電梯遠程監控系統研究進展

(北方工業大學城市道路交通智能控制技術北京市重點實驗室，北京 100144)

0 引言

2013年，各地“電梯吞人”事故接連發生，“帶病”、超期服役給電梯安全埋下了重大隱患，電梯安全再次引起人們的關注。大量電梯進入老化衰退期，故障發生率增大，傳統的定期檢修、故障維修不能全面科學地評估電梯安全性，安全隱患不能及時預知和排除，因此，電梯安全還需要更加可靠的技術保障。

電梯遠程監控系統集數據采集技術、通信技術、數據分析技術、故障診斷技術、計算機控制和地理信息于一體。系統通過安裝在現場的數據采集裝置收集電梯的運行狀態數據，然后通過通信網絡將數據傳送至監控中心，經分析處理，實現對電梯運行狀態監控、故障診斷、故障預警等，為電梯安全提供保障[1-4]。

1 應用現狀

為了提高電梯的運行維護水平、增強企業競爭力，國內外很多電梯公司都開發了自己的遠程監控系統。例如奧蒂斯公司的電梯遠程監控系統可以在電梯運行狀態不符合預定值時發出警告，并顯示電梯的位置和狀態信息。該系統不僅可以實現電梯故障的及時報警和故障診斷，還可以評估電梯健康狀況和零部件的退化狀況，從而實現故障預警，在故障發生前就采取行動，變被動維修為主動維修。蒂森克虜伯公司的遠程監控系統不僅可以采集分析電梯運行狀況、以圖表的形式顯示歷史信息，還可以對電梯進行遠程控制以及識別使用者誤操作緊急呼叫。

隨著計算機技術和網絡技術的發展，國內電梯企業也研發了自己的遠程監控系統。如凱博電梯遠程監控系統，它由前端機、Modem以及服務器三部分組成，前端機收集的電梯狀態信息可以通過電話網絡傳送到服務中心。同時，服務中心的維修人員可以隨時連接前端機，觀察電梯的運行狀態，并可以對故障進行診斷。

2 遠程監控系統的結構及功能

位于現場的電梯數據采集模塊實時采集電梯的運行狀態信號，然后進行相應的分析處理，如果發現故障，則立即發出故障報警，并將報警信息和電梯的故障信息發送到遠程中心。中心對電梯的故障進行診斷，并將相應信息發送給維修人員。當電梯正常運行時，中心收集各電梯發送的運行信息并進行分析，實現故障預警。中心將電梯的運行信息存儲到數據庫中，為電梯的故障預警、性能分析提供數據支持。遠程用戶也可以通過客戶端或瀏覽器實時查詢電梯的運行狀態[5]。電梯遠程監控系統結構如圖1所示。

圖1 電梯遠程監控系統結構圖

2.1 信號采集

信號采集是遠程監控系統的基礎，它負責對電梯運行數據進行實時采集，從而獲得對電梯性能的多角度描述。

電梯的運行狀態信息繁多，但是信號采集方式基本分為兩類。第一類是通過電梯自身控制器(如微機控制和PLC控制[6-7])的串口對信號進行采集。此類方式可以采集電梯的上行、下行、開門、關門、所在樓層、檢修、消防和安全等信號[8-9]。該方式的優點是采集信號的難度小，采集成本也比較低；缺點是采集信號的種類有限，而且有些信號無法采集，如電梯的振動和噪聲。第二類采集方式是使用附加的傳感器進行信號采集，如振動傳感器、加速度傳感器、溫度傳感器和噪聲傳感器等[10-11]。此類方式采集的信號種類多，采集裝置的布置靈活多變，但是由于需要安裝大量傳感器，所以成本較高，而且使用傳感器進行信號采集也存在一些其他問題，如傳感器的布線太多和無線傳感器信號的傳輸問題。信號采集方式示意圖如圖2所示。

圖2 信號采集方式示意圖

為了延長傳感器壽命，降低數據傳輸量，減少傳感器布線量和縮短數據傳輸距離，國內外學者做了一些研究。鄧君利用CAN總線將各節點連接在一起，采集多個傳感器輸出的電壓信號，從而避免了每個傳感器單獨布線，減少了布線量。使用無線傳感器可以從根本上解決布線問題，但是把大量數據直接傳送到匯聚節點可能會產生一些新問題(如能量消耗增加、因為包的丟失導致數據質量下降)。為解決這些問題，Dhivy[12]提出了一種基于聚類的近似數據收集技術。當傳感器分布比較分散、數據傳輸距離很大時，某些節點的數據傳輸壓力就會很大，這就縮短了傳感器的使用壽命，文獻[13]和[14]中提出將電梯作為信號的接收基站，當電梯運行時收集分布在電梯井中的傳感器采集的數據，從而縮短了傳感器與基站的數據傳輸距離。

信號采集方面的研究還可以借鑒一些其他領域中的信號采集技術，如文獻[15]中對磨損金屬顆粒的濃度進行光譜分析，從而判斷綜合傳動的磨損狀況；文獻[16]中將階次跟蹤分析理論應用于渦輪狀態信號的采集，根據轉速的不同實時改變抽樣頻率，從而保證每一信號階段都有相同的抽樣點。

2.2 傳輸通信

數據傳輸部分是遠程終端和服務中心連接的橋梁。通信傳輸主要采用的技術有CAN總線、GPRS、GSM、局域網和ADSL撥號等。

① 傳輸技術的比較

每種傳輸技術都有各自的特點，如采用GSM和GPRS進行數據傳輸，可以不用布線，節約建設成本；ADSL撥號可以利用現有的電話網絡，方便網絡搭建；局域網可以實現更快的傳輸速度，便于搭建更大規模的網絡。

傳輸技術的比較[17-21]如表1所示。

表1 傳輸技術比較

② 傳輸方式的應用

結合各種傳輸技術的特點，現已有眾多的應用研究。文獻[22]單獨使用GSM進行通信，并對系統的軟硬件進行設計，實現了電梯遠程監控系統的部分功能(故障報警、故障診斷)。但是由于GSM傳輸效率低且實時性差，文獻[19]將GPRS和GSM同時用于遠程監控系統的數據傳輸，當GPRS遇到網絡繁忙時，立即通過GSM將信息以短信的形式發送到監控中心，減少了數據傳輸的延誤，增強了系統的可靠性。由于GPRS技術在通信方面具有一些優勢，其在電梯遠程監控系統中的應用研究比較多[18，23-25]。當使用傳感器對電梯運行狀態信息進行采集時，傳感器的分布較分散，這就為CAN總線提供了應用空間。鄧君使用CAN總線收集傳感器采集的數據，并對數據傳輸的軟硬件進行了設計。所設計的系統實時性和擴展性好，有較強的抗干擾能力。CAN總線的應用研究還有很多，如文獻[26]和[27]。其他通信技術也有一些應用研究，如文獻[21]設計了基于局域網的電梯遠程監控，文獻[28]將無線網、移動網和Internet三網綜合在一起進行電梯的遠程實時監控。電梯遠程監控系統中，現有的傳輸技術基本都有相應的研究，而且取得了一些成果，但是將新興的3G技術應用于電梯遠程監控系統中的研究還比較少。

2.3 信號分析處理與故障診斷

電梯遠程監控系統是否準確可靠，很大程度上依賴于系統對采集到的信號的分析處理能力和故障診斷能力。

① 信號分析處理

信號分析處理是電梯狀態識別的基礎，只有從大量信號中提取出有用的信息，才能正確判斷電梯的運行狀態，實現故障的及時報警和故障原因的診斷。因此，該方向也是理論研究的熱點之一。

近年來，小波變換在信號處理過程中得到了非常廣泛的應用，它可以對時變信號進行有效的處理。文獻[29]將模糊理論和小波變換相結合，從信號中提取特征值，對故障模式進行識別。但是小波變換對時間域和頻率域的分解形式是固定的，在某些情況下對高頻部分的分辨率會很低；而小波包變換則可以對信號進行任意多尺度的分解，使特征值的提取更加有效[30]。

電梯中安裝有大量傳感器，需要融合這些傳感器采集的信息來描述電梯狀態。多傳感器信息融合技術可以從不同角度、不同層次對多種類型的傳感器信息進行分析，有效消除冗余或者競爭。文獻[31]使用多傳感器信息融合技術對深孔鉆狀態進行監測，并證明了基于神經網絡的多傳感器信息融合對狀態識別的效果要優于單傳感器。

除此之外，還有很多信號分析處理的技術，如基于分型幾何的方法[32]、局域波分析[33]、自回歸雙譜[34]和FFT分析等。

② 故障診斷

故障報警與診斷是電梯遠程監控系統的核心功能，數據采集、傳輸及分析處理都是為故障報警與診斷服務的。故障診斷的好壞直接關系到系統的成敗。因此，該方向也是理論研究的熱點之一。

故障樹分析法自上而下將問題逐層展開、逐層分析，從而找出故障原因。文獻[35]使用故障樹理論對電梯進行故障分析，繪制了故障樹圖，對故障進行了有效定位。但是由于傳感器精度限制和傳感器故障等原因，傳感器收集的電梯狀態信息可能會不準確，從而導致故障樹診斷不準確，為此，文獻[36]提出將故障樹和粗糙集理論相結合對電梯故障進行智能診斷，提高了系統的魯棒性和診斷的準確度。

人工神經網絡不依賴于過程的精確數學模型，它對非線性問題的強大處理能力主要依靠其本身具有的強大自學習能力、容錯能力和自組織能力，但是它學習過程收斂速度慢、權重的選取缺乏理論指導。為了解決這一問題，文獻[37]將模糊Petri網與神經網絡相結合，提出了基于神經網絡的模糊Petri網模型，并得到了較好的診斷效果。

多智能體系統是將多個智能體組合，把復雜的系統分成若干個小的簡單系統，從而簡化管理。智能體之間也可以通過合作來增強解決問題的能力。對于大的復雜系統，僅使用單一數據源、單一故障診斷模型是遠遠不夠的，為了提高系統的可靠性和診斷能力，很多研究者采用多智能體技術對故障進行診斷[38-40]，并得到了很好的診斷效果。

除此之外，關于故障診斷方面的研究還有很多，如使用模糊邏輯方法進行故障診斷[41]，將專家系統和人工神經網絡相結合進行故障診斷[42]等，但是對設備健康狀況的評估研究以及設備性能退化模型研究得不多。為了保障電梯的安全可靠運行，僅僅是實現故障發生后的報警與故障原因的診斷是不夠的，還要實現故障預警，最大程度保證人們生命財產安全。

3 未來展望

國內外對電梯遠程監控系統進行了較多研究，在數據采集、分析處理及故障診斷方面也取得了一些研究成果。但是安全無止境，電梯遠程監控系統還需要進行進一步的發展與完善。

① 新技術、新方法的研究與應用：WiFi技術以其數據傳輸速度快、不需要布線等優點得到了迅速發展，在采煤[43]、采油[44]、醫療[45]、農業[46]等方面都有研究，電梯系統可以使用WiFi進行傳感器數據的收集，提高無線傳感器數據的傳輸速度。3G網絡覆蓋面廣，通信速度快，無需鋪設大量線路，因此可以使用3G網絡作為遠程監控系統的通信網絡，提高系統的搭建速度，降低搭建成本。

② 故障預警研究：故障報警與診斷只能對已發生的故障進行處理，然而這無法保障人們的生命安全，未來的電梯故障診斷系統需要能對電梯故障進行準確預警、對電梯健康狀況進行可靠性評估，將故障消滅在萌芽中。

③ 電梯門控制策略研究：國內老舊電梯數量迅速增加，其控制技術落后，零部件老化嚴重。針對電梯門打開而轎廂沒到達造成人員傷亡問題，可以改進電梯門控制策略，確保轎廂不到門不開，避免乘客墜井事故的發生。

4 結束語

通過電梯遠程監控系統，管理人員可以實時監控電梯的運行狀態，及時發現電梯運行中存在的問題，并可以對故障進行快速診斷，迅速找出故障原因，縮短故障停梯時間，為電梯安全提供可靠保障。隨著電梯在生產生活中的廣泛使用，作為電梯領域的一門先進技術，電梯遠程監控系統必將在故障預警、設備健康狀況評估等方面獲得更大的發展。

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