基于故障狀態(tài)演化的高速公路機(jī)電設(shè)備智能維護(hù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

　　摘要：以往高速公路機(jī)電設(shè)備智能維護(hù)大多采用人工檢測的形式，未能詳細(xì)計(jì)算機(jī)電設(shè)備中的故障數(shù)據(jù)、準(zhǔn)確判斷故障類型。為此，針對當(dāng)前高速公路機(jī)電設(shè)備智能維護(hù)的需求，設(shè)計(jì)基于故障狀態(tài)演化的高速公路機(jī)電設(shè)備智能維護(hù)系統(tǒng)。在高速公路機(jī)電設(shè)備智能維護(hù)中，故障監(jiān)測模塊融合物聯(lián)網(wǎng)傳感器技術(shù)、電子設(shè)備控制技術(shù)和數(shù)據(jù)分析處理技術(shù)，實(shí)現(xiàn)智能感知、網(wǎng)絡(luò)傳輸、信息整合以及應(yīng)用服務(wù)功能，并采用基于故障狀態(tài)演化的故障預(yù)測診斷混合模型實(shí)現(xiàn)高速公路機(jī)電設(shè)備故障檢測，將檢測結(jié)果傳輸至機(jī)電設(shè)備智能維護(hù)模塊，按照相應(yīng)類型選擇維護(hù)程序，完成高速公路機(jī)電設(shè)備智能維護(hù)。經(jīng)驗(yàn)證，該系統(tǒng)修復(fù)率大于99.98%，且維護(hù)效率和魯棒性高，可應(yīng)用于高速公路機(jī)電設(shè)備智能維護(hù)工作中。

　　關(guān)鍵詞：故障狀態(tài)演化;高速公路;機(jī)電設(shè)備;智能維護(hù);故障監(jiān)測;實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

　　隨著我國公路建設(shè)的迅速發(fā)展，有關(guān)公路管理相關(guān)技術(shù)已借鑒國外經(jīng)驗(yàn)，創(chuàng)新成具有中國特色公路管理技術(shù)。機(jī)電設(shè)備的供給可有效促進(jìn)高速公路的合理運(yùn)營，能夠提升公路管理水平[1]。高速公路機(jī)電設(shè)備不單組建內(nèi)容復(fù)雜，分布呈現(xiàn)分散性，涉及領(lǐng)域具有多樣化，管理維護(hù)存在一定難度[2]。為克服此類問題，提升機(jī)電設(shè)備維護(hù)管理程度，結(jié)合實(shí)際工作使用合理的維護(hù)系統(tǒng)是當(dāng)務(wù)之急。

　　高速公路機(jī)電設(shè)備維護(hù)的目標(biāo)是為高速公路營運(yùn)管理給予最好的交通工程機(jī)電技術(shù)設(shè)備，提升維護(hù)管理任務(wù)的效率，保證機(jī)電設(shè)備性能不出現(xiàn)異常[3]。本文設(shè)計(jì)一種基于故障狀態(tài)演化的高速公路機(jī)電設(shè)備智能維護(hù)系統(tǒng)，以期為高速公路營運(yùn)管理提供綿薄之力。

　　1 高速公路機(jī)電設(shè)備智能維護(hù)系統(tǒng)

　　1.1 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

　　故障監(jiān)測模塊融合物聯(lián)網(wǎng)傳感器技術(shù)、電子設(shè)備控制技術(shù)和數(shù)據(jù)分析處理技術(shù)，實(shí)現(xiàn)高速公路機(jī)電設(shè)備信息的智能感知、信息網(wǎng)絡(luò)傳輸和整合等功能。并采用基于故障狀態(tài)演化的故障預(yù)測診斷混合模型實(shí)現(xiàn)高速公路機(jī)電設(shè)備故障檢測，將檢測結(jié)果傳輸至機(jī)電設(shè)備智能維護(hù)模塊，按照相應(yīng)類型選擇維護(hù)程序，智能維護(hù)機(jī)電設(shè)備。

　　1)故障監(jiān)測模塊

　　融合物聯(lián)網(wǎng)傳感器技術(shù)、電子設(shè)備控制技術(shù)和數(shù)據(jù)分析處理技術(shù)，構(gòu)建故障檢測模塊實(shí)現(xiàn)高速公路機(jī)電設(shè)備故障檢測工作[4]。故障檢測模塊包含智能感知、網(wǎng)絡(luò)傳輸、信息整合以及應(yīng)用服務(wù)四種核心單元。故障監(jiān)測模塊的整體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

　　2)機(jī)電設(shè)備智能維護(hù)模塊

　　機(jī)電設(shè)備智能維護(hù)模塊包含交通控制設(shè)施維護(hù)、照明控制維護(hù)、供電控制維護(hù)、消防控制維護(hù)、車道控制標(biāo)志維護(hù)以及可變信息標(biāo)志維護(hù)等[5]。機(jī)電設(shè)備智能維護(hù)模塊的整體結(jié)構(gòu)如圖2所示。

　　1.2 軟件設(shè)計(jì)

　　系統(tǒng)中的故障監(jiān)測模塊采用基于故障狀態(tài)演化的故障預(yù)測診斷混合模型，實(shí)現(xiàn)高速公路機(jī)電設(shè)備故障檢測。

　　1.2.1 高速公路機(jī)電設(shè)備系統(tǒng)故障的數(shù)學(xué)模型

　　若高速公路機(jī)電設(shè)備系統(tǒng)出現(xiàn)故障，那么系統(tǒng)的動態(tài)狀態(tài)空間模型為：

　　y(t) =By(t)+ Cv(t) +Hig(t) (1)

　　x(t) =Dy(t) +Ev(t) +H2g(t)

　　(2)式中：高速公路機(jī)電設(shè)備狀態(tài)矢量、控制矢量依次設(shè)成y(t)，v(t);高速公路機(jī)電設(shè)備觀測矢量與故障矢量依次設(shè)成x(t)，g(t);B，c，D，E表示常數(shù)矩陣。高速公路機(jī)電設(shè)備系統(tǒng)的真實(shí)輸出存在一定故障矢量[6]。考慮到高速公路機(jī)電設(shè)備系統(tǒng)全部可能存在的故障類型，診斷原理圖見圖3，將未知時間的故障g(t)設(shè)成被控目標(biāo)，判斷故障信息類型[7]。

　　1.2.3 故障預(yù)測診斷混合模型

　　將高速公路機(jī)電設(shè)備系統(tǒng)故障模型與故障演化趨勢HSMM模型融合，獲取故障預(yù)測診斷混合模型[8]。將故障矢量設(shè)成關(guān)鍵因子導(dǎo)人HSMM模型中，系統(tǒng)不停的運(yùn)轉(zhuǎn)，高速公路機(jī)電設(shè)備故障信號愈加強(qiáng)烈，但前期狀態(tài)故障信號對后期狀態(tài)故障信號不具有直接干擾[9-10]。

　　高速公路機(jī)電設(shè)備故障診斷需處理問題：在已知觀測序列Xt={x1，x2，…，xt}和目前故障矢量g(t)前提下，計(jì)算出設(shè)備故障結(jié)果q((pt= yi|Xt)| g(t))。

　　2 實(shí)驗(yàn)分析

　　2.1 系統(tǒng)維護(hù)結(jié)果

　　為驗(yàn)證本文系統(tǒng)有效性，將本文系統(tǒng)應(yīng)用于某地區(qū)高速公路機(jī)電設(shè)備智能維護(hù)工作中，設(shè)定維護(hù)周期為1年，統(tǒng)計(jì)每個月中機(jī)電設(shè)備維護(hù)情況。本文系統(tǒng)維護(hù)結(jié)果如表1所示。

　　從表1可知，在1年時間里，高速公路機(jī)電設(shè)備故障次數(shù)與修復(fù)次數(shù)完全相符，本文系統(tǒng)修復(fù)率未低于99.98%，修復(fù)效果較好。

　　為進(jìn)一步分析本文系統(tǒng)性能優(yōu)勢，采用本文系統(tǒng)、高速公路機(jī)電設(shè)備壽命預(yù)測系統(tǒng)、機(jī)電設(shè)備振動信號故障診斷系統(tǒng)進(jìn)行對比實(shí)驗(yàn)。

　　2.2 故障率

　　采用三種系統(tǒng)對相同高速公路機(jī)電設(shè)備進(jìn)行智能維護(hù)12個月，將高速公路機(jī)電設(shè)備故障分為輕、中、重度三種。測試三種系統(tǒng)維護(hù)后，高速公路機(jī)電設(shè)備1年內(nèi)的故障率，三種系統(tǒng)的維護(hù)故障率對比結(jié)果見表2。

　　分析表2可知，該機(jī)電設(shè)備1年內(nèi)故障率存在差異，本文系統(tǒng)在三種不同程度故障維護(hù)中，平均故障率為0.01，均小于高速公路機(jī)電設(shè)備壽命預(yù)測系統(tǒng)等平均故障率。故本文系統(tǒng)故障率最低，維護(hù)效果最高。

　　2.3 維護(hù)效率

　　測試上述實(shí)驗(yàn)中三種系統(tǒng)維護(hù)時間開銷情況進(jìn)行對比，結(jié)果見圖4。

　　分析圖4可知，本文系統(tǒng)維護(hù)時間開銷均未超過20 ms，相比之下，高速公路電機(jī)設(shè)備壽命預(yù)測系統(tǒng)與機(jī)電設(shè)備振動信號故障診斷系統(tǒng)的維修時間開銷均大于本文系統(tǒng)。故本文系統(tǒng)在維護(hù)高速公路機(jī)電設(shè)備時，維護(hù)效率較高。

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