基于TRIZ理論的自動(dòng)扶梯故障預(yù)警系統(tǒng)研發(fā)

摘 要：自動(dòng)扶梯作為現(xiàn)代生活中不可或缺的交通工具，在城市軌道交通快速發(fā)展的今天，其應(yīng)用日益廣泛和普及。但因自動(dòng)扶梯故障引起的乘客傷亡事件也隨之增加，對(duì)自動(dòng)扶梯維保提出了更高的要求。為解決自動(dòng)扶梯傳統(tǒng)的定期維修帶來(lái)的“過(guò)度修”或“欠修”問題，基于TRIZ理論，提出自動(dòng)扶梯故障預(yù)警解決方案。通過(guò)功能分析、因果分析、問題求解、方案選定等過(guò)程，解決了自動(dòng)扶梯故障預(yù)警的技術(shù)矛盾，實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)扶梯故障預(yù)警功能，達(dá)到了自動(dòng)扶梯故障預(yù)防性維修的目的。

關(guān)鍵詞：TRIZ理論；自動(dòng)扶梯；故障預(yù)警；維修保養(yǎng)

中圖分類號(hào)：G311 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：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(guó)內(nèi)從事扶梯生產(chǎn)的企業(yè)多達(dá) 100 多家，其中既有奧的斯、蒂森克虜伯、三菱、迅達(dá)等國(guó)際品牌，也有康力、沈陽(yáng)遠(yuǎn)大、江南嘉捷等國(guó)產(chǎn)品牌。扶梯發(fā)展至今已經(jīng)有 100 多年歷史，給全世界人們帶來(lái)了無(wú)窮的便捷。

隨著設(shè)備使用時(shí)間增加，扶梯本身零部件引起的故障日益增多，如梯級(jí)斷裂、主軸軸承座斷裂、梯級(jí)滾輪軸承損壞、扶手帶驅(qū)動(dòng)軸承和主軸損壞等。部分故障可能導(dǎo)致梯級(jí)塌陷、倒轉(zhuǎn)，甚至引起嚴(yán)重的人員傷亡事故。故障的產(chǎn)生除了設(shè)備缺陷、管理疏漏等方面的原因，最主要的還是缺乏有效的設(shè)備故障預(yù)判和智能監(jiān)控體系[1-2]。隨著自動(dòng)扶梯數(shù)量急劇增長(zhǎng)，運(yùn)維管理方面不可避免暴露一些問題：管理人員的精力不夠、無(wú)法客觀實(shí)際掌握扶梯狀態(tài)，定期保養(yǎng)導(dǎo)致的維修不足等都會(huì)導(dǎo)致扶梯有“帶病運(yùn)行”的風(fēng)險(xiǎn)，對(duì)安全穩(wěn)定運(yùn)行帶來(lái)隱患。另外，由于無(wú)法實(shí)時(shí)掌握扶梯運(yùn)行狀態(tài)，需要依靠大量人員進(jìn)行巡檢，大量人員以及傳統(tǒng)的運(yùn)維管理模式造成人工成本的極大浪費(fèi)[3]。各扶梯制造商雖然也在產(chǎn)品質(zhì)量和安全上做了很多工作，但大部分產(chǎn)品還存在以下缺點(diǎn)：

在安全方面，絕大多數(shù)產(chǎn)品都是從制造上研究如何提高自動(dòng)扶梯安全性，從技術(shù)上研究如何避免事故發(fā)生，而在扶梯運(yùn)行過(guò)程中卻主要依靠專業(yè)人員對(duì)扶梯進(jìn)行定期保養(yǎng)和維護(hù)。這樣不僅維護(hù)周期長(zhǎng)，事故隱患的潛伏期也較長(zhǎng)，無(wú)法有效降低事故發(fā)生的可能性，并且對(duì)維護(hù)人員的技術(shù)要求較高，人力成本高。

對(duì)扶梯的定期檢修往往會(huì)存在過(guò)修和欠修的問題，無(wú)法根據(jù)扶梯運(yùn)行狀況做到預(yù)測(cè)修、預(yù)防修，面對(duì)突發(fā)事故，缺少應(yīng)急處理能力，待相關(guān)人員趕到對(duì)事故進(jìn)行處理時(shí)，往往已經(jīng)造成了較大損失。

因此，針對(duì)上述自動(dòng)扶梯運(yùn)行安全風(fēng)險(xiǎn)和養(yǎng)護(hù)維修存在的問題，已有相關(guān)單位提出自動(dòng)扶梯全生命周期故障監(jiān)測(cè)方案，但存在故障識(shí)別準(zhǔn)確率低的問題，無(wú)法較好地滿足自動(dòng)扶梯的預(yù)防性維保需求。

1 問題描述

針對(duì)自動(dòng)扶梯預(yù)防性維修需求，目前國(guó)內(nèi)外已有相關(guān)研究，如采用Zigbee 無(wú)線通訊網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)子系統(tǒng)間的數(shù)據(jù)傳輸[4]。在對(duì)數(shù)據(jù)采集子系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，根據(jù)自動(dòng)扶梯常見故障，確定了具體的測(cè)量參數(shù)，并相應(yīng)的設(shè)計(jì)了振動(dòng)傳感器節(jié)點(diǎn)、液位傳感器節(jié)點(diǎn)、溫度傳感器節(jié)點(diǎn)、速度傳感器節(jié)點(diǎn)和火焰?zhèn)鞲衅鞴?jié)點(diǎn)，從而實(shí)現(xiàn)了對(duì)自動(dòng)扶梯梯級(jí)振動(dòng)、潤(rùn)滑系統(tǒng)剩余油量、電動(dòng)機(jī)溫度和速度這四大信息的數(shù)據(jù)采集，并能夠判斷是否有火災(zāi)事故發(fā)生。但系統(tǒng)僅監(jiān)測(cè)自動(dòng)扶梯相關(guān)傳感數(shù)據(jù)，無(wú)法根據(jù)傳感數(shù)據(jù)準(zhǔn)確的判斷自動(dòng)扶梯相關(guān)核心部件的故障情況。

上海交通大學(xué)的何成探討了一種基于安全標(biāo)準(zhǔn)的自動(dòng)扶梯監(jiān)控系統(tǒng)方案，并提出了具體的設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)，該方案相比于現(xiàn)有的各種自動(dòng)扶梯監(jiān)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，具有診斷信息豐富、成本合理、土建空間要求小、安全可靠、易于擴(kuò)展、易于連接等特點(diǎn)[5]?？梢灾苯舆B接流行的MODBUS樓宇監(jiān)控系統(tǒng)。但該系統(tǒng)只能通過(guò)扶梯安全裝置的開關(guān)量來(lái)簡(jiǎn)單判斷扶梯的故障狀態(tài)，僅能做到故障后告警，無(wú)法做到故障前準(zhǔn)確預(yù)判。

因此，對(duì)于自動(dòng)扶梯故障預(yù)警系統(tǒng)研發(fā)的工程問題，其技術(shù)系統(tǒng)（S）為自動(dòng)扶梯故障預(yù)警系統(tǒng)，功能（V+O）為監(jiān)測(cè)自動(dòng)扶梯+預(yù)警故障部件，工作對(duì)象為自動(dòng)扶梯；項(xiàng)目存在的缺陷為自動(dòng)扶梯故障預(yù)警故障識(shí)別準(zhǔn)確率低；項(xiàng)目的研發(fā)目標(biāo)為提高自動(dòng)扶梯故障識(shí)率，并智能生成運(yùn)維方案。

2 系統(tǒng)分析

2.1 功能分析

首先，建立自動(dòng)扶梯故障預(yù)警系統(tǒng)功能組件分析表，如表1所示。工程系統(tǒng)為自動(dòng)扶梯故障預(yù)警系統(tǒng)，其組件為振動(dòng)傳感器、數(shù)據(jù)采集盒、數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡(luò)、數(shù)據(jù)解析器、服務(wù)器、軟件算法平臺(tái)、顯示器，超系統(tǒng)組件為自動(dòng)扶梯、乘客、維修人員。

上述組件相互之間的作用分析及裁剪方案如圖1所示，采用兩種裁剪方案。方案一：利用裁剪規(guī)則C，裁剪有害功能組件數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡(luò)，功能集中到5G無(wú)線數(shù)據(jù)采集盒，系統(tǒng)組件內(nèi)-數(shù)據(jù)采集盒執(zhí)行其有用功能。方案二：利用裁剪規(guī)則E，裁剪有功能缺陷的組件-數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡(luò)，采用技術(shù)快速傳輸?shù)墓饫w光柵作為新組件執(zhí)行其有用功能。

2.2 因果分析

針對(duì)自動(dòng)扶梯故障識(shí)別準(zhǔn)確率低的問題進(jìn)行因果鏈分析。自動(dòng)扶梯故障識(shí)別率低主要由于故障錯(cuò)報(bào)和故障漏報(bào)導(dǎo)致，其中故障錯(cuò)報(bào)由于信息輸入不足、算法分析不足導(dǎo)致，故障漏報(bào)由于未獲取信息、獲取信息不及時(shí)、漏掉有效信息和存在位置故障導(dǎo)致。通過(guò)因果鏈的層層遞進(jìn)，最終總結(jié)出傳感器數(shù)量少、預(yù)警值不準(zhǔn)確、數(shù)據(jù)處理速度慢、故障庫(kù)不全為4個(gè)關(guān)鍵缺點(diǎn)。

根據(jù)因果分析得到的4個(gè)關(guān)鍵缺點(diǎn)，建立關(guān)鍵問題列表，如表2所示。面對(duì)傳感器數(shù)量少，其關(guān)鍵問題為如何增加有效傳感器數(shù)量，但是如果增加傳感器數(shù)量，可以提高信息的獲取，但同時(shí)也會(huì)讓系統(tǒng)對(duì)外部干擾有害因素作用更敏感，存在矛盾。面對(duì)預(yù)警值不準(zhǔn)確，其關(guān)鍵問題為如何確定正確的預(yù)警值。系統(tǒng)需要降低預(yù)警值以降低故障漏報(bào)率，同時(shí)需要增大預(yù)警值以降低錯(cuò)報(bào)率，存在矛盾。面對(duì)數(shù)據(jù)處理速度慢，其關(guān)鍵問題為如何提高處理速度，如果增加服務(wù)器，那么可以提高數(shù)據(jù)處理速度，但是系統(tǒng)的控制和測(cè)試難度會(huì)提高，存在矛盾。面對(duì)故障庫(kù)不全，其關(guān)鍵問題為如何完善故障庫(kù)，可模擬實(shí)驗(yàn)擴(kuò)充故障庫(kù)，無(wú)矛盾。

3 問題求解

針對(duì)上節(jié)提出的：①如果增加傳感器數(shù)量，那么可以提高信息的獲取，但是對(duì)外部干擾有害因素作用更敏感；②如果降低預(yù)警值，那么可以減少故障數(shù)據(jù)的丟失，但是對(duì)外部干擾有害因素作用更敏感；③如果增加服務(wù)器，那么可以提高數(shù)據(jù)處理速度，但是系統(tǒng)的控制和測(cè)試難度提高，3個(gè)矛盾問題，可以通過(guò)TRIZ理論中問題求解方法解決矛盾問題。

3.1 如何增加傳感器數(shù)量

技術(shù)矛盾描述：如果增加傳感器數(shù)量，那么可獲取更多故障狀態(tài)參數(shù)、減少信息損失，但是對(duì)乘客及外部環(huán)境的影響干擾更加敏感。將其轉(zhuǎn)化為通用的工程參數(shù)后，改善的參數(shù)為：24.信息損失，惡化的參數(shù)為：30.對(duì)外部有害子因素作用的敏感度，通過(guò)查找矛盾矩陣，有方法NO.22變害為利、NO.10預(yù)操作、NO.01分割。

采用NO.22： 變害為利發(fā)明原理，提出建立基于外部環(huán)境干擾數(shù)據(jù)庫(kù)的自動(dòng)扶梯故障預(yù)警系統(tǒng)，即利用有害的因素，得到有益的結(jié)果，利用傳感器收集外部干擾的數(shù)據(jù)，如乘客踩踏干擾、推車干擾、重物干擾等，并建立外部干擾數(shù)據(jù)庫(kù)，反過(guò)來(lái)利用這些數(shù)據(jù)對(duì)扶梯進(jìn)行監(jiān)測(cè)，提高故障預(yù)測(cè)精度，如圖2所示。

采用發(fā)明原理NO.01： 分割原理，提出基于外部干擾的故障監(jiān)測(cè)系統(tǒng)傳感器布點(diǎn)方案，即使物體分為獨(dú)立的部分，將原先一個(gè)集中的扶梯監(jiān)測(cè)系統(tǒng)分割成兩個(gè)不同要求的監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，即與外部干擾直接接觸的監(jiān)測(cè)系統(tǒng)和與外部干擾不直接接觸的監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，采用不同配置策略，與不受外部干擾的監(jiān)測(cè)系統(tǒng)將被賦予更高的信任權(quán)重，從而提高綜合故障預(yù)測(cè)精度。

3.2 如何確定預(yù)警值

如何確定預(yù)警值存在物理矛盾，即預(yù)警值要低，因?yàn)橐档吐﹫?bào)率；但預(yù)警值又需要高，因?yàn)橐档湾e(cuò)報(bào)率。選擇采用時(shí)間分離和條件分離原理。

其中，時(shí)間分離原理采用NO.15 動(dòng)態(tài)性發(fā)明原理，提出基于動(dòng)態(tài)閾值走廊的自動(dòng)扶梯故障預(yù)警系統(tǒng)，如圖3所示，即在黃金期和穩(wěn)定期要降低預(yù)警值；在磨合期和衰弱期要提高預(yù)警值，使故障檢測(cè)系統(tǒng)在每一個(gè)工作階段的預(yù)警值取值都是最佳。

條件分離采用NO.35 物理參數(shù)變化發(fā)明原理，提出基于溫度梯度的預(yù)警值自適應(yīng)扶梯故障預(yù)警系統(tǒng)。當(dāng)自動(dòng)扶梯故障發(fā)生過(guò)程中，部分設(shè)備的溫升會(huì)有明顯的變化。因此，當(dāng)監(jiān)測(cè)到明顯溫升時(shí)，降低預(yù)警值，盡快捕捉故障信息，當(dāng)監(jiān)測(cè)對(duì)象無(wú)明顯升溫時(shí)，預(yù)警值保持在相對(duì)保守的數(shù)值，從而降低誤報(bào)率，也有效減少低閾值對(duì)誤報(bào)率的影響。

3.3 如何提高處理速度

如何提高處理速度存在技術(shù)矛盾，即如果增加服務(wù)器的數(shù)量，那么可以提高數(shù)據(jù)處理速度，但是系統(tǒng)的控制和測(cè)試難度提高。將其轉(zhuǎn)換成通用的工程參數(shù)即為改善的參數(shù)：09.速度，惡化的參數(shù)：37.監(jiān)控與測(cè)試的困難程度。通過(guò)查找發(fā)明原理，可采用NO.27廉價(jià)替代品和NO.16不足或超額行動(dòng)解決方案。

采用NO.27廉價(jià)替代品發(fā)明原理，提出基于分布式處理器的自動(dòng)扶梯故障預(yù)警系統(tǒng)，如圖3所示，即采用低價(jià)分布式處理器替代中心服務(wù)器，每處設(shè)置低數(shù)據(jù)容量、高處理效率的處理器，犧牲局部數(shù)據(jù)容量，綜合提高處理速度，如圖4所示。

采用NO.16不足或超額行動(dòng)發(fā)明原理，提出針對(duì)自動(dòng)扶梯主機(jī)及梯級(jí)的故障預(yù)警系統(tǒng)，即因特殊原因，服務(wù)器無(wú)法支撐所有部件故障分析時(shí)，優(yōu)先考慮與安全密切相關(guān)的主機(jī)和梯級(jí)故障分析，保障大破壞權(quán)重的部件監(jiān)測(cè)，間接降低因外部環(huán)境導(dǎo)致的故障預(yù)測(cè)誤報(bào)率。

將上述所有方案進(jìn)行組合，構(gòu)建自動(dòng)扶梯故障預(yù)警系統(tǒng)，綜合故障識(shí)別率達(dá)90%以上。

4 結(jié)語(yǔ)

本文面向自動(dòng)扶梯故障預(yù)警系統(tǒng)故障識(shí)別準(zhǔn)確率低的問題，根據(jù)TRIZ理論，分別采用功能分析和技術(shù)分析方法，找出故障識(shí)別準(zhǔn)確率低的三大主要問題。針對(duì)主要問題，分別采用技術(shù)矛盾分析和物理矛盾分析，利用矛盾矩陣和時(shí)間、空間、條件分離等方法，得到多種相應(yīng)發(fā)明原理，多維度解決如何增加傳感器數(shù)量、如何確定閾值、如何提高處理速度三大主要問題，提高了自動(dòng)扶梯故障預(yù)警系統(tǒng)綜合故障預(yù)警準(zhǔn)確性，并在多城軌道交通系統(tǒng)中得到應(yīng)用，提高了自動(dòng)扶梯的維保效率，并創(chuàng)造了可觀的經(jīng)濟(jì)效益。

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（責(zé)任編輯：張雙鈺）

基金項(xiàng)目：湖北省創(chuàng)新方法推廣應(yīng)用基地服務(wù)能力建設(shè)項(xiàng)目（2020IM020800）

作者簡(jiǎn)介：王劍濤（1996-），男，中鐵第四勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司助理工程師，研究方向：智能裝備與控制。