游乐园和景区载人设备全生命周期检测监测与完整性评价技术研究

沈功田 张勇 刘然

（中国特种设备检测研究院 北京 100029）

游乐园和景区载人设备全生命周期检测监测与完整性评价技术研究

沈功田 张勇 刘然

（中国特种设备检测研究院 北京 100029）

目前，“国家质量基础的共性技术研究与应用（NQI）”重点专项项目“游乐园和景区载人设备全生命周期检测监测与完整性评价技术研究”已在科技部成功立项。该项目从载人设备损伤、故障、失效模式等基础研究出发，攻克其设计、建造、状态监测、故障诊断、风险评价中的共性关键技术，将在国内外率先建立全生命周期的完整性评价技术体系与动态质量监测管理平台。项目完成后，必将推动休闲娱乐和旅游观光业的持续健康发展和安全科学技术进步。本文重点介绍了该项目的背景、目标及总体研究方案、各课题主要研究内容、预期主要研究成果、预期的经济社会效益等相关内容。

载人设备 大型游乐设施 客运索道 全生命周期 检测监测 完整性评价

1 引言

游乐设施、客运索道和旅游观光车是游乐园和景区运行的常见载人设备。据2015年底统计，我国拥有载人设备制造厂480多家、大中型游乐园438个，在用大型游乐设施20377台套、客运索道985条、观光车10多万台，年乘坐人数达10亿多人次，已成为我国休闲娱乐和旅游观光业的重要支柱。近年来，迪士尼和环球影城等国外著名游乐品牌纷纷入驻中国，2022年北京冬奥会也将带动索道行业的巨大发展。目前，国内外游乐设施均向着大型化、高参数、高刺激、新奇特方向发展，如过山车最高时速达240km/h，最高摩天轮高达168米。这些都为保障载人设备的安全运行提出了新的挑战。

但与此同时，我国载人设备在设计、建造、使用等过程中仍存在较多的质量问题，而且事故时有发生，社会影响极其恶劣。例如，1999年贵州缆车事故造成14人死亡；2010年深圳东部华侨城太空迷航事故造成6死10伤。针对上述质量问题和事故情况，我们在近几年经过多次反复论证，提出了载人设备当前急需解决的重大科学问题和共性关键技术。急需解决的重大科学问题包括载人设备损伤、故障和失效模式不完全清楚，影响质量和安全的因素不完全确定，乘客的力学响应和生理反应规律尚属空白。急需解决的重大共性关键技术包括载人设备运行状态监测、故障诊断与质量性能评价技术，数字化工厂和全生命周期的数字化管理技术，完整性评价与动态质量管理平台建设技术。

因此，针对“国家质量基础的共性技术研究与应用”重点专项2016年度申报指南的研究内容和考核指标，在中国特种设备检测研究院的牵头下，深圳华强方特集团、深圳华侨城集团、中山金马公司、北京实宝来公司、中国航天员科研训练中心、多所高校和省级特检院等18家产学研用单位联合申报了“游乐园和景区载人设备全生命周期检测监测与完整性评价技术研究”项目，该项目经过研究团队的前期论证、方案设计、预申报、正式申报以及签署任务书阶段，已在科技部成功立项。

2 项目目标及总体研究方案

2.1 项目目标

本项目针对游乐园和旅游景区载人设备全生命周期的质量控制与检测监测问题，从载人设备损伤、故障、失效模式等基础研究出发，确定影响载人设备质量与安全的核心因素，攻克载人设备设计、建造、状态监测、故障诊断、风险评价中的共性关键技术，在国内外率先建立载人设备全生命周期的完整性评价技术体系和动态质量监测管理平台，解决载人设备质量控制与检测监测中的瓶颈性技术难题，提高游乐园和景区的安全运营与科学管理水平，为政府安全监察提供技术支撑，为企业质量提升提供对策，为乘客生命安全提供保障，推动休闲娱乐和旅游观光业的持续健康发展和安全科学技术进步。

2.2 总体研究方案

本项目紧紧围绕解决载人设备全生命周期质量控制与检测监测的共性、关键技术问题的目标，从载人设备基础共性问题出发，开展在设计、建造、使用、维保等全生命周期各个阶段的检测监测及质量控制相关的关键技术研究，最后，研究成果整合集成应用，建立载人设备动态质量监测与管理平台。项目分为如下5个课题，如图1所示。

课题1“载人设备质量影响因素分析、风险评价及质量提升对策研究”主要针对载人设备危险源、损伤、故障和失效模式不清，缺少风险评价方法的问题开展研究，建立载人设备综合试验装置和损伤与故障模式数据库，并提出载人设备质量提升对策。

课题2“典型游乐设施虚拟仿真、质量预测和虚拟体验技术研究与系统开发”主要针对游乐设施新产品设计开发技术落后，缺少人体测试数据、设计验证和试验能力不足的问题开展研究，基于虚拟仿真环境、真实设备、虚拟体验平台，对乘客的力学响应和生理反应规律进行一系列的分析研究。

课题3“基于本质安全的游乐设施设计与建造关键技术研究”主要针对游乐设施产品设计计算方法单一，制造质量控制与检验检测技术落后的问题开展研究，并研发游乐设施全生命周期数字化管理系统，建立游乐设施数字化工厂应用示范。

课题4“载人设备运行状态监测、故障诊断和质量性能评价技术研究与系统开发”主要针对在用设备缺少监测与预警技术，安全管理落后的问题开展研究，利用多种方法对设备运行状态、不同结构进行监测，研发载人设备的质量性能评价和安全管理系统，在游乐园开展工程示范应用。

课题5“载人设备完整性评价技术研究及动态质量监测与管理平台建设”主要针对目前缺乏设备完整性评价技术与质量监测管理手段的问题开展研究，建立载人设备动态质量监测与管理平台，并对前4个课题进行成果集成和综合应用示范。

图1 总体研究方案

3 项目各课题主要研究内容

课题1针对目前游乐园和景区载人设备损伤模式与故障模式不清，影响其产品质量和运行安全的因素不明等问题，从全生命周期和“人-机-料-法-环”角度出发，系统、全面梳理载人设备的危险源，并对复杂机电产品系统危险源间的耦合交叉进行研究，提出载人设备危险源辨识方法。搭建旋转类游乐设施试验装置和滑行类游乐设施试验装置，开展载人设备失效模式与机理研究，建立载人设备损伤与故障模式数据库和载人设备失效件实物库。同时游乐设施试验装置也为整个项目提供试验平台。在此基础上，结合事故树分析、安全检查表、FMEA、层次分析法等风险分析与评价技术，分别提出游乐设施、客运索道和旅游观光车的风险评价方法，形成风险评价系列标准。基于数据挖掘技术，在质量影响因素分析结果的基础上，从不同角度提出载人设备质量提升对策。

课题2 针对乘客乘坐游乐设施的生理反应规律尚不明确的问题，拟采用多生理参数同步记录技术，获得普通人群心率、心电、呼吸和血压等生理指标随游乐设施高度、速度、加速度等参数变化的规律，提出乘客安全乘坐健康指标；针对目前游乐设施新产品设计开发中无法进行乘客受力分析的难题，开展基于数字假人的游乐设施虚拟仿真和质量预测系统开发研究，建立游乐设施与数字假人相结合的虚拟仿真系统，实现人体力学响应安全分析与评价；针对现有游乐设施检验检测方法难以获得人体响应数据的难题，研发游乐设施实体测试假人，填补模拟人体测试空白；针对大型游乐设施新产品开发周期长、风险大、成本高的问题，采用仿真分析和试验测试相结合的研究方法，搭建具有多自由度运动、同步人机信息采集等功能的虚拟体验系统试验平台，为载人设备的产品研发提供技术支撑，应用开发飞跃类和动感影院类虚拟体验游乐设施项目。

课题3针对游乐设施许用应力设计采用单一安全系数法、设计结构笨重、难以反映结构不同工况载荷作用下本质安全的不同需求等，开展基于极限状态法的游乐设施设计计算方法研究，建立典型游乐设施承载结构的极限状态设计计算方法。针对滑行类游乐设施难以检测的问题，开发适用于滑行类游乐设施的测厚、探伤、视频综合检测装置，研究各种游乐设施动态性能测试方法；针对目前游乐设施建造和使用过程中检验检测不规范问题，开展游乐设施检验检测标准研制工作，并建设游乐设施检验检测信息系统，保障检验检测质量。针对游乐设施生产技术较为落后，仍采用传统的串行设计制造模式及纸质信息传输手段，根据游乐设施生产企业的特点，采用并行工程、虚拟仿真、柔性制造等技术、远程网络、云计算、大数据等技术，研究典型游乐设施产品的设计制造过程的数字化管理技术，建立游乐设施产品可追溯性数据模型，研发游乐设施产品数字化管理系统，实施数字化工厂应用示范，稳步提升游乐设施产品质量。

课题4针对游乐园和景区载人设备运行状态监测、故障诊断与质量性能评价中的共性、关键技术难题，开展典型载人设备的运行状态监测与预警研究，对多种监测信息进行同步存储、数据分析、处理，实现对运行状态的预警；开展低速转动系统的声发射动态监测与故障诊断研究，研制载人设备低速转动系统的声发射状态监测系统；开展基于光纤传感的结构应力状态在线监测与损伤诊断研究，研发基于光纤光栅的载人设备结构应力状态监测系统；开展高速转动重要零部件的振动监测与故障诊断、电器设备和液压系统的红外监测与诊断研究，提出监测和故障诊断方法。采用多参数融合、大数据挖掘、人工智能等技术，实现对载人设备的故障诊断预警与质量性能评价，开发游乐园和景区载人设备的质量性能评价与安全管理系统，并对整个游乐园和景区内的载人设备进行示范应用。

课题5在载人设备危险源辨识、损伤、故障和失效模式分析、人体力学响应和生理反应规律研究、运行状态监测与故障诊断、动态质量预测等多项关键技术研究的基础上，建立全生命周期的基础数据库。在此基础上，综合利用载人设备的安全完整性等级（SIL）、以可靠性为中心的维修（RCM）、危险与可操作性分析（HAZOP）、定量风险评价（QRA）等评价技术，研究载人设备完整性评价体系框架和评价方法。以上述关键技术产生的多种数据为基础，搭建载人设备全生命周期的动态质量监测与管理平台，进行数据统计分析，对外实现载人设备部分数据信息的全民共享，对内部政府机构、设计制造单位、使用单位、检验机构和标准制修订机构等提供数据支撑，及时提供质量预警信息，提升游乐园和景区载人设备的安全管理水平。

4 项目预期主要研究成果

本项目将研究建立载人设备“设计、制造、使用、检验检测、政府监管”全生命周期的完整性评价技术体系，研究成果将在各环节以系统平台的形式呈现，如图2所示。项目预期成果包括方法类、设备类、系统软件类、数据库类等多种形式，具体成果如下：

1）方法类成果：在载人设备的分析设计、风险分析与评价、数字假人实体假人测试、检验检测、状态监测和故障诊断、质量预测和性能评价、全生命周期数字化管理、完整性评价等方面形成多种方法，解决载人设备质量控制与检测监测中的瓶颈性技术难题。上述新方法主要转化为一系列国家特种设备安全技术规范、国家/行业标准。

2）设备类成果：通过系统设计、试制样机、开发系统、现场试验、完善系统等过程，完成旋转类游乐设施试验装置、滑行类游乐设施试验装置、游乐设施实体测试假人、虚拟体验系统试验平台、游乐设施滑行轨道多功能检测装置、游乐设施运行参数及状态监测系统、载人设备低速转动系统声发射状态监测与故障诊断系统样机、基于光纤光栅的载人设备结构应力状态监测系统等设备的研发。

3）系统软件类成果：配套项目成果的应用、设备的测试、产品管理等，研发典型游乐设施虚拟仿真假人和质量预测系统、游乐设施检验信息系统、游乐设施产品全生命周期数字化管理系统、载人设备质量性能评价和安全管理系统、载人设备全生命周期的动态质量监测平台等系统。

4）数据库：建立载人设备损伤与故障模式数据库和速度、加速度、高度与人体生理反应数据库等多种数据库，为载人设备的设计研发、使用运营、安全监察、事故调查等提供强有力的数据支撑。

图2 项目预期研究成果

5 项目预期的经济社会效益

本项目拟解决载人设备损伤、故障和失效模式不完全清楚，影响其质量和安全的因素不完全确定，以及乘客的力学响应和生理反应规律不清等科学问题。通过建立载人设备损伤与故障模式数据库和失效件实物库，搭建综合试验装置，开展失效模式与机理研究，提出载人设备危险源辨识方法、风险评价方法，为载人设备的质量提升与安全运行提供强有力的科学技术支撑。通过在搭建的综合试验装置和真实游乐设施上进行大量的人机反应试验和测试，获得普通人群心率、心电、呼吸心率、心电、呼吸和血压标随游乐设施高度、速度、加速度等参数变化的规律，提出乘客乘坐健康指标，为载人设备的设计开发提供基础数据，为游乐园和景区的安全运营提供依据。

本项目将在载人设备的设计分析和建造技术、质量控制、质量预测和性能评价、检测监测和故障诊断、风险分析与评价、完整性评价技术等方面形成一系列方法、设备、管理系统等成果。方法类成果主要转化为特种设备安全技术规范、国家或行业标准，实现全社会共享。设备类成果包括游乐设施实体测试假人、虚拟体验系统试验平台、游乐设施滑行轨道多功能检测装置、游乐设施运行参数及状态监测系统、载人设备低速转动系统声发射状态监测与故障诊断系统样机、基于光纤光栅的载人设备结构应力状态监测系统，均为世界首创。系统类成果包括典型游乐设施虚拟仿真假人和质量预测系统、游乐设施检验信息系统、游乐设施产品全生命周期数字化管理系统、载人设备质量性能评价和安全管理系统、载人设备全生命周期的动态质量监测平台，其中质量预测系统和全生命周期的动态质量监测平台填补国内外空白。上述成果的推广应用将极大的提高我国载人设备设计开发、型式试验和检验检测的能力和载人设备安全管理水平，将产生巨大的社会和经济效益。

本项目预期取得的设计分析和建造技术、质量控制、质量预测和性能评价、游乐设施实体测试假人、虚拟体验系统试验平台、数字化工厂、游乐设施产品全生命周期数字化管理系统等成果，将大幅度提高我国载人设备制造企业的设计与研发水平，形成核心竞争力，使我国游乐设施制造业进入国际先进行列，必将产生显著的经济效益。

综上，本项目完全服务于我国游乐园和旅游景区内载人设备的质量提升，解决载人设备质量提升中的科学问题和关键技术难题，具有重要的科学价值；对于休闲娱乐和旅游观行业、载人设备制造业的质量提升和技术创新有重要的支撑作用，具有明显的经济效益；将极大的提高游乐园和景区的安全运营和科学管理水平，保证人民生命和财产安全，具有良好推广应用与产业化前景。

6 展望

本项目是国家首次对游乐园和旅游景区载人设备系统开展全生命周期的质量控制与检测监测技术研究，预期成果将整体达到国际先进水平，可大幅促进游乐园和景区载人设备产品与服务质量的提升，并产生巨大的社会和经济效益，同时也极大地促进载人设备的科学技术进步，必将为我国休闲娱乐和旅游观光业的健康发展做出巨大贡献。

本项目致力于解决目前我国载人设备急需的共性关键技术难题，但鉴于经费、时间和人力物力的限制，研究内容并未完全覆盖设计、制造、使用、维保、报废等阶段的全部技术需求。例如，建造中的焊接质量控制、剩余寿命评估、报废条件判定等问题都尚未深入研究。除此之外，随着载人设备向大型化、高参数等方向发展，同时也会不断涌现出新的问题，对于游乐园的安全管理和设备的安全运营也会提出新的挑战。因此，今后在本项目研究内容的基础上，还希望国内有关机构和专业技术人员开展相应项目的深入研究，也希望国家持续不断的支持游乐园和景区载人设备方方面面的技术研究。

［基金支持：本项目由国家重点研发计划2016YFF0203100项目资助］

［1］ 中华人民共和国主席第4号令，中华人民共和国特种设备安全法［Z］.2014.

［2］ 中华人民共和国国务院第 549号令， 特种设备安全监察条例［Z］.2009.

［3］ 国家质检总局第 154号令，大型游乐设施安全监察规定［Z］.2013.

［4］ 陈钢，宋继红，陶雪荣，等.21世纪特种设备安全科技发展战略［M］.北京：国防工业出版社，2007.

［5］ GB 8408-2008 游乐设施安全规范［S］.

［6］ GB 1235-2007 客运架空索道安全规范［S］.

［7］ 林伟明，王银兰，张勇.大型游乐设施监督检验［M］.上海：同济大学出版社，2014.

［8］ 付恒生，林明， 梁朝虎.大型游乐设施设计［M］.上海：同济大学出版社，2014.

［9］ 郑志涛，刘喜旺， 陈建生，等.大型游乐设施制造与安装［M］.上海：同济大学出版社，2014.

The Research on Full-lifecycle Testing， Monitoring and Integrity Evaluation Technology of Manned Rides in Amusement Parks and Scenic Spots

Shen Gongtian Zhang Yong Liu Ran
（China Special Equipment Inspection & Research Institute Beijing 100029）

At present， “The Research on full-lifecycle testing， monitoring and integrity evaluation technology of manned rides in amusement parks and scenic spots” project subsidized by National Key R & D Programs "Investigation and application on generic technology of national quality infrastructure " of China has been approved successfully by Ministry of Industry and Information Technology. This project will study the damage， fault and failure models of manned rides， overcome the general key technique in design， construction， condition monitoring，fault diagnosis and risk assessment， and fnally establish the full-lifecycle integrity assessment technical system and dynamic quality monitoring management platform for manned rides in China. It is estimated that the research results of this project will promote the sustainable and healthy development of recreation and tourism， and the safety science and technology progress. In this paper， the background， the objective and scheme design， the main contents in each topic，expected results， desired economic and social benefts were introduced.

Manned rides amusement ride passenger rope way full-lifecycle testing and monitoring integrity evaluation

X924

B

1673-257X（2016）10-0005-05

10.3969/j.issn.1673-257X.2016.10.002

沈功田（1963～），男，博士，研究员，中国特种设备检测研究院副院长，长期从事特种设备安全研究工作。

2016-10-04）