地鐵機電設(shè)備故障監(jiān)測與智能診斷系統(tǒng)

李　欣　彭繼紅

(北京市軌道交通設(shè)計研究院有限公司　北京　100089)

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地鐵機電設(shè)備故障監(jiān)測與智能診斷系統(tǒng)

李欣彭繼紅

(北京市軌道交通設(shè)計研究院有限公司北京100089)

闡述北京地鐵線網(wǎng)建設(shè)加速后地鐵機電設(shè)備安全運營和設(shè)備維護維修面臨的相關(guān)問題。為提升機電設(shè)備養(yǎng)護水平，提高運營維修維護效率，規(guī)避設(shè)備運行安全風險，提出利用智能診斷技術(shù)和智能信息化技術(shù)建立地鐵機電設(shè)備故障監(jiān)測與智能診斷系統(tǒng)的思路，并針對目前需求和運營管理模式，對系統(tǒng)的邏輯架構(gòu)和系統(tǒng)構(gòu)成方案進行論述。

地鐵；機電設(shè)備；電扶梯；屏蔽門；故障監(jiān)測；智能診斷；信息化；系統(tǒng)

1　系統(tǒng)概況

近年來，國內(nèi)城市軌道交通正迎來建設(shè)高峰，北京軌道交通建設(shè)也得到了飛速發(fā)展。為完成國家“十二五”發(fā)展規(guī)劃，到2015年，在6、8、7、14、15號線等開通后，北京通車里程將達到近600 km。

隨著北京軌道交通線路的加密，車站數(shù)量不斷增加，為車站運營服務的機電設(shè)備數(shù)量也隨之增加。就目前統(tǒng)計，北京線網(wǎng)內(nèi)電扶梯總數(shù)已超過2 100臺，屏蔽門(安全門)總數(shù)已超過1萬多套(平均每站48套)，車站大型風機總數(shù)已超過1 000臺。直接面向乘客服務的機電設(shè)備由于客流人次的增加,其負荷量增大，機械零件的磨損程度加快。機電設(shè)備的大量保障、維修工作，加大了地鐵運營機電公司維修人員的工作強度，在未來線網(wǎng)加密后，更需要投入大量的人力資源來進行此項工作。

從對電扶梯、屏蔽門、大型風機等主 要 設(shè) 備 維 保情況的調(diào)研發(fā)現(xiàn)，目前設(shè)備的維護、檢查基本上為人員到現(xiàn)場，根據(jù)維修經(jīng)驗對設(shè)備運行表象特征進行判斷，辨別設(shè)備是否需要維修。有些機械零件損壞后，并不直接影響設(shè)備運行，只有當故障擴大出現(xiàn)升溫、振動異常等特征時，維護人員才能察覺，這時設(shè)備已“帶病”運行了很長時間，原本可能很簡單的維修變成了很復雜的維修，同時設(shè)備“帶病”運行也對安全運營造成隱患。

對于電扶梯、屏蔽門這種結(jié)構(gòu)復雜的機電設(shè)備，其內(nèi)部存在很多狀態(tài)傳感器和保護裝置，設(shè)備本身具備自檢測功能，但對設(shè)備的運行狀態(tài)信息缺少專業(yè)性、系統(tǒng)性的外圍支持信息化系統(tǒng)，致使發(fā)生故障后維修人員必須到現(xiàn)場對設(shè)備進行拆卸，才能查詢設(shè)備內(nèi)部信息記錄，判斷故障原因，這一過程降低了維修人員的工作效率。

根據(jù)以上情況，結(jié)合目前軌道交通線網(wǎng)建設(shè)現(xiàn)代化、智能化、信息化要求，需要利用現(xiàn)代化信息手段，提升機電設(shè)備安全運行水平，提高運營維護、維修效率，因此提出建立地鐵機電設(shè)備故障監(jiān)測與智能診斷系統(tǒng)(electromechanical device of subway fault monitoring and intelligent diagnosissystem，F(xiàn)IS)

2　系統(tǒng)建立的必要性

2.1地鐵機電設(shè)備安全運行的需要

自動電扶梯一直被稱為地鐵事故的“重災區(qū)”，北京地鐵4號線電扶梯事故、武漢軌道交通1和2號線電梯事故、深圳軌道交通1號線電梯事故等給地鐵造成重大的社會影響。

2011年7月5日上午9：36，北京地鐵4號線動物園站A口上行扶梯發(fā)生設(shè)備溜梯故障，造成一名12歲少年身亡、3人重傷、27人輕傷。北京市質(zhì)監(jiān)局表示，經(jīng)初步調(diào)查，導致事故的直接原因是“固定零件損壞，扶梯驅(qū)動主機發(fā)生位移，造成驅(qū)動鏈條脫落，扶梯下滑”。事后，在4號線運行的10部奧的斯(OTIS)牌電梯全部停止使用，其他品牌的電扶梯均在運營人員現(xiàn)場看護下使用。

2010年12月14日上午8：49，深圳軌道交通1號線國貿(mào)站的一部站臺通往站廳的上行扶梯突然逆行，造成23名乘客受傷。發(fā)生事故的奧的斯自動扶梯于2004年12月安裝并投入使用，事故時在定期檢驗有效期內(nèi)。深圳市場監(jiān)督管理局、交通運輸委員會于當天對故障電扶梯進行了技術(shù)勘驗，初步認定故障為自動扶梯驅(qū)動主機的固定支座螺栓松脫，且有1根螺栓斷裂，使主機支座移位，造成驅(qū)動鏈條脫離鏈輪，上行的扶梯在乘客重力的作用下下滑，導致多名乘客摔傷。

以上國內(nèi)地鐵兩起電扶梯嚴重事故，都是固定零件發(fā)生故障，導致驅(qū)動鏈條脫落、輔助保護制動器未正常啟動，使扶梯突然逆行，造成重大的人員傷亡事故。

經(jīng)調(diào)查，屏蔽門設(shè)備在門體機械、電氣設(shè)備、安全回路、系統(tǒng)接口等地方也經(jīng)常發(fā)生故障，嚴重時影響列車運營。大型風機由于軸承振動過大，有可能出現(xiàn)葉片脫離的危險，同時其兼顧車站防災工作，當出現(xiàn)嚴重故障停運維修時，會對車站防災能力有很大影響。

從以上設(shè)備故障情況來看，在地鐵機電設(shè)備中，電扶梯、屏蔽門、大型風機的故障對安全運營的影響最為嚴重。因此，對設(shè)備進行故障智能診斷，實時判斷其運行狀態(tài)是否正常、各項安全保護設(shè)備是否在線啟用，判斷設(shè)備運行是否存在安全隱患，進行安全風險提示，保護乘客人身安全，是迫切需要的。要實現(xiàn)對電扶梯、屏蔽門、大型風機等機電設(shè)備故障的監(jiān)測和智能診斷，排查設(shè)備故障隱患風險，首先需要采集設(shè)備的基礎(chǔ)運行數(shù)據(jù)，其中包括設(shè)備關(guān)鍵部位的溫度數(shù)據(jù)、振動數(shù)據(jù)、負荷數(shù)據(jù)、運行狀態(tài)參數(shù)、保護器狀態(tài)、故障數(shù)據(jù)等。通過對基礎(chǔ)數(shù)據(jù)的研究分析，才能對設(shè)備的運行狀態(tài)進行綜合評價，進行設(shè)備運行風險提示，提出設(shè)備故障維護、維修建議。因此，建立地鐵機電設(shè)備故障監(jiān)測與智能診斷系統(tǒng)，是打造平安型地鐵、保證地鐵安全運營所迫切需要的。

2.2地鐵線網(wǎng)管理“高效、節(jié)約”的需要

中共十八大會議倡導“高效、節(jié)約”的精神。北京地鐵線網(wǎng)加密后，大量的機電設(shè)備需要進行維護、保養(yǎng)和維修，如果不擴大現(xiàn)有的運營維修管理團隊，很難滿足北京線網(wǎng)運營需要。通過科學的現(xiàn)代化信息技術(shù)手段進行輔助，優(yōu)化現(xiàn)有的維修管理資源，提高工作效率，節(jié)約人力資源，是北京線網(wǎng)未來建立“高效、節(jié)約”型綜合維修管理體系所需要的。同時，建立FIS也是把機電設(shè)備從計劃維修轉(zhuǎn)變?yōu)闋顟B(tài)維修所需要的。

2.3軌道交通科技創(chuàng)新發(fā)展的需要

《“十二五”國家戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)發(fā)展規(guī)劃》指出，在重點發(fā)展方向和主要任務中，軌道交通裝備產(chǎn)業(yè)被列為高端裝備制造產(chǎn)業(yè)，要求大力發(fā)展技術(shù)先進、安全可靠、經(jīng)濟適用、節(jié)能環(huán)保的軌道交通裝備。“智能制造裝備工程”被列為《“十二五”國家戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)發(fā)展規(guī)劃》的重大工程，要求“突破新型傳感、高精度運動控制、故障智能診斷等關(guān)鍵技術(shù)，大力推進泛在感知自動控制系統(tǒng)、工業(yè)機器人、關(guān)鍵零部件等裝置的開發(fā)和產(chǎn)業(yè)化”。

為貫徹落實《“十二五”國家戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)發(fā)展規(guī)劃》和《工業(yè)轉(zhuǎn)型升級規(guī)劃(2011—2015年)》，增強傳感器及智能化儀器儀表產(chǎn)業(yè)的創(chuàng)新能力和國際競爭力，推動傳感器及智能化儀器儀表產(chǎn)業(yè)創(chuàng)新、持續(xù)、協(xié)調(diào)發(fā)展，工業(yè)和信息化部、科技部、財政部、國家標準化管理委員會組織制定了《加快推進傳感器及智能化儀器儀表產(chǎn)業(yè)發(fā)展行動計劃》。結(jié)合國家科技發(fā)展的相關(guān)政策，建立地鐵機電設(shè)備故障監(jiān)測與智能診斷系統(tǒng)，也符合軌道交通現(xiàn)代化科技發(fā)展需要。

3　系統(tǒng)技術(shù)方案

3.1系統(tǒng)邏輯架構(gòu)

系統(tǒng)主要完成對機電設(shè)備故障的智能診斷，并利用軟件智能化手段對設(shè)備運行、故障信息進行分析，保證更豐富的信息化應用。系統(tǒng)邏輯架構(gòu)主要由數(shù)據(jù)采集層、數(shù)據(jù)診斷層、數(shù)據(jù)傳輸層、決策評估層、信息應用層組成。

3.1.1數(shù)據(jù)采集層

數(shù)據(jù)采集層主要完成對機電設(shè)備運行狀態(tài)和故障信息的采集。運行狀態(tài)信息有別于一般監(jiān)控類信息，側(cè)重于設(shè)備關(guān)鍵部位運行的振動、溫度、轉(zhuǎn)速、電流、保護器狀態(tài)、設(shè)備故障等。對于電扶梯和屏蔽門，設(shè)備均配有智能化的電控系統(tǒng)，具備一些狀態(tài)自檢功能，可以通過數(shù)據(jù)接口直接進行采集。對于設(shè)備電控系統(tǒng)無法提供的信息(如振動、溫度等)，需要在設(shè)備內(nèi)部安裝相應的傳感器，將這些模擬量數(shù)據(jù)進行模/數(shù)轉(zhuǎn)換后再加以采集。

3.1.2數(shù)據(jù)分析層

數(shù)據(jù)分析層主要完成對采集的設(shè)備狀態(tài)數(shù)據(jù)的診斷分析，通過建立數(shù)據(jù)分析模型算法和故障數(shù)據(jù)庫，對狀態(tài)數(shù)據(jù)進行解析，提取故障特征信號，判斷設(shè)備部件的故障趨勢和故障原因，完成智能診斷任務。數(shù)據(jù)分析層重點完成對設(shè)備振動頻譜的解析，數(shù)據(jù)分析模型算法是智能診斷的核心技術(shù)。

圖1　地鐵機電故障監(jiān)測與智能診斷系統(tǒng)構(gòu)成

如果機電設(shè)備直接報送的是明確的故障信息，則在數(shù)據(jù)分析層不做解析分析，由數(shù)據(jù)采集層將其通過數(shù)據(jù)傳輸層傳送給決策評估層。

3.1.3數(shù)據(jù)傳輸層

數(shù)據(jù)傳輸層利用網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，實現(xiàn)現(xiàn)場數(shù)據(jù)信息的傳輸，并實現(xiàn)各車站與維修工區(qū)、線路維修中心的信息聯(lián)網(wǎng)。數(shù)據(jù)傳輸層分為車站局域網(wǎng)絡(luò)、工區(qū)局域網(wǎng)絡(luò)、維修中心局域網(wǎng)絡(luò)和全線主干網(wǎng)絡(luò)幾個部分，采用標準開放式網(wǎng)絡(luò)協(xié)議，利于系統(tǒng)功能擴展和信息化應用。

3.1.4決策評估層

決策評估層利用專家數(shù)據(jù)庫內(nèi)存儲的設(shè)備維修信息、歷史經(jīng)驗數(shù)據(jù)、狀態(tài)評估算法等內(nèi)容，對設(shè)備采集的信息進行分析處理，對設(shè)備運行狀態(tài)的安全、故障風險進行統(tǒng)籌評估；對故障趨勢進行預警判斷，計算故障預計時間，提出維修計劃建議；對設(shè)備已報故障分析原因，并匹配維修、維護建議。根據(jù)設(shè)備運行狀態(tài)、時間等信息，對設(shè)備養(yǎng)護計劃進行調(diào)整。

3.1.5應用層

應用層主要提供給維修管理人員各種維修、維護信息化功能的應用，具備友好的人機界面，提供各種功能的操作和數(shù)據(jù)的展示；對機電設(shè)備進行分類展示，顯示數(shù)據(jù)分析層和決策評估層的數(shù)據(jù)分析結(jié)果，并能查詢原始狀態(tài)數(shù)據(jù)。對設(shè)備信息、維修資源、維修單、維修記錄進行信息化管理，提供備品、備件的資源管理功能，對設(shè)備維修的相關(guān)數(shù)據(jù)信息進行輸入、存儲、統(tǒng)計、查詢等操作處理，提供報表生成和打印服務，等等。

3.2系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計

根據(jù)系統(tǒng)的邏輯架構(gòu)，結(jié)合目前地鐵運營模式和機電設(shè)備維護使用需求，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計為兩級管理、三級監(jiān)測組成架構(gòu)：兩級管理為線路維修中心級、機電工區(qū)級，三級監(jiān)測為線路維修中心級、機電工區(qū)級、設(shè)備現(xiàn)場級(見圖1)。

系統(tǒng)的分級管理主要依靠應用軟件平臺和網(wǎng)絡(luò)傳輸來實現(xiàn)，系統(tǒng)應用軟件平臺采用分層分布式架構(gòu)，部署靈活，易于擴展，并采用基于Web的技術(shù)，提供更便捷、開放的功能應用。

3.2.1線路維修中心級

中心級系統(tǒng)通常設(shè)在線路車輛段的維修中心，中心的職能是對全線機電設(shè)備的運行進行統(tǒng)籌管理，顯示設(shè)備的綜合運行風險評估狀況，顯示設(shè)備的故障趨勢和故障報警，定位故障原因。安排維修保養(yǎng)計劃，對維修工單進行派發(fā)操作，對維修資源和備品備件進行信息化管理，對系統(tǒng)采集的設(shè)備數(shù)據(jù)進行存儲、查詢，對整個系統(tǒng)進行維護管理服務，等等。中心級系統(tǒng)應能實現(xiàn)系統(tǒng)的所有完整功能。

3.2.2機電工區(qū)級

通常每4～6個車站設(shè)置一個機電工區(qū)，它是這些車站機電維修人員的集中駐地。機電工區(qū)級系統(tǒng)主要是監(jiān)視管區(qū)內(nèi)車站機電設(shè)備的安全狀態(tài)和故障信息，能調(diào)取現(xiàn)場采集的所有狀態(tài)數(shù)據(jù)，顯示設(shè)備運行的風險評估結(jié)論和故障診斷分析結(jié)果，顯示設(shè)備故障原因和維修建議，接受中心的維修工單管理和維修資源管理。

3.2.3設(shè)備現(xiàn)場級

設(shè)備現(xiàn)場級位于線路車站內(nèi)，主要是對機電設(shè)備進行數(shù)據(jù)采集和故障解析。現(xiàn)場級系統(tǒng)按照機電設(shè)備類型分為若干個故障診斷子單元，如電扶梯故障診斷子單元、屏蔽門故障子單元等。子單元功能相對獨立、互不干擾，主要完成對機電設(shè)備單一部位故障的診斷分析，并可在現(xiàn)場顯示診斷結(jié)果和采集的原始數(shù)據(jù)，現(xiàn)場級網(wǎng)絡(luò)支持手持或便攜終端的接入，方便維修人員現(xiàn)場數(shù)據(jù)調(diào)用操作。現(xiàn)場級系統(tǒng)可獨立運作，脫離全線系統(tǒng)后仍能完成對機電設(shè)備數(shù)據(jù)的采集和診斷分析。

4　系統(tǒng)建立的意義

4.1早期發(fā)現(xiàn)地鐵機電設(shè)備故障

系統(tǒng)實現(xiàn)對地鐵機電設(shè)備中電扶梯、屏蔽門、大型風機等機電設(shè)備關(guān)鍵部位機械裝置的故障監(jiān)測，這些部件在實際運行中經(jīng)常損壞、極易磨損且不易早期發(fā)現(xiàn)，并且是其他故障的源頭，如電扶梯主驅(qū)動輪軸承、電機軸承等；還有些部件屬于對運營行車有安全風險的設(shè)備，需要重點監(jiān)測，如屏蔽門與信號系統(tǒng)接口、電扶梯安全保護器狀態(tài)等。通過對這些重點裝置、零件狀態(tài)的實時檢測，判斷設(shè)備是否有更大范圍故障的風險。同時，對設(shè)備內(nèi)部運行狀態(tài)參數(shù)進行監(jiān)測，分析設(shè)備運行是否正常，規(guī)避設(shè)備安全運行風險，降低因設(shè)備故障對乘客人身安全的威脅。

4.2提高運營公司機電設(shè)備維保效率

系統(tǒng)可實現(xiàn)對電扶梯、屏蔽門這種結(jié)構(gòu)復雜、零件眾多的大型機電設(shè)備的實時狀態(tài)數(shù)據(jù)檢測，根據(jù)設(shè)備運行狀態(tài)、通過專家數(shù)據(jù)庫進行智能診斷、評估，分析故障的趨勢和原因，為維修人員提供故障定位和維修建議，使維修人員在去現(xiàn)場前可預先了解設(shè)備故障情況和維修方法，提前進行準備工作，提高整個維修過程的工作效率，實現(xiàn)機電維修從以往的“計劃維修”模式向今后的“狀態(tài)維修”模式的轉(zhuǎn)變。

4.3引領(lǐng)運營維修向智能化、信息化方向發(fā)展

北京地鐵線網(wǎng)內(nèi)機電設(shè)備數(shù)量持續(xù)增長，原有的運營維修管理體系需要有所改變，在擴充維修人員數(shù)量、提高維修工作效率的同時，設(shè)備運營維保方式要向科學化發(fā)展，需要樹立“重檢慎修、多檢少修”的養(yǎng)修理念。該系統(tǒng)不只要完成設(shè)備的狀態(tài)分析和故障診斷，更重要的是引領(lǐng)運營維修向智能化、信息化發(fā)展，強化運營維修管理體系，為北京地鐵建設(shè)線網(wǎng)級的綜合設(shè)備安全監(jiān)測維修管理中心打下基礎(chǔ)。

5　結(jié)語

故障診斷技術(shù)作為維修系統(tǒng)的新興科學，自20世紀六七十年代以來已經(jīng)取得了突飛猛進的發(fā)展，尤其是計算機技術(shù)的應用，使其達到了智能化階段，生產(chǎn)實踐證明了故障診斷技術(shù)在工業(yè)生產(chǎn)中的重要作用，也證明了研究故障診斷與狀態(tài)預測技術(shù)對維修管理的現(xiàn)實意義。目前，地鐵機電設(shè)備故障監(jiān)測與智能診斷系統(tǒng)已作為北京市科委的科研項目正式立項，由地鐵建設(shè)單位、運營公司、設(shè)計院聯(lián)合，對此系統(tǒng)的建設(shè)進行研究。該項目不僅要進行理論研究，更要研發(fā)系統(tǒng)的關(guān)鍵產(chǎn)品，并在實際工程中示范應用，使研究成果能夠快速服務于北京地鐵的建設(shè)。

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(編輯：郭 潔)

Research of Fault Monitoring and Intelligent Diagnosis System for Electro-mechanical Device of Subway

Li XinPeng Jihong

(Beijing Rail Transit Design and Research Institute Co., Ltd., Beijing 100089)

This paper expounds the operation and maintenance problems of electro-mechanical subway devices facing Beijing subway network after it accelerates its development pace. The idea of building a fault monitoring and intelligent diagnosis system for electro-mechanical device of subway, which takes advantage of intelligent diagnosis technology and intelligent information technology, is proposed to enhance the maintenance level of electro-mechanical device, improve the efficiency of operation maintenance and avoid risk of safety operation. The logic structure and composition scheme of this system is also discussed according to the needs and operational management mode at present.

subway; electro-mechanical device; escalator; screen door; fault monitoring; intelligent diagnosis; information-based; system

10.3969/j.issn.1672-6073.2015.01.027

2014-04-17

2014-08-08

李欣，男，大學本科,工程師，軌道交通弱電副總體，從事軌道交通智能化控制系統(tǒng)研究，18911866586@189.cn

北京市科委科研項目(Z131100004113004)

U231.7

A

1672-6073(2015)01-0117-04