張浩 趙軍 朱冬 張銀龍 趙孝云

摘 ?要：針對(duì)自動(dòng)扶梯故障預(yù)防性維修的問(wèn)題，提出一種基于健康度模型的自動(dòng)扶梯預(yù)防性維修策略。通過(guò)監(jiān)測(cè)自動(dòng)扶梯的速度、加速度、振動(dòng)、噪音以及利用監(jiān)控設(shè)備和圖像處理的方法得到扶梯相關(guān)載客情況，同時(shí)將監(jiān)測(cè)得到的數(shù)據(jù)與構(gòu)件理論指標(biāo)值進(jìn)行曲線重合度比對(duì)，判斷兩個(gè)曲線之間的擬合度指標(biāo)，用作判斷構(gòu)件安全與否的參考值。依據(jù)層次分析法確定自動(dòng)扶梯不同構(gòu)件故障因素的權(quán)重系數(shù)。自動(dòng)扶梯不同構(gòu)件故障的安全值與權(quán)重系數(shù)之積相加得出整個(gè)自動(dòng)扶梯的健康度模型，由健康度模型計(jì)算得到自動(dòng)扶梯健康值，依據(jù)健康值大小判斷自動(dòng)扶梯運(yùn)行狀態(tài)并給出相應(yīng)的維修策略。

關(guān)鍵詞：自動(dòng)扶梯;健康度;預(yù)防性;維修策略

中圖分類號(hào)：TP391 ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)：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(dòng)扶梯用在建筑物的不同層高間向上或向下輸送乘客的設(shè)備，廣泛應(yīng)用于火車站、地鐵站、汽車站、商場(chǎng)、機(jī)場(chǎng)等人流密集的地方。自動(dòng)扶梯的工作原理是一條鏈條式的傳送帶循環(huán)往復(fù)地運(yùn)轉(zhuǎn)，屬于強(qiáng)制式的驅(qū)動(dòng)，所以一旦出現(xiàn)卡阻可能會(huì)造成設(shè)備的損壞，而且其運(yùn)動(dòng)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(diǎn)是敞開(kāi)式，所以間隙處異物的卷入是造成人身傷害和設(shè)備損壞的主要原因。軌道交通領(lǐng)域自動(dòng)扶梯故障種類多、易擴(kuò)大、難防控，因而保證其安全運(yùn)行至關(guān)重要。故障分類包括梯級(jí)類、曳引鏈類、驅(qū)動(dòng)裝置類、梯路類、扶手裝置類、安全保護(hù)裝置類。作為運(yùn)載及疏散乘客的關(guān)鍵設(shè)備，也是特種設(shè)備，其事故可能會(huì)帶來(lái)不可估量的后果，需要進(jìn)行故障預(yù)測(cè)與健康管理，推進(jìn)預(yù)防性報(bào)警的發(fā)展。

當(dāng)前，自動(dòng)扶梯設(shè)置有30余種安全裝置，但只提取故障單一開(kāi)關(guān)量，僅能實(shí)現(xiàn)故障后報(bào)警，不能消除安全隱患。原有維保模式即“故障維修+定期保養(yǎng)”，存在過(guò)度維修或欠缺維修的問(wèn)題，無(wú)法準(zhǔn)確掌握扶梯運(yùn)行狀態(tài)，造成資金、資源的浪費(fèi)。目前國(guó)外電梯廠家針對(duì)自身設(shè)備開(kāi)發(fā)了監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，但是通用性差，不能實(shí)現(xiàn)健康趨勢(shì)預(yù)判，國(guó)內(nèi)現(xiàn)有技術(shù)功能單一，監(jiān)測(cè)范圍小?，F(xiàn)有扶梯監(jiān)測(cè)采用閾值報(bào)警的方式，準(zhǔn)確度低，工程實(shí)用價(jià)值較差。同類在線監(jiān)測(cè)技術(shù)僅監(jiān)測(cè)單一的指標(biāo)，易誤報(bào);數(shù)據(jù)冗余，占用帶寬，無(wú)效數(shù)據(jù)多;不能夠指導(dǎo)設(shè)計(jì)、選型，無(wú)法實(shí)現(xiàn)全壽命優(yōu)化。需對(duì)自動(dòng)電扶梯開(kāi)展定期維修，檢修相關(guān)梳齒板故障、扶手帶故障、梯級(jí)故障、曳引鏈故障、驅(qū)動(dòng)裝置故障、安全保護(hù)裝置故障，從而保證乘客安全與運(yùn)行順暢。目前自動(dòng)扶梯的檢修主要涉及周期修和故障修，維修時(shí)需要拆卸電梯的機(jī)箱外殼，擰下及擰上螺釘，可能造成過(guò)度維修或維修不及時(shí)，耗費(fèi)維修人員大量的時(shí)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(dòng)扶梯預(yù)測(cè)維修策略示意圖

在自動(dòng)電扶梯中設(shè)置可以檢測(cè)監(jiān)測(cè)電梯異常狀況的安全組件，例如傳感器等設(shè)備，上述安全組件一般都是分散性地設(shè)置在電梯設(shè)備上，用以監(jiān)測(cè)電梯的運(yùn)行，然而以上各組件有可能發(fā)生故障或損壞，進(jìn)而對(duì)電梯的運(yùn)行安全造成影響，在自動(dòng)扶梯完成運(yùn)送工作的期間，必須確保電扶梯設(shè)備的組件及安全組件正確發(fā)揮功能，并且在后續(xù)的監(jiān)測(cè)、維護(hù)以及必要時(shí)更換組件的復(fù)雜工作范圍內(nèi)，依據(jù)自動(dòng)電扶梯的檢測(cè)監(jiān)測(cè)狀況生成維修策略，從而避免過(guò)渡維修或維修不及時(shí)。

1 ?故障監(jiān)測(cè)

自動(dòng)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(xué)、維護(hù)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(jí)故障、曳引鏈故障、驅(qū)動(dòng)裝置故障、安全保護(hù)裝置故障，具體可分為曳引機(jī)、主機(jī)驅(qū)動(dòng)、梯級(jí)驅(qū)動(dòng)、軸及軸承、主驅(qū)動(dòng)鏈、梯級(jí)驅(qū)動(dòng)鏈、梯級(jí)滾輪、梯級(jí)鏈條滾輪、扶手帶、金屬桁架、梯級(jí)、梯級(jí)軸、導(dǎo)軌等組件故障。通過(guò)監(jiān)測(cè)自動(dòng)扶梯的速度、加速度、振動(dòng)、噪音，視頻監(jiān)控進(jìn)行分析處理量化為扶梯自身故障的相關(guān)指標(biāo)參考值，如圖2所示。

圖2 ?自動(dòng)扶梯健康度模型示意圖

對(duì)實(shí)時(shí)在線監(jiān)測(cè)得到的監(jiān)測(cè)信號(hào)數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理，得到時(shí)域條件下的振動(dòng)、噪聲、速度、溫度等信號(hào)的擬合曲線，與正常工作狀態(tài)下的標(biāo)準(zhǔn)擬合曲線進(jìn)行比較，獲取曲線之間的殘差。通過(guò)求取擬合曲線與標(biāo)準(zhǔn)擬合曲線之間的擬合度指標(biāo)，判斷相應(yīng)構(gòu)件的健康狀況。

擬合度指標(biāo)的計(jì)算公式為：

其中，y*為歷史正常工作狀態(tài)下的標(biāo)準(zhǔn)擬合曲線函數(shù)，y為實(shí)際測(cè)得的溫度時(shí)域特征信號(hào)及噪聲時(shí)域特征信號(hào)之間的非線性函數(shù)，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)，作為相應(yīng)構(gòu)件的安全值。

2 ?層次分析法

依據(jù)層次分析法（AHP）確定自動(dòng)扶梯不同構(gòu)件故障因素的權(quán)重系數(shù)，分為目標(biāo)層、準(zhǔn)則層、方案層，其中準(zhǔn)則層分為四個(gè)層次：安全隱患（C1）、影響程度（C2）、維修時(shí)間（C3）、維修成本（C4），構(gòu)建一個(gè)判斷矩陣B，矩陣B中各元素bij表示橫行指標(biāo)Ci對(duì)各列指標(biāo)Cj的相對(duì)重要程度的兩兩比較值的選定，上述數(shù)值在故障數(shù)據(jù)庫(kù)中存儲(chǔ)有相應(yīng)的參考選擇數(shù)據(jù)，可以依據(jù)準(zhǔn)則層的指標(biāo)進(jìn)行相應(yīng)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(zhǔn)則層所選取的指標(biāo)數(shù)量，i、j、l均為范圍在1到n之間的自然數(shù)，為矩陣的行列標(biāo)號(hào)，矩陣元素的乘積決定了在選取矩陣元素時(shí)盡量保持指標(biāo)維度的統(tǒng)一。對(duì)向量（，，…，）T進(jìn)行歸一化處理，計(jì)算公式為：，wp為所求的當(dāng)前判斷矩陣的權(quán)重系數(shù)，即求出當(dāng)前構(gòu)件健康度模型的權(quán)重系數(shù)。

3 ?健康度模型

通過(guò)構(gòu)建自動(dòng)扶梯實(shí)時(shí)的健康度模型來(lái)評(píng)估自動(dòng)扶梯的運(yùn)行狀況，自動(dòng)扶梯健康度模型的計(jì)算公式為：

其中，αp為自動(dòng)扶梯不同組件故障的安全值，ωp為自動(dòng)扶梯不同組件故障所對(duì)應(yīng)的權(quán)重系數(shù)，m為計(jì)入健康度模型計(jì)算的自動(dòng)扶梯重要構(gòu)件的數(shù)量;當(dāng)前殘差曲線落入閾值走廊的情況下，進(jìn)一步生成健康度閾值走廊，依據(jù)所述健康度閾值走廊的分類提出預(yù)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(tài)閾值走廊，自動(dòng)扶梯正常運(yùn)行;

（2）存在維修隱患狀態(tài)閾值走廊，把相應(yīng)組件列入特別監(jiān)控組件群;

（3）存在維修故障閾值走廊，需要對(duì)自動(dòng)扶梯進(jìn)行預(yù)防性維修;

（4）存在較大安全隱患閾值走廊，需要對(duì)自動(dòng)扶梯進(jìn)行停運(yùn)做預(yù)防性全面維修。

4 ?自動(dòng)扶梯預(yù)防性維修策略

根據(jù)健康度模型把自動(dòng)扶梯故障分為四種情況：正常運(yùn)行、特別監(jiān)控組件群階段、提前介入預(yù)防性維修、停運(yùn)全面維修。我們主要關(guān)注的是特別監(jiān)控組件群階段和提前介入預(yù)防性維修這兩個(gè)階段。

特別監(jiān)控組件群階段，通過(guò)電流互感器、振動(dòng)傳感器、溫度傳感器、噪聲傳感器、信號(hào)開(kāi)關(guān)等多狀態(tài)參數(shù)監(jiān)測(cè)傳感器，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)扶梯主要零部件的狀態(tài)監(jiān)測(cè);主要零部件故障特征（如梯級(jí)故障、扶手帶故障、軸承齒輪故障等），通過(guò)采集層監(jiān)測(cè)的數(shù)據(jù)與特征層故障知識(shí)庫(kù)的臨近對(duì)比，基于每臺(tái)自動(dòng)扶梯實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)裝置返回監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)情況，可監(jiān)控自動(dòng)扶梯基本運(yùn)行情況，當(dāng)傳感器所監(jiān)測(cè)的某些數(shù)據(jù)發(fā)生劇烈波動(dòng)或者超出預(yù)設(shè)值時(shí)，自動(dòng)扶梯實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)裝置則通過(guò)網(wǎng)絡(luò)將故障信息以預(yù)警方式通報(bào)給指揮管理人員，并通過(guò)調(diào)整健康值進(jìn)入下一個(gè)階段。

提前介入預(yù)防性維修階段，該階段表示自動(dòng)扶梯主要監(jiān)測(cè)部件已經(jīng)出現(xiàn)故障前兆，監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)與原始數(shù)據(jù)比對(duì)已出現(xiàn)差異，數(shù)據(jù)正處于惡化階段，我們依據(jù)不同的構(gòu)件給出不同的維修策略。針對(duì)驅(qū)動(dòng)主機(jī)、梯級(jí)、梯路、扶手帶等部件的異常情況會(huì)采取提前介入檢查、維修、更換等措施;針對(duì)扶梯擋板、扶手帶過(guò)緊、扶手帶過(guò)松等情況，會(huì)建議在周檢查階段做進(jìn)一步的檢查維修，并將實(shí)時(shí)檢查結(jié)果反饋給系統(tǒng)，把故障信號(hào)存入故障庫(kù)，優(yōu)化訓(xùn)練故障監(jiān)測(cè)算法。

5 ?策略應(yīng)用與測(cè)試性試驗(yàn)

將該預(yù)防性維修策略應(yīng)用于某地鐵站，根據(jù)2022年1月3日至2022年1月9日一周內(nèi)的振動(dòng)數(shù)據(jù)分析，監(jiān)測(cè)自動(dòng)扶梯異常征兆并報(bào)警，如圖3所示。

圖3 ?自動(dòng)扶梯振動(dòng)數(shù)據(jù)分析圖

根據(jù)傳感器采樣及監(jiān)測(cè)系統(tǒng)預(yù)警，扶梯梯級(jí)大鏈運(yùn)行過(guò)程中出現(xiàn)異常震動(dòng)預(yù)警，根據(jù)數(shù)據(jù)分析，推測(cè)故障是梯級(jí)大鏈滾輪磨損。根據(jù)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)反饋的情況，1月10日經(jīng)過(guò)與地鐵站現(xiàn)場(chǎng)工班確認(rèn)，證實(shí)故障確定是扶梯梯級(jí)大鏈滾輪磨損導(dǎo)致的異常震動(dòng)，監(jiān)測(cè)系統(tǒng)判斷正確。因此該預(yù)測(cè)模型可對(duì)自動(dòng)扶梯故障進(jìn)行有效的監(jiān)測(cè)，通過(guò)數(shù)據(jù)分析可得出有效的故障預(yù)測(cè)結(jié)果。

6 ?結(jié) ?論

提出多變量信息融合的健康度模型并且依據(jù)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(lái)確定自動(dòng)扶梯不同構(gòu)件故障因素的權(quán)重系數(shù)，以自動(dòng)扶梯不同組件故障的安全值與權(quán)重系數(shù)之積相加得出整個(gè)自動(dòng)扶梯的健康度模型，由健康度模型計(jì)算得到自動(dòng)扶梯健康度值，通過(guò)數(shù)據(jù)庫(kù)自學(xué)習(xí)功能確定不同維修狀態(tài)的閾值走廊，分別為：安全狀態(tài)閾值走廊，扶梯正常運(yùn)行;存在維修隱患狀態(tài)閾值走廊，把相應(yīng)構(gòu)件列入特別監(jiān)控構(gòu)件組;存在維修故障閾值走廊，需要對(duì)自動(dòng)扶梯進(jìn)行預(yù)防性維修;存在較大安全隱患閾值走廊，需要對(duì)自動(dòng)扶梯進(jìn)行停運(yùn)做預(yù)防性全面維修，由健康度模型計(jì)算得到自動(dòng)扶梯健康度值，通過(guò)數(shù)據(jù)庫(kù)自學(xué)習(xí)功能確定不同維修狀態(tài)的閾值走廊，給出相對(duì)應(yīng)的維修策略。

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作者簡(jiǎn)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(shè)備。