隧道监控系统中的故障诊断

乌家玫

(1.上海交通大学 电子信息与电气工程学院，上海 200240，2.上海电气自动化设计研究所有限公司，上海 200023)

0 引言

如今，现代科学技术在隧道监控系统中的设备上应用的越来越广泛，现代设备的结构越来越复杂，功能越来越齐全，自动化程度也越来越高。由于许多无法避免的因素影响，会导致设备出现各种故障，从而降低或失去预定的功能，甚至会造成严重的以至灾难性的事故。若将设备故障诊断技术应用于隧道监控系统中的设备维修和管理，就能够将整条隧道的维护成本以及设备故障所带来的一系列损失降到最低，创造巨大的经济效益和社会效益。因此，在隧道内设备正式投入运行后，应对其做出合理的维护计划，并可将其联入隧道监控系统，以协助运维人员的现场维护。

合理的设备维护方式应该是具有预知性的，而并非在设备发生故障后进行维修。因此就需要故障诊断系统接入隧道监控系统。通过就其设备所在现场环境情况、运行方式等各种信号的采集与分析，并结合其运营单位运维人员的经验以及施工单位的施工经验，设备发生故障的预测以及处理进行管理，以提高设备运行的效率。

1 可靠性为中心的维修(RCM)分析方法

如图1所示，以可靠性为中心的维修(RCM)是目前国际上通用的用以确定设(装)备预防性维修需求、优化维修制度的一种系统工程方法。它的基本思路是:对系统进行功能与故障分析，明确系统内各故障后果;用规范化的逻辑决断程序，确定各故障后果的预防性对策;通过现场故障数据统计、专家评估、定量化建模等手段在保证安全性和完好性的前提下，以最小的维修停机损失和最小的维修资源消耗为目标，优化系统的维修策略[1]。

图1 RCM分析的一般过程

2 系统中设备的维修及预防性措施

以可靠性为中心的维修，实际上是将维修和预防性措施视作一个整体，其目标就是为了“解决问题”。对于一些结构简单、功能相对单一的元器件或者设备来说，其使用年限可以将设备原有的一般使用寿命和损耗情况结合起来进行考虑。但是，在实际运用中，一般使用的元器件或者设备都相对复杂。这些复杂的设备不能仅用功能寿命和损坏率来判断，还应与其工作环境、与其相对的辅助设备使用情况等各类因素有关。因此在隧道监控系统中，即便是同样的设备或者元器件，安装在不同的位置，其辅助设备安装的方式或者辅助设备本身的工况都会对其使用寿命和维修方案造成不同的影响[2]。

因此，实际使用中设备的维修及预防性措施必须根据设备实际的工况编制有针对性的预防性措施。因此，引入维修及预防性措施数据库。

(1)预防性维修

2显示了潜在故障发生的一般过程:PF 曲线，它显示了故障开始劣化到故障，可被探测到的点(潜在故障点P)，如果未探测到也未纠正，则性能继续变坏，速度常变快，直到到达功能故障点F[3]。如果在P点和F点之间探测到潜在故障，那么有两种可能性:一是防止功能性故障，有时可能在现有部件完全失效前进行维修，这取决于故障机理的性质。在这种情况里，我们既可以预防故障，又可以防止或降低故障后果。二是避免故障后果，在大多数情况下，探测一个潜在故障实际上无法防止部件发生故障，但仍可能避免或降低故障后果[4]。

(2)对象数据库

在隧道系统中，此数据库就是按照故障影响对其进行分类，并详细列出每一种故障针对设备的功能、性能及其对应的维修方案及预防性措施，并实时更新和归类系统运行过程中实际发生的所有故障。

系统数据库的来源主要由两个方面。第一，根据设备本身各参数，并参照之前使用时发生过的故障情况，在系统投入之前，存入数据库。第二，根据实际使用情况实时更新数据库，并调整预防性措施的周期及方案[5]。

图2 P—F曲线

3 监控系统预案库设计

根据RCM分析，完成故障模式及影响分析后，便进入了RCM逻辑决断过程。但是，由于隧道监控系统的复杂性和特殊性，为了确保可靠性维修的实现，其需要的不仅仅是一个故障分析的数据库，而且需要更为重要的数据库，即:预案库。此数据库是针对不同的故障，根据以往经验、常规判断，以及实际运营过程中维修、预防等的实际经历，构成一个提供“解决问题”方法的数据库。

(1)设备监控

针对隧道内的各种设备，采集管理所需的各类数据，实现设备的远程状态集中监视、数据检测、报警等功能。通过传统的PLC、D/A、I/O模块对隧道现场的各类控制柜、末端元器件等进行遥信、遥测等功能。对于中央控制室及机房内设备实行自诊断、运行监控及错误报警功能。通过以上功能实现对隧道内所有监控设备的远程设备监控。

(2)使用检查

在设备使用前及使用过程中，对其外观、控制点和基本动作进行检查，并在使用过程中，对设备的运行情况及运行状态进行确认。

(3)日常保养

① 定期对设备的除尘、清理，扫净监控设备显露的尘土，对摄像机、防护罩等部件要卸下彻底吹风除尘，之后用无水酒精棉将各个镜头擦干净，调整清晰度，防止由于机器运转、静电等因素将尘土吸入监控设备机体内，以确保机器正常运行。同时检查监控机房通风、散热、净尘、供电等设施。室外温度应在－20℃ ～+60℃，相对湿度应在10% ～100%;室内温度应控制在+5℃ ～+35℃，相对湿度应控制在10% ～80%，使机房监控设备有一个良好的运行环境。

② 根据监控系统各部份设备的使用说明，定期检测其各项技术参数及监控系统传输线路质量，处理故障隐患，协助监控主管设定使用级别等各种数据，确保各部份设备各项功能良好，能够正常运行。

③ 对容易老化的监控设备部件定期进行全面检查，一旦发现老化现象应及时更换、维修，如视频头等。

④ 对易吸尘部份定期清理，如监视器暴露在空气中，由于屏幕的静电作用，会有许多灰尘被吸附在监视器表面，影响画面的清晰度，要定期擦拭监视器，校对监视器的颜色及亮度。

⑤ 对长时间工作的监控设备定期维护，如硬盘录像机长时间工作会产生较多的热量，一旦其电风扇有故障，会影响排热，造成硬盘录像机工作不正常。

⑥对监控系统及设备的运行情况进行监控，分析运行情况，及时发现并排除故障。如:网络设备、服务器系统、监控终端及各种终端外设。桌面系统的运行检查，网络及桌面系统的病毒防御。

⑦ 提供定期的信息服务，定期将上月抢修、维修、维护、保养记录表以电子文档的形式报送监控中心负责人。之后用无水酒精棉将各个镜头擦干净，调整清晰度，防止由于机器运转、静电等因素将尘土吸入监控设备机体内，确保机器正常运行。

(4)预防维修

根据“设备监控”、“使用检查”及“日常保养”报表，对存在不稳定风险的设备进行定期的预处理，对于可能产生故障的设备进行提前的维修和处理[6]。

(5)修复维修

在设备发生故障时，对设备进行及时维修及故障处理。为保证维修的效率和可靠性，必须事先建立主要设备配件及基本元器件库，对于设备维修中必要的元器件进行储备(如各种必须的模块、开关、继电器、供电电源等)。

(6)设备更换

在设备无法维修、不能维修或者从代价上不值得维修时，对设备进行直接更换处理。为保证维修的效率和可靠性，必须事先建立主要备品备件库，对于经常性、易损性及需要相当长采购周期的产品进行储备(如摄像头、监视器、光缆、光端机、紧急电话、扬声器、各类探头、信号灯等)。

(7)改进维修

在对设备进行维修处理的过程中，如发现现有设备内相关元器件已经无法满足需求、类似更新的产品在实际使用上有远超于现有产品性能或能大幅提升系统效率、已被新产品更新(包括原型号已经停产无法采购等因素)，进行对应的设备改进维修。设备的改进维修必须注意新产品或新工艺对于原有系统的兼容性和使用的稳定性。

(8)预订报废

对于使用周期短、使用寿命短、在实际工况下无法保证长时间正常工作的设备，制定报废计划。直接根据计划对相应设备进行报废和更换。

(9)技术改造

由于监控系统在系统的先进性、功能性和系统兼容性上受新技术、新工艺、新方法的影响相对较大，为了保证系统内部功能的完善、对外接口的协调等。需对存在的功能上疏漏、不合理、有缺陷，对外接口形式落后、数据传输滞后的设备进行技术改造。由于技术改造涉及范围较广、影响较大，需要有专业性团队进行设计、改造;如涉及面广，相关方案需通过上级部门批准。

4 RCM计划

由于隧道设备监控系统对于安全性和可靠性要求的特点，其不存在修复维修、预订报废、改造维修之间的选择，一旦发生无法修复维修的情况必须第一时间进行改造维修;一旦到达预定报废的使用期限必须第一时间报废更换。由于同样原因，对于隧道设备监控系统而言，一切维修策略的出发点和终结点都是系统风险的最小化，所以同样无需考虑风险价值和风险预判等问题。其计划完全根据RCM影响分析和故障模式得出。但是，必须指出，随着故障点样本容量的扩大，其对于故障的风险/优先级也会随之发生变化(简单而言，可能会在实际运营过程中出现故障风险系数低的故障点反而需要优先处理的情况)，但是，由于其对于预案数据的数据采集及样本容量的增大是一个漫长而又多变的过程，就现今运行的隧道，并不会出现上述情况。故仅作为未来可能需要优化的一个潜在点提出，以备考据。

5 结束语

RCM作为现代化的维修管理模式，已经在各个领域里证明了其相比传统维修处理方式的优化。其实用性、科学性、专业性、高效性的特点也是未来维修管理模式的必然趋势。

隧道监控系统，作为现代化隧道运营、控制、管理的核心组成，同样已经逐渐成为了当今隧道设计的关注点。相比其他工业系统，隧道监控系统本身存在，系统多样、功能复杂、涉及知识及技术面广、产品及技术更新速度快等特点。由此导致隧道监控系统的维修管理，一直以来是隧道维护保养的一大难题和隐患。但是，由于管理人员及管理储备等诸多原因，导致对于如何制定一套隧道监控系统的维修管理模式，从未得到有效的解决。

本篇结合隧道实际的工况以及长年隧道施工及运营管理的经验，利用可靠性维修的理念，对隧道的维修管理提出了一套能符合实际操作及运营的模式。在有限的资源情况下，更为有利的对隧道进行管理、运营及维修。并同时将由于监控系统及其设备可能造成的风险降低到最低限度。

[1]何钟武，肖朝云，姬长法.以可靠性为中心的维修[M].北京:中国宇航出版社，2007.

[2]巫世晶.设备管理工程[M].北京:中国电力出版社，2005.5:151－153.

[3]鲁宗相.电厂事故的可靠性预测与防范[M].北京:中国电力出版社，2007:129－132.

[4]宋笔锋，冯蕴雯，刘晓东，等.飞行器可靠性工程[M].陕西:西北工业大学，2006:145－148.

[5]毛一轩.南京地铁设施设备RCM系统规划与实施[D].南京:南京理工大学硕士论文，2008.5.

[6]莫布雷.以可靠性为中心的维修[M].北京:机械工业出版社，1995.