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高速公路机电设备故障预测与智慧管理动态思考

日期:2023年03月09日 编辑:ad201107111759308692 作者:无忧论文网 点击次数:299
论文价格:50元/篇 论文编号:lw202302221916406778 论文字数:4962 所属栏目:职称论文
论文地区:中国 论文语种:中文 论文用途:职称论文 Thesis for Title

本文是一篇职称论文,本文综合分析了机电设备在故障分析与预测、运行状态评估、使用寿命预测等方面的国内外研究现状,以目前已有的研究结果为基础,深入阐述了相关研究结果对机电设备的日常管养工作优势与不足,并根据目前存在的问题,提出高速公路机电设施智慧维养技术新的发展方向,为机电设备的预测和健康管理技术进一步研究提供了参考和依据。

 1  机电设备 PHM 技术研究现状

1.1  机电设备故障分析与预测研究现状

随着电子技术的不断发展,高速公路机电设施类别、数量以及复杂程度不断增加,其机电设备故障的频率及类型也呈现多样性,传统的高速公路机电设备维养管理技术已逐渐难以满足日常或定期养护的需求,预防性维护或维修成为目前高速公路机电设备维养管理的主要方向,因此对机电设备的故障进行分析与预测也成为了机电设备 PHM 技术核心内容。

目前在机电设备的故障分析和预测方面已经取得了较好进展,且建立了许多具有参考意义的故障数据仓与故障分类规则。吕建培[7]、温延超[8]和李春伸[9]等人对高速公路机电设备的故障进行分析,对不同的机电设备故障的类型进行分类,建立了机电设备故障信息库。He、徐红辉、倪双静等通过机电设备故障信息库建立了基于马尔可夫链故障概率模型[10]、基于故障状态演化的故障预测诊断混合模型[11]、基于 NSET 的高速公路机电故障预测模型[12]等可靠的设备故障预测模型,这些故障预测模型合理的利用机电设备的故障数据,能对机电设备的故障演化进行有效预测;此外 Prieto [13]通过对机电设备的故障信息进行特征提取,然后利用智能算法实现了机电设备的故障分类诊断;孙昊[14]通过对机电设备故障发生时间进行统计分析,从而是实现对机电设备的故障发生时间间隔预测;游婷等[15]根据机电设备的故障机理,构建了高速公路隧道机电设备养护管理体系;沈家怡[16]借助人工智能算法,通过对公路隧道中射流风机的故障数据进行建模,并根据历史数据对风机的故障进行预测;秦余等[17]以高速公路机电设备运行数据与环境数据为基础,通过分析三种不同数据预测模型,并通过对不同预测模型结果的可靠性,选择最优的数据模型作为高速公路机电设备故障预测模型。

根据已有的研究发现,目前机电设备的故障分析与预测主要运用机电设备的历史管养数据对故障的演化情况进行分析和预测,并建立相应的数据库或预测模型,但是仍存在相应的不足,研究内容相对集中于运用故障数据来进行预防性的研究,而缺乏对设备故障源头及设备退化规律的研究。研究流程及存在的具体问题如图1所示。

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1.2  机电设备在役状态评估研究现状

在实际的公路运营管理过程中,要掌握机电设备的健康动态,机电设备的状态评估是必要环节,其健康状态将直接影响设备的工作效能,从而影响公路的运营安全。而机电设备种类繁多,结构复杂度高,目前已有的机电设备在役状态评估研究主要分为两个方面,分别是基于数据与基于模型两种评估技术。

(1)基于数据的状态评估技术

基于数据的状态评估方法是指在无先前经验的情况下采集数据进行分析处理,然后基于数据模型展开状态评估。例如,杨金铨[18]开发了机电设施智能化养护检测系统平台,并通过数据的监测和处理,制定合理的机电设施养护方法;Catelani[19]利用机电设备现场数据并分析其关键指标因素,在完成经济分析的前提下实现了对收费系统的评价。崔黎明[20]提出了基于模糊分布和和模糊统计实验法的评价指标隶属函数确定方法,并以试验数据进行了验证。邓炳杰[21]通过关键特征指标对各部件进行评价,并根据机电设备各关键部件的剩余使用寿命分别对不同部件运行状况进行评价,综合各关键指标及剩余适用寿命评价结果,采用模糊综合评价的方法对机电设施的运行状态进行综合的评估。

(2)基于模型的状态评估方法

基于模型的状态评估方法是通过提取影响机电设备的关键指标,建立相应的机电设施评估模型进行评估。例如,乔晓冉等[22]提取相关评价指标,采用层次分析法构建评价体系,以模糊综合评价法实现机电系统的综合评价;徐昆等[23]采用层次分析法,构建了高速公路机电系统安全风险模型和评估模型;储诚赞[24]和 Zhang 等[25]以高速公路机电设施养护数据为基础,通过采用机电设施定量和定性的评价指标,综合层次分析与模糊综合评价方法,实现了对高速公路机电设施运行状态的评估;谭小刚[26]和高杰[27]根据机电设施的五大模块建立了层次分析法—模糊综合评价模型,最终对机电设施进行多级模糊综合评价;林中质[28]提取关键机电设备以构建高速公路机电设施运行状态评价指标体系,最终实现了机电设施的定性评价;朱立伟等[29]从风险的角度出发,对公路隧道机电设施的运行风险、运行状态进行了评估;励晓华等[30]根据我国公路隧道机电设备的运行风险,构建了机电设施运行风险实时评估模型;田园[31]采用层次分析法建立公路隧道机电设施分步评价方法,实现对高速公路隧道机电设施的运行状态评价。

 2  机电设备 PHM 面临问题

通过对目前机电设备 PHM 的研究现状分析发现,虽然目前机电设备 PHM 技术已开展较多研究,但是基本上仍停留在方法阶段,从实际应用效果及设备技术原理角度来看,仍没有特别理想的方法。当前机电设备的 PHM 技术仍面临如下问题:

(1)机电设备的退化及损耗性规律不明确

机电设备的健康损耗性规律是对其进行故障及寿命预测及健康管理的基础,机电设备种类繁多,且运行环境、运行应力及退化状况也不相同,目前在公路行业,仍是利用日常养护数据、维护维修数据以及功能测试数据,对机电设备进行故障分析和预测工作,且采用的模型或数据分析得到的预测结果仍不精准[38,39]。也缺乏机电设备退化机理的研究,由于机电设备可使用年限一般较长,所以难以通过实验手段获取机电设备全寿命周期的退化数据,同时机电设备任意时刻的健康情况仍然无法定量的准确判断,所以其健康损耗性规律就更难以获得,这也是机电设备 PHM 技术面临的巨大挑战

(2)机电设备的服役状态难以表征 

高速公路机电工程是一个系统工程,其中包含有照明、通风、供配电、监控、通信、消防等六大系统。由于系统中的设备退化的状态难以直接观测,导致无适宜的可观测外在征兆来刻画其从正常到故障的衰退过程。而目的方法仍只能通过设立健康等级进行定性判断,即机电设备的健康状态仍难以表征,这也是机电设备 PHM 技术的一个关键难点。

(3)机电设备 PHM 技术缺少特征参数

当前机电设备的构造变得越来越复杂,即使能够对其状态进行定性判断,并实现故障和寿命预测,但研究结果仍然缺乏准确度与可靠性,其原因就是缺少相应的特征参数对其进行刻画,缺少表征其退化状态及运行状态的特征参数。这些特征参数是提高 PHM 技术精确度的重要因素。

(4)机电设备的故障突发

机电设备的元件众多,结构复杂度各不相同,而原件在设计和加工过程中存在一定的设计和质量缺陷,加之在不同的环境和应力的作用下,机电设备会发生不同程度的退化和损伤,所以机电设备的故障发生就具有不确定性,这也给机电设备从健康状态到逐渐损耗的退化过程增加了随机性[40]。因此,必须掌握机电设备的故障成因。

3  机电设备 PHM 研究发展方向

结合机电设备 PHM 技术所面临的问题,对目前机电设施研究的三个主要方向进行总结分析,并根据目前研究采用的技术方法,寻找出当前机电设备 PHM 技术的不足以及今后研究的方向。

(1)机电设备 PHM 技术在故障的分析和预测方面的发展方向

目前对机电设施的故障分析及预测,主要通过统计学方法、人工智能算法对故障频发的机电设备进行研究分析,以机电设备基础数据、检查数据及监测数据为基础,根据机电设备的故障状况,分析机电设备的故障规律。由于机电设备工作环境与工作应力差异,会导致其退化规律与故障类型差异,目前研究主要针对机电设施出现故障后的研究分析,缺少机电设施故障的成因及故障维修后的结果分析,从而导致二次故障的成因不明,也难以维修后设备的健康状态进行判别。目前的故障预测手段仍利用设备的故障频率来进行预测,且采用指标较为单一,无法从深层次对机电设备的故障进行描述。因此,机电设备的故障预测仍需更多可靠指标,需要追溯故障发生成因并对故障后的维修结果进行深入分析,从而保证故障预测结果的可靠性。

(2)机电设备 PHM 技术在服役状态评估研究方面的发展方向

目前对机电设施服役状态评估主要采用定性判别的方式,以机电设施养护内容及数据为基础,采用定性评估模型或方法实现机电设施整体的综合评价,但评价结果仍然无法对机电设施的日常管理提出实用性的参考。机电设备种类繁多,且不间断运行,关键设备的优劣会直接影响公路的正常运营,因此,需要对机电设备的重要程度进行划分,以实现机电设施的精细化管理。

(3)机电设备 PHM 技术在使用寿命预测方面的发展方向

目前对于机电设施使用寿命预测的研究主要集中在以机电设备维护维修数据为基础,采用相关的算法或模型对机电设备的使用寿命进行预测。机电设备的寿命预测需要机电设备运行期间全生命周期的数据,但是全周期数据的监测与收集仍是难题,缺少相应的监测与收集方法。机电设备的退化是一个动态的过程,但又缺少能够描述退化状态的特征参数,而且在实现机电设备使用寿命预测时,也缺乏可靠的指标选取。所以,选取可靠的指标,并采用合理的方法收集机电设备全周期的运行数据,提出合理的特征参数来表现机电设备的退化状态,从而保障预测结果的可靠性,也是目前机电设备使用寿命预测方向所急需解决的问题。

职称论文怎么写

综上所述,虽然关于公路机电设备 PHM 技术已经有诸多研究,但是大多研究结果仍无法直接运用于机电设备的日常管养工作。提高机电设备预测研究的准确