高速公路机电设备升级改造条件研究

申喜芹，王亚晖，祝日星，许宏科

(1.河南省交通运输厅高速公路少林寺至新乡管理处， 郑州　450000； 2.长安大学， 西安　710064)

高速公路机电设备升级改造条件研究

申喜芹1，王亚晖1，祝日星2，许宏科2

(1.河南省交通运输厅高速公路少林寺至新乡管理处， 郑州450000； 2.长安大学， 西安710064)

摘要：运用模糊评价法，综合考虑高速公路机电设备的使用寿命、故障率、工作环境、重要性、维护成本和难度等因素确定其升级改造条件，并提出相应的升级改造方案，以有效降低高速公路机电系统的运营成本，提高运行可靠性，增加无故障运营时间。

关键词：高速公路；机电设备；升级改造；模糊综合评价法

随着我国高速公路的飞速发展，高速公路机电系统规模也在不断扩大。作为高速公路正常运营的基本保障，机电设备对于高速公路的服务品质、不间断运营起着举足轻重的作用。然而，随着使用年限增加，高速公路机电设备由于磨损、老化等原因，必然存在使用性、稳定性、技术性和经济性等下降的问题，从而给高速公路的高效运营带来严重影响[1]。目前高速公路机电设备升级改造缺乏可参照的标准和依据，导致设备升级改造不及时或过频等不合理问题[2-3]。本文提出高速公路机电设备升级改造的科学依据，其可有效解决上述问题，使高速公路正常高效地运营。

1高速公路机电设备寿命周期分析

机电设备寿命周期指设备从开始投入使用起，到其功能丧失或不能满足需求而最终退出使用的总时间。高速公路机电设备使用寿命和故障率常作为其退出使用的衡量标准，同时也是升级改造的重要决策依据之一。

1.1高速公路机电设备使用寿命综合预测

本文主要对高速公路机电设备的物理寿命和经济寿命进行分析，以综合预测其使用寿命[4]。

1.1.1机电设备物理寿命

高速公路机电设备物理寿命确定主要有如下2种方法：1) 由设备制造商给出。对常年生产某一设备的制造商来说，其拥有多年的生产经验和大量的数据累积，以及用户的反馈信息，可以确定其设备寿命。对于其新研制的设备，其也可根据同型号设备的特点对新设备物理寿命作出较为准确的估计。2) 利用Delphi Method对设备寿命进行预测，即向相关专家、经验丰富的维护技术人员或长期使用者了解设备及其主要零部件的有关背景材料，根据经验对设备寿命进行评估，并将所有人的意见进行反复评估和综合归纳，直至结果趋于一致后，再统计并得出设备物理寿命的最终预测结果。

1.1.2机电设备经济寿命

1) 最小年平均费用法。

高速公路机电设备使用初期运行费用较低，随着时间递延，设备逐渐陈旧，维护修理等费用逐渐增加，设备运行费用和持有成本呈反方向变化，当运行费用和持有成本之和最小时，即为设备使用的经济寿命[5]，如图1所示。

图1　 机电设备的经济寿命

机电设备年平均费用由其年均运行维护费和年购置费组成，可由下式表示：

(1)

式中：Ct为机电设备年平均费用；t为设备使用年限；A为设备购置费；Mj为设备第j年运行维护费；Lt为设备第t年末年时的残值。当 Ct取得最小值时，设备使用年限t0即为设备的经济寿命。

2) 低劣化数值法。

随着使用时间延长，高速公路机电设备综合磨损不断加剧，性能不断下降，其运行维修费用会相应增加，这种现象称为设备低劣化[6]。若根据统计资料预测其低劣化程度的数值，则平均每年的设备费用为：

(2)

式中：C为设备年使用费用；i为资金年利息率；B为设备1年的正常运转费。

(3)

用低劣化数值法计算设备的经济寿命时，每年的低劣化值λ是给定的，但实际应用中很难做到，且通常低劣化值并非严格的线性增长，因此可将每年的低劣化值折现后取其平均值，并将其作为计算公式中的λ值。

1.1.3机电设备使用寿命综合预测

机电设备的物理寿命tp既可以由设备制造商给出，也可以由Delphi Method得出，或综合这2种方法来获取。经济寿命te同样可以由最小年平均费用法计算，也可以由低劣化数值法计算，或由这2种计算结果的平均值作为最终结果。本文综合考虑机电设备的物理寿命和经济寿命，加权求和得出其使用寿命T：

T=ωptp+ωete

(4)

式中：ωp和ωe分别为设备物理寿命和经济寿命的权重，其需要大量统计数据来确定。考虑到机电设备的物理寿命由经验累积得出，且一般长于经济寿命，而经济寿命与设备的物理特性、技术进步速度、设备环境变化等都有一定关联，高速公路运营也应符合经济效益最大化原则[7-8]，且物理寿命和经济寿命对设备使用寿命的影响程度存在不平衡性，所以ωp和ωe可用 Pareto Principle (80/20法则)进行确定，即为保证高速公路机电设备的可靠性和经济性，ωp和ωe分别设定为20%和 80%。

使用寿命的综合预测模型如图2所示。

图2　使用寿命的综合预测模型

1.2高速公路机电设备故障率

高速公路机电设备故障率指工作到某时刻尚未失效的设备，在该时刻后单位时间内发生失效的概率。故障率研究中，实践证明大多数高速公路机电设备从投入使用到报废为止的整个寿命周期内，其可靠性变化呈一定规律，服从浴盆曲线，可分为早期故障期、偶发故障期和损耗故障期3个阶段，如图3所示。

图3　设备寿命周期的故障率曲线

机电设备经长期使用后到达损耗故障期，设备零部件逐渐出现老化、磨损、腐蚀及疲劳现象，设备寿命逐渐衰竭，处于故障频发状态，故障率急速增加。此时应对设备进行及时升级改造。高速公路机电设备的使用寿命和故障率是其升级改造确定的重要依据。实际上，设备环境、维护成本、重要性等因素均对设备的升级改造条件有重要影响。因此，本文从设备故障率、役龄、维护成本与单价比、重要性、维修难度和所处环境6个方面进行综合考虑，更加准确地对高速公路机电设备升级改造条件进行评估。

2基于模糊综合评价法的升级改造条件研究

判断高速公路机电设备升级改造条件时，某些设备信息是模糊、难以量化的，为此，本文针对这种非确定性问题和实际可操作性，采用模糊综合评价法来解决该问题。模糊综合评价法在表达机电设备状态中的一些过渡性界限或定性知识经验时十分方便，并且可利用模糊规则库对机电设备升级改造条件进行模糊综合判断。与其他方法相比，模糊综合评价法不需精确的数值或模型表达，且逻辑比较简单，容易学习和掌握应用。

2.1输入输出变量的模糊化

本文模糊评价的输入为设备故障率、维护成本与单价比、设备役龄、重要性、维修难度和设备所处环境，输出为高速公路机电系统关键设备应采用的养护维修方式。对于隶属度曲线而言，则先根据专家的实际经验将其确定为高斯型或梯形函数曲线，再通过学习和实践检验逐步修改和完善, 最终得到各输入输出的隶属度函数曲线，如图4所示。

图4　模糊综合评价各输入输出隶属度曲线

2.2模糊规则确定

模糊控制规则是根据专家和设计人员的经验确定的。模糊规则库中包含的输入为设备故障率FR、维护成本与单价比MU、维修难度DM、设备役龄SY、重要性I和设备所处环境EE，语言变量个数分别为4、3、3、3、5和3。综合考虑以上6个输入得出的控制规则归纳如表1所示。

表1　模糊控制规则

注：E表示无故障或故障率极低；SFR、MFR、LFR分别表示故障率低、较高和高；SMU、MMU、LMU分别表示维护成本与单价比低、较高和高； SSY、MSY、LSY分别表示役龄短、较长、长；GEE、MEE、BEE分别表示设备所处环境良好、一般和恶劣；I3、I4、I5分别表示设备重要性级别为3、4、5；SDM、MDM、LDM分别表示设备维修难度容易、较难、困难；S、M、L、U为养护维修方式，分别表示保养小修(常规保养、常规检查测试和小修)、中修、大修改造和报废更新(原型更新或新型更新)。

2.3实例分析

本文应用MATLAB的fuzzy工具包对基于模糊综合评价的高速公路机电设备升级改造条件进行了仿真模拟，如图5所示。图5中，输入为[0.15 0.5 5 5 0.7 0.8]表示某机电设备的故障率为0.15，维护成本为单价的0.5倍，设备已使用了5年，设备重要性程度为5级，维修困难程度为0.7，设备所处环境恶劣程度为0.8。输出为“养护维修方式=0.859”，根据其隶属度曲线可以判断应及时进行报废更新。

图5　基于模糊综合评价的设备升级改造决策实例

3结束语

本文针对高速公路机电设备升级改造条件无统一标准和依据的问题，应用模糊综合评价法从机电设备的使用寿命、故障率、所处环境、技术性和经济性等方面提出了有效的升级改造决策方案，为高速公路提供高效可靠的运营保障。

参 考 文 献

[1]陈汗清．探究高速公路机电设备使用寿命的管理机制和实施方法[J].工艺与设备，2014(4)：69-70.

[2]邵泽波，陈庆.机电设备管理技术[M].北京：化学工业出版社，2014.

[3]沈敏．论高速公路机电设备的维护与管理[J].经营管理者，2013(30)：369.

[4]饶永波．高速公路机电设备使用寿命的管理机制和实施方法[D].洛阳：河南科技大学，2011.

[5]王树鹏.设备寿命周期费用研究及其应用[D].南京：南京航空航天大学，2007.

[6]徐宏.高速公路机电设备经济寿命分析[J].湖南交通科技，2011(3): 140-142.

[7]张乃斌．高速公路机电设备寿命评价方法[J]．中国交通信息化，2013(9)：114-116.

[8]李荣平.对高速公路机电设备使用寿命的思考[J]．中国交通信息产业，2010(1)：106-108.

Research on Conditions for Upgrading and Reconstruction of Electromechanical Equipment for Expressway

SHEN Xiqin1, WANG Yahui1, ZHU Rixing2, XU Hongke2

Abstract:This paper determines the conditions for upgrading and reconstruction of electromechanical equipment by means of the fuzzy evaluation method and in comprehensive consideration of factors such as service life, failure rate, operating environment, importance, maintenance cost/difficulty, etc. of electromechanical equipment for expressway, and proposes the corresponding upgrading and reconstruction schemes to reduce the operating cost of electromechanical equipment for expressway effectively, improve the operating reliability and add trouble-free operation time.

Keywords:expressway; electromechanical equipment; upgrading and reconstruction; fuzzy comprehensive evaluation method

文章编号：1009-6477(2016)02-0127-05

中图分类号：U412.36+6

文献标识码：A

作者简介：申喜芹(1979-)，女，河南省郑州市人，本科，工程师。

收稿日期：2015-11-08

基金项目：河南省交通运输厅科技计划项目(2014G23-2)；中央高校基本科研业务费专项资金资助项目(2013G3324005)

DOI:10.13607/j.cnki.gljt.2016.02.028