高速公路机电设备运行状态评估和寿命预测

高速公路机电设备运行状态评估和寿命预测

梁健锋

广东路路通有限公司

摘要：我国高速公路建设是国家重点发展的目标，在推动国民经济的发展中发挥着举足轻重的作用。但是，目前高速公路上的机电设备在实际应用中，还缺乏有效的实时监控手段，以及对其寿命的预测不足。因此，本文介绍了一种用于实时监控机电设备运行状况的参数采集技术，其主要参数包括电压、温度、湿度、振动等。

关键词：机电设备；寿命预测；高速公路

引言：机械设备的正常运转关系到高速公路的安全、高效，在实际运营中，公路管理部门更多地关注高速公路的建设和相关的收费，而对机电设备却没有有效的监测。在我国高速公路的发展中，对电力系统的正常工作状况进行监控，与现有的监控手段及理论存在着严重的冲突。对机电设备进行有效的实时监控，已成为当务之急。近年来，世界上许多国家都开始对高速公路的机电设备进行管理，例如德国等国家在20世纪中期开始实施公路养护管理制度的改革，形成了一种新的生产与设计关系，并提出了“全制造与维护”、“及时管理”等现代管理模式和理论。此外，由于计算机技术和其他技术的飞速发展，使得电力电子仪器的实时监控方式不断丰富、精度不断提高，而无线通信技术、传感技术的不断发展也使其监控手段更加完善[1]。

一、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

高速公路机电设备在项目总投资中占有很大比重，是保证高速公路安全运营的关键。机械设备由于腐蚀、磨损、冲击等原因，会对机械设备造成不同程度的损坏，从而导致不必要的经济损失，严重时会引起安全和人身伤害。所以，对高速公路上的机电设备进行实时监控是十分必要的。高速公路的机电设备主要包括照明、广播、风机、交通诱导等。在高速公路的机电设备中，主要的监测资料来自于已安装的监控系统，以及一些重要的节点，主要是照明、配电柜、电源线等。电压、振动、温度是《公路隧道养护技术规范》 JTGH12-2015中重点监控节点的技术要求。比如，在高速公路机电设备中，灯具设备控制回路容易发生故障，必须对控制回路进行电压取样，其特征是电压的有效值、功率系数；风机设备在运行时，会产生加速度、位移等振动参数，在10~10000 Hz的频率范围内，由于风机设备的振幅最大，容易被监控和识别，所以可以设置振幅作为取样参数；由于照明设备在运行时会产生热量，从而对其工作状况产生很大的影响，通常采用SM1910B型传感器，它具有测量精度高、测量范围广等优点，能够很好地满足机电设备的温度监控需求。为实现对监控数据的高效分析，必须将复式传输技术用于多个传感器采集到的数据进行融合[2]。它包括频分复用和时分复用两种方式，其中一种是通过频率来调整，另一种是通过时间来调整的。时分复用传输分为同步和非同步，同步时间具有传输和接收同步的特性，在使用时无需考虑信道中是否存在数据，从而有效地提高了信道利用率。

1.2 高速公路机电设备监测系统

高速公路机电系统的监控系统包括硬件、软件、 FPGA嵌入系统的建立、取样控制等。硬件部分主要由 FPGA主控模块、传感器模块、模数转换模块、总线接口模块组成；其工作原理是由 ADC模块将采集到的数据转换成易于辨识的数字信号，再由总线接口模块将其传输至 FPGA控制模块，从而提高监控系统的可靠性和工作效率。该软件的运行平台是嵌入式处理器 NIOS，它的主要功能是对监控数据进行预处理，并实现数据通信。其工作原理是：对 FPGA电路进行重置和初始化，并对温度、湿度、振动、电压等进行采集，并将其进行融合，由 SPI和网络通讯模块进行封装和输出。

二、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

在设备老化早期，通过对设备运行状态的监测，对设备的寿命进行预测，可以有效地改善设备的安全运行。机电设备寿命是指从正常使用到完全丧失使用能力的一段时期。判定机械设备能否正常工作的主要依据是在规定的条件和时间内完成规定的运行状态。机械设备的寿命包括三个方面：经济寿命、物理寿命和折旧寿命[3]。

经济寿命是指在设备开始运行后，考虑到经济因素，也就是在设备所产生的效益超过了对设备的维修费用时，说明该设备仍在正常的经济寿命范围之内。机械设备的经济寿命是衡量设备更换周期的重要指标。机电设备的费用分为购置和折旧，以及在运行期间所发生的费用[4]。经营成本包括维护和能源消费，如石油、电力等。一般而言，在设备投入使用初期，购置费用要比投入运行费用高，因此，每年的投入费用都会有所降低，而且经济效益也会更好。设备的运行费用随设备寿命的延长而逐步超过购置设备的费用。通常采用年平均成本法对设备的经济寿命进行评估，

高速公路机电设备的物理寿命是指从设备启动到受损直至失效的整个期间，其物理寿命可以通过维护和修理来得到延长，其长度取决于设备的运行环境。现有的机械设备寿命评价主要有两种，一种是由设备制造商提供，另一种是采用 DelphiMethod法。前者是依据制造商多年的经验和采集的资料来预测设备的物理寿命，而后者则是依据设备的工艺、材料、使用和环境，依赖于有关的专业技术人员、专家以及长期的管理人员对设备的实际寿命进行阶段性的评价。

高速公路机电设备的折旧年限是指从设备投入使用到报废后的价值。机电设备在使用期间，会发生固定资产的折旧，也就是资产在使用期间的实际损毁与无形损耗之和。根据我国有关法规，机械设备折旧年限为13-15年，采用直线折旧法、平均年龄法、劳动法等方法进行折旧[5]。此外，折旧年限是指设备的总价值减去剩余价值而使其接近零的时间。其主要影响因素为：预计使用寿命、折旧基数、折旧方法和预计净残值。预期使用年限是对设备的基本性能的预测，做出这种预测的因素包括设备的预期生产能力、设备在使用过程中的磨损、设备在使用过程中由于新技术的发展而造成的设备的无形化损耗以及国家关于能耗的法律法规[6]。固定资产折旧基础是指设备购置至设备正常使用所发生的费用，包括设备运输、装卸、储存等费用。估计净残值是指设备在失效后仍保留的剩余价值，我国对机械设备的剩余价值要求为3%~5%。

结语：高速公路机电设备是高速公路“神经”，是保证高速公路安全运行的关键，但由于缺乏有效的实时监控技术和使用寿命预测方法，无法对其进行准确的设备状态评价。

参考文献：

[1] 李卓 . 浅谈高速公路机电系统的维护与管理 [J]. 中国新技术新产品，2016（10）：162-163.

[2] 曾广财 . 关于高速公路机电维护工作的实践与探讨 [J]. 中国高新区，2018（4）：221.

[3] 曾广财 . 高速公路机电系统的管理与维护对策 [J]. 科技风，2018（4）：81.

[4] 杨渝，陈瑶，苏昆，等 . 基于 Zig Bee/RFID 的高速公路机电设备一体化监测系统设计 [J]. 科技资讯，2017，15（7）：21-23.

[5]谭小刚.高速公路隧道机电设施检测技术应用研究[D].西安：长安大学，2014.

[6]顾汶泰.“互联网+”背景下高速公路机电系统的创新分析探寻[J].中国设备工程,2022,(08):191-192.