大數據的公路隧道科學養(yǎng)護關鍵技術和應用

信息化研究院22（一）我國公路隧道養(yǎng)護現狀（二）故障預測與健康管理(PHM)技術（三）科學養(yǎng)護大數據平臺與應用31.我國公路隧道養(yǎng)護現狀公路隧道建設情況截止2014年底，全國公路隧道為12404處、10756公里，增加1045處、1151公里。其中，特長隧道626處、2766公里，長隧道2626處、4475公里。（參考秦峰，重慶交通科研設計院，公路隧道養(yǎng)護與檢測，第二屆發(fā)言稿）41.我國公路隧道養(yǎng)護現狀全國公路隧道等級比例（注：2013年數據）全國已進行大、中修或改建隧道運營年限51.我國公路隧道養(yǎng)護現狀公路隧道常見病害類型襯砌裂損：襯砌變形、開裂、背后空洞、拱腳下沉及拱腳破碎（進而引起路基下沉、路面翻漿冒泥），襯砌腐蝕等隧道內滲水：隧道內滲水、涌水、凍脹、結冰、高壓爆裂、排水不暢仰拱底鼓、沉陷；洞門及邊仰坡損壞路面破損：隧道內路面拱起、沉陷、錯臺、開裂、溜滑等附屬設施損壞機電設施老化、損壞61.我國公路隧道養(yǎng)護現狀公路隧道常見病害原因（主要影響因素類）隧道的結構形式（剛度、變形、抗力效應、壓力）使用的建筑材料（強度低、質量差、易老化）外界：人為因素（設計不當、施工不當）工程地質因素（地貌改變）水文地質狀態(tài)（地下水影響）內部載荷2006年01月16日，貴昆鐵路輔助隧道發(fā)生塌方12名施工人員被困2007年1月12日，巴西圣保羅市西部地鐵4號線一處工地發(fā)生塌方事故。當天下午發(fā)生的這次塌方事故造成至少3人受傷，1人失蹤2005.10.27，天汕高速廣福隧道塌方12人被困，該隧道是雙洞分離式高速公路隧道，出事點離出口約463米、離工作面約80米；原設計該段巖層為較堅固的V類圍巖，開挖后發(fā)現實際變更為較差的III類圍巖2012.12.3,日本山梨縣中央高速公路上行線笹子隧道于當地時間2日下午發(fā)生塌方事故。據報道，目前已發(fā)現9人死亡，2人受傷。81.我國公路隧道養(yǎng)護現狀2015年3月1日執(zhí)行新發(fā)布養(yǎng)護技術規(guī)范91.我國公路隧道養(yǎng)護現狀2015年3月1日執(zhí)行新發(fā)布養(yǎng)護技術規(guī)范隧道土建結構機電設施其他工程設施安全管理技術管理我國已基本形成了隧道養(yǎng)護檢測方法體系養(yǎng)護評價技術：主要集中于對隧道土建結構的健康評價。維修加固技術：對于隧道病害，一般根據結構檢查結果，針對病害產生原因，按照安全、經濟、合理的原則綜合確定病害處治方案。養(yǎng)護管理技術：長期以來“重建輕養(yǎng)”，形成了我國公路隧道養(yǎng)護管理技術較為落后的被動局面；管養(yǎng)不分、技能匹配度低；養(yǎng)護設備機械化、自動化程度低；養(yǎng)護數據記錄堆砌無用，信息處理手段落后。預防性養(yǎng)護缺乏具體措施或可操作性差。(丁浩等，我國公路隧道養(yǎng)護工程技術與管理技術之思考)國外經驗與成果：體制方面：多數國家對養(yǎng)護目的有清晰的定位，從體制上有效實行了“管、養(yǎng)、運”的分離。理念方面：提倡預防性養(yǎng)護理念，部分國家在積累了多年歷史數據、進而分析并掌握隧道各類設施使用壽命及劣化規(guī)律的基礎上，制定了具體的實現措施。評估方面：對于總體養(yǎng)護，建立分級養(yǎng)護的評估方法；對于土建結構，建立定性與定量指標相結合的技術狀況評估方法；對于機電設施，建立多維度、多指標相結合的技術狀況評估方法。國外經驗與成果：（續(xù)）手段方面：普遍推行和實施機械化、快速化的檢測手段，信息化、智能化的管理手段，標準化、規(guī)范化的工作手段等先進手段。經濟方面：正視養(yǎng)護收益與封洞作業(yè)的平衡，注重預防性養(yǎng)護與矯正性養(yǎng)護的平衡，重視養(yǎng)護投入與隧道安全的平衡，倡導基于壽命預測的科學養(yǎng)護計劃下的成本控制。我國養(yǎng)護工程技術關鍵問題：對于檢測技術：主要技術瓶頸在于如何更便捷、更全面地了解隧道土建結構和各型機電設備的技術狀況；對于決策技術：主要技術瓶頸在于如何綜合隧道實際狀況、實際經濟投入等制約因素，給出合理的技術狀況評定等級，并制定科學的養(yǎng)護計劃；對于維修技術：主要技術瓶頸在于如何根據隧道病害外觀表象，由表及里，推定病害成因，以及如何實施不中斷（少干擾）交通下的維修技術。14數據采集深度信息采集和狀態(tài)檢測采用傳統(tǒng)傳感方式，數據信息單一化處理，多數依靠人工檢測；數據粒度有待細化；數據采集寬度：多類型數據采集手段未建立起來，也未標準化，體系化專業(yè)化覆蓋不全面；信息化程度低綜合診斷與預測決策：事后預警，預測性不足；信息融合手段不足；養(yǎng)護計劃決策的科學性、合理性不足。1155（一）我國公路隧道養(yǎng)護現狀（二）故障預測與健康管理(PHM)技術（三）科學養(yǎng)護大數據平臺與應用2.隧道故障預測與健康管理（PHM）技術2.1故障預測與健康管理（PHM）技術的發(fā)展2.2PHM的主要技術特征2.3故障診斷與預測常用技術2.4PHM系統(tǒng)通用平臺116617醫(yī)學疾病診斷通過觀測、化驗和醫(yī)療儀器,結論由醫(yī)生給出多科會診多科醫(yī)生一同診斷當前疾病疾病預防與保健體檢、疾病預測、保健體系工程故障診斷通過傳感器、信號處理和檢測儀結論由診斷軟件給出綜合診斷運用多種診斷技術診斷當前故障故障預測與健康管理健康監(jiān)測、高級故障診斷、故障/壽命預測(健康、亞健康、疾病、壽命預測,

(健康、亞健康、故障、部件壽命預測,保健措施; 過去、現在和將來) 決策/維修建議; 過去、現在和將來)172.1故障預測與健康管理（PHM）技術的發(fā)展182.1故障預測與健康管理（PHM）技術的發(fā)展PHM技術的演變（1）綜合運載器健康管理從VHM(VehicleHealthManagement)到IVHM（IntegratedVHM）“綜合”（即“I”）意味著健康管理遍及運載器的所有部分及生命周期的所有階段。預測及健康管理（PHM,

Prognostics

and

Health

Management）這是聯合攻擊戰(zhàn)斗機JSF研制中對IVHM概念的另一種提法，它的PHM（空中）+

JDIS（地面）構成完整的IVHM系統(tǒng)。故障檢測、隔離和重構（FDIR，Fault

Detection,Isolationand

Reconfiguration）60/70年代的空間工業(yè)中采用，以各子系統(tǒng)的BIT為基礎，以故障代碼的形式報告，以報警為主，重構在低層系統(tǒng)實現，缺少預測。1819192.1故障預測與健康管理（PHM）技術的發(fā)展PHM技術的演變運載器健康監(jiān)控（VHM,

Vehicle

Health

Monitoring）從概念上它只是FDIR的一部分，對象針對運載器。系統(tǒng)健康管理（SHM，System

Health

Management）首次將安全性、可靠性、故障管理、可測試性及成本分析納入一個統(tǒng)一的構架，定義了一個結構化的健康管理系統(tǒng)。運載器健康管理（VHM，Vehicle

HealthManagement

）“管理”跨度為兩個方面：①自主重構②安全且成本有效地實現任務目標而分配資源20202.1故障預測與健康管理（PHM）技術的發(fā)展PHM技術的演變（7）以信息為依據的維修（IM，Informed

Maintenance）或

基于狀態(tài)的維修

(CBM,

Condition-based

Maintenance)根據所掌握的運載器狀況來進行有針對性的維修。以飛行中的實時報告、部件的壽命記錄、歷史數據、維修案例等為依據，高效組織維修活動，降低維修成本，減少維修時間。21應用層次：部件級分系統(tǒng)級系統(tǒng)集成（區(qū)域管理器）外部測試機內測試（BIT）智能BITPHM綜合診斷212.1故障預測與健康管理（PHM）技術的發(fā)展PHM技術的演變發(fā)展階段：2222PHM技術的演變從外部測試到機內測試（BIT）（60-70年代）從BIT到智能BIT（80年代）綜合診斷的提出和發(fā)展（80年代后期至90年代）PHM技術誕生2.1故障預測與健康管理（PHM）技術的發(fā)展機內測試(Built-in

Test，簡稱BIT)技術:系統(tǒng)、設備內部提供的檢測、隔離故障的自動測試能力，是復雜系統(tǒng)或設備整體設計、分系統(tǒng)設計、狀態(tài)監(jiān)測、故障診斷和維修決策等方面的關鍵共性技術。美國海軍對飛機的調查研究資料表明，若對F/A-18、F-14、A-6E、S-3A四個機種的239項關鍵產品的測試性、可靠性、維修性進行BIT技術改造，將減少維修費用30%。美國ITT公司生產的新一代SPS-48E型雷達采用BIT技術，使系統(tǒng)試驗時間減少了50%，設備安裝時間縮短了50%，人員培訓課時間減少了25%。電源 計算 姿態(tài)檢 運動 電機 電機 傳動機 測單元 控制卡 驅動器 機構被控對象電控子系統(tǒng)BIT機械子系統(tǒng)BIT慣導子系統(tǒng)BIT

BIT主控單元主控計算機(BIT控制/顯示/管理)系統(tǒng)級智能BIT26

PHM重點是利用先進的傳感器的集成，并借助各種算法和智能模型來預測、診斷、監(jiān)控和管理飛機的狀態(tài)?；谥悄芟到y(tǒng)的預測PHM實現了兩個轉變：傳統(tǒng)的基于傳感器的診斷事件主宰的維修（即事后維修）時間相關的維修（即定期維修）基于狀態(tài)的維修（CBM）262.2

PHM的主要技術特征PHM技術的內涵27272.2

PHM的主要技術特征PHM技術的內涵增強的診斷：以高的故障診斷能力和非常低的虛警率確定部件完成其功能的狀態(tài)的過程。（超出傳統(tǒng)測試性和BIT能力）預測：預先診斷部件或系統(tǒng)完成其功能的狀態(tài)，包括確定部件的殘余使用壽命或正常工作的時間長度。健康管理：根據診斷/預測信息、可用資源和使用需求對維修活動做出適當決策的能力。28282.2

PHM的主要技術特征故障診斷與預測流程傳感網數據級特征級養(yǎng)護決策決策級29故障檢測故障隔離性能監(jiān)控部件壽命跟蹤性能降級趨勢跟蹤輔助決策和資源管理故障選擇性報告殘余使用壽命預計PHM的功能292.2

PHM的主要技術特征PHM技術的功能關鍵系統(tǒng)和部件的故障預測30302.2

PHM的主要技術特征PHM技術的目標提高武器裝備的任務可靠性和安全性減少維修人力、備件和修理費用取消計劃性檢查實現維修和零備件采購時機最佳化消除不可復現（CNDs）和重測合格（RTOKs）實時通報裝備各級保障鏈即將來臨的維修事件在潛在的災難性失效發(fā)生前及時捕獲檢測初始故障，并監(jiān)測直到失效前適時維修縮短裝備停機時間312.2

PHM的主要技術特征PHM系統(tǒng)的技術特征通過測試和計算關鍵部件的剩余壽命來主動地監(jiān)視系統(tǒng)的健康狀態(tài);健康信息用于優(yōu)化維修、養(yǎng)護活動及后勤保障; 最好是PHM系統(tǒng)勿需增加傳感器,從已有的傳感器獲取健康信息;基本方法是將傳感器檢測到的對象系統(tǒng)的響應與該系統(tǒng)模型的響應做比較;使用老化模型計算關鍵部件的剩余壽命;用理論推導方法或對特定部分做磨損試驗得到老化模型313232實現PHM的主要支撐技術傳感器技術（專業(yè)傳感器以及專用傳感器，如智能傳感器、機內測試傳感器及光纖傳感器等）,數據采集軟件設計技術數據傳輸網絡技術（有線傳輸、無線傳輸，無線傳感網，自組織網絡，物聯網，移動互聯網等）數據處理、信息融合技術故障診斷、預測技術PHM系統(tǒng)驗證技術2.2

PHM的主要技術特征33可以采信的信息源包括：被觀測對象直接的功能及性能信息（基于檔案信息、故障狀態(tài)信息）；被觀測對象使用中表現出來的異常現象信息（基于異?，F象信息）；被觀測對象使用中所承受的環(huán)境應力和工作應力信息（基于使用環(huán)境信息）；預置損傷標尺（precursor）的狀態(tài)信息（基于損傷標尺信息）2.3

故障診斷與預測常用技術342.3

故障診斷與預測常用技術35診斷與預測常用技術：基于數據的PHM系統(tǒng)建模技術——事件數據，狀態(tài)數據基于模型的PHM系統(tǒng)建模技術——剩余壽命、無故障間隔基于知識的PHM系統(tǒng)建模技術——專家系統(tǒng)，模糊推理機電系統(tǒng)BIT（Built-In-Test）概率趨勢分析，損傷標尺的故障預測智能計算（ANN）系統(tǒng)模型趨勢分析信息融合的綜合診斷與預測，壽命消耗監(jiān)控（LCM）2.3

故障診斷與預測常用技術PHM通用平臺體系結構36養(yǎng)護管理數據庫模型數據庫歷史數據庫3377（一）我國公路隧道養(yǎng)護現狀（二）故障預測與健康管理(PHM)技術（三）科學養(yǎng)護大數據平臺與應用3.科學養(yǎng)護大數據平臺3.1大數據平臺整體框架3.2大數據平臺特點3.3應用案例3388頂層設計3940技術路徑土建結構機電系統(tǒng)其他數據級特征級決策級養(yǎng)護要求與標準規(guī)范養(yǎng)護計劃與方案生成數據采集以數據流機制為承載的PHM數據處理 數據生成 數據使用數據使用效果類 來 獲 數 傳別 源 取 量 輸…傳感體系傳輸 海量網絡 存儲模 算型 法…復雜計算硬件 軟件息 息 息

息決 統(tǒng) 推

評策 計 理

估

…信 信 信

信監(jiān)養(yǎng)安

應測護全

急護劃理

揮維計管指

…據心數 應用中 系統(tǒng)移動終端桌面終端維健風

調修康險

度策預控預…略測制

警正常健康異常故障信大息基數礎設據施分析支撐下的養(yǎng)護決策PH支M系持統(tǒng)狀態(tài)信息歷史數據采集數據與檢測流程41定期檢測數據重點檢測數據數據異常病害判析維護維修勘察地質設計施工竣工驗收歷史檢測數據①②

系統(tǒng)架構42業(yè)務應用功能隧道監(jiān)測系統(tǒng)紅外檢測系統(tǒng)綜合數據中心模擬量開關量信號碼序服役狀態(tài)……分析處理引擎即時計算用戶展現終端交通廳局公路管理處建設施工單位維護養(yǎng)護人員……隧道管理與養(yǎng)護技術及安全施工規(guī)范移動固定大屏公路管理與養(yǎng)護要求日常管理作業(yè)特征預處理存儲加載挖掘分析……維修養(yǎng)護作業(yè)……邏輯關系場景變化科學決策隧道基礎設施同步可視融合數據隧道洞身洞口隧道路面……物理環(huán)境機電設施激光檢測系統(tǒng)專用網絡雷達檢測系統(tǒng)物聯網絡綜合監(jiān)測系統(tǒng)移動網絡故障風險評估作業(yè)系統(tǒng)部署43采集存儲分析交互數據處理大數據分析應用系統(tǒng)土建結構其他系統(tǒng)全面的數據類型支持（大數據）44時間序列機電設備高速率變化溫度壓力速度樣可低至

秒百萬級數

流進入存儲器建模

統(tǒng)計

分定義數 源示例樣取存儲 分全面的建模分析過程覆蓋45面向業(yè)務邏輯、編碼格式差異化映射下的海量數據，支持其采集多源化、數據預處理、算法自定義、建模增量化、展現可視化、部署自由化的智能分析。多種算法集成464