基于可靠性的電梯故障分析及診斷

天津科技大學 閻 明

電梯的安全可靠性，是一個系統工程，由設計、制造、安裝、維護各個環節和元器件的可靠性等來保證，電梯運行的可靠性關系到乘客的生命安全。目前，已有的電梯監控與故障診斷系統主要功能集中在電梯運行狀態的在線監視、自動報警與應急處理以及運行時運行信息的記錄與統計，注重數據記錄與統計。而對電梯發生故障情況下的診斷與排除研究較少，在電梯故障發生情況下，不能對電梯故障的及時、快速診斷提供指導意義，對于現場故障的排除無法進行。在我國，電梯用戶普遍把降低電梯的故障率、減少故障停梯時間、快速判斷和排除故障作為對電梯的首要要求。

1.可靠性的概念

從廣義上講，“可靠性”是指使用者對產品的滿意程度或對企業的信賴程度，從狹義來講，可以分為環境可靠性、產品可靠性等，一般產品或其他在使用期間沒有發生故障的性質。因此，可靠性可以定義為：產品、系統在規定的條件下，規定的時間內，完成規定功能的能力，一般包含了耐久性、可維修性、設計可靠性三大要素[1]。

在電梯故障分析中，電梯的可靠性運行可以定性為電梯設備在規定的條件和時間內完成所規定功能的能力。也就是說特定的條件、時間、完成某個任務是保證電梯安全可靠運行的核心條件。這其中“特定的條件”包括電梯使用時的環境以及工作條件，同一臺電梯在不同條件下工作表現出不同的可靠性水平[2]。

2.可靠性指標分析

電梯正常運行的條件還包括了電梯的規范使用以及良好的維護保養。“時間”和電梯設備的可靠性關系極為密切。在某個特定的時間完成一項任務響應，自然需要極高的可靠性。但是隨著電梯設備使用時長的增加，電梯的工作時間增大，自然其可靠性水平就會有所降低，電梯設備的可靠性和時間在數學角度存在一定的對應函數關系。“完成某個任務”是電梯設備功能表中給出的正常工作的性能指標，電梯的作用就是需要在某個環節成功完成運載環節。這其中還包括載重量、運行速度、安全保護功能、控制功能、平層準確度、噪聲、舒適感等。

電梯的安全可靠性一般我們可以把它分為固有可靠性和使用可靠性。固有可靠性是電梯在設計、制造中賦予的，是電梯設備固有的一種特性，也是產品的開發設計者可以控制的。而使用可靠性則是電梯在實際使用過程中表現出的一種性能的保持能力的特性，它除了考慮固有可靠性的影響因素外，還要考慮電梯在安裝、操作使用和維修保養等方面因素的影響[3]。

3.基于電梯可靠性故障診斷及分析

常用的安全可靠性分析有典型故障模式和故障樹分析兩種，典型故障模式是對電梯設備所有可能的故障，并根據對故障模式的分析，確定每種故障模式對電梯安全、正常運行的影響，找出單點故障，并按故障模式的嚴重程度及其發生的概率確定其危害性[4]。“故障樹”診斷方法通過對可能造成系統故障的各種原因進行分析，從而建立故障診斷系統的故障樹，并確定設備系統故障原因的組合方式及其發生概率，推理出設備系統發生各種故障的可能性，技術專家依據該診斷結果采取相應的措施進行調整設備[5]。

3.1 電梯故障分類

3.1.1 曳引式電梯

1）門機構引起故障

電梯門系統故障是各類電梯故障產生的最主要因素，約占所有故障比例的61%。門系統包括層門和轎門，是電梯的重要安全保護設施，據國家不完全統計，電梯發生的人身傷亡事故中約70%是由于層門引起的。門系統出現故障主要是運作相對頻繁、電氣聯鎖接觸不良、開關門受阻、人為撞擊層門和轎門等原因。

2）控制屏引起故障

電梯控制屏引起的故障在所屬上主要是電氣設備引起的故障，大約在設備原因中15%。主要包括：電梯的制動器無法正常工作、控制電路的芯片等線路板部分引起的故障、電路控制系統中中間繼電器以及接觸器引起的故障。

3）井道設備引起故障

井道設備主要存在于曳引電梯的鋼絲繩問題，約占8%，鋼絲繩問題一直是電梯發展的重要難題之一。

3.1.2 自動扶梯

1）梳齒與梳齒引起

在自動扶梯和自動人行道出現的主要故障中，梯級和梳齒板故障占31%。自動扶梯和自動人行道的梳齒板位于運行的梯級或踏板出入口，是與梯級或踏板相嚙合的部件，也是電梯的安全保護裝置，如有異物卡入可以使電梯停止運行。由于自動扶梯和自動人行道是敞開式的，如果乘客在使用扶梯時把雜物丟在梯級上，很容易使梳齒板卡入異物，導致故障停止運行。

2）扶手帶裝置引起

扶手帶裝置的故障率也相對較高，扶手帶是乘客使用自動扶梯時必須抓緊的部件，它必須與梯級同步運行，但由于制造材料和維修保養不當的原因，使用一段時間后扶手帶運行不暢或滯后，極易引起乘客后傾跌倒。

3.2 故障樹診斷方法

故障樹是一種將故障診斷系統故障形成的原因從整體到部分逐漸細化，對故障診斷系統的安全性和可靠性進行評價的分析方法。

3.2.1 故障樹的層次故障診斷模型

圖1 故障樹抽象樹

圖2 故障樹抽象傳播圖

圖3 規則庫分層原理

圖4 電梯運行中震動大的故障樹

故障樹模型是一個基于研究對象、功能特征的行為模型，它是一種定性故障因果模型。首先以對象最不希望發生的事件為頂端事件，逐級向下追溯各級事件的必需且充分的直接原因，直到不可分事件（底事件）為止。

圖1是一顆與或門相連的二叉樹，其中a為樹根（頂事件），b、c、d為中間節點（中間事件），e、f、g、h、i為葉節點（底事件）。

圖1中故障樹的故障傳播方向見圖2。

每條路徑都有故障傳播的權值，可見基于故障樹的傳播的有向故障樹圖為帶權有向故障樹圖。因為基于故障樹模型診斷的故障源處是故障樹的最低層，因此故障樹傳播方向為從頂事件——中間事中件——底事件。

故障樹模型是一個反映診斷對象結構、功能和行為的定性因果關系模型，它體現故障傳播的層次和子、父節點間關系的因果性。故障樹上某一節點和其父節點間構成一個正向因果鏈，就故障診斷而言，子節點是父節點的故障源。故障樹上某一子節點與其父節點之間存在著確定性的因果關系，即如果子事件發生，那么父事件一定發生表示為：IF子事件THEN父事件，因此可借鑒經驗規則的IF—THEN表示形式來表示故障樹的正向因果關系。但盡管表示形式相同，實質上兩者是有差別的，經驗知識中的lF—THEN表示的是淺知識，而故障樹模型中的IF—THEN表示的是深知識。因此系統把故障樹模型中的IF—THEN表示為廣義規則。

考慮到面向對象的思想與故障樹的結合，系統提供如下的知識表示形式：面向故障樹的基于框架和廣義規則的混合知識表示。所謂面向故障樹，就是把每個故障樹作為一個對象，有關該樹的信息裝在一個獨立的框架中，而框架對應廣義規則。

3.2.2 故障樹模型的推理

因為故障樹中下一層子故障是上一層父結點故障按照對診斷對象的某一分解原則（結構分解原則、功能分解原則、故障分解原則）分解得到的。所以故障樹中同一層的故障之間在結構、功能或故障傳播上是相互聯系的；當診斷出故障樹某一層中的一個故障時，通過結構、功能或故障傳播上的聯系一般便可以確定同層的其他故障。

由此解釋，依照故障樹的層次結構將規則庫分解為一層一層的規則子庫，如圖3，每一層規則子庫用來診斷故障樹相應層的故障。這樣，規則庫診斷系統在獲得用戶提供的故障征兆后，只需要一次推理便可確定所有故障原因，診斷效率大大提高。

本系統考慮到電梯系統故障中以電梯運行中震動大的故障為最多，所以對電梯運行中震動大的故障識別和診斷技術的要求越來越高。把專家系統理論和知識處理方法應用于故障診斷，建立完善的智能診斷系統，對電梯運行的穩定性和安全性有著相當重要的意義。

以圖4以電梯無法運行的典型故障樹為例，系統推理以故障現象、規則號、規則條件內容為診斷流程形式，逐層往下推理，最終得出故障結論。

本系統采用反向推理方式，在進行故障診斷的推理過程中，首先從事實及相關規則出發，層層往下推導.

4.小結

電梯產品集機械、電子、信息等多領域技術于一體，其構造的復雜性使上述前三種故障診斷技術難以在實際操作中得以應用。而在理論上對電梯故障作出了較深入的分析，基于案例推理的故障診斷和電梯的故障樹診斷方法的運用和對電梯故障進行分析，展開了較深入的理論分析，下一步的工作即是用理論計算的更換時間去現場操作，來進一步驗證理論分析的有效性。

[1]史慧,王偉,高戈.智能故障診斷專家系統開發平臺[J].計算機測量與控,2005,13(11):1167-1169.

[2]Liao S H,Expert system methodologies and applications-a decade review from 1995 to2004,Expert Systems with Applications,2005,28(1):93-103.

[3]吳明強,李霽紅,曹愛東,史慧.故障診斷專家系統綜合智能推理技術研究[J].計算機測量與控制,2004,12(10):932-934.

[4]Kolodner J.L.An introduction to case based reasoning[J].Arti fi cial Intelligence Review,1992,6(1):3-34.