李成洋

中鐵第四勘察設(shè)計院集團有限公司，武漢，430063

0 引言

市域鐵路是服務(wù)都市區(qū)旅客快速通勤的重要交通工具，目前市域鐵路的建設(shè)在我國處于高速發(fā)展期,預(yù)計到2035年，市域鐵路可幫助都市區(qū)旅客實現(xiàn)1小時通勤的發(fā)展目標。據(jù)統(tǒng)計，截至2018年底，我國共有35個城市開通城市軌道交通，運營線路總長度5761.4公里，其中市域鐵路656.5公里，占比為11.4%[1]。為增強車站的疏散能力，在市域鐵路各車站設(shè)計運行安全、高效、便捷的自動扶梯、電梯(以下簡稱“電扶梯”)，可極大地提高車站的服務(wù)質(zhì)量和運營能力。

電扶梯作為特種設(shè)備和旅客提升設(shè)備，應(yīng)能滿足大客流情況下高強度使用[2]，然而，安裝于市域鐵路各車站的提升設(shè)備運動部件常年裸露在外，具有易發(fā)生損壞、故障種類多、難防控、事故后果易擴大等特點,因此，為保障旅客的生命財產(chǎn)安全，其設(shè)計的可靠性和運行的安全性備受廣大研發(fā)、設(shè)計、制造、運營人員的關(guān)注[3]。

目前，國內(nèi)外對提升設(shè)備設(shè)計的研究多集中在其機械部件、參數(shù)化設(shè)計、布局優(yōu)化、運行仿真等方面。馬向華等[4]將公共直流母線供電技術(shù)引入扶梯傳動控制系統(tǒng)的設(shè)計，提高了節(jié)能空間。吳戰(zhàn)國等[5]采用自上向下的方法對自動扶梯桁架進行參數(shù)化建模與裝配, 并編寫了動態(tài)鏈接庫，提高了設(shè)計效率。薛成超[6]以參數(shù)化設(shè)計為理論基礎(chǔ)，通過特征建模和軟件集成等技術(shù)，建立了電扶梯參數(shù)化快速響應(yīng)設(shè)計系統(tǒng)。趙煒等[7]將3D參數(shù)化方法應(yīng)用于電扶梯的設(shè)計中，提高了設(shè)計效率，減輕了設(shè)計人員的工作強度。PELCZARSKI[8]從人體工程學(xué)的角度對旅客搭乘扶梯時的運動狀態(tài)進行研究，優(yōu)化了臺階的尺寸與電扶梯的整體坡度，提高了電扶梯的舒適性和安全性。PARK 等[9]建立了電扶梯多體動力學(xué)的運行與制動仿真模型，通過反饋優(yōu)化了電扶梯的頂層設(shè)計，提高了設(shè)備的安全與節(jié)能性能。但對于電扶梯等提升設(shè)備，目前尚未查閱到針對其全階段的智能設(shè)計與全壽命周期安全保障的一體化研究。

針對上述問題，本文研究了一種適用于市域鐵路旅客提升設(shè)備全階段的智能設(shè)計系統(tǒng)，并研究了全壽命周期的多傳感器實時狀態(tài)監(jiān)測技術(shù)，以保障提升設(shè)備從設(shè)計階段到運行階段的安全。

1 數(shù)據(jù)驅(qū)動的提升設(shè)備智能設(shè)計系統(tǒng)框架

傳統(tǒng)輔助設(shè)計系統(tǒng)的開發(fā)模式是以應(yīng)用為導(dǎo)向，然后根據(jù)功能需求填充數(shù)據(jù)。這種開發(fā)模式用于提升設(shè)備設(shè)計，存在階段數(shù)據(jù)無法跟蹤、數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)混亂、應(yīng)用變化影響數(shù)據(jù)底層、系統(tǒng)擴充困難等缺陷。為了保證數(shù)據(jù)標準統(tǒng)一，便于維護拓展，本文采用數(shù)據(jù)驅(qū)動應(yīng)用的理念來進行提升設(shè)備智能設(shè)計系統(tǒng)的開發(fā)。

圖1所示為系統(tǒng)的總體框架，包括應(yīng)用、維護、標準、管理4大體系和數(shù)據(jù)資源、集成服務(wù)、計算機輔助設(shè)計、協(xié)同設(shè)計4大結(jié)構(gòu)層次。4個體系是系統(tǒng)功能開發(fā)的外圍體系，4個結(jié)構(gòu)層則是系統(tǒng)功能實現(xiàn)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)。

圖1 數(shù)據(jù)驅(qū)動的提升設(shè)備智能設(shè)計系統(tǒng)框架Fig.1 The frame of intelligent aided design system with data-driven for lifting equipment

應(yīng)用體系是系統(tǒng)功能的表現(xiàn)方式，可以實現(xiàn)人機的交互；維護體系是保證系統(tǒng)保密性、安全性和數(shù)據(jù)正確性的重要功能體系；標準體系為系統(tǒng)開發(fā)提供標準化數(shù)據(jù)資源和規(guī)則、規(guī)范、模板； 管理體系是系統(tǒng)的硬件環(huán)境、軟件環(huán)境、數(shù)據(jù)庫等開發(fā)及應(yīng)用的管理體系，是系統(tǒng)開發(fā)的外部基礎(chǔ)。

數(shù)據(jù)資源層是對標準體系及維護體系中元數(shù)據(jù)的整理歸納和程序化，是最小的設(shè)計參數(shù)化數(shù)據(jù)，后續(xù)的功能核心均是通過元數(shù)據(jù)的不同組合以及對應(yīng)用的驅(qū)動實現(xiàn)的。為保證系統(tǒng)的智能性，需不斷擴充數(shù)據(jù)資源層的數(shù)據(jù)庫，在數(shù)據(jù)資源層運用如圖2所示的方案，基于選型、設(shè)計、運維全壽命周期元數(shù)據(jù)一體化管理，實現(xiàn)工程實際運營維護需求對設(shè)計的閉環(huán)反饋，不斷循環(huán)迭代提升系統(tǒng)設(shè)計的可靠性。

圖2 元數(shù)據(jù)迭代優(yōu)化方案Fig.2 Iterative optimization technique based on metadata

集成服務(wù)層是通過總線結(jié)構(gòu)對元數(shù)據(jù)進行集成，并與結(jié)構(gòu)化標準模板結(jié)合，形成中間成果或中間數(shù)據(jù)的功能層。通過集成服務(wù)層可以避免數(shù)據(jù)交叉讀取導(dǎo)致的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)復(fù)雜、難以維護、不可溯源等問題。計算機輔助設(shè)計層是數(shù)據(jù)驅(qū)動全過程設(shè)計和應(yīng)用體系中各個功能的子功能層；協(xié)同設(shè)計層是計算機輔助設(shè)計層的并行層，是多專業(yè)、多單位間協(xié)同工作的功能層，用以保證市域鐵路提升設(shè)備全過程涉及到的各專業(yè)、各單位間的協(xié)同數(shù)據(jù)一致。

2 ECA規(guī)則與CBR技術(shù)相結(jié)合的智能設(shè)計方法

事件-條件-動作(event-condition-action，ECA) 規(guī)則是運用輸入條件和設(shè)計經(jīng)驗主動觸發(fā)輸出行為的規(guī)則。在提升設(shè)備智能設(shè)計系統(tǒng)中, 除原有的應(yīng)用體系外, 還需通過標準體系對提升設(shè)備的智能設(shè)計進行判別和參數(shù)化修改, 該標準體系由已經(jīng)定義或設(shè)計的各種提升設(shè)備選型參數(shù)及工程設(shè)計規(guī)則組成。通過不斷擴充外界工程經(jīng)驗和數(shù)據(jù)庫中數(shù)據(jù)的變化情況, 一旦發(fā)現(xiàn)某個已設(shè)置在規(guī)則庫中的設(shè)計輸入, 就立即主動觸發(fā)其后的設(shè)計行為, 從而輸出相應(yīng)的設(shè)計成果。下面針對本系統(tǒng)給出ECA規(guī)則的相關(guān)定義。

定義1R={E，C，A}。其中，E表示激活提升設(shè)備設(shè)計規(guī)則的項目概況，如城市、客流、載重等；C為輸入條件，用以反映設(shè)計中的不同情況；A為不斷根據(jù)工程經(jīng)驗積累的輸出規(guī)則。

定義2當數(shù)據(jù)發(fā)生變化時，即發(fā)生了更新事件。E為函數(shù)，表示將時間T映射為布爾值，可以表示為

E：T→{True，F(xiàn)alse}

當T時刻發(fā)生改變，則E(T)為True，否則為False。

通過ECA規(guī)則觸發(fā)主動數(shù)據(jù)庫的行為，能夠讓系統(tǒng)只傳輸滿足條件的更新數(shù)據(jù)給設(shè)計人員，減少數(shù)據(jù)信息傳輸量，也降低錯誤數(shù)據(jù)產(chǎn)生的可能性。

事件發(fā)生時條件的判斷是通過實例推理(case-based reasoning，CBR)技術(shù)來實現(xiàn)的，將以往的成功設(shè)計經(jīng)驗從數(shù)據(jù)庫中檢索出來，與當前的數(shù)據(jù)進行關(guān)聯(lián)度解析 (求解灰關(guān)聯(lián)度)，通過比較當前數(shù)列與參考數(shù)列的關(guān)聯(lián)度，結(jié)合設(shè)計人員經(jīng)驗進行干預(yù)調(diào)整，得到最終方案的智能化設(shè)計技術(shù)[10]。在市域鐵路提升設(shè)備智能設(shè)計系統(tǒng)中，為了實現(xiàn)對新設(shè)計問題的求解，用戶可輸入提升設(shè)備相關(guān)參數(shù)特征與經(jīng)驗數(shù)據(jù)庫中已有的舊實例進行匹配。為了計算新舊實例之間的相似度，本系統(tǒng)采用了灰度關(guān)聯(lián)分析方法[11]，具體步驟如下：

(1)確定數(shù)列。將以往提升設(shè)備工程經(jīng)驗數(shù)據(jù)的特征值Xi作為參考數(shù)列：

Xi={Xi(j),j=1,2,…,k}

(1)

將當前發(fā)生的工程設(shè)計的特征值X0作為比較數(shù)列:

X0={X0(j),j=1,2,…,k}

(2)

(2)計算當前發(fā)生與經(jīng)驗設(shè)計的灰關(guān)聯(lián)系數(shù)。參考數(shù)列Xi與比較數(shù)列X0之間的關(guān)聯(lián)系數(shù)為

(3)

式中，ρ為分辨系數(shù)，一般取ρ=0.5。

可以得到Xi與X0的關(guān)聯(lián)系數(shù)為

δi={δi(j),j=1,2,…,k}

(4)

(3)計算灰關(guān)聯(lián)度。將比較數(shù)列在各特征值上的關(guān)聯(lián)系數(shù)作數(shù)學(xué)平均，即得到當前設(shè)計數(shù)據(jù)相對于參考設(shè)計的灰關(guān)聯(lián)度γ(X0,Xi):

(5)

其中，灰關(guān)聯(lián)度γ(X0,Xi)反映了當前設(shè)計項目與工程經(jīng)驗項目的相似程度，灰關(guān)聯(lián)度越大，相似度越高。在系統(tǒng)中設(shè)定閾值，當灰關(guān)聯(lián)度大于該閾值時，認為當前設(shè)計項目與工程經(jīng)驗項目匹配成功，從而輸出新項目的近似設(shè)計結(jié)果，再結(jié)合設(shè)計人員的經(jīng)驗人工干預(yù)調(diào)整參數(shù)，得到最終方案。新的設(shè)計方案經(jīng)過驗證可存儲為新實例，供新設(shè)計使用或參考。通過不斷地應(yīng)用和積累，實例庫將逐漸增大，實例匹配的概率必然提高，推理速度也會得到相應(yīng)的提升。

假如進行廈門地區(qū)扶梯關(guān)鍵零部件型號及參數(shù)的設(shè)計，當輸入工程概況為“廈門”時，系統(tǒng)會自動獲取其環(huán)境特征，針對其沿海城市的特點，系統(tǒng)通過ECA規(guī)則，傳輸沿海地區(qū)關(guān)鍵零部件的性能參數(shù)至下一環(huán)節(jié)，如軸承的鹽霧試驗要求、桁架的鍍鋅層厚度等，通過CBR技術(shù)，系統(tǒng)自動匹配同類沿海城市(如深圳、大連)軸承的鹽霧試驗要求(不少于480 h)，桁架的鍍鋅層厚度(120 μm)，作為近似設(shè)計結(jié)果，設(shè)計人員按需調(diào)整，得到最終方案。

3 基于物聯(lián)傳感的提升設(shè)備運行安全監(jiān)測技術(shù)

提升設(shè)備自身設(shè)計有安全裝置，如自動扶梯設(shè)計有供電系統(tǒng)斷錯相保護、電機過載或短路保護、超速保護、意外逆轉(zhuǎn)保護、梯級鏈保護、扶手帶保護、扶手帶速度監(jiān)控、梳齒板安全開關(guān)、梯級塌陷保護等安全裝置，電梯設(shè)計有斷電再平層裝置，超載保護、超速保護、終端限位保護、撞底保護、門保護裝置，鋼絲繩防斷裝置，曳引裝置保護等安全保護裝置。但目前的安全運行保護裝置主要通過提取故障單一開關(guān)量來實現(xiàn)故障后報警，并未消除安全隱患。

圖3所示為保障提升設(shè)備運行安全的在線監(jiān)測系統(tǒng)。傳感層通過溫度、振動、電流等傳感器，對提升設(shè)備主要零部件進行多種物理量監(jiān)測；分析層包含主要零部件非正常狀態(tài)特征庫，通過傳感層監(jiān)測的數(shù)據(jù)與分析層故障知識庫的鄰近對比，實現(xiàn)零部件狀態(tài)的診斷和預(yù)判；診斷層進行提升設(shè)備整體狀態(tài)的分析、決策，包括預(yù)防維修、應(yīng)急搶修、專家系統(tǒng)、故障分析等應(yīng)對策略。應(yīng)用傳感層、分析層、診斷層進行提升設(shè)備運行狀態(tài)分析，可將傳統(tǒng)的被動監(jiān)控報警革新為主動預(yù)測和風(fēng)險預(yù)防。

圖3 面向提升設(shè)備安全運行的在線監(jiān)測系統(tǒng)Fig.3 On-line monitoring system for lifting equipment safe operation

在實際工程中運行的自動扶梯上進行實驗，自動扶梯運行工況為扶梯下行，速度為0.5 m/s，傾角為30°，提升高度為5.2 m；采樣頻率為666 Hz；全天候監(jiān)測。監(jiān)測的主要零部件及其物理量包括：主機振動、噪聲、位移；主驅(qū)動輪振動、位移、噪聲；張緊輪振動、噪聲、溫度；梯級振動、噪聲；扶手帶噪聲、溫度等。

圖4為主機振動數(shù)據(jù)的監(jiān)測采集現(xiàn)場圖片，振動傳感器通過徑向螺紋接口安裝于電機殼體中部。圖5為主機噪聲數(shù)據(jù)的監(jiān)測采集現(xiàn)場圖片，噪聲傳感器通過安裝底座安裝于主機箱側(cè)壁，其余傳感設(shè)備同樣采用螺紋接口、安裝底座與各主要零部件關(guān)聯(lián)安裝。為避免低頻部分影響權(quán)重過大，對采集數(shù)據(jù)進行直流變換。

圖4 主機振動監(jiān)測數(shù)據(jù)采集Fig.4 Monitoring data collection for vibration generated by engine

圖5 主機噪聲監(jiān)測數(shù)據(jù)采集Fig.5 Monitoring data collection for noise generated by engine

(1)監(jiān)測至第19天時，發(fā)現(xiàn)主機振動參量有明顯增大，振幅達0.38 mm，周期性波動較大，對比前一天同時段，振幅平均值由0.1 mm增大到0.21 mm。同步分析主機噪聲發(fā)現(xiàn)，噪聲值有不穩(wěn)定波動，但變化并不明顯，對比前一天同時段，聲強平均值由36 dB增大到38 dB，如圖6所示。

(a) 主機振動(第19天14∶00)

(b) 主機振動(第18天14∶00)

(c) 主機噪聲(第19天14∶00)

(d) 主機噪聲(第18天14∶00)圖6 第19天與第18天同時段主機振動、噪聲特征Fig.6 Vibration and noise characteristics of main engine on the 19th and 18th day

對采集數(shù)據(jù)進行傅里葉變換后發(fā)現(xiàn)，在頻率為50 Hz、130 Hz、170 Hz、250 Hz(接近主機底座固有頻率)附近振幅有一定程度的增大，但噪聲無明顯變化。人工復(fù)測發(fā)現(xiàn)主機底座固定螺栓松動約1.5圈。

(2)持續(xù)監(jiān)測至第23天同時段，發(fā)現(xiàn)主機振動參量出現(xiàn)更大的峰值變化，振幅達0.39 mm，此時主機噪聲振幅也有明顯增大，對比第18天同時段，聲強平均值由36 dB增大到48 dB，如圖7所示。

(a) 主機振動(第23天14∶00)

(b) 主機噪聲(第23天14∶00)圖7 第23天同時段主機振動、噪聲特征Fig.7 Vibration and noise characteristics of main engine on the 23th day

人工復(fù)測發(fā)現(xiàn)，此時主機底座螺栓松動達3圈。綜上，融合多個監(jiān)測特征可更準確地預(yù)判零部件的健康狀態(tài)，并可對比零件固有頻率反推異常位置及劣化程度。

4 結(jié)語

本文采用數(shù)據(jù)驅(qū)動應(yīng)用的理念來進行提升設(shè)備智能設(shè)計系統(tǒng)的開發(fā)，以保證提升設(shè)備設(shè)計的包容性和全過程信息的一致性，并運用ECA規(guī)則與CBR技術(shù)相結(jié)合的智能設(shè)計方法，實現(xiàn)了設(shè)計系統(tǒng)快速匹配的準確性和不斷學(xué)習(xí)的智能性。并且通過對多傳感器在線監(jiān)測技術(shù)的研究和實驗，提出了提升設(shè)備運行安全監(jiān)測的有效方案，可實現(xiàn)設(shè)備健康狀態(tài)的主動預(yù)測和風(fēng)險預(yù)防。