运营公路隧道机电设备故障响应机制探析

易 明， 许家雄， 彭 明

（1.江西省高投集团公司宜春管理中心，江西 宜春 336000；2.江西省交通运输技术创新中心，江西 南昌 330038）

0 引言

根据交通运输部发布的 《2012年公路水路交通运输行业发展统计公报》，截止2012年底，全国公路隧道共10 022处、805.27万m，比上年末增加1 500处、179.93万m。其中，特长隧道441处、198.48万m，长隧道1 944处、330.44万m，其中65%的隧道已经进入了养护维修期。由于受高速公路特定的地理位置、系统技术现状以及传统的管理体制等因素的影响，多数高速公路以分散型的设备维护管理体制为主。实践证明，这种分散式运作模式，在高速公路企业的营运初期，对于整体维护工作的展开是有帮助的，可是随着高速公路管养任务的不断扩大、机电工程缺陷责任期的结束、系统设备运行年限的延长，整个运营维护体系需要庞大的人力资源来支撑，从而带来了维护成本增加、人员浪费、整体运行效率下降、区域维护力量不平衡等一系列问题。针对目前国内运营公路隧道的机电设备故障响应中存在的问题，从法律法规、管理者及使用者的角度进行故障响应分析，对机电设备故障响应的机理进行探析。

1 公路隧道机电系统构成

公路隧道机电设备主要指为隧道营运提供服务的相关设备，按照功能划分为供配电子系统、照明子系统、通风子系统、监控子系统和消防及救援子系统五大组成部分，其中，监控系统又是由隧道通风照明控制系统、火灾控制系统、交通与环境监测系统、隧道广播及紧急电话系统、交通控制系统、闭路电视控制系统、中央控制系统七个功能子系统构成。表1为公路隧道机电子系统包含的机电设备。

表1 公路隧道机电子系统包含的机电设备

2 国内外故障响应研究现状及存在的问题

2.1 国内外研究现状

2.1.1 法律及规范

法国[1－2]通过协议机构必须配备到常规周期性控制机构的电气设备： 《劳工法》第四章和14－11－88号法令；单独防护设备：19－03－93法规；灭火器：《劳动法》 第8232.12.21条和04－11－93法规； 独立的安全照明区： 《公共建筑规章》第1册第8章EC20条；火灾探测系统： 《劳工法》第8232.12.18条以及04－11－93法规。 美国[3]在2004年出版了《公路和铁路交通隧道检查手册》。我国于2003年发布了第一个有关隧道故障响应的技术规范——《公路隧道养护技术规范》[4]。

2.1.2 管理者

日本[5]隧道的养护管理采用5S方法，即整理（Seiri）、 整 顿 （Seiton）、 清 扫 （Seiso）、 规 范（Seiketsu） 和素养 （Shitsuke）。 各S的要义分别为：分开处理、定量定位、清洁检查、立规立法和守纪守法，目的是改善现场、降低消耗、提高效率和提高质量。黄章树[6]采用先进的客户／服务器模式，并支持远程操作，可使各管养单位及时地把隧道养护信息传送到省局公路隧道养护管理信息系统。2003年10月同济大学等研制出隧道管理系统[7]。2005年[8]河南某公司等对高速公路机电设备养护管理信息系统开发做了研究。高速公路隧道机电设备的养护管理开发了应用软件，运用设备管理相关理论，建立了科学的养护维修管理体系，使机电设备的养护管理规范化、高效化。该体系具有机构管理、机电设备基础信息管理、设备配置管理、设备养护管理、设备维修管理、设备信息查询以及数据维护等功能，系统地解决了机电设备养护信息的管理问题。北京某公司开发了基于巡检的隧道养护管理系统，该系统采用数字隧道技术，应用最优化的检验过程，可为管理单位提供可靠的数据、及时的维护计划和精确的维护工程量。

2.1.3 使用者

美国的 《公路和铁路交通隧道检查手册》介绍了隧道的检测方法和程序，该手册将一些隧道缺陷分为 “轻度”、 “中度”和 “严重”三个等级，并给出了其定量或定性的判定标准。2006年底通车的秦岭终南山隧道首次提出了以RCM分析为基础，结合FEMA.RCA分析，并在分析过程中引入预先维修概念的故障分析方法，该故障分析方法根据系统或设备的功能、故障模式和影响，通过故障模式和影响分析、逻辑决断过程对故障后果进行分类评估，按照故障后果的严重程度，确定预防工作的内容及执行频率，反馈到日常的检修、预防性维护中，从而不断优化任务体系的工作内容[9]。

2.2 存在的问题

2.2.1 法律及国家规范层面

我国 《公路隧道养护技术规范》对隧道的养护管理工作提出了具体要求，规定了检查和维护工作的种类、内容和频率等，但没有系统地提到对机电设备故障应该如何去响应的内容，针对性不强。同时，也缺少与公路隧道机电设备相关的法律，法国的做法值得我国借鉴。

2.2.2 管理者角度

我国的研究主要集中在公路隧道养护管理及系统开发，研究的内容主要涉及到隧道整体的养护管理，并没有对公路隧道机电设备故障进行专门的研究，集中性不足。文献[8]虽然对机电设备的维护进行了专门的研究，但其对设备故障响应的检测、诊断及维护一体的研究并没有系统地体现出来。

2.2.3 使用者方面

美国虽然为机电设备的检测提供了一本手册，但是对检测后的诊断及维护没有做更深入的研究。秦岭终南山隧道首次提出以RCM为基础，分析过程引入预先维修概念的故障分析方法，但对于如何细化、如何去实现并没有详细的说明。

3 故障等级划分

故障是指设备丧失其规定功能的现象[10]。由于公路隧道机电系统机电设备种类繁多，外界干扰因素多，设备系统复杂，而且还分了不同的子系统，需要考虑的因素很多，且因素之间还存在着不同的层次。在这种情况下，需要将评判因素即机电系统分为五大子系统，先对每一子系统进行综合评判，然后再对各子系统评判结果进行高层次综合评判。对公路隧道机电设备故障等级的划分应采用多层次模糊综合评判。

3.1 多层次模糊综合评判模型的建立

（1）对评判因素集合U，按某个属性，将其划分成m个子集，使它们满足：

这样，就得到了第二级评判因素集合：

在式 （2） 中， Ui＝｛Uik｝（i＝1， 2， …， m； k＝1，2，…，nk）表示子集Ui中含有nk个评判因素。

（2）对于每一个子集Ui中的nk个评判因素，按单层次模糊综合评判模型进行评判，如果Ui中的诸因素的权数分配为Ai，其评判决策矩阵为Ri，则得到第i个子集Ui的综合评判结果：

（3） 对U中的m个评判因素子集Ui（i＝1， 2， …，m）进行综合评判，其评判决策矩阵为：

如果U中的各因素子集的权数分配为A，则可得综合评判结果：

在式 （5）中，既是U的综合评判结果，也是U中的所有评判因素的综合评判结果。多层次的模糊综合评判模型，不仅可以反映机电系统、子系统的不同层次，而且避免了由于因素过多而难以分配权重的弊病。指标的权重运用AHP法进行确定，指标隶属度的取值采用升半梯形分布来量化，即典型的隶属度函数的偏大型。指标隶属度A（x）公式如下：

3.2 故障评判

公路隧道机电设备故障等级划分为以下五类[12]：无故障、轻微故障、中度故障、严重故障及极重故障。由式 （5）得出的故障度系数，本文给出了故障等级判别分级表 （见表2）。

表2 公路隧道机电设备故障评判分级表

机电设备故障响应不仅要从设备本身考虑，还要从隧道运营的环境、经济、安全及节能等角度来考虑。因此,对于故障等级的划分标准，可由政府部门结合当地的实际情况酌情调整。

4 故障响应机制

针对目前国内关于隧道机电设备故障响应研究较少的现状，有必要建立一套故障的检测、诊断及维护一体的响应机制，以达到机电设备故障快速响应的目的。笔者从法律、国家规范、管理者和使用者的角度对其进行了探索研究，认为响应机制应从以下两个层面来综合考虑。

4.1 故障响应流程

4.1.1 故障检测

机电设备的日常清洁、巡查巡检、标定等工作，对检测机电设备时的天气、隧道内通过车流量、交通量的组成、具体的时间均需要有相应的记录，建立健全隧道机电设施检测记录档案。对于上述巡检人员无法完成的内容，如车流量的大小、交通量的组成等需要借助高清摄像头、地面传感器等设备，还应对检测档案进行补充完善，达到系统性检测的目的。

4.1.2 分析诊断

根据机电设备出厂日期、寿命、环境、能耗等系统功能的原始记录，设备由出厂到现在的所有出故障的详细信息记录及分析报告，结合现在的检测记录，对设备的功能情况做出诊断评估。

4.1.3 系统维护

根据诊断的结果，结合多级模糊综合评判法确定的设备故障等级，及时安排所需的人员、设备、技术、维修范围及时间，以消除维修不及时对经济、安全造成的影响，达到高效维护的目的。

4.2 故障响应一体化机制

针对庞大的公路隧道机电系统，其所涉及的设备，无论是数量还是种类都是相当巨大的，运用传统的响应方法已不能满足当今的社会需求。本文采用互联网技术来解决这一问题，即将故障检测、分析诊断和系统维护综合到一个操作系统中，首先是检测信息的采集模块，包含有人工检测信息的录入和监控信息反馈；机电信息查询管理模块，包含有机电设备基本信息查询，以往故障信息查询及维护分析结果查询，数据备份、统计、打印等功能；参数和模型的设置，可直接把多级模糊综合评价导入到系统后，生成故障等级信息；分析诊断模块，包含有诊断基本信息查询、处理信息查询及分析结果查询；维护模块，包含有维护的一、二、三、四、五级维护界面，正好对应了故障等级的五级响应；此外，本一体化系统中还包含有隧道信息修改及新增隧道的拓展模块，以信息系统平台的方式实现设备故障响应一体化机制。

5 结语

公路隧道机电设备数量、种类庞大，其涉及到的故障等级影响因素众多，是一个比较复杂的系统，各种评价指标的选取和指标权重的确定直接影响最终的响应等级。故障等级划分评价指标体系的建立及完善值得更多的专家、学者进行深入的研究。本文通过建立一个互联网的信息平台来实现响应一体化机制，平台的信息交互 （PC版、手机版）值得进一步研究和开发。

[1] M F NG,V M Rao Tummala,Richard C M Yam.A Risk-based Maintenance Management Model for Toll Road/Tunnel Operations[J].Construction Management and Economic， 2003， 21（5）： 495-510.

[2] The AA Public Affairs.Making Europe′s Road Tunnels Safer for Users—the European Tunnel Assessment Program(EuroTAP)Inspections 2007[Z].Basingstoke:The AA Public Affairs,2007.

[3] U.S.Department of Transportation,Federal Highway Administration.Highway and Rail Transit Tunnel Inspection Manual[Z].Washington D.C.:U.S.Department of Transportation,Federal Highway Administration,2005.

[4] JTG H12—2003,公路隧道养护技术规范[S].

[5] Norwegian Public Roads Administration.Road Tunnel[Z].Oslo：Norwegian Public Roads Administration，2004.

[6] 黄章树.公路隧道养护管理信息系统的设计与实现[J].电脑开发与应用，2002，（6）：2-3.

[7] 周骏.基于GIS架构的高速公路机电系统维护体系研究[J].现代计算机：下半月，2004，（4）：70-73.

[8] 陈应祥，张桂梅.基于GIS的三层C/S结构高速公路设备维护管理系统研究[J].中国交通信息产业， 2006， （3）： 114-116.

[9] 雪戡，等.秦岭终南山特长公路隧道关键技术研究总报告 [R].重庆：重庆交通科研设计院，2008.

[10] 李葆文.现代设备资产管理[M].北京：机械工业出版社，2006.

[11] 游婷.基于可靠性的公路隧道机电养护管理系统研究[D].重庆：重庆交通大学，2011.