電容式加速度傳感器下電梯制動器制停時間預測算法

李長江，趙路寧，李守貝，李明明

1.棗莊市特種設備檢驗研究院，山東棗莊 277800

2.山東省特種設備協會，山東濟南 250100

3.合肥市知識產權保護中心，安徽合肥 230000

4.棗莊市特種設備協會，山東棗莊 277800

0 引言

制動器是電梯的重要組成部分，主要為電梯運行提供驅動力。當制動器制動能力不足時，將會導致電梯故障，比如電梯蹲底、電梯沖頂等。因此，一旦制動器發生故障，將會威脅到乘客生命安全。為了保證安全，電梯公司會對電梯進行定期檢查，其中制停時間是評估電梯制動器性能的重要指標。目前，電梯制動器存在著巨大的運維機制漏洞，如何在安全事故發生之前對制動器制停性能預警，預測制動器制停時間，避免因電梯制動器制停故障造成電梯安全事故成為重要問題。電梯安全事故發生的原因多數是由于制動器制動功能失效引起，而制動器制動性能主要在于是否在規定的時間內完成制停操作，故對電梯制動器制停時間預測進行研究，對保證電梯制動器安全工作具有重要意義。

針對以上背景，為了提高乘客的乘坐安全性和乘坐體驗，國內研究人員在電梯制動器領域展開研究。蘇萬斌等人[1]獲取并統一歸一化處理電梯制動器工作性能的數據，采用主成分分析法，獲取制動器的失效率，通過貝葉斯優化的前景感知生成對抗網絡（Bayesian Optimization Foreground-aware Generative Adversarial Networks，BO+ForGAN）的模型，展開分析并完成預測。姜宇迪等人[2]研究出一種長短期記憶網絡自編碼器（Long Short-Term Memory-Encoder-Decoder，LSTM-ED）的無監督深度遷移學習方法，通過制動器運行狀態下的數據對其進行健康狀態分析，利用LSTM-ED 提取器目標數據，完成對制動器在正常運行狀態下的剩余生命周期預測。

由于國內關于電梯制動器制停時間預測的研究起步比較晚，相關理論還不夠完善，預測技術水平相比較國外還存在較大的差距。雖然近幾年電梯安全問題受到研究領域重視，但是關于制停時間預測研究比較少，導致預測方法已經長時間沒有得到更新與優化。在此背景下，提出基于電容式加速度傳感器的電梯制動器制停時間預測研究。該方法采用電容式加速度傳感器實時采集電梯制動器的加速度數據，并通過濾波和誤差補償處理提高制停時間預測的準確性。利用牛頓第二定律結合處理后的加速度數據估算電梯制動器的制停時間。

1 電梯制動器制停過程中的加速度傳感數據采集

為了獲取真實的電梯制停過程中的數據樣本，以進行準確制停時間預測和分析，首先需要采集制停數據。由于電梯制動器制停時間預測對數據采集要求比較高，因此采用抗電磁干擾能力較強、數據采集精度較高的型號為KHFAT-A4F8A 電容式加速度傳感器作為制動器制動數據采集裝置，采用閉環控制方式控制電容式加速度傳感器[3]。利用電容式加速度傳感器采集電梯的制停數據是基于加速度的原理。電容式加速度傳感器是一種能夠測量物體加速度的傳感器，傳感器內部含有一對金屬電極，它們之間形成一個電容，當電容式加速度傳感器受到加速度作用時，其內部的質量會發生相應的位移，這個位移會導致電容之間的距離發生變化，從而改變了電容的值。傳感器通過測量電容值的變化來確定物體所受的加速度。當電梯制動時，傳感器會感知到電梯的減速過程，即產生一個負向的加速度信號。該信號可以通過傳感器內部的電路進行處理和轉換，最終輸出制動時的加速度數據。

將電容式加速度傳感器安裝在電梯中，由制動器對電梯進行制動，電梯以額定速度向上運動，運行到頂部，此時斷開電梯主電源開關，電梯制動器失電，制停電梯，采用電容式加速度傳感器采集電梯從制動開始到制停之間的加速度數據[4]。由下級板、中間極板以及上極板3 部分組成電容式加速度傳感器數據采集電路，通過電路中間極板位置變化產生電容差，利用中間極板連接信號放大器，以制動數據輸出電路信號，并在下級板上連接讀卡器，讀取放大電路信號[5]。電容式加速度傳感器在閉環工作模式下，通過數字反饋環路輸出確定電梯制動力的反饋方向，根據測量電梯位置與方向的變化，將信號反饋到電容式加速度傳感器數據采集電路中的中間極板上[6]，采用時序法將電容差轉換為電壓差，輸出x，以采集制停過程中的加速度數據：

式中，x*表示電容式加速度傳感器采集到的電梯制動器制動電容信號；e表示轉換參數，通常情況下，該參數取值為0.01。

在數據采集過程中，電容式加速度傳感器數據采集電路上的中間極板，在上極板與下級板不平衡力作用下移動，其運動方向始終指向上極板與下級板之間的平衡位置，從而獲取到相應的電梯制動器制動電壓信號。考慮到電容式加速度傳感器采集的數據為電壓信號，無法被計算機所識別和計算，因此需要再對數據進行處理，將電壓形式信號轉換為數字形式信號，將其發送到計算機上，用于后續預處理和分析計算。

2 傳感器加速度數據的濾波及誤差補償

由于電容式加速度傳感器數據采集的過程中含有較多的低頻噪音，且與電梯轎廂之間的耦合為非剛體，二者會發生共振，導致高頻雜波的出現，從而對電容式加速度傳感器數據采集造成干擾[7-8]。為了提高電梯制動器制停時間預測的精度，需要對采集到的制動器的制動數據進行降噪處理。高通濾波是對電梯在緊急剎車時產生的高頻噪聲進行濾除處理，低通濾波是指去除在電梯運行時產生的低頻噪音以及抑制電梯運行時產生的豎向振動噪聲[9]。將高通濾波與低通濾波結合，形成帶通濾波，利用帶通濾波控制噪聲頻率分量，并通過在帶通濾波器中設定頻率的上限與下限，定義頻率通過區間，以此濾除原始信號中的高頻噪聲和低頻噪聲，達到數據濾波的作用[10]。帶通濾波器主要是利用電阻、電感和電容等構成的線路，利用其阻抗特性來達到過濾的目的[11]。

為了采集的制停數據具有可靠性和精確性，使得最終的電梯制動器制停時間預測結果更加精準，必須對采集到的電梯制動器制動加速度數據濾波預處理[12]。過濾器的階數越高，說明其濾波性能越好，但是與之相對應的濾波電路將變得更為復雜，故采用二階正反饋帶通濾波技術，構建數據濾波的傳遞函數，實現數據濾波處理。電梯制動器加速度數據濾波傳遞函數H(s)為：

式中，B表示帶寬；s表示原始數據中噪聲分量；w表示電梯制動器加速度信號的中心頻率。利用上述傳遞函數對電容式加速度傳感器采集的數據進行濾波處理。

考慮到電容式加速度傳感器在數據采集過程中受自身影響以及外界因素影響導致采集的制動器數據存在誤差[13]，從而影響制動器制停時間預測結果，因此對濾波后的制動器數據進行誤差補償處理。由于電梯制動器制停減速度信號的頻率與幅值符合線性規律，故采用傅立葉分析將數據濾波處理后的電梯制動器加速度數據離散時域傅立葉變換，得到電梯制動器制停加速度信號時域、頻域特征，變換后的離散時域加速度信號X(x)用公式表示為：

式中，n表示采樣點數量；N表示電梯制動器加速度信號采樣點總數；WN表示旋轉因子[14]。通過對加速度信號變化得到加速度信號頻率，獲取電梯制動器加速度頻率-幅值比例因子K，其計算公式為：

式中，S表示電梯制動器加速度信號幅值。利用計算得到的比例因子對制停加速度信號誤差補償，誤差補償后的加速度數據用公式表示為：

通過以上對采集到的制停數據進行濾波和誤差補償，完成對制停加速度數據預處理，為后續的電梯制動器制停時間預測提供數據支持。

3 電梯制動器制停時間估算預測方法設計

利用獲取的誤差補償后的電梯制動器制停加速度數據，在電梯制動器制停的情況下，根據牛頓第二定律可以確定制動器所受到的制動力和物體運動的加速度，進而計算出電梯制動器制停時間。因此，根據牛頓第二定律計算出電梯制動器制停時間預測結果t為：

式中，g表示電梯制動器制停距離；a(t)表示電梯減速度，該值為一重要預測參數；d表示安全鉗制停平均減速度。電梯制動器制停，電梯下行超速觸發安全鉗動作，從而產生電梯制動器制停減速度，在電梯滿載的情況下電梯自由下落，安全鉗制停平均減速度d為：

式中，gn表示電梯重力加速度；?表示制動器倍數。

電梯制停下行過程中與緩沖器發生碰撞，此時也會產生制停減速度，根據《電梯運行安全規范》GB25459—2020 要求，電梯緩沖器產生的制停減速度不超過電梯重力加速度的0.15 倍，但是電梯在緊急制停工況下，電梯制動器制停減速度不能小于0.35 m/s2，通過以上分析可以確定，電梯制動器制停減速度取值范圍為：

在合理的取值范圍內確定電梯制動器制停減速度，將其代入到電梯制動器制停時間預測公式中，即可預測出電梯制動器制停時間，以此完成基于電容式加速度傳感器的電梯制動器制停時間預測。

4 實驗論證

4.1 實驗準備與設計

鑒于上文設計的基于電容式加速度傳感器的電梯制動器制停時間預測方法在實際應用中效果并未得知，因此設計對比實驗。將本文設計方法設定為實驗組，為了使實驗數據與實驗結果具有一定的說明性，選擇傳統的兩種預測方法作為對照對象，分別為基于ForGAN 的預測方法和基于無監督遷移學習的預測方法，為了方便后續實驗陳述，以下將兩種方法分別用對照組1 與對照組2 表述。為了方便獲取實驗結果，選取Simpack 作為實驗的軟件環境，其是一種專業的多體動力學仿真軟件，用于模擬復雜的動力學行為，且具有先進的數值計算算法和高性能計算能力，可用于驗證電梯制動器制停過程的仿真研究。選擇10 臺電梯作為實驗對象，電梯型號為AKHFA-A45F8，類型為固定導軌式，最大載重為0.56 t，控制方式為按鈕控制，速度為5.45 m/min，材質為國際錳鋼，動力方式為電動液壓；電梯制動器型號為IATWE-4A5RF，重量為147.26 kg，電壓波動為10%，絕緣等級為F，制動力矩為1 250 N，額定頻率為45.62 Hz，輸入功率為220 W，額定電壓為380 V。實驗組、對照組1 和對照組2 對電梯制動器制停時間預測的實驗步驟如下：

（1）實驗準備：首先確定實驗需要的電梯型號、參數和制動器信息，并在10 臺電梯上安裝電容式加速度傳感器，并記錄電梯制動器的加速度數據，在Simpack 軟件環境中建立電梯制動器的仿真模型。

（2）方法實施：實現所提出的基于電容式加速度傳感器的電梯制動器制停時間預測方法作為實驗組；實現對照組1 使用基于ForGAN 的預測方法；實現對照組2 使用基于無監督遷移學習的預測方法。

（3）實驗執行：將實驗組和對照組已經記錄好的電梯制動器的加速度數據導入Simpack 軟件環境，使用各組方法對電梯制動器的制停時間進行預測。

（4）結果評估：對于每個方法，將預測結果與實際的制停時間進行比較，計算平均百分比誤差，作為衡量預測精度的指標，對實驗組和對照組1、對照組2進行比較，分析其平均百分比誤差的差異。

按照上文設計預測方法，實驗準備了10 臺電容式加速度傳感器，采集電梯制動運動數據共12.62 GB，通過對數據濾波以及誤差補償，預測出電梯制動器制停時間。該10 臺電梯制動器制停時間預測結果如圖1所示。

從圖1 可以看出，預測值與實際值接近，說明設計方法基本可以完成電梯制動器制停時間預測任務，具備一定的準確性和可靠性，通過電容式加速度傳感器獲取的數據能夠較好地反映電梯制動器的運動狀態，并且能夠有效地利用這些數據進行準確制停時間預測。

4.2 實驗結果與討論

對于電梯制動器制停時間預測精度，選擇平均百分比誤差為指標。平均百分比誤差對于預測結果中較大值和較小值的誤差都會有一定程度的敏感性，特別是在電梯制動器制停時間預測中，對于預測值偏差較大的情況，能夠更好地反映預測結果與實際值之間的差別。其計算公式為：

式中，TU表示預測平均百分比誤差；RE表示預測值；YU表示實際值。平均百分比誤差越大，則表明預測準確度越低。實驗以預測數據樣本信噪比水平為變量，選取0.15～15.15 dB 信噪比預測數據，利用上述公式，計算出不同信噪比水平下3 種方法預測平均百分比誤差。信噪比是指信號與噪聲的比值。信噪比較高，通常表示噪聲相對較小，信號較為清晰，預測誤差可能較小，反之較大。具體數據如表1 所示。

表1 3 種方法預測百分比誤差對比（%）

從表1 中數據可以看出，隨著信噪比的增加，3種方法的預測誤差均呈現下降的趨勢。實驗組的預測平均百分比誤差相對于對照組1 和對照組2 始終較低。當信噪比為0.15 dB 時，實驗組的預測平均百分比誤差僅為0.86%，遠遠小于對照組1 的8.46%和對照組2的10.36%。隨著信噪比的提高，實驗組的誤差持續降低。在信噪比為15.15 dB 時，實驗組的誤差僅為0.10%，而對照組1 和對照組2 的誤差分別為3.68%和3.82%。這表明，實驗組相對于對照組在不同信噪比水平下具有更好的預測精度。高信噪比水平意味著信號相對清晰，無噪聲干擾，此時實驗組的預測誤差更小，而對照組1 和對照組2 的誤差相對較大。因此，在給定的實驗條件下，可以得出，實驗組的方法相對于對照組1 和對照組2 在不同信噪比水平下具有更好的預測效果。這是因為實驗組采用了二階正反饋帶通濾波和傅立葉分析技術對加速度數據進行處理，消除噪聲和誤差對預測結果的影響，提高了預測的準確性。

由于單一的評價指標不能全面反映出方法預測性能，故選擇預測消耗時間作為第二評價指標。實驗共設計10 組，每組實驗對電梯制動器制停時間預測3 次，取平均值作為最終耗時，耗時越少，說明方法的效率越高，性能越好。具體數據如圖2 所示。

從圖2 可以看出，實驗組與對照組在預測效率方面表現出明顯差異。實驗組平均預測耗時為0.53 ms，比對照組1 快將近6 ms，比對照組2 快將近7 ms。因此，通過以上對比與統計，證明了無論是在預測精準度方面還是在預測效率方面，設計方法均表現出明顯的優勢，相比較兩種現行方法更適用于電梯制動器制停時間預測。這是因為實驗組使用電容式加速度傳感器實時采集數據，具有較高的采樣頻率和響應速度，可以更快地獲取和傳輸數據，從而提高預測計算的效率。

5 結束語

制停時間是電梯制動器性能評估檢測的重要指標。此次針對現行方法存在的不足和缺陷，結合電容式加速度傳感器在數據采集方面的優勢，將其應用到電梯制動器制停時間預測中，提出了一種新思路，有效降低了電梯制動器制停時間預測誤差，縮短了預測時間，提高了預測效率，為電梯制動器制停時間預測工作的開展提供了理論支撐。

同時也為基于電容式加速度傳感器的電梯制動器制停時間預測方法研究提供了參考依據，具有良好的現實意義與理論價值。由于研究方法目前尚處于初步探索階段，尚未在實際中得到大量實踐與應用，還存在一些不足之處，今后會在該方面展開深層次探究。