隋首鋼， 辛永樂， 鄭煥祺

(山東建筑大學(xué)信息與電氣工程學(xué)院，濟(jì)南 250100)

0 引言

近年來，我國在電梯產(chǎn)量、電梯保有量、電梯增長率方面均為世界第一，但電梯安全事故頻發(fā)，并且在電梯設(shè)計(jì)、生產(chǎn)、安裝、維保以及監(jiān)管等各個(gè)環(huán)節(jié)都存在問題。 隨著城市中高層建筑的增多，電梯的使用也越來越頻繁，再加上電梯逐年“老齡化”，電梯發(fā)生故障的概率在不斷增加，造成電梯故障停梯和人員被困電梯等事故。 因此，保證電梯安全運(yùn)行具有重要意義。

目前，對(duì)電梯運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測技術(shù)有較多研究。文獻(xiàn)[3]介紹了電梯物聯(lián)網(wǎng)的基本架構(gòu)，包括數(shù)據(jù)采集層、小區(qū)網(wǎng)絡(luò)層、公共網(wǎng)絡(luò)層和平臺(tái)應(yīng)用層，由多種傳感器進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，將電梯的運(yùn)行狀態(tài)信息通過物聯(lián)網(wǎng)傳送給監(jiān)測平臺(tái)。 文獻(xiàn)[4]采用嵌入式系統(tǒng)技術(shù)，集成圖形傳感器、內(nèi)存圖像存儲(chǔ)器等設(shè)備，通過圖像監(jiān)控對(duì)電梯運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測。文獻(xiàn)[5]采用分布式管理的方式，基于調(diào)制解調(diào)器和公用電話網(wǎng)的遠(yuǎn)程監(jiān)控技術(shù)，將監(jiān)控中心與各個(gè)電梯之間通過撥號(hào)建立通信， 形成遠(yuǎn)程交互式監(jiān)控系統(tǒng)。

由于電梯的安裝區(qū)域廣，分布位置不集中，考慮到數(shù)據(jù)通信距離、故障診斷效率實(shí)時(shí)性的問題，迫切需要建立一套電梯安全專項(xiàng)監(jiān)測與管理系統(tǒng)，以監(jiān)督管理部門為著眼點(diǎn)，充分利用技術(shù)手段進(jìn)行必要監(jiān)督和管理，保障電梯安全運(yùn)行。

1 電梯狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)

基于物聯(lián)網(wǎng)的電梯安全專項(xiàng)監(jiān)測管理及預(yù)警系統(tǒng)，以采集的電梯運(yùn)行狀態(tài)、數(shù)據(jù)以及音視頻信息作為分析和判斷的基礎(chǔ)，因此電梯狀態(tài)檢測子系統(tǒng)是整個(gè)系統(tǒng)的基礎(chǔ)環(huán)節(jié)，實(shí)現(xiàn)多種數(shù)據(jù)或狀態(tài)的監(jiān)測。 圖1 所示為電梯安全專項(xiàng)監(jiān)測模塊結(jié)構(gòu)示意圖。

圖1 電梯安全專項(xiàng)監(jiān)測模塊結(jié)構(gòu)示意圖

1.1 電梯轎廂的位置、速度、加速度檢測

電梯工作中，啟動(dòng)和制動(dòng)頻繁，加速度的變化使乘客感覺不適。 另外，電梯經(jīng)過長時(shí)間的運(yùn)行后，許多部件容易磨損甚至損壞，導(dǎo)致速度或加速度增大，造成嚴(yán)重后果。 因此檢測電梯速度、加速度是十分必要的。

根據(jù)GB/T10058《電梯技術(shù)條件》要求:速度不大于2.5m /s 的電力驅(qū)動(dòng)的曳引式或強(qiáng)制式的乘客電梯啟動(dòng)加速度和制動(dòng)減速度最大值均不應(yīng)大于1.50m/s2，當(dāng)乘客電梯額定速度為1.00 m/s

1.2 電梯安全回路狀態(tài)檢測

在電梯各安全部件都裝有一個(gè)安全開關(guān)，把所有的安全開關(guān)串聯(lián)起來，控制一只安全繼電器，形成電氣回路，該回路即為電梯安全回路。 只有所有安全開關(guān)都在接通的情況下，安全繼電器吸合，電梯才能運(yùn)行，否則電梯立即停止運(yùn)行。

安全回路中包含了電梯控制系統(tǒng)中常用安全狀態(tài)的檢測開關(guān)，這些回路的狀態(tài)能夠反映出電梯是否正常工作，各電梯生產(chǎn)商的安全回路設(shè)計(jì)不盡相同，但都包含了以下幾部分內(nèi)容的檢查。

(1)機(jī)房:控制屏急停開關(guān)、相序繼電器、熱繼電器、限速器開關(guān)。 (2)井道:上極限開關(guān)、下極限開關(guān)。 (3)地坑:斷繩保護(hù)開關(guān)、地坑檢修箱急停開關(guān)、緩沖器開關(guān)。 (4)轎內(nèi):操縱箱急停開關(guān)。 (5)轎頂:安全窗開關(guān)、安全鉗開關(guān)、轎頂檢修箱急停開關(guān)。

本系統(tǒng)利用電梯廠商所提供的安全回路端子，結(jié)合電梯維保時(shí)的實(shí)際應(yīng)用情況，設(shè)計(jì)并制作兼容目前主流電梯型號(hào)的電梯安全回路專用監(jiān)測電路板，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)在不同電梯型號(hào)之間的通用性。

1.3 電梯工作電流檢測

利用電梯的工作電流對(duì)電梯的工作狀態(tài)及全壽命周期進(jìn)行分析判斷，是針對(duì)電梯行業(yè)所開展的新技術(shù)和新的研究方向，提出了基于工作電流的電梯運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測方法及相關(guān)理論，以及基于電流信號(hào)的非接觸式電梯運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測方式，最終實(shí)現(xiàn)基于電梯主電路電流信號(hào)的電梯運(yùn)行狀態(tài)的實(shí)時(shí)主動(dòng)監(jiān)測。

針對(duì)該技術(shù)，在本系統(tǒng)中對(duì)電梯運(yùn)行的工作電流進(jìn)行監(jiān)測，開發(fā)基于電流的監(jiān)測終端，實(shí)現(xiàn)對(duì)運(yùn)行過程中電梯工作電流的實(shí)時(shí)監(jiān)測，為建立集監(jiān)測、預(yù)測、診斷、控制和管理決策于一體的電梯安全監(jiān)控新模式奠定基礎(chǔ)。

1.4 電梯音頻、視頻監(jiān)控

通過對(duì)電梯轎廂內(nèi)視頻和音頻監(jiān)控，可以清楚了解電梯轎廂內(nèi)載客情況，對(duì)轎廂內(nèi)的情況做出直觀判斷，并為上位機(jī)平臺(tái)上的專家預(yù)警系統(tǒng)提供音視頻基礎(chǔ)資料，進(jìn)而通過圖像分析以及圖像識(shí)別技術(shù)，實(shí)現(xiàn)設(shè)備安全警示以及轎廂內(nèi)緊急事件報(bào)警。

2 系統(tǒng)通信方式及實(shí)施路線

本系統(tǒng)建立基于物聯(lián)網(wǎng)的電梯安全管理平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)監(jiān)督管理部門對(duì)于電梯的安全專項(xiàng)監(jiān)管。 電梯設(shè)備安裝的環(huán)境較為復(fù)雜，電梯設(shè)備的各部分的安裝位置和安裝方式也存在較大差異，必須采用多種通信技術(shù)方式實(shí)現(xiàn)電梯設(shè)備的物聯(lián)網(wǎng)接入。

2.1 電梯井道內(nèi)通信方式

采用CAN 總線通信方式，實(shí)現(xiàn)以較低的成本、較高的實(shí)時(shí)處理能力在強(qiáng)電磁干擾環(huán)境下可靠地工作。 CAN 總線對(duì)于傳輸介質(zhì)無特殊要求，可以是雙絞線、同軸電纜，適合于電梯井道內(nèi)較差環(huán)境的使用，用以實(shí)現(xiàn)電梯井道內(nèi)固定設(shè)備的數(shù)據(jù)通信及信號(hào)傳輸。

2.2 轎廂通信方式

電梯的轎廂則采用ZigBee 與Wi-Fi 技術(shù)融合的通信方式。 ZigBee 技術(shù)傳輸可靠，可實(shí)現(xiàn)自組網(wǎng)，但傳輸速率低。 它主要用于傳輸速率不高的典型的間歇性數(shù)據(jù)傳輸，適合于電梯轎廂內(nèi)各測量數(shù)據(jù)及控制信號(hào)的傳輸。 Wi-Fi 技術(shù)傳輸速度高、應(yīng)用范圍廣，適合與Internet 的接入互通。 但是數(shù)據(jù)通信的可靠性較差、安全性不高，只適合轎廂內(nèi)的音頻視頻信號(hào)的傳輸。 另外，當(dāng)ZigBee 通信不暢時(shí)，可轉(zhuǎn)至Wi-Fi 通信網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)應(yīng)急通信。

2.3 通信控制器

電梯井處設(shè)置通信控制器，與電梯設(shè)備采用CAN、ZigBee、Wi-Fi 方式通信，并與中心服務(wù)器之間采用有線LAN 連接，用于電梯與中心服務(wù)器的信息傳輸。 LAN 速度快、成本低，便于維護(hù)及升級(jí)，可作為基于物聯(lián)網(wǎng)的安全管理平臺(tái)的核心網(wǎng)絡(luò)。

2.4 網(wǎng)關(guān)

在中心服務(wù)器上設(shè)置網(wǎng)關(guān)，可利用PC 客戶端或手機(jī)APP 軟件通過TCP/IP 協(xié)議直接訪問，實(shí)現(xiàn)對(duì)于電梯安全的遠(yuǎn)程監(jiān)控。

電梯安全專項(xiàng)監(jiān)測與管理系統(tǒng)中采用了CAN、ZigBee、Wi-Fi 以及有線LAN 四種通信方式，在項(xiàng)目實(shí)施過程中應(yīng)實(shí)現(xiàn)各通訊方式的合理利用并優(yōu)化配置，充分發(fā)揮各種通信方式的優(yōu)點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)互補(bǔ)。另外，重點(diǎn)研究并解決Wi-Fi 信號(hào)對(duì)于ZigBee 通信的干擾問題，提出了合理的通信策略。

3 電梯安全監(jiān)管中心平臺(tái)與故障預(yù)警專家系統(tǒng)

電梯安全監(jiān)管中心軟件安裝于中心服務(wù)器上，擔(dān)負(fù)著電梯狀態(tài)監(jiān)控、數(shù)據(jù)接收處理及保存、權(quán)限管理、異常處理以及人機(jī)交互等功能。 系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)顯示，同時(shí)提供數(shù)據(jù)曲線、報(bào)表和報(bào)警功能給維護(hù)人員，使維護(hù)人員可以直觀了解電梯的運(yùn)行狀況。 本系統(tǒng)還可實(shí)現(xiàn)對(duì)多部電梯的同時(shí)監(jiān)測，多個(gè)被監(jiān)測對(duì)象可以自由切換查看，并保存記錄便于查看，使系統(tǒng)穩(wěn)定高效的運(yùn)行。 另外，當(dāng)有用戶通過客戶端手機(jī)APP 或?yàn)g覽器Web 服務(wù)器提出查詢、修改等要求時(shí)，服務(wù)器可啟動(dòng)某個(gè)程序來處理用戶要求，將所需的數(shù)據(jù)或操作結(jié)果回傳，從而實(shí)現(xiàn)了電梯狀態(tài)的遠(yuǎn)程監(jiān)測。

在中心軟件平臺(tái)上，可完成以下功能:(1)多部電梯運(yùn)行狀態(tài)查詢。 (2)電梯運(yùn)行歷史數(shù)據(jù)查詢。(3)電梯故障報(bào)警。 (4)電梯音頻、視頻接收功能。

另外，電梯安全監(jiān)管中心軟件還可針對(duì)視頻采集的動(dòng)態(tài)圖像進(jìn)行分析，利用圖像識(shí)別技術(shù)，通過安全體系評(píng)估做出直觀的設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)控顯示、設(shè)備安全警示以及轎廂內(nèi)緊急事件報(bào)警。 同時(shí)該中心軟件還可為專家系統(tǒng)及專家預(yù)警策略提供系統(tǒng)平臺(tái)支持。 圖2 所示為電梯安全監(jiān)管中心平臺(tái)結(jié)構(gòu)圖。

圖2 電梯安全監(jiān)管中心平臺(tái)結(jié)構(gòu)圖

本系統(tǒng)具有電梯運(yùn)行歷史數(shù)據(jù)存儲(chǔ)功能，記錄長時(shí)間以來的電梯運(yùn)行數(shù)據(jù)以及電梯工作電流數(shù)據(jù)，為專家預(yù)警策略的制定提供了數(shù)據(jù)支持。 本項(xiàng)目中的電梯故障預(yù)警專家子系統(tǒng)將根據(jù)大量的電梯運(yùn)行數(shù)據(jù)記錄，分析電梯的速度、加速度、工作電流與電梯的工作壽命及電梯故障率之間的耦合關(guān)系，建立數(shù)學(xué)模型根據(jù)電梯的速度、加速度、工作電流，結(jié)合電梯維保記錄，預(yù)測電梯的故障概率，并提出預(yù)警控制策略。

4 結(jié)束語

本系統(tǒng)最終將實(shí)現(xiàn)電梯設(shè)備的物聯(lián)網(wǎng)接入，并實(shí)現(xiàn)電梯故障的遠(yuǎn)程預(yù)警，便于電梯安全檢查及維護(hù)保養(yǎng)，并實(shí)現(xiàn)對(duì)于電梯維保的遠(yuǎn)程監(jiān)管，具有以下特點(diǎn)。

(1)建立電梯安全專項(xiàng)監(jiān)管平臺(tái)，綜合利用多種檢測方法和測量技術(shù)，兼容當(dāng)前主流電梯品牌的多種型號(hào)，實(shí)現(xiàn)電梯安全的統(tǒng)一監(jiān)管。

(2)結(jié)合電梯的歷史運(yùn)行記錄，綜合利用機(jī)理分析法、模擬實(shí)驗(yàn)法以及虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)和計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)，建立電梯故障預(yù)警專家系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)電梯故障的預(yù)警及電梯壽命評(píng)估。

(3)采用多種通信技術(shù)，優(yōu)勢互補(bǔ)，并克服相互干擾，構(gòu)建電梯物聯(lián)網(wǎng)，可實(shí)現(xiàn)多部電梯與智能建筑物聯(lián)網(wǎng)的互聯(lián)互通，并進(jìn)行電梯狀態(tài)的遠(yuǎn)程監(jiān)控及故障報(bào)警。

(4)基于圖像識(shí)別技術(shù)，并結(jié)合音頻提取技術(shù)，利用電梯監(jiān)控的視頻圖像及聲音，實(shí)現(xiàn)電梯內(nèi)突發(fā)狀況或緊急事故的自動(dòng)判別并及時(shí)報(bào)警功能。

電梯安全專項(xiàng)監(jiān)測與管理系統(tǒng)應(yīng)能夠與原電梯系統(tǒng)連接并安裝于原電梯上，相關(guān)設(shè)備的安裝方式設(shè)計(jì)也是所需解決的問題。 另外，本系統(tǒng)還可以集成維保電子記錄存儲(chǔ)功能，在電梯機(jī)房、井道內(nèi)、電梯底坑分別設(shè)置射頻識(shí)別技術(shù)記錄裝置，避免維保人員弄虛作假和遺漏保養(yǎng)，并記錄維保相關(guān)信息，便于監(jiān)督管理部門對(duì)于電梯維保單位的監(jiān)管。