基于健康度模型的自动扶梯预防性维修策略

张浩 赵军 朱冬 张银龙 赵孝云

摘  要：针对自动扶梯故障预防性维修的问题，提出一种基于健康度模型的自动扶梯预防性维修策略。通过监测自动扶梯的速度、加速度、振动、噪音以及利用监控设备和图像处理的方法得到扶梯相关载客情况，同时将监测得到的数据与构件理论指标值进行曲线重合度比对，判断两个曲线之间的拟合度指标，用作判断构件安全与否的参考值。依据层次分析法确定自动扶梯不同构件故障因素的权重系数。自动扶梯不同构件故障的安全值与权重系数之积相加得出整个自动扶梯的健康度模型，由健康度模型计算得到自动扶梯健康值，依据健康值大小判断自动扶梯运行状态并给出相应的维修策略。

关键词：自动扶梯;健康度;预防性;维修策略

中图分类号：TP391      文献标识码：A文章编号：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层高间向上或向下输送乘客的设备，广泛应用于火车站、地铁站、汽车站、商场、机场等人流密集的地方。自动扶梯的工作原理是一条链条式的传送带循环往复地运转，属于强制式的驱动，所以一旦出现卡阻可能会造成设备的损坏，而且其运动部件裸露在外，与人直接接触，存在巨大的安全隐患。其工作的主要特点是敞开式，所以间隙处异物的卷入是造成人身伤害和设备损坏的主要原因。轨道交通领域自动扶梯故障种类多、易扩大、难防控，因而保证其安全运行至关重要。故障分类包括梯级类、曳引链类、驱动装置类、梯路类、扶手装置类、安全保护装置类。作为运载及疏散乘客的关键设备，也是特种设备，其事故可能会带来不可估量的后果，需要进行故障预测与健康管理，推进预防性报警的发展。

当前，自动扶梯设置有30余种安全装置，但只提取故障单一开关量，仅能实现故障后报警，不能消除安全隐患。原有维保模式即“故障维修+定期保养”，存在过度维修或欠缺维修的问题，无法准确掌握扶梯运行状态，造成资金、资源的浪费。目前国外电梯厂家针对自身设备开发了监测系统，但是通用性差，不能实现健康趋势预判，国内现有技术功能单一，监测范围小。现有扶梯监测采用阈值报警的方式，准确度低，工程实用价值较差。同类在线监测技术仅监测单一的指标，易误报;数据冗余，占用带宽，无效数据多;不能够指导设计、选型，无法实现全寿命优化。需对自动电扶梯开展定期维修，检修相关梳齿板故障、扶手带故障、梯级故障、曳引链故障、驱动装置故障、安全保护装置故障，从而保证乘客安全与运行顺畅。目前自动扶梯的检修主要涉及周期修和故障修，维修时需要拆卸电梯的机箱外壳，拧下及拧上螺钉，可能造成过度维修或维修不及时，耗费维修人员大量的时间与精力，影响电扶梯正常投入使用，具体如图1所示。

图1  基于健康度模型的自动扶梯预测维修策略示意图

在自动电扶梯中设置可以检测监测电梯异常状况的安全组件，例如传感器等设备，上述安全组件一般都是分散性地设置在电梯设备上，用以监测电梯的运行，然而以上各组件有可能发生故障或损坏，进而对电梯的运行安全造成影响，在自动扶梯完成运送工作的期间，必须确保电扶梯设备的组件及安全组件正确发挥功能，并且在后续的监测、维护以及必要时更换组件的复杂工作范围内，依据自动电扶梯的检测监测状况生成维修策略，从而避免过渡维修或维修不及时。

1  故障监测

自动扶梯的故障因素分为人为因素和扶梯自身因素。人为因素分为乘客忽视电梯安全、电梯安装不科学、维护管理不到位;扶梯自身因素分为梳齿板故障、扶手带故障、梯级故障、曳引链故障、驱动装置故障、安全保护装置故障，具体可分为曳引机、主机驱动、梯级驱动、轴及轴承、主驱动链、梯级驅动链、梯级滚轮、梯级链条滚轮、扶手带、金属桁架、梯级、梯级轴、导轨等组件故障。通过监测自动扶梯的速度、加速度、振动、噪音，视频监控进行分析处理量化为扶梯自身故障的相关指标参考值，如图2所示。

图2  自动扶梯健康度模型示意图

对实时在线监测得到的监测信号数据进行预处理，得到时域条件下的振动、噪声、速度、温度等信号的拟合曲线，与正常工作状态下的标准拟合曲线进行比较，获取曲线之间的残差。通过求取拟合曲线与标准拟合曲线之间的拟合度指标，判断相应构件的健康状况。

拟合度指标的计算公式为：

其中，y*为历史正常工作状态下的标准拟合曲线函数，y为实际测得的温度时域特征信号及噪声时域特征信号之间的非线性函数，v为两曲线之间残差值离散点的求和;FIT为两曲线之间拟合度指标，作为相应构件的安全值。

2  层次分析法

依据层次分析法（AHP）确定自动扶梯不同构件故障因素的权重系数，分为目标层、准则层、方案层，其中准则层分为四个层次：安全隐患（C1）、影响程度（C2）、维修时间（C3）、维修成本（C4），构建一个判断矩阵B，矩阵B中各元素bij表示横行指标Ci对各列指标Cj的相对重要程度的两两比较值的选定，上述数值在故障数据库中存储有相应的参考选择数据，可以依据准则层的指标进行相应的选择。

判断矩阵B每一行元素积的n次方根值：

（i=1，2，…，n），其中，n为准则层所选取的指标数量，i、j、l均为范围在1到n之间的自然数，为矩阵的行列标号，矩阵元素的乘积决定了在选取矩阵元素时尽量保持指标维度的统一。对向量（，，…，）T进行归一化处理，计算公式为：，wp为所求的当前判断矩阵的权重系数，即求出当前构件健康度模型的权重系数。

3  健康度模型

通过构建自动扶梯实时的健康度模型来评估自动扶梯的运行状况，自动扶梯健康度模型的计算公式为：

其中，αp为自动扶梯不同组件故障的安全值，ωp为自动扶梯不同组件故障所对应的权重系数，m为计入健康度模型计算的自动扶梯重要构件的数量;当前残差曲线落入阈值走廊的情况下，进一步生成健康度阈值走廊，依据所述健康度阈值走廊的分类提出预防性维修策略，策略包括但不限于以下四种情况：

（1）安全状态阈值走廊，自动扶梯正常运行;

（2）存在维修隐患状态阈值走廊，把相应组件列入特别监控组件群;

（3）存在维修故障阈值走廊，需要对自动扶梯进行预防性维修;

（4）存在较大安全隐患阈值走廊，需要对自动扶梯进行停运做预防性全面维修。

4  自动扶梯预防性维修策略

根据健康度模型把自动扶梯故障分为四种情况：正常运行、特别监控组件群阶段、提前介入预防性维修、停运全面维修。我们主要关注的是特别监控组件群阶段和提前介入预防性维修这两个阶段。

特别监控组件群阶段，通过电流互感器、振动传感器、温度传感器、噪声传感器、信号开关等多状态参数监测传感器，实现自动扶梯主要零部件的状态监测;主要零部件故障特征（如梯级故障、扶手带故障、轴承齿轮故障等），通过采集层监测的数据与特征层故障知识库的临近对比，基于每台自动扶梯实时监测装置返回监测数据情况，可监控自动扶梯基本运行情况，当传感器所监测的某些数据发生剧烈波动或者超出预设值时，自动扶梯实时监测装置则通过网络将故障信息以预警方式通报给指挥管理人员，并通过调整健康值进入下一个阶段。

提前介入预防性维修阶段，该阶段表示自动扶梯主要监测部件已经出现故障前兆，监测数据与原始数据比对已出现差异，数据正处于恶化阶段，我们依据不同的构件给出不同的维修策略。针对驱动主机、梯级、梯路、扶手带等部件的异常情况会采取提前介入检查、维修、更换等措施;针对扶梯挡板、扶手带过紧、扶手带过松等情况，会建议在周检查阶段做进一步的检查维修，并将实时检查结果反馈给系统，把故障信号存入故障库，优化训练故障监测算法。

5  策略应用与测试性试验

将该预防性维修策略应用于某地铁站，根据2022年1月3日至2022年1月9日一周内的振动数据分析，监测自动扶梯异常征兆并报警，如图3所示。

图3  自动扶梯振动数据分析图

根据传感器采样及监测系统预警，扶梯梯级大链运行过程中出现异常震动预警，根据数据分析，推测故障是梯级大链滚轮磨损。根据监测系统反馈的情况，1月10日经过与地铁站现场工班确认，证实故障确定是扶梯梯级大链滚轮磨损导致的异常震动，监测系统判断正确。因此该预测模型可对自动扶梯故障进行有效的监测，通过数据分析可得出有效的故障预测结果。

6  结  论

提出多变量信息融合的健康度模型并且依据该模型生成维修策略的阈值走廊，以此给出维修策略，以层次分析法来确定自动扶梯不同构件故障因素的权重系数，以自动扶梯不同组件故障的安全值与权重系数之积相加得出整个自动扶梯的健康度模型，由健康度模型计算得到自动扶梯健康度值，通过数据库自学习功能确定不同维修状态的阈值走廊，分别为：安全状态阈值走廊，扶梯正常运行;存在维修隐患状态阈值走廊，把相应构件列入特别监控构件组;存在维修故障阈值走廊，需要对自动扶梯进行预防性维修;存在较大安全隐患阈值走廊，需要对自动扶梯进行停运做预防性全面维修，由健康度模型计算得到自动扶梯健康度值，通过数据库自学习功能确定不同维修状态的阈值走廊，给出相对应的维修策略。

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作者简介：张浩（1983.02—），男，汉族，安徽马鞍山人，高工，硕士，研究方向：车站设备。