基于TRIZ理论的自动扶梯故障预警系统研发

摘 要：自动扶梯作为现代生活中不可或缺的交通工具，在城市轨道交通快速发展的今天，其应用日益广泛和普及。但因自动扶梯故障引起的乘客伤亡事件也随之增加，对自动扶梯维保提出了更高的要求。为解决自动扶梯传统的定期维修带来的“过度修”或“欠修”问题，基于TRIZ理论，提出自动扶梯故障预警解决方案。通过功能分析、因果分析、问题求解、方案选定等过程，解决了自动扶梯故障预警的技术矛盾，实现了自动扶梯故障预警功能，达到了自动扶梯故障预防性维修的目的。

关键词：TRIZ理论；自动扶梯；故障预警；维修保养

中图分类号：G311 文献标识码：A Doi：10.3969/j.issn.1672-2272.202306084

Research and Development of Escalator Fault Warning System Based on TRIZ Theory

Wang Jiantao

（China Railway Siyuan Survey and Design Group Co.，Ltd，

Wuhan 430063， China）

Abstract：As an indispensable means of transportation in modern people's life， escalators are increasingly widely used and popularized in today's urban rail transit development. However， the number of passenger casualties caused by escalator failures has also increased， putting forward higher requirements for escalator maintenance. In order to solve the problem of “over-repair” or “under-repair” caused by the traditional regular maintenance of escalators， this paper proposes an escalator fault warning solution based on TRIZ theory， and solves the technical contradiction of realizing escalator fault early warning through functional analysis， causal analysis， problem solving， scheme selection and other processes， realizes the escalator fault warning function， and achieves escalator fault preventive maintenance.

Key Words：TRIZ Theory; Escalators; Fault Warning; Maintenance

0 引言

目前國内从事扶梯生产的企业多达 100 多家，其中既有奥的斯、蒂森克虏伯、三菱、迅达等国际品牌，也有康力、沈阳远大、江南嘉捷等国产品牌。扶梯发展至今已经有 100 多年历史，给全世界人们带来了无穷的便捷。

随着设备使用时间增加，扶梯本身零部件引起的故障日益增多，如梯级断裂、主轴轴承座断裂、梯级滚轮轴承损坏、扶手带驱动轴承和主轴损坏等。部分故障可能导致梯级塌陷、倒转，甚至引起严重的人员伤亡事故。故障的产生除了设备缺陷、管理疏漏等方面的原因，最主要的还是缺乏有效的设备故障预判和智能监控体系[1-2]。随着自动扶梯数量急剧增长，运维管理方面不可避免暴露一些问题：管理人员的精力不够、无法客观实际掌握扶梯状态，定期保养导致的维修不足等都会导致扶梯有“带病运行”的风险，对安全稳定运行带来隐患。另外，由于无法实时掌握扶梯运行状态，需要依靠大量人员进行巡检，大量人员以及传统的运维管理模式造成人工成本的极大浪费[3]。各扶梯制造商虽然也在产品质量和安全上做了很多工作，但大部分产品还存在以下缺点：

在安全方面，绝大多数产品都是从制造上研究如何提高自动扶梯安全性，从技术上研究如何避免事故发生，而在扶梯运行过程中却主要依靠专业人员对扶梯进行定期保养和维护。这样不仅维护周期长，事故隐患的潜伏期也较长，无法有效降低事故发生的可能性，并且对维护人员的技术要求较高，人力成本高。

对扶梯的定期检修往往会存在过修和欠修的问题，无法根据扶梯运行状况做到预测修、预防修，面对突发事故，缺少应急处理能力，待相关人员赶到对事故进行处理时，往往已经造成了较大损失。

因此，针对上述自动扶梯运行安全风险和养护维修存在的问题，已有相关单位提出自动扶梯全生命周期故障监测方案，但存在故障识别准确率低的问题，无法较好地满足自动扶梯的预防性维保需求。

1 问题描述

针对自动扶梯预防性维修需求，目前国内外已有相关研究，如采用Zigbee 无线通讯网络实现子系统间的数据传输[4]。在对数据采集子系统进行设计时，根据自动扶梯常见故障，确定了具体的测量参数，并相应的设计了振动传感器节点、液位传感器节点、温度传感器节点、速度传感器节点和火焰传感器节点，从而实现了对自动扶梯梯级振动、润滑系统剩余油量、电动机温度和速度这四大信息的数据采集，并能够判断是否有火灾事故发生。但系统仅监测自动扶梯相关传感数据，无法根据传感数据准确的判断自动扶梯相关核心部件的故障情况。

上海交通大学的何成探讨了一种基于安全标准的自动扶梯监控系统方案，并提出了具体的设计实现，该方案相比于现有的各种自动扶梯监控系统结构，具有诊断信息丰富、成本合理、土建空间要求小、安全可靠、易于扩展、易于连接等特点[5]。可以直接连接流行的MODBUS楼宇监控系统。但该系统只能通过扶梯安全装置的开关量来简单判断扶梯的故障状态，仅能做到故障后告警，无法做到故障前准确预判。

因此，对于自动扶梯故障预警系统研发的工程问题，其技术系统（S）为自动扶梯故障预警系统，功能（V+O）为监测自动扶梯+预警故障部件，工作对象为自动扶梯；项目存在的缺陷为自动扶梯故障预警故障识别准确率低；项目的研发目标为提高自动扶梯故障识率，并智能生成运维方案。

2 系统分析

2.1 功能分析

首先，建立自动扶梯故障预警系统功能组件分析表，如表1所示。工程系统为自动扶梯故障预警系统，其组件为振动传感器、数据采集盒、数据传输网络、数据解析器、服务器、软件算法平台、显示器，超系统组件为自动扶梯、乘客、维修人员。

上述组件相互之间的作用分析及裁剪方案如图1所示，采用两种裁剪方案。方案一：利用裁剪规则C，裁剪有害功能组件数据传输网络，功能集中到5G无线数据采集盒，系统组件内-数据采集盒执行其有用功能。方案二：利用裁剪规则E，裁剪有功能缺陷的组件-数据传输网络，采用技术快速传输的光纤光栅作为新组件执行其有用功能。

2.2 因果分析

针对自动扶梯故障识别准确率低的问题进行因果链分析。自动扶梯故障识别率低主要由于故障错报和故障漏报导致，其中故障错报由于信息输入不足、算法分析不足导致，故障漏报由于未获取信息、获取信息不及时、漏掉有效信息和存在位置故障导致。通过因果链的层层递进，最终总结出传感器数量少、预警值不准确、数据处理速度慢、故障库不全为4个关键缺点。

根据因果分析得到的4个关键缺点，建立关键问题列表，如表2所示。面对传感器数量少，其关键问题为如何增加有效传感器数量，但是如果增加传感器数量，可以提高信息的获取，但同时也会让系统对外部干扰有害因素作用更敏感，存在矛盾。面对预警值不准确，其关键问题为如何确定正确的预警值。系统需要降低预警值以降低故障漏报率，同时需要增大预警值以降低错报率，存在矛盾。面对数据处理速度慢，其关键问题为如何提高处理速度，如果增加服务器，那么可以提高数据处理速度，但是系统的控制和测试难度会提高，存在矛盾。面对故障库不全，其关键问题为如何完善故障库，可模拟实验扩充故障库，无矛盾。

3 问题求解

针对上节提出的：①如果增加传感器数量，那么可以提高信息的获取，但是对外部干扰有害因素作用更敏感；②如果降低预警值，那么可以减少故障数据的丢失，但是對外部干扰有害因素作用更敏感；③如果增加服务器，那么可以提高数据处理速度，但是系统的控制和测试难度提高，3个矛盾问题，可以通过TRIZ理论中问题求解方法解决矛盾问题。

3.1 如何增加传感器数量

技术矛盾描述：如果增加传感器数量，那么可获取更多故障状态参数、减少信息损失，但是对乘客及外部环境的影响干扰更加敏感。将其转化为通用的工程参数后，改善的参数为：24.信息损失，恶化的参数为：30.对外部有害子因素作用的敏感度，通过查找矛盾矩阵，有方法NO.22变害为利、NO.10预操作、NO.01分割。

采用NO.22： 变害为利发明原理，提出建立基于外部环境干扰数据库的自动扶梯故障预警系统，即利用有害的因素，得到有益的结果，利用传感器收集外部干扰的数据，如乘客踩踏干扰、推车干扰、重物干扰等，并建立外部干扰数据库，反过来利用这些数据对扶梯进行监测，提高故障预测精度，如图2所示。

采用发明原理NO.01： 分割原理，提出基于外部干扰的故障监测系统传感器布点方案，即使物体分为独立的部分，将原先一个集中的扶梯监测系统分割成两个不同要求的监测系统，即与外部干扰直接接触的监测系统和与外部干扰不直接接触的监测系统，采用不同配置策略，与不受外部干扰的监测系统将被赋予更高的信任权重，从而提高综合故障预测精度。

3.2 如何确定预警值

如何确定预警值存在物理矛盾，即预警值要低，因为要降低漏报率；但预警值又需要高，因为要降低错报率。选择采用时间分离和条件分离原理。

其中，时间分离原理采用NO.15 动态性发明原理，提出基于动态阈值走廊的自动扶梯故障预警系统，如图3所示，即在黄金期和稳定期要降低预警值；在磨合期和衰弱期要提高预警值，使故障检测系统在每一个工作阶段的预警值取值都是最佳。

条件分离采用NO.35 物理参数变化发明原理，提出基于温度梯度的预警值自适应扶梯故障预警系统。当自动扶梯故障发生过程中，部分设备的温升会有明显的变化。因此，当监测到明显温升时，降低预警值，尽快捕捉故障信息，当监测对象无明显升温时，预警值保持在相对保守的数值，从而降低误报率，也有效减少低阈值对误报率的影响。

3.3 如何提高处理速度

如何提高处理速度存在技术矛盾，即如果增加服务器的数量，那么可以提高数据处理速度，但是系统的控制和测试难度提高。将其转换成通用的工程参数即为改善的参数：09.速度，恶化的参数：37.监控与测试的困难程度。通过查找发明原理，可采用NO.27廉价替代品和NO.16不足或超额行动解决方案。

采用NO.27廉价替代品发明原理，提出基于分布式处理器的自动扶梯故障预警系统，如图3所示，即采用低价分布式处理器替代中心服务器，每处设置低数据容量、高处理效率的处理器，牺牲局部数据容量，综合提高处理速度，如图4所示。

采用NO.16不足或超额行动发明原理，提出针对自动扶梯主机及梯级的故障预警系统，即因特殊原因，服务器无法支撑所有部件故障分析时，优先考虑与安全密切相关的主机和梯级故障分析，保障大破坏权重的部件监测，间接降低因外部环境导致的故障预测误报率。

将上述所有方案进行组合，构建自动扶梯故障预警系统，综合故障识别率达90%以上。

4 结语

本文面向自动扶梯故障预警系统故障识别准确率低的问题，根据TRIZ理论，分别采用功能分析和技术分析方法，找出故障识别准确率低的三大主要问题。针对主要问题，分别采用技术矛盾分析和物理矛盾分析，利用矛盾矩阵和时间、空间、条件分离等方法，得到多种相应发明原理，多维度解决如何增加传感器数量、如何确定阈值、如何提高处理速度三大主要问题，提高了自动扶梯故障预警系统综合故障预警准确性，并在多城轨道交通系统中得到应用，提高了自动扶梯的维保效率，并创造了可观的经济效益。

参考文献：

[1]李欣.地铁自动扶梯故障监测与智能诊断系统技术研究与应用[D].北京：北京化工大学， 2020.

[2]麦一飞.一种温度信号与噪声信号融合的自动扶梯故障监测系统[J].现代信息科技， 2022，6（4）：177-181.

[3]NURUL A I J， SHARIFAH N A S A， RAIHAN M A， et al. Maintenance and safety practices of escalator in commercial buildings[J]. IOP Conference Series： Earth and Environmental Science， 2018，117（1）：6.

[4]毛昱力.基于Zigbee技术的自动扶梯实时监控系统的研究与设计[D].大连：辽宁师范大学，2014.

[5]何成.基于现场总线的自动扶梯数据采集与监控系统[D].上海：上海交通大学，2009.

（责任编辑：张双钰）

基金项目：湖北省创新方法推广应用基地服务能力建设项目（2020IM020800）

作者简介：王剑涛（1996-），男，中铁第四勘察设计院集团有限公司助理工程师，研究方向：智能装备与控制。