基于健康度模型的自動扶梯預(yù)防性維修策略

張浩 趙軍 朱冬 張銀龍 趙孝云

摘 ?要：針對自動扶梯故障預(yù)防性維修的問題，提出一種基于健康度模型的自動扶梯預(yù)防性維修策略。通過監(jiān)測自動扶梯的速度、加速度、振動、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，同時將監(jiān)測得到的數(shù)據(jù)與構(gòu)件理論指標(biāo)值進(jìn)行曲線重合度比對，判斷兩個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扶梯不同構(gòu)件故障因素的權(quán)重系數(shù)。自動扶梯不同構(gòu)件故障的安全值與權(quán)重系數(shù)之積相加得出整個自動扶梯的健康度模型，由健康度模型計算得到自動扶梯健康值，依據(jù)健康值大小判斷自動扶梯運(yùn)行狀態(tài)并給出相應(yīng)的維修策略。

關(guān)鍵詞：自動扶梯;健康度;預(yù)防性;維修策略

中圖分類號：TP391 ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A文章編號：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、機(jī)場等人流密集的地方。自動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，所以一旦出現(xiàn)卡阻可能會造成設(shè)備的損壞，而且其運(yùn)動部件裸露在外，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。故障分類包括梯級類、曳引鏈類、驅(qū)動裝置類、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，其事故可能會帶來不可估量的后果，需要進(jìn)行故障預(yù)測與健康管理，推進(jìn)預(yù)防性報警的發(fā)展。

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

在自動電扶梯中設(shè)置可以檢測監(jiān)測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)而對電梯的運(yùn)行安全造成影響，在自動扶梯完成運(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、維護(hù)以及必要時更換組件的復(fù)雜工作范圍內(nèi)，依據(jù)自動電扶梯的檢測監(jiān)測狀況生成維修策略，從而避免過渡維修或維修不及時。

1 ?故障監(jiān)測

自動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、梯級故障、曳引鏈故障、驅(qū)動裝置故障、安全保護(hù)裝置故障，具體可分為曳引機(jī)、主機(jī)驅(qū)動、梯級驅(qū)動、軸及軸承、主驅(qū)動鏈、梯級驅(qū)動鏈、梯級滾輪、梯級鏈條滾輪、扶手帶、金屬桁架、梯級、梯級軸、導(dǎo)軌等組件故障。通過監(jiān)測自動扶梯的速度、加速度、振動、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 ?自動扶梯健康度模型示意圖

對實(shí)時在線監(jiān)測得到的監(jiān)測信號數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理，得到時域條件下的振動、噪聲、速度、溫度等信號的擬合曲線，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)際測得的溫度時域特征信號及噪聲時域特征信號之間的非線性函數(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)則層分為四個層次：安全隱患（C1）、影響程度（C2）、維修時間（C3）、維修成本（C4），構(gòu)建一個判斷矩陣B，矩陣B中各元素bij表示橫行指標(biāo)Ci對各列指標(biāo)Cj的相對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)庫中存儲有相應(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，矩陣元素的乘積決定了在選取矩陣元素時盡量保持指標(biāo)維度的統(tǒng)一。對向量（，，…，）T進(jìn)行歸一化處理，計算公式為：，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

通過構(gòu)建自動扶梯實(shí)時的健康度模型來評估自動扶梯的運(yùn)行狀況，自動扶梯健康度模型的計算公式為：

其中，αp為自動扶梯不同組件故障的安全值，ωp為自動扶梯不同組件故障所對應(yīng)的權(quán)重系數(shù)，m為計入健康度模型計算的自動扶梯重要構(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，需要對自動扶梯進(jìn)行預(yù)防性維修;

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

4 ?自動扶梯預(yù)防性維修策略

根據(jù)健康度模型把自動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)防性維修這兩個階段。

特別監(jiān)控組件群階段，通過電流互感器、振動傳感器、溫度傳感器、噪聲傳感器、信號開關(guān)等多狀態(tài)參數(shù)監(jiān)測傳感器，實(shí)現(xiàn)自動扶梯主要零部件的狀態(tài)監(jiān)測;主要零部件故障特征（如梯級故障、扶手帶故障、軸承齒輪故障等），通過采集層監(jiān)測的數(shù)據(jù)與特征層故障知識庫的臨近對比，基于每臺自動扶梯實(shí)時監(jiān)測裝置返回監(jiān)測數(shù)據(jù)情況，可監(jiān)控自動扶梯基本運(yùn)行情況，當(dāng)傳感器所監(jiān)測的某些數(shù)據(jù)發(fā)生劇烈波動或者超出預(yù)設(shè)值時，自動扶梯實(shí)時監(jiān)測裝置則通過網(wǎng)絡(luò)將故障信息以預(yù)警方式通報給指揮管理人員，并通過調(diào)整健康值進(jìn)入下一個階段。

提前介入預(yù)防性維修階段，該階段表示自動扶梯主要監(jiān)測部件已經(jīng)出現(xiàn)故障前兆，監(jiān)測數(shù)據(jù)與原始數(shù)據(jù)比對已出現(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。針對驅(qū)動主機(jī)、梯級、梯路、扶手帶等部件的異常情況會采取提前介入檢查、維修、更換等措施;針對扶梯擋板、扶手帶過緊、扶手帶過松等情況，會建議在周檢查階段做進(jìn)一步的檢查維修，并將實(shí)時檢查結(jié)果反饋給系統(tǒng)，把故障信號存入故障庫，優(yōu)化訓(xùn)練故障監(jiān)測算法。

5 ?策略應(yīng)用與測試性試驗(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)的振動數(shù)據(jù)分析，監(jiān)測自動扶梯異常征兆并報警，如圖3所示。

圖3 ?自動扶梯振動數(shù)據(jù)分析圖

根據(jù)傳感器采樣及監(jiān)測系統(tǒng)預(yù)警，扶梯梯級大鏈運(yùn)行過程中出現(xiàn)異常震動預(yù)警，根據(jù)數(shù)據(jù)分析，推測故障是梯級大鏈滾輪磨損。根據(jù)監(jiān)測系統(tǒng)反饋的情況，1月10日經(jīng)過與地鐵站現(xiàn)場工班確認(rèn)，證實(shí)故障確定是扶梯梯級大鏈滾輪磨損導(dǎo)致的異常震動，監(jiān)測系統(tǒng)判斷正確。因此該預(yù)測模型可對自動扶梯故障進(jìn)行有效的監(jiān)測，通過數(shù)據(jù)分析可得出有效的故障預(yù)測結(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，以層次分析法來確定自動扶梯不同構(gòu)件故障因素的權(quán)重系數(shù)，以自動扶梯不同組件故障的安全值與權(quán)重系數(shù)之積相加得出整個自動扶梯的健康度模型，由健康度模型計算得到自動扶梯健康度值，通過數(shù)據(jù)庫自學(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，需要對自動扶梯進(jìn)行預(yù)防性維修;存在較大安全隱患閾值走廊，需要對自動扶梯進(jìn)行停運(yùn)做預(yù)防性全面維修，由健康度模型計算得到自動扶梯健康度值，通過數(shù)據(jù)庫自學(xué)習(xí)功能確定不同維修狀態(tài)的閾值走廊，給出相對應(yīng)的維修策略。

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作者簡介：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。