公路隧道机电系统技术状况综合评价模型

陈征

(河南省高速公路联网监控收费通信服务有限公司， 河南，郑州 450046)

0 引言

近年来，随着高速公路大规模发展，我国隧道工程随之日益增多。由于隧道内部结构和周边环境均比较复杂，为保障隧道的安全运营，需要建立一套完整的机电系统来监测隧道运营状态[1]。同时，隧道机电系统良好的技术状况不仅可以维护隧道的安全运行，更能及时反映隧道存在的安全隐患，因此深入研究隧道机电系统对隧道工程的发展具有重要意义[2-4]。

目前，关于隧道机电系统的评价方法展开了大量研究，如朱立伟[5]针对公路隧道机电系统运行风险实时评估技术进行研究，结果表明该系统可实现公路隧道机电系统运行风险的实时评估，对确保公路隧道的安全、高效运营，提高公路隧道服务水平具有重要意义。侯小鹏[6]关于浅埋暗挖大跨度隧道机电系统安全性模糊评价展开研究，利用AHP层次分析法与模糊数学理论，构建隧道机电系统的安全评价指标体系，并通过建立模糊评价矩阵，进行影响因素权重的计算，得到各个评价指标的权重分配，证明了该评价体系的有效性。杨丽琴[7]基于光纤光栅的高速公路隧道机电设备安全监测展开研究，利用光纤光栅传感器对隧道机电设备的多种状态进行综合监测，能够实时了解机电设备的健康状态，为公路隧道的安全运营提供保障，并且具有电绝缘、安装简便、反应灵敏、实时高效的优点。谢耀华等[8]关于一种公路隧道机电系统运营管理综合评价方法展开研究，并提出一种基于公路隧道机电设备技术指标状况、机电设备功效指标状况、养护管理制度完备性与执行情况及机电设备覆盖率等4个方面评价指标的高速公路隧道机电系统评价方法。综上所述，我国对隧道机电系统的评价取得了一定研究成果，主要集中在隧道机电系统的运行风险和运营管理方面，而关于机电系统整体结构和层次的评价方法研究还有待完善。基于此，采用逐级递进法，在考虑隧道机电系统设备可靠性、子系统有效度和整体有效度基础上评价隧道机电系统综合技术状况。

1 评价指标体系

1.1 建立原则

影响公路隧道机电系统的因素较多，其组成也比较复杂，为了确保公路隧道机电系统技术状况评价指标体系相对准确，在建立评价指标体系之前，应先考虑好评价指标体系的设计思路和实行方法，同时，在建立隧道机电系统指标评价体系过程中需遵循系统性、科学性、可操作性及定性描述等原则，采用多元线性回归法分别建立隧道机电系统设备可靠性、子系统有效度及整体有效度评价模型，并采用逐级递进的方法对隧道机电系统技术状况进行综合评价，以确保公路隧道机电系统技术状况评价指标体系检验结果的精准性。指标评价体系的建立需结合公路隧道机电系统的运行环境和检验的可行性进行综合考虑，以防止由于无法进行检验或检验过程过于复杂出现较大误差等情况发生，从而保证对公路隧道机电系统技术状况检测的时效性。

1.2 评价体系

公路隧道中保证其安全运营的关键硬件设施是机电系统，对机电系统中主要组成部分进行客观、有效的评价直接关系到公路隧道运营管理措施的制定和实施，因此，建立公路隧道机电系统技术状况评价指标体系尤为重要。由于公路隧道机电系统设备覆盖率较广、规模较大，考虑到评价指标体系的可行性和精准性，研究时将公路隧道机电系统指标体系分为系统层、子系统层及设备层进行评价。系统层针对所有系统的整体有效度进行评价，子系统主要针对通风系统、照明系统、消防系统、交通控制与诱导系统及闭路电视监视系统进行有效度评价，设备层主要针对机电系统中基础设施进行可靠性评价。公路隧道机电系统技术状况评价体系结构，如图1所示。

图1 公路隧道机电系统技术状况评价体系

2 综合评价模型

2.1 设备可靠性评价模型

设备可靠性指的是公路隧道机电系统基础设备在制定的运行环境下及一定时间范围内机电设备正常使用的概率，概率越高，机电设备可靠性越好，公路隧道机电系统技术状况就越佳[9-10]。影响机电设备可靠性的重要因素是设备的完好率和成新率，完好率代表机电设备在正常使用过程中的完好程度，成新率代表机电设备已使用时间与可使用期限的比值。研究通过建立公路隧道机电设备评价指标模型，分别针对机电设备完好率、成新率、影响完好率的检测项目、影响成新率的年限比值以及影响检测项目的检测子项进行可靠性评价。公路机电设备可靠性模型，如图2所示。

图2 公路隧道机电设备可靠性评价模型

图2机电设备评价模型中，计算公路隧道机电系统评价模型中检测项目完好率：

W1=Q111·W11+Q112·W12+…+Q11n·W1n

(1)

计算机电设备完好率：

W=Q11·W1+Q12·W2+…+Q1n·Wn

(2)

计算机电设备成新率：

(3)

结合式(2)、式(3)可得到机电设备可靠性为

K=Q1·W+Q2·C

(4)

式中，K代表机电设备可靠性，Q1代表机电设备完好率权值，Q2代表机电设备成新率权值，Q11、Q12、…、Q1n代表检测项目11、检测项目12到1n的权值，Q111、Q112、…、Q11n代表检测子项111、检测子项112到11n的权值，W代表机电设备完好率，W1、W2、…、Wn代表检测项目1、检测项目2到n的完好率，W11、W12、…、W1n代表检测子项11、检测子项12到1n的完好率，C代表机电设备成新率，y代表已使用年限，Y代表有效年限。

2.2 子系统有效度评价模型

公路隧道机电系统子系统主要由通风系统、照明系统、消防系统、交通控制与诱导系统及闭路电视监视系统等组成，子系统有效度指的是隧道机电系统在运行状态时各个电子系统充分发挥使用功能的程度，其可实现度越高，子系统的有效度就越高。同时，公路隧道机电系统子系统有效度还与机电设备可靠性的相关，其可靠性越高，子系统有效度也越好，因此子系统有效度主要由机电设备的可靠性和电子系统的使用功能状况决定。在建立公路隧道机电系统子系统有效度评价模型时，评价因素可从3个方面进行考虑，子系统使用功能状况和对应机电设备的运行状态；子系统使用功能状况的检测项目和相关机电设备的可靠性；子系统功能使用状况检测项目的检测子项。公路机电系统子系统有效度模型，如图3所示。

图3 公路隧道机电子系统有效度评价模型

图3中，Q1表示设备可靠性相对于隧道机电系统子系统的权值，Q2表示功能检测结果相对于隧道机电系统子功能的权值，Q1n表示设备n对应设备可靠性的权值，Q2n表示检测项目n相对功能检测结果的权值，Q22n表示检测子项n相对于第二个检测项目的权值。

公路机电系统子系统有效度评价模型中，相关机电设备的可靠性计算表达式为

(5)

功能检测结果完好率计算表达式为

(6)

检测项目i的完好率计算表达式为

(7)

式中，K为相关机电设备的可靠性，Ki为与机电系统功能状况相关的设备i的可靠性，Q1i为相关机电设备i的权值，W为功能检测结果完好率，Wi为检测项目i的完好率，Q2i为检测项目i的权值，Wi为检测项目i的完好率，Wij为检测项目i的第j个检测子项的完好率，Q2ij为检测项目i的第j个检测子项的权值。

隧道机电系统子系统有效度计算表达式为

Y=K×Q1+W×Q2

(8)

式中，Y为隧道机电系统子系统有效度，Q1为相关设备对应权值，Q2为功能检测项目对应权值。

2.3 整体有效度评价模型

公路隧道机电系统整体有效度时体现机电设备运行状况的重要评价指标，它主要是结合机电设备子系统有效度和子系统对隧道机电系统整体有效度的影响程度进行综合评价，因此子系统有效度是影响隧道机电系统整体有效度的重要因素。通过建立公路隧道机电系统整体有效度评价模型，分别检测隧道机电系统各个子系统有效度和子系统对隧道机电系统整体有效度的影响程度，然后根据检测结果和子系统的权值对公路隧道机电系统进行综合评价。公路机电系统整体有效度模型，如图4所示。

图4 公路隧道机电整体有效度评价模型

根据《公路隧道养护技术规范》(JTG H12-2015)的规范要求，隧道机电系统子系统权值相加应等于1，即在图4中Q1+Q2+Q3+…+Qm=1，其中Qm表示第m项子系统相对于隧道机电系统整体有效度的权值。公路隧道机电系统整体有效度计算表达式如下：

(9)

式中，Y为公路隧道机电系统整体有效度，Yi为第i个子系统有效度，Qi为第i个子系统的权值。

3 案例应用分析

以某段穿越隧道较多的高速公路为依托，该路段全长为114.6 km，全线包含特长隧道、中长隧道和中短隧道共计24座，隧道总长度合计约19.6 km。以其中某一中长隧道为例对公路隧道机电系统整体有效度进行验证分析，该隧道全长为7 654.8 m，车道设计为单向行车，最高车速限制为80 km/h，机电系统配套齐全，通风、照明及消防等子系统相对比较完善的公路隧道。

通过采用设备可靠性评价模型、子系统有效度模型和整体有效度模型，依次对公路隧道机电系统技术状况进行实例分析，分别针对隧道机电系统的通风系统、照明系统、消防系统、交通控制与诱导系统及闭路电视监控系统等多个子系统功能进行监测，然后结合监测数据，采用专家法确定子系统权值(专家分类及权重见表1所示)，依据式(8)得到各个子系统有效度，结果见表2。结合式(9)对隧道机电系统综合技术状况进行综合评价，得到该隧道机电系统整体有效度，见表2。

表1 专家分类及权重

表2 隧道机电系统整体有效度计算结果

根据表2可知，该隧道机电系统综合技术状况良好，子系统有效度大多超过0.6[8]，表明该隧道机电设备比较完善且机电系统运行状态比较好。隧道机电系统子系统中，通信功能和紧急电话及广播动能有效度相对较低，均未达到0.6，表明该隧道机电系统获取和传递信息的功能有所缺陷，可能会由于信息传递不及时而造成一定安全隐患，有待进一步提高和改善。通过结合子系统有效度和权值，计算得出隧道机电系统整体有效度为72.6%，计算结果与实测数据基本相近，说明该隧道机电系统处于良好的运行状态，综合技术状况基本达标，同时也存在缺陷需要完善。应用结果表明该评价模型的构建对隧道机电系统综合技术状况进行评价具有可行性。

4 总结

依据评价指标体系建立原则构建了隧道机电系统评价指标体系结构，并以此为依据采用多元线性回归法分别建立隧道机电系统设备可靠性评价模型、子系统有效度评价模型及整体有效度评价模型，采用逐级递进的方法对隧道机电系统技术状况进行综合评价。结合工程实例进行应用分析，得出该隧道机电系统整体有效度为72.6%，结果表明该隧道机电系统处于良好的运行状态，综合技术状况基本达标，计算结果与实测数据基本相近，但通信系统和紧急电话及广播系统有效度存在缺陷，有待进一步完善。应用结果表明该评价模型对隧道机电系统综合技术状况进行评价是可行的。