张宏军

摘  要：文章提出了一种基于专家法和层次分析法的公路隧道机电系统可靠性评估体系和评估方法。评估体系由目标层、系统层、设备层以及评价单元层构成，覆盖公路隧道五大机电子系统。其系统整体可靠性可由抽样检测设备的个体可靠性结合由专家法和层次分析法得出的权值计算得出。设备个体可靠性分析方法考虑设备功能完好率、成新率、稳定率以及支撑条件等因素，并结合机电设备技术要求进行综合评估。

关键词：公路隧道;机电系统;可靠性;层次分析法

中图分类号：U457         文献标志码：A         文章编号：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构成要素，为保障隧道行驶的安全性、高效性，道路管理单位会在隧道中配置一定规模的机电系统设备设施，用以实时监测和控制公路隧道运行环境参数。公路隧道机电系统构成复杂、要素众多，其结构单元是否能够实现其设计功能、以及实现的程度等显著影响着道路管理单位对隧道运行状态的监测和控制效果。

为了及时掌握机电系统本身运行性能状态，本文提出一种基于专家法和层次分析法的公路隧道机电系统可靠性分析体系和分析方法。以下章节分为评估体系结构和评估方法两部分简述。

1 公路隧道机电系统可靠性评估体系结构

公路隧道机电系统可靠性指机电系统各个子系统、设备设施在运营时对设计功能及其工作支撑环境的实现程度。机电系统可靠性是系统各层子要素可靠性的综合体现，应能对整个机电系统、子系统、设备设施进行评估。

影响机电系统可靠性评价要素可分为四层：目标层、系统层、设备层以及评价单元层。其中，目标层为系统可靠性，系统层包含机电系统各个子系统，设备层为子系统下所有构成设备设施。隧道机电系统可靠性评估要素体系结构见表1。

本文采用专家法和层次分析法，将评价体系中各个指标要素的重要性由行业内专家通过问卷调查进行重要性判断，再采用层次分析法（Analytic Hierarchy Process，AHP）对重要性判断矩阵进行一致性判断、重要性计算，最终得到评价体系各层要素的重要性权重。

基于公路隧道机电系统可靠性评价体系结构及其重要性权值，不同隧道对象的机电系统可通过设备可靠性，通过加权求和计算子系统可靠性Ci和系统可靠性U：

Ci=Wi*Qi （1）

U=W*C （2）

其中，Wi为子系统中设备重要性权值向量，Qi=（q1，q2，…，qn）为子系统中构成设备的整体可靠性向量。W为子系统重要性权值向量，C为子系统可靠性向量。

设备整体可靠性受单个设备可靠性影响，公路隧道机电系统构成设备数量大，为保证检测准确性和检测效率，可通过抽样检测方法对布设数量较大的设备类型进行可靠性评估。采样测点数量不小于设备母体总数的30%，同时应保证测点数最少不低于3个。通过抽样，设备整体可靠性通过计算抽样设备个体可靠性的加权和或均值得到：

2 设备可靠性评估方法

机电系统设备可靠性受设备本身性能以及运行环境影响，因而可靠性评价要素总体分为功能可靠性和支撑环境可靠性。其中，设备可靠性即设备设施能够执行预期功能的概率。设备可靠性与设备的完好率、成新率、稳定率有关。因此，本文中，设备个体可靠性评价体系结构分为两层，设备个体可靠性可通过其功能可靠性和支撑条件可靠性得分与对应重要性权重加权求和得到。功能可靠性可通过设备完好率、成新率、稳定率得分的加权和得出。体系中指标要素的重要性同样采用专家法和层次分析法得出，指标及其重要性权重见表2。

计算得到设备个体可靠性后，同类设备可靠性、子系统设备可靠性、机电系统整体稳定性可分别通过公式（3）（1）（2）计算得出。

3 结论

本文所提出公路隧道机电系统可靠性评估体系和评估方法，考虑了设备功能的完好率、成新率、稳定率以及支撑条件等因素。整体体系可靠性可由设备个体可靠性经层次结构加权求和，得到同类设备可靠性、子系统可靠性、机电系统整体可靠性。评估结果信息覆盖五大子系统从局部到整体的可靠性信息，可用于分析隧道设备工作可靠性并由机电系统维护保养决策提供数据支持。

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