基于TRIZ理論的自動扶梯故障預警系統研發

摘 要：自動扶梯作為現代生活中不可或缺的交通工具，在城市軌道交通快速發展的今天，其應用日益廣泛和普及。但因自動扶梯故障引起的乘客傷亡事件也隨之增加，對自動扶梯維保提出了更高的要求。為解決自動扶梯傳統的定期維修帶來的“過度修”或“欠修”問題，基于TRIZ理論，提出自動扶梯故障預警解決方案。通過功能分析、因果分析、問題求解、方案選定等過程，解決了自動扶梯故障預警的技術矛盾，實現了自動扶梯故障預警功能，達到了自動扶梯故障預防性維修的目的。

關鍵詞：TRIZ理論；自動扶梯；故障預警；維修保養

中圖分類號：G311 文獻標識碼：A Doi：10.3969/j.issn.1672-2272.202306084

Research and Development of Escalator Fault Warning System Based on TRIZ Theory

Wang Jiantao

（China Railway Siyuan Survey and Design Group Co.，Ltd，

Wuhan 430063， China）

Abstract：As an indispensable means of transportation in modern people's life， escalators are increasingly widely used and popularized in today's urban rail transit development. However， the number of passenger casualties caused by escalator failures has also increased， putting forward higher requirements for escalator maintenance. In order to solve the problem of “over-repair” or “under-repair” caused by the traditional regular maintenance of escalators， this paper proposes an escalator fault warning solution based on TRIZ theory， and solves the technical contradiction of realizing escalator fault early warning through functional analysis， causal analysis， problem solving， scheme selection and other processes， realizes the escalator fault warning function， and achieves escalator fault preventive maintenance.

Key Words：TRIZ Theory; Escalators; Fault Warning; Maintenance

0 引言

目前國內從事扶梯生產的企業多達 100 多家，其中既有奧的斯、蒂森克虜伯、三菱、迅達等國際品牌，也有康力、沈陽遠大、江南嘉捷等國產品牌。扶梯發展至今已經有 100 多年歷史，給全世界人們帶來了無窮的便捷。

隨著設備使用時間增加，扶梯本身零部件引起的故障日益增多，如梯級斷裂、主軸軸承座斷裂、梯級滾輪軸承損壞、扶手帶驅動軸承和主軸損壞等。部分故障可能導致梯級塌陷、倒轉，甚至引起嚴重的人員傷亡事故。故障的產生除了設備缺陷、管理疏漏等方面的原因，最主要的還是缺乏有效的設備故障預判和智能監控體系[1-2]。隨著自動扶梯數量急劇增長，運維管理方面不可避免暴露一些問題：管理人員的精力不夠、無法客觀實際掌握扶梯狀態，定期保養導致的維修不足等都會導致扶梯有“帶病運行”的風險，對安全穩定運行帶來隱患。另外，由于無法實時掌握扶梯運行狀態，需要依靠大量人員進行巡檢，大量人員以及傳統的運維管理模式造成人工成本的極大浪費[3]。各扶梯制造商雖然也在產品質量和安全上做了很多工作，但大部分產品還存在以下缺點：

在安全方面，絕大多數產品都是從制造上研究如何提高自動扶梯安全性，從技術上研究如何避免事故發生，而在扶梯運行過程中卻主要依靠專業人員對扶梯進行定期保養和維護。這樣不僅維護周期長，事故隱患的潛伏期也較長，無法有效降低事故發生的可能性，并且對維護人員的技術要求較高，人力成本高。

對扶梯的定期檢修往往會存在過修和欠修的問題，無法根據扶梯運行狀況做到預測修、預防修，面對突發事故，缺少應急處理能力，待相關人員趕到對事故進行處理時，往往已經造成了較大損失。

因此，針對上述自動扶梯運行安全風險和養護維修存在的問題，已有相關單位提出自動扶梯全生命周期故障監測方案，但存在故障識別準確率低的問題，無法較好地滿足自動扶梯的預防性維保需求。

1 問題描述

針對自動扶梯預防性維修需求，目前國內外已有相關研究，如采用Zigbee 無線通訊網絡實現子系統間的數據傳輸[4]。在對數據采集子系統進行設計時，根據自動扶梯常見故障，確定了具體的測量參數，并相應的設計了振動傳感器節點、液位傳感器節點、溫度傳感器節點、速度傳感器節點和火焰傳感器節點，從而實現了對自動扶梯梯級振動、潤滑系統剩余油量、電動機溫度和速度這四大信息的數據采集，并能夠判斷是否有火災事故發生。但系統僅監測自動扶梯相關傳感數據，無法根據傳感數據準確的判斷自動扶梯相關核心部件的故障情況。

上海交通大學的何成探討了一種基于安全標準的自動扶梯監控系統方案，并提出了具體的設計實現，該方案相比于現有的各種自動扶梯監控系統結構，具有診斷信息豐富、成本合理、土建空間要求小、安全可靠、易于擴展、易于連接等特點[5]。可以直接連接流行的MODBUS樓宇監控系統。但該系統只能通過扶梯安全裝置的開關量來簡單判斷扶梯的故障狀態，僅能做到故障后告警，無法做到故障前準確預判。

因此，對于自動扶梯故障預警系統研發的工程問題，其技術系統（S）為自動扶梯故障預警系統，功能（V+O）為監測自動扶梯+預警故障部件，工作對象為自動扶梯；項目存在的缺陷為自動扶梯故障預警故障識別準確率低；項目的研發目標為提高自動扶梯故障識率，并智能生成運維方案。

2 系統分析

2.1 功能分析

首先，建立自動扶梯故障預警系統功能組件分析表，如表1所示。工程系統為自動扶梯故障預警系統，其組件為振動傳感器、數據采集盒、數據傳輸網絡、數據解析器、服務器、軟件算法平臺、顯示器，超系統組件為自動扶梯、乘客、維修人員。

上述組件相互之間的作用分析及裁剪方案如圖1所示，采用兩種裁剪方案。方案一：利用裁剪規則C，裁剪有害功能組件數據傳輸網絡，功能集中到5G無線數據采集盒，系統組件內-數據采集盒執行其有用功能。方案二：利用裁剪規則E，裁剪有功能缺陷的組件-數據傳輸網絡，采用技術快速傳輸的光纖光柵作為新組件執行其有用功能。

2.2 因果分析

針對自動扶梯故障識別準確率低的問題進行因果鏈分析。自動扶梯故障識別率低主要由于故障錯報和故障漏報導致，其中故障錯報由于信息輸入不足、算法分析不足導致，故障漏報由于未獲取信息、獲取信息不及時、漏掉有效信息和存在位置故障導致。通過因果鏈的層層遞進，最終總結出傳感器數量少、預警值不準確、數據處理速度慢、故障庫不全為4個關鍵缺點。

根據因果分析得到的4個關鍵缺點，建立關鍵問題列表，如表2所示。面對傳感器數量少，其關鍵問題為如何增加有效傳感器數量，但是如果增加傳感器數量，可以提高信息的獲取，但同時也會讓系統對外部干擾有害因素作用更敏感，存在矛盾。面對預警值不準確，其關鍵問題為如何確定正確的預警值。系統需要降低預警值以降低故障漏報率，同時需要增大預警值以降低錯報率，存在矛盾。面對數據處理速度慢，其關鍵問題為如何提高處理速度，如果增加服務器，那么可以提高數據處理速度，但是系統的控制和測試難度會提高，存在矛盾。面對故障庫不全，其關鍵問題為如何完善故障庫，可模擬實驗擴充故障庫，無矛盾。

3 問題求解

針對上節提出的：①如果增加傳感器數量，那么可以提高信息的獲取，但是對外部干擾有害因素作用更敏感；②如果降低預警值，那么可以減少故障數據的丟失，但是對外部干擾有害因素作用更敏感；③如果增加服務器，那么可以提高數據處理速度，但是系統的控制和測試難度提高，3個矛盾問題，可以通過TRIZ理論中問題求解方法解決矛盾問題。

3.1 如何增加傳感器數量

技術矛盾描述：如果增加傳感器數量，那么可獲取更多故障狀態參數、減少信息損失，但是對乘客及外部環境的影響干擾更加敏感。將其轉化為通用的工程參數后，改善的參數為：24.信息損失，惡化的參數為：30.對外部有害子因素作用的敏感度，通過查找矛盾矩陣，有方法NO.22變害為利、NO.10預操作、NO.01分割。

采用NO.22： 變害為利發明原理，提出建立基于外部環境干擾數據庫的自動扶梯故障預警系統，即利用有害的因素，得到有益的結果，利用傳感器收集外部干擾的數據，如乘客踩踏干擾、推車干擾、重物干擾等，并建立外部干擾數據庫，反過來利用這些數據對扶梯進行監測，提高故障預測精度，如圖2所示。

采用發明原理NO.01： 分割原理，提出基于外部干擾的故障監測系統傳感器布點方案，即使物體分為獨立的部分，將原先一個集中的扶梯監測系統分割成兩個不同要求的監測系統，即與外部干擾直接接觸的監測系統和與外部干擾不直接接觸的監測系統，采用不同配置策略，與不受外部干擾的監測系統將被賦予更高的信任權重，從而提高綜合故障預測精度。

3.2 如何確定預警值

如何確定預警值存在物理矛盾，即預警值要低，因為要降低漏報率；但預警值又需要高，因為要降低錯報率。選擇采用時間分離和條件分離原理。

其中，時間分離原理采用NO.15 動態性發明原理，提出基于動態閾值走廊的自動扶梯故障預警系統，如圖3所示，即在黃金期和穩定期要降低預警值；在磨合期和衰弱期要提高預警值，使故障檢測系統在每一個工作階段的預警值取值都是最佳。

條件分離采用NO.35 物理參數變化發明原理，提出基于溫度梯度的預警值自適應扶梯故障預警系統。當自動扶梯故障發生過程中，部分設備的溫升會有明顯的變化。因此，當監測到明顯溫升時，降低預警值，盡快捕捉故障信息，當監測對象無明顯升溫時，預警值保持在相對保守的數值，從而降低誤報率，也有效減少低閾值對誤報率的影響。

3.3 如何提高處理速度

如何提高處理速度存在技術矛盾，即如果增加服務器的數量，那么可以提高數據處理速度，但是系統的控制和測試難度提高。將其轉換成通用的工程參數即為改善的參數：09.速度，惡化的參數：37.監控與測試的困難程度。通過查找發明原理，可采用NO.27廉價替代品和NO.16不足或超額行動解決方案。

采用NO.27廉價替代品發明原理，提出基于分布式處理器的自動扶梯故障預警系統，如圖3所示，即采用低價分布式處理器替代中心服務器，每處設置低數據容量、高處理效率的處理器，犧牲局部數據容量，綜合提高處理速度，如圖4所示。

采用NO.16不足或超額行動發明原理，提出針對自動扶梯主機及梯級的故障預警系統，即因特殊原因，服務器無法支撐所有部件故障分析時，優先考慮與安全密切相關的主機和梯級故障分析，保障大破壞權重的部件監測，間接降低因外部環境導致的故障預測誤報率。

將上述所有方案進行組合，構建自動扶梯故障預警系統，綜合故障識別率達90%以上。

4 結語

本文面向自動扶梯故障預警系統故障識別準確率低的問題，根據TRIZ理論，分別采用功能分析和技術分析方法，找出故障識別準確率低的三大主要問題。針對主要問題，分別采用技術矛盾分析和物理矛盾分析，利用矛盾矩陣和時間、空間、條件分離等方法，得到多種相應發明原理，多維度解決如何增加傳感器數量、如何確定閾值、如何提高處理速度三大主要問題，提高了自動扶梯故障預警系統綜合故障預警準確性，并在多城軌道交通系統中得到應用，提高了自動扶梯的維保效率，并創造了可觀的經濟效益。

參考文獻：

[1]李欣.地鐵自動扶梯故障監測與智能診斷系統技術研究與應用[D].北京：北京化工大學， 2020.

[2]麥一飛.一種溫度信號與噪聲信號融合的自動扶梯故障監測系統[J].現代信息科技， 2022，6（4）：177-181.

[3]NURUL A I J， SHARIFAH N A S A， RAIHAN M A， et al. Maintenance and safety practices of escalator in commercial buildings[J]. IOP Conference Series： Earth and Environmental Science， 2018，117（1）：6.

[4]毛昱力.基于Zigbee技術的自動扶梯實時監控系統的研究與設計[D].大連：遼寧師范大學，2014.

[5]何成.基于現場總線的自動扶梯數據采集與監控系統[D].上海：上海交通大學，2009.

（責任編輯：張雙鈺）

基金項目：湖北省創新方法推廣應用基地服務能力建設項目（2020IM020800）

作者簡介：王劍濤（1996-），男，中鐵第四勘察設計院集團有限公司助理工程師，研究方向：智能裝備與控制。