高速公路機(jī)電設(shè)備智能管理要點(diǎn)分析

韓江平

（甘肅省甘南公路事業(yè)發(fā)展中心）

1 引言

機(jī)電系統(tǒng)是高速公路配套設(shè)施的重要組成部分，具有技術(shù)含量高、設(shè)備昂貴、結(jié)構(gòu)復(fù)雜等特點(diǎn)，在實(shí)際運(yùn)行管理過(guò)程中，對(duì)機(jī)電系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)控缺乏足夠的重視，許多機(jī)電設(shè)備處于長(zhǎng)期無(wú)監(jiān)管狀態(tài)，而且維護(hù)方式需要依賴人工檢查，無(wú)法做到實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，影響了高速公路及隧道工程的正常運(yùn)營(yíng)，必須充分重視智能化管理技術(shù)的應(yīng)用，提高維護(hù)管理質(zhì)量和效率。

2 某高速公路機(jī)電設(shè)備檢查工作概況

甘南普通干線公路隧道機(jī)電設(shè)施定期檢查檢測(cè)工作于2022 年9 月順利完成，本次定期檢查隧道所在線路有G248、G345、S204、S210、G568，涉及卓尼縣、舟曲縣、迭部縣、瑪曲縣、碌曲縣、臨潭縣、臨夏縣，共 14 座隧道，總長(zhǎng)16251m。各隧道均為單洞雙向行車，檢查項(xiàng)目涉及供配電設(shè)施、照明設(shè)施、通風(fēng)設(shè)施、消防設(shè)施、監(jiān)控與通信設(shè)施共5 個(gè)分項(xiàng)工程。依據(jù)約定的檢測(cè)頻率，對(duì)全部隧道機(jī)電設(shè)施按相關(guān)技術(shù)規(guī)范規(guī)定的檢查內(nèi)容進(jìn)行檢測(cè)，通過(guò)儀器儀表檢測(cè)、實(shí)地查看、實(shí)際操作、模擬試驗(yàn)等多種方法對(duì)各機(jī)電設(shè)施進(jìn)行實(shí)測(cè)。統(tǒng)計(jì)設(shè)備故障臺(tái)數(shù)及不合格檢測(cè)項(xiàng)目，查閱日常巡查、經(jīng)常和定期檢修資料，獲取機(jī)電設(shè)施運(yùn)行情況及設(shè)備故障天數(shù)，計(jì)算設(shè)備完好率，確定機(jī)電設(shè)備技術(shù)狀況等級(jí)，機(jī)電設(shè)施總體技術(shù)狀況評(píng)定需根據(jù)各分項(xiàng)權(quán)重計(jì)算確定，對(duì)于不同技術(shù)狀況等級(jí)的機(jī)電設(shè)施，分別采取不同的養(yǎng)護(hù)措施。

以古雅隧道為例，在供配電設(shè)施方面存在的問(wèn)題包括：東變電所200V 變壓器溫控器故障；西變電所無(wú)功補(bǔ)償柜AAP2 控制器故障；入口線槽銹蝕嚴(yán)重；西變電所高壓斷路器合閘故障，照明設(shè)施存在35盞燈故障，通風(fēng)設(shè)施中3臺(tái)風(fēng)機(jī)電源故障無(wú)法啟動(dòng)，另外，消防設(shè)施、監(jiān)控與通信設(shè)施也存在諸多問(wèn)題，嚴(yán)重影響了機(jī)電系統(tǒng)功能的發(fā)揮。通過(guò)檢查結(jié)果分析，傳統(tǒng)的日常巡查、經(jīng)常檢修、定期檢修等方式具有一定的滯后性，并不能實(shí)時(shí)掌握機(jī)電設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)，容易產(chǎn)生安全隱患，不利于維護(hù)管理計(jì)劃的科學(xué)制定和有效落實(shí)，所以，必須加強(qiáng)高速公路機(jī)電設(shè)備管理智能化建設(shè)，充分利用現(xiàn)代信息技術(shù)，提高機(jī)電設(shè)備運(yùn)行效果，更好地為高速公路交通服務(wù)[1]。

3 高速公路機(jī)電設(shè)備智能管理要點(diǎn)分析

3.1 機(jī)電設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測(cè)

3.1.1 監(jiān)測(cè)參數(shù)與采樣方案

高速公路機(jī)電設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)主要來(lái)自兩部分，一部分是從現(xiàn)有監(jiān)控系統(tǒng)中獲得，另一部分需要通過(guò)設(shè)置專用監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)獲得。根據(jù)現(xiàn)階段所存在的問(wèn)題，在供配電、照明、通風(fēng)、消防、監(jiān)控等系統(tǒng)設(shè)備上，設(shè)置監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)，并根據(jù)設(shè)備特點(diǎn)采用合適的技術(shù)參數(shù)，常用的監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)采樣參數(shù)有電壓、溫度、濕度、振動(dòng)等，其中，電壓參數(shù)采樣主要針對(duì)的是配電回路，通過(guò)三相交流電采集卡實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集，包括電壓有效值和功率因數(shù)等，能夠有效檢測(cè)照明線路工作狀況，實(shí)現(xiàn)對(duì)各照明回路運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測(cè)。溫度參數(shù)和濕度參數(shù)采樣需要考慮不同設(shè)備類型、測(cè)量精度、測(cè)量范圍，振動(dòng)參數(shù)主要針對(duì)的是風(fēng)機(jī)采樣，作為風(fēng)機(jī)工作狀態(tài)評(píng)價(jià)的主要依據(jù)。為了實(shí)現(xiàn)多種傳感器數(shù)據(jù)通信，需要將數(shù)據(jù)有效融合，采用多路復(fù)用技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)該效果。

3.1.2 監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

為了保證監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)的經(jīng)濟(jì)性、可安裝性，可以基于FPGA嵌入式系統(tǒng)進(jìn)行軟硬件設(shè)計(jì)，其中，硬件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)主要包括傳感器模塊、FPGA 主控模塊、總線接口模塊、模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊等，傳感器模塊將采集到的模擬信號(hào)經(jīng)轉(zhuǎn)換模塊轉(zhuǎn)換為數(shù)據(jù)信號(hào)后，通過(guò)接口模塊發(fā)送給主控模塊進(jìn)行預(yù)處理，提高了系統(tǒng)的可靠性和集成度。FPGA 能夠?qū)崿F(xiàn)顯示、存儲(chǔ)、網(wǎng)絡(luò)通信接口、控制算法執(zhí)行等多種功能，每個(gè)監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)使用一個(gè)FPGA系統(tǒng)版本，并且對(duì)應(yīng)唯一的IP地址，通過(guò)無(wú)線網(wǎng)與通信網(wǎng)絡(luò)連接，軟件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)采用嵌入式處理器NIOS Ⅱ作為操作平臺(tái)，能夠?qū)崿F(xiàn)數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)通信接口、數(shù)據(jù)預(yù)處理等多種功能，采樣控制電路同樣是以FPGA 為基礎(chǔ)進(jìn)行設(shè)計(jì)的，通過(guò)硬件描述語(yǔ)言設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)相關(guān)控制模塊功能。各監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)通過(guò)電壓采樣模塊溫、濕度采樣模塊、振動(dòng)采樣模塊獲取采樣信號(hào)，F(xiàn)PGA則可以實(shí)時(shí)對(duì)采樣數(shù)據(jù)進(jìn)行顯示、處理、發(fā)送[2]。

3.1.3 監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)接收軟件設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)基于手機(jī)客戶端的應(yīng)用程序，通過(guò)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)將采集到的數(shù)據(jù)發(fā)送到客戶端，能夠隨時(shí)隨地進(jìn)行監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)接收，客戶端軟件應(yīng)該具備相應(yīng)的交互功能，可以實(shí)現(xiàn)指定時(shí)間間隔的數(shù)據(jù)采集。軟件流程主要由主控流程和UDP通信線程流程組成，通過(guò)主控流程，能夠持續(xù)監(jiān)聽(tīng)來(lái)自視圖的用戶操作，并作出響應(yīng)，在完成通信參數(shù)設(shè)置后，通過(guò)連接按鈕可以啟動(dòng)UDP 通信線程，循環(huán)讀取采集數(shù)據(jù)，并將數(shù)據(jù)處理后推送到用戶界面。為了驗(yàn)證監(jiān)測(cè)效果，在古雅隧道PLC控制箱內(nèi)安裝了傳感器，對(duì)電壓、溫度、濕度、振動(dòng)等參數(shù)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，分析不同位置、不同條件下獲得的測(cè)量數(shù)據(jù)，結(jié)果表明，該方式能夠很好實(shí)現(xiàn)采樣節(jié)點(diǎn)位置的環(huán)境參數(shù)檢測(cè)，以此作為機(jī)電設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)分析數(shù)據(jù)來(lái)源。

3.2 關(guān)鍵機(jī)電設(shè)備壽命預(yù)測(cè)

高速公路機(jī)電設(shè)備壽命預(yù)測(cè)是設(shè)備管理的核心問(wèn)題之一，隨著工作時(shí)間的增長(zhǎng)，設(shè)備性能退化是不可避免的，如果在退化初始階段能夠準(zhǔn)確預(yù)測(cè)設(shè)備壽命，確定設(shè)備監(jiān)控和維護(hù)的最佳時(shí)間，制定備貨訂貨計(jì)劃，那么就可以有效降低機(jī)電設(shè)備運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)和成本。現(xiàn)階段，預(yù)測(cè)壽命的方法主要包括基于物理故障模型和數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)，對(duì)于一些復(fù)雜設(shè)備而言，通過(guò)物理故障模型預(yù)測(cè)壽命十分困難，而數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的預(yù)測(cè)方法是通過(guò)監(jiān)測(cè)收集設(shè)備運(yùn)行過(guò)程中的失效數(shù)據(jù)或性能退化數(shù)據(jù)來(lái)實(shí)現(xiàn)的。基于失效數(shù)據(jù)的壽命預(yù)測(cè)方法能夠有效確定設(shè)備壽命的概率分布，估算機(jī)電設(shè)備剩余壽命。首先，采集和處理失效數(shù)據(jù)，其次，選擇壽命分布模型，再次，模型參數(shù)估計(jì)，最后，計(jì)算剩余壽命。這種方法需要大量的失效數(shù)據(jù)作為支撐，而獲取失效數(shù)據(jù)的成本太高，所以，基于退化數(shù)據(jù)的壽命預(yù)測(cè)方法成為主流，在狀態(tài)監(jiān)測(cè)技術(shù)的支持下，主要通過(guò)分析機(jī)電設(shè)備CM 數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)壽命預(yù)測(cè)的目的，為提高預(yù)測(cè)可靠性提供了有效途徑。另外，多源數(shù)據(jù)融合的壽命預(yù)測(cè)方法也具有較強(qiáng)適用性，通過(guò)不同數(shù)據(jù)組合，能夠用于不同類型機(jī)電設(shè)備壽命預(yù)測(cè)，可以有效解決數(shù)據(jù)缺失和設(shè)備退化過(guò)程中的不確定性問(wèn)題[3]。

對(duì)于部分機(jī)電設(shè)備信息模糊或難以量化的情況，考慮到實(shí)際的操作性，可以采用模糊綜合評(píng)價(jià)的方法加以解決，根據(jù)模糊控制規(guī)則，輸出養(yǎng)護(hù)維修方式，對(duì)機(jī)電設(shè)備改造升級(jí)、報(bào)廢更新給予科學(xué)指導(dǎo)。比如，根據(jù)調(diào)研數(shù)據(jù)中不間斷電源UPS的設(shè)備信息，采用MATLAB模糊工具包，輸入故障率、維護(hù)成本、設(shè)備使用年限、維修困難程度、設(shè)備重要程度等相關(guān)數(shù)據(jù)，仿真輸出養(yǎng)護(hù)維修方式數(shù)值，并根據(jù)輸出隸屬度曲線確定該設(shè)備的處理措施。

3.3 基于BIM模型的機(jī)電設(shè)備綜合管理

通過(guò)施工階段交付的BIM 模型創(chuàng)建運(yùn)維模型，搭建綜合管理平臺(tái)，能夠在高速公路機(jī)電設(shè)備管理中實(shí)現(xiàn)可視化動(dòng)態(tài)監(jiān)控管理的效果，提高高速公路的暢通性和安全性，該綜合管理平臺(tái)充分利用了BIM技術(shù)的3D可視化、信息資源集成化等特點(diǎn)和優(yōu)勢(shì)，主要從監(jiān)控管理和數(shù)據(jù)庫(kù)管理兩個(gè)方面出發(fā)，實(shí)現(xiàn)機(jī)電設(shè)備監(jiān)控管理、故障信息管理、設(shè)備重要度管理、設(shè)備供應(yīng)商管理等多種功能。

3.3.1 設(shè)備監(jiān)控管理

基于BIM 運(yùn)維模型完善監(jiān)控管理結(jié)構(gòu)體系，涵蓋道路交通、照明系統(tǒng)、消防系統(tǒng)、通風(fēng)系統(tǒng)、視頻監(jiān)控系統(tǒng)等子系統(tǒng)，通過(guò)統(tǒng)一平臺(tái)實(shí)現(xiàn)高度信息集成和協(xié)同合作控制。在道路交通監(jiān)控系統(tǒng)中，通過(guò)安裝車輛檢測(cè)器、氣象檢測(cè)器、能見(jiàn)度檢測(cè)器、視頻事件自動(dòng)檢測(cè)器、超速檢測(cè)器等，分別進(jìn)行交通流、氣象、能見(jiàn)度、事故視頻、超速等方面檢測(cè)，為安全駕駛提供指引性引導(dǎo)，在視頻監(jiān)控系統(tǒng)打開(kāi)攝像機(jī)BIM模型，就可以對(duì)道路現(xiàn)場(chǎng)實(shí)時(shí)觀測(cè)，并保存視頻資料，在消防控制系統(tǒng)，將消防機(jī)電設(shè)施相關(guān)信息實(shí)時(shí)上傳到運(yùn)維綜合管理平臺(tái)，通過(guò)消防BIM 模型能夠遠(yuǎn)程控制設(shè)備設(shè)施[4]。

在具體實(shí)施時(shí)，完成BIM模型轉(zhuǎn)化后，需要對(duì)設(shè)施模型進(jìn)行適當(dāng)處理，采取可視化表達(dá)的方式，讓所有人員都能方便快速地進(jìn)行有效識(shí)別，通過(guò)綜合管理平臺(tái)監(jiān)控管理主窗口，直觀獲取設(shè)備狀態(tài)信息，采取控制管理措施。比如，通過(guò)火焰探測(cè)器BIM模型，就可以查看火焰探測(cè)器的信息，如果顯示為綠色則表示正常，如果顯示為橙色則表示報(bào)警，說(shuō)明探測(cè)器檢測(cè)到火情，如果顯示為問(wèn)號(hào)則表示探測(cè)器故障，需要安排維修處理。

3.3.2 綜合管理數(shù)據(jù)庫(kù)

首先，基于BIM 技術(shù)構(gòu)建綜合管理平臺(tái)數(shù)據(jù)庫(kù)初始化，主要包括公共數(shù)據(jù)初始化、編目數(shù)據(jù)初始化、在用設(shè)施初始化、倉(cāng)庫(kù)數(shù)據(jù)初始化等方面工作，在此基礎(chǔ)上進(jìn)行各種數(shù)據(jù)庫(kù)管理。在故障管理上，能夠進(jìn)行故障登記、查詢、處理狀態(tài)、處理計(jì)劃、專項(xiàng)處理、經(jīng)驗(yàn)積累等操作，在設(shè)備管理上，可以實(shí)現(xiàn)新增設(shè)備、設(shè)備拆裝換、大型設(shè)備零配件管理以及設(shè)備其他方面操作，在倉(cāng)庫(kù)管理上，可以進(jìn)行出入庫(kù)管理、庫(kù)存與出入庫(kù)單查詢、出入庫(kù)單編輯、庫(kù)存閾值管理。

利用層次分析法，可以對(duì)高速公路機(jī)電設(shè)備進(jìn)行重要度評(píng)估，從而為綜合管理平臺(tái)提供重要性順序和維修策略，對(duì)于重要度高的機(jī)電設(shè)備，立即進(jìn)行維修處理，對(duì)于重要度低的設(shè)備，采取事后維修的方式，這樣能夠有效避免設(shè)備維修的盲目性，而且降低了維修管理成本，為了實(shí)現(xiàn)這一目的，需要建立機(jī)電設(shè)備綜合評(píng)估模型，從可修復(fù)性、經(jīng)濟(jì)性、可靠性、可監(jiān)測(cè)性及其他方面，分析重要度影響因素，獲得各影響因素相對(duì)權(quán)重值，通過(guò)計(jì)算得到機(jī)電設(shè)備的重要度。另外，利用層次分析法，可以進(jìn)行機(jī)電設(shè)備供應(yīng)商優(yōu)勢(shì)度評(píng)估，確定供應(yīng)商排序，為后續(xù)的機(jī)電設(shè)備采購(gòu)決策提供科學(xué)依據(jù)[5]。

4 結(jié)語(yǔ)

綜上所述，機(jī)電設(shè)備的可靠穩(wěn)定運(yùn)行對(duì)于保障高速公路通行安全具有重要的現(xiàn)實(shí)意義，在許多高速公路機(jī)電管理過(guò)程中，存在著狀態(tài)監(jiān)測(cè)手段缺失、使用壽命難以評(píng)估、綜合管理效果差等問(wèn)題，需要充分利用智能化、信息化管理辦法，準(zhǔn)確評(píng)價(jià)機(jī)電設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)，針對(duì)不同運(yùn)行階段采取合適的維護(hù)管理措施，同時(shí)，提高設(shè)備管理的可視化水平，通過(guò)簡(jiǎn)潔、直觀的操作界面上快速作出判斷決策。