電梯物聯網監控系統設計與實現

李曉帆

（杭州市特種設備應急處置中心 杭州 310003）

電梯物聯網監控系統設計與實現

李曉帆

（杭州市特種設備應急處置中心 杭州 310003）

物聯網近年來成為信息化發展的一大趨勢，被廣泛應用于各種領域，其中電梯物聯網近幾年發展迅猛，已經成為電梯技術的熱點與方向。文章從物聯網技術出發，研究物聯網傳輸層和傳感層在電梯行業系統中的使用，開發設計了一套電梯物聯網監控系統，并用數據分析了電梯物聯網應用取得的價值，對于提高電梯系統質量，保證電梯運行安全，減小事故發生等方面具有很大的啟發意義。

電梯 物聯網 監控 智能

1 背景及意義

近十幾年來，我國經濟飛速發展，城市化進展如火如荼，電梯作為垂直交通工具數量增加迅猛，截止2015年底，我國電梯保有量已達到425.96萬臺[1]，我國已成為全球最大的電梯制造基地和電梯市場。電梯作為一種機電類設備，不可避免的會發生故障，據不完全統計，電梯事故約占特種設備事故總量的12%左右[2]，主要發生在商場、地鐵、醫院等場所。電梯數量與日俱增給人民生活帶來方便的同時，電梯故障及事故頻發卻給百姓的生命及財產安全帶來極大影響，飛速增長的電梯數量與有限管理人員的矛盾日益突出，給電梯安全管理帶來極大困擾。為破解電梯數量劇增與管理人員數量有限的矛盾，伴隨計算機傳感技術和網絡技術的飛躍發展，電梯物聯網應運而生。

物聯網在電梯行業中應用即電梯物聯網，其利用計算機傳感技術感知電梯運行數據或通過電梯控制系統讀取電梯數據，通過相關網絡層，按照約定協議，將電梯的運行狀態及有效數據提供給應用層，如物業部門、制造廠家、維保單位、監管部門、業主等應用層端點。電梯物聯網運用大數據進行分析統計處理，其重大意義在于：1）實現對電梯故障及事故的預警；2）實現對電梯質量的追溯；3）提高電梯應急救援和維修響應度；4）實現電梯保養的針對性和有效性；5）物聯網視頻監控和語音對講功能不僅能為應急救援安撫提供技術支撐，還能為電梯事故調查處理和電梯內非法行為提供有力證據。

2 電梯物聯網國內外應用現狀

國內外開展了很多電梯遠程監控系統（Remote Elevator Monitoring System，REMS）即電梯物聯網的研究，目前主要有兩種類型，一類以電梯制造企業為主，由電梯控制系統直接采集數據的物聯網監控系統。例如德國蒂森克虜伯電梯集團的TELESERVICE電梯物聯網系統，該系統能顯示電梯運行狀態，可以通過公用電話網（PSTN）自動報警，且具有電梯控制功能；日立電梯物聯網系統，該系統為每臺電梯建立運行狀態數據檔案，當電梯發生故障時自動向監控中心報警；美國OTIS公司開發的電梯物聯網遠程監控系統，該系統能夠對電梯進行集中管理，可以及時掌握電梯的運行狀況，能夠分析出電梯故障的原因，能夠在電梯發生異常情況時發出告警，能夠提高維保的工作效率。另一類是以第三方網絡信息技術公司開發的電梯物聯網系統。此類系統多采用PLC或單片機控制系統來獲取電梯運行數據信息，此類系統受制于電梯制造企業數據接口的開放程度，后期使用管理維護困難[3]。

上述電梯物聯網監控系統主要側重于電梯運行狀態的直觀展示及故障信號的傳送，監控信息的傳遞只能通過監控系統本身單鏈路傳遞，冗余能力相對欠缺，無音視頻功能，監控系統只能通過有線通訊進行信息監控，這幾款電梯物聯網遠程監控系統都存在成本高、信號采集和數據傳輸技術不能兼容其它品牌電梯的問題，因此并沒有得到廣泛應用。綜上所述，研制一種多功能智能電梯物聯網監控系統，以及與之配套的相關傳感器，可以準確檢測電梯運行狀態，查找潛在風險，進行故障精確預判，開發功能更強大、集成度更高的電梯物聯網監控系統，具有理論和現實的重要意義。

3 系統開發設計與實現

3.1 系統架構

電梯物聯監控系統，采用物聯網清晰的結構設計，包含前端采集傳輸裝置和物聯網監控指揮服務平臺，分為四層結構：設備接入層、網絡傳輸層、中心服務層和業務處理層，系統拓撲圖如1所示：

設備接入層主要指安裝在電梯本體的電梯安全網關，對電梯運行狀態和異常報警信息進行實時監控，主要包括前端音視頻模塊、電梯運行信息采集模塊、困人電梯語音安撫模塊以及一些傳感器等。設備接入層是整個系統的根本，沒有這些前端設備的信息采集，系統上層的信息管理功能如同海市蜃樓。

圖1 系統拓撲示意圖

網絡傳輸層依托通信運營商的網絡，充分利用網絡寬帶資源傳輸音視頻和數據信息，實現前端數據采集裝置與中心服務層的數據通訊。

中心服務層包括接入服務器、電梯狀態服務器、視頻注冊服務器、管理服務器、數據庫服務器、流媒體服務器、存儲服務器、報警服務器等模塊，負責管理前端設備，并對設備接入層的各種數據提供傳輸和管理的服務，是整個系統運行的主體，是電梯物聯系統穩定、可靠、安全運行的先決條件，為整個系統的運行提供管理支撐。

業務處理層是整個系統的最終展示，它一方面提供對電梯運行狀態的展示、故障信息的上報、電梯故障的處理、匯總及分析、應急救援處置、電梯日常信息管理、電梯維保工作管理、電梯前端設備管理、視音頻數據的瀏覽以及溫濕度等采集數據的顯示等；另一方面提供人機界面，處理用戶的請求，并返回用戶請求的反饋。

3.2 系統組成

電梯安全運行物聯網監控系統主要由三部分組成：電梯物聯網網關、電梯監控接入平臺、電梯物聯網監控指揮系統。

電梯物聯網網關安裝于電梯本體，通過傳感器或/和協議接口采集電梯運行狀態、異常故障信息數據，經過處理后通過網絡發送給監控平臺，其具有音視頻功能，可協助進行應急處置。電梯監控接入平臺主要是保障電梯數據采集網關和監控中心之間音視頻和數據信息的正常傳遞。包括電梯網關接入服務模塊、流媒體服務模塊、存儲管理服務模塊等，負責管理前端設備，是整個系統運行的主體。電梯物聯網監控指揮系統是執行日常監控、故障管理以及數據分析應用的場所。

3.3 系統實現

●3.3.1 電梯物聯網網關

電梯物聯網網關用嵌入式軟件構架，結合數字音視頻編解碼和數據信息采集傳感技術，主要包括人體感應器、層站傳感器、門傳感器、上極限傳感器、下極限傳感器、攝像頭、視頻播放器、拾音器、揚聲器、數據采集傳輸模塊、視頻編碼模塊、音頻編解碼模塊、信息處理及傳輸裝置。其中人體感應器、層站傳感器、門傳感器、上極限傳感器、下極限傳感器通過數據采集傳輸模塊與信息處理傳輸裝置相連，用于采集處理電梯運行參數，通過邏輯運算判斷電梯故障情況；攝像頭、視頻播放器通過視頻編碼模塊與信息處理及傳輸裝置相連，拾音器和揚聲器通過音頻編解碼模塊與信息處理及傳輸裝置相連，用于音視頻的對講及安撫；信息處理及傳輸裝置設有時鐘芯片，用于設備時間與網絡時間同步；信息處理及傳輸裝置設置后備電源模塊，可滿足在停電的情況下，提供設備正常工作2個小時所需的電源；信息處理及傳輸裝置內設數據存儲器、有線或無線通訊模塊，用于數據存儲和通訊。電梯物聯網網關連接示意圖如圖2所示。其中，信息處理及傳輸裝置、視頻編碼模塊、音頻編解碼模塊、數據采集傳輸模塊、時鐘芯片、電源模塊、數據存儲器、通訊設備設于一箱體內構成數據采集裝置。數據采集裝置實物圖如圖3所示。

圖2 電梯物聯網網關連接示意圖

圖3 數據采集裝置

電梯物聯網網關安裝于電梯設備本體。主要傳感器技術實現如下：

1）層站傳感器。層站傳感器安裝于電梯轎頂，采用光電和磁感通用型，即適用于有隔磁板的電梯，也適用于只有磁條的電梯。分上下A、B感應點，當電梯運行時，通過計算A、B感應點變化順序，可以計算出電梯運行方向，是否停止，通過時的速度等，還可以通過邏輯判斷確定電梯當前的樓層。常規的計算方式如下：輸入總層站數，默認電梯當前樓層為1樓，當平層傳感器的狀態變化時，加減當前樓層數；當樓層計算錯誤的時候，需要立即進行自動糾正；當減為0時，不再進行減1，當超過總層站數時，不再進行加1。此方法的缺陷需要電梯運行至電梯兩端才能糾正，如果電梯始終在中間層運行并停靠，就無法進行糾正，那么需要考慮加入電梯基站層進行糾正。層站傳感器安裝示意圖如圖4所示，實物圖如圖5所示。

圖4 層站傳感器安裝示意圖

圖5 層站傳感器安裝實物圖

2）門開關傳感器。門開關傳感器安裝于電梯轎頂，采用非接觸式的接近開關，分關門和開門兩種方式。當電梯門刀離開或者進入關門位置時，關門傳感器開始動作；當電梯門刀進入或者離開電梯門開門位置時，開門傳感器開始動作，以實現電梯門開閉的采集。圖6為電梯門開關傳感器實物圖。

圖6 門開關傳感器

3）人體紅外傳感器。人體紅外傳感器的功能是為了檢測電梯轎廂內部是否有人，作為電梯發生故障時，是否提升到困人等級必要的判斷手段。其采用熱釋電紅外線傳感技術，當電梯有人運動時，傳感器開始觸發，保持一段時間結果。因熱釋電紅外線傳感技術的缺點，靜止的情況下檢測不出結果，這種檢測電梯轎廂里面是否有人有弊端，需要與其他傳感器進行綜合計算才能使用。圖7為人體感應器安裝實物圖。

電梯物聯網網關獲取電梯異常數據，需經過一定的邏輯判斷和運算才能確定電梯的故障類型，電梯常見故障邏輯判斷見表1。

圖7 人體感應器

電梯物聯網網關除了通過傳感器采集電梯數據外，還對電梯控制系統開發了專用通信接口，可獲取電梯運行參數及故障信息數據。當電梯發生故障時，電梯物聯網網關第一時間檢測到故障并報警，通過網絡迅速傳給監控中心，監控中心收到報警信息后啟動應急方案，并啟動音視頻功能，同時系統會自動調取發生故障電梯的相關信息（位置、型號、維保單位、具體故障）并把故障信息轉發給相應的維保單位人員，實現第一時間掌握信息、第一時間發出指令、第一時間實施救援，后臺系統會監控整個救援過程并最終確認救援結果。

表1 電梯常見故障邏輯判斷

●3.3.2 監控接入平臺開發

電梯監控接入服務器平臺用來保持監控指揮中心和前端監控設備的連接，保證電梯發生故障時，前端監控設備能夠及時將故障信息傳遞到監控指揮中心平臺，監控平臺主要包括電梯數據采集終端接入服務器、流媒體服務器、存儲管理服務器等。

電梯數據采集終端接入服務器：用來保持前端設備與服務器平臺的連接，保持轉發和接受指令的通路。電梯數據采集終端接入服務器部署于監控中心，各個區域的電梯可以通過有線或是無線的方式與平臺進行連接。這樣系統只要架設一個服務器就能支援上千臺的電梯接入。

流媒體服務器：視頻流轉發模塊，在多用戶并發訪問同一個電梯視頻時，通過流媒體服務器可以實現在設備端取一條流，就可以支援多個客戶端同時訪問。

存儲服務器：用于保存電梯的監控錄像，錄像文件存儲在服務器上，保證數據的安全，用戶可以通過賬號在線進行預覽和下載。

●3.3.3 電梯安全運行指揮系統開發

電梯物聯網監控指揮系統基于B/S架構，用戶可以通過瀏覽器在任何能夠上網的地方，通過賬號和密碼進行訪問，是執行日常監控、故障管理以及數據分析應用的場所。系統主要實現電梯數據的動態監管、故障管理及統計分析、電梯的維保管理，故障及事故的應急處置、電梯預警分析以及公共服務等功能。電梯物聯網監控指揮系統構架圖如圖8所示，電梯物聯網指揮系統界面如圖9所示。

圖8 電梯物聯網監控指揮平臺構架圖

圖9 電梯物聯網監控指揮系統界面

動態監管模塊：用于記錄電梯的基本信息和狀態信息、實現對電梯運行信息、維保信息、發生故障信息的實時查看；

應急處置模塊：用于自動獲取多臺電梯終端采集器報送的電梯困人應急事件，對每次故障報警以表單的形式進行管理,實時記錄處置過程，內容包括電梯的基本信息、運行參數、故障報警應急處置事件信息。電梯應急處置模塊包括存儲子模塊，存儲電梯生產廠商信息、電梯型號和資料信息、維保單位信息、救援站信息、維保人員信息，并對同GIS系統中數據建立關聯關系；

故障管理模塊：用于實現對電梯故障信息查詢，并對發生困人及故障的電梯按照使用單位、使用地區、維保單位進行分類統計分析；

維保管理模塊：包括維保單位管理、維保臺量、應急救援情況統計功能，實現對維保單位質量的綜合考核；

預警分析模塊：用于對電梯的運行情況、故障情況、突發事件誘因進行統計分析，并通過報表或統計圖表形式對相關信息進行展示，為管理決策提供依據；

公共服務模塊：通過網絡向維保單位、使用單位和/或社會公眾進行設備信息公示。

4 運用效果及發揮作用

該系統已在杭州安裝投入運行，通過對電梯安全運行信息的實時感知、傳輸、報警、存儲，實現對杭州市電梯的智能監控。物聯網優勢及發揮作用具體如下：

1）電梯物聯網具有報警智能化自動化優勢。尤其針對老人、小孩、智障人員等無法使用通訊工具的被困乘客和無網絡信號手機無法發出求援信號的電梯環境，無需被困乘客做任何操作，物聯網設備能夠自動監測困人信息并上報，確保及時掌握困人信息，及時發出救援指令，被困人員得到及時解救，避免次生事件。

2）電梯物聯網報警處置的及時性優勢。電梯物聯網報警無需被困人員撥打電話，省去被困乘客求救時間，同時物聯網報警后，接警處置人員能夠根據物聯網平臺數據庫信息直接定位電梯使用地址及維保單位救援人信息，及時發出救援指令，省去接警處置人員與被困乘客核對被困電梯位置等信息的時間，使求援和救援得到及時響應，提高電梯困人救援效率，降低求援和救援處置不及時帶來的安全隱患。

3）視頻版物聯網報警處置的安全性優勢。視頻版物聯網困人報警時，處置人員能夠時時查看被困人員情況，能夠對扒門自救等不當行為及時制止，避免自救不當引發次生事件，能夠對被困有老人、孕婦、小孩和身體不適人員的情況及時發現，及時采取措施，避免發生人身安全和意外事故。

4）自動獲取電梯使用不當情況信息（如乘客搬運大件貨物擋電梯門導致電梯關門超時），提醒乘客按規范使用電梯，有效預防和避免安全事故發生。

5）自動獲取電梯維修、保養及檢修不規范情況信息（如保養時電梯未平層），處置人員提醒電梯維修人員按規范作業,有效預防和避免安全事故發生。

6）自動獲取電梯故障信息，及時通知維保單位排除電梯故障。筆者對近期電梯物聯網報警情況進行抽樣統計分析，結果如下：抽樣電梯物聯網有效報警4108次，因電梯故障導致困人報警13次，處置人員通過物聯網音視頻及時安撫被困人員，提醒乘客不要扒門自救，并及時派遣救援人員趕往現場，救援人員平均到達時間8.5min，平均救援時間3min，安全解救被困人員14人；因乘客使用不當（乘客擋門、搬運大件貨物、打掃衛生）造成的報警289次，處置人員通過音視頻及時提醒使用者注意安全乘梯，防止事故發生；因維保員工維修、保養、檢修電梯維保不當引起物聯網報警145次，處置人員通過音視頻及時提醒維修人員按要求規范操作，防止事故發生；獲取電梯故障報警3662次，處置人員及時通知維保員工排除故障。

同時，電梯物聯網大數據還具有廣泛的應用價值，例如：利用故障及困人歷史記錄大數據信息，為監管部門針對性和重點監管提供數據支撐；利用故障及困人應急處置歷史記錄大數據信息，監督考核維保單位電梯救援處置情況，指導完善電梯應急救援處置機制,進一步提升應急救援水平；利用故障及困人歷史記錄大數據信息，追溯電梯生產、安裝，指導企業改進電梯生產、安裝質量；利用電梯物聯網平臺發布相關政策、安全乘梯等宣傳信息。

5 結束語

科技進步給人類文明帶來累累碩果，電梯物聯網的發展一定程度提高了電梯的應急處置能力，然而如何有效遏制和改變在用電梯逐年老齡化帶來的故障頻發現狀及趨勢值得我們探索和研究。作為信息化智能化管理手段，電梯物聯網的研究具有良好的應用價值，為后續進一步研究利用信息化手段提高電梯維護保養、日常管理，降低電梯故障率以及電梯質量預警、追溯等提供借鑒和指導意義。

[1] 質檢總局關于2015年全國特種設備安全狀況的情況通報[S].

[2] 王會方，馮月貴，等．基于物聯網的電梯安全監控與應急處置技術[J]．中國電梯，2013，24(21).

[3] 韓樹新，劉松國，萬健如，等．電梯狀態在線監測技術研究現狀與發展趨勢[J]．中國電梯，2011，22（7）.

Design and Implementation on Elevator IOT Monitoring System

Li Xiaofan
(Hangzhou Special Equipment Emergency Disposal Center Hangzhou 310003)

In recent years, Internet of things (IOT) become a major trend in the development of information technology, which is widely used in various fields. Elevator IOT as a rapid development technology for elevator has become a hotspot and direction. This paper studies the use of IOT and sensor layer in the elevator industry system, develops and designs a set of monitoring system of elevator IOT, and also analyzes the value of the application of elevator IOT. It has great inspiration for improving elevator system quality, ensuring the safe operation, and reducing accident.

Elevator IOT Monitor Intelligent

X924

B

1673-257X(2017)05-0026-06

10.3969/j.issn.1673-257X.2017.05.006

李曉帆(1982～)，男，碩士，副科長，工程師，從事特種設備應急處置及特種設備物聯網研究工作。

李曉帆，E-mail: lxslxyhz@163.com。

2016-11-15）