地铁机电设备故障监测与智能诊断系统

李　欣　彭继红

(北京市轨道交通设计研究院有限公司　北京　100089)



地铁机电设备故障监测与智能诊断系统

李欣彭继红

(北京市轨道交通设计研究院有限公司北京100089)

阐述北京地铁线网建设加速后地铁机电设备安全运营和设备维护维修面临的相关问题。为提升机电设备养护水平，提高运营维修维护效率，规避设备运行安全风险，提出利用智能诊断技术和智能信息化技术建立地铁机电设备故障监测与智能诊断系统的思路，并针对目前需求和运营管理模式，对系统的逻辑架构和系统构成方案进行论述。

地铁；机电设备；电扶梯；屏蔽门；故障监测；智能诊断；信息化；系统

1　系统概况

近年来，国内城市轨道交通正迎来建设高峰，北京轨道交通建设也得到了飞速发展。为完成国家“十二五”发展规划，到2015年，在6、8、7、14、15号线等开通后，北京通车里程将达到近600 km。

随着北京轨道交通线路的加密，车站数量不断增加，为车站运营服务的机电设备数量也随之增加。就目前统计，北京线网内电扶梯总数已超过2 100台，屏蔽门(安全门)总数已超过1万多套(平均每站48套)，车站大型风机总数已超过1 000台。直接面向乘客服务的机电设备由于客流人次的增加,其负荷量增大，机械零件的磨损程度加快。机电设备的大量保障、维修工作，加大了地铁运营机电公司维修人员的工作强度，在未来线网加密后，更需要投入大量的人力资源来进行此项工作。

从对电扶梯、屏蔽门、大型风机等主 要 设 备 维 保情况的调研发现，目前设备的维护、检查基本上为人员到现场，根据维修经验对设备运行表象特征进行判断，辨别设备是否需要维修。有些机械零件损坏后，并不直接影响设备运行，只有当故障扩大出现升温、振动异常等特征时，维护人员才能察觉，这时设备已“带病”运行了很长时间，原本可能很简单的维修变成了很复杂的维修，同时设备“带病”运行也对安全运营造成隐患。

对于电扶梯、屏蔽门这种结构复杂的机电设备，其内部存在很多状态传感器和保护装置，设备本身具备自检测功能，但对设备的运行状态信息缺少专业性、系统性的外围支持信息化系统，致使发生故障后维修人员必须到现场对设备进行拆卸，才能查询设备内部信息记录，判断故障原因，这一过程降低了维修人员的工作效率。

根据以上情况，结合目前轨道交通线网建设现代化、智能化、信息化要求，需要利用现代化信息手段，提升机电设备安全运行水平，提高运营维护、维修效率，因此提出建立地铁机电设备故障监测与智能诊断系统(electromechanical device of subway fault monitoring and intelligent diagnosissystem，FIS)

2　系统建立的必要性

2.1地铁机电设备安全运行的需要

自动电扶梯一直被称为地铁事故的“重灾区”，北京地铁4号线电扶梯事故、武汉轨道交通1和2号线电梯事故、深圳轨道交通1号线电梯事故等给地铁造成重大的社会影响。

2011年7月5日上午9：36，北京地铁4号线动物园站A口上行扶梯发生设备溜梯故障，造成一名12岁少年身亡、3人重伤、27人轻伤。北京市质监局表示，经初步调查，导致事故的直接原因是“固定零件损坏，扶梯驱动主机发生位移，造成驱动链条脱落，扶梯下滑”。事后，在4号线运行的10部奥的斯(OTIS)牌电梯全部停止使用，其他品牌的电扶梯均在运营人员现场看护下使用。

2010年12月14日上午8：49，深圳轨道交通1号线国贸站的一部站台通往站厅的上行扶梯突然逆行，造成23名乘客受伤。发生事故的奥的斯自动扶梯于2004年12月安装并投入使用，事故时在定期检验有效期内。深圳市场监督管理局、交通运输委员会于当天对故障电扶梯进行了技术勘验，初步认定故障为自动扶梯驱动主机的固定支座螺栓松脱，且有1根螺栓断裂，使主机支座移位，造成驱动链条脱离链轮，上行的扶梯在乘客重力的作用下下滑，导致多名乘客摔伤。

以上国内地铁两起电扶梯严重事故，都是固定零件发生故障，导致驱动链条脱落、辅助保护制动器未正常启动，使扶梯突然逆行，造成重大的人员伤亡事故。

经调查，屏蔽门设备在门体机械、电气设备、安全回路、系统接口等地方也经常发生故障，严重时影响列车运营。大型风机由于轴承振动过大，有可能出现叶片脱离的危险，同时其兼顾车站防灾工作，当出现严重故障停运维修时，会对车站防灾能力有很大影响。

从以上设备故障情况来看，在地铁机电设备中，电扶梯、屏蔽门、大型风机的故障对安全运营的影响最为严重。因此，对设备进行故障智能诊断，实时判断其运行状态是否正常、各项安全保护设备是否在线启用，判断设备运行是否存在安全隐患，进行安全风险提示，保护乘客人身安全，是迫切需要的。要实现对电扶梯、屏蔽门、大型风机等机电设备故障的监测和智能诊断，排查设备故障隐患风险，首先需要采集设备的基础运行数据，其中包括设备关键部位的温度数据、振动数据、负荷数据、运行状态参数、保护器状态、故障数据等。通过对基础数据的研究分析，才能对设备的运行状态进行综合评价，进行设备运行风险提示，提出设备故障维护、维修建议。因此，建立地铁机电设备故障监测与智能诊断系统，是打造平安型地铁、保证地铁安全运营所迫切需要的。

2.2地铁线网管理“高效、节约”的需要

中共十八大会议倡导“高效、节约”的精神。北京地铁线网加密后，大量的机电设备需要进行维护、保养和维修，如果不扩大现有的运营维修管理团队，很难满足北京线网运营需要。通过科学的现代化信息技术手段进行辅助，优化现有的维修管理资源，提高工作效率，节约人力资源，是北京线网未来建立“高效、节约”型综合维修管理体系所需要的。同时，建立FIS也是把机电设备从计划维修转变为状态维修所需要的。

2.3轨道交通科技创新发展的需要

《“十二五”国家战略性新兴产业发展规划》指出，在重点发展方向和主要任务中，轨道交通装备产业被列为高端装备制造产业，要求大力发展技术先进、安全可靠、经济适用、节能环保的轨道交通装备。“智能制造装备工程”被列为《“十二五”国家战略性新兴产业发展规划》的重大工程，要求“突破新型传感、高精度运动控制、故障智能诊断等关键技术，大力推进泛在感知自动控制系统、工业机器人、关键零部件等装置的开发和产业化”。

为贯彻落实《“十二五”国家战略性新兴产业发展规划》和《工业转型升级规划(2011—2015年)》，增强传感器及智能化仪器仪表产业的创新能力和国际竞争力，推动传感器及智能化仪器仪表产业创新、持续、协调发展，工业和信息化部、科技部、财政部、国家标准化管理委员会组织制定了《加快推进传感器及智能化仪器仪表产业发展行动计划》。结合国家科技发展的相关政策，建立地铁机电设备故障监测与智能诊断系统，也符合轨道交通现代化科技发展需要。

3　系统技术方案

3.1系统逻辑架构

系统主要完成对机电设备故障的智能诊断，并利用软件智能化手段对设备运行、故障信息进行分析，保证更丰富的信息化应用。系统逻辑架构主要由数据采集层、数据诊断层、数据传输层、决策评估层、信息应用层组成。

3.1.1数据采集层

数据采集层主要完成对机电设备运行状态和故障信息的采集。运行状态信息有别于一般监控类信息，侧重于设备关键部位运行的振动、温度、转速、电流、保护器状态、设备故障等。对于电扶梯和屏蔽门，设备均配有智能化的电控系统，具备一些状态自检功能，可以通过数据接口直接进行采集。对于设备电控系统无法提供的信息(如振动、温度等)，需要在设备内部安装相应的传感器，将这些模拟量数据进行模/数转换后再加以采集。

3.1.2数据分析层

数据分析层主要完成对采集的设备状态数据的诊断分析，通过建立数据分析模型算法和故障数据库，对状态数据进行解析，提取故障特征信号，判断设备部件的故障趋势和故障原因，完成智能诊断任务。数据分析层重点完成对设备振动频谱的解析，数据分析模型算法是智能诊断的核心技术。

图1　地铁机电故障监测与智能诊断系统构成

如果机电设备直接报送的是明确的故障信息，则在数据分析层不做解析分析，由数据采集层将其通过数据传输层传送给决策评估层。

3.1.3数据传输层

数据传输层利用网络技术，实现现场数据信息的传输，并实现各车站与维修工区、线路维修中心的信息联网。数据传输层分为车站局域网络、工区局域网络、维修中心局域网络和全线主干网络几个部分，采用标准开放式网络协议，利于系统功能扩展和信息化应用。

3.1.4决策评估层

决策评估层利用专家数据库内存储的设备维修信息、历史经验数据、状态评估算法等内容，对设备采集的信息进行分析处理，对设备运行状态的安全、故障风险进行统筹评估；对故障趋势进行预警判断，计算故障预计时间，提出维修计划建议；对设备已报故障分析原因，并匹配维修、维护建议。根据设备运行状态、时间等信息，对设备养护计划进行调整。

3.1.5应用层

应用层主要提供给维修管理人员各种维修、维护信息化功能的应用，具备友好的人机界面，提供各种功能的操作和数据的展示；对机电设备进行分类展示，显示数据分析层和决策评估层的数据分析结果，并能查询原始状态数据。对设备信息、维修资源、维修单、维修记录进行信息化管理，提供备品、备件的资源管理功能，对设备维修的相关数据信息进行输入、存储、统计、查询等操作处理，提供报表生成和打印服务，等等。

3.2系统结构设计

根据系统的逻辑架构，结合目前地铁运营模式和机电设备维护使用需求，系统结构设计为两级管理、三级监测组成架构：两级管理为线路维修中心级、机电工区级，三级监测为线路维修中心级、机电工区级、设备现场级(见图1)。

系统的分级管理主要依靠应用软件平台和网络传输来实现，系统应用软件平台采用分层分布式架构，部署灵活，易于扩展，并采用基于Web的技术，提供更便捷、开放的功能应用。

3.2.1线路维修中心级

中心级系统通常设在线路车辆段的维修中心，中心的职能是对全线机电设备的运行进行统筹管理，显示设备的综合运行风险评估状况，显示设备的故障趋势和故障报警，定位故障原因。安排维修保养计划，对维修工单进行派发操作，对维修资源和备品备件进行信息化管理，对系统采集的设备数据进行存储、查询，对整个系统进行维护管理服务，等等。中心级系统应能实现系统的所有完整功能。

3.2.2机电工区级

通常每4～6个车站设置一个机电工区，它是这些车站机电维修人员的集中驻地。机电工区级系统主要是监视管区内车站机电设备的安全状态和故障信息，能调取现场采集的所有状态数据，显示设备运行的风险评估结论和故障诊断分析结果，显示设备故障原因和维修建议，接受中心的维修工单管理和维修资源管理。

3.2.3设备现场级

设备现场级位于线路车站内，主要是对机电设备进行数据采集和故障解析。现场级系统按照机电设备类型分为若干个故障诊断子单元，如电扶梯故障诊断子单元、屏蔽门故障子单元等。子单元功能相对独立、互不干扰，主要完成对机电设备单一部位故障的诊断分析，并可在现场显示诊断结果和采集的原始数据，现场级网络支持手持或便携终端的接入，方便维修人员现场数据调用操作。现场级系统可独立运作，脱离全线系统后仍能完成对机电设备数据的采集和诊断分析。

4　系统建立的意义

4.1早期发现地铁机电设备故障

系统实现对地铁机电设备中电扶梯、屏蔽门、大型风机等机电设备关键部位机械装置的故障监测，这些部件在实际运行中经常损坏、极易磨损且不易早期发现，并且是其他故障的源头，如电扶梯主驱动轮轴承、电机轴承等；还有些部件属于对运营行车有安全风险的设备，需要重点监测，如屏蔽门与信号系统接口、电扶梯安全保护器状态等。通过对这些重点装置、零件状态的实时检测，判断设备是否有更大范围故障的风险。同时，对设备内部运行状态参数进行监测，分析设备运行是否正常，规避设备安全运行风险，降低因设备故障对乘客人身安全的威胁。

4.2提高运营公司机电设备维保效率

系统可实现对电扶梯、屏蔽门这种结构复杂、零件众多的大型机电设备的实时状态数据检测，根据设备运行状态、通过专家数据库进行智能诊断、评估，分析故障的趋势和原因，为维修人员提供故障定位和维修建议，使维修人员在去现场前可预先了解设备故障情况和维修方法，提前进行准备工作，提高整个维修过程的工作效率，实现机电维修从以往的“计划维修”模式向今后的“状态维修”模式的转变。

4.3引领运营维修向智能化、信息化方向发展

北京地铁线网内机电设备数量持续增长，原有的运营维修管理体系需要有所改变，在扩充维修人员数量、提高维修工作效率的同时，设备运营维保方式要向科学化发展，需要树立“重检慎修、多检少修”的养修理念。该系统不只要完成设备的状态分析和故障诊断，更重要的是引领运营维修向智能化、信息化发展，强化运营维修管理体系，为北京地铁建设线网级的综合设备安全监测维修管理中心打下基础。

5　结语

故障诊断技术作为维修系统的新兴科学，自20世纪六七十年代以来已经取得了突飞猛进的发展，尤其是计算机技术的应用，使其达到了智能化阶段，生产实践证明了故障诊断技术在工业生产中的重要作用，也证明了研究故障诊断与状态预测技术对维修管理的现实意义。目前，地铁机电设备故障监测与智能诊断系统已作为北京市科委的科研项目正式立项，由地铁建设单位、运营公司、设计院联合，对此系统的建设进行研究。该项目不仅要进行理论研究，更要研发系统的关键产品，并在实际工程中示范应用，使研究成果能够快速服务于北京地铁的建设。

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(编辑：郭 洁)

Research of Fault Monitoring and Intelligent Diagnosis System for Electro-mechanical Device of Subway

Li XinPeng Jihong

(Beijing Rail Transit Design and Research Institute Co., Ltd., Beijing 100089)

This paper expounds the operation and maintenance problems of electro-mechanical subway devices facing Beijing subway network after it accelerates its development pace. The idea of building a fault monitoring and intelligent diagnosis system for electro-mechanical device of subway, which takes advantage of intelligent diagnosis technology and intelligent information technology, is proposed to enhance the maintenance level of electro-mechanical device, improve the efficiency of operation maintenance and avoid risk of safety operation. The logic structure and composition scheme of this system is also discussed according to the needs and operational management mode at present.

subway; electro-mechanical device; escalator; screen door; fault monitoring; intelligent diagnosis; information-based; system

10.3969/j.issn.1672-6073.2015.01.027

2014-04-17

2014-08-08

李欣，男，大学本科,工程师，轨道交通弱电副总体，从事轨道交通智能化控制系统研究，18911866586@189.cn

北京市科委科研项目(Z131100004113004)

U231.7

A

1672-6073(2015)01-0117-04