自动扶梯智能预警及故障诊断系统在城市轨道交通领域的应用与探讨

白金光

摘要 为保障轨道交通自动扶梯设备使用安全，降低设备的故障率，减少自动扶梯安全事故的发生，文章对自动扶梯智能预警及故障诊断系统在城市轨道交通车站的应用进行了探讨。该系统为三层模块化结构，采用现地传感器层、中间数据采集层及上位机数据储存分析层架构，通过在自动扶梯关键部位加装各类传感器，实现对设备电机、减速机、主轴轴承、驱动链等重要部件运行状态的实时监测，同时亦可读取现有的扶梯控制系统的状态信息，经过建模数据分析及诊断，形成各种运行状态报告，为使用单位提供重要的日常使用及保养依据，有效降低设备故障率。

关键词 自动扶梯;智能预警;故障诊断;在线监测

中图分类号 U2341.4 文献标识码 A 文章编号 2096-8949（2022）07-0001-04

0 引言

自动扶梯系统作为城市轨道交通系统中一个非常重要的机电设备配套设施项目，具有资金投入大，技术要求高，施工风险大，安全影响面广等特点。城市轨道交通系统的地下车站以及高架车站的站内及出入口均采用了自动扶梯系统，以方便且快速输送乘客进出车站。随着城市轨道交通的快速发展，自动扶梯系统的需求和投入也不断增加，目前全国在运营的城市轨道交通自动扶梯设备约有1.2万台。并且因为其直接面向乘客的特殊性，地铁车站自动扶梯设备的配置与运行状态的良好与否将直接影响到乘客的生命财产安全以及是否满足城市居民的出行需求。

在现实中常因为零件损坏、维保不到位、以修代保、脱保等原因，导致自动扶梯的困人事件和重大事故不断发生[1]。轨道交通自动扶梯设备的安全事故频发，给国民经济带来了巨大的损失，也造成了巨大的影响。因此如何保障轨道交通自动扶梯设备使用安全，降低设备的故障率，减少自动扶梯安全事故的发生，自动扶梯智能预警及故障诊断系统在城市轨道交通车站的应用与探讨很有必要。

1 系统概述

自动扶梯智能预警及故障诊断系统针对自动扶梯自身特点及运行工况，通过在自动扶梯相应部位加装传感器，同时读取现有的扶梯报警系统的状态信息，对自动扶梯状态进行监测分析，形成運行各种状态报告，发现自动扶梯的安全隐患，为运行管理人员作出预警，避免发生严重事故，保证自动扶梯的安全运行。同时利用数据和处理结果，能对故障进行分析及诊断，掌握自动扶梯状态，为自动扶梯的检修提供解决方案。

自动扶梯智能预警及故障诊断系统采用了三层模块化结构，由现地传感器层、中间数据采集层及上位数据储存分析层组成，可以实现对自动扶梯电机、减速机、主轴轴承、驱动底座、主驱动链或主驱动轮、梯级链张紧轮或梯级链的振动、温度及链条伸长等运行状态的实时监测[2]。

2 系统特点

（1）根据自动扶梯不同负载情况，系统自动学习不同的预警值，从而有效提高设备故障预警的准确性。系统可以根据扶梯初始运行状态，自学习一个扶梯运行状态数学模型，在扶梯长期运转过程中，任何偏离这个模型的状态都定义为非正常状态，智能系统能对非正常状态进行运算和比对，并给出预警提示。

（2）为了有效避免由于人工检测疏忽而造成的安全隐患。自动扶梯故障监测、诊断、预警系统通过对电机电流、轴承以及扶梯停车制动时间进行监测并记录，通过每天的数据记录形成统计数据，从而形成系统趋势数据。根据设备的报警数值不同，系统可以对振动特征数据库进行自诊断，并给出具体故障指示（可以是故障代码），访问只需通过以太网。

（3）自动扶梯故障监测、诊断、预警是长期对自动扶梯的重要零部件、运行状态、重要报警信息以及扶梯的负荷状态进行监测，并进行统计分析，形成设备故障趋势预警、运行状态评估，最后实现辅助设备的维护、维修。

（4）自动扶梯的监测数据、诊断、预警信息最后通过网络传至指定的终端显示装置及手机App预警平台软件，方便客户及时了解扶梯运行情况。

（5）总体设计、传感器选型、硬件和软件的设计和配置，都根据自动扶梯的结构和工况进行了针对性的考虑和设计。

（6）良好的兼容性和扩展性，可以与地铁已有系统进行通信，实现数据共享，同时，将来可以方便地扩展应用到其他设备上

3 设计方案

3.1 系统网络拓扑

在扶梯的就近位置或者扶梯桁架内部安装就地柜，柜内放置数据采集器，在扶梯相应位置上安装传感器，传感器线缆接入就地柜数据采集器上。

数据采集器通过传感器不断地自行采集振动数据，并通过内置软件和专家诊断系统，判断设备振动幅值是否超标，以及设备是否存在故障。数据采集器通过网络对外输出振动数值、报警指示和设备故障代码[3]。

现地层的数据采集系统通过有线或无线网络接入车站汇聚交换机，最终采用TCP/IP协议将采集到的数据信号传输至车站云平台中心服务器。同时自动扶梯原有的全部故障报警信息也传送到车站云平台中心服务器的扶梯智能诊断系统内，如图1所示。

3.2 扶梯测点分布

自动扶梯一般分为电机、减速机、驱动底座、主驱动链或主驱动轮、梯级链张紧轮或梯级链。根据部件的重要程度测点一般布置如图2所示。

自动扶梯子单元内的数据采集器将采集到的振动信号、温度、位移信号进行A/D转换，发送给故障诊断器进行智能分析，将分析结果和重要的频谱数据通过主干网络上传至维修中心服务器进行诊断校验和智能决策，对数据进行应用和存储。

传感器的数据采集频率可智能调节，正常情况下，暂按5～10 s采集一次（每一个传感器的采集频率可根据实际情况在软件中进行调整），当数据发生异常时，加大相应传感器的采集频率，从而准确预判故障。

3.3 传感器

3.3.1 传感器选型

（1）振动监测。振动传感器主要对自动扶梯关键部件如电机、减速器、主驱动链、梯级链张紧轮、驱动底座螺栓、梯级链异常伸长等进行振动监测。

（2）红外温度监测。红外温度传感器可以不接触目标而通过测量目标发射的红外辐射强度计算出物体的表面温度。非接触测温是红外测温仪最大的优点，可以方便地测量难以接近或移动的目标，获取自动扶梯扶手带精准的温度。

（3）链条伸长监测。通过测量梯级张紧轮与固定端面的距离，判断链条伸长的大小。

3.3.2 传感器安装

（1）振动传感器安装。选择一个同传感器安装表面相同直径约20 mm的端铣刀，在安装传感器的设备测点表面铣出一个平面（不便于铣的设备表面，须将该点的漆层及油污去除露出金属本体，用锉刀或砂纸打磨出一个平面），在该铣出面先用粘合剂将金属底座与设备粘贴牢固，然后用螺柱将金属底座和传感器旋紧连接。

（2）温度传感器安装。温度传感器通过支架安装在扶梯桁架上，位置如图3所示：

（3）位移传感器安装。位移传感器通过支架安装在梯级张紧轮桁架上，通过与固定端面的距离读取位移数值，见图4。

3.4 数据采集器

数据采集器采用FPGA&DSP的架构，使用高性能处理器，具备独立执行高速、大容量数据采集、分析、处理的能力。数据采集器的每个通道采用独立24位A/D转换，具备高精度的数据采集能力，支持全通道同步并行方式触发采样，实时采集、选择存储的数据处理机制。对高速实时采集的数据进行异常特征数据判断、智能储存，避免数据出现冗余，避免重要数据出现遗漏。数据采集器连接传感器灵活便捷，系统可连接加速传感器、速度传感器、位移传感器、温度传感器以及电压或电流类型过程量信号源。

数据采集器具备传感器故障检测（断线，短路等）、输入通道自检、扩展的自检和备份系统;数据采集器支持通信故障下继续数据采集和存储功能（达1个月以上）;数据采集器集成以太网RJ45接口（10/100 MB自适应）、RS485接口。不同的数据采集器之间采用以太网通信方式与专业的自动扶梯智能预警及故障诊断系统连接成一个独立系统，数据通信符合TCP/IP协议。并且数据采集器可通过RS485或以太网等数据接口协议向自动控制系统、人机界面（HMI）或其他第三方系统提供状态数据。

3.5 系统软件

3.5.1 扶梯软件平台展示功能

系统可以对线路和车站设备分布图、单台设备监测图（运行状态、监测部位、监测部位状态等）以及自动扶梯相关参数进行展示（运行状态和故障状态）。

（1）线路展示。线路监控展示线网线路图，点击选择站点，可进入站点系统概况图。站点颜色状态表示设备运行状态：红色代表紧急故障，黄色代表一般故障，绿色代表设备运行正常。（故障分类可按照环调的分类要求，或根据自身的需要添加）

（2）设备实时监控。设备实时监控展示设备总数、运行设备总数、故障设备总数、设备运行状态和故障状态、测点状态统计、巡检统计、今日报警统计、站点实时监控视频等。关键信息一屏展示，可以更好地进行分析决策。

（3）单台设备监控。单台设备监控实时各个设备的实时数据，可以通过设备实时监测界面点击某台设备进入。主要监测内容如下：

电机：机械运行异常、轴承运行异常;

减速机：机械运行异常、轴承运行异常、润滑油异常;

主轴轴承：轴承运行异常;

驱动底座：基础松动或移位引起的振动异常;

主驱动链或主驱动轮：振动异常;

梯级链张紧轮或梯级链：链条过松或碰磨引起的振动异常，张紧轮安装不正引起的振动异常、位移。

通过单台设备实时监测，可及时了解该设备的运行状态，柔性展示，将隐患严重程度按颜色区分，帮助用户轻松了解隐患严重程度并作出正确决策。避免用户因缺乏电扶梯故障知识经验难以进行管理决策。

同时亦可以切换不同的部件，视角切换到相应部件最佳观察视角，测点位置和实时监测数据可视化展示。

3.5.2 软件故障诊断功能

故障诊断是对设备的故障进行自动识别与诊断。当设备测点发生报警时，系统启动故障诊断分析模块，通过内置的故障诊断知识库规则对设备运行时的振动、温度、电流等数据进行筛选，并提取特征信息，将特征信息与规则进行匹配和模式識别，判断出最有可能的故障类型，给出结果和建议的处理措施。

（1）完整的谱图分析功能。在数据分析页面中用户可以清晰地看到时间、设备、部件、参数趋势、分析谱图等，供人工分析专家对系统原数据进行分析及学习等，为防止出现不常见的故障和误判，该模块用于诊断专家对频谱数据进行进一步分析确认。

该功能具有强大的数据和图形显示功能，可以按不同要求形成多种直观的分析图形或曲线。例如FFT频谱图、波形频谱图、多波形频谱图、振动趋势图、瀑布图、包络图等多种图形显示。

（2）自动扶梯报警分析。在软件的功能设置中，具有对数据的智能诊断和处理，该软件不仅有支持ISO 10816标准的报警功能，还支持智能自学习式报警机制，能有效解决“误报警”和“漏报警”问题。原理是通过对个体自动扶梯进行基础数据采集、分析、统计，自动生成报警的推荐值。由于这种报警机制不是机械地套用某个单一标准，而是充分考虑了单台自动扶梯的“个体差异”，更具针对性和实用价值。系统成型的报警曲线的建立一般会在系统成功连续运行两周左右稳定形成。软件的报警方式有声音、灯光两种，并且可以进行时间设置。

（3）历史趋势分析。该软件具有强大的历史趋势分析功能，具有按不同要求形成历史趋势的曲线、按需要进行不同时段和不同运行工况的历史曲线图的功能。按时段进行的趋势分析能了解自动扶梯振动随时间变化的变化情况，从而掌握自动扶梯部件的劣化趋势、自动扶梯稳定性的变化情况。按运行工况进行的趋势分析能了解同种工况情况下的自动扶梯振动情况，并对比不同工况下的自动扶梯振动情况，从而了解自动扶梯的振动区。由此可进行特殊情况的分析，为诊断提供了有力的依据。

3.5.3 智能预报警功能

（1）故障报警。系统提供智能报警功能。当监测到的振动、温度、电流等数据值超过设定限值后发出报警信号。且页面伴有报警指示，报警平台窗口能自动弹出，并发出报警声音，报警信息能以短信形式发送到相关人员的手机上。同时，系统提供报警记录查询功能，可随时查看设备自运行以来所有的报警记录及其他详细信息。

当系统发出报警（传感器报警、监测数据报警），报警信息可通过短信和邮件两种方式发送到负责人或工程师手机或邮箱中，使远离现场的负责人及工程师及时了解到站内运行信息，方便指令决策快速下达。

（2）维护检修预警。维护检修预警是利用相关智能算法，对车站电扶梯设备建立的预测模型进行分析、求解，得到相关特征量的变化趋势，判断设备近期是否会发生故障，从而做到提前检修维护。

（3）设备健康状态评价。系统会对设备累计运行时间、振动、温度、油液清洁指数、工况等参数建立综合健康状态评价模型，对采集的实时数据提取状态特征参数，计算当前的状态特征值，调用相应的健康状态评价模型，得出设备的健康状态评估结果（良好、可用、需检查、需停机），并直接以文字结论的形式呈现出来。

4 结论

在如今大数据时代，利用“互联网+”的思维建立扶梯的监测平台，通过加装传感器和现有的扶梯报警系统结合起来，建立一套完善的自动扶梯智能预警及故障诊断系统，实现扶梯应急救援信息的快速获取、统筹调度、集中处理、数据分析、监测与预警等，可以大大提高维修效率，做到有针对性地预知性维修，加快了事故处理速度，降低扶梯事故率，从而有效地将每一部自动扶梯的维修和管理与地铁系统运维融合起来，为地铁相关部门的监管提供有力的保障。

参考文献

[1]饶美婉.地铁设计中的公共交通型重载自动扶梯[J].都市快轨交通， 2008（5）：74-78.

[2]黄宏伟， 叶永峰， 等. 地铁运营安全风险管理现状分析[J]. 中国安全科学学报， 2008（7）： 55-62.

[3]陈家盛. 电梯结构原理及安装维修[M]. 北京：机械工业出版社， 2013.