問題的成因，但由于設(shè)備故障原因不同、點(diǎn)位不同，使得工作人員實(shí)際工作強(qiáng)度較高，再加上現(xiàn)代設(shè)備技術(shù)含量較高，維修人員自身專業(yè)素質(zhì)不同，因此導(dǎo)致維修時(shí)間與費(fèi)用不斷提高，設(shè)備損失不斷增加，除此之外，備件準(zhǔn)備時(shí)長也會(huì)對(duì)維修時(shí)間與質(zhì)量造成一定影響。

2 高速公路機(jī)電運(yùn)維智能化系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 硬件設(shè)計(jì)

故障監(jiān)測系統(tǒng)包括數(shù)據(jù)分析技術(shù)、物聯(lián)網(wǎng)傳感器技術(shù)等，在具體監(jiān)測工作實(shí)踐中，可以通過故障狀態(tài)演化方式預(yù)測故障，并對(duì)故障監(jiān)測結(jié)果進(jìn)行分析，從而制定更加科學(xué)、合理的機(jī)電運(yùn)維管理工作計(jì)劃，切實(shí)提升工作實(shí)效。

故障監(jiān)測方面，充分應(yīng)用物聯(lián)網(wǎng)傳感器、數(shù)據(jù)分析處理、電子設(shè)備控制等信息技術(shù)，保證高速公路機(jī)電設(shè)備運(yùn)維工作高效化、精準(zhǔn)化、智能化。根據(jù)高速公路機(jī)電運(yùn)維需求，在故障監(jiān)測方面設(shè)計(jì)四大模塊，分別為感知模塊、傳輸模塊、信息整合模塊、信息應(yīng)用模塊（表1）。

表1 高速公路機(jī)電運(yùn)維智能化系統(tǒng)的故障監(jiān)測設(shè)計(jì)

機(jī)電設(shè)備智能維護(hù)方面，主要完成照明控制維護(hù)、可變信息標(biāo)志維護(hù)、交通控制設(shè)施維護(hù)等工作。

2.2 軟件設(shè)計(jì)

應(yīng)用基于故障狀態(tài)演化的高速公路機(jī)電運(yùn)維智能化系統(tǒng)對(duì)高速公路機(jī)電設(shè)備故障進(jìn)行監(jiān)測，可以有效提高監(jiān)測效率與質(zhì)量。

2.2.1 故障模型

在監(jiān)測高速公路機(jī)電設(shè)備系統(tǒng)故障過程中，若發(fā)生故障，則應(yīng)用動(dòng)態(tài)狀態(tài)空間模型，表示為：

式中，y（t）表示高速公路機(jī)電設(shè)備狀態(tài)矢量；v（t）表示機(jī)電設(shè)備的控制矢量；x（t）表示機(jī)電設(shè)備的觀測矢量；g（t）表示機(jī)電設(shè)備的故障矢量；B、C、D、E 表示常數(shù)矩陣。

基于高速公路機(jī)電設(shè)備系統(tǒng)故障類型分析，在判斷機(jī)電設(shè)備故障過程中，將g（t）設(shè)置為被控目標(biāo)，進(jìn)而對(duì)故障類型進(jìn)行精準(zhǔn)判斷。

2.2.2 故障演化趨勢(shì)模型

為更有效地判斷高速公路機(jī)電設(shè)備故障，需要對(duì)故障演化趨勢(shì)進(jìn)行分析。將上述模型中的馬爾科夫鏈狀態(tài)數(shù)量設(shè)置為M個(gè)，取得M 時(shí)刻的馬爾科夫鏈狀態(tài)，表示為：

式中，Pt表示M 時(shí)刻的故障狀態(tài)。

考慮高速公路設(shè)備狀態(tài)各異，故障監(jiān)測值數(shù)量設(shè)置為N個(gè)，取得t 時(shí)刻的觀測值，表示為：

另外，需要將初始概率分布矢量設(shè)置為α，表示為：

2.2.3 故障預(yù)測與故障診斷混合模型

為精準(zhǔn)判斷高速公路機(jī)電設(shè)備系統(tǒng)故障情況，將故障診斷模型與故障演化趨勢(shì)模型進(jìn)行融合，獲得混合模型。該模型中，將故障矢量視為關(guān)鍵因素，通過模型計(jì)算，強(qiáng)化機(jī)電設(shè)備故障信號(hào)，以提高故障診斷與故障預(yù)測的精準(zhǔn)性。

在高速公路機(jī)電設(shè)備故障診斷過程中，若觀測序列為xt∈{x1，x2，…，xM}，故障矢量為g（t），則故障預(yù)測與診斷結(jié)果表示為：

3 實(shí)踐分析

3.1 高速公路機(jī)電維護(hù)效果

為驗(yàn)證故障演化趨勢(shì)模型及系統(tǒng)的有效性，將高速公路機(jī)電運(yùn)維智能化系統(tǒng)應(yīng)用于某地區(qū)高速公路機(jī)電設(shè)備運(yùn)維工作中，將運(yùn)維周期設(shè)定為1 個(gè)月，每個(gè)月對(duì)機(jī)電設(shè)備運(yùn)維情況進(jìn)行整理分析，得出表2 數(shù)據(jù)（5 個(gè)月）。

根據(jù)表2 分析可知，在5 個(gè)月內(nèi)，高速公路機(jī)電運(yùn)維智能化系統(tǒng)在該高速公路機(jī)電設(shè)備維護(hù)中的應(yīng)用收到良好效果，修復(fù)率達(dá)到99.99%。為進(jìn)一步分析系統(tǒng)優(yōu)勢(shì)，發(fā)揮系統(tǒng)故障修復(fù)作用，對(duì)運(yùn)維智能化系統(tǒng)、壽命預(yù)測系統(tǒng)、振動(dòng)信號(hào)故障診斷系統(tǒng)進(jìn)行對(duì)比分析。

表2 高速公路機(jī)電設(shè)備運(yùn)維結(jié)果

3.2 系統(tǒng)故障率對(duì)比分析

基于持續(xù)改進(jìn)機(jī)電運(yùn)維智能化系統(tǒng)服務(wù)質(zhì)量目標(biāo)，采取短周期考核方式，對(duì)系統(tǒng)的故障率進(jìn)行對(duì)比分析，在得出有效對(duì)比分析結(jié)果的基礎(chǔ)上，為完善機(jī)電運(yùn)維智能化系統(tǒng)提供必要參考。據(jù)此，將智能維護(hù)時(shí)間設(shè)定為5 個(gè)月，將機(jī)電設(shè)備故障劃分為輕、中、重3 個(gè)等級(jí)，應(yīng)用運(yùn)維智能化系統(tǒng)、壽命預(yù)測系統(tǒng)、振動(dòng)信號(hào)故障診斷系統(tǒng)，對(duì)高速公路機(jī)電設(shè)備進(jìn)行運(yùn)維管理，以均值為計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)，得出對(duì)比結(jié)果如表3 所示。

表3 3 種系統(tǒng)的高速公路機(jī)電設(shè)備運(yùn)維結(jié)果

表3 數(shù)據(jù)顯示，高速公路機(jī)電設(shè)備運(yùn)維智能化系統(tǒng)的輕級(jí)故障率均值為0.016，中級(jí)故障率均值為0.012，重級(jí)故障率均值為0.012；壽命預(yù)測系統(tǒng)的輕級(jí)故障率均值為0.126，中級(jí)故障率均值為0.112，重級(jí)故障率均值為0.094；振動(dòng)信號(hào)故障診斷系統(tǒng)的輕級(jí)故障率均值為0.088，中級(jí)故障率均值為0.072，重級(jí)故障率均值為0.062。綜合而言，高速公路機(jī)電運(yùn)維智能化系統(tǒng)的輕級(jí)、中級(jí)與重級(jí)故障率均小于壽命預(yù)測系統(tǒng)平均故障率和振動(dòng)信號(hào)故障診斷系統(tǒng)的平均故障率，表明機(jī)電運(yùn)維智能化系統(tǒng)的維護(hù)效果良好。

4 結(jié)語

為進(jìn)一步提升機(jī)電設(shè)備維護(hù)實(shí)效，對(duì)當(dāng)前的高速公路機(jī)電設(shè)備維護(hù)模式、存在的問題進(jìn)行深度分析，并以高速公路機(jī)電設(shè)備維護(hù)目標(biāo)為基本點(diǎn)，以提升維護(hù)質(zhì)量為重點(diǎn)，設(shè)計(jì)基于故障狀態(tài)演化的高速公路機(jī)電設(shè)備運(yùn)維系統(tǒng)，為推進(jìn)高速公路管理水平高質(zhì)量發(fā)展奠定堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。