基于大数据分析的电梯故障远程诊断模式探讨

王 爽 冯文龙

（南京市特种设备安全监督检验研究院 南京 211800）

而电梯作为一种安全可靠便捷的载人及运货工具被广泛适用于生产生活当中。然由于种种因素（人为因素或机电故障），导致电梯事故频发，如电梯夹（困）人、冲顶、蹲底等，严重危害了人民群众的生命安全。因此，社会迫切要求提高电梯控制系统的可靠度，减少故障发生率。

目前，大数据技术、云计算技术及计算机嵌入式技术等前沿科技发展迅速，该类技术已被越来越多的应用于设备的危险分析和安全监控等各领域。本研究旨在根据已建设的南京市96333电梯应急处置平台对南京电梯故障开展大数据云计算结果，对电梯的故障识别、诊断、预判开展需求分析，并引入嵌入式技术、神经网络传导和专家库诊断技术，对电梯故障开展远程监测和诊断、处理技术模式的探讨，并系统的研究其实现过程与应用。该技术可达到电梯故障远程监控、自动化识别和信息化处理目的，提高电梯故障检测效率，提升电梯安全监管水平。

1 电梯故障安全管理现状

近年来频繁发生电梯事故，电梯安全逐渐成为社会和媒体的关注焦点。电梯的监管和应急也受到政府有关部门的高度重视。由于相关法律规范的不断完善和管理人员的不懈努力，电梯安全监管工作取得了较大成绩，但却仍存在一些亟待解决的问题。

1.1 电梯监管方向模式存在问题

目前，南京市监督管理部门一般借助电梯年检或者电梯困人故障报警的形式来监督检测并维护电梯运行的安全，而电梯的事故应以防为主，以救为辅。电梯在运转过程中潜藏的安全隐患很难及时发现，运转故障不能及时传输并实时诊断，导致隐患和故障进一步发展成事故。

1.2 大数据分析存在问题

社会已步入大数据时代，针对海量数据分析和挖掘的研究模式对各领域的探索都产生了重大和深刻的影响。尤其是特种设备监督管理的研究，更需要大量故障和救援数据的分析作为导向和支持。

目前，电梯监管研究对于大数据搜集和挖掘仅限于对电梯故障工单数据的简单统计分析，包括电梯数量、电梯应急处置、困人救援情等数据分析。然而，这部分工作仅仅是对电梯故障工单数据利用率较低，缺乏对数据的深入分析和挖掘，不能够提取出隐藏在数据中有价值的信息，很难为电梯应急处置与安全监管提供足够的决策支持。

1.3 电梯故障诊断研究存在问题

经过对国内外相关文献的查阅可知，故障诊断专家系统已成为相对成熟的故障诊断技术，并熟练应用于社会生产各个领域，如军事、工业和航天等。而在电梯故障研究和监管领域，多是以电梯检验、故障监测、事故报警及应急为主要研究对象，电梯故障专家系统的研究和应用较少。

因此本文在研究我国电梯安全管理现状种种问题的基础上，总结并借鉴国内外相关课题的研发成果，利用大数据技术充分分析挖掘电梯故障数据传递信息，并采用网络技术、嵌入式技术和通信技术等前沿科技，和故障诊断技术相结合，探索基于大数据分析的电梯故障远程诊断模式。从而达到电梯故障远程监控、自动化识别和信息化处理目的，提高电梯故障监测和处理效率，提升电梯安全监管水平[1-4]。

2 电梯故障大数据分析

2.1 电梯常见故障

电梯是机电设备，机械与电气装置结合体。其故障的种类也多样，既具备机械设备运行使用时存在的种种隐患，也具备电气设备的各类不安全性。因此对于电梯故障和事故，要分类监控、综合判断。

●2.1.1 电梯机械故障

电梯机械故障主要可归结为以下几点：

1）由于缺乏润滑系统，或润滑系统出现故障导致的机械传动、滚动或长期经受摩擦部位产生过高热量或过大接触、磨损而引起毁坏。

2）因为使用电梯的期限较长，十分频繁，隐私很多部件出现了磨损和老化，缺少科学的保养，没有及时的更新或维修受到损伤的零部件，总爱城损伤的程度不断扩大。电梯停止运转。

3）电梯使用时，运动中的轿厢、轿顶和机房的曳引机、制动器均会产生大大小小各种震动，震动容易造成电梯零配件的松动脱落，使得电梯机械部分缺失，从而导致电梯的不安全性产生。

4）电梯在使用的过程中因为承载的重量不平衡，导致轿厢的震动十分严重，难以管控速度，发生了冲顶和撞底的情形。

●2.1.2 电梯电气故障

电梯电气系统的故障主要如下：

1）电气元件绝缘失效引起的故障

电梯的使用频率较高，应用范围广，由于机房、井道等环境有时恶劣，其电器元件常常暴露于温热潮湿的环境中，不免出现受潮、老化等现象。该类现象将会导致绝缘击穿，产生短路、断路等，进一步导致电梯事故发生。

2）电气触点断路或短路

接触器、继电器、电气开关等元器件是电梯控制线路中主要的元配件。电梯运行时由于电压不稳等原因可能产生电弧或者大电流通过整个电路，较大的电流可能会导致整个电路的元件烧蚀损坏，并出现连黏现象导致电路短路。而电梯曳引机械运转时常常造成尘土和飞灰，灰尘积累容易导致电子触点断路，电路元件的接头触点松弛失弹也会导致电路断路，引起电梯运行故障[5]。

3）运行电路或安全回路故障

运行电路（电梯门自动开启关闭系统、相关连锁电路、电梯启动、加减速、停止电路等）和安全回路（门安全回路、超速控制回路、缓冲回路等）是电梯运行时最常使用的电路。由于电梯门每天频繁开关，一旦电路元件由于人为原因接错触点（常见于电梯维保人员检测电梯门电路时遗留的短接导线导致门安全电路短路）、由外力造成的触点偏离（常见于电梯使用人员暴力冲击电梯门等造成的电气接触错位）或因杂物介入或灰尘积累造成的电梯接触不良。导致电梯运行发生故障，或安全回路无法实现，进一步导致严重电梯事故。

4）噪声电磁干扰引发故障

电梯运行过程中容易受到电磁干扰（输入线噪声、电源噪声、电磁感应噪声、静电噪声干扰等)。各种噪声极大的干扰电梯的运行和电路运转安全，破坏电流的正常流向和幅值，甚至导致电梯电路元件的损毁[6]。

5）继电器失灵引发的故障

继电器是电梯构件中容易发生故障的环节，常因接触器铁芯表面存在的磨损或油污，或电气元件失效、损坏引起断路或断路，导致严重后果。如继电器故障引起的轿厢上下行的减速失灵，导致电梯冲顶或礅底事故发生[6]。

2.2 电梯故障采集与传输

●2.2.1 系统终端采集器

电梯故障远程诊断模式的基础在于故障数据的采集和远程传输。先由放置于轿顶或机房控制柜的数据信号采集器组成的数据采集系统对电梯的运行状态信号开展实时感应和采集，再通过基于无线频射技术的远程发射技术将采集到的全部信号（包括异常信号和正常信号）发射传输给远程数据终端，借助数据终端处理器分离识别异常信号，输入电梯故障诊断专家库系统中。

其中，通过相关数据处理技术可把传输来的信号数据转变成可视化的监督管控页面，还能够搜寻监督管控对象以往的运转数据。异常信号在经过专家库系统的分离、辨别和预判后，将发出故障实时报警，同时系统将判断出的故障报警和信号异常情况、预判结论一并发送给远程监控工作人员，促使工作人员迅速对故障电梯进行控制、管理和救援，避免人员伤亡等惨痛代价[7，8]。

●2.2.2 故障数据传输系统

在电梯故障远程诊断体系当中，要建立良好的多数据端口的远程传输装置，用以将系统终端采集器收集到的正常、异常信号远程传输至专家库系统。由于市面上电梯型号多种多样，传输系统必须配置不同的数据端口以满足传输要求，并已统一的数据模式传送至远程的电梯故障数据专家库系统和监控诊断中心。传输来的数据具备独立的ID，便于诊断中心的定位和识别[6-8]。

图1 故障数据传输图

最主要采集的运行状态有三类，包括：1）电梯控制柜控制信息状态；2）电梯主机或者运行部件信息状态；3）电梯轿厢、层轿门及其他附件运行状态。各类数据采集模式可能有一定的差异，但可综合用于判断电梯主要故障的状态，这些状态参数包括了：电梯基站状态、电梯运行方向、电梯平层状态、轿厢门开关状态、轿厢内是否有乘客状态、上行限位状态、下行限位状态及供电状态

检测采集的故障参数与电梯可能发生的故障间的关系可用表1展示：

3 电梯故障远程诊断

电梯故障诊断专家库系统可以调用所有监管控制功能和数据库，借助对电梯大数据的统计、剖析和整合，并结合电梯故障解析模型、利用BP诊断技术，实现电梯的故障的确诊和判断。

表1 故障推理

因为电梯监控管理系统层次复杂，因此故障也有层次性的特点。诊断专家库系统可根据FTA故障树分析法则，将电梯故障连锁关系分层，即低层次的故障逐步引发高层事故，由此判定电梯故障的基本原因，供管理人员展开维修和救援。

基于FTA故障树连锁理论，可产生三种故障诊断手段，分别是基于信号直接识别的诊断、基于数学模型的诊断以及基于专家知识库体系的诊断[8-17]。

3.1 基于信号直接识别的故障诊断

基于信号直接识别的故障诊断模式是最常见的故障诊断方法，与统计推理法、最大嫡谱估计法、谱峰自动识别法等类似。对传递来的故障信号采用信号模型（因变量、频谱、ARMA模型等）直接绘制故障曲线或分析，根据分析结果或频谱异常曲线分辨和评估系统所处状态。

基于信号处理的故障诊断比解析数学模型故障诊断方式简单实用，它不会直接改变被原传输信号的模式和变化，却能详细分析故障信号。适用于线性系统和非线性系统，在实际工程中被广泛使用，但是这种手段也具有一定局限性，只有在故障出现到某种程度以后才能使用该模型，对于微弱的故障信号只能大概估测故障范围，绝大部分状况下不能对故障直接定位。

3.2 基于数学模型的故障诊断

应用于电梯故障识别的数学模型通常是解析模型（其中包含状态、参数估计方法以及等价空间法等算法）。根据前期采集海量数据的识别，利用电梯故障通用解析模型来计算故障概率及误差。先设置诊断数学模型当中的电梯参数、设备信息以及初始条件，再结合电梯故障大数据核算出电梯信号的误差，分析电梯出现的故障。

3.3 基于知识体系的故障诊断

这种方法是调用专家库的知识体系对故障数据加以诊断。在诊断过程中，引进了各个领域的科技和理论，国外很多生产电梯的工厂以及大规模的电梯公司都有自己的电梯管控系统和诊断维修系统，均是使用该类方法。

●3.3.1 专家系统故障诊断方法

这一方法是结合专家的思想路线和分析经验大数据，构建了电梯故障数据库和规则库以及推理机，但是这一方法知识面较窄，仅限于电梯技术相关专家的经验和知识范围，无法结合其他机械电气大环境下的知识体系和理论，做出完善和精准的判断。

●3.3.2 模糊故障诊断方法

这一方法主要是借助以往的故障经验大数据来构建模糊关系，把现实的数据当成数输入量，计算模糊矩阵，结合核算的模糊程度来判定和考量诊断。

●3.3.3 模拟故障诊断方法

是模仿人类大脑在受到外部刺激以后大脑的活动，在计算机数据世界里展开模拟，核算数据，尽管该故障诊断方法在很多领域得以应用，但是在实际操作领域尚有缺憾。该方法并不能完整模拟大脑对知识信息的提取途径，在推理过程中的各种经验及知识的组合爆炸等都会导致诊断效率较低。

●3.3.4 支持向量机的故障诊断方法

支持向量机的故障诊断方法是基于统计学理论中VC维理论和最小结构风险机理之上的。该故障诊断方法需要建立正常数模型和故障数据模型，并通过建立的支持向量分类机模型结合SVDD展开数据类型诊断，从而判定故障类型。该方法可以解决的是小范围、非线性的样本情况，并规避了导致局部极值的情形[8，18]。

3.4 基于大数据分析的电梯故障远程诊断系统

结合电梯前端监测和远程传输技术，并根据电梯故障数据的深度挖掘和分析结果，研发了基于信号识别、数学模型和知识体系方法的电梯故障远程诊断系统，见图2。

图2 基于大数据分析的电梯故障远程诊断系统

该系统可根据各电梯监测布点传输的异常信号进行分离、识别、判断，并诊断出该电梯设备目前所处状态或发生故障，并向监控系统或监控管理人员实时报警；并根据长时间的异常信号大数据的接受、记录和跟踪，判断出该设备易发故障和薄弱环节，供使用和监管人员作为维护、救援和修理更换依据。

图3 电梯异常信号界面

图4 电梯故障诊断界面

4 结论

通过对我国电梯故障安全管理现状的分析，开展基于电梯故障信号大数据分析技术的电梯故障远程诊断的模式的探讨，可以得出以下结论：

1）我国电梯的安全监管存在以救为主防为辅的问题，对电梯故障大数据的深度挖掘和价值提取不够深入，缺乏电梯故障远程诊断的研究。

2）引入大数据方法探索电梯故障的发生和概率，并研究电梯故障大数据远程传输，为电梯故障远程诊断探索提供数据依据和基础。

3）提出基于信号直接识别的诊断、基于数学模型的诊断以及基于专家知识库体系的诊断等三种电梯故障诊断手段，并结合电梯海量数据的探索研究，开展电梯故障远程诊断模式的探讨。

4）引入的基于大数据分析的电梯故障远程诊断理念，科学优化了电梯风险隐患的管理模式，便于企业和政府用于工程实际。