自动扶梯智能预警及故障诊断系统研究

王晓闯

（中国铁路设计集团有限公司，天津 300142）

近年来，以大数据、物联网等为代表的新一代信息技术突飞猛进，作为智慧城市的核心组成部分，智慧地铁[1]是轨道交通的一大发展趋势，在轨道交通领域引入互联网+等技术势在必行。目前，对于自动扶梯设备的监控仅限于监视设备运行工况及部分安全装置的故障报警，缺少机械部件工作监测状态信息及故障分析信息等功能，无法做到智能预警、故障诊断，导致扶梯有“带病”运行的风险。另外，随着地铁运营线路逐年增加以及服务水平不断提高，自动扶梯设备的数量也在大幅度提升，且扶梯设置分布广，这更加重了维保人员的日常维护保养工作强度，建立自动扶梯智能预警及故障诊断系统，能实现故障快速定位，从而提高设备维护、维修效率。

1 自动扶梯智能预警及故障诊断架构分析

自动扶梯主要故障类型[2]如表1 所示。

表1 自动扶梯主要故障类型表

自动扶梯属于特种设备，是地铁车站承担运送乘客重任的关键设备，因此，自动扶梯的安全会直接关系到乘客的人身安全。为提高自动扶梯运行安全，加强对设备的检修与维护管理，自动扶梯设备的智能预警及故障诊断系统应以满足运营“安全、可靠、经济、适用”为目标，体现地铁“以人为本”的思想，面向维修中心管理及维保使用。

自动扶梯智能预警及故障诊断系统主要用来监测关键机械部件的运行状态，以实现预测自动扶梯主要机械部件的故障趋势、机械故障报警及智能诊断[1]等功能。通过在电机、减速器、主驱动轮、涨紧轮以及扶手带等关键部位加装振动或位移传感器，系统搜集由设备故障或特殊条件所引起的传感器曲线，并建立专家库，从而实现在线化监测并与专家库对比等功能，如图1 所示。

图1 自动扶梯智能预警及故障诊断系统传感器设置

针对自动扶梯智能预警及故障诊断系统，目前考虑两种实施方案：第一，自动扶梯智能预警及故障诊断系统独立组网，自行搭建服务器和网络，该方案需要在车站和控制中心自行架设服务器[3]；第二，自动扶梯智能预警及故障诊断系统接入地铁云平台网络，自动扶梯智能预警及故障诊断系统的车站级服务器、中心服务器、中心工作站等可由地铁云平台[4]提供，从而简化系统设计方案，形成系统集成。两种方案优缺点比较如表2 所示。

表2 优缺点比较

综上所述，将自动扶梯智能预警及故障诊断系统接入地铁云平台网络，可简化系统、提高系统的实施性和维护性，因此推荐采用接入云平台网络的方案。

接入云平台方案的主要架构图如图2 所示，每个车站的自动扶梯须通过环网方式自行成网，然后接入车站汇聚交换机，再将各个车站的车站汇聚交换机直接接入地铁云平台服务器，整条线的显示平台可设置在车辆基地。由于自动扶梯均为扶梯厂家维保，为提高运营维护效率，云平台自动扶梯智能预警及故障诊断系统结果可传输至自动扶梯厂家维保平台，厂家可及时安排维保人员现场维护。同时，该方案预留有综合监控系统接口，方便以后功能拓展。

图2 自动扶梯智能预警及故障诊断系统云平台方案图

2 自动扶梯组网形式

2.1 星形网络组网

星形网络[5]组网中，任何一站点只和中央节点相连接，因此介质访问控制方法简单，且访问协议也十分简单，如图3 所示，这种形式具有易于网络监控和管理、故障诊断和隔离容易、中央节点对连接线路可以逐一隔离进行故障检测和定位以及单个连接点的故障只影响一个设备，不会影响全网等特点，但是需要耗费大量的电缆，且安装、维护的工作量也骤增。在其工作过程中，中央节点负担较重，易形成“瓶颈”，一旦发生故障，则全网都会受影响，而且各站点的分布处理能力较低，且需要端口较多。

图3 星形网络方案图

2.2 环形网络组网

环形网络[6]组网信息流在网中是沿着固定方向流动的，两个节点仅有一条道路，如图4 所示，因此该方案能够简化路径选择的控制，而且其环路上各节点都是自举控制，所需控制软件简单。另外，该组网形式在布置过程中施工方便，能够节约光纤电缆，需要端口少，成环网后可直接接入车站汇聚交换机，且具备冗余性。然而，由于信息源在环路中是串行地穿过各个节点，当环中节点过多时，将会影响信息传输速率，使网络的响应时间延长，且环路是封闭的，不便于扩充。

图4 环形网络方案图

综上所述，考虑到简化线缆敷设路径、减少对其他专业影响、使后期施工及维护更便利等条件，推荐采用环形网络。

3 故障分析

以某地铁出入口一台自动扶梯为例，在电机、减速器、主驱动轮、扶手带以及梯级张紧轮等主要部件上安装传感器，其中电机、减速器、主驱动轮和梯级张紧轮设置振动传感器，扶手带部位设置有温度传感器[7]，电机、减速器中传感器的具体设置位置如图5所示。

图5 电机、减速器中传感器的设置位置

通过长时间监测扶梯运行状态，来验证该系统的有效性，某次检测过程中12 月11 日至12 月18 日测得的地脚基础振动测点数据如图6 所示。从图中可以看出，扶梯地脚、基础测点在12 月15 日一天内的振动幅值出现整体异常持续增长，对比正常趋势特征完全不同，因此发出预警信息并通知维保人员前往现场检修，结果发现主驱链防断链保护装置的支架发生断裂。15 日夜间现场更换了新支架，16 日数据恢复正常。该案例说明自动扶梯智能预警及故障诊断能有效报出地脚基础故障。

图6 地脚基础振动测点图

扶梯维保按国家标准每半个月进行一次，若按维保清单进行，没有检修重点，易遗漏。增加智能预警及故障诊断系统后，可以做到按需维保，从而减少不必要的维保时间。自动扶梯智能预警及故障诊断系统可以在平台进行维修自动派单和故障分析统计等工作，从而减少扶梯管理人员工作，同时各级管理人员可以通过此平台查看扶梯运行状况、故障分析报表等信息[8]，方便对扶梯进行管理。

4 结语

建立自动扶梯智能预警及故障诊断系统可将多类型、多专业、多方法的故障诊断及预警技术进行融合，从而实现故障预警和智能诊断，为机电设备安全运行保驾护航。自动扶梯智能预警及故障诊断系统可以提前发现扶梯安全隐患，以便于提前处置，避免了出现突发故障和事故，有效减少了客伤和扶梯运行故障停梯等情况，同时该系统也为其他地铁项目搭建智能预警及故障诊断平台提供了参考。