探讨高速公路机电设备运行监测及使用寿命预测

张征

摘要 近年来，我国高速公路总里程不断增加，但部分路段的机电设备存在实时监测方法缺失、使用寿命预测依据不足的问题。基于此，文章提出了具体的数据采集方法，用于实时监测机电设备的运行状态，通过试验分析，发现具有良好的应用效果。此外，通过运用模拟分析理论，提出了一种科学的方法，能准确预测高速公路机电设备的使用寿命，旨在为该领域的研究提供参考。

关键词 机电设备；寿命预测；运行状态；模糊理论；高速公路

中图分类号 U418.7文献标识码 A文章编号 2096-8949（2024）05-0186-03

0 引言

高速公路机电设备结构复杂，常应用于恶劣复杂的環境中。机电设备的正常稳定运行，是高速公路安全畅通的重要保障[1]。现实中对于高速公路的管理，常将重心放到高速公路项目建设以及高速通行费管理方面，缺乏完整、高效的高速公路机电设备监测体系[2]。因此，该文结合模拟综合评价理论，提出了一种科学的方法，用于科学评估机电设备运行状态，并准确预测其使用寿命。

1 高速公路机电设备监测状态

1.1 高速公路机电设备监测参数

建设高速公路工程项目，其中一部分资金主要用于购置安装配套的机电设备，此类设备用于道路沿线照明、信息广播传递、封闭环境的通风以及交通诱导等。设备运转正常与否，事关高速公路的安全运行。高速公路机电设备的应用环境比较恶劣，经常受到腐蚀、磨损及冲压等伤害，导致设备严重受损，无法正常运转，一方面造成巨大的经济损失，另一方面会严重危及高速公路行车安全，引发交通事故。所以，必须采用有效方法实时监测机电设备的运行状态。将监测系统安装于高速公路照明设备、配电柜以及电源线等关键节点设备，收集高速公路的运行数据，从而完成实时监测[3]。

依据当前实行的高速公路养护技术文件要求，需要实时收集的机电设备监测数据主要有电压、振动以及温度等。运用多路复用技术处理分析收集到的监测数据，其中包含频分复用与时分复用两种方法，前一种方法主要运用频率，后一种方法运用时间。

1.2 高速公路机电设备监测系统

公路工程机电设备监测系统，主要利用FPGA嵌入设施、采样控制电路等软硬件系统组成，其主要内容分述如下：

（1）硬件系统中包含传感器、模数转换器、总线接口，这三大模块。传感器用于收集运行数据、模数转换器主要功能是为便于信息识别[4]。系统总线接口的主要功能是将设备数据信息传递到FPGA主控模块，由此实现监测系统的稳定运行，且获得更大的使用效果。

（2）软件系统通过嵌入式处理器NIOS实现操作，运用该设备可对机电设备的运行数据进行预处理，并与数据通信接口建立联系。其运行过程是先复位并初始化FPGA电路，之后快速收集机电设备的振动、电压及温湿度等数据，数据收集结束后，借助预处理模块快速准确识别相关数据信息，在规定时间内收集并打包设备运行数据，之后向外传送。

（3）FPGA嵌入式系统构建有两方面功能，其一是创建系统开发环境，其二是将监测系统的bootloader、yaffs模块植入其中。

（4）采样控制电路主要包含FIFO存储器、I2C通信协议传输和时分复用模块，是基于FPGA开发硬件系统，对系统相关模块进行有效控制。

（5）收集到的机电设备运行数据在FIFO存储器模块中保存[5]，如表1所示，为各个端口的功能。如图1所示，为FIFO存储器的测试结果，从图1中可以看出，采样系统中电路的设计达到了预想的目的。开发数据采集系统时，由于时钟的频率较高，会导致芯片发生延迟，从而损害到电路系统。所以，应合理控制时钟频率，不能超过5OMHz。收集到的设备运行数据，借助于I2C通信协议实现有效传输，这期间应将其与FPGA系统板寄存器等硬件系统模块相连接。当运用时分复用模块读取收集到的高速公路机电设备运行数据时，其先后顺序为datain-a、datain-b和datain-c，数据与dataout合并后，再传输出去。通过分析其测试结果可知，各项数据已实现充分融合。

通过现场对某高速公路机电设备进行实时监测，从而验证其监测系统的有效性。现场监测主要是监测机电设备的配电箱、照明设备，并借助各种传感器实时监测高速公路机电设备的温湿度、振动频率等数据。如表2所示，为机电设备的实时监测数据，开展监测工作时，由于为阴天天气，因此监测到的机电设备有较高湿度；高速公路上的车辆行驶过程中，会引发控制箱共振，因此有时间段的振动频率会出现较大波动。通过分析机电设备的监测数据可知，所构建的机电设备监测系统能实时监测机电设备的运行状态[6]。

2 高速公路机电设备使用寿命预测

2.1 机电设备使用寿命的确定

高速公路上的机电设备经过多年的运行，不可避免地会产生性能劣化现象，利用采集到的设备监控数据，对其运行寿命进行科学的预测，并对保证机械、电气设备的正常工作和安全运转具有重要意义。机械设备寿命主要是经济、物理、老化这三个方面的有效期间。

经济寿命是指设备在运行过程中，其使用经济性处于增效期。经济寿命是决定设备更新周期的重要标准，在经济使用年限下，对高速公路的安全运行具有重要意义，并为人们的出行提供极大方便[7]。当机电设备多年连续运行后，其运营成本不断攀升，最终超出机电设备的自身价值，此时需要考虑更换设备。年平均使用成本法是评价设备经济寿命的主要方法，其公式如式（1）。

UAC=[C?Sn（1+i）?n+∑Cn（1+i）?n]÷[P/（A，i，n）] （1）

式中，C——固定资产；Sn——设备第n年的剩余价值；Cn——设备运行n年后正常运行所需的费用；n——设备的预期使用寿命；i——折现率；UAC——年均成本；P/（A，i，n）——普通年金现值系数。

全面掌握机电设备的成本构成，对于准确、高效地预测机电设备的经济寿命至关重要。通常情况下，机电设备的总成本由设备成本、运行成本两部分构成，前者主要有设备购买费用、能耗、维修费以及更换配件费用等，后者主要包含设备管理工作人员的工资、奖金及福利费用。

高速公路机电设备的物理寿命是指机电设备正式运行后到设备报废的时间总长。机电设备的运行环境因素会影响机电设备的物理寿命，及时维修及修复设备，能有效延长其物理寿命。现阶段，设备厂家凭借自身经验及积累的设备数据，可向用户提供具体方法，用于评估设备的物理寿命。此外，用户还可采用Delphi Method方法实施预测，完成机电设备物理寿命的阶段性评估，该预测方法主要依赖于设备运维人员以及管理人员的丰富经验。

机电设备正式投入运行，多年后需要通过折旧的方式回收其原始价值，此时就是其折旧寿命。设备被划归为运营单位的固定资产，使用当中必然有折旧，机电设备的法定折旧年限一般在13～15年，计算设备折旧的方法主要有直线折旧法、平均年龄法以及工作量计算等方法。使用寿命、折旧率及计算方法等，各种因素都会影响到机电设备的折旧寿命。通过分析预测机电设备的相关性能指标，从而对其使用寿命做出预测，这需要综合考虑多方面的因素，例如设备性能、设备磨损导致的经济损失，以及国家出台的能耗政策等[8]。

2.2 机电设备使用寿命预测实例分析

预测机电设备的使用寿命主要采用两种方法，其一是分析设备的物理故障，其二是通过设备数据信息进行驱动。为确保高速公路稳定安全运行，需要配置大量的机电设备，有些设备体积巨大，这就导致很难确定其物理故障原因，针对这一问题，提出了一种基于数据驱动的设备寿命预测方法，该方法利用故障数据、劣化数据来进行预测。采用老化数据进行设备服役寿命预测，是通过对设备性能、运行费用和运行周期等方面的监控，来获取设备的老化状态数据。式（2）为设备T的物理寿命、经济寿命的计算公式。

T=αtp+βte （2）

式中，tp——设备物理寿命；α——物理寿命所占的权重；te——设备经济寿命；β——经济寿命所占的权重。根据帕累托原则设定α和β的值，即分别为20、80。

预测机电设备的使用状态及使用寿命，需要繁杂的计算过程，因此该文预测设备使用寿命，运用的是模糊综合评价方法，其步骤：第一步，确立模糊规则；第二步，向设备监测系统录入各种变量；第三步，确立养护设备所用的具体方法。开展机电设备的使用寿命预测，需要将设备维保成本、使用年限、运行环境、故障率及维修方法录入系统，如表3所示，为高速公路机电设备故障率的控制指标。

设备技术专家及维修人员根据所拥有的丰富经验，设立模糊预测方法模拟高速公路机电设备的运行状态及改造条件，主要采用PYTHON模糊计算工具，其中所需的数据主要为实时监测照明设备所收集到的数据。例如，结合设备的具体运行状况，将敏感性参数分别录入预测系统中，显示其故障率为0.18，且运维成本要占到设备自身价值的一半，由此证明该机电设备的维修难度较高，设备较为重要，其运行环境条件复杂。系统最终的输出结果显示“养护维修方式=0.86”时，这就意味着照明设备已不具备维修价值，应更换使用新设备，该预测结果符合高速公路照明设备的使用现状。

3 结论

综上所述，机电设备属于高速公路系统的重要构成，关系到高速公路的安全高效运行。当前无法实时监测机电设备，且不能准确预测其寿命，缺少足够的数据用于评估设备运行状态。鉴于此，该文提出了具体的参数采集方法，用于实时监测高速公路机电设备的温湿度、振动频率等数据，从而判断其运行状态，并结合配电控制箱及照明设备验证参数，证明此方法成效显著。输入的变量主要有设备单价及维保费用、使用年限及故障率等，由此确定的养护类型有四类，分别是保养小修、中修、大修改造和报废更新，采用照明设备实例验证此方法的有效性，证明能准确预测高速公路照明设备的使用寿命，具有良好的推广应用价值。

参考文献

[1]王丽. 高速公路机电设備运行状态智能监测系统设计[J]. 交通世界， 2023（15）： 179-181.

[2]蒲米世行， 杨孟， 陈建忠. 高速公路机电设备故障预测与智慧管理动态研究[J]. 交通节能与环保， 2023（4）： 90-94.

[3]孙晓宁. 高速公路机电设备智慧运维分析[J]. 工程建设与设计， 2023（14）： 91-93.

[4]闫会明. 高速公路收费站机电设备可视化管理及实时监控研究[J]. 黑龙江交通科技， 2023（8）： 177-179.

[5]韦杰. 高速公路项目机电设备的智能供电技术探讨[J]. 交通科技与管理， 2023（11）： 177-179.

[6]刘永龙， 李中汉， 李东毅. 基于物联网技术的高速公路机电设备智能监控系统[J]. 西部交通科技， 2023（4）： 23-25+28.

[7]秦湖. 公路项目机电工程的设备管理系统探讨[J]. 交通科技与管理， 2023（10）： 156-158.

[8]杨林松. 高速公路中的机电设备监控管理标准化分析[J]. 集成电路应用， 2023（4）： 66-67.