高速公路機(jī)電設(shè)備故障預(yù)測與智慧管理動態(tài)研究

本文綜合分析了機(jī)電設(shè)備在故障分析與預(yù)測、運(yùn)行狀態(tài)評估、使用壽命預(yù)測等方面的國內(nèi)外研究現(xiàn)狀，以目前已有的研究結(jié)果為基礎(chǔ)，深入闡述了相關(guān)研究結(jié)果中機(jī)電設(shè)備日常管養(yǎng)工作的優(yōu)勢與不足，并根據(jù)目前存在的問題，提出高速公路機(jī)電設(shè)施智慧維養(yǎng)技術(shù)新的發(fā)展方向，為機(jī)電設(shè)備的預(yù)測和健康管理技術(shù)的進(jìn)一步研究提供了參考和依據(jù)。

1、機(jī)電設(shè)備PHM技術(shù)研究現(xiàn)狀1.1機(jī)電設(shè)備故障分析與預(yù)測研究現(xiàn)狀隨著電子技術(shù)的不斷發(fā)展，高速公路機(jī)電設(shè)施類別、數(shù)量以及復(fù)雜程度不斷增加，其機(jī)電設(shè)備故障的頻率及類型也呈現(xiàn)多樣性，傳統(tǒng)的高速公路機(jī)電設(shè)備維養(yǎng)管理技術(shù)已難以滿足日?；蚨ㄆ陴B(yǎng)護(hù)的需求，預(yù)防性維護(hù)或維修成為目前高速公路機(jī)電設(shè)備維養(yǎng)管理的主要方向，因此對機(jī)電設(shè)備的故障進(jìn)行分析與預(yù)測也成了機(jī)電設(shè)備故障預(yù)測與健康管理（PrognosticsHealthManagement,PHM）技術(shù)的核心內(nèi)容。目前在機(jī)電設(shè)備的故障分析和預(yù)測方面已經(jīng)取得了較好進(jìn)展，且建立了許多具有參考意義的故障數(shù)據(jù)倉與故障分類規(guī)則?！延醒芯堪l(fā)現(xiàn)，目前機(jī)電設(shè)備的故障分析與預(yù)測主要運(yùn)用機(jī)電設(shè)備的歷史管養(yǎng)數(shù)據(jù)對故障的演化情況進(jìn)行分析和預(yù)測，并建立相應(yīng)的數(shù)據(jù)庫或預(yù)測模型，但是研究內(nèi)容相對集中于運(yùn)用故障數(shù)據(jù)來進(jìn)行預(yù)防性的研究，而缺乏對設(shè)備故障源頭及設(shè)備退化規(guī)律的研究。研究流程及存在的具體問題如圖1所示。圖1研究內(nèi)容及缺陷1.2機(jī)電設(shè)備在役狀態(tài)評估研究現(xiàn)狀在實際的公路運(yùn)營管理過程中，要掌握機(jī)電設(shè)備的健康動態(tài)，機(jī)電設(shè)備的狀態(tài)評估是必要環(huán)節(jié)。（1）基于數(shù)據(jù)的狀態(tài)評估技術(shù)基于數(shù)據(jù)的狀態(tài)評估方法是指在無先前經(jīng)驗的情況下采集數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理，然后基于數(shù)據(jù)模型展開狀態(tài)評估。例如，楊金銓開發(fā)了機(jī)電設(shè)施智能化養(yǎng)護(hù)檢測系統(tǒng)平臺，并通過數(shù)據(jù)的監(jiān)測和處理，制定合理的機(jī)電設(shè)施養(yǎng)護(hù)方法。Catelani利用機(jī)電設(shè)備現(xiàn)場數(shù)據(jù)并分析其關(guān)鍵指標(biāo)因素，在完成經(jīng)濟(jì)分析的前提下實現(xiàn)了對收費系統(tǒng)的評價。崔黎明提出了基于模糊分布和模糊統(tǒng)計實驗法的評價指標(biāo)隸屬函數(shù)確定方法，并以試驗數(shù)據(jù)進(jìn)行了驗證。鄧炳杰通過關(guān)鍵特征指標(biāo)對各部件進(jìn)行評價，并根據(jù)機(jī)電設(shè)備各關(guān)鍵部件的剩余使用壽命分別對不同部件運(yùn)行狀況進(jìn)行評價，綜合各關(guān)鍵指標(biāo)及剩余使用壽命評價結(jié)果，采用模糊綜合評價的方法對機(jī)電設(shè)施的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行綜合評估。（2）基于模型的狀態(tài)評估方法基于模型的狀態(tài)評估方法是通過提取影響機(jī)電設(shè)備的關(guān)鍵指標(biāo)，建立相應(yīng)的機(jī)電設(shè)施評估模型進(jìn)行評估?！傮w來說，雖然目前機(jī)電設(shè)備的在役狀態(tài)評估已經(jīng)有一定進(jìn)展，但是仍存在缺陷，基于數(shù)據(jù)評估與基于模型評估，都需要大量實際數(shù)據(jù)作為支撐，然后對當(dāng)前設(shè)備狀態(tài)作出評價，這就導(dǎo)致實時獲取機(jī)電設(shè)備的健康狀態(tài)困難。而且這類方法的評估結(jié)果只能對機(jī)電設(shè)備進(jìn)行定性的評價，而無法提出能夠表征其運(yùn)行狀態(tài)的特征參數(shù)，其評價結(jié)果仍不能精確描述機(jī)電設(shè)備的健康狀態(tài)，其性能是否能夠滿足公路運(yùn)營的基本要求也難以考證。1.3使用壽命預(yù)測研究現(xiàn)狀機(jī)電設(shè)備的剩余壽命預(yù)測也是機(jī)電設(shè)備PHM技術(shù)的核心內(nèi)容之一，由于機(jī)電設(shè)備的工作環(huán)境各不相同，會導(dǎo)致機(jī)電設(shè)備的使用壽命長短存在差異。同時機(jī)電設(shè)備的養(yǎng)護(hù)手段、養(yǎng)護(hù)頻率等也都會直接影響機(jī)電設(shè)備的使用壽命，因此對機(jī)電設(shè)備進(jìn)行使用壽命預(yù)測能夠為我們提供合理的換修依據(jù)，目前，針對機(jī)電設(shè)備壽命預(yù)測的方法主要集中在三個方面。（1）基于預(yù)測模型的壽命預(yù)測方法現(xiàn)階段，相關(guān)專家學(xué)者主要是以日常的維養(yǎng)數(shù)據(jù)、監(jiān)測數(shù)據(jù)及設(shè)備的故障數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，采用數(shù)學(xué)或智能模型來對機(jī)電設(shè)施進(jìn)行壽命預(yù)測。饒永波根據(jù)機(jī)電設(shè)施維養(yǎng)及故障數(shù)據(jù)構(gòu)建預(yù)測模型，并通過預(yù)測使用年限制定了科學(xué)合理的機(jī)電設(shè)備報廢方案；于泉等結(jié)合馬爾科夫理論，研究分析高速公路機(jī)電設(shè)備的故障概率，提出了高速公路機(jī)電設(shè)備使用壽命預(yù)測模型。（2）基于數(shù)據(jù)分析的壽命預(yù)測方法相關(guān)學(xué)者通過對數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計和理論分析來對其使用壽命進(jìn)行預(yù)測。周曉旭等以高速公路機(jī)電設(shè)備維養(yǎng)數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，利用統(tǒng)計學(xué)方法和可靠性理論實現(xiàn)了機(jī)電設(shè)備使用壽命評估；張乃斌等結(jié)合機(jī)電設(shè)備養(yǎng)護(hù)數(shù)據(jù)和監(jiān)測數(shù)據(jù)，采用威布爾分布對機(jī)電設(shè)備的使用壽命進(jìn)行分析研究。（3）基于數(shù)據(jù)融合的壽命預(yù)測方法由于機(jī)電系統(tǒng)各部件的退化情況不同，所以有學(xué)者提出基于數(shù)據(jù)融合的使用壽命預(yù)測方法。牛一凡等利用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)理論中的自編碼器對設(shè)備退化參數(shù)進(jìn)行了融合，然后利用CUSUM算法提取出設(shè)備退化過程中的分段點，構(gòu)建了多階段維納退化模型；谷夢瑤根據(jù)機(jī)電設(shè)備不同構(gòu)件的退化機(jī)理，分析機(jī)電設(shè)備壽命預(yù)測中不同階段融合預(yù)測的結(jié)果，其方法能夠有效地對機(jī)電設(shè)施的使用壽命進(jìn)行預(yù)測。雖然目前對機(jī)電設(shè)備的使用壽命預(yù)測已經(jīng)取得了一定進(jìn)展。但是這些研究方法仍然無法提取出能夠有效表現(xiàn)出機(jī)電設(shè)備退化狀態(tài)的特征參數(shù)，同時在進(jìn)行設(shè)備壽命預(yù)測時的指標(biāo)選取也缺乏可靠性。因此，目前已有的研究方法在預(yù)測機(jī)電設(shè)備使用壽命的準(zhǔn)確性還達(dá)不到客觀的要求。2、機(jī)電設(shè)備PHM面臨問題（1）機(jī)電設(shè)備的退化及損耗性規(guī)律不明確機(jī)電設(shè)備的健康損耗性規(guī)律是對其進(jìn)行故障分析、壽命預(yù)測及健康管理的基礎(chǔ)，機(jī)電設(shè)備種類繁多，且運(yùn)行環(huán)境、運(yùn)行應(yīng)力及退化狀況也不相同，目前在公路行業(yè)，仍是利用日常養(yǎng)護(hù)數(shù)據(jù)、維護(hù)維修數(shù)據(jù)以及功能測試數(shù)據(jù)，對機(jī)電設(shè)備進(jìn)行故障分析和預(yù)測工作，且采用模型或數(shù)據(jù)分析得到的預(yù)測結(jié)果仍不精準(zhǔn)。也缺乏對機(jī)電設(shè)備退化機(jī)理的研究，由于機(jī)電設(shè)備可使用年限一般較長，所以難以通過實驗手段獲取機(jī)電設(shè)備全壽命周期的退化數(shù)據(jù)，同時機(jī)電設(shè)備任意時刻的健康情況仍然無法定量地準(zhǔn)確判斷，所以其健康損耗性規(guī)律就更難以獲得，這也是機(jī)電設(shè)備PHM技術(shù)面臨的巨大挑戰(zhàn)。（2）機(jī)電設(shè)備的服役狀態(tài)難以表征高速公路機(jī)電工程是一個系統(tǒng)工程，其中包含照明、通風(fēng)、供配電、監(jiān)控、通信、消防六大系統(tǒng)。由于系統(tǒng)中設(shè)備退化的狀態(tài)難以直接觀測，導(dǎo)致無法觀測外在征兆來刻畫其從正常到故障的衰退過程。而目前仍只能通過設(shè)立健康等級進(jìn)行定性判斷，即機(jī)電設(shè)備的健康狀態(tài)仍難以表征，這也是機(jī)電設(shè)備PHM技術(shù)的一個關(guān)鍵難點。（3）機(jī)電設(shè)備PHM技術(shù)缺少特征參數(shù)當(dāng)前機(jī)電設(shè)備的構(gòu)造變得越來越復(fù)雜，即使能夠?qū)ζ錉顟B(tài)進(jìn)行定性判斷，并實現(xiàn)故障和壽命預(yù)測，但研究結(jié)果仍然缺乏準(zhǔn)確度與可靠性，其原因就是缺少相應(yīng)的特征參數(shù)對其進(jìn)行刻畫，缺少表征其退化狀態(tài)及運(yùn)行狀態(tài)的特征參數(shù)。這些特征參數(shù)是提高PHM技術(shù)精確度的重要因素。（4）機(jī)電設(shè)備的故障突發(fā)機(jī)電設(shè)備的元件眾多，結(jié)構(gòu)復(fù)雜度各不相同，而原件在設(shè)計和加工過程中存在一定的設(shè)計和質(zhì)量缺陷，加之在不同的環(huán)境和應(yīng)力的作用下，機(jī)電設(shè)備會發(fā)生不同程度的退化和損傷，所以機(jī)電設(shè)備的故障發(fā)生就具有不確定性，這也給機(jī)電設(shè)備從健康狀態(tài)到逐漸損耗的退化過程增加了隨機(jī)性。因此，必須掌握機(jī)電設(shè)備的故障成因。針對機(jī)電設(shè)備的退化及損耗性規(guī)律不明確、機(jī)電設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)難以表征的問題，需要尋找出能夠反映其退化狀態(tài)與規(guī)律的特征，并以該特征作為研究基礎(chǔ)，研究分析機(jī)電設(shè)備健康損耗性規(guī)律和運(yùn)行狀態(tài)的表征技術(shù)。針對機(jī)電設(shè)備PHM技術(shù)缺少特征參數(shù)的問題，可以利用部分原件的電信號特征參數(shù)來進(jìn)行研究，或結(jié)合機(jī)電設(shè)備完整的退化周期機(jī)理提取出可利用的特征參數(shù)。針對機(jī)電設(shè)備的故障發(fā)生具有不確定性的問題，一方面要提高機(jī)電設(shè)備的穩(wěn)定性，減少在設(shè)計和制造方面的缺陷，另一方面可以通過機(jī)電設(shè)備的狀態(tài)信息、環(huán)境因素以及工作應(yīng)力等信息，綜合分析高速公路機(jī)電設(shè)備的故障原因。3、機(jī)電設(shè)備PHM研究發(fā)展方向（1）在故障分析和預(yù)測方面的發(fā)展方向目前對機(jī)電設(shè)施的故障分析及預(yù)測，主要通過統(tǒng)計學(xué)方法、人工智能算法對故障頻發(fā)的機(jī)電設(shè)備進(jìn)行研究分析，以機(jī)電設(shè)備基礎(chǔ)數(shù)據(jù)、檢查數(shù)據(jù)及監(jiān)測數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，根據(jù)機(jī)電設(shè)備的故障狀況，分析機(jī)電設(shè)備的故障規(guī)律。機(jī)電設(shè)備工作環(huán)境與工作應(yīng)力差異會導(dǎo)致其退化規(guī)律與故障類型差異，目前研究主要針對機(jī)電設(shè)施出現(xiàn)故障后的研究分析，缺少機(jī)電設(shè)施故障的成因及故障維修后的結(jié)果分析，從而導(dǎo)致二次故障的成因不明，也難以維修后設(shè)備的健康狀態(tài)進(jìn)行判別。目前的故障預(yù)測手段仍利用設(shè)備的故障頻率來進(jìn)行預(yù)測，且采用指標(biāo)較為單一，無法從深層次對機(jī)電設(shè)備的故障進(jìn)行描述。因此，機(jī)電設(shè)備的故障預(yù)測仍需更多可靠指標(biāo)，需要追溯故障發(fā)生成因并對故障后的維修結(jié)果進(jìn)行深入分析，從而保證故障預(yù)測結(jié)果的可靠性。（2）在服役狀態(tài)評估研究方面的發(fā)展方向目前對機(jī)電設(shè)施服役狀態(tài)評估主要采用定性判別的方式，以機(jī)電設(shè)施養(yǎng)護(hù)內(nèi)容及數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，采用定性評估模型或方法實現(xiàn)機(jī)電設(shè)施整體的綜合評價，但評價結(jié)果仍然無法對機(jī)電設(shè)施的日常管理提出實用性的參考。機(jī)電設(shè)備種類繁多，且不間斷運(yùn)行，關(guān)鍵設(shè)備的優(yōu)劣會直接影響公路的正常運(yùn)營，因此，需要對機(jī)電設(shè)備的重要程度進(jìn)行劃分，以實現(xiàn)機(jī)電設(shè)施的精細(xì)化管理。（3）在使用壽命預(yù)測方面的發(fā)展方向目前對于機(jī)電設(shè)施使用壽命預(yù)測的研究主要集中在以機(jī)電設(shè)備維護(hù)維修數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，采用相關(guān)的算法或模型對機(jī)電設(shè)備的使用壽命進(jìn)行預(yù)測。機(jī)電設(shè)備的壽命預(yù)測需要機(jī)電設(shè)備運(yùn)行期間全生命周期的數(shù)據(jù)，但是全生命周期數(shù)據(jù)的監(jiān)測與收集仍是難題，缺少相應(yīng)的監(jiān)測與收集方法。機(jī)電設(shè)備的退化是一個動態(tài)的過程，但又缺少能夠描述退化狀態(tài)的特征參數(shù)，而且在實現(xiàn)機(jī)電設(shè)備使用壽命預(yù)測時，也缺乏可靠的指標(biāo)選取。所以，