摘? 要：隨著自動(dòng)電扶梯應(yīng)用的日益普及，安全事故率呈上升趨勢(shì)，設(shè)備運(yùn)行監(jiān)控及報(bào)警應(yīng)該得到足夠的重視。文章基于溫度信號(hào)與噪聲信號(hào)相融合的方式構(gòu)建自動(dòng)扶梯故障監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，通過監(jiān)測(cè)扶手帶的溫度來預(yù)判扶手帶的張緊情況，通過監(jiān)測(cè)梯級(jí)的噪聲來判斷梯級(jí)是否出現(xiàn)故障，同時(shí)基于BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)與遺傳算法進(jìn)行故障類型識(shí)別，通過對(duì)多個(gè)傳感器的監(jiān)測(cè)創(chuàng)建覆蓋自動(dòng)扶梯全壽命周期、高效精確的故障監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。

關(guān)鍵詞：自動(dòng)扶梯;故障監(jiān)測(cè);溫度;噪聲

中圖分類號(hào)：TP277? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)：2096-4706（2022）04-0177-05

An Escalator Fault Monitoring System Integrating Temperature Signal and Noise Signal

MAI Yifei

（Station House Construction Headquarters of China Railway Guangzhou Group Co.， Ltd.， Guangzhou? 510000， China）

Abstract： With the increasing popularity of the application of escalators， the safety accident rate is on the rise. Equipment operation monitoring and alarm should be paid enough attention. This paper constructs the escalator fault monitoring system based on the fusion of temperature signal and noise signal， predicts the tension of the handrail by monitoring the temperature of the handrail， and judges whether the step has fault by monitoring the noise of the step. At the same time， it identifies the fault type based on BP neural network and genetic algorithm， and creates an accurate and efficient fault monitoring system covering the whole life cycle of the escalator through the monitoring of multiple sensors.

Keywords： escalator; fault monitoring; temperature; noise

0? 引? 言

通常，自動(dòng)扶梯采用周期修或故障修，而現(xiàn)有的電扶梯故障在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)只是單一維度監(jiān)測(cè)，設(shè)置固定閾值只是起到故障報(bào)警作用，并不能準(zhǔn)確定位故障的類型與位置，致使不能及早排除自動(dòng)扶梯故障，這在一定程度上降低了自動(dòng)扶梯的安全性和使用壽命。

目前，通過監(jiān)測(cè)自動(dòng)扶梯導(dǎo)軌主面上輸出信號(hào)形變的方式來判定梯級(jí)異常，當(dāng)輸出信號(hào)異常時(shí)可判定為梯級(jí)驅(qū)動(dòng)部出現(xiàn)異常;梯級(jí)驅(qū)動(dòng)部異常時(shí)，系統(tǒng)會(huì)將梯級(jí)驅(qū)動(dòng)部異常這一情況輸出至外部，信號(hào)處理部將保養(yǎng)檢修時(shí)的輸出信號(hào)與基準(zhǔn)值進(jìn)行比較，二者之間的差值超過預(yù)先設(shè)定的閾值時(shí)，則可判定為車輪出現(xiàn)異常。

自動(dòng)扶梯和自動(dòng)人行道故障監(jiān)測(cè)與報(bào)警裝置，通過有線或無線Wi-Fi的方式將設(shè)備的上下行、停止、火警、故障和故障代碼等信息實(shí)時(shí)傳輸?shù)骄W(wǎng)絡(luò)平臺(tái)，CPU處理模塊還設(shè)置有GSM手機(jī)SIM卡接口，通過手機(jī)短消息向預(yù)先設(shè)定的維保人員或單位發(fā)送故障或火警信息。

自動(dòng)扶梯故障監(jiān)測(cè)系統(tǒng)包括傳感器模塊，傳感器模塊中的各傳感器設(shè)置于自動(dòng)扶梯的安全部位，用于接收并記錄自動(dòng)扶梯的運(yùn)行數(shù)據(jù)，系統(tǒng)根據(jù)運(yùn)行數(shù)據(jù)，確定是否生成報(bào)警信號(hào)并將報(bào)警信號(hào)發(fā)送至控制中心。

針對(duì)當(dāng)前的自動(dòng)扶梯故障監(jiān)測(cè)方法——單一的形變指標(biāo)、安全部位的傳感器檢測(cè)方式并不能提供精準(zhǔn)多維的運(yùn)行及故障信息，本文采用多維度化的故障信號(hào)采集方式，依據(jù)BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對(duì)故障進(jìn)行監(jiān)測(cè)。

1? 故障監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

首先在自動(dòng)扶梯上建立信號(hào)采集坐標(biāo)系，劃分監(jiān)測(cè)區(qū)域，可以按所組成的關(guān)鍵部件及其所在位置和區(qū)域進(jìn)行劃分，也可以基于自動(dòng)扶梯整體結(jié)構(gòu)的空間進(jìn)行劃分，具體可視實(shí)施情況而定?；诓煌谋O(jiān)測(cè)區(qū)域，一個(gè)區(qū)域可安裝一組傳感器，一組傳感器包括2個(gè)溫度傳感器和1個(gè)噪聲傳感器，以監(jiān)測(cè)區(qū)域?yàn)閱挝煌瑫r(shí)對(duì)多組傳感器進(jìn)行監(jiān)測(cè)，覆蓋整個(gè)自動(dòng)扶梯，獲得信號(hào)數(shù)據(jù)以及相應(yīng)信號(hào)的坐標(biāo)位置，或者單獨(dú)對(duì)關(guān)鍵零部件進(jìn)行信號(hào)監(jiān)測(cè)。在各種傳感器的設(shè)置中，通過定位模塊的設(shè)置，或者是借助于RFID等手段的標(biāo)識(shí)，能夠獲取反映傳感器監(jiān)測(cè)位置及相關(guān)坐標(biāo)的詳細(xì)信息，為后續(xù)的信息采集提供參考。作為一種實(shí)施例的優(yōu)選方式，在傳感器的設(shè)置中，一組噪聲信號(hào)安裝于構(gòu)件之上，對(duì)自身振動(dòng)信號(hào)進(jìn)行監(jiān)測(cè);兩路溫度信號(hào)的傳感器一路設(shè)置于構(gòu)件之上，對(duì)構(gòu)件的自身溫度進(jìn)行監(jiān)測(cè)，一路設(shè)置于構(gòu)件的環(huán)境溫度之上，對(duì)構(gòu)件的工作環(huán)境溫度進(jìn)行監(jiān)測(cè)。

目前自動(dòng)扶梯的運(yùn)行環(huán)境包括室內(nèi)和室外，外界環(huán)境對(duì)構(gòu)件溫度的干擾很大，若只單獨(dú)設(shè)置一個(gè)溫度傳感器來監(jiān)測(cè)構(gòu)件的溫度，外界環(huán)境溫度的變化勢(shì)必會(huì)影響傳感器溫度的檢測(cè)值，導(dǎo)致溫度信號(hào)與實(shí)際不符，影響最終的故障判斷。因此，基于實(shí)際應(yīng)用中的監(jiān)測(cè)需求，需要對(duì)溫度信號(hào)的采集設(shè)置進(jìn)行優(yōu)化，但出于系統(tǒng)冗余性方面的考慮，需要對(duì)溫度采集的方式以及故障信號(hào)的來源等多維信息進(jìn)行融合及關(guān)聯(lián)處理，以便實(shí)現(xiàn)對(duì)故障類型和位置的快速定位及識(shí)別。

2? 故障信號(hào)處理與融合

包括故障特征曲線擬合及特征向量生成，由所布置的溫度傳感器和加速度傳感器采集溫度和噪聲信號(hào)，主要是對(duì)監(jiān)測(cè)得到的信號(hào)進(jìn)行預(yù)處理，預(yù)處理過程主要包括以下步驟：

經(jīng)傅立葉變換把溫度信號(hào)和噪聲信號(hào)轉(zhuǎn)換為時(shí)域信號(hào)和頻域信號(hào)，在時(shí)域范圍內(nèi)，擬合噪聲信號(hào)與溫度信號(hào)之間的函數(shù)關(guān)系，并將之與歷史正常工作狀態(tài)下擬合的噪聲與溫度曲線進(jìn)行曲線重合度評(píng)價(jià)，曲線之間的殘差作為故障特征。其中故障特征的類型包括噪聲溫度曲線殘差故障特征、噪聲信號(hào)特征向量以及溫度信號(hào)特征向量三種。

曲線重合度評(píng)價(jià)計(jì)算公式為：

其中，y*為歷史正常工作狀態(tài)下的曲線函數(shù)值;y為實(shí)際測(cè)得的噪聲信號(hào)與溫度信號(hào)之間的非線性函數(shù)值;v為兩曲線之間殘差值離散點(diǎn)的求和;FIT為兩曲線之間擬合度指標(biāo)，其中FIT計(jì)算中的西格瑪求和為兩個(gè)曲線函數(shù)離散值差平方和。

下面介紹信號(hào)處理、特征識(shí)別、故障庫的建立步驟：

首先，分別對(duì)所采集的溫度信號(hào)與噪聲信號(hào)進(jìn)行小波包分解，通過降低閾值對(duì)重構(gòu)后的兩個(gè)窄帶信號(hào)進(jìn)行EMD分解。兩個(gè)窄帶信號(hào)由高頻至低頻被分解為若干個(gè)頻段，計(jì)算每一個(gè)IMF分量的能量值并進(jìn)行歸一化處理，組成特征向量。

其次，結(jié)合所得到的故障特征，基于BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)與遺傳算法進(jìn)行故障類型識(shí)別，依據(jù)不同組傳感器監(jiān)測(cè)信號(hào)得到故障信號(hào)坐標(biāo)位置，從而確定自動(dòng)扶梯的故障位置，實(shí)現(xiàn)電扶梯的故障識(shí)別與定位。在一些實(shí)施方案中，通過對(duì)上述自動(dòng)扶梯監(jiān)測(cè)區(qū)域的立體化建模，可視化展示故障的位置和類型并生成檢修策略報(bào)告。

最后，每次得到新的故障特征時(shí)，動(dòng)態(tài)更新自動(dòng)扶梯故障數(shù)據(jù)庫，與此同時(shí)故障數(shù)據(jù)存儲(chǔ)系統(tǒng)根據(jù)已有故障數(shù)據(jù)進(jìn)行自學(xué)習(xí)，不斷完善故障數(shù)據(jù)存儲(chǔ)系統(tǒng)，提高下一次的故障識(shí)別效率和準(zhǔn)確性。在上述故障數(shù)據(jù)庫的積累中，除了基于上述溫度信號(hào)特征向量、噪聲信號(hào)特征向量以及擬合曲線、標(biāo)準(zhǔn)擬合曲線、擬合度指標(biāo)生成故障數(shù)據(jù)庫之外，還可以根據(jù)這些故障指標(biāo)特征所指向的故障類型、位置特點(diǎn)、針對(duì)的構(gòu)件型號(hào)、可能性維修策略以及預(yù)防性的檢修策略等進(jìn)行累積和學(xué)習(xí)更新。

3? 基于BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的故障識(shí)別

通過對(duì)故障特征設(shè)置故障閾值（即在信號(hào)值達(dá)到故障閾值時(shí)識(shí)別出故障），設(shè)置故障閾值走廊，當(dāng)信號(hào)達(dá)到故障閾值走廊時(shí)，提示相關(guān)責(zé)任人對(duì)自動(dòng)扶梯進(jìn)行檢修，提前制定好維修策略，保障自動(dòng)扶梯的安全運(yùn)行。根據(jù)健康值歷史數(shù)據(jù)與實(shí)際維修情況，基于故障數(shù)據(jù)中心BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)自學(xué)習(xí)功能，設(shè)置相應(yīng)的動(dòng)態(tài)閾值走廊，分別為：相對(duì)安全狀態(tài)閾值范圍走廊——扶梯正常運(yùn)行;存在維修隱患狀態(tài)閾值范圍走廊——列入重點(diǎn)監(jiān)控組;存在維修故障狀態(tài)閾值范圍走廊——關(guān)鍵構(gòu)件預(yù)防性維修;存在安全隱患閾值范圍走廊——停止運(yùn)行并進(jìn)行全面維修。將健康度模型計(jì)算得到的健康值與健康值動(dòng)態(tài)閾值走廊范圍值相比較，選擇相對(duì)應(yīng)的維修策略。

對(duì)自動(dòng)扶梯多個(gè)關(guān)鍵零部件進(jìn)行故障檢測(cè)和監(jiān)測(cè)，從而建立自動(dòng)扶梯的全壽命周期。基于BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行故障識(shí)別，如圖1所示，輸入層為振動(dòng)、溫度、擬合曲線差值的特征向量，輸出層為識(shí)別出來的自動(dòng)扶梯故障類型。其中，利用BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和遺傳算法進(jìn)行計(jì)算，主要是對(duì)含有故障特征向量的各類輸入信息進(jìn)行訓(xùn)練，這樣有利于故障專家數(shù)據(jù)庫的生成，進(jìn)一步提高故障識(shí)別的精度。

4? 檢測(cè)驗(yàn)證

4.1? 扶手帶

扶手帶故障一般是由扶手帶漲緊裝置過緊或過松導(dǎo)致的，扶手帶漲緊裝置過緊時(shí)，扶手帶與滾輪之間的摩擦力會(huì)增大，導(dǎo)致扶手帶溫度上升，磨損更加嚴(yán)重，減少扶手帶壽命，提高扶手帶故障發(fā)生概率;扶手帶漲緊裝置過松時(shí)，會(huì)導(dǎo)致電扶梯運(yùn)行時(shí)扶手帶不穩(wěn)，引發(fā)安全事故。

通過在扶手帶上方安裝紅外溫度傳感器，實(shí)時(shí)采集扶手帶溫度數(shù)據(jù)，再通過多數(shù)據(jù)分析技術(shù)，分析扶手帶狀態(tài)，判斷扶手帶漲緊裝置是否過緊或過松。

建立數(shù)學(xué)模型，進(jìn)行算法訓(xùn)練后，采用分類器進(jìn)行驗(yàn)證，針對(duì)扶手帶老化程度進(jìn)行檢測(cè)，其中原始數(shù)據(jù)與數(shù)據(jù)分析如圖1（a）、1（b）所示。采用螢光法及視覺識(shí)別算法均可實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確檢測(cè)，均已通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。

4.2? 梯級(jí)鏈系統(tǒng)

梯級(jí)驅(qū)動(dòng)鏈?zhǔn)亲詣?dòng)扶梯中最重要的驅(qū)動(dòng)部件，一般為套筒滾子鏈。由于長(zhǎng)期運(yùn)行，磨損較嚴(yán)重，主要故障包括潤(rùn)滑系統(tǒng)故障、鏈條嚴(yán)重磨損。究其原因，主要是由于梯級(jí)滾輪長(zhǎng)期缺油摩擦而導(dǎo)致的，梯級(jí)鏈條的松緊度不合適導(dǎo)致梯級(jí)鏈條嚴(yán)重磨損，此次采用噪音傳感器監(jiān)測(cè)方案來監(jiān)測(cè)梯級(jí)鏈條滾輪，預(yù)判梯級(jí)鏈松緊等方面的故障。采用合適的多維度融合故障模型及多維度融合故障判別算法，可以準(zhǔn)確判斷出梯級(jí)鏈有幾個(gè)滾輪發(fā)生了破損，以及梯級(jí)鏈的松緊程度（以0.5 cm為一個(gè)判別梯度）。其中，緊0.5～1.5 cm如圖2所示，松0.5～1.5 cm如圖3所示。

4.3? 梯級(jí)系統(tǒng)

我們通過實(shí)驗(yàn)和維保公司對(duì)梯級(jí)故障的統(tǒng)計(jì)，發(fā)現(xiàn)梯級(jí)故障包括梯路不暢和單個(gè)梯級(jí)故障，且最易發(fā)生故障的部位為梯級(jí)翻轉(zhuǎn)的位置，無論是梯路不暢還是單個(gè)梯級(jí)故障，都會(huì)在梯級(jí)翻轉(zhuǎn)位置產(chǎn)生噪聲。故可以采用監(jiān)測(cè)梯級(jí)噪聲的方式來判斷梯級(jí)故障。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，在一臺(tái)下行時(shí)存在一個(gè)梯級(jí)翻轉(zhuǎn)不暢的情況，發(fā)出明顯的噪音，梯級(jí)支撐部正常，梯級(jí)輪正常，對(duì)梯級(jí)安裝不到位的自動(dòng)扶梯，進(jìn)行故障采樣，采樣數(shù)據(jù)如圖4所示。

采用小波分析的方式對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行降噪處理，如圖5所示。

提取噪聲數(shù)據(jù)特征值，并做進(jìn)一步的分析，結(jié)果如圖6所示。

從噪聲特征提取圖中可以直觀地看到，梯級(jí)故障的特征表現(xiàn)為周期性重復(fù)出現(xiàn)。

5? 結(jié)? 論

本文通過在自動(dòng)扶梯關(guān)鍵部件上安裝噪聲傳感器和溫度傳感器，采集噪聲與溫度信號(hào)，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)自動(dòng)扶梯的運(yùn)行狀態(tài)，提取信號(hào)中的故障特征，經(jīng)BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)故障識(shí)別，通過不同監(jiān)測(cè)區(qū)域所得到的故障信號(hào)可以準(zhǔn)確定位故障位置，實(shí)現(xiàn)電扶梯重要部件的故障識(shí)別與定位。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，本文所提的溫度信號(hào)與噪聲信號(hào)融合的自動(dòng)扶梯故障監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，能夠高效可靠地檢測(cè)出梯級(jí)故障及扶手帶過緊等故障。通過在自動(dòng)扶梯上安裝多個(gè)傳感器來監(jiān)測(cè)扶梯的運(yùn)行狀態(tài)，建立電梯的全壽命周期，高效精確地監(jiān)測(cè)扶梯故障，提高了維修效率，降低了自動(dòng)扶梯維修成本，保障了自動(dòng)扶梯安全可靠的運(yùn)行。

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作者簡(jiǎn)介：麥一飛（1977—），男，漢族，廣東臺(tái)山人，工程師，本科，研究方向：機(jī)械電子。