魏于評(píng)，羅偉強(qiáng)

（梧州職業(yè)學(xué)院，廣西 梧州 543002）

0 引言

如何對(duì)電梯運(yùn)行中的安全狀況進(jìn)行評(píng)價(jià)，實(shí)現(xiàn)電梯運(yùn)行維護(hù)中的故障與事故預(yù)警，是當(dāng)前電梯運(yùn)行中亟待解決的問題[1]。在電梯安全運(yùn)行中，轎廂內(nèi)的乘客可能會(huì)遭遇機(jī)械故障、電氣故障、安全裝置誤動(dòng)作等故障，輕則引起乘客不適，重則發(fā)生墜梯、沖頂?shù)仁鹿?，造成重大人身傷害和?cái)產(chǎn)損失[2]。因此，對(duì)電梯機(jī)械安全裝置進(jìn)行監(jiān)測(cè)并及時(shí)發(fā)現(xiàn)異常情況具有重要的意義[3]。結(jié)合故障樹理論，開展對(duì)電梯機(jī)械安全裝置故障識(shí)別方法的設(shè)計(jì)研究。

1 電梯機(jī)械安全裝置運(yùn)行異常數(shù)據(jù)采集

為實(shí)現(xiàn)對(duì)電梯機(jī)械安全裝置在運(yùn)行過程中是否出現(xiàn)故障問題的準(zhǔn)確識(shí)別，需要先完成對(duì)電梯機(jī)械安全裝置運(yùn)行異常數(shù)據(jù)的獲取[4-5]。在電梯實(shí)際運(yùn)行的過程中，重力加速度會(huì)對(duì)加速度計(jì)測(cè)量得到的數(shù)值產(chǎn)生較大影響，因此結(jié)合下述公式實(shí)現(xiàn)對(duì)測(cè)量數(shù)據(jù)的補(bǔ)償：

式中，Iresidual為去除重力加速度后的殘差；I為獲取到的加速度數(shù)據(jù)；g為校準(zhǔn)后得到的重力加速度矢量。電梯機(jī)械安全裝置運(yùn)行異常數(shù)據(jù)采集函數(shù)如下：

式中，xk為異常數(shù)據(jù)采集函數(shù)；Fk為狀態(tài)轉(zhuǎn)移函數(shù)；xk-1為下一時(shí)間步的狀態(tài)函數(shù)；Bk為控制函數(shù)；uk-1為控制變量；wk-1表示過程噪聲。

2 建立電梯機(jī)械安全裝置故障樹模型

在完成對(duì)電梯機(jī)械安全裝置運(yùn)行異常數(shù)據(jù)的采集后，將電梯機(jī)械安全裝置總體結(jié)構(gòu)分解為多個(gè)層次。按照從上到下的順序從頂層開始分解。把電梯機(jī)器的安全設(shè)備失效當(dāng)作是失效樹的頂部事件。門控失效和通信失效構(gòu)成了故障樹二層子節(jié)點(diǎn)。其中，X01～X08 被定義為三個(gè)層次的子結(jié)點(diǎn)。從而完成了電梯安全設(shè)備故障樹的建立，如圖1 所示。

圖1 電梯機(jī)械安全裝置故障樹模型結(jié)構(gòu)示意圖

由于故障樹與樹形結(jié)構(gòu)相似，所以也可以使用一個(gè)工程流圖來描述頂部事件與導(dǎo)致頂部事件發(fā)生的事件之間的邏輯關(guān)系。假設(shè)被研究的電梯機(jī)械安全裝置與相關(guān)體系可取兩種狀態(tài)，分別為正常和故障。假設(shè)可以用Xi表示底事件狀態(tài)變量，Xi的取值為0 或1。再假設(shè)F（X）表示故障樹中頂事件的狀態(tài)變量，F(xiàn)（X）的取值也為0 或1，則上述構(gòu)建的電梯機(jī)械安全裝置故障樹模型可以用下述數(shù)學(xué)函數(shù)的形式表示：

電梯在運(yùn)行過程中，最不希望發(fā)生故障狀態(tài)，即此時(shí)的F（X）取值為1；相對(duì)應(yīng)的底事件中裝置出現(xiàn)了故障，即此時(shí)的Xi取值為1。根據(jù)上述公式，實(shí)現(xiàn)對(duì)電梯機(jī)械安全裝置故障樹模型的表示。結(jié)合上述構(gòu)建的電梯機(jī)械安全裝置故障樹模型，找出其中全部最小割集。假設(shè)在故障樹當(dāng)中包含了k個(gè)最小割集，通過分析得出電梯機(jī)械安全裝置的故障底事件之間存在“或”的關(guān)系，因此采用相容事件的概率公式完成對(duì)頂事件的發(fā)生概率求解，其公式為：

式中，T為頂事件；P（T）為頂事件發(fā)生概率；K為最小割集當(dāng)中的基本事件表達(dá)函數(shù)。當(dāng)最小截集可靠度很高的時(shí)候，在這個(gè)時(shí)候，對(duì)頂事件發(fā)生的概率進(jìn)行計(jì)算，得到結(jié)果的收斂速度會(huì)更快，從而可以將上述公式中的首項(xiàng)作為近似結(jié)果，因此，通過上述分析可確定頂事件的發(fā)生概率近似為：

對(duì)故障樹當(dāng)中的所有最小割集標(biāo)以重要度。在同一時(shí)刻，只有一個(gè)最小割集，在這個(gè)最小割集中，所有的基本事件都是相互獨(dú)立和不相容的。然后，根據(jù)最小割集中各個(gè)基本事件的破壞概率乘以與頂點(diǎn)事件破壞概率的比值，作為最小割集的重要性，從而決定最小割集的優(yōu)先級(jí)。

3 故障識(shí)別與風(fēng)險(xiǎn)發(fā)生概率計(jì)算

結(jié)合上述構(gòu)建的電梯機(jī)械安全裝置故障樹模型，通過得出的Xi值和F（X）值可以實(shí)現(xiàn)對(duì)故障是否發(fā)生故障的直接描述，以此實(shí)現(xiàn)對(duì)電梯機(jī)械安全裝置的故障識(shí)別。以一年為評(píng)價(jià)周期，采用電梯機(jī)械安全裝置失效率作為評(píng)價(jià)指標(biāo)，對(duì)電梯機(jī)械安全裝置故障事故的可能性進(jìn)行評(píng)價(jià)。電梯機(jī)械安全裝置的故障率可以在每一單位時(shí)間（如一月或者一年）中，電梯機(jī)械安全裝置的失效數(shù)量與在此期間電梯起動(dòng)的數(shù)量的比率來描述，并且其計(jì)算公式如下：

式中，λ為風(fēng)險(xiǎn)發(fā)生概率；n0為單位時(shí)間內(nèi)裝置出現(xiàn)故障的次數(shù)；n為單位時(shí)間內(nèi)電梯啟動(dòng)的次數(shù)。根據(jù)上述公式可以實(shí)現(xiàn)對(duì)風(fēng)險(xiǎn)發(fā)生概率的計(jì)算。在此基礎(chǔ)上，可以結(jié)合得到的λ值，確定故障發(fā)生的概率等級(jí)。當(dāng)λ的取值在0 ～0.01 范圍內(nèi)，則概率等級(jí)為“不可能”；當(dāng)λ的取值在0.01 ～0.2 范圍內(nèi)，則概率等級(jí)為“極少”；當(dāng)λ的取值在0.2 ～0.9 范圍內(nèi)，則概率等級(jí)為“很可能”；當(dāng)λ的取值在0.9 ～1 范圍內(nèi)，則概率等級(jí)為“頻繁”。若通過上述方式得到每一個(gè)割集的發(fā)生概率，則可以確定電梯整個(gè)體系出現(xiàn)風(fēng)險(xiǎn)傷害事件的概率。根據(jù)上述確定的概率等級(jí)，結(jié)合實(shí)施措施的難易程度，對(duì)電梯的日常運(yùn)行進(jìn)行維護(hù)。

4 對(duì)比實(shí)驗(yàn)

為了驗(yàn)證新的識(shí)別方法是否能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)電梯機(jī)械安全裝置故障的準(zhǔn)確識(shí)別，設(shè)計(jì)如下實(shí)驗(yàn)：

將上述提出的識(shí)別方法設(shè)置為實(shí)驗(yàn)組，將基于核熵成分分析的識(shí)別方法設(shè)置為對(duì)照I 組，將基于故障代碼圖像的識(shí)別方法設(shè)置為對(duì)照II 組。利用三種識(shí)別方法對(duì)同一實(shí)驗(yàn)對(duì)象進(jìn)行識(shí)別，并根據(jù)識(shí)別結(jié)果實(shí)現(xiàn)對(duì)三種方法應(yīng)用性能的驗(yàn)證。實(shí)驗(yàn)選擇將某高層建筑中的曳引驅(qū)動(dòng)電梯作為實(shí)驗(yàn)對(duì)象，獲取該電梯的運(yùn)行數(shù)據(jù)，并判斷該電梯當(dāng)中包含的各個(gè)機(jī)械安全裝置的運(yùn)行情況，對(duì)其是否存在故障進(jìn)行識(shí)別。該電梯中包含的機(jī)械安全裝置及對(duì)應(yīng)的功能，見表1。

表1 電梯機(jī)械安全裝置基本信息記錄表

針對(duì)表1 中各個(gè)電梯機(jī)械安全裝置，結(jié)合獲取到的運(yùn)行數(shù)據(jù)，對(duì)其是否存在故障問題進(jìn)行識(shí)別，并將識(shí)別結(jié)果與裝置實(shí)際運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行對(duì)比，得到如表2所示的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。

表2 三種識(shí)別方法識(shí)別結(jié)果對(duì)比表

表2 當(dāng)中“T”表示安全裝置的運(yùn)行狀況為正常；“F”表示安全裝置的運(yùn)行狀況為故障。從表2 中得到的實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以看出，實(shí)驗(yàn)組識(shí)別結(jié)果與各個(gè)安全裝置實(shí)際運(yùn)行情況完全一致，而對(duì)照I 組和對(duì)照II 組識(shí)別結(jié)果僅分別有3 個(gè)和2 個(gè)與實(shí)際運(yùn)行情況相同。從以上得到的實(shí)驗(yàn)結(jié)果來看，實(shí)驗(yàn)組識(shí)別方法在識(shí)別準(zhǔn)確率上有較大的提高。

結(jié)合表2 中的結(jié)果，進(jìn)行了多次實(shí)驗(yàn)對(duì)比，對(duì)比了三種識(shí)別方法識(shí)別準(zhǔn)確率，結(jié)果如表3 所示。

表3 三種識(shí)別方法識(shí)別準(zhǔn)確率對(duì)比

分析表3 中的數(shù)據(jù)可知，實(shí)驗(yàn)組識(shí)別準(zhǔn)確率最高達(dá)到了100%，最小值為87.5%，均值為96.9%；對(duì)照I組識(shí)別準(zhǔn)確率最高僅為75%，最小值為37.5%，均值為46.9%；對(duì)照II 組識(shí)別準(zhǔn)確率最高僅為75%，最小值為25%，均值為45.3%，是三種方法中識(shí)別準(zhǔn)確率最低的。綜合這些數(shù)據(jù)來看，實(shí)驗(yàn)組識(shí)別準(zhǔn)確率更高，說明利用基于故障樹的電梯機(jī)械安全裝置故障識(shí)別方法能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)于電梯機(jī)械安全裝置故障的精準(zhǔn)識(shí)別。

5 結(jié)語

結(jié)合故障樹理論，提出了一種全新的針對(duì)電梯機(jī)械安全裝置的故障識(shí)別方法，并通過實(shí)驗(yàn)實(shí)現(xiàn)了對(duì)該方法識(shí)別準(zhǔn)確性的驗(yàn)證。為了進(jìn)一步提高該識(shí)別方法的應(yīng)用性能，在今后的研究中還將針對(duì)獲取到的電梯運(yùn)行記錄，結(jié)合有監(jiān)督學(xué)習(xí)和無監(jiān)督學(xué)習(xí)理論，對(duì)電梯機(jī)械安全裝置的相關(guān)故障特征進(jìn)行學(xué)習(xí)，并根據(jù)獲得的數(shù)據(jù)對(duì)電梯機(jī)械安全裝置進(jìn)行故障識(shí)別和診斷，促進(jìn)該方法智能性的不斷提高。