电梯远程监控系统研究进展

(北方工业大学城市道路交通智能控制技术北京市重点实验室，北京 100144)

0 引言

2013年，各地“电梯吞人”事故接连发生，“带病”、超期服役给电梯安全埋下了重大隐患，电梯安全再次引起人们的关注。大量电梯进入老化衰退期，故障发生率增大，传统的定期检修、故障维修不能全面科学地评估电梯安全性，安全隐患不能及时预知和排除，因此，电梯安全还需要更加可靠的技术保障。

电梯远程监控系统集数据采集技术、通信技术、数据分析技术、故障诊断技术、计算机控制和地理信息于一体。系统通过安装在现场的数据采集装置收集电梯的运行状态数据，然后通过通信网络将数据传送至监控中心，经分析处理，实现对电梯运行状态监控、故障诊断、故障预警等，为电梯安全提供保障[1-4]。

1 应用现状

为了提高电梯的运行维护水平、增强企业竞争力，国内外很多电梯公司都开发了自己的远程监控系统。例如奥蒂斯公司的电梯远程监控系统可以在电梯运行状态不符合预定值时发出警告，并显示电梯的位置和状态信息。该系统不仅可以实现电梯故障的及时报警和故障诊断，还可以评估电梯健康状况和零部件的退化状况，从而实现故障预警，在故障发生前就采取行动，变被动维修为主动维修。蒂森克虏伯公司的远程监控系统不仅可以采集分析电梯运行状况、以图表的形式显示历史信息，还可以对电梯进行远程控制以及识别使用者误操作紧急呼叫。

随着计算机技术和网络技术的发展，国内电梯企业也研发了自己的远程监控系统。如凯博电梯远程监控系统，它由前端机、Modem以及服务器三部分组成，前端机收集的电梯状态信息可以通过电话网络传送到服务中心。同时，服务中心的维修人员可以随时连接前端机，观察电梯的运行状态，并可以对故障进行诊断。

2 远程监控系统的结构及功能

位于现场的电梯数据采集模块实时采集电梯的运行状态信号，然后进行相应的分析处理，如果发现故障，则立即发出故障报警，并将报警信息和电梯的故障信息发送到远程中心。中心对电梯的故障进行诊断，并将相应信息发送给维修人员。当电梯正常运行时，中心收集各电梯发送的运行信息并进行分析，实现故障预警。中心将电梯的运行信息存储到数据库中，为电梯的故障预警、性能分析提供数据支持。远程用户也可以通过客户端或浏览器实时查询电梯的运行状态[5]。电梯远程监控系统结构如图1所示。

图1 电梯远程监控系统结构图

2.1 信号采集

信号采集是远程监控系统的基础，它负责对电梯运行数据进行实时采集，从而获得对电梯性能的多角度描述。

电梯的运行状态信息繁多，但是信号采集方式基本分为两类。第一类是通过电梯自身控制器(如微机控制和PLC控制[6-7])的串口对信号进行采集。此类方式可以采集电梯的上行、下行、开门、关门、所在楼层、检修、消防和安全等信号[8-9]。该方式的优点是采集信号的难度小，采集成本也比较低；缺点是采集信号的种类有限，而且有些信号无法采集，如电梯的振动和噪声。第二类采集方式是使用附加的传感器进行信号采集，如振动传感器、加速度传感器、温度传感器和噪声传感器等[10-11]。此类方式采集的信号种类多，采集装置的布置灵活多变，但是由于需要安装大量传感器，所以成本较高，而且使用传感器进行信号采集也存在一些其他问题，如传感器的布线太多和无线传感器信号的传输问题。信号采集方式示意图如图2所示。

图2 信号采集方式示意图

为了延长传感器寿命，降低数据传输量，减少传感器布线量和缩短数据传输距离，国内外学者做了一些研究。邓君利用CAN总线将各节点连接在一起，采集多个传感器输出的电压信号，从而避免了每个传感器单独布线，减少了布线量。使用无线传感器可以从根本上解决布线问题，但是把大量数据直接传送到汇聚节点可能会产生一些新问题(如能量消耗增加、因为包的丢失导致数据质量下降)。为解决这些问题，Dhivy[12]提出了一种基于聚类的近似数据收集技术。当传感器分布比较分散、数据传输距离很大时，某些节点的数据传输压力就会很大，这就缩短了传感器的使用寿命，文献[13]和[14]中提出将电梯作为信号的接收基站，当电梯运行时收集分布在电梯井中的传感器采集的数据，从而缩短了传感器与基站的数据传输距离。

信号采集方面的研究还可以借鉴一些其他领域中的信号采集技术，如文献[15]中对磨损金属颗粒的浓度进行光谱分析，从而判断综合传动的磨损状况；文献[16]中将阶次跟踪分析理论应用于涡轮状态信号的采集，根据转速的不同实时改变抽样频率，从而保证每一信号阶段都有相同的抽样点。

2.2 传输通信

数据传输部分是远程终端和服务中心连接的桥梁。通信传输主要采用的技术有CAN总线、GPRS、GSM、局域网和ADSL拨号等。

① 传输技术的比较

每种传输技术都有各自的特点，如采用GSM和GPRS进行数据传输，可以不用布线，节约建设成本；ADSL拨号可以利用现有的电话网络，方便网络搭建；局域网可以实现更快的传输速度，便于搭建更大规模的网络。

传输技术的比较[17-21]如表1所示。

表1 传输技术比较

② 传输方式的应用

结合各种传输技术的特点，现已有众多的应用研究。文献[22]单独使用GSM进行通信，并对系统的软硬件进行设计，实现了电梯远程监控系统的部分功能(故障报警、故障诊断)。但是由于GSM传输效率低且实时性差，文献[19]将GPRS和GSM同时用于远程监控系统的数据传输，当GPRS遇到网络繁忙时，立即通过GSM将信息以短信的形式发送到监控中心，减少了数据传输的延误，增强了系统的可靠性。由于GPRS技术在通信方面具有一些优势，其在电梯远程监控系统中的应用研究比较多[18，23-25]。当使用传感器对电梯运行状态信息进行采集时，传感器的分布较分散，这就为CAN总线提供了应用空间。邓君使用CAN总线收集传感器采集的数据，并对数据传输的软硬件进行了设计。所设计的系统实时性和扩展性好，有较强的抗干扰能力。CAN总线的应用研究还有很多，如文献[26]和[27]。其他通信技术也有一些应用研究，如文献[21]设计了基于局域网的电梯远程监控，文献[28]将无线网、移动网和Internet三网综合在一起进行电梯的远程实时监控。电梯远程监控系统中，现有的传输技术基本都有相应的研究，而且取得了一些成果，但是将新兴的3G技术应用于电梯远程监控系统中的研究还比较少。

2.3 信号分析处理与故障诊断

电梯远程监控系统是否准确可靠，很大程度上依赖于系统对采集到的信号的分析处理能力和故障诊断能力。

① 信号分析处理

信号分析处理是电梯状态识别的基础，只有从大量信号中提取出有用的信息，才能正确判断电梯的运行状态，实现故障的及时报警和故障原因的诊断。因此，该方向也是理论研究的热点之一。

近年来，小波变换在信号处理过程中得到了非常广泛的应用，它可以对时变信号进行有效的处理。文献[29]将模糊理论和小波变换相结合，从信号中提取特征值，对故障模式进行识别。但是小波变换对时间域和频率域的分解形式是固定的，在某些情况下对高频部分的分辨率会很低；而小波包变换则可以对信号进行任意多尺度的分解，使特征值的提取更加有效[30]。

电梯中安装有大量传感器，需要融合这些传感器采集的信息来描述电梯状态。多传感器信息融合技术可以从不同角度、不同层次对多种类型的传感器信息进行分析，有效消除冗余或者竞争。文献[31]使用多传感器信息融合技术对深孔钻状态进行监测，并证明了基于神经网络的多传感器信息融合对状态识别的效果要优于单传感器。

除此之外，还有很多信号分析处理的技术，如基于分型几何的方法[32]、局域波分析[33]、自回归双谱[34]和FFT分析等。

② 故障诊断

故障报警与诊断是电梯远程监控系统的核心功能，数据采集、传输及分析处理都是为故障报警与诊断服务的。故障诊断的好坏直接关系到系统的成败。因此，该方向也是理论研究的热点之一。

故障树分析法自上而下将问题逐层展开、逐层分析，从而找出故障原因。文献[35]使用故障树理论对电梯进行故障分析，绘制了故障树图，对故障进行了有效定位。但是由于传感器精度限制和传感器故障等原因，传感器收集的电梯状态信息可能会不准确，从而导致故障树诊断不准确，为此，文献[36]提出将故障树和粗糙集理论相结合对电梯故障进行智能诊断，提高了系统的鲁棒性和诊断的准确度。

人工神经网络不依赖于过程的精确数学模型，它对非线性问题的强大处理能力主要依靠其本身具有的强大自学习能力、容错能力和自组织能力，但是它学习过程收敛速度慢、权重的选取缺乏理论指导。为了解决这一问题，文献[37]将模糊Petri网与神经网络相结合，提出了基于神经网络的模糊Petri网模型，并得到了较好的诊断效果。

多智能体系统是将多个智能体组合，把复杂的系统分成若干个小的简单系统，从而简化管理。智能体之间也可以通过合作来增强解决问题的能力。对于大的复杂系统，仅使用单一数据源、单一故障诊断模型是远远不够的，为了提高系统的可靠性和诊断能力，很多研究者采用多智能体技术对故障进行诊断[38-40]，并得到了很好的诊断效果。

除此之外，关于故障诊断方面的研究还有很多，如使用模糊逻辑方法进行故障诊断[41]，将专家系统和人工神经网络相结合进行故障诊断[42]等，但是对设备健康状况的评估研究以及设备性能退化模型研究得不多。为了保障电梯的安全可靠运行，仅仅是实现故障发生后的报警与故障原因的诊断是不够的，还要实现故障预警，最大程度保证人们生命财产安全。

3 未来展望

国内外对电梯远程监控系统进行了较多研究，在数据采集、分析处理及故障诊断方面也取得了一些研究成果。但是安全无止境，电梯远程监控系统还需要进行进一步的发展与完善。

① 新技术、新方法的研究与应用：WiFi技术以其数据传输速度快、不需要布线等优点得到了迅速发展，在采煤[43]、采油[44]、医疗[45]、农业[46]等方面都有研究，电梯系统可以使用WiFi进行传感器数据的收集，提高无线传感器数据的传输速度。3G网络覆盖面广，通信速度快，无需铺设大量线路，因此可以使用3G网络作为远程监控系统的通信网络，提高系统的搭建速度，降低搭建成本。

② 故障预警研究：故障报警与诊断只能对已发生的故障进行处理，然而这无法保障人们的生命安全，未来的电梯故障诊断系统需要能对电梯故障进行准确预警、对电梯健康状况进行可靠性评估，将故障消灭在萌芽中。

③ 电梯门控制策略研究：国内老旧电梯数量迅速增加，其控制技术落后，零部件老化严重。针对电梯门打开而轿厢没到达造成人员伤亡问题，可以改进电梯门控制策略，确保轿厢不到门不开，避免乘客坠井事故的发生。

4 结束语

通过电梯远程监控系统，管理人员可以实时监控电梯的运行状态，及时发现电梯运行中存在的问题，并可以对故障进行快速诊断，迅速找出故障原因，缩短故障停梯时间，为电梯安全提供可靠保障。随着电梯在生产生活中的广泛使用，作为电梯领域的一门先进技术，电梯远程监控系统必将在故障预警、设备健康状况评估等方面获得更大的发展。

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