張征

摘要 近年來，我國高速公路總里程不斷增加，但部分路段的機(jī)電設(shè)備存在實(shí)時(shí)監(jiān)測方法缺失、使用壽命預(yù)測依據(jù)不足的問題?；诖?，文章提出了具體的數(shù)據(jù)采集方法，用于實(shí)時(shí)監(jiān)測機(jī)電設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)，通過試驗(yàn)分析，發(fā)現(xiàn)具有良好的應(yīng)用效果。此外，通過運(yùn)用模擬分析理論，提出了一種科學(xué)的方法，能準(zhǔn)確預(yù)測高速公路機(jī)電設(shè)備的使用壽命，旨在為該領(lǐng)域的研究提供參考。

關(guān)鍵詞 機(jī)電設(shè)備；壽命預(yù)測；運(yùn)行狀態(tài)；模糊理論；高速公路

中圖分類號 U418.7文獻(xiàn)標(biāo)識碼 A文章編號 2096-8949（2024）05-0186-03

0 引言

高速公路機(jī)電設(shè)備結(jié)構(gòu)復(fù)雜，常應(yīng)用于惡劣復(fù)雜的環(huán)境中。機(jī)電設(shè)備的正常穩(wěn)定運(yùn)行，是高速公路安全暢通的重要保障[1]?，F(xiàn)實(shí)中對于高速公路的管理，常將重心放到高速公路項(xiàng)目建設(shè)以及高速通行費(fèi)管理方面，缺乏完整、高效的高速公路機(jī)電設(shè)備監(jiān)測體系[2]。因此，該文結(jié)合模擬綜合評價(jià)理論，提出了一種科學(xué)的方法，用于科學(xué)評估機(jī)電設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)，并準(zhǔn)確預(yù)測其使用壽命。

1 高速公路機(jī)電設(shè)備監(jiān)測狀態(tài)

1.1 高速公路機(jī)電設(shè)備監(jiān)測參數(shù)

建設(shè)高速公路工程項(xiàng)目，其中一部分資金主要用于購置安裝配套的機(jī)電設(shè)備，此類設(shè)備用于道路沿線照明、信息廣播傳遞、封閉環(huán)境的通風(fēng)以及交通誘導(dǎo)等。設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)正常與否，事關(guān)高速公路的安全運(yùn)行。高速公路機(jī)電設(shè)備的應(yīng)用環(huán)境比較惡劣，經(jīng)常受到腐蝕、磨損及沖壓等傷害，導(dǎo)致設(shè)備嚴(yán)重受損，無法正常運(yùn)轉(zhuǎn)，一方面造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失，另一方面會嚴(yán)重危及高速公路行車安全，引發(fā)交通事故。所以，必須采用有效方法實(shí)時(shí)監(jiān)測機(jī)電設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)。將監(jiān)測系統(tǒng)安裝于高速公路照明設(shè)備、配電柜以及電源線等關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)設(shè)備，收集高速公路的運(yùn)行數(shù)據(jù)，從而完成實(shí)時(shí)監(jiān)測[3]。

依據(jù)當(dāng)前實(shí)行的高速公路養(yǎng)護(hù)技術(shù)文件要求，需要實(shí)時(shí)收集的機(jī)電設(shè)備監(jiān)測數(shù)據(jù)主要有電壓、振動(dòng)以及溫度等。運(yùn)用多路復(fù)用技術(shù)處理分析收集到的監(jiān)測數(shù)據(jù)，其中包含頻分復(fù)用與時(shí)分復(fù)用兩種方法，前一種方法主要運(yùn)用頻率，后一種方法運(yùn)用時(shí)間。

1.2 高速公路機(jī)電設(shè)備監(jiān)測系統(tǒng)

公路工程機(jī)電設(shè)備監(jiān)測系統(tǒng)，主要利用FPGA嵌入設(shè)施、采樣控制電路等軟硬件系統(tǒng)組成，其主要內(nèi)容分述如下：

（1）硬件系統(tǒng)中包含傳感器、模數(shù)轉(zhuǎn)換器、總線接口，這三大模塊。傳感器用于收集運(yùn)行數(shù)據(jù)、模數(shù)轉(zhuǎn)換器主要功能是為便于信息識別[4]。系統(tǒng)總線接口的主要功能是將設(shè)備數(shù)據(jù)信息傳遞到FPGA主控模塊，由此實(shí)現(xiàn)監(jiān)測系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行，且獲得更大的使用效果。

（2）軟件系統(tǒng)通過嵌入式處理器NIOS實(shí)現(xiàn)操作，運(yùn)用該設(shè)備可對機(jī)電設(shè)備的運(yùn)行數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理，并與數(shù)據(jù)通信接口建立聯(lián)系。其運(yùn)行過程是先復(fù)位并初始化FPGA電路，之后快速收集機(jī)電設(shè)備的振動(dòng)、電壓及溫濕度等數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)收集結(jié)束后，借助預(yù)處理模塊快速準(zhǔn)確識別相關(guān)數(shù)據(jù)信息，在規(guī)定時(shí)間內(nèi)收集并打包設(shè)備運(yùn)行數(shù)據(jù)，之后向外傳送。

（3）FPGA嵌入式系統(tǒng)構(gòu)建有兩方面功能，其一是創(chuàng)建系統(tǒng)開發(fā)環(huán)境，其二是將監(jiān)測系統(tǒng)的bootloader、yaffs模塊植入其中。

（4）采樣控制電路主要包含F(xiàn)IFO存儲器、I2C通信協(xié)議傳輸和時(shí)分復(fù)用模塊，是基于FPGA開發(fā)硬件系統(tǒng)，對系統(tǒng)相關(guān)模塊進(jìn)行有效控制。

（5）收集到的機(jī)電設(shè)備運(yùn)行數(shù)據(jù)在FIFO存儲器模塊中保存[5]，如表1所示，為各個(gè)端口的功能。如圖1所示，為FIFO存儲器的測試結(jié)果，從圖1中可以看出，采樣系統(tǒng)中電路的設(shè)計(jì)達(dá)到了預(yù)想的目的。開發(fā)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)時(shí)，由于時(shí)鐘的頻率較高，會導(dǎo)致芯片發(fā)生延遲，從而損害到電路系統(tǒng)。所以，應(yīng)合理控制時(shí)鐘頻率，不能超過5OMHz。收集到的設(shè)備運(yùn)行數(shù)據(jù)，借助于I2C通信協(xié)議實(shí)現(xiàn)有效傳輸，這期間應(yīng)將其與FPGA系統(tǒng)板寄存器等硬件系統(tǒng)模塊相連接。當(dāng)運(yùn)用時(shí)分復(fù)用模塊讀取收集到的高速公路機(jī)電設(shè)備運(yùn)行數(shù)據(jù)時(shí)，其先后順序?yàn)閐atain-a、datain-b和datain-c，數(shù)據(jù)與dataout合并后，再傳輸出去。通過分析其測試結(jié)果可知，各項(xiàng)數(shù)據(jù)已實(shí)現(xiàn)充分融合。

通過現(xiàn)場對某高速公路機(jī)電設(shè)備進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測，從而驗(yàn)證其監(jiān)測系統(tǒng)的有效性?，F(xiàn)場監(jiān)測主要是監(jiān)測機(jī)電設(shè)備的配電箱、照明設(shè)備，并借助各種傳感器實(shí)時(shí)監(jiān)測高速公路機(jī)電設(shè)備的溫濕度、振動(dòng)頻率等數(shù)據(jù)。如表2所示，為機(jī)電設(shè)備的實(shí)時(shí)監(jiān)測數(shù)據(jù)，開展監(jiān)測工作時(shí)，由于為陰天天氣，因此監(jiān)測到的機(jī)電設(shè)備有較高濕度；高速公路上的車輛行駛過程中，會引發(fā)控制箱共振，因此有時(shí)間段的振動(dòng)頻率會出現(xiàn)較大波動(dòng)。通過分析機(jī)電設(shè)備的監(jiān)測數(shù)據(jù)可知，所構(gòu)建的機(jī)電設(shè)備監(jiān)測系統(tǒng)能實(shí)時(shí)監(jiān)測機(jī)電設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)[6]。

2 高速公路機(jī)電設(shè)備使用壽命預(yù)測

2.1 機(jī)電設(shè)備使用壽命的確定

高速公路上的機(jī)電設(shè)備經(jīng)過多年的運(yùn)行，不可避免地會產(chǎn)生性能劣化現(xiàn)象，利用采集到的設(shè)備監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)，對其運(yùn)行壽命進(jìn)行科學(xué)的預(yù)測，并對保證機(jī)械、電氣設(shè)備的正常工作和安全運(yùn)轉(zhuǎn)具有重要意義。機(jī)械設(shè)備壽命主要是經(jīng)濟(jì)、物理、老化這三個(gè)方面的有效期間。

經(jīng)濟(jì)壽命是指設(shè)備在運(yùn)行過程中，其使用經(jīng)濟(jì)性處于增效期。經(jīng)濟(jì)壽命是決定設(shè)備更新周期的重要標(biāo)準(zhǔn)，在經(jīng)濟(jì)使用年限下，對高速公路的安全運(yùn)行具有重要意義，并為人們的出行提供極大方便[7]。當(dāng)機(jī)電設(shè)備多年連續(xù)運(yùn)行后，其運(yùn)營成本不斷攀升，最終超出機(jī)電設(shè)備的自身價(jià)值，此時(shí)需要考慮更換設(shè)備。年平均使用成本法是評價(jià)設(shè)備經(jīng)濟(jì)壽命的主要方法，其公式如式（1）。

UAC=[C?Sn（1+i）?n+∑Cn（1+i）?n]÷[P/（A，i，n）] （1）

式中，C——固定資產(chǎn)；Sn——設(shè)備第n年的剩余價(jià)值；Cn——設(shè)備運(yùn)行n年后正常運(yùn)行所需的費(fèi)用；n——設(shè)備的預(yù)期使用壽命；i——折現(xiàn)率；UAC——年均成本；P/（A，i，n）——普通年金現(xiàn)值系數(shù)。

全面掌握機(jī)電設(shè)備的成本構(gòu)成，對于準(zhǔn)確、高效地預(yù)測機(jī)電設(shè)備的經(jīng)濟(jì)壽命至關(guān)重要。通常情況下，機(jī)電設(shè)備的總成本由設(shè)備成本、運(yùn)行成本兩部分構(gòu)成，前者主要有設(shè)備購買費(fèi)用、能耗、維修費(fèi)以及更換配件費(fèi)用等，后者主要包含設(shè)備管理工作人員的工資、獎(jiǎng)金及福利費(fèi)用。

高速公路機(jī)電設(shè)備的物理壽命是指機(jī)電設(shè)備正式運(yùn)行后到設(shè)備報(bào)廢的時(shí)間總長。機(jī)電設(shè)備的運(yùn)行環(huán)境因素會影響機(jī)電設(shè)備的物理壽命，及時(shí)維修及修復(fù)設(shè)備，能有效延長其物理壽命?，F(xiàn)階段，設(shè)備廠家憑借自身經(jīng)驗(yàn)及積累的設(shè)備數(shù)據(jù)，可向用戶提供具體方法，用于評估設(shè)備的物理壽命。此外，用戶還可采用Delphi Method方法實(shí)施預(yù)測，完成機(jī)電設(shè)備物理壽命的階段性評估，該預(yù)測方法主要依賴于設(shè)備運(yùn)維人員以及管理人員的豐富經(jīng)驗(yàn)。

機(jī)電設(shè)備正式投入運(yùn)行，多年后需要通過折舊的方式回收其原始價(jià)值，此時(shí)就是其折舊壽命。設(shè)備被劃歸為運(yùn)營單位的固定資產(chǎn)，使用當(dāng)中必然有折舊，機(jī)電設(shè)備的法定折舊年限一般在13～15年，計(jì)算設(shè)備折舊的方法主要有直線折舊法、平均年齡法以及工作量計(jì)算等方法。使用壽命、折舊率及計(jì)算方法等，各種因素都會影響到機(jī)電設(shè)備的折舊壽命。通過分析預(yù)測機(jī)電設(shè)備的相關(guān)性能指標(biāo)，從而對其使用壽命做出預(yù)測，這需要綜合考慮多方面的因素，例如設(shè)備性能、設(shè)備磨損導(dǎo)致的經(jīng)濟(jì)損失，以及國家出臺的能耗政策等[8]。

2.2 機(jī)電設(shè)備使用壽命預(yù)測實(shí)例分析

預(yù)測機(jī)電設(shè)備的使用壽命主要采用兩種方法，其一是分析設(shè)備的物理故障，其二是通過設(shè)備數(shù)據(jù)信息進(jìn)行驅(qū)動(dòng)。為確保高速公路穩(wěn)定安全運(yùn)行，需要配置大量的機(jī)電設(shè)備，有些設(shè)備體積巨大，這就導(dǎo)致很難確定其物理故障原因，針對這一問題，提出了一種基于數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的設(shè)備壽命預(yù)測方法，該方法利用故障數(shù)據(jù)、劣化數(shù)據(jù)來進(jìn)行預(yù)測。采用老化數(shù)據(jù)進(jìn)行設(shè)備服役壽命預(yù)測，是通過對設(shè)備性能、運(yùn)行費(fèi)用和運(yùn)行周期等方面的監(jiān)控，來獲取設(shè)備的老化狀態(tài)數(shù)據(jù)。式（2）為設(shè)備T的物理壽命、經(jīng)濟(jì)壽命的計(jì)算公式。

T=αtp+βte （2）

式中，tp——設(shè)備物理壽命；α——物理壽命所占的權(quán)重；te——設(shè)備經(jīng)濟(jì)壽命；β——經(jīng)濟(jì)壽命所占的權(quán)重。根據(jù)帕累托原則設(shè)定α和β的值，即分別為20、80。

預(yù)測機(jī)電設(shè)備的使用狀態(tài)及使用壽命，需要繁雜的計(jì)算過程，因此該文預(yù)測設(shè)備使用壽命，運(yùn)用的是模糊綜合評價(jià)方法，其步驟：第一步，確立模糊規(guī)則；第二步，向設(shè)備監(jiān)測系統(tǒng)錄入各種變量；第三步，確立養(yǎng)護(hù)設(shè)備所用的具體方法。開展機(jī)電設(shè)備的使用壽命預(yù)測，需要將設(shè)備維保成本、使用年限、運(yùn)行環(huán)境、故障率及維修方法錄入系統(tǒng)，如表3所示，為高速公路機(jī)電設(shè)備故障率的控制指標(biāo)。

設(shè)備技術(shù)專家及維修人員根據(jù)所擁有的豐富經(jīng)驗(yàn)，設(shè)立模糊預(yù)測方法模擬高速公路機(jī)電設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)及改造條件，主要采用PYTHON模糊計(jì)算工具，其中所需的數(shù)據(jù)主要為實(shí)時(shí)監(jiān)測照明設(shè)備所收集到的數(shù)據(jù)。例如，結(jié)合設(shè)備的具體運(yùn)行狀況，將敏感性參數(shù)分別錄入預(yù)測系統(tǒng)中，顯示其故障率為0.18，且運(yùn)維成本要占到設(shè)備自身價(jià)值的一半，由此證明該機(jī)電設(shè)備的維修難度較高，設(shè)備較為重要，其運(yùn)行環(huán)境條件復(fù)雜。系統(tǒng)最終的輸出結(jié)果顯示“養(yǎng)護(hù)維修方式=0.86”時(shí)，這就意味著照明設(shè)備已不具備維修價(jià)值，應(yīng)更換使用新設(shè)備，該預(yù)測結(jié)果符合高速公路照明設(shè)備的使用現(xiàn)狀。

3 結(jié)論

綜上所述，機(jī)電設(shè)備屬于高速公路系統(tǒng)的重要構(gòu)成，關(guān)系到高速公路的安全高效運(yùn)行。當(dāng)前無法實(shí)時(shí)監(jiān)測機(jī)電設(shè)備，且不能準(zhǔn)確預(yù)測其壽命，缺少足夠的數(shù)據(jù)用于評估設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)。鑒于此，該文提出了具體的參數(shù)采集方法，用于實(shí)時(shí)監(jiān)測高速公路機(jī)電設(shè)備的溫濕度、振動(dòng)頻率等數(shù)據(jù)，從而判斷其運(yùn)行狀態(tài)，并結(jié)合配電控制箱及照明設(shè)備驗(yàn)證參數(shù)，證明此方法成效顯著。輸入的變量主要有設(shè)備單價(jià)及維保費(fèi)用、使用年限及故障率等，由此確定的養(yǎng)護(hù)類型有四類，分別是保養(yǎng)小修、中修、大修改造和報(bào)廢更新，采用照明設(shè)備實(shí)例驗(yàn)證此方法的有效性，證明能準(zhǔn)確預(yù)測高速公路照明設(shè)備的使用壽命，具有良好的推廣應(yīng)用價(jià)值。

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