公路隧道機電系統技術狀況綜合評價模型

陳征

(河南省高速公路聯網監控收費通信服務有限公司， 河南，鄭州 450046)

0 引言

近年來，隨著高速公路大規模發展，我國隧道工程隨之日益增多。由于隧道內部結構和周邊環境均比較復雜，為保障隧道的安全運營，需要建立一套完整的機電系統來監測隧道運營狀態[1]。同時，隧道機電系統良好的技術狀況不僅可以維護隧道的安全運行，更能及時反映隧道存在的安全隱患，因此深入研究隧道機電系統對隧道工程的發展具有重要意義[2-4]。

目前，關于隧道機電系統的評價方法展開了大量研究，如朱立偉[5]針對公路隧道機電系統運行風險實時評估技術進行研究，結果表明該系統可實現公路隧道機電系統運行風險的實時評估，對確保公路隧道的安全、高效運營，提高公路隧道服務水平具有重要意義。侯小鵬[6]關于淺埋暗挖大跨度隧道機電系統安全性模糊評價展開研究，利用AHP層次分析法與模糊數學理論，構建隧道機電系統的安全評價指標體系，并通過建立模糊評價矩陣，進行影響因素權重的計算，得到各個評價指標的權重分配，證明了該評價體系的有效性。楊麗琴[7]基于光纖光柵的高速公路隧道機電設備安全監測展開研究，利用光纖光柵傳感器對隧道機電設備的多種狀態進行綜合監測，能夠實時了解機電設備的健康狀態，為公路隧道的安全運營提供保障，并且具有電絕緣、安裝簡便、反應靈敏、實時高效的優點。謝耀華等[8]關于一種公路隧道機電系統運營管理綜合評價方法展開研究，并提出一種基于公路隧道機電設備技術指標狀況、機電設備功效指標狀況、養護管理制度完備性與執行情況及機電設備覆蓋率等4個方面評價指標的高速公路隧道機電系統評價方法。綜上所述，我國對隧道機電系統的評價取得了一定研究成果，主要集中在隧道機電系統的運行風險和運營管理方面，而關于機電系統整體結構和層次的評價方法研究還有待完善。基于此，采用逐級遞進法，在考慮隧道機電系統設備可靠性、子系統有效度和整體有效度基礎上評價隧道機電系統綜合技術狀況。

1 評價指標體系

1.1 建立原則

影響公路隧道機電系統的因素較多，其組成也比較復雜，為了確保公路隧道機電系統技術狀況評價指標體系相對準確，在建立評價指標體系之前，應先考慮好評價指標體系的設計思路和實行方法，同時，在建立隧道機電系統指標評價體系過程中需遵循系統性、科學性、可操作性及定性描述等原則，采用多元線性回歸法分別建立隧道機電系統設備可靠性、子系統有效度及整體有效度評價模型，并采用逐級遞進的方法對隧道機電系統技術狀況進行綜合評價，以確保公路隧道機電系統技術狀況評價指標體系檢驗結果的精準性。指標評價體系的建立需結合公路隧道機電系統的運行環境和檢驗的可行性進行綜合考慮，以防止由于無法進行檢驗或檢驗過程過于復雜出現較大誤差等情況發生，從而保證對公路隧道機電系統技術狀況檢測的時效性。

1.2 評價體系

公路隧道中保證其安全運營的關鍵硬件設施是機電系統，對機電系統中主要組成部分進行客觀、有效的評價直接關系到公路隧道運營管理措施的制定和實施，因此，建立公路隧道機電系統技術狀況評價指標體系尤為重要。由于公路隧道機電系統設備覆蓋率較廣、規模較大，考慮到評價指標體系的可行性和精準性，研究時將公路隧道機電系統指標體系分為系統層、子系統層及設備層進行評價。系統層針對所有系統的整體有效度進行評價，子系統主要針對通風系統、照明系統、消防系統、交通控制與誘導系統及閉路電視監視系統進行有效度評價，設備層主要針對機電系統中基礎設施進行可靠性評價。公路隧道機電系統技術狀況評價體系結構，如圖1所示。

圖1 公路隧道機電系統技術狀況評價體系

2 綜合評價模型

2.1 設備可靠性評價模型

設備可靠性指的是公路隧道機電系統基礎設備在制定的運行環境下及一定時間范圍內機電設備正常使用的概率，概率越高，機電設備可靠性越好，公路隧道機電系統技術狀況就越佳[9-10]。影響機電設備可靠性的重要因素是設備的完好率和成新率，完好率代表機電設備在正常使用過程中的完好程度，成新率代表機電設備已使用時間與可使用期限的比值。研究通過建立公路隧道機電設備評價指標模型，分別針對機電設備完好率、成新率、影響完好率的檢測項目、影響成新率的年限比值以及影響檢測項目的檢測子項進行可靠性評價。公路機電設備可靠性模型，如圖2所示。

圖2 公路隧道機電設備可靠性評價模型

圖2機電設備評價模型中，計算公路隧道機電系統評價模型中檢測項目完好率：

W1=Q111·W11+Q112·W12+…+Q11n·W1n

(1)

計算機電設備完好率：

W=Q11·W1+Q12·W2+…+Q1n·Wn

(2)

計算機電設備成新率：

(3)

結合式(2)、式(3)可得到機電設備可靠性為

K=Q1·W+Q2·C

(4)

式中，K代表機電設備可靠性，Q1代表機電設備完好率權值，Q2代表機電設備成新率權值，Q11、Q12、…、Q1n代表檢測項目11、檢測項目12到1n的權值，Q111、Q112、…、Q11n代表檢測子項111、檢測子項112到11n的權值，W代表機電設備完好率，W1、W2、…、Wn代表檢測項目1、檢測項目2到n的完好率，W11、W12、…、W1n代表檢測子項11、檢測子項12到1n的完好率，C代表機電設備成新率，y代表已使用年限，Y代表有效年限。

2.2 子系統有效度評價模型

公路隧道機電系統子系統主要由通風系統、照明系統、消防系統、交通控制與誘導系統及閉路電視監視系統等組成，子系統有效度指的是隧道機電系統在運行狀態時各個電子系統充分發揮使用功能的程度，其可實現度越高，子系統的有效度就越高。同時，公路隧道機電系統子系統有效度還與機電設備可靠性的相關，其可靠性越高，子系統有效度也越好，因此子系統有效度主要由機電設備的可靠性和電子系統的使用功能狀況決定。在建立公路隧道機電系統子系統有效度評價模型時，評價因素可從3個方面進行考慮，子系統使用功能狀況和對應機電設備的運行狀態；子系統使用功能狀況的檢測項目和相關機電設備的可靠性；子系統功能使用狀況檢測項目的檢測子項。公路機電系統子系統有效度模型，如圖3所示。

圖3 公路隧道機電子系統有效度評價模型

圖3中，Q1表示設備可靠性相對于隧道機電系統子系統的權值，Q2表示功能檢測結果相對于隧道機電系統子功能的權值，Q1n表示設備n對應設備可靠性的權值，Q2n表示檢測項目n相對功能檢測結果的權值，Q22n表示檢測子項n相對于第二個檢測項目的權值。

公路機電系統子系統有效度評價模型中，相關機電設備的可靠性計算表達式為

(5)

功能檢測結果完好率計算表達式為

(6)

檢測項目i的完好率計算表達式為

(7)

式中，K為相關機電設備的可靠性，Ki為與機電系統功能狀況相關的設備i的可靠性，Q1i為相關機電設備i的權值，W為功能檢測結果完好率，Wi為檢測項目i的完好率，Q2i為檢測項目i的權值，Wi為檢測項目i的完好率，Wij為檢測項目i的第j個檢測子項的完好率，Q2ij為檢測項目i的第j個檢測子項的權值。

隧道機電系統子系統有效度計算表達式為

Y=K×Q1+W×Q2

(8)

式中，Y為隧道機電系統子系統有效度，Q1為相關設備對應權值，Q2為功能檢測項目對應權值。

2.3 整體有效度評價模型

公路隧道機電系統整體有效度時體現機電設備運行狀況的重要評價指標，它主要是結合機電設備子系統有效度和子系統對隧道機電系統整體有效度的影響程度進行綜合評價，因此子系統有效度是影響隧道機電系統整體有效度的重要因素。通過建立公路隧道機電系統整體有效度評價模型，分別檢測隧道機電系統各個子系統有效度和子系統對隧道機電系統整體有效度的影響程度，然后根據檢測結果和子系統的權值對公路隧道機電系統進行綜合評價。公路機電系統整體有效度模型，如圖4所示。

圖4 公路隧道機電整體有效度評價模型

根據《公路隧道養護技術規范》(JTG H12-2015)的規范要求，隧道機電系統子系統權值相加應等于1，即在圖4中Q1+Q2+Q3+…+Qm=1，其中Qm表示第m項子系統相對于隧道機電系統整體有效度的權值。公路隧道機電系統整體有效度計算表達式如下：

(9)

式中，Y為公路隧道機電系統整體有效度，Yi為第i個子系統有效度，Qi為第i個子系統的權值。

3 案例應用分析

以某段穿越隧道較多的高速公路為依托，該路段全長為114.6 km，全線包含特長隧道、中長隧道和中短隧道共計24座，隧道總長度合計約19.6 km。以其中某一中長隧道為例對公路隧道機電系統整體有效度進行驗證分析，該隧道全長為7 654.8 m，車道設計為單向行車，最高車速限制為80 km/h，機電系統配套齊全，通風、照明及消防等子系統相對比較完善的公路隧道。

通過采用設備可靠性評價模型、子系統有效度模型和整體有效度模型，依次對公路隧道機電系統技術狀況進行實例分析，分別針對隧道機電系統的通風系統、照明系統、消防系統、交通控制與誘導系統及閉路電視監控系統等多個子系統功能進行監測，然后結合監測數據，采用專家法確定子系統權值(專家分類及權重見表1所示)，依據式(8)得到各個子系統有效度，結果見表2。結合式(9)對隧道機電系統綜合技術狀況進行綜合評價，得到該隧道機電系統整體有效度，見表2。

表1 專家分類及權重

表2 隧道機電系統整體有效度計算結果

根據表2可知，該隧道機電系統綜合技術狀況良好，子系統有效度大多超過0.6[8]，表明該隧道機電設備比較完善且機電系統運行狀態比較好。隧道機電系統子系統中，通信功能和緊急電話及廣播動能有效度相對較低，均未達到0.6，表明該隧道機電系統獲取和傳遞信息的功能有所缺陷，可能會由于信息傳遞不及時而造成一定安全隱患，有待進一步提高和改善。通過結合子系統有效度和權值，計算得出隧道機電系統整體有效度為72.6%，計算結果與實測數據基本相近，說明該隧道機電系統處于良好的運行狀態，綜合技術狀況基本達標，同時也存在缺陷需要完善。應用結果表明該評價模型的構建對隧道機電系統綜合技術狀況進行評價具有可行性。

4 總結

依據評價指標體系建立原則構建了隧道機電系統評價指標體系結構，并以此為依據采用多元線性回歸法分別建立隧道機電系統設備可靠性評價模型、子系統有效度評價模型及整體有效度評價模型，采用逐級遞進的方法對隧道機電系統技術狀況進行綜合評價。結合工程實例進行應用分析，得出該隧道機電系統整體有效度為72.6%，結果表明該隧道機電系統處于良好的運行狀態，綜合技術狀況基本達標，計算結果與實測數據基本相近，但通信系統和緊急電話及廣播系統有效度存在缺陷，有待進一步完善。應用結果表明該評價模型對隧道機電系統綜合技術狀況進行評價是可行的。