自動扶梯智能預警及故障診斷系統研究

王曉闖

（中國鐵路設計集團有限公司，天津 300142）

近年來，以大數據、物聯網等為代表的新一代信息技術突飛猛進，作為智慧城市的核心組成部分，智慧地鐵[1]是軌道交通的一大發展趨勢，在軌道交通領域引入互聯網+等技術勢在必行。目前，對于自動扶梯設備的監控僅限于監視設備運行工況及部分安全裝置的故障報警，缺少機械部件工作監測狀態信息及故障分析信息等功能，無法做到智能預警、故障診斷，導致扶梯有“帶病”運行的風險。另外，隨著地鐵運營線路逐年增加以及服務水平不斷提高，自動扶梯設備的數量也在大幅度提升，且扶梯設置分布廣，這更加重了維保人員的日常維護保養工作強度，建立自動扶梯智能預警及故障診斷系統，能實現故障快速定位，從而提高設備維護、維修效率。

1 自動扶梯智能預警及故障診斷架構分析

自動扶梯主要故障類型[2]如表1 所示。

表1 自動扶梯主要故障類型表

自動扶梯屬于特種設備，是地鐵車站承擔運送乘客重任的關鍵設備，因此，自動扶梯的安全會直接關系到乘客的人身安全。為提高自動扶梯運行安全，加強對設備的檢修與維護管理，自動扶梯設備的智能預警及故障診斷系統應以滿足運營“安全、可靠、經濟、適用”為目標，體現地鐵“以人為本”的思想，面向維修中心管理及維保使用。

自動扶梯智能預警及故障診斷系統主要用來監測關鍵機械部件的運行狀態，以實現預測自動扶梯主要機械部件的故障趨勢、機械故障報警及智能診斷[1]等功能。通過在電機、減速器、主驅動輪、漲緊輪以及扶手帶等關鍵部位加裝振動或位移傳感器，系統搜集由設備故障或特殊條件所引起的傳感器曲線，并建立專家庫，從而實現在線化監測并與專家庫對比等功能，如圖1 所示。

圖1 自動扶梯智能預警及故障診斷系統傳感器設置

針對自動扶梯智能預警及故障診斷系統，目前考慮兩種實施方案：第一，自動扶梯智能預警及故障診斷系統獨立組網，自行搭建服務器和網絡，該方案需要在車站和控制中心自行架設服務器[3]；第二，自動扶梯智能預警及故障診斷系統接入地鐵云平臺網絡，自動扶梯智能預警及故障診斷系統的車站級服務器、中心服務器、中心工作站等可由地鐵云平臺[4]提供，從而簡化系統設計方案，形成系統集成。兩種方案優缺點比較如表2 所示。

表2 優缺點比較

綜上所述，將自動扶梯智能預警及故障診斷系統接入地鐵云平臺網絡，可簡化系統、提高系統的實施性和維護性，因此推薦采用接入云平臺網絡的方案。

接入云平臺方案的主要架構圖如圖2 所示，每個車站的自動扶梯須通過環網方式自行成網，然后接入車站匯聚交換機，再將各個車站的車站匯聚交換機直接接入地鐵云平臺服務器，整條線的顯示平臺可設置在車輛基地。由于自動扶梯均為扶梯廠家維保，為提高運營維護效率，云平臺自動扶梯智能預警及故障診斷系統結果可傳輸至自動扶梯廠家維保平臺，廠家可及時安排維保人員現場維護。同時，該方案預留有綜合監控系統接口，方便以后功能拓展。

圖2 自動扶梯智能預警及故障診斷系統云平臺方案圖

2 自動扶梯組網形式

2.1 星形網絡組網

星形網絡[5]組網中，任何一站點只和中央節點相連接，因此介質訪問控制方法簡單，且訪問協議也十分簡單，如圖3 所示，這種形式具有易于網絡監控和管理、故障診斷和隔離容易、中央節點對連接線路可以逐一隔離進行故障檢測和定位以及單個連接點的故障只影響一個設備，不會影響全網等特點，但是需要耗費大量的電纜，且安裝、維護的工作量也驟增。在其工作過程中，中央節點負擔較重，易形成“瓶頸”，一旦發生故障，則全網都會受影響，而且各站點的分布處理能力較低，且需要端口較多。

圖3 星形網絡方案圖

2.2 環形網絡組網

環形網絡[6]組網信息流在網中是沿著固定方向流動的，兩個節點僅有一條道路，如圖4 所示，因此該方案能夠簡化路徑選擇的控制，而且其環路上各節點都是自舉控制，所需控制軟件簡單。另外，該組網形式在布置過程中施工方便，能夠節約光纖電纜，需要端口少，成環網后可直接接入車站匯聚交換機，且具備冗余性。然而，由于信息源在環路中是串行地穿過各個節點，當環中節點過多時，將會影響信息傳輸速率，使網絡的響應時間延長，且環路是封閉的，不便于擴充。

圖4 環形網絡方案圖

綜上所述，考慮到簡化線纜敷設路徑、減少對其他專業影響、使后期施工及維護更便利等條件，推薦采用環形網絡。

3 故障分析

以某地鐵出入口一臺自動扶梯為例，在電機、減速器、主驅動輪、扶手帶以及梯級張緊輪等主要部件上安裝傳感器，其中電機、減速器、主驅動輪和梯級張緊輪設置振動傳感器，扶手帶部位設置有溫度傳感器[7]，電機、減速器中傳感器的具體設置位置如圖5所示。

圖5 電機、減速器中傳感器的設置位置

通過長時間監測扶梯運行狀態，來驗證該系統的有效性，某次檢測過程中12 月11 日至12 月18 日測得的地腳基礎振動測點數據如圖6 所示。從圖中可以看出，扶梯地腳、基礎測點在12 月15 日一天內的振動幅值出現整體異常持續增長，對比正常趨勢特征完全不同，因此發出預警信息并通知維保人員前往現場檢修，結果發現主驅鏈防斷鏈保護裝置的支架發生斷裂。15 日夜間現場更換了新支架，16 日數據恢復正常。該案例說明自動扶梯智能預警及故障診斷能有效報出地腳基礎故障。

圖6 地腳基礎振動測點圖

扶梯維保按國家標準每半個月進行一次，若按維保清單進行，沒有檢修重點，易遺漏。增加智能預警及故障診斷系統后，可以做到按需維保，從而減少不必要的維保時間。自動扶梯智能預警及故障診斷系統可以在平臺進行維修自動派單和故障分析統計等工作，從而減少扶梯管理人員工作，同時各級管理人員可以通過此平臺查看扶梯運行狀況、故障分析報表等信息[8]，方便對扶梯進行管理。

4 結語

建立自動扶梯智能預警及故障診斷系統可將多類型、多專業、多方法的故障診斷及預警技術進行融合，從而實現故障預警和智能診斷，為機電設備安全運行保駕護航。自動扶梯智能預警及故障診斷系統可以提前發現扶梯安全隱患，以便于提前處置，避免了出現突發故障和事故，有效減少了客傷和扶梯運行故障停梯等情況，同時該系統也為其他地鐵項目搭建智能預警及故障診斷平臺提供了參考。