基于云計算的電梯公共安全研究與應用

王立寧，馬慧娟，陳 星，任 亮

（1.西安特種設備檢驗檢測院，陜西 西安 710077；2.陜西省特種設備檢驗檢測研究院，陜西 西安 710054）

從20世紀60年代發明互聯網以來，先后經過了三次重大的“互聯網革命”，分別產生了互聯網技術、電子商務技術、大數據與云計算及人工智能技術等。從定義看，云計算被界定為“一種對計算資源提供網絡訪問技術”，內容極其豐富。首先，它以IT資源作為使用對象，通過分布式計算方式可以實現虛擬化、動態可擴展化方面的網絡計算需求。其次，在部署、安全、性價比方面具有明顯優勢，平臺化應用時主要包括如下步驟：①設置用戶界面；②提供服務目錄；③建立管理系統；④按需部署工具；⑤實施在線監控；⑥通過服務集群提供服務等。從近幾年的應用現狀看，在各行業、領域對云計算的應用相對增多，而且形成了多元化應用趨勢。

1 云計算的主要分類及應用現狀

1.1 主要分類

從分類方面看，采用不同的劃分方式可以將云計算分為不同的類型。從國內的應用情況看，一般按照云計算的使用范疇及部署模式將其分為公共云、私有云、混合云。在宏觀層面的應用多以公共云為主，私有云多用于企業類組織，混合云則適用于計算網絡基礎建設相對較好的領域。從國外的應用情況看，十分看重云服務層次，通常將其劃分為基礎設施即服務（IaaS）、平臺即服務（PaaS）、軟件即服務（PaaS）。

1.2 應用現狀

應用時則通過關聯方案進行實施。從應用現狀看，無論采用哪種分類方式，實際應用時既要選擇云類型，也要根據其服務層次操作。以現階段部分地區電梯物聯網安全監控中云技術的應用為例，主要是以電梯物聯網平臺為基礎，在“大平臺+小系統”基本框架下按數據管理需求制定諸如“基礎設施層-數據中心層-平臺服務層-平臺應用層-大數據表現層”為主的技術方案。具體包括：

①基礎設施層設置大數據存儲系統，可以結合物聯設備構成相應的管理模塊。②數據中心層設有多個數據庫，包括維修保養數據庫、地理數據庫、電梯數據庫、監控數據庫等，通過各數據庫之間的關聯共同組成電梯業務數據體系。③平臺服務層主要負責處理各項數據，分為數據加工、數據共享、服務總線、數據管理中心各個模塊。④平臺應層的服務對象較多，根據其職能需求設置檢查監察、維修保養、應急事故處理、電梯異常數據獲取、大數據預警、地理信息應用各個模塊。⑤大數據表現層主要用于報表管理，可通過數據與各模塊間的關聯，借助可視化統計分析滿足電梯相關信息的監測、評價、預警、投訴、監察、廣告等數據顯示要求等。

2 電梯公共安全中對云計算的應用模式

根據《國務院辦公廳關于加強電梯質量安全工作的意見》（國辦發〔2018〕8號）與《電梯安全筑底三年行動方案（2023—2025年）》（國市監特設發[2023]46號）中的內容看，新時期的電梯公共安全管理要求越來越高，把“重點任務”工作重點集中到了電梯質量安全、隱患治理與更新改造、追溯體系與應急救援平臺、維護保養質量水平等方面。事實上，電梯行業自2018年全面實施“互聯網+”至今，已建成了與市場需求相適配的電梯物聯網平臺，但是隨著采集數據類型增加、數據存儲需求擴大、數據分析難度上升、數據價值挖掘等新問題與新需求的出現，現用平臺并不能滿足其實際應用需求。因而，各地區根據上述“三年行動方案”在電梯公共安全管理方面擴大了對技術要素的配置比例，其中云計算以其豐富內容與應用優勢躋身應用前列并且形成了兩種比較常用的應用模式。具體如下：

2.1 經典化模式

該模式主要是在GIS技術基礎上獲取電梯公共安全管理相關數據資源的基礎上，采用“UI界面顯示層——BLL業務邏輯層——DAL數據操作層”構成的經典三層技術架構進行應用。在云平臺計過程中，工作人員往往會選擇模塊化設計思想，設置電梯數據歸集模塊、數據接口模塊及若干云服務功能（如業務信息歸集、故障信息歸集、風險評估數據歸集、電梯大數據應用及其他功能），然后創建經典的云平臺架構（如圖1）。但是，在應用該模式時，實踐主體需要對應用對象所在地區的大量電梯數據進行收集與分析，然后在集成嵌入式操作系統下，結合多種GIS與標準通用的Web Service接口，保障內部系統與外部系統之間的數據實時交互并通過云平臺為其提供標準調用方法，才能保障云平臺功能獲得有效應用，滿足維修單位、政府部門、監管單位、運營企業、保險公司等多主體的數據共享、調用等要求。

圖1 云平臺經典三層架構示意圖

2.2 虛擬化模式

云計算屬于分布式計算范疇，本身帶有虛擬技術的本質特征。近幾年大部分地區建設電梯物聯網平臺后，一方面在終端配置了大量物聯設備，借助5G技術實現了對多元異構數據的接入及同步采集。另一方面通過每日海量數據的生成，數據存儲問題日益凸顯，加上物理服務器建設投入成本費用較大。在這種現狀下，此類地區選擇了具有虛擬化技術優勢的云計算，可以采用私有云的方式在“大平臺+小系統”框架下快速將云資源池、云安全防護技術，接入電梯物聯網平臺并透過配置虛擬服務器的方式，幫助實踐主體解決數據資源占用內存大、數據資源存儲困難、數據資源分析處理速度下降等實際問題。例如，在上文提及的“基礎設施層-數據中心層-平臺服務層-平臺應用層-大數據表現層”技術方案即屬于虛擬化應用模式，第一層可通過聚合部署的方式提高其系統運行能力，然后通過第二層為電梯綜合服務提供經過快速處理的數據，進入第三層后則可以提高各用戶的應用軟件使用效率。尤其是第四層的異常數據獲取、應急事故處理、維修保護、定檢監察等系統的接入，能力同時獲取與各自業務相關的數據，最終將第五層分布式挖掘后可視化呈現的數據結果加以利用等。

3 電梯公共安全中對云計算的具體應用

在電梯公共安全中應用云計算時，無論采用經典化模式，還是虛擬化模式，均可以輔助電梯物聯網平臺提高數據管理效率，進而為其安全監控等提供科學依據。進入中國式現代化改革時期，通過建設全國統一大市場進一步推進了城市與鄉村資源的雙循環、雙流通，新一輪城市更新與城鎮化建設正在如火如荼地進行，在這種發展趨勢下必然會持續增加電梯使用數量，而且隨著電梯數量的增長必然會擴大電梯安全相關的風險事件或事故發生率。以東南沿海某省為例，2021年上半年全省電梯累計故障就達到了2.5萬起，而且造成故障發生的人為原因占到的50%之多，其余原因主要來自外部與電梯本身的故障。在這種現狀下，有必要吸收前兩種應用模式積累的經驗，進一步把“電梯物聯網+云”擴展到“云+邊+端”方面，創建可以同步解決數據采集、存儲、分析、挖掘、報表管理等多重功能的電梯公共安全管理大數據平臺。具體如下：

3.1 背景技術

目前，大數據技術中的大數據清洗技術、數字存儲引擎技術、機器學習算法及一些比較成熟的大數據軟件已在電梯公共安全管理中獲得了應用。而且物聯網與大數據的融合，使電子標簽式的數據跟蹤、智能化的數據處理成為現實。同時，云計算的應用相對增多并且出現了把云中心服務轉移到邊緣節點的需求。旨在縮短物理空間距離與解決網絡時延問題，使整個應用平臺獲得更好的應用。在這種背景技術俱備與需求出現的現狀下，有必要在云邊協同理念下推進“云+邊+端”方案研究與應用。下面僅從技術方案、系統架構、模塊功能三個方面做出具體探討。

3.2 技術方案

電梯物聯網平臺基礎上創建“云+邊+端”方面的電梯公共安全管理大數據平臺時，本次研究提出了邊緣感知層-網絡傳輸層-云服務層-應用層的技術方案。其中，邊緣感知層以物聯設備為基礎，涉及內置AI識別功能的監控探頭，并把當前電梯物聯網平臺配置的資源作為感知設備，進行視頻與語音采集等。邊緣感知層采集到各項數據后可以在第一時間通過網絡傳輸層設置的通信協議與電梯終端設備進行通信并獲得相關數據，對其進行計算與分類存儲。云服務層則把集成后的邊緣節點數據放入大數據與云中心資源，利用其中的算法（如深度學習、決策樹、邏輯回歸、神經網絡等）進行數據匯總、處理、分析、OLAP聯機處理及其他管理。應用層的各大主體僅需根據該平臺提供的數據分析與挖掘結果即可快速完成各項業務管理。

3.3 系統架構

在系統架構設計方面，本次研究吸收前期實踐中形成的模塊化設計思想，在該平臺中設置多個模塊（即子系統），具體包括：①數據采集模塊；②數據治理與存儲模塊；③數據分析挖掘模塊；④智能算法模塊；⑤應用模塊等。當終端設備采集到的多元異構靈氣經過通信方式上傳到邊緣節點后，邊緣節點的計算與分類存儲功能可以在第一時間發揮作用，并將處理后的數據與云平臺協同，為上述各模塊進一步處理進行數據管理奠定堅實基礎。

3.4 模塊功能

考慮到該系統架構中設置了若干模塊，數量較多且存在功能多元化應用的實際情況，為論述清晰性，下面僅對其中的部分模塊功能做出說明。

以電梯數據采集模塊為例，它由終端、非終端數據采集兩大部分組成，前者主要為物聯設備采集數據，后者主要為電梯相關的靜態數據、維保數據、投訴數據、故障數據等，云端離線方式下進行分類存儲。以數據治理與存儲模塊為例，邊緣節點的引入縮短了距離與時延，云中心利用聚合部署方式能夠快速治理其初步處理的數據，并通過ETL（抽取、轉換和裝載）處理后，借助Spark Streaming進行批處理，存儲時可借助HBase-分布式數據庫進行分類存儲。以電梯數據分析挖掘模塊為例，重點放在對數據的梳理、探索、統計、分析、建模等方面，為了挖掘海量數據中潛在的規律并使其轉化為具有實用價值的知識，云中心可以利用描述統計分析、推動統計分析及關聯規則與聚類分析等方法進行操作。以智能算法模塊為例，具體功能設置后可以按實際項目中的應用需求選擇相應算法，常用算法可選擇深度學習與神經網絡算法，進行異常路徑追溯與故障分類、監測、預警、識別、分析、處理、結果反饋等。

4 結束語

總之，電梯屬于高危場所，應用云計算后可以滿足新時期電梯物聯網高質量建設中所需的資源部署與數據處理需求。由于該領域建設中的側重點存在差異，形成了對云計算的經典化、虛擬化、協同化應用模式，而且經過近幾年應用后實現了對電梯技術、GIS技術、物聯網、大數據、云計算、邊緣計算等不同技術資源的融合應用，因而在這種背景技術下，有必要在電梯公共安全管理中繼續沿著技術賦能路徑與“并聯式”發展方法，加強對各類技術資源的整合，推進對“云+邊+端”方案的研究及推廣應用。建議在實踐過程中，一方面加強對不同地區計算機基礎設施建設現狀的調查，另一方面應根據實際調查結果選擇適配性較高的方案為其高質量建設提供技術支撐。