錢圣隆

摘 要：隨著時代的進步與技術的發(fā)展，公路的覆蓋范圍也越來越大。作為保障隧道正常運營的關鍵系統(tǒng)，隧道機電系統(tǒng)也在不斷發(fā)展和成熟。隧道機電系統(tǒng)的功能完整性及運行安全性是公路運營管理中的關鍵問題之一，而隧道機電檢測為公路運營管理人員提供了一種快速、直觀了解隧道機電系統(tǒng)運營狀況的手段及方法。如何對運營一段時間的隧道機電系統(tǒng)進行客觀、合理、科學的評價，保證隧道機電系統(tǒng)的安全性、可靠性及穩(wěn)定性，是運營管理單位非常重視的問題。針對現(xiàn)今的機電設備常以設備能否工作作為檢測的唯一標準等現(xiàn)象，文中就公路隧道機電系統(tǒng)檢測的評價方法進行了分析及探討，并根據(jù)機電設備運行情況、功能特性等參量，提出了隧道機電檢測的方法及評價指標。

關鍵詞：功能完整；運行安全；運營管理；評價指標

中圖分類號：TP393 文獻標是識碼：A 文章編號：2095-1302（2014）04-0057-04

0 引 言

機電設備在正常使用一定年限后會出現(xiàn)性能明顯下降或不穩(wěn)定現(xiàn)象，由于公路隧道機電系統(tǒng)設備多數(shù)在外場7×24小時不間斷運行，更易導致機電系統(tǒng)硬件設備老化、性能下降，因此對隧道機電設備運行情況的科學評價是公路運管部門需要研究的重點課題。定期對機電設備檢測可以了解機電設備的運行狀況，通過設備維護保養(yǎng)等方法可以極大地延長機電設備的使用壽命，保證隧道機電設備的正常工作能力，從而最大限度地保障公路的行車安全與道路暢通。

不僅如此，隧道機電設備運營檢測還是隧道機電系統(tǒng)網絡結構及功能優(yōu)化升級與擴容的需要。在隧道機電系統(tǒng)建設的初期，側重于滿足基本運管需求，建設規(guī)模較?。划斔淼罊C電系統(tǒng)達到一定規(guī)模以后，需要在原有的系統(tǒng)上增加或調換設備，如果對機電設備運行情況不了解，則會導致機電系統(tǒng)資源規(guī)劃失調，給機電系統(tǒng)的穩(wěn)定、高質量的運行帶來一定的隱患。

1 檢測評價方法

1.1 研究基礎

我國公路隧道建設事業(yè)起步較晚，但我國公路交通工程方面的工作經過近二十年的研究和實踐，已積累了豐富的經驗，交通部先后組織編寫、制定、完善了大量的標準、規(guī)范和技術條件。這些標準規(guī)范對確定我國公路交通工程及沿線設施的設置規(guī)模、制式和方式，提高我國交通工程設施的設計水平、施工水平和產品開發(fā)都起到了極大的推動作用，產生了極大的社會經濟效益。但從這些標準、規(guī)范所涉及的領域和涵蓋的范圍來看，還不夠全面和完善。目前已頒布實施的國家、行業(yè)標準、規(guī)范和正組織編寫的標準、規(guī)范，其內容主要涉及交通工程的規(guī)劃、設計、施工及相關機電產品的技術開發(fā)和研制。在交通工程項目所包含的交通安全設施、收費系統(tǒng)、通信系統(tǒng)和監(jiān)控系統(tǒng)四大部分中，除關于交通安全設施部分的質量檢驗標準、規(guī)范較為全面和完善外，有關收費、通信、監(jiān)控系統(tǒng)方面的工程質量檢驗標準、規(guī)范則幾乎是空白。不僅如此，國內隧道檢測研究相關論文也大多數(shù)側重于土建方面及交工/竣工檢測方面，對于隧道機電運營檢測涉獵較少。

在國外的有關資料中，也未發(fā)現(xiàn)成套的交通工程機電系統(tǒng)工程質量檢驗評定標準。只是在美國運輸部聯(lián)邦公路總署《交通控制系統(tǒng)手冊》、日本道路公團《日本高等級公路設計規(guī)范》、美國運輸工程研究所《交通信號設計手冊》等文獻中發(fā)現(xiàn)有少量的描述。

在隧道檢測實踐方面，國內一部分隧道機電設備檢測主要依靠交通機電工程檢測，包括：機電產品企業(yè)生產能力的檢驗、出廠驗收、工程施工現(xiàn)場檢驗、交工驗收檢測和竣工驗收檢測等各項方法。隧道運營檢測采用設備運營情況作為評價指標，即該設備能進行正常工作即為優(yōu)，不能正常工作即為差。這種評價方法在以下幾個方面還需提升：

（1）應能定量化描述設備工作能力；

（2）應能動態(tài)地描述設備在不同工作時間跨度下的工作能力，即剛投入運行的設備與數(shù)年連續(xù)工作的設備評價結果不同；

（3）現(xiàn)有評價指標為檢測時間點的靜態(tài)結果，沒有涉及設備將來工作能力，不能全面掌握設備運行情況。

因此，當評判設備工作能力時，不僅需要考慮靜態(tài)檢測結構，還需考慮設備在未來一段時間之內的工作能力變化趨勢。若設備此時工作能力為優(yōu)，則需要根據(jù)未來工作年限對結果再進行修正，使評價指標可以描述機電設備在一定的運行年限中的運行狀況。

下面對設備運行功能特性及“浴盆曲線”進行分析，結合作者從事隧道運營檢測及評定的工作實踐，對公路隧道機電系統(tǒng)檢測的質量評定方法進行分析和討論，以建立一種科學的公路隧道機電設備檢測及評定方法。

1.2 評價原理

在文章中，將隧道機電設備評價進行階段性劃分，第一步是對隧道機電設備運行工作情況進行分析，第二步是對隧道機電設備運行情況進行修正優(yōu)化。本文將隧道機電設備在某一點的工作能力稱為“工作狀態(tài)”，對機電設備工作能力的修正量稱為“工作能力修正參數(shù)”。這兩類參量中，“工作狀態(tài)”指的是隧道機電設備在當前的工作情況，稱為現(xiàn)性（now）；“工作能力修正參數(shù)”是隧道機電設備在將來正常運行的能力，稱為勢性（future）。這兩類指標根據(jù)隧道機電設備的性能-時間曲線進行具現(xiàn)化，達到評價隧道機電設備功能特性的目標。

評價機電設備功能特性即評價機電設備能否正常工作，若能正常工作則代表其無功能故障，因此要研究的功能特性，首先應從機電產品故障率入手。

圖1顯示了機電設備故障率與時間對應的壽命曲線，又稱為“浴盆曲線”。

圖1 機電設備浴盆曲線

從圖1中可以看出，機電壽命特性曲線分為三部分：T0早期故障期、T1偶發(fā)故障期、T2耗損故障期。

T0早期故障期：機電設備從投入使用到t1時刻為止，該階段特點是開始時故障率較高，但隨著運轉時間的增加，故障率又很快下降，進入故障恒定階段；

T1偶發(fā)故障期：機電設備從t1時刻運轉到t2時刻這一階段的故障率最低，而且故障恒定。一般情況下這一階段不會發(fā)生故障或由于某些原因發(fā)生少量故障。在這段時間內，可能由于零件的強度降低及使用載荷的增高等情形造成超負荷損壞，因此該階段應合理使用、加強維修保養(yǎng)，延長使用壽命；

T2耗損故障期：當機電設備使用到t2時刻后，故障率再度升高，這是由于零件磨損、材料疲勞等過程引起的。在此階段為了保證機電設備的正常運行，應該及時維修或更換。

據(jù)圖1的分析可以得出隧道機電設備功能特性與時間的關系曲線如圖2所示。該曲線可根據(jù)機電設備的運行情況分為磨合、穩(wěn)定、老化3個時間段：磨合期時間長度較短，不作為運營檢測考慮范圍；穩(wěn)定期設備運行狀態(tài)良好；老化期設備故障增多，工作能力急劇降低。在老化點之后，設備無法完成正常功能，此時其工作狀態(tài)為差。在機電設備評價方法中，“工作能力修正參數(shù)”即是在設備在能完成正常工作的前提下（穩(wěn)定期、老化期時間段內），機電設備的修正參量。

圖2機電設備功能特性與時間關系曲線

在圖2中，磨合期雖然存在早期故障，但磨合階段是由于設備運行逐漸適應系統(tǒng)而產生的，因此，認為設備損耗增加，但其功能會有略微提升。

影響機電設備功能的因素是現(xiàn)性，影響將來可用性的因素主要為勢性，兩者的綜合即是設備的可用性。穩(wěn)定期內設備可用性較高；老化期內影響可用性的因素主要為現(xiàn)性，且當現(xiàn)性取最大值時（機電設備報廢時），可用性為最小。

1.3 評價方法

為了評價方便，可將現(xiàn)性、勢性進行簡化，并用三角合成法將其與可用性進行聯(lián)系。具體方法為：將機電設備開始運行點設為原點，將其工作狀態(tài)分為時間維和狀態(tài)維兩個維度，時間維代表了其工作延續(xù)的時間、狀態(tài)維代表其工作狀態(tài)衰減。機電設備評價的三角合成法如圖3所示。

圖3機電設備評價三角合成法

如圖3所示可知：現(xiàn)性直線角度的大小即代表機電設備運行特性，在穩(wěn)定區(qū)間內，功能恒定；在老化區(qū)間內，角度越大功能特性越差；勢性直線角度的大小即代表機電設備功能完成能力特性，單位時間內角度變化越大，功能特性老化程度越嚴重；合成直線角度的大小即代表一段時間內機電設備功能特性，穩(wěn)定性區(qū)間內，角度越大則可用時間越長，功能特性越好；在老化區(qū)間內，角度越大功能特性越差。

但應注意的是：現(xiàn)性終點仍為檢測時，機電設備的運行狀態(tài)需要根據(jù)其運行時間確定，取點時應避開磨合期；第二，勢性終點需根據(jù)隧道環(huán)境及設備運行等實際情況確定機電設備繼續(xù)工作時間，超過報廢點的，認為其不能完成工作任務；第三，為了保證在實際運用中不出現(xiàn)兩條合成直線角度相同而引起的一值多義現(xiàn)象（如圖4所示，合成直線C角度相同），可將坐標軸進行平移，平移后的起始點應在磨合期和穩(wěn)定運行期結合點處（即忽略磨合期對隧道機電設備的影響），圖5所示是優(yōu)化后的三角合成法。

（a） （b）

圖4 一值多義現(xiàn)象圖

優(yōu)化后，根據(jù)分析可知，現(xiàn)性直線角度隨著時間增加，先穩(wěn)定處于0°（穩(wěn)定期內），后增加至極限值（報廢點處），即tA1

1.4 評價指標等級劃分

以該類方法得到的機電設備評價指標可根據(jù)機電設備功能進行分級，明確各不同狀態(tài)下機電設備的運行狀態(tài)?？紤]到在報廢點之后，機電設備已不能完成正常工作，因此，修正曲線上報廢點可作為判定機電設備功能的輔助點。圖6所示是現(xiàn)性直線變化圖。

圖5 優(yōu)化后的三角合成法 圖6 現(xiàn)性直線變化

現(xiàn)性直線從A到A'時，角度逐漸增大，機電設備性能逐漸減小，設最大張角為α。則會出現(xiàn)如圖7所示的勢性直線變化圖。

在一定時長內，勢性直線的角度隨著現(xiàn)性直線長度的增加而增加，從B到B'角度逐漸增大，機電設備可用能力逐漸減小，角度從β（設為最小張角）逐漸增大，角度極限值為功能特性曲線在報廢點處斜率的反正切值β'（設為最大張角）。圖8所示是可用性直線變化曲線。

圖7 勢性直線變化 圖8 可用性直線變化

設備可用性直線從C到C'變化時，角度逐漸增大，機電設備性能逐漸降低，設最大張角為γ，則可以得到如表1所列的機電設備性能分級表。

由表1可知，當情況1出現(xiàn)時，設備運行優(yōu)良；當4、6、10、12等情況出現(xiàn)時，機電設備運行良好；當出現(xiàn)13、14、15情況時，機電設備運行能力差。由于機電設備評價時采用的均為單值增加的三角函數(shù)，因此還可對角度進行歸一化處理，以百分制定量評價機電設備的運行狀況?？紤]到數(shù)據(jù)的簡易型及易用性，因此可將功能衰減度進行適當修正，使得歸一化值計算及使用方便。

2 方法特點

該方法具有以下特點：

（1）現(xiàn)性和勢性的定義是符合機電設備性能曲線的，矢量化處理在一定程度上描述了機電設備運行發(fā)展的趨勢，符合實際情況；

（2）采用三角合成法而不是雙因子平方和等計算方式主要是考慮到現(xiàn)性和勢性并不是相互獨立的，機電設備當前的工作狀態(tài)及已經工作的時間長度對其之后的工作能力有著較大影響；

（3）將以往機電設備性能的經驗性簡單定性評價方法進行優(yōu)化，本方法基于大量統(tǒng)計數(shù)據(jù)匯集而成的浴盆曲線進行分析，數(shù)據(jù)支持有力；

（4）該方法可進行定性評價及定量評價，方式靈活；

（5）根據(jù)大樣本分析得到的機電設備功能特性曲線在一定程度上代表了隧道機電設備運營養(yǎng)護情況，因此用此種方法分析時，可以不必考慮隧道機電設備運營養(yǎng)護情況下曲線的再次修正；

（6）本方法不僅可用于隧道機電設備檢測，還可延伸拓展至其他機電設備檢測。

本方法的不足之處有兩點：一是本方法立足于隧道機電設備運營評價，因此，在統(tǒng)計學的大樣本分析中是成立的，但由于功能特性曲線是大量機電設備長時間實驗得出的統(tǒng)計性結果，單個機電設備運行情況可能與其略有差異，這樣就無法精確預測某一特定機電設備工作的能力；其二，由于同一設備不同廠家生產的產品功能特性不盡相同，因此導致各類產品的浴盆曲線也不相同，但考慮到在同樣的安裝環(huán)境與安裝要求下，同一類設備的功能特性區(qū)別不大，因此在精度要求不太高時，可以利用同一浴盆曲線對同類設備中的不同產品進行比較。

3 實例分析

在某隧道的29個風機中，取樣12個進行檢查，風機使用年限為10年，已經使用了5年，預期再使用4年。則可得到如圖9所示的設備性能曲線圖。

圖 9 隧道機電設備檢測算例

考慮到縱軸跨度設置過大時不適合計算及數(shù)據(jù)使用，因此可對功能衰減值進行5級劃分，報廢時縱軸坐標為5。由圖可知A直線角度為0°，B直線角度為arctan0.937 5≈43.15°，C直線角度為arctan5/12≈22.61°。由設備分級表可以看出，線性為優(yōu)，勢性為良，可用性直線則代表在預期的9年之內，設備的功能特性為良。

若要進行歸一化處理，則需對極限值進行劃分，考慮到檢測目的主要是設備此時的功能特性及在預期時間范圍內的可用性，因此，在這個例子中，僅需了解現(xiàn)性及可用性即可。表 2給出了隧道機電設備檢測值的歸一化表。

表 2 隧道機電設備檢測值歸一化表

值 現(xiàn)性（0°～arctan0.5） 可用性（0°～arctan0.5）

檢測值 0° 22.61°

歸一化值 1 0.15

該結果表明，該隧道風機運行情況優(yōu)良，在預期的9年之內，設備功能特性良好，但是已接近報廢邊緣，建議根據(jù)設備運行情況及時養(yǎng)護或更換設備。

4 結 語

本文從機電設備運行實際情況出發(fā)、基于大樣本功能特性曲線對機電設備的運行狀況及工作能力進行分析，并提出了基于現(xiàn)性和勢性的三角合成法及相應的評價指標作為機電設備檢測方法。本方法在判定設備評價方面有其優(yōu)點也有其局限性，但在現(xiàn)今的機電設備檢測評價環(huán)境下，還是具有一定的實際意義的。在實際工程中也可與機電設備聯(lián)網檢測技術等方法聯(lián)合使用，較為全面準確地評判機電設備?；诂F(xiàn)有成果，在下一步工作中，還需要完善評價方法、重構評價體系，對評價方法進行深一步的分析和優(yōu)化。

參 考 文 獻

[1]楊瑞剛.機電類特種設備結構系統(tǒng)可靠性與壽命評估方法研究[M].北京：冶金工業(yè)出版社，2011.

[2]張琦. 現(xiàn)代機電設備維修質量管理概論[M].北京：北方交通大學出版社，2004.

[3]關德林，張曉鋒. 船舶機電維修技術論文集[M] 大連：大連海事大學出版社. 2006.

[4]中華人民共和國交通部公路工程質量檢驗評定標準第二冊機電工程（JTG F80/2-2004）[Z]，2004-09-04.

[5]閆玲，薄開峰.如何加強煤礦機電設備維修質量管理[J]. 科技致富向導，2012（21）：254.

3 實例分析

在某隧道的29個風機中，取樣12個進行檢查，風機使用年限為10年，已經使用了5年，預期再使用4年。則可得到如圖9所示的設備性能曲線圖。

圖 9 隧道機電設備檢測算例

考慮到縱軸跨度設置過大時不適合計算及數(shù)據(jù)使用，因此可對功能衰減值進行5級劃分，報廢時縱軸坐標為5。由圖可知A直線角度為0°，B直線角度為arctan0.937 5≈43.15°，C直線角度為arctan5/12≈22.61°。由設備分級表可以看出，線性為優(yōu)，勢性為良，可用性直線則代表在預期的9年之內，設備的功能特性為良。

若要進行歸一化處理，則需對極限值進行劃分，考慮到檢測目的主要是設備此時的功能特性及在預期時間范圍內的可用性，因此，在這個例子中，僅需了解現(xiàn)性及可用性即可。表 2給出了隧道機電設備檢測值的歸一化表。

表 2 隧道機電設備檢測值歸一化表

值 現(xiàn)性（0°～arctan0.5） 可用性（0°～arctan0.5）

檢測值 0° 22.61°

歸一化值 1 0.15

該結果表明，該隧道風機運行情況優(yōu)良，在預期的9年之內，設備功能特性良好，但是已接近報廢邊緣，建議根據(jù)設備運行情況及時養(yǎng)護或更換設備。

4 結 語

本文從機電設備運行實際情況出發(fā)、基于大樣本功能特性曲線對機電設備的運行狀況及工作能力進行分析，并提出了基于現(xiàn)性和勢性的三角合成法及相應的評價指標作為機電設備檢測方法。本方法在判定設備評價方面有其優(yōu)點也有其局限性，但在現(xiàn)今的機電設備檢測評價環(huán)境下，還是具有一定的實際意義的。在實際工程中也可與機電設備聯(lián)網檢測技術等方法聯(lián)合使用，較為全面準確地評判機電設備?；诂F(xiàn)有成果，在下一步工作中，還需要完善評價方法、重構評價體系，對評價方法進行深一步的分析和優(yōu)化。

參 考 文 獻

[1]楊瑞剛.機電類特種設備結構系統(tǒng)可靠性與壽命評估方法研究[M].北京：冶金工業(yè)出版社，2011.

[2]張琦. 現(xiàn)代機電設備維修質量管理概論[M].北京：北方交通大學出版社，2004.

[3]關德林，張曉鋒. 船舶機電維修技術論文集[M] 大連：大連海事大學出版社. 2006.

[4]中華人民共和國交通部公路工程質量檢驗評定標準第二冊機電工程（JTG F80/2-2004）[Z]，2004-09-04.

[5]閆玲，薄開峰.如何加強煤礦機電設備維修質量管理[J]. 科技致富向導，2012（21）：254.

3 實例分析

在某隧道的29個風機中，取樣12個進行檢查，風機使用年限為10年，已經使用了5年，預期再使用4年。則可得到如圖9所示的設備性能曲線圖。

圖 9 隧道機電設備檢測算例

考慮到縱軸跨度設置過大時不適合計算及數(shù)據(jù)使用，因此可對功能衰減值進行5級劃分，報廢時縱軸坐標為5。由圖可知A直線角度為0°，B直線角度為arctan0.937 5≈43.15°，C直線角度為arctan5/12≈22.61°。由設備分級表可以看出，線性為優(yōu)，勢性為良，可用性直線則代表在預期的9年之內，設備的功能特性為良。

若要進行歸一化處理，則需對極限值進行劃分，考慮到檢測目的主要是設備此時的功能特性及在預期時間范圍內的可用性，因此，在這個例子中，僅需了解現(xiàn)性及可用性即可。表 2給出了隧道機電設備檢測值的歸一化表。

表 2 隧道機電設備檢測值歸一化表

值 現(xiàn)性（0°～arctan0.5） 可用性（0°～arctan0.5）

檢測值 0° 22.61°

歸一化值 1 0.15

該結果表明，該隧道風機運行情況優(yōu)良，在預期的9年之內，設備功能特性良好，但是已接近報廢邊緣，建議根據(jù)設備運行情況及時養(yǎng)護或更換設備。

4 結 語

本文從機電設備運行實際情況出發(fā)、基于大樣本功能特性曲線對機電設備的運行狀況及工作能力進行分析，并提出了基于現(xiàn)性和勢性的三角合成法及相應的評價指標作為機電設備檢測方法。本方法在判定設備評價方面有其優(yōu)點也有其局限性，但在現(xiàn)今的機電設備檢測評價環(huán)境下，還是具有一定的實際意義的。在實際工程中也可與機電設備聯(lián)網檢測技術等方法聯(lián)合使用，較為全面準確地評判機電設備?；诂F(xiàn)有成果，在下一步工作中，還需要完善評價方法、重構評價體系，對評價方法進行深一步的分析和優(yōu)化。

參 考 文 獻

[1]楊瑞剛.機電類特種設備結構系統(tǒng)可靠性與壽命評估方法研究[M].北京：冶金工業(yè)出版社，2011.

[2]張琦. 現(xiàn)代機電設備維修質量管理概論[M].北京：北方交通大學出版社，2004.

[3]關德林，張曉鋒. 船舶機電維修技術論文集[M] 大連：大連海事大學出版社. 2006.

[4]中華人民共和國交通部公路工程質量檢驗評定標準第二冊機電工程（JTG F80/2-2004）[Z]，2004-09-04.

[5]閆玲，薄開峰.如何加強煤礦機電設備維修質量管理[J]. 科技致富向導，2012（21）：254.