探討高速公路機電設備運行監測及使用壽命預測

張征

摘要 近年來，我國高速公路總里程不斷增加，但部分路段的機電設備存在實時監測方法缺失、使用壽命預測依據不足的問題?；诖?，文章提出了具體的數據采集方法，用于實時監測機電設備的運行狀態，通過試驗分析，發現具有良好的應用效果。此外，通過運用模擬分析理論，提出了一種科學的方法，能準確預測高速公路機電設備的使用壽命，旨在為該領域的研究提供參考。

關鍵詞 機電設備；壽命預測；運行狀態；模糊理論；高速公路

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

0 引言

高速公路機電設備結構復雜，常應用于惡劣復雜的環境中。機電設備的正常穩定運行，是高速公路安全暢通的重要保障[1]?，F實中對于高速公路的管理，常將重心放到高速公路項目建設以及高速通行費管理方面，缺乏完整、高效的高速公路機電設備監測體系[2]。因此，該文結合模擬綜合評價理論，提出了一種科學的方法，用于科學評估機電設備運行狀態，并準確預測其使用壽命。

1 高速公路機電設備監測狀態

1.1 高速公路機電設備監測參數

建設高速公路工程項目，其中一部分資金主要用于購置安裝配套的機電設備，此類設備用于道路沿線照明、信息廣播傳遞、封閉環境的通風以及交通誘導等。設備運轉正常與否，事關高速公路的安全運行。高速公路機電設備的應用環境比較惡劣，經常受到腐蝕、磨損及沖壓等傷害，導致設備嚴重受損，無法正常運轉，一方面造成巨大的經濟損失，另一方面會嚴重危及高速公路行車安全，引發交通事故。所以，必須采用有效方法實時監測機電設備的運行狀態。將監測系統安裝于高速公路照明設備、配電柜以及電源線等關鍵節點設備，收集高速公路的運行數據，從而完成實時監測[3]。

依據當前實行的高速公路養護技術文件要求，需要實時收集的機電設備監測數據主要有電壓、振動以及溫度等。運用多路復用技術處理分析收集到的監測數據，其中包含頻分復用與時分復用兩種方法，前一種方法主要運用頻率，后一種方法運用時間。

1.2 高速公路機電設備監測系統

公路工程機電設備監測系統，主要利用FPGA嵌入設施、采樣控制電路等軟硬件系統組成，其主要內容分述如下：

（1）硬件系統中包含傳感器、模數轉換器、總線接口，這三大模塊。傳感器用于收集運行數據、模數轉換器主要功能是為便于信息識別[4]。系統總線接口的主要功能是將設備數據信息傳遞到FPGA主控模塊，由此實現監測系統的穩定運行，且獲得更大的使用效果。

（2）軟件系統通過嵌入式處理器NIOS實現操作，運用該設備可對機電設備的運行數據進行預處理，并與數據通信接口建立聯系。其運行過程是先復位并初始化FPGA電路，之后快速收集機電設備的振動、電壓及溫濕度等數據，數據收集結束后，借助預處理模塊快速準確識別相關數據信息，在規定時間內收集并打包設備運行數據，之后向外傳送。

（3）FPGA嵌入式系統構建有兩方面功能，其一是創建系統開發環境，其二是將監測系統的bootloader、yaffs模塊植入其中。

（4）采樣控制電路主要包含FIFO存儲器、I2C通信協議傳輸和時分復用模塊，是基于FPGA開發硬件系統，對系統相關模塊進行有效控制。

（5）收集到的機電設備運行數據在FIFO存儲器模塊中保存[5]，如表1所示，為各個端口的功能。如圖1所示，為FIFO存儲器的測試結果，從圖1中可以看出，采樣系統中電路的設計達到了預想的目的。開發數據采集系統時，由于時鐘的頻率較高，會導致芯片發生延遲，從而損害到電路系統。所以，應合理控制時鐘頻率，不能超過5OMHz。收集到的設備運行數據，借助于I2C通信協議實現有效傳輸，這期間應將其與FPGA系統板寄存器等硬件系統模塊相連接。當運用時分復用模塊讀取收集到的高速公路機電設備運行數據時，其先后順序為datain-a、datain-b和datain-c，數據與dataout合并后，再傳輸出去。通過分析其測試結果可知，各項數據已實現充分融合。

通過現場對某高速公路機電設備進行實時監測，從而驗證其監測系統的有效性?，F場監測主要是監測機電設備的配電箱、照明設備，并借助各種傳感器實時監測高速公路機電設備的溫濕度、振動頻率等數據。如表2所示，為機電設備的實時監測數據，開展監測工作時，由于為陰天天氣，因此監測到的機電設備有較高濕度；高速公路上的車輛行駛過程中，會引發控制箱共振，因此有時間段的振動頻率會出現較大波動。通過分析機電設備的監測數據可知，所構建的機電設備監測系統能實時監測機電設備的運行狀態[6]。

2 高速公路機電設備使用壽命預測

2.1 機電設備使用壽命的確定

高速公路上的機電設備經過多年的運行，不可避免地會產生性能劣化現象，利用采集到的設備監控數據，對其運行壽命進行科學的預測，并對保證機械、電氣設備的正常工作和安全運轉具有重要意義。機械設備壽命主要是經濟、物理、老化這三個方面的有效期間。

經濟壽命是指設備在運行過程中，其使用經濟性處于增效期。經濟壽命是決定設備更新周期的重要標準，在經濟使用年限下，對高速公路的安全運行具有重要意義，并為人們的出行提供極大方便[7]。當機電設備多年連續運行后，其運營成本不斷攀升，最終超出機電設備的自身價值，此時需要考慮更換設備。年平均使用成本法是評價設備經濟壽命的主要方法，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；Sn——設備第n年的剩余價值；Cn——設備運行n年后正常運行所需的費用；n——設備的預期使用壽命；i——折現率；UAC——年均成本；P/（A，i，n）——普通年金現值系數。

全面掌握機電設備的成本構成，對于準確、高效地預測機電設備的經濟壽命至關重要。通常情況下，機電設備的總成本由設備成本、運行成本兩部分構成，前者主要有設備購買費用、能耗、維修費以及更換配件費用等，后者主要包含設備管理工作人員的工資、獎金及福利費用。

高速公路機電設備的物理壽命是指機電設備正式運行后到設備報廢的時間總長。機電設備的運行環境因素會影響機電設備的物理壽命，及時維修及修復設備，能有效延長其物理壽命?，F階段，設備廠家憑借自身經驗及積累的設備數據，可向用戶提供具體方法，用于評估設備的物理壽命。此外，用戶還可采用Delphi Method方法實施預測，完成機電設備物理壽命的階段性評估，該預測方法主要依賴于設備運維人員以及管理人員的豐富經驗。

機電設備正式投入運行，多年后需要通過折舊的方式回收其原始價值，此時就是其折舊壽命。設備被劃歸為運營單位的固定資產，使用當中必然有折舊，機電設備的法定折舊年限一般在13～15年，計算設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算等方法。使用壽命、折舊率及計算方法等，各種因素都會影響到機電設備的折舊壽命。通過分析預測機電設備的相關性能指標，從而對其使用壽命做出預測，這需要綜合考慮多方面的因素，例如設備性能、設備磨損導致的經濟損失，以及國家出臺的能耗政策等[8]。

2.2 機電設備使用壽命預測實例分析

預測機電設備的使用壽命主要采用兩種方法，其一是分析設備的物理故障，其二是通過設備數據信息進行驅動。為確保高速公路穩定安全運行，需要配置大量的機電設備，有些設備體積巨大，這就導致很難確定其物理故障原因，針對這一問題，提出了一種基于數據驅動的設備壽命預測方法，該方法利用故障數據、劣化數據來進行預測。采用老化數據進行設備服役壽命預測，是通過對設備性能、運行費用和運行周期等方面的監控，來獲取設備的老化狀態數據。式（2）為設備T的物理壽命、經濟壽命的計算公式。

T=αtp+βte （2）

式中，tp——設備物理壽命；α——物理壽命所占的權重；te——設備經濟壽命；β——經濟壽命所占的權重。根據帕累托原則設定α和β的值，即分別為20、80。

預測機電設備的使用狀態及使用壽命，需要繁雜的計算過程，因此該文預測設備使用壽命，運用的是模糊綜合評價方法，其步驟：第一步，確立模糊規則；第二步，向設備監測系統錄入各種變量；第三步，確立養護設備所用的具體方法。開展機電設備的使用壽命預測，需要將設備維保成本、使用年限、運行環境、故障率及維修方法錄入系統，如表3所示，為高速公路機電設備故障率的控制指標。

設備技術專家及維修人員根據所擁有的豐富經驗，設立模糊預測方法模擬高速公路機電設備的運行狀態及改造條件，主要采用PYTHON模糊計算工具，其中所需的數據主要為實時監測照明設備所收集到的數據。例如，結合設備的具體運行狀況，將敏感性參數分別錄入預測系統中，顯示其故障率為0.18，且運維成本要占到設備自身價值的一半，由此證明該機電設備的維修難度較高，設備較為重要，其運行環境條件復雜。系統最終的輸出結果顯示“養護維修方式=0.86”時，這就意味著照明設備已不具備維修價值，應更換使用新設備，該預測結果符合高速公路照明設備的使用現狀。

3 結論

綜上所述，機電設備屬于高速公路系統的重要構成，關系到高速公路的安全高效運行。當前無法實時監測機電設備，且不能準確預測其壽命，缺少足夠的數據用于評估設備運行狀態。鑒于此，該文提出了具體的參數采集方法，用于實時監測高速公路機電設備的溫濕度、振動頻率等數據，從而判斷其運行狀態，并結合配電控制箱及照明設備驗證參數，證明此方法成效顯著。輸入的變量主要有設備單價及維保費用、使用年限及故障率等，由此確定的養護類型有四類，分別是保養小修、中修、大修改造和報廢更新，采用照明設備實例驗證此方法的有效性，證明能準確預測高速公路照明設備的使用壽命，具有良好的推廣應用價值。

參考文獻

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