公路隧道機電系統可靠性分析方法

張宏軍

摘 ?要：文章提出了一種基于專家法和層次分析法的公路隧道機電系統可靠性評估體系和評估方法。評估體系由目標層、系統層、設備層以及評價單元層構成，覆蓋公路隧道五大機電子系統。其系統整體可靠性可由抽樣檢測設備的個體可靠性結合由專家法和層次分析法得出的權值計算得出。設備個體可靠性分析方法考慮設備功能完好率、成新率、穩定率以及支撐條件等因素，并結合機電設備技術要求進行綜合評估。

關鍵詞：公路隧道;機電系統;可靠性;層次分析法

中圖分類號：U457 ? ? ? ? 文獻標志碼：A ? ? ? ? 文章編號：2095-2945（2020）25-0136-02

Abstract： This paper presents a reliability evaluation system and method of highway tunnel mechatronical system based on expert method and analytic hierarchy process（AHP）. The evaluation system is composed of target layer， system layer， equipment layer and evaluation unit layer， covering the five major mechatronical systems of highway tunnel. The overall reliability of the system can be calculated from the individual reliability of the sampling testing equipment combined with the weights obtained by the expert method and the analytic hierarchy process. The equipment individual reliability analysis method takes into account the equipment function integrity rate， innovation rate， stability rate and support conditions and other factors， and makes a comprehensive evaluation combined with the technical requirements of mechatronical equipment.

Keywords： highway tunnel; mechatronical system; reliability; analytic hierarchy process

引言

公路隧道是公路交通系統的重要構成要素，為保障隧道行駛的安全性、高效性，道路管理單位會在隧道中配置一定規模的機電系統設備設施，用以實時監測和控制公路隧道運行環境參數。公路隧道機電系統構成復雜、要素眾多，其結構單元是否能夠實現其設計功能、以及實現的程度等顯著影響著道路管理單位對隧道運行狀態的監測和控制效果。

為了及時掌握機電系統本身運行性能狀態，本文提出一種基于專家法和層次分析法的公路隧道機電系統可靠性分析體系和分析方法。以下章節分為評估體系結構和評估方法兩部分簡述。

1 公路隧道機電系統可靠性評估體系結構

公路隧道機電系統可靠性指機電系統各個子系統、設備設施在運營時對設計功能及其工作支撐環境的實現程度。機電系統可靠性是系統各層子要素可靠性的綜合體現，應能對整個機電系統、子系統、設備設施進行評估。

影響機電系統可靠性評價要素可分為四層：目標層、系統層、設備層以及評價單元層。其中，目標層為系統可靠性，系統層包含機電系統各個子系統，設備層為子系統下所有構成設備設施。隧道機電系統可靠性評估要素體系結構見表1。

本文采用專家法和層次分析法，將評價體系中各個指標要素的重要性由行業內專家通過問卷調查進行重要性判斷，再采用層次分析法（Analytic Hierarchy Process，AHP）對重要性判斷矩陣進行一致性判斷、重要性計算，最終得到評價體系各層要素的重要性權重。

基于公路隧道機電系統可靠性評價體系結構及其重要性權值，不同隧道對象的機電系統可通過設備可靠性，通過加權求和計算子系統可靠性Ci和系統可靠性U：

Ci=Wi*Qi （1）

U=W*C （2）

其中，Wi為子系統中設備重要性權值向量，Qi=（q1，q2，…，qn）為子系統中構成設備的整體可靠性向量。W為子系統重要性權值向量，C為子系統可靠性向量。

設備整體可靠性受單個設備可靠性影響，公路隧道機電系統構成設備數量大，為保證檢測準確性和檢測效率，可通過抽樣檢測方法對布設數量較大的設備類型進行可靠性評估。采樣測點數量不小于設備母體總數的30%，同時應保證測點數最少不低于3個。通過抽樣，設備整體可靠性通過計算抽樣設備個體可靠性的加權和或均值得到：

2 設備可靠性評估方法

機電系統設備可靠性受設備本身性能以及運行環境影響，因而可靠性評價要素總體分為功能可靠性和支撐環境可靠性。其中，設備可靠性即設備設施能夠執行預期功能的概率。設備可靠性與設備的完好率、成新率、穩定率有關。因此，本文中，設備個體可靠性評價體系結構分為兩層，設備個體可靠性可通過其功能可靠性和支撐條件可靠性得分與對應重要性權重加權求和得到。功能可靠性可通過設備完好率、成新率、穩定率得分的加權和得出。體系中指標要素的重要性同樣采用專家法和層次分析法得出，指標及其重要性權重見表2。

計算得到設備個體可靠性后，同類設備可靠性、子系統設備可靠性、機電系統整體穩定性可分別通過公式（3）（1）（2）計算得出。

3 結論

本文所提出公路隧道機電系統可靠性評估體系和評估方法，考慮了設備功能的完好率、成新率、穩定率以及支撐條件等因素。整體體系可靠性可由設備個體可靠性經層次結構加權求和，得到同類設備可靠性、子系統可靠性、機電系統整體可靠性。評估結果信息覆蓋五大子系統從局部到整體的可靠性信息，可用于分析隧道設備工作可靠性并由機電系統維護保養決策提供數據支持。

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