白金光

摘要 為保障軌道交通自動扶梯設(shè)備使用安全，降低設(shè)備的故障率，減少自動扶梯安全事故的發(fā)生，文章對自動扶梯智能預(yù)警及故障診斷系統(tǒng)在城市軌道交通車站的應(yīng)用進(jìn)行了探討。該系統(tǒng)為三層模塊化結(jié)構(gòu)，采用現(xiàn)地傳感器層、中間數(shù)據(jù)采集層及上位機(jī)數(shù)據(jù)儲存分析層架構(gòu)，通過在自動扶梯關(guān)鍵部位加裝各類傳感器，實(shí)現(xiàn)對設(shè)備電機(jī)、減速機(jī)、主軸軸承、驅(qū)動鏈等重要部件運(yùn)行狀態(tài)的實(shí)時(shí)監(jiān)測，同時(shí)亦可讀取現(xiàn)有的扶梯控制系統(tǒng)的狀態(tài)信息，經(jīng)過建模數(shù)據(jù)分析及診斷，形成各種運(yùn)行狀態(tài)報(bào)告，為使用單位提供重要的日常使用及保養(yǎng)依據(jù)，有效降低設(shè)備故障率。

關(guān)鍵詞 自動扶梯;智能預(yù)警;故障診斷;在線監(jiān)測

中圖分類號 U2341.4 文獻(xiàn)標(biāo)識碼 A 文章編號 2096-8949（2022）07-0001-04

0 引言

自動扶梯系統(tǒng)作為城市軌道交通系統(tǒng)中一個(gè)非常重要的機(jī)電設(shè)備配套設(shè)施項(xiàng)目，具有資金投入大，技術(shù)要求高，施工風(fēng)險(xiǎn)大，安全影響面廣等特點(diǎn)。城市軌道交通系統(tǒng)的地下車站以及高架車站的站內(nèi)及出入口均采用了自動扶梯系統(tǒng)，以方便且快速輸送乘客進(jìn)出車站。隨著城市軌道交通的快速發(fā)展，自動扶梯系統(tǒng)的需求和投入也不斷增加，目前全國在運(yùn)營的城市軌道交通自動扶梯設(shè)備約有1.2萬臺。并且因?yàn)槠渲苯用嫦虺丝偷奶厥庑?，地鐵車站自動扶梯設(shè)備的配置與運(yùn)行狀態(tài)的良好與否將直接影響到乘客的生命財(cái)產(chǎn)安全以及是否滿足城市居民的出行需求。

在現(xiàn)實(shí)中常因?yàn)榱慵p壞、維保不到位、以修代保、脫保等原因，導(dǎo)致自動扶梯的困人事件和重大事故不斷發(fā)生[1]。軌道交通自動扶梯設(shè)備的安全事故頻發(fā)，給國民經(jīng)濟(jì)帶來了巨大的損失，也造成了巨大的影響。因此如何保障軌道交通自動扶梯設(shè)備使用安全，降低設(shè)備的故障率，減少自動扶梯安全事故的發(fā)生，自動扶梯智能預(yù)警及故障診斷系統(tǒng)在城市軌道交通車站的應(yīng)用與探討很有必要。

1 系統(tǒng)概述

自動扶梯智能預(yù)警及故障診斷系統(tǒng)針對自動扶梯自身特點(diǎn)及運(yùn)行工況，通過在自動扶梯相應(yīng)部位加裝傳感器，同時(shí)讀取現(xiàn)有的扶梯報(bào)警系統(tǒng)的狀態(tài)信息，對自動扶梯狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)測分析，形成運(yùn)行各種狀態(tài)報(bào)告，發(fā)現(xiàn)自動扶梯的安全隱患，為運(yùn)行管理人員作出預(yù)警，避免發(fā)生嚴(yán)重事故，保證自動扶梯的安全運(yùn)行。同時(shí)利用數(shù)據(jù)和處理結(jié)果，能對故障進(jìn)行分析及診斷，掌握自動扶梯狀態(tài)，為自動扶梯的檢修提供解決方案。

自動扶梯智能預(yù)警及故障診斷系統(tǒng)采用了三層模塊化結(jié)構(gòu)，由現(xiàn)地傳感器層、中間數(shù)據(jù)采集層及上位數(shù)據(jù)儲存分析層組成，可以實(shí)現(xiàn)對自動扶梯電機(jī)、減速機(jī)、主軸軸承、驅(qū)動底座、主驅(qū)動鏈或主驅(qū)動輪、梯級鏈張緊輪或梯級鏈的振動、溫度及鏈條伸長等運(yùn)行狀態(tài)的實(shí)時(shí)監(jiān)測[2]。

2 系統(tǒng)特點(diǎn)

（1）根據(jù)自動扶梯不同負(fù)載情況，系統(tǒng)自動學(xué)習(xí)不同的預(yù)警值，從而有效提高設(shè)備故障預(yù)警的準(zhǔn)確性。系統(tǒng)可以根據(jù)扶梯初始運(yùn)行狀態(tài)，自學(xué)習(xí)一個(gè)扶梯運(yùn)行狀態(tài)數(shù)學(xué)模型，在扶梯長期運(yùn)轉(zhuǎn)過程中，任何偏離這個(gè)模型的狀態(tài)都定義為非正常狀態(tài)，智能系統(tǒng)能對非正常狀態(tài)進(jìn)行運(yùn)算和比對，并給出預(yù)警提示。

（2）為了有效避免由于人工檢測疏忽而造成的安全隱患。自動扶梯故障監(jiān)測、診斷、預(yù)警系統(tǒng)通過對電機(jī)電流、軸承以及扶梯停車制動時(shí)間進(jìn)行監(jiān)測并記錄，通過每天的數(shù)據(jù)記錄形成統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，從而形成系統(tǒng)趨勢數(shù)據(jù)。根據(jù)設(shè)備的報(bào)警數(shù)值不同，系統(tǒng)可以對振動特征數(shù)據(jù)庫進(jìn)行自診斷，并給出具體故障指示（可以是故障代碼），訪問只需通過以太網(wǎng)。

（3）自動扶梯故障監(jiān)測、診斷、預(yù)警是長期對自動扶梯的重要零部件、運(yùn)行狀態(tài)、重要報(bào)警信息以及扶梯的負(fù)荷狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)測，并進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，形成設(shè)備故障趨勢預(yù)警、運(yùn)行狀態(tài)評估，最后實(shí)現(xiàn)輔助設(shè)備的維護(hù)、維修。

（4）自動扶梯的監(jiān)測數(shù)據(jù)、診斷、預(yù)警信息最后通過網(wǎng)絡(luò)傳至指定的終端顯示裝置及手機(jī)App預(yù)警平臺軟件，方便客戶及時(shí)了解扶梯運(yùn)行情況。

（5）總體設(shè)計(jì)、傳感器選型、硬件和軟件的設(shè)計(jì)和配置，都根據(jù)自動扶梯的結(jié)構(gòu)和工況進(jìn)行了針對性的考慮和設(shè)計(jì)。

（6）良好的兼容性和擴(kuò)展性，可以與地鐵已有系統(tǒng)進(jìn)行通信，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)共享，同時(shí)，將來可以方便地?cái)U(kuò)展應(yīng)用到其他設(shè)備上

3 設(shè)計(jì)方案

3.1 系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?/p>

在扶梯的就近位置或者扶梯桁架內(nèi)部安裝就地柜，柜內(nèi)放置數(shù)據(jù)采集器，在扶梯相應(yīng)位置上安裝傳感器，傳感器線纜接入就地柜數(shù)據(jù)采集器上。

數(shù)據(jù)采集器通過傳感器不斷地自行采集振動數(shù)據(jù)，并通過內(nèi)置軟件和專家診斷系統(tǒng)，判斷設(shè)備振動幅值是否超標(biāo)，以及設(shè)備是否存在故障。數(shù)據(jù)采集器通過網(wǎng)絡(luò)對外輸出振動數(shù)值、報(bào)警指示和設(shè)備故障代碼[3]。

現(xiàn)地層的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)通過有線或無線網(wǎng)絡(luò)接入車站匯聚交換機(jī)，最終采用TCP/IP協(xié)議將采集到的數(shù)據(jù)信號傳輸至車站云平臺中心服務(wù)器。同時(shí)自動扶梯原有的全部故障報(bào)警信息也傳送到車站云平臺中心服務(wù)器的扶梯智能診斷系統(tǒng)內(nèi)，如圖1所示。

3.2 扶梯測點(diǎn)分布

自動扶梯一般分為電機(jī)、減速機(jī)、驅(qū)動底座、主驅(qū)動鏈或主驅(qū)動輪、梯級鏈張緊輪或梯級鏈。根據(jù)部件的重要程度測點(diǎn)一般布置如圖2所示。

自動扶梯子單元內(nèi)的數(shù)據(jù)采集器將采集到的振動信號、溫度、位移信號進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換，發(fā)送給故障診斷器進(jìn)行智能分析，將分析結(jié)果和重要的頻譜數(shù)據(jù)通過主干網(wǎng)絡(luò)上傳至維修中心服務(wù)器進(jìn)行診斷校驗(yàn)和智能決策，對數(shù)據(jù)進(jìn)行應(yīng)用和存儲。

傳感器的數(shù)據(jù)采集頻率可智能調(diào)節(jié)，正常情況下，暫按5～10 s采集一次（每一個(gè)傳感器的采集頻率可根據(jù)實(shí)際情況在軟件中進(jìn)行調(diào)整），當(dāng)數(shù)據(jù)發(fā)生異常時(shí)，加大相應(yīng)傳感器的采集頻率，從而準(zhǔn)確預(yù)判故障。

3.3 傳感器

3.3.1 傳感器選型

（1）振動監(jiān)測。振動傳感器主要對自動扶梯關(guān)鍵部件如電機(jī)、減速器、主驅(qū)動鏈、梯級鏈張緊輪、驅(qū)動底座螺栓、梯級鏈異常伸長等進(jìn)行振動監(jiān)測。

（2）紅外溫度監(jiān)測。紅外溫度傳感器可以不接觸目標(biāo)而通過測量目標(biāo)發(fā)射的紅外輻射強(qiáng)度計(jì)算出物體的表面溫度。非接觸測溫是紅外測溫儀最大的優(yōu)點(diǎn)，可以方便地測量難以接近或移動的目標(biāo)，獲取自動扶梯扶手帶精準(zhǔn)的溫度。

（3）鏈條伸長監(jiān)測。通過測量梯級張緊輪與固定端面的距離，判斷鏈條伸長的大小。

3.3.2 傳感器安裝

（1）振動傳感器安裝。選擇一個(gè)同傳感器安裝表面相同直徑約20 mm的端銑刀，在安裝傳感器的設(shè)備測點(diǎn)表面銑出一個(gè)平面（不便于銑的設(shè)備表面，須將該點(diǎn)的漆層及油污去除露出金屬本體，用銼刀或砂紙打磨出一個(gè)平面），在該銑出面先用粘合劑將金屬底座與設(shè)備粘貼牢固，然后用螺柱將金屬底座和傳感器旋緊連接。

（2）溫度傳感器安裝。溫度傳感器通過支架安裝在扶梯桁架上，位置如圖3所示：

（3）位移傳感器安裝。位移傳感器通過支架安裝在梯級張緊輪桁架上，通過與固定端面的距離讀取位移數(shù)值，見圖4。

3.4 數(shù)據(jù)采集器

數(shù)據(jù)采集器采用FPGA&DSP的架構(gòu)，使用高性能處理器，具備獨(dú)立執(zhí)行高速、大容量數(shù)據(jù)采集、分析、處理的能力。數(shù)據(jù)采集器的每個(gè)通道采用獨(dú)立24位A/D轉(zhuǎn)換，具備高精度的數(shù)據(jù)采集能力，支持全通道同步并行方式觸發(fā)采樣，實(shí)時(shí)采集、選擇存儲的數(shù)據(jù)處理機(jī)制。對高速實(shí)時(shí)采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行異常特征數(shù)據(jù)判斷、智能儲存，避免數(shù)據(jù)出現(xiàn)冗余，避免重要數(shù)據(jù)出現(xiàn)遺漏。數(shù)據(jù)采集器連接傳感器靈活便捷，系統(tǒng)可連接加速傳感器、速度傳感器、位移傳感器、溫度傳感器以及電壓或電流類型過程量信號源。

數(shù)據(jù)采集器具備傳感器故障檢測（斷線，短路等）、輸入通道自檢、擴(kuò)展的自檢和備份系統(tǒng);數(shù)據(jù)采集器支持通信故障下繼續(xù)數(shù)據(jù)采集和存儲功能（達(dá)1個(gè)月以上）;數(shù)據(jù)采集器集成以太網(wǎng)RJ45接口（10/100 MB自適應(yīng)）、RS485接口。不同的數(shù)據(jù)采集器之間采用以太網(wǎng)通信方式與專業(yè)的自動扶梯智能預(yù)警及故障診斷系統(tǒng)連接成一個(gè)獨(dú)立系統(tǒng)，數(shù)據(jù)通信符合TCP/IP協(xié)議。并且數(shù)據(jù)采集器可通過RS485或以太網(wǎng)等數(shù)據(jù)接口協(xié)議向自動控制系統(tǒng)、人機(jī)界面（HMI）或其他第三方系統(tǒng)提供狀態(tài)數(shù)據(jù)。

3.5 系統(tǒng)軟件

3.5.1 扶梯軟件平臺展示功能

系統(tǒng)可以對線路和車站設(shè)備分布圖、單臺設(shè)備監(jiān)測圖（運(yùn)行狀態(tài)、監(jiān)測部位、監(jiān)測部位狀態(tài)等）以及自動扶梯相關(guān)參數(shù)進(jìn)行展示（運(yùn)行狀態(tài)和故障狀態(tài)）。

（1）線路展示。線路監(jiān)控展示線網(wǎng)線路圖，點(diǎn)擊選擇站點(diǎn)，可進(jìn)入站點(diǎn)系統(tǒng)概況圖。站點(diǎn)顏色狀態(tài)表示設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)：紅色代表緊急故障，黃色代表一般故障，綠色代表設(shè)備運(yùn)行正常。（故障分類可按照環(huán)調(diào)的分類要求，或根據(jù)自身的需要添加）

（2）設(shè)備實(shí)時(shí)監(jiān)控。設(shè)備實(shí)時(shí)監(jiān)控展示設(shè)備總數(shù)、運(yùn)行設(shè)備總數(shù)、故障設(shè)備總數(shù)、設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)和故障狀態(tài)、測點(diǎn)狀態(tài)統(tǒng)計(jì)、巡檢統(tǒng)計(jì)、今日報(bào)警統(tǒng)計(jì)、站點(diǎn)實(shí)時(shí)監(jiān)控視頻等。關(guān)鍵信息一屏展示，可以更好地進(jìn)行分析決策。

（3）單臺設(shè)備監(jiān)控。單臺設(shè)備監(jiān)控實(shí)時(shí)各個(gè)設(shè)備的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，可以通過設(shè)備實(shí)時(shí)監(jiān)測界面點(diǎn)擊某臺設(shè)備進(jìn)入。主要監(jiān)測內(nèi)容如下：

電機(jī)：機(jī)械運(yùn)行異常、軸承運(yùn)行異常;

減速機(jī)：機(jī)械運(yùn)行異常、軸承運(yùn)行異常、潤滑油異常;

主軸軸承：軸承運(yùn)行異常;

驅(qū)動底座：基礎(chǔ)松動或移位引起的振動異常;

主驅(qū)動鏈或主驅(qū)動輪：振動異常;

梯級鏈張緊輪或梯級鏈：鏈條過松或碰磨引起的振動異常，張緊輪安裝不正引起的振動異常、位移。

通過單臺設(shè)備實(shí)時(shí)監(jiān)測，可及時(shí)了解該設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)，柔性展示，將隱患嚴(yán)重程度按顏色區(qū)分，幫助用戶輕松了解隱患嚴(yán)重程度并作出正確決策。避免用戶因缺乏電扶梯故障知識經(jīng)驗(yàn)難以進(jìn)行管理決策。

同時(shí)亦可以切換不同的部件，視角切換到相應(yīng)部件最佳觀察視角，測點(diǎn)位置和實(shí)時(shí)監(jiān)測數(shù)據(jù)可視化展示。

3.5.2 軟件故障診斷功能

故障診斷是對設(shè)備的故障進(jìn)行自動識別與診斷。當(dāng)設(shè)備測點(diǎn)發(fā)生報(bào)警時(shí)，系統(tǒng)啟動故障診斷分析模塊，通過內(nèi)置的故障診斷知識庫規(guī)則對設(shè)備運(yùn)行時(shí)的振動、溫度、電流等數(shù)據(jù)進(jìn)行篩選，并提取特征信息，將特征信息與規(guī)則進(jìn)行匹配和模式識別，判斷出最有可能的故障類型，給出結(jié)果和建議的處理措施。

（1）完整的譜圖分析功能。在數(shù)據(jù)分析頁面中用戶可以清晰地看到時(shí)間、設(shè)備、部件、參數(shù)趨勢、分析譜圖等，供人工分析專家對系統(tǒng)原數(shù)據(jù)進(jìn)行分析及學(xué)習(xí)等，為防止出現(xiàn)不常見的故障和誤判，該模塊用于診斷專家對頻譜數(shù)據(jù)進(jìn)行進(jìn)一步分析確認(rèn)。

該功能具有強(qiáng)大的數(shù)據(jù)和圖形顯示功能，可以按不同要求形成多種直觀的分析圖形或曲線。例如FFT頻譜圖、波形頻譜圖、多波形頻譜圖、振動趨勢圖、瀑布圖、包絡(luò)圖等多種圖形顯示。

（2）自動扶梯報(bào)警分析。在軟件的功能設(shè)置中，具有對數(shù)據(jù)的智能診斷和處理，該軟件不僅有支持ISO 10816標(biāo)準(zhǔn)的報(bào)警功能，還支持智能自學(xué)習(xí)式報(bào)警機(jī)制，能有效解決“誤報(bào)警”和“漏報(bào)警”問題。原理是通過對個(gè)體自動扶梯進(jìn)行基礎(chǔ)數(shù)據(jù)采集、分析、統(tǒng)計(jì)，自動生成報(bào)警的推薦值。由于這種報(bào)警機(jī)制不是機(jī)械地套用某個(gè)單一標(biāo)準(zhǔn)，而是充分考慮了單臺自動扶梯的“個(gè)體差異”，更具針對性和實(shí)用價(jià)值。系統(tǒng)成型的報(bào)警曲線的建立一般會在系統(tǒng)成功連續(xù)運(yùn)行兩周左右穩(wěn)定形成。軟件的報(bào)警方式有聲音、燈光兩種，并且可以進(jìn)行時(shí)間設(shè)置。

（3）歷史趨勢分析。該軟件具有強(qiáng)大的歷史趨勢分析功能，具有按不同要求形成歷史趨勢的曲線、按需要進(jìn)行不同時(shí)段和不同運(yùn)行工況的歷史曲線圖的功能。按時(shí)段進(jìn)行的趨勢分析能了解自動扶梯振動隨時(shí)間變化的變化情況，從而掌握自動扶梯部件的劣化趨勢、自動扶梯穩(wěn)定性的變化情況。按運(yùn)行工況進(jìn)行的趨勢分析能了解同種工況情況下的自動扶梯振動情況，并對比不同工況下的自動扶梯振動情況，從而了解自動扶梯的振動區(qū)。由此可進(jìn)行特殊情況的分析，為診斷提供了有力的依據(jù)。

3.5.3 智能預(yù)報(bào)警功能

（1）故障報(bào)警。系統(tǒng)提供智能報(bào)警功能。當(dāng)監(jiān)測到的振動、溫度、電流等數(shù)據(jù)值超過設(shè)定限值后發(fā)出報(bào)警信號。且頁面伴有報(bào)警指示，報(bào)警平臺窗口能自動彈出，并發(fā)出報(bào)警聲音，報(bào)警信息能以短信形式發(fā)送到相關(guān)人員的手機(jī)上。同時(shí)，系統(tǒng)提供報(bào)警記錄查詢功能，可隨時(shí)查看設(shè)備自運(yùn)行以來所有的報(bào)警記錄及其他詳細(xì)信息。

當(dāng)系統(tǒng)發(fā)出報(bào)警（傳感器報(bào)警、監(jiān)測數(shù)據(jù)報(bào)警），報(bào)警信息可通過短信和郵件兩種方式發(fā)送到負(fù)責(zé)人或工程師手機(jī)或郵箱中，使遠(yuǎn)離現(xiàn)場的負(fù)責(zé)人及工程師及時(shí)了解到站內(nèi)運(yùn)行信息，方便指令決策快速下達(dá)。

（2）維護(hù)檢修預(yù)警。維護(hù)檢修預(yù)警是利用相關(guān)智能算法，對車站電扶梯設(shè)備建立的預(yù)測模型進(jìn)行分析、求解，得到相關(guān)特征量的變化趨勢，判斷設(shè)備近期是否會發(fā)生故障，從而做到提前檢修維護(hù)。

（3）設(shè)備健康狀態(tài)評價(jià)。系統(tǒng)會對設(shè)備累計(jì)運(yùn)行時(shí)間、振動、溫度、油液清潔指數(shù)、工況等參數(shù)建立綜合健康狀態(tài)評價(jià)模型，對采集的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)提取狀態(tài)特征參數(shù)，計(jì)算當(dāng)前的狀態(tài)特征值，調(diào)用相應(yīng)的健康狀態(tài)評價(jià)模型，得出設(shè)備的健康狀態(tài)評估結(jié)果（良好、可用、需檢查、需停機(jī)），并直接以文字結(jié)論的形式呈現(xiàn)出來。

4 結(jié)論

在如今大數(shù)據(jù)時(shí)代，利用“互聯(lián)網(wǎng)+”的思維建立扶梯的監(jiān)測平臺，通過加裝傳感器和現(xiàn)有的扶梯報(bào)警系統(tǒng)結(jié)合起來，建立一套完善的自動扶梯智能預(yù)警及故障診斷系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)扶梯應(yīng)急救援信息的快速獲取、統(tǒng)籌調(diào)度、集中處理、數(shù)據(jù)分析、監(jiān)測與預(yù)警等，可以大大提高維修效率，做到有針對性地預(yù)知性維修，加快了事故處理速度，降低扶梯事故率，從而有效地將每一部自動扶梯的維修和管理與地鐵系統(tǒng)運(yùn)維融合起來，為地鐵相關(guān)部門的監(jiān)管提供有力的保障。

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