基于健康度模型的自動扶梯預防性維修策略

張浩 趙軍 朱冬 張銀龍 趙孝云

摘 ?要：針對自動扶梯故障預防性維修的問題，提出一種基于健康度模型的自動扶梯預防性維修策略。通過監測自動扶梯的速度、加速度、振動、噪音以及利用監控設備和圖像處理的方法得到扶梯相關載客情況，同時將監測得到的數據與構件理論指標值進行曲線重合度比對，判斷兩個曲線之間的擬合度指標，用作判斷構件安全與否的參考值。依據層次分析法確定自動扶梯不同構件故障因素的權重系數。自動扶梯不同構件故障的安全值與權重系數之積相加得出整個自動扶梯的健康度模型，由健康度模型計算得到自動扶梯健康值，依據健康值大小判斷自動扶梯運行狀態并給出相應的維修策略。

關鍵詞：自動扶梯;健康度;預防性;維修策略

中圖分類號：TP391 ? ? ?文獻標識碼：A文章編號：2096-4706（2022）05-0126-04

Escalator Preventive Maintenance Strategy Based on Health Degree Model

ZHANG Hao1，ZHAO Jun1，ZHU Dong2，ZHANG Yinlong2，ZHAO Xiaoyun1

（1.Nanjing Metro Construction Co.， Ltd.， Nanjing ?211806， China; 2.China Railway Siyuan Survey and Design Group Co.， Ltd.， Wuhan ?430063， China）

Abstract： Aiming at the problem of escalator fault preventive maintenance， a preventive maintenance strategy for escalator based on health degree model is proposed. By monitoring the escalator speed， acceleration， vibration， noise and monitoring device and the method of image processing are used to get the related escalators passenger situation. At the same time， compare the curve coincidence degree between the data gained by monitoring and the theoretical index value of the component， and judge the fitting index between the two curves， which can be used as the reference value to judge whether the component is safe or not. The weight coefficients of different component failure factors of escalator are determined according to analytic hierarchy process. The product of the safety value and the weight coefficient of different components of the escalator are added to obtain the health degree model of the whole escalator. The health value of the escalator is calculated from the health degree model. The operation state of the escalator is judged according to the health value and the corresponding maintenance strategy is given.

Keywords： escalator; health degree; preventive; maintenance strategy

0 ?引 ?言

目前，自動扶梯用在建筑物的不同層高間向上或向下輸送乘客的設備，廣泛應用于火車站、地鐵站、汽車站、商場、機場等人流密集的地方。自動扶梯的工作原理是一條鏈條式的傳送帶循環往復地運轉，屬于強制式的驅動，所以一旦出現卡阻可能會造成設備的損壞，而且其運動部件裸露在外，與人直接接觸，存在巨大的安全隱患。其工作的主要特點是敞開式，所以間隙處異物的卷入是造成人身傷害和設備損壞的主要原因。軌道交通領域自動扶梯故障種類多、易擴大、難防控，因而保證其安全運行至關重要。故障分類包括梯級類、曳引鏈類、驅動裝置類、梯路類、扶手裝置類、安全保護裝置類。作為運載及疏散乘客的關鍵設備，也是特種設備，其事故可能會帶來不可估量的后果，需要進行故障預測與健康管理，推進預防性報警的發展。

當前，自動扶梯設置有30余種安全裝置，但只提取故障單一開關量，僅能實現故障后報警，不能消除安全隱患。原有維保模式即“故障維修+定期保養”，存在過度維修或欠缺維修的問題，無法準確掌握扶梯運行狀態，造成資金、資源的浪費。目前國外電梯廠家針對自身設備開發了監測系統，但是通用性差，不能實現健康趨勢預判，國內現有技術功能單一，監測范圍小。現有扶梯監測采用閾值報警的方式，準確度低，工程實用價值較差。同類在線監測技術僅監測單一的指標，易誤報;數據冗余，占用帶寬，無效數據多;不能夠指導設計、選型，無法實現全壽命優化。需對自動電扶梯開展定期維修，檢修相關梳齒板故障、扶手帶故障、梯級故障、曳引鏈故障、驅動裝置故障、安全保護裝置故障，從而保證乘客安全與運行順暢。目前自動扶梯的檢修主要涉及周期修和故障修，維修時需要拆卸電梯的機箱外殼，擰下及擰上螺釘，可能造成過度維修或維修不及時，耗費維修人員大量的時間與精力，影響電扶梯正常投入使用，具體如圖1所示。

圖1 ?基于健康度模型的自動扶梯預測維修策略示意圖

在自動電扶梯中設置可以檢測監測電梯異常狀況的安全組件，例如傳感器等設備，上述安全組件一般都是分散性地設置在電梯設備上，用以監測電梯的運行，然而以上各組件有可能發生故障或損壞，進而對電梯的運行安全造成影響，在自動扶梯完成運送工作的期間，必須確保電扶梯設備的組件及安全組件正確發揮功能，并且在后續的監測、維護以及必要時更換組件的復雜工作范圍內，依據自動電扶梯的檢測監測狀況生成維修策略，從而避免過渡維修或維修不及時。

1 ?故障監測

自動扶梯的故障因素分為人為因素和扶梯自身因素。人為因素分為乘客忽視電梯安全、電梯安裝不科學、維護管理不到位;扶梯自身因素分為梳齒板故障、扶手帶故障、梯級故障、曳引鏈故障、驅動裝置故障、安全保護裝置故障，具體可分為曳引機、主機驅動、梯級驅動、軸及軸承、主驅動鏈、梯級驅動鏈、梯級滾輪、梯級鏈條滾輪、扶手帶、金屬桁架、梯級、梯級軸、導軌等組件故障。通過監測自動扶梯的速度、加速度、振動、噪音，視頻監控進行分析處理量化為扶梯自身故障的相關指標參考值，如圖2所示。

圖2 ?自動扶梯健康度模型示意圖

對實時在線監測得到的監測信號數據進行預處理，得到時域條件下的振動、噪聲、速度、溫度等信號的擬合曲線，與正常工作狀態下的標準擬合曲線進行比較，獲取曲線之間的殘差。通過求取擬合曲線與標準擬合曲線之間的擬合度指標，判斷相應構件的健康狀況。

擬合度指標的計算公式為：

其中，y*為歷史正常工作狀態下的標準擬合曲線函數，y為實際測得的溫度時域特征信號及噪聲時域特征信號之間的非線性函數，v為兩曲線之間殘差值離散點的求和;FIT為兩曲線之間擬合度指標，作為相應構件的安全值。

2 ?層次分析法

依據層次分析法（AHP）確定自動扶梯不同構件故障因素的權重系數，分為目標層、準則層、方案層，其中準則層分為四個層次：安全隱患（C1）、影響程度（C2）、維修時間（C3）、維修成本（C4），構建一個判斷矩陣B，矩陣B中各元素bij表示橫行指標Ci對各列指標Cj的相對重要程度的兩兩比較值的選定，上述數值在故障數據庫中存儲有相應的參考選擇數據，可以依據準則層的指標進行相應的選擇。

判斷矩陣B每一行元素積的n次方根值：

（i=1，2，…，n），其中，n為準則層所選取的指標數量，i、j、l均為范圍在1到n之間的自然數，為矩陣的行列標號，矩陣元素的乘積決定了在選取矩陣元素時盡量保持指標維度的統一。對向量（，，…，）T進行歸一化處理，計算公式為：，wp為所求的當前判斷矩陣的權重系數，即求出當前構件健康度模型的權重系數。

3 ?健康度模型

通過構建自動扶梯實時的健康度模型來評估自動扶梯的運行狀況，自動扶梯健康度模型的計算公式為：

其中，αp為自動扶梯不同組件故障的安全值，ωp為自動扶梯不同組件故障所對應的權重系數，m為計入健康度模型計算的自動扶梯重要構件的數量;當前殘差曲線落入閾值走廊的情況下，進一步生成健康度閾值走廊，依據所述健康度閾值走廊的分類提出預防性維修策略，策略包括但不限于以下四種情況：

（1）安全狀態閾值走廊，自動扶梯正常運行;

（2）存在維修隱患狀態閾值走廊，把相應組件列入特別監控組件群;

（3）存在維修故障閾值走廊，需要對自動扶梯進行預防性維修;

（4）存在較大安全隱患閾值走廊，需要對自動扶梯進行停運做預防性全面維修。

4 ?自動扶梯預防性維修策略

根據健康度模型把自動扶梯故障分為四種情況：正常運行、特別監控組件群階段、提前介入預防性維修、停運全面維修。我們主要關注的是特別監控組件群階段和提前介入預防性維修這兩個階段。

特別監控組件群階段，通過電流互感器、振動傳感器、溫度傳感器、噪聲傳感器、信號開關等多狀態參數監測傳感器，實現自動扶梯主要零部件的狀態監測;主要零部件故障特征（如梯級故障、扶手帶故障、軸承齒輪故障等），通過采集層監測的數據與特征層故障知識庫的臨近對比，基于每臺自動扶梯實時監測裝置返回監測數據情況，可監控自動扶梯基本運行情況，當傳感器所監測的某些數據發生劇烈波動或者超出預設值時，自動扶梯實時監測裝置則通過網絡將故障信息以預警方式通報給指揮管理人員，并通過調整健康值進入下一個階段。

提前介入預防性維修階段，該階段表示自動扶梯主要監測部件已經出現故障前兆，監測數據與原始數據比對已出現差異，數據正處于惡化階段，我們依據不同的構件給出不同的維修策略。針對驅動主機、梯級、梯路、扶手帶等部件的異常情況會采取提前介入檢查、維修、更換等措施;針對扶梯擋板、扶手帶過緊、扶手帶過松等情況，會建議在周檢查階段做進一步的檢查維修，并將實時檢查結果反饋給系統，把故障信號存入故障庫，優化訓練故障監測算法。

5 ?策略應用與測試性試驗

將該預防性維修策略應用于某地鐵站，根據2022年1月3日至2022年1月9日一周內的振動數據分析，監測自動扶梯異常征兆并報警，如圖3所示。

圖3 ?自動扶梯振動數據分析圖

根據傳感器采樣及監測系統預警，扶梯梯級大鏈運行過程中出現異常震動預警，根據數據分析，推測故障是梯級大鏈滾輪磨損。根據監測系統反饋的情況，1月10日經過與地鐵站現場工班確認，證實故障確定是扶梯梯級大鏈滾輪磨損導致的異常震動，監測系統判斷正確。因此該預測模型可對自動扶梯故障進行有效的監測，通過數據分析可得出有效的故障預測結果。

6 ?結 ?論

提出多變量信息融合的健康度模型并且依據該模型生成維修策略的閾值走廊，以此給出維修策略，以層次分析法來確定自動扶梯不同構件故障因素的權重系數，以自動扶梯不同組件故障的安全值與權重系數之積相加得出整個自動扶梯的健康度模型，由健康度模型計算得到自動扶梯健康度值，通過數據庫自學習功能確定不同維修狀態的閾值走廊，分別為：安全狀態閾值走廊，扶梯正常運行;存在維修隱患狀態閾值走廊，把相應構件列入特別監控構件組;存在維修故障閾值走廊，需要對自動扶梯進行預防性維修;存在較大安全隱患閾值走廊，需要對自動扶梯進行停運做預防性全面維修，由健康度模型計算得到自動扶梯健康度值，通過數據庫自學習功能確定不同維修狀態的閾值走廊，給出相對應的維修策略。

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作者簡介：張浩（1983.02—），男，漢族，安徽馬鞍山人，高工，碩士，研究方向：車站設備。