馬爾科夫鏈在公路機電設(shè)備狀態(tài)評測上的應(yīng)用研究

周元輝

摘要 文章在梳理公路機電設(shè)備狀態(tài)評測技術(shù)發(fā)展脈絡(luò)的基礎(chǔ)上，圍繞馬爾可夫鏈分析模型在公路機電設(shè)備狀態(tài)評測的分析應(yīng)用技術(shù)，介紹了馬爾科夫鏈分析模型，闡述了基于馬氏鏈的公路機電設(shè)備故障分析過程，并通過案例分析展示和驗證了該分析評測技術(shù)的工程適用性，對公路機電設(shè)備養(yǎng)護管理和狀態(tài)評測實際應(yīng)用有技術(shù)參考意義。

關(guān)鍵詞 公路機電；設(shè)備壽命；狀態(tài)評測；馬爾可夫鏈；應(yīng)用研究

中圖分類號 TN06文獻標識碼 A文章編號 2096-8949（2023）16-0138-03

0 引言

馬爾可夫鏈分析法是獲取裝備系統(tǒng)現(xiàn)有的運行信息，構(gòu)成系統(tǒng)狀態(tài)結(jié)構(gòu)分類和轉(zhuǎn)移概率矩陣，預測系統(tǒng)在現(xiàn)有情況下經(jīng)過一段時間后將達到的狀態(tài)[1]。該方法對設(shè)備管理和決策具有參考意義。通過對高速公路機電設(shè)備維修數(shù)據(jù)的統(tǒng)計，發(fā)現(xiàn)高速公路機電設(shè)備存在各種狀態(tài)轉(zhuǎn)移，可以用馬爾可夫鏈對高速公路機電設(shè)備的故障進行預測和分析，根據(jù)機電裝備故障率曲線判別裝備的有效運行周期，可以預估設(shè)備功效狀態(tài)，預防事故產(chǎn)生，降低養(yǎng)護投入成本，延長公路機電設(shè)備的使用壽命。

1 馬爾科夫鏈分析模型

2 基于馬氏鏈的公路機電設(shè)備故障分析

3 公路機電設(shè)備有效使用壽命周期判斷

可根據(jù)曲線擬合計算原理，通過擬合線斜率突變，獲得馬氏分析故障累計頻率曲線斜率突變分界點，見圖3所示。

圖3曲線顯示，從O點到A點，從A點到B點，曲線斜率是穩(wěn)定的，B點后曲線斜率明顯增大。從O點到A點，正常使用情況下設(shè)備的有效運行周期是22個月，即根據(jù)該期間故障累積曲線的平穩(wěn)狀態(tài)。曲線斜率在A點后上升，意味著自A點起，有效運行周期結(jié)束。A點之后，設(shè)備處于磨損失效期，此時故障率增加，整體故障率曲線逐漸增大提升幅度，并在B點再度出現(xiàn)斜率拐點。B點后，故障率再度增加，此時雖未達到裝備的極限壽命，經(jīng)維修后設(shè)備雖可繼續(xù)使用，但是其投入產(chǎn)出比、安全可靠性等已嚴重下降，可考慮更換裝備。

運用同樣的方法，可以判斷公路其他機電裝備的有效運行周期。選取清河總站收費站的所有智控欄桿設(shè)備，利用馬爾可夫鏈方法得出裝備的極限概率分布圖。根據(jù)欄桿機的設(shè)備維修數(shù)據(jù)，運用極限概率轉(zhuǎn)移法，得出概率分布圖和裝備故障概率曲線圖，如圖4所示。

因為自動跨欄機設(shè)備投入使用，第1個月至第25個月的故障概率≤0.27，在第25個月以后，故障概率明顯增加，裝備進入磨損失效期。前25個月，約2年時間，是裝備的健康運行周期，到第65個月后，裝備故障率的平均曲線達到峰值點，在第65個月以后，裝備故障率降低，原因是化學腐蝕、裝備嚴重老化等原因，不得不更換主要部件或檢修設(shè)備，此時裝備的故障率雖然會降低，但還沒有達到健康使用的極限壽命，還可以繼續(xù)使用。但是其投入產(chǎn)出比、安全可靠性等已嚴重下降，可考慮更換裝備。

根據(jù)自動跨欄機的累計故障次數(shù)，驗證浴盆波動曲線的拐點，如圖5所示。

根據(jù)自動跨欄機累計失敗次數(shù)曲線的斜率，判斷M點和N點為分界點。從O點到M點（第25個月）曲線斜率相對穩(wěn)定，M點后曲線斜率增大，維修故障次數(shù)增加。到達N（第65個月）點后曲線斜率又上升，故障維修次數(shù)明顯增加。分界點M和N由故障的累積頻率曲線定義。判斷M點和N點是故障維修次數(shù)的突變點，用裝備壽命和裝備健康狀態(tài)的關(guān)系來解釋M點（第25個月）前者是裝備的正常工作狀態(tài)，故障概率穩(wěn)定是由浴盆波動曲線確定的設(shè)備的意外失效期，也就是說設(shè)備的有效壽命是25個月（大約2a）從M到N的曲線段是設(shè)備的磨損失效期，這是因為設(shè)備零件存在老化或磨損情況，導致維修和故障概率上升。N點之后，曲線的斜率增大，故障累計次數(shù)增加，顯示N點前給予維護，屬于正常運行周期的常規(guī)維護，而N點后明顯顯示維修次數(shù)增加，說明設(shè)備處于頻發(fā)故障期。該時段已經(jīng)接近設(shè)備報廢階段，其間設(shè)備在適當維修的前提下還可以繼續(xù)運行使用一個時程，但是在此期間的設(shè)備維護績效比有所降低，繼續(xù)使用或者給予高投入維修，會增加投入成本，此時候可以考慮更換新裝備。

通過對兩種公路機電裝備故障概率的研究，研究結(jié)果顯示，馬爾可夫鏈方法可以判別公路機電裝備的有效運行周期，幫助高速公路管理部門有效維護機電設(shè)備，預測設(shè)備健康狀態(tài)，及時處理運行中裝備的各種突發(fā)故障，保證高速公路交通流的高效通行。

4 結(jié)語

該文旨在探討公路機電設(shè)備健康應(yīng)用壽命周期馬爾科夫鏈評測技術(shù)。馬爾科夫鏈分析模型分析方法是獲取裝備系統(tǒng)的在運行信息，構(gòu)成系統(tǒng)技術(shù)狀態(tài)分類和轉(zhuǎn)移概率矩陣，預測系統(tǒng)在現(xiàn)有情況下經(jīng)過一段時間后將達到的狀態(tài)。利用馬爾可夫鏈可以預測和分析公路機電裝備的故障，根據(jù)機電裝備故障率曲線判別裝備的有效運行周期，預估設(shè)備功效狀態(tài)，預防事故產(chǎn)生，降低養(yǎng)護投入成本，延長公路機電設(shè)備的使用壽命。該文結(jié)合案例分析，介紹和展示了公路機電設(shè)備故障和健康應(yīng)用壽命周期馬氏鏈分析方法和過程。根據(jù)曲線擬合計算原理，通過擬合線斜率突變，獲得馬氏分析故障累計頻率曲線斜率突變分界點，是該分析技術(shù)的一個重要分析結(jié)果可視化特點，該特點使有效運行周期的狀態(tài)邊界揭示更加直觀清晰，使設(shè)備狀態(tài)目前所處階段更加一目了然。

參考文獻

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