基于物聯(lián)網(wǎng)的電梯故障監(jiān)測與預(yù)警系統(tǒng)設(shè)計

蔣曦陽,黃健鵬,童一飛,孫浩翔

(1. 江蘇省特種設(shè)備安全監(jiān)督檢驗研究院,江蘇 南京 210036; 2. 南京理工大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院,江蘇 南京 210094)

0 引言

近幾年在“工業(yè) 4.0”和“中國制造 2025”的背景下,我國積極推動機(jī)械設(shè)備智能化改造,其中物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在電梯行業(yè)中的應(yīng)用日益普遍。如今電梯的大部分?jǐn)?shù)據(jù)都能利用傳感器進(jìn)行采集,如運行時的狀態(tài)數(shù)據(jù)、機(jī)械部件的振動信號數(shù)據(jù)。電梯除了在使用中會產(chǎn)生大量的數(shù)據(jù),在后期維保中也會產(chǎn)生海量數(shù)據(jù)。這些數(shù)據(jù)一方面呈現(xiàn)種類多樣化,另一方面數(shù)量也得到了爆發(fā)式增長[1]。數(shù)據(jù)體量激增帶來的不僅是挑戰(zhàn)更是機(jī)遇,如何通過電梯海量數(shù)據(jù)來對其進(jìn)行運行狀態(tài)監(jiān)測與故障預(yù)警,已然是業(yè)內(nèi)專家學(xué)者與相關(guān)管理部門當(dāng)前亟待解決的問題。

狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)能夠獲取設(shè)備運行的信息,并將該信息用于預(yù)測設(shè)備狀態(tài)特性變化以及相應(yīng)的變化趨勢,從而對其受損程度進(jìn)行評估。通過對設(shè)備狀態(tài)的監(jiān)測,可以保證設(shè)備的正常運行,避免造成經(jīng)濟(jì)和人員的損失[2]。RAO等[3]指出,日立公司針對本品牌電梯特性研發(fā)出可對被監(jiān)管電梯建立數(shù)據(jù)檔案的電梯安全監(jiān)管系統(tǒng),全天候監(jiān)控存儲電梯的基本信息。富士達(dá)所開發(fā)的電梯遠(yuǎn)程監(jiān)控可視系統(tǒng)(ELVIC),通過連接大樓內(nèi)的廣域網(wǎng)絡(luò)或局域網(wǎng)絡(luò),即可在計算機(jī)上開啟監(jiān)控可視系統(tǒng),實時監(jiān)控電梯運行情況[4]。鄒鑫等[5]基于S7-1500PLC設(shè)計了一種電梯運行監(jiān)控系統(tǒng),其仿真實驗結(jié)果表明,該系統(tǒng)能夠有效降低電梯運行能耗,提高了查找故障的準(zhǔn)確性和維修效率。

本文基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù),采用分布式集群,開發(fā)電梯故障監(jiān)測與預(yù)警系統(tǒng)。

1 系統(tǒng)需求分析

1.1 功能需求分析

1)實時數(shù)據(jù)采集與傳輸。考慮到預(yù)警需要數(shù)據(jù)具備實時性,電梯運行數(shù)據(jù)通過物聯(lián)網(wǎng)感知層與傳輸層后需要及時存儲至服務(wù)器集群中。

2)實時數(shù)據(jù)分析。系統(tǒng)的業(yè)務(wù)邏輯模塊需盡快獲取數(shù)據(jù)并進(jìn)行處理與分析,以便進(jìn)行電梯故障的診斷與預(yù)警。

3)結(jié)果可視化展現(xiàn)。集群中任意服務(wù)器的瀏覽器均可實時查看所需數(shù)據(jù),便于電梯管理人員掌握電梯運行狀態(tài)。

1.2 性能需求分析

電梯運行數(shù)據(jù)具有體量大、實時性高等特點,系統(tǒng)需要具備如下4個特點。

1)可用性高。需防止集群中某一服務(wù)器故障而影響系統(tǒng)對外提供故障預(yù)警與監(jiān)測等相關(guān)服務(wù)。

2)精確性高。因電梯運行數(shù)據(jù)體量較大,在處理與分析時需防止出現(xiàn)數(shù)據(jù)未被消費或被多次消費等問題。

3)效率高。為防止數(shù)據(jù)大量堆積而造成系統(tǒng)崩潰,系統(tǒng)需具備高效的數(shù)據(jù)處理能力,且各模塊還需具備較大吞吐量。

4)可拓展性高。系統(tǒng)的計算框架需具備高可拓展性,以便增設(shè)新的業(yè)務(wù)邏輯。

2 系統(tǒng)設(shè)計

2.1 系統(tǒng)總體架構(gòu)設(shè)計

根據(jù)需求并基于模塊化思想,將系統(tǒng)分為以下4個模塊:數(shù)據(jù)采集傳輸模塊、數(shù)據(jù)分發(fā)模塊、數(shù)據(jù)與業(yè)務(wù)邏輯處理模塊以及結(jié)果可視化模塊,如圖1所示。限于篇幅,本文將介紹系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)采集傳輸模塊、數(shù)據(jù)分發(fā)模塊以及結(jié)果可視化模塊。

圖1 系統(tǒng)總體架構(gòu)

根據(jù)系統(tǒng)的整體架構(gòu)設(shè)計,基于數(shù)據(jù)流進(jìn)行的電梯監(jiān)測和故障預(yù)警主要的整體工作流程如下:

1)系統(tǒng)感知層通過傳感器設(shè)備采集電梯運行數(shù)據(jù);

2)通過傳輸層,將數(shù)據(jù)傳輸至本地服務(wù)器集群并存儲在數(shù)據(jù)庫中;

3)業(yè)務(wù)邏輯處理模塊獲取相應(yīng)數(shù)據(jù)并進(jìn)行分析與邏輯判斷,以實現(xiàn)對電梯故障的診斷與預(yù)警;

4)將結(jié)果存入數(shù)據(jù)庫中,以便結(jié)果可視化模塊進(jìn)行展示。

2.2 數(shù)據(jù)采集與傳輸模塊設(shè)計

1)傳輸技術(shù)選擇。電梯運行信號采集具有采樣頻率高、數(shù)據(jù)量大、采集實時性較高等特點,而以太網(wǎng)以有線的方式部署,網(wǎng)絡(luò)接入簡便,部署費用較低且其傳輸速度快、可處理的信息體量龐大,與電梯數(shù)據(jù)采集實時性高、數(shù)據(jù)量大等特點相匹配。因此本文將采用以太網(wǎng)的方式進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。

2)整體方案設(shè)計。系統(tǒng)通過傳感器采集電梯運行狀態(tài)信號與x、y、z軸3個方向的振動信號數(shù)據(jù)。如通過光感傳感器獲取是否平層到站的數(shù)據(jù)、通過轎門上的光幕傳感器獲取轎廂門廳是否卡人的數(shù)據(jù)、通過振動加速度傳感器獲取轎廂振動情況的數(shù)據(jù)。獲取的原始數(shù)據(jù)通過換算提取后存入實時數(shù)據(jù)庫,等待分布式處理集群的后續(xù)故障診斷、故障預(yù)警模塊調(diào)用,以進(jìn)行電梯運行安全監(jiān)測與轎廂振動狀態(tài)的實時監(jiān)控與預(yù)警。信號特征值在經(jīng)過處理后,將存入歷史數(shù)據(jù)庫以供后續(xù)模塊的分析利用。

3)采集系統(tǒng)設(shè)計。系統(tǒng)采集模塊的硬件部分主要包括傳感器、CP2104模塊(可以將TTL串口轉(zhuǎn)USB接口)、電梯控制板、有線以太網(wǎng)傳輸模塊4個部分。

基于以太網(wǎng)的數(shù)據(jù)采集包括了多臺分布式服務(wù)器終端與下位機(jī)。服務(wù)器終端用來處理以太網(wǎng)傳輸來的數(shù)據(jù)信號,下位機(jī)負(fù)責(zé)采集、上位機(jī)負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)處理與存儲。上位機(jī)使用TCP/IP 協(xié)議來完成與下位機(jī)之間的數(shù)據(jù)傳輸。傳感器采集到的電梯運行數(shù)據(jù)的數(shù)字信號通過CP2104模塊與電梯控制板模塊進(jìn)行交互,將數(shù)字信號傳遞到電梯控制板模塊。在電梯控制模塊上通過網(wǎng)線連接路由器,設(shè)定相應(yīng)的IP地址與服務(wù)器集群進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。

4)采集數(shù)據(jù)內(nèi)容。本系統(tǒng)主要采集的數(shù)據(jù)是電梯運行狀態(tài)數(shù)據(jù)與轎廂振動加速度數(shù)據(jù)。本系統(tǒng)選擇的振動加速度傳感器型號為EVA-625。因EVA-625的尺寸較小,安裝便利,可同時測量x、y、z3個方向的振動加速度信號。

5)傳輸格式設(shè)計。系統(tǒng)通過傳感器所設(shè)定的數(shù)據(jù)格式,將數(shù)據(jù)直接傳輸至本地服務(wù)器集群中,其格式主要由5個部分組成:起始碼、地址碼、數(shù)據(jù)流、結(jié)束碼、校驗碼。

2.3 數(shù)據(jù)分發(fā)模塊設(shè)計

實時的電梯流數(shù)據(jù)具有如下特點:數(shù)據(jù)獲取速度快、種類多、體量大。在處理這些數(shù)據(jù)時,首先需要將原始數(shù)據(jù)中的無效數(shù)據(jù)段進(jìn)行篩除,隨后將數(shù)據(jù)分發(fā)至分布式集群中進(jìn)行處理。為了使得數(shù)據(jù)分發(fā)模塊具備較大的吞吐量、可分布式擴(kuò)展等特點,本文選用Flink1.8、Kafka2.11、Flume1.90。構(gòu)建集群的數(shù)據(jù)流處理引擎。

電梯運行信號數(shù)據(jù)在被傳感器采集后,首先傳輸并存儲至本地數(shù)據(jù)庫中,隨后Flume會實時監(jiān)聽并拉取本地數(shù)據(jù)庫的日志文件,接著Kafka接收并存儲數(shù)據(jù)流日志文件,最后通過Flink集群對數(shù)據(jù)流進(jìn)行處理與分析,圖2描述了整個流程結(jié)構(gòu)。

圖2 數(shù)據(jù)分發(fā)整合流程結(jié)構(gòu)圖

傳感器采集的電梯運行數(shù)據(jù)通過網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)綌?shù)據(jù)中心的服務(wù)器上,服務(wù)器將數(shù)據(jù)發(fā)送到Kafka消息隊列中,隨后Flink集群會獲取數(shù)據(jù)并進(jìn)行分析。在Kafka集群中,電梯運行數(shù)據(jù)依照數(shù)據(jù)來源和產(chǎn)生時間在相應(yīng)的Topic隊列上進(jìn)行分區(qū)儲存。Flink通過addsource操作將Flink集群與Kafka連接到一起,此種方式不再需要專門Receiver開啟專門的線程來循環(huán)讀取Kafka消息隊列中的數(shù)據(jù),這種方式增大了計算時的并行度,提高了效率。為避免數(shù)據(jù)丟失,在采取addsource方式時,只要在Kafka上對數(shù)據(jù)進(jìn)行復(fù)制,就可以根據(jù)副本來進(jìn)行數(shù)據(jù)重新讀取。同時,它保證了數(shù)據(jù)只被消費一次,也避免了相同數(shù)據(jù)重復(fù)消費的問題。

2.4 結(jié)果可視化模塊設(shè)計

1)架構(gòu)設(shè)計。相比C/S架構(gòu),B/S架構(gòu)具有良好的系統(tǒng)性擴(kuò)展性,可隨用戶需求增加新的功能[6]。在實際生產(chǎn)中,由于B/S結(jié)構(gòu)的Web技術(shù)逐漸發(fā)展完善,在瀏覽器上進(jìn)行開發(fā)的客戶端數(shù)量也逐漸增多[7]。本系統(tǒng)在后端業(yè)務(wù)處理模塊中提供相關(guān)數(shù)據(jù)接口,將前端與后端解耦,降低了對前端功能依賴度,便于后期的復(fù)用與維護(hù)。前端通過HTTP發(fā)送請求至URL當(dāng)中以獲取后端資源,后端將前端請求的數(shù)據(jù)以JSON格式發(fā)回,前端再將這些數(shù)據(jù)解析成 JavaScript對象,再考慮到與用戶交互的便捷性與美觀性對頁面進(jìn)行渲染和展示。圖3展示了基于物聯(lián)網(wǎng)的電梯典型故障監(jiān)測與預(yù)警系統(tǒng)前后端分離總體架構(gòu)。

圖3 前后端總體架構(gòu)圖

2)可視化模塊功能設(shè)計。基于模塊化思想,將系統(tǒng)分為五大功能模塊,分別是電梯地理位置可視化模塊、電梯數(shù)據(jù)管理模塊、相關(guān)單位管理模塊、電梯控制系統(tǒng)故障監(jiān)測模塊與電梯轎廂系統(tǒng)故障預(yù)警模塊,系統(tǒng)具體功能如圖4所示。

圖4 數(shù)據(jù)采集硬件部分結(jié)構(gòu)框架

3)數(shù)據(jù)庫設(shè)計。本系統(tǒng)通過MySQL關(guān)系型數(shù)據(jù)庫對電梯典型故障監(jiān)測與診斷信息、電梯故障預(yù)警信息、電梯相關(guān)單位信息等進(jìn)行存儲,并根據(jù)分析建立數(shù)據(jù)庫中表與表之間的關(guān)系建立系統(tǒng)的E-R模型。通過數(shù)據(jù)庫對系統(tǒng)數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲,一是方便了系統(tǒng)對數(shù)據(jù)的管理,二是滿足了數(shù)據(jù)的可追溯性以及查詢分析的高效性。本系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)庫E-R模型如圖5所示。

圖5 數(shù)據(jù)庫E-R圖

在電梯故障診斷與預(yù)警系統(tǒng)的設(shè)計中,物聯(lián)網(wǎng)感知層與傳輸層處理的數(shù)據(jù)具有體量大、實時性高的相關(guān)特點,所以為了方便后期對歷史數(shù)據(jù)進(jìn)行追溯查詢,需要將采集到的實時數(shù)據(jù)存入數(shù)據(jù)庫中進(jìn)行定期的維護(hù)管理。同時,為了提高數(shù)據(jù)庫的讀寫,數(shù)據(jù)庫對電梯運行數(shù)據(jù)進(jìn)行分表存儲。

3 系統(tǒng)實現(xiàn)

3.1 開發(fā)工具

本系統(tǒng)使用IntelliJ IDEA 2018.1作為開發(fā)工具,選擇MySQL 5.7作為關(guān)系型數(shù)據(jù)庫。

3.2 系統(tǒng)運行效果

限于篇幅,本文簡要介紹系統(tǒng)中的部分模塊。

1)系統(tǒng)登錄界面圖。電梯管理人員能夠?qū)ΡO(jiān)測范圍內(nèi)所有電梯的運行狀況進(jìn)行查看。在該頁面上,運行正常的電梯使用綠色標(biāo)簽,而出現(xiàn)健康狀況問題的電梯使用紅色標(biāo)簽,并會在電梯列表置頂。

2)電梯故障預(yù)警可視化結(jié)果界面。對出現(xiàn)故障的電梯點擊其相對應(yīng)的狀態(tài)按鈕,可以實時查看電梯轎廂健康狀況,以此輔助電梯管理人員對轎廂健康情況進(jìn)行判斷。電梯故障預(yù)警可視化界面如圖6所示。

3)電梯地理位置可視化界面。該模塊可以將監(jiān)控范圍內(nèi)的所有電梯地理位置在地圖上進(jìn)行可視化展示,電梯管理人員可以根據(jù)地圖中的顏色標(biāo)記快速掌握電梯的情況。如圖7所示,無故障的電梯使用綠色標(biāo)記,而出現(xiàn)故障的電梯使用紅色標(biāo)記,以此對電梯管理人員進(jìn)行提示。

4)電梯故障預(yù)警實驗結(jié)果。模型預(yù)警的結(jié)果可以從電梯故障預(yù)警信息界面查看。系統(tǒng)根據(jù)重構(gòu)誤差與預(yù)警閾值之間的對比,判斷是否可能有故障出現(xiàn)。實驗效果如圖8所示,取得了較好的效果。

圖8 電梯故障預(yù)警界面

4 結(jié)語

本文構(gòu)建了電梯故障監(jiān)測與預(yù)警系統(tǒng),該系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)對電梯運行數(shù)據(jù)的實時采集、分析與結(jié)果可視化的功能。實驗結(jié)果表明,該系統(tǒng)實現(xiàn)了其預(yù)期功能,能夠進(jìn)行電梯故障的診斷、預(yù)警以及結(jié)果可視化,使電梯管理人員在故障初期進(jìn)行有效的排查,最終提升電梯的安全水平,具有一定的應(yīng)用價值。