基于準(zhǔn)時制狀態(tài)檢修技術(shù)的高速公路機(jī)電設(shè)備運(yùn)維策略研究

崔鏡宇 李一鋒 蔣曲然

（中鐵二院工程集團(tuán)有限責(zé)任公司，四川 成都 610031）

0 引言

截至2022年底，全國高速公路通車?yán)锍桃淹黄?7.7萬公里，高速公路建設(shè)在PPP項目模式下增長迅猛，預(yù)計至“十四五”末，全國高速公路通車?yán)锍虒⑼黄?1萬公里。隨著以PPP模式開展的高速公路建設(shè)不斷推進(jìn)，大部分項目由工程建設(shè)進(jìn)入運(yùn)維管理的高峰周期。高速公路機(jī)電設(shè)備主要包括收費(fèi)設(shè)施、監(jiān)控設(shè)施、通信設(shè)施、供配電設(shè)施等，其覆蓋領(lǐng)域廣、專業(yè)性強(qiáng)、綜合技術(shù)含量高，對保障高速公路暢通、安全和舒適起著至關(guān)重要的作用，是高速公路養(yǎng)護(hù)運(yùn)維的關(guān)鍵對象[1]。

本文以高速公路機(jī)電設(shè)備為研究對象，基于準(zhǔn)時制狀態(tài)檢修技術(shù)，研究科學(xué)的機(jī)電設(shè)備運(yùn)維實(shí)施策略，針對機(jī)電運(yùn)維管理模式、監(jiān)測技術(shù)、設(shè)備診斷及評價等方面提出有效建議，為保持機(jī)電設(shè)備正常運(yùn)行、順利開展機(jī)電運(yùn)維工作提供技術(shù)依據(jù)。

1 國內(nèi)高速公路機(jī)電設(shè)備運(yùn)維現(xiàn)狀

國內(nèi)高速公路PPP項目運(yùn)營單位多年的機(jī)電系統(tǒng)運(yùn)維經(jīng)驗表明，目前高速公路機(jī)電運(yùn)維仍然存在許多不足之處：

（1）信息化、智能化應(yīng)用水平不高，數(shù)據(jù)資源利用率不高，沒有建立統(tǒng)一的高速公路數(shù)據(jù)信息庫，無法充分挖掘數(shù)據(jù)價值；

（2）無法實(shí)現(xiàn)機(jī)電設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)自動監(jiān)測，無法開展預(yù)測性檢修工作；

（3）機(jī)電設(shè)備全壽命周期管理信息化程度低，既有運(yùn)維數(shù)據(jù)無法支撐后續(xù)設(shè)備升級改造；

（4）機(jī)電運(yùn)維管理系統(tǒng)開放程度不高，封閉的系統(tǒng)影響了系統(tǒng)的實(shí)用性和體驗；

（5）一般情況下是采用“一路一管理”的方式，沒有合理、有效地進(jìn)行運(yùn)維跨區(qū)域、集中化管理，運(yùn)維人員存在分配不合理的情況，迫切需要優(yōu)化運(yùn)維人員結(jié)構(gòu)，整合運(yùn)維資源，進(jìn)行運(yùn)維統(tǒng)籌管理[2]。

結(jié)合上述情況，現(xiàn)有高速公路機(jī)電設(shè)備在運(yùn)營期基本處于“亞健康”狀態(tài)，特別是其檢測和故障診斷手段具有明顯的局限性，主要表現(xiàn)在：

（1）不預(yù)知性，即不能詳細(xì)掌握設(shè)備的健康狀況，不能確定故障的發(fā)生時間，常常導(dǎo)致突發(fā)性故障，對運(yùn)維系統(tǒng)的穩(wěn)定造成嚴(yán)重影響；

（2）不確定性，即沒有相應(yīng)的故障診斷技術(shù)對設(shè)備的故障進(jìn)行定量分析和綜合判斷，不能準(zhǔn)確定位故障類型和故障點(diǎn)，常常延誤故障處理時機(jī)，造成經(jīng)濟(jì)損失；

（3）不連續(xù)性，即僅憑技術(shù)人員的工作經(jīng)驗，沒有形成系統(tǒng)、科學(xué)的檢測方法和制度，常常造成主觀臆斷[3]。

2 準(zhǔn)時制狀態(tài)檢修理論前瞻性分析

2.1 前瞻性研究的定義

前瞻性研究指的是在研究對象和研究方式提前確定的條件下，對研究對象進(jìn)行追蹤，并在原定計劃的時間內(nèi)評估，把符合原設(shè)計的方法列入統(tǒng)計，將統(tǒng)計結(jié)果作為研究成果。那么，本文將“高速公路重點(diǎn)機(jī)電設(shè)備”作為研究對象，“準(zhǔn)時制狀態(tài)檢修理論”作為研究方法，研究其在“運(yùn)營維護(hù)期內(nèi)”的連續(xù)運(yùn)行狀態(tài)，提出高速公路機(jī)電設(shè)備的狀態(tài)檢修實(shí)施策略。

2.2 準(zhǔn)時制的定義

準(zhǔn)時制的標(biāo)準(zhǔn)定義指的是一種生產(chǎn)方式，即在所需的時刻，按照需要的數(shù)量生產(chǎn)所需要的產(chǎn)品的生產(chǎn)模式。其目的是加速半成品的流轉(zhuǎn)，將庫存的積壓減少到最低的限度，從而提高企業(yè)的生產(chǎn)效益[4]。

當(dāng)準(zhǔn)時制應(yīng)用于機(jī)電設(shè)備狀態(tài)檢修時，可將時間定義為前置參數(shù)，機(jī)電設(shè)備運(yùn)維準(zhǔn)時制則表示：在高速公路PPP合同確認(rèn)的時間范疇內(nèi)（運(yùn)營期），以優(yōu)質(zhì)的監(jiān)測手段和檢修策略保持機(jī)電設(shè)備技術(shù)狀態(tài)良好，確保機(jī)電系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行，在運(yùn)營期結(jié)束之后作為合格的產(chǎn)品順利移交。

2.3 狀態(tài)檢修的定義

狀態(tài)檢修是指在準(zhǔn)時制和前瞻性的前置條件下，將新的設(shè)備診斷技術(shù)應(yīng)用于設(shè)備運(yùn)營維護(hù)期的管理，根據(jù)設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測和故障診斷所預(yù)知的設(shè)備狀態(tài)，來確定設(shè)備維修工作的時間和內(nèi)容，制定出科學(xué)的維修策略，提高設(shè)備運(yùn)行維護(hù)的可靠度。

狀態(tài)檢修具有三個顯著的特征：一是預(yù)知性，即用先進(jìn)的診斷技術(shù)檢測設(shè)備的狀態(tài)，提前掌握設(shè)備健康度的第一手資料；二是系統(tǒng)性，即依據(jù)對設(shè)備的狀態(tài)檢測，給出設(shè)備運(yùn)行趨勢，制定維修計劃，充分體現(xiàn)系統(tǒng)化的集成度，展示其性價比；三是安全性，即通過狀態(tài)檢測，判斷設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)，提高設(shè)備健康水平，保持運(yùn)維系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行[5]。

2.4 基于準(zhǔn)時制狀態(tài)檢修的高速公路機(jī)電設(shè)備運(yùn)維思路

目前，大量高速公路PPP項目進(jìn)入了運(yùn)營維護(hù)階段。在各新建項目中高速公路重點(diǎn)機(jī)電設(shè)備具有設(shè)備類型多、數(shù)量大、系統(tǒng)復(fù)雜、自動化程度高等特點(diǎn)，“如何保證高速公路重點(diǎn)機(jī)電設(shè)備在運(yùn)營維護(hù)期安全穩(wěn)定運(yùn)行”就成為項目建成后設(shè)備運(yùn)營維護(hù)管理的首要課題。筆者認(rèn)為，應(yīng)按照現(xiàn)代化的設(shè)備管理模式，以“準(zhǔn)時制運(yùn)行狀態(tài)數(shù)軸單邊理論”為基礎(chǔ)，以提高設(shè)備穩(wěn)定運(yùn)行能力為立足點(diǎn)，以建立高速公路機(jī)電運(yùn)維監(jiān)測及管理一體化平臺為切入點(diǎn)，以全方位實(shí)施設(shè)備狀態(tài)維修為著眼點(diǎn)，逐步完善“技術(shù)總師系統(tǒng)宏觀調(diào)控、系統(tǒng)抓總，路橋總部機(jī)關(guān)規(guī)劃協(xié)調(diào)、分類指導(dǎo)，檢測中心實(shí)驗室微觀調(diào)節(jié)、技術(shù)把關(guān)”的功能，使設(shè)備始終在良好的技術(shù)狀態(tài)下運(yùn)行，在項目運(yùn)營維護(hù)期具備持續(xù)可靠的經(jīng)濟(jì)運(yùn)行能力，最終以合格的產(chǎn)品順利移交，實(shí)現(xiàn)高速公路建設(shè)設(shè)備運(yùn)營維護(hù)管理的新突破。

3 準(zhǔn)時制運(yùn)行狀態(tài)數(shù)軸單邊理論

本文以機(jī)電設(shè)備狀態(tài)參數(shù)在時間軸上單向運(yùn)行建立數(shù)軸單邊模型，如圖1所示。

圖1 機(jī)電設(shè)備狀態(tài)數(shù)軸單邊示意圖

圖中，數(shù)軸上每個數(shù)值點(diǎn)微積分的連續(xù)性，形成了機(jī)電設(shè)備狀態(tài)。機(jī)電設(shè)備狀態(tài)參數(shù)在時間軸上進(jìn)行單向運(yùn)行，與時間參數(shù)有著“一對一”的關(guān)系，即一個時間參數(shù)對應(yīng)著一個狀態(tài)參數(shù)，可用（α，t）表示“機(jī)電設(shè)備狀態(tài)”的確認(rèn)。（α，t）=（0，0）表示在時間原點(diǎn)和狀態(tài)原點(diǎn)，運(yùn)行條件下，高速公路PPP項目主合同中回購期計取的時間值和經(jīng)濟(jì)值；其負(fù)值（-α，-t）代表了建設(shè)期，正值（+α，+t）代表了運(yùn)營期。

以時間起始原點(diǎn)進(jìn)行平面旋轉(zhuǎn)，可以得到狀態(tài)參數(shù)的運(yùn)動軌跡，也就是狀態(tài)參數(shù)與時間參數(shù)的“對沖”，其代表了狀態(tài)參數(shù)的經(jīng)濟(jì)運(yùn)行曲線。理論公式如下：

式中：k為設(shè)備運(yùn)行函數(shù)；d為運(yùn)維合同時間函數(shù)；λ為運(yùn)維經(jīng)濟(jì)函數(shù)。

根據(jù)上述理論，高速公路PPP項目的建設(shè)成果可以用“連續(xù)運(yùn)行狀態(tài)的數(shù)軸單邊理論”展示為“狀態(tài)參數(shù)在時間軸的單邊方向下的連續(xù)運(yùn)動，其旋轉(zhuǎn)運(yùn)動軌跡形成了項目管理的經(jīng)濟(jì)運(yùn)行曲線（設(shè)備狀態(tài)浴盆曲線）”，如圖2所示。

圖2 設(shè)備狀態(tài)浴盆曲線示意圖

4 高速公路機(jī)電設(shè)備運(yùn)維實(shí)施策略

4.1 高速公路機(jī)電運(yùn)維監(jiān)測及管理一體化平臺

在研究“連續(xù)運(yùn)行狀態(tài)的數(shù)軸單邊理論”的基礎(chǔ)上，為了更好地為理論研究提供支持性成果，本文認(rèn)為，應(yīng)該研發(fā)高速公路機(jī)電運(yùn)維監(jiān)測及管理一體化平臺，這是開展高速公路重點(diǎn)機(jī)電設(shè)備狀態(tài)檢修的基礎(chǔ)。高速公路機(jī)電運(yùn)維監(jiān)測及管理一體化平臺必須具備狀態(tài)檢測、故障診斷、信息管理、學(xué)術(shù)研究和專業(yè)培訓(xùn)五個基本功能[6]。

（1）狀態(tài)檢測功能：通過高速公路機(jī)電運(yùn)維監(jiān)測及管理一體化平臺，技術(shù)人員對設(shè)備進(jìn)行日常巡檢和定期檢測，分析處理各類檢測數(shù)據(jù)，繪制設(shè)備的“健康”曲線，為掌握設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)提供預(yù)知信息，確定設(shè)備維修及使用意見。

（2）故障診斷功能：通過各類先進(jìn)的檢測儀器，對故障設(shè)備進(jìn)行診斷，經(jīng)過數(shù)據(jù)分析，界定故障機(jī)理，判明故障原因，給出故障處理意見。

（3）信息管理功能：編制設(shè)備信息處理系統(tǒng)，建立設(shè)備歷史狀態(tài)信息數(shù)據(jù)庫，實(shí)現(xiàn)對檢測信息的統(tǒng)計、分析、處理、歸檔的全過程管理，為設(shè)備的狀態(tài)評估提供可靠的信息保證。

（4）學(xué)術(shù)研究功能：結(jié)合高速公路重點(diǎn)機(jī)電設(shè)備的運(yùn)行情況，組織專業(yè)技術(shù)人員有針對性地開展學(xué)術(shù)研究，不斷提高對設(shè)備的檢測能力，完善平臺的功能。

（5）專業(yè)培訓(xùn)功能：依托一體化平臺，開展各種實(shí)際操作訓(xùn)練、理論分析訓(xùn)練和系統(tǒng)模擬訓(xùn)練，培養(yǎng)一批操作型人才、分析型人才和總體型人才。

高速公路機(jī)電運(yùn)維監(jiān)測及管理一體化平臺狀態(tài)檢修與診斷流程主要包括：首先通過日常巡檢、定期檢測及檢測儀器等收集設(shè)備運(yùn)行信息、檢測信息、檢修信息，再通過平臺信息處理系統(tǒng)對檢測信息進(jìn)行統(tǒng)計、分析，并提取故障信息進(jìn)行診斷，界定故障機(jī)理，判明故障原因，給出故障處理意見。最后，形成設(shè)備狀態(tài)全壽命周期歸檔記錄，為后續(xù)設(shè)備狀態(tài)評估、學(xué)術(shù)研究等提供可靠的信息保證。上述流程如圖3所示。

圖3 設(shè)備狀態(tài)檢測與診斷功能流程圖

4.2 高速公路機(jī)電設(shè)備運(yùn)維策略

在建立機(jī)電運(yùn)維監(jiān)測及管理一體化平臺并實(shí)現(xiàn)上述功能的基礎(chǔ)上，為實(shí)現(xiàn)對高速公路機(jī)電設(shè)備的全方位信息化管理，還應(yīng)建立一套完善的運(yùn)維策略以規(guī)范管理模式和體制，具體涉及管理模式、監(jiān)測技術(shù)、設(shè)備診斷、狀態(tài)評估、經(jīng)濟(jì)分析、人員素質(zhì)等多個方面。本文重點(diǎn)從以下三方面進(jìn)行說明[7]：

（1）建立狀態(tài)檢修組織機(jī)構(gòu)和檢測網(wǎng)絡(luò)：為加強(qiáng)對設(shè)備狀態(tài)檢修工作的組織領(lǐng)導(dǎo)，應(yīng)采取集中控制與分級管理相結(jié)合的方法，成立狀態(tài)檢修的三層組織機(jī)構(gòu)和兩級檢測網(wǎng)絡(luò)。三層組織機(jī)構(gòu)為決策層、管理層和操作層。決策層由設(shè)備運(yùn)營維護(hù)管理主管領(lǐng)導(dǎo)和技術(shù)專家組組成，負(fù)責(zé)狀態(tài)檢修的規(guī)劃、管理，作出檢修決策，評估實(shí)施效果等；管理層為檢測診斷中心，具體負(fù)責(zé)獲取設(shè)備狀態(tài)信息，分析評估后提出檢修建議，制定或?qū)彶闄z修方案、工藝等，同時負(fù)責(zé)檢修的實(shí)施監(jiān)督和檢查驗收；操作層為運(yùn)營檢修班組，負(fù)責(zé)設(shè)備狀態(tài)檢測、檢修和維護(hù)，制訂檢修項目的具體實(shí)施方案，對檢修項目的質(zhì)量負(fù)責(zé)。兩級檢測網(wǎng)絡(luò)即檢測中心和檢修班組，分別負(fù)責(zé)設(shè)備動態(tài)信息（運(yùn)行信息）的監(jiān)測和靜態(tài)信息（常規(guī)試驗）的檢測。

（2）制定狀態(tài)檢修管理制度和技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)：與傳統(tǒng)的計劃檢修管理模式相比，設(shè)備狀態(tài)檢修是一項更為科學(xué)、更為嚴(yán)謹(jǐn)?shù)南到y(tǒng)工程，需要有健全、完善的制度作保障。為此，必須制定設(shè)備狀態(tài)檢修管理辦法、狀態(tài)檢修控制程序、狀態(tài)檢修實(shí)施細(xì)則、狀態(tài)診斷管理辦法等管理制度，編制設(shè)備狀態(tài)檢測標(biāo)準(zhǔn)化作業(yè)指導(dǎo)書、狀態(tài)診斷標(biāo)準(zhǔn)、設(shè)備狀態(tài)評定分級與檢修策略、設(shè)備維修技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)等技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，為推行設(shè)備狀態(tài)檢修提供可靠的制度保證。

（3）配置先進(jìn)的檢測儀器及監(jiān)測設(shè)備：全面、系統(tǒng)的狀態(tài)監(jiān)測數(shù)據(jù)是狀態(tài)檢修的信息基礎(chǔ)，能否用先進(jìn)的檢測技術(shù)預(yù)先掌握設(shè)備所處的狀態(tài)，查明缺陷性質(zhì)及其嚴(yán)重程度是狀態(tài)檢修的前提。因此，必須高度重視檢測手段建設(shè)，配置相應(yīng)的檢測儀器設(shè)備。如配備電氣設(shè)備絕緣檢測裝置、電氣特性檢測裝置、動力設(shè)備特性檢測裝置、紅外監(jiān)測裝置以及故障診斷裝置等儀器，在設(shè)備現(xiàn)場安裝電能品質(zhì)監(jiān)測系統(tǒng)、機(jī)組振動監(jiān)測系統(tǒng)等在線監(jiān)測裝置[8]。

高速公路機(jī)電設(shè)備運(yùn)維以健全、完善的機(jī)電運(yùn)維規(guī)范或技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)作為保障，通過先進(jìn)的檢測儀器及監(jiān)測裝置對機(jī)電設(shè)備進(jìn)行檢測，形成海量檢測數(shù)據(jù)，通過運(yùn)維平臺實(shí)時監(jiān)測，挖掘故障信息，開展信息分析、處理，制定故障設(shè)備狀態(tài)檢修的計劃，作出檢修決策。最終全面深化狀態(tài)檢修，將其研究成果涵蓋到所有重點(diǎn)機(jī)電設(shè)備，進(jìn)一步豐富和完善檢測、管理、運(yùn)維手段，形成全壽命周期的高速公路重點(diǎn)機(jī)電設(shè)備運(yùn)營維護(hù)管理模式。上述流程如圖4所示。

圖4 機(jī)電設(shè)備運(yùn)維策略技術(shù)流程圖

5 結(jié)束語

近年來，隨著高速公路PPP項目的全面建設(shè)實(shí)施，全新的項目管理模式對機(jī)電設(shè)備的技術(shù)要求越來越高，對機(jī)電設(shè)備的運(yùn)維管理也提出了更新的要求。高速公路機(jī)電設(shè)備具有設(shè)備類型多、數(shù)量大、系統(tǒng)復(fù)雜、自動化程度高等特點(diǎn)，為了實(shí)現(xiàn)高速公路機(jī)電設(shè)備運(yùn)維標(biāo)準(zhǔn)化、制度化和系統(tǒng)化管理，應(yīng)當(dāng)進(jìn)一步加強(qiáng)運(yùn)維實(shí)施策略研究，進(jìn)一步完善檢測手段和管理方式，確保重點(diǎn)機(jī)電設(shè)備在運(yùn)營維護(hù)期安全穩(wěn)定運(yùn)行。本文基于準(zhǔn)時制狀態(tài)檢修技術(shù)，研究科學(xué)的機(jī)電設(shè)備運(yùn)維實(shí)施策略，針對機(jī)電運(yùn)維管理模式、監(jiān)測技術(shù)、設(shè)備診斷及評價等方面提出了有效建議，可為高速公路機(jī)電運(yùn)維工作提供技術(shù)依據(jù)。