摘要：随着智慧城轨、数字化地铁的发展，结合车站中站台门设备和电扶梯设备存在故障、维保等诸多管理问题，本文提出了门梯一体化基于物联网的健康检测和智能诊断系统。此系统在既有控制系统数据库的基础上，在设备主要部件上加入各类传感器，实时检测部件状态，通过波形或图谱分析，诊断设备的运行状态是否正常。此系统应用后提升了人员、设备的管理能力、提高了运维服务效率、节约了运维成本、确保了公共交通安全。

关键词：地铁；PHM；智能诊断；智能预警；站台门；电扶梯；传感器；智慧运营

Abstract：With the development of smart city rail and digital subway， combined with many management problems such as the fault and maintenance of platform door equipment and escalator equipment in stations， this paper proposes a health detection and intelligent diagnosis system based on the Internet of Things.On the basis of the existing control system database， various sensors are added to the main components of the equipment to detect the status of the components in real time， and to diagnose whether the operating status of the equipment is normal through waveform or spectrum analysis.After the application of this system， it improves the management ability of personnel and equipment， improves the efficiency of operation and maintenance service， saves operation and maintenance cost， and ensures the safety of public transportation.

Keyword：The subway； PHM； Intelligent diagnosis； Intelligent early warning； Platform door； Escalators； Sensor； Intelligent operation

引言

本文通过地铁车站设备的现状分析，紧随智慧运营、数字化地铁的行业发展趋势，提出车站设备基于物联网的健康检测和智能诊断系统的研究，并付诸于实际应用。通过对设备主要部件的实时振动加速度、噪音、温度等的频谱分析，对运行部件和环境温度的实时监测，并结合设备传统的运行状态、故障状态的实时监控数据、以及目前已有的运行故障大数据，以PHM（故障预测与健康管理）理论为支撑，利用物联网技术和深度学习算法研究故障预警趋势，建立车站设备的健康检测和智能故障诊断系统，从而改“定期维修”为“按需状态修”，最终达到减少事故发生、减少设备全寿命周期的维修费用，实现对车站设备的运行状态全面监测与健康状态评估分析[1]。

1研究背景

地铁车站的机电设备包括通风空调、给排水、低压供电、AFC、BAS、FAS、综合监控、站台门、电扶梯等。因站台门和电扶梯设备比较系统，且站台门设备直接面向正线运营，电扶梯设备为特种设备，存在客伤风险，故门梯设备是车站的关键设备。为减少全线网站台门设备和电扶梯设备故障和事故的发生，提高门梯设备安全使用、人员管理、维修管理、零配件等的管理水平，亟待有更先进更智能的维护策略，提前预知设备健康状态，提前预测设备故障发生，并给出故障排除方向和具体维修策略，转换传统的计划修为状态修，进一步提高门梯设备的可用性、可维护性，提高人员工作效率，减少人员投入。

从最新的智慧城轨、智慧地铁的行业发展趋势来看，门梯一体化健康检测和智能诊断系统完全符合行业发展需求，可进一步加深门梯行业的智慧化程度，有利于地铁运营的智慧化发展，有利于后期专业的运维管理和能力提升。

2系统目标

（1）建立设备状态监测体系，实现监测设备统一管理

利用物联网感知层、网络层、应用层的各项技术，把车站设备的各类监测数据（如振动、温度、设备自身控制系统参数、开停状态等）实现自动采集和统一管理。设备管理人员通过监测设备相关信息，分析设备健康状态，实现设备的故障诊断及分析[1]。

（2）建立设备故障预警信息体系，实现设备的动态监控

建设设备故障预警信息系统，增强对设备运行的动态监控，提高预知维修、决策分析能力，以减少、避免重大设备故障或事故的发生。

（3）智能诊断

对设备的常见故障进行自动诊断，自动给出故障原因，为设备维护提供有力的数据支撑。

（4）数据统计分析

对监测数据、业务数据，如日常巡检、定期维保、故障维修等进行统计分析。

3设备现状分析

自动扶梯的机械部件多处于机坑桁架内，主要的驱动负荷运动部件为电动机、减速器、主驱动轮、梯级链涨紧轮、扶手带等。这些部件是扶梯运行中驱动负荷量较大的核心部件，故障后影响运营和乘客安全。电动机、减速器、主驱动轮、梯级链涨紧轮属于旋转驱动载荷部件，磨损和故障多发生在轴承上。这些轴承只有在自动扶梯大修时才能进行拆装检查和更换，在平时的检查中，只能通过人工的方式进行故障检查，主要检查手段是听和看。由于地铁客流量日益加大，自动扶梯的运载负荷持续增加，虽然在自动扶梯采购时对运载负荷量进行了要求，但扶梯长期处于满负荷运行，轴承磨损加重了扶梯故障率和安全隐患，部分扶梯在大修之前处于带病运行状态而不易被发现[2]。

站台门系统安装于列车轨道与乘客站台之间，保障车站候车人员的安全。在车站运营过程中，站台门系统需经常开启和关闭，实际运营过程中，站台门系统由于设备或其他外部因素导致的故障频发。由于站台门系统门数量较多，且白天运营阶段无法维护，一般安排在夜间维保。所以站台系统的维护保养工作强度大，难度高，一旦发生故障对正线运营的影响也大。

4系统应用

4.1测点定位

结合自动扶梯设备的结构特点，将振动传感器布置于电机、减速箱壳体、减速箱紧固螺栓底座、主驱动轮轴承、梯级链涨紧轮轴承等，用于监测扶梯振动情况；将温度传感器布置于左右扶手带，用于检测温度的情况；将液位传感器布置于下部底坑，用于采集扶梯进水情况；将噪声传感器布置于梯级翻转处，用于监测扶梯有无异响；在扶梯电源输入处安装一路电流互感器用于测量驱动主机输入电流，计算扶梯的功率及判断扶梯是否正常工作。自动扶梯子单元内的数据采集器将采集到的振动信号、温度信号进行A/D转换，发送给智能故障诊断器进行智能分析[3]。垂直电梯BAS信息通过接口和缆线也接入本系统，电梯不需另行加装传感器测点。控制系统的自有报警状态信息和全部参数通过协议接口传输至自动扶梯部件智能预警系统[4]。

结合站台门设备的特点，站台门检测系统在基于现有站台门系统的基础上，对软件程序进行更新，包括门控器软件、主站通讯服务器、上位机软件、远程I/O模块软件、电源监视系统软件等，并通过协议接口传输至智能预警系统。并在站台门系统中增加信号命令模拟采集器、绝缘检测装置、门体下坠检测开关等。信号模拟采集器对站台门与信号接口命令电压进行采集和检测，一旦低于规定电压，可提前调整命令供电电压，确保站台门控制命令的安全和可靠；门体下坠检测开关是在应急门和端门门尾上方门楣处配置检测开关，一旦开关被触发，门控器将上报门体下坠故障信息，可有效监测应急门门体是否变形下垂，提前对故障门体进行维护，确保应急门在紧急疏散列车乘客时可有效打开形成安全救命通道；绝缘装置接入等电位线门体和钢轨之间，通过电流采集器、电压采集器实时采集站台门门体电压和连接钢轨的等电位线上的电流数据，用于判断站台门门体绝缘状态，当限定的电流值、电压值超出阈值时，系统报警，以提醒维护人员进行相关维护。站台门子单元内的数据采集器将采集的信号进行A/D转换，发送给智能故障诊断系统进行智能分析。

4.2系统框架

边缘端：各车站设备就地端通过智能边缘设备（数据采集器）对监测参数为振动、温度、噪声传感器输出模拟量进入数据采集器。控制器参数为设备既有参数（运行状态、故障参数、电压、电流等），通过现有的通讯接口将数字量信号传输至数据采集器。数据采集器将采集的模拟量信号、数字量信号统一处理后通过网络上传到服务器。

处理端：数据经服务器处理后，实现系统的模型库、算法库、故障案例库、智能预警、智能诊断、智能存储。此时，操作人员可从检测平台上查看到所有测点特征值随时间变化的情况，通过设备状态概貌图、趋势分析图谱、转子波形、频谱分析图谱、历史比较图、单值/多值棒图等常规图谱，轴承包络分析、倒谱分析、冲击诊断图谱、转子类故障诊断图谱、报警查询图谱等高级分析图谱及报警功能等实时了解其运行状态，进而判断被监测设备未来发展趋势和诊断被监测设备的故障类型，并检验维修的效果，实现对设备故障的早预警和早诊断[6]。

整个系统不对电扶梯和站台门内部做任何改动，对门梯设备的运行无任何影响。

5应用效益

（1）提高运维服务效率，节约运维成本

可根据设备的检测情况，提前制定有效策略、缩短故障排查时间，提高运维效率，提升乘客满意度；对设备亚健康状态及时预警，避免产生重大故障，降低试错成本，节约运维成本。

（2）降低对一线员工工作经验的依赖

振动、声音巡检对人员经验和能力要求较高，不易量化管控，系统可通过数据直接呈现正常与否，尤其是可以直接判断运维人员无法直接判别的设备内部部件运行状态，有效降低对运维人员经验、责任心的依赖，确保系统运行安全可靠。

（3）为设计和管理提供决策依据

经根本原因分析、故障原因分类、故障频次分析、备件使用寿命分析、维保效果分析，及早发现安全隐患，实现安全预警，并可提前作预防性维护，防⽌设备带病运⾏，提⾼维保效率；也有利于生产厂商对故障统计分析后，改进产品设计，提⾼产品质量和安全运⾏[5]。

（4）确保公共交通安全

地铁门梯设备一直被称为地铁事故“重灾区”，现有BAS及ISCS仅监测设备的运行状态，报送控制器故障代码，均为事后报警。通过健康管理系统可实时监测关键部件的健康状态，潜在故障及时预警，避免事故扩大造成的灾难性故障。

结束语

门梯一体化健康检测和智能诊断平台以大数据为基础，加持智能预警与诊断算法，融合数字孪生技术，集故障预警、报警、诊断分析、维修支持于一体，为设备管理提前、准确发现设备故障提供了有效的手段，避免出现严重事故、提高设备检修效率，减少维修成本。据了解门梯一体化的健康检测和智能诊断平台在行业是首次应用，目前国内外尚无应用案例，属于填补行业空白、补强行业短板技术，具有较大的探索意义和推广价值。

参考文献：

[1]蔡宇晶， 高凡， 孟宇坤， 宣秀彬， 钟建峰.城市轨道交通设备智能运维系统设计及关键技术研究[J].铁路计算机应用， 2023， 32（7）： 79-83.

[2]罗红萍.地铁机电设备故障监测与智能诊断系统应用[J].华东科技：综合， 2021（9）：2.

[3]宋剑伟.地铁机电设备故障监测和智能诊断系统设计[J].现代制造技术与装备， 2019（1）：2.

[4]李欣，梅棋，霍苗苗，等.城市轨道交通自动扶梯在线监测与智能诊断系统应用功能设计与研究[J].工程建设与设计， 2016（12X）：4.

[5]王冰，李洋，王文斌，赵正阳.城市轨道交通智能运维技术发展及智能基础设施建设方法研究[J].现代城市轨道交通，2020（08）：75-82.

[6]王红艳，霍苗苗，张骄，等.城市轨道交通关键设备在线监测与智能诊断系统设计研究[C].智慧城市与轨道交通2016.2016.