自動扶梯智能預警及故障診斷系統在城市軌道交通領域的應用與探討

白金光

摘要 為保障軌道交通自動扶梯設備使用安全，降低設備的故障率，減少自動扶梯安全事故的發生，文章對自動扶梯智能預警及故障診斷系統在城市軌道交通車站的應用進行了探討。該系統為三層模塊化結構，采用現地傳感器層、中間數據采集層及上位機數據儲存分析層架構，通過在自動扶梯關鍵部位加裝各類傳感器，實現對設備電機、減速機、主軸軸承、驅動鏈等重要部件運行狀態的實時監測，同時亦可讀取現有的扶梯控制系統的狀態信息，經過建模數據分析及診斷，形成各種運行狀態報告，為使用單位提供重要的日常使用及保養依據，有效降低設備故障率。

關鍵詞 自動扶梯;智能預警;故障診斷;在線監測

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

0 引言

自動扶梯系統作為城市軌道交通系統中一個非常重要的機電設備配套設施項目，具有資金投入大，技術要求高，施工風險大，安全影響面廣等特點。城市軌道交通系統的地下車站以及高架車站的站內及出入口均采用了自動扶梯系統，以方便且快速輸送乘客進出車站。隨著城市軌道交通的快速發展，自動扶梯系統的需求和投入也不斷增加，目前全國在運營的城市軌道交通自動扶梯設備約有1.2萬臺。并且因為其直接面向乘客的特殊性，地鐵車站自動扶梯設備的配置與運行狀態的良好與否將直接影響到乘客的生命財產安全以及是否滿足城市居民的出行需求。

在現實中常因為零件損壞、維保不到位、以修代保、脫保等原因，導致自動扶梯的困人事件和重大事故不斷發生[1]。軌道交通自動扶梯設備的安全事故頻發，給國民經濟帶來了巨大的損失，也造成了巨大的影響。因此如何保障軌道交通自動扶梯設備使用安全，降低設備的故障率，減少自動扶梯安全事故的發生，自動扶梯智能預警及故障診斷系統在城市軌道交通車站的應用與探討很有必要。

1 系統概述

自動扶梯智能預警及故障診斷系統針對自動扶梯自身特點及運行工況，通過在自動扶梯相應部位加裝傳感器，同時讀取現有的扶梯報警系統的狀態信息，對自動扶梯狀態進行監測分析，形成運行各種狀態報告，發現自動扶梯的安全隱患，為運行管理人員作出預警，避免發生嚴重事故，保證自動扶梯的安全運行。同時利用數據和處理結果，能對故障進行分析及診斷，掌握自動扶梯狀態，為自動扶梯的檢修提供解決方案。

自動扶梯智能預警及故障診斷系統采用了三層模塊化結構，由現地傳感器層、中間數據采集層及上位數據儲存分析層組成，可以實現對自動扶梯電機、減速機、主軸軸承、驅動底座、主驅動鏈或主驅動輪、梯級鏈張緊輪或梯級鏈的振動、溫度及鏈條伸長等運行狀態的實時監測[2]。

2 系統特點

（1）根據自動扶梯不同負載情況，系統自動學習不同的預警值，從而有效提高設備故障預警的準確性。系統可以根據扶梯初始運行狀態，自學習一個扶梯運行狀態數學模型，在扶梯長期運轉過程中，任何偏離這個模型的狀態都定義為非正常狀態，智能系統能對非正常狀態進行運算和比對，并給出預警提示。

（2）為了有效避免由于人工檢測疏忽而造成的安全隱患。自動扶梯故障監測、診斷、預警系統通過對電機電流、軸承以及扶梯停車制動時間進行監測并記錄，通過每天的數據記錄形成統計數據，從而形成系統趨勢數據。根據設備的報警數值不同，系統可以對振動特征數據庫進行自診斷，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。

（3）自動扶梯故障監測、診斷、預警是長期對自動扶梯的重要零部件、運行狀態、重要報警信息以及扶梯的負荷狀態進行監測，并進行統計分析，形成設備故障趨勢預警、運行狀態評估，最后實現輔助設備的維護、維修。

（4）自動扶梯的監測數據、診斷、預警信息最后通過網絡傳至指定的終端顯示裝置及手機App預警平臺軟件，方便客戶及時了解扶梯運行情況。

（5）總體設計、傳感器選型、硬件和軟件的設計和配置，都根據自動扶梯的結構和工況進行了針對性的考慮和設計。

（6）良好的兼容性和擴展性，可以與地鐵已有系統進行通信，實現數據共享，同時，將來可以方便地擴展應用到其他設備上

3 設計方案

3.1 系統網絡拓撲

在扶梯的就近位置或者扶梯桁架內部安裝就地柜，柜內放置數據采集器，在扶梯相應位置上安裝傳感器，傳感器線纜接入就地柜數據采集器上。

數據采集器通過傳感器不斷地自行采集振動數據，并通過內置軟件和專家診斷系統，判斷設備振動幅值是否超標，以及設備是否存在故障。數據采集器通過網絡對外輸出振動數值、報警指示和設備故障代碼[3]。

現地層的數據采集系統通過有線或無線網絡接入車站匯聚交換機，最終采用TCP/IP協議將采集到的數據信號傳輸至車站云平臺中心服務器。同時自動扶梯原有的全部故障報警信息也傳送到車站云平臺中心服務器的扶梯智能診斷系統內，如圖1所示。

3.2 扶梯測點分布

自動扶梯一般分為電機、減速機、驅動底座、主驅動鏈或主驅動輪、梯級鏈張緊輪或梯級鏈。根據部件的重要程度測點一般布置如圖2所示。

自動扶梯子單元內的數據采集器將采集到的振動信號、溫度、位移信號進行A/D轉換，發送給故障診斷器進行智能分析，將分析結果和重要的頻譜數據通過主干網絡上傳至維修中心服務器進行診斷校驗和智能決策，對數據進行應用和存儲。

傳感器的數據采集頻率可智能調節，正常情況下，暫按5～10 s采集一次（每一個傳感器的采集頻率可根據實際情況在軟件中進行調整），當數據發生異常時，加大相應傳感器的采集頻率，從而準確預判故障。

3.3 傳感器

3.3.1 傳感器選型

（1）振動監測。振動傳感器主要對自動扶梯關鍵部件如電機、減速器、主驅動鏈、梯級鏈張緊輪、驅動底座螺栓、梯級鏈異常伸長等進行振動監測。

（2）紅外溫度監測。紅外溫度傳感器可以不接觸目標而通過測量目標發射的紅外輻射強度計算出物體的表面溫度。非接觸測溫是紅外測溫儀最大的優點，可以方便地測量難以接近或移動的目標，獲取自動扶梯扶手帶精準的溫度。

（3）鏈條伸長監測。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，在安裝傳感器的設備測點表面銑出一個平面（不便于銑的設備表面，須將該點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平面），在該銑出面先用粘合劑將金屬底座與設備粘貼牢固，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值，見圖4。

3.4 數據采集器

數據采集器采用FPGA&DSP的架構，使用高性能處理器，具備獨立執行高速、大容量數據采集、分析、處理的能力。數據采集器的每個通道采用獨立24位A/D轉換，具備高精度的數據采集能力，支持全通道同步并行方式觸發采樣，實時采集、選擇存儲的數據處理機制。對高速實時采集的數據進行異常特征數據判斷、智能儲存，避免數據出現冗余，避免重要數據出現遺漏。數據采集器連接傳感器靈活便捷，系統可連接加速傳感器、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。

數據采集器具備傳感器故障檢測（斷線，短路等）、輸入通道自檢、擴展的自檢和備份系統;數據采集器支持通信故障下繼續數據采集和存儲功能（達1個月以上）;數據采集器集成以太網RJ45接口（10/100 MB自適應）、RS485接口。不同的數據采集器之間采用以太網通信方式與專業的自動扶梯智能預警及故障診斷系統連接成一個獨立系統，數據通信符合TCP/IP協議。并且數據采集器可通過RS485或以太網等數據接口協議向自動控制系統、人機界面（HMI）或其他第三方系統提供狀態數據。

3.5 系統軟件

3.5.1 扶梯軟件平臺展示功能

系統可以對線路和車站設備分布圖、單臺設備監測圖（運行狀態、監測部位、監測部位狀態等）以及自動扶梯相關參數進行展示（運行狀態和故障狀態）。

（1）線路展示。線路監控展示線網線路圖，點擊選擇站點，可進入站點系統概況圖。站點顏色狀態表示設備運行狀態：紅色代表緊急故障，黃色代表一般故障，綠色代表設備運行正常。（故障分類可按照環調的分類要求，或根據自身的需要添加）

（2）設備實時監控。設備實時監控展示設備總數、運行設備總數、故障設備總數、設備運行狀態和故障狀態、測點狀態統計、巡檢統計、今日報警統計、站點實時監控視頻等。關鍵信息一屏展示，可以更好地進行分析決策。

（3）單臺設備監控。單臺設備監控實時各個設備的實時數據，可以通過設備實時監測界面點擊某臺設備進入。主要監測內容如下：

電機：機械運行異常、軸承運行異常;

減速機：機械運行異常、軸承運行異常、潤滑油異常;

主軸軸承：軸承運行異常;

驅動底座：基礎松動或移位引起的振動異常;

主驅動鏈或主驅動輪：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。

通過單臺設備實時監測，可及時了解該設備的運行狀態，柔性展示，將隱患嚴重程度按顏色區分，幫助用戶輕松了解隱患嚴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驗難以進行管理決策。

同時亦可以切換不同的部件，視角切換到相應部件最佳觀察視角，測點位置和實時監測數據可視化展示。

3.5.2 軟件故障診斷功能

故障診斷是對設備的故障進行自動識別與診斷。當設備測點發生報警時，系統啟動故障診斷分析模塊，通過內置的故障診斷知識庫規則對設備運行時的振動、溫度、電流等數據進行篩選，并提取特征信息，將特征信息與規則進行匹配和模式識別，判斷出最有可能的故障類型，給出結果和建議的處理措施。

（1）完整的譜圖分析功能。在數據分析頁面中用戶可以清晰地看到時間、設備、部件、參數趨勢、分析譜圖等，供人工分析專家對系統原數據進行分析及學習等，為防止出現不常見的故障和誤判，該模塊用于診斷專家對頻譜數據進行進一步分析確認。

該功能具有強大的數據和圖形顯示功能，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、包絡圖等多種圖形顯示。

（2）自動扶梯報警分析。在軟件的功能設置中，具有對數據的智能診斷和處理，該軟件不僅有支持ISO 10816標準的報警功能，還支持智能自學習式報警機制，能有效解決“誤報警”和“漏報警”問題。原理是通過對個體自動扶梯進行基礎數據采集、分析、統計，自動生成報警的推薦值。由于這種報警機制不是機械地套用某個單一標準，而是充分考慮了單臺自動扶梯的“個體差異”，更具針對性和實用價值。系統成型的報警曲線的建立一般會在系統成功連續運行兩周左右穩定形成。軟件的報警方式有聲音、燈光兩種，并且可以進行時間設置。

（3）歷史趨勢分析。該軟件具有強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、按需要進行不同時段和不同運行工況的歷史曲線圖的功能。按時段進行的趨勢分析能了解自動扶梯振動隨時間變化的變化情況，從而掌握自動扶梯部件的劣化趨勢、自動扶梯穩定性的變化情況。按運行工況進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。由此可進行特殊情況的分析，為診斷提供了有力的依據。

3.5.3 智能預報警功能

（1）故障報警。系統提供智能報警功能。當監測到的振動、溫度、電流等數據值超過設定限值后發出報警信號。且頁面伴有報警指示，報警平臺窗口能自動彈出，并發出報警聲音，報警信息能以短信形式發送到相關人員的手機上。同時，系統提供報警記錄查詢功能，可隨時查看設備自運行以來所有的報警記錄及其他詳細信息。

當系統發出報警（傳感器報警、監測數據報警），報警信息可通過短信和郵件兩種方式發送到負責人或工程師手機或郵箱中，使遠離現場的負責人及工程師及時了解到站內運行信息，方便指令決策快速下達。

（2）維護檢修預警。維護檢修預警是利用相關智能算法，對車站電扶梯設備建立的預測模型進行分析、求解，得到相關特征量的變化趨勢，判斷設備近期是否會發生故障，從而做到提前檢修維護。

（3）設備健康狀態評價。系統會對設備累計運行時間、振動、溫度、油液清潔指數、工況等參數建立綜合健康狀態評價模型，對采集的實時數據提取狀態特征參數，計算當前的狀態特征值，調用相應的健康狀態評價模型，得出設備的健康狀態評估結果（良好、可用、需檢查、需停機），并直接以文字結論的形式呈現出來。

4 結論

在如今大數據時代，利用“互聯網+”的思維建立扶梯的監測平臺，通過加裝傳感器和現有的扶梯報警系統結合起來，建立一套完善的自動扶梯智能預警及故障診斷系統，實現扶梯應急救援信息的快速獲取、統籌調度、集中處理、數據分析、監測與預警等，可以大大提高維修效率，做到有針對性地預知性維修，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運維融合起來，為地鐵相關部門的監管提供有力的保障。

參考文獻

[1]饒美婉.地鐵設計中的公共交通型重載自動扶梯[J].都市快軌交通， 2008（5）：74-78.

[2]黃宏偉， 葉永峰， 等. 地鐵運營安全風險管理現狀分析[J]. 中國安全科學學報， 2008（7）： 55-62.

[3]陳家盛. 電梯結構原理及安裝維修[M]. 北京：機械工業出版社， 2013.