智能傳感器節點在電梯故障預測中的運用

張 麗

（南通科技職業學院，江蘇南通 226001）

城市化帶來的運輸物流問題要求智能運輸系統不僅要提高水平運輸的效率、容量和可靠性，還應提高垂直運輸的可靠性。為了使垂直運輸系統適應未來的需求，電梯行業需要從預防性、糾正性維護策略轉向預測性的維護策略，最大限度延長正常運行時間，延長使用壽命，降低維修成本，提高電梯系統的安全性。將電梯系統連接到云端，形成電梯互聯網，收集和挖掘來自電梯傳感器和控制系統的數據，并將其轉化為有關電梯系統性能和任何當前或潛在問題的信息。目前，大多數電梯系統都沒有配備支持連接到云端進行遠程監控和故障診斷的傳感器、控制系統。本文提出一種智能傳感器節點的信號處理方案，其特點是通過加速度計和磁強計進行非侵入式傳感；嵌入式數據處理和存儲、無線連接，能夠構建“即插即用”節點，提供電梯狀況信息。

1 電梯使用實際情況及技術對比

電梯狀態監測系統如圖1所示。

圖1 電梯狀態監測系統

電梯系統利用發動機驅動液壓或牽引電纜系統，在不同樓層之間提升電梯轎廂，改變人和貨物的勢能。電梯轎廂的水平位置通過一組導軌保持，電梯轎廂依靠導軌滑動。通常電梯轎廂配有電動或半電動門系統，為乘客提供乘坐保護。正常情況下，電梯轎廂的加減速平穩，垂直和水平振動可以忽略不計，每停一次門開關門都能保持平穩。如果發動機軸承和滾軸導軌等部件出現磨損、導軌移位、灰塵和礫石在車門系統中積聚，振動級增加，系統性能降低。一般情況下，短期影響是乘坐質量下降，長期影響是電梯故障。因此，通過監測電梯系統的使用情況和振動水平，可以提取有關電梯系統狀況和未來潛在故障的信息。設計維護策略，最大限度延長系統的正常運行時間，將服務安排在已知的時間段，降低電梯系統受到的干擾。

現有的研究集中在機械和電機的狀態監測、故障檢測，關于電梯系統和電梯部件（如曳引機、導軌、鋼絲繩和門系統）的狀態監測和故障檢測技術的研究較少。

現有的電梯狀態監測技術和系統大致可分為兩類，即基于模型的和基于數據驅動的狀態監測方法?；谀Ｐ偷姆椒ǖ膬烖c是不需要訓練數據，缺點是需要知道電梯系統的特定參數。由于市場上的電梯系統種類繁多，因此大規模部署基于售后市場模型的狀態監測系統不可行。

數據驅動方法的優點是不需要電梯系統的先驗知識，缺點是在提取可靠的狀態信息前，需要從一組具有代表性的電梯系統和故障中獲取大量的訓練數據，獲取訓練數據耗時長、成本高。

在開發大規模狀態監測系統時，需要考慮部署傳感器節點的方便性和成本。文獻中描述的大多數電梯狀態監測系統以及當前市場上的電梯狀態監測系統，都來自電梯控制和驅動系統的信息，通常與加速計之類的附加傳感器相結合。因此，系統的安裝通常需要1～2 d，需要技術人員掌握具體電梯控制和驅動系統的知識。因此，現有系統部署成本較高，阻礙了系統的大規模部署。

需要通信的數據量和與數據傳輸相關的成本，對電梯監控系統的潛在客戶（如業主和電梯服務公司）進行的一項調查結果表明，按照目前的蜂窩數據收費標準，客戶不愿意為每月和每部電梯超過10～50 MB的數據付費。

因此，本文提出部署大型電梯監控系統的一種方法，通過使用非侵入式傳感和本地提取高級狀態信息的傳感器節點，即智能傳感器節點，提出一種基于加速度計和磁強計數據的智能傳感器節點信號處理方案：

提取有關運行模式和用途的信息→檢測異常（緊急）停止→檢測門的異常行為和門關閉時間的變化→根據ISO 18738-1標準測量行駛質量→計算高級條件信息，如頻率和位置振動譜。

只需要供電就可以工作的非侵入式傳感節點，易于安裝且成本效益高，且可以與所有類型和品牌的電梯進行互操作。此外，通過局部提取高級狀態信息，可以將通信需求保持在最低限度。

本文所提出的電梯監測系統信號處理方案如圖2所示。

圖2 信號處理方案

2 定位和運動動力學估計

利用兩級濾波框架對電梯轎廂的位置和運動動力學進行了估計。

第一階段，通過加速計測量值估計單個行程的行程距離和運動動力；第二階段，使用SLAM算法估計電梯轎廂的位置以及樓層高度，顯示32個估計位置剖面的平均值和根據算法的3σ置信區間。

電梯位置、速度監測如圖3、圖4所示。

圖3 電梯位置監測

圖4 電梯速度監測

圖4顯示了單個行程的速度估計值以及速度估計值的平均值和3σ置信區間，還顯示了探測器確定電梯轎廂以恒定速度移動或靜止的時間實例。

由圖可知，電梯達到穩態速度，一段時間后，勻速直線運動檢測器檢測到這一點，并應用恒速偽測量。結果表明，速度不確定性不再增長，位置誤差的增長在時間上呈線性。行程結束、電梯轎廂靜止時，可以看到零速度偽測量值如何修正速度估計值。

3 振動和乘坐質量監測

為了鼓勵電梯運行質量評估的行業一致性，制定了ISO 18738-1，定義了一組描述電梯運行質量的振動和噪聲參數以及測量和計算這些參數的方法。標準規定振動監測傳感器應放置在轎廂地板上，在性能評估期間，電梯轎廂內不應超過兩人（假定保持靜止）。例如可以使用安裝在車輛上的指示振動傳感器計算行駛質量和車頂振動，電梯服務公司和業主可用于客觀評估物業組合中一組電梯性能的值。最大速度與振動幅度之間存在相關性，電梯轎廂在較長行程中以較高速度運行，應使用ISO 18738-1標準振動參數進行狀態監測，還必須考慮電梯速度。

ISO 18738-1標準中定義的乘坐質量參數提供了有關電梯系統健康狀況的信息，并可作為預測性維護系統中的數據特征，但無法將這些測量直接映射到某些故障。通過監測電梯轎廂振動功率與頻率的關系、振動功率與位置的關系，可以更直接了解電梯系統的健康狀況。

4 異常停止檢測

電梯系統故障或當乘客按下緊急停止按鈕時，電梯轎廂可能會異常停止，此時必須立即將情況通知負責電梯系統的人員。信號處理方案實時監測電梯廂的運動，以檢測電梯廂是否停在樓層以外的位置或是否異常減速。停車位置的監控在SLAM算法中完成，如果卡爾曼濾波器的歸一化預測誤差超過預定閾值，則表示異常停止。

為了監控電梯轎廂的異常減速，傳感器節點學習（假設異常停止較少）典型減速模式，檢查與此模式的偏差，應計算每次行程內的最大減速度。將計算值輸入兩個卡爾曼濾波器，分別跟蹤上升和下降時減速峰值的平均值，如果觀察到的減速峰值的標準化預測誤差大于預定義的異常閾值，則表示異常停止。

5 門狀態監控

故障門是電梯系統中最常見的故障之一，關于電梯門狀態的研究中提出的方法，都依賴于安裝在門上的傳感器測量或門控制系統的信號，適用于非侵入式空調監控系統。由于多數升降門都含有鐵磁性材料，門的運動會引起局部磁場的變化，磁場傳感器（又稱磁強計）可用于遠程監測運動。在自動門系統中，控制系統控制門電機的扭矩，不控制速度，門系統的磨損導致門移動更慢。門系統打開和關閉所需的時間被用作預測故障時間的邏輯回歸的輸入。在兩次保養間隔之間，車門的運動時間增加了約0.3 s（車門標稱關閉時間的12%），利用磁場監測系統可以在不同的關門時間檢測磁場的變化。