智能传感器节点在电梯故障预测中的运用

张 丽

（南通科技职业学院，江苏南通 226001）

城市化带来的运输物流问题要求智能运输系统不仅要提高水平运输的效率、容量和可靠性，还应提高垂直运输的可靠性。为了使垂直运输系统适应未来的需求，电梯行业需要从预防性、纠正性维护策略转向预测性的维护策略，最大限度延长正常运行时间，延长使用寿命，降低维修成本，提高电梯系统的安全性。将电梯系统连接到云端，形成电梯互联网，收集和挖掘来自电梯传感器和控制系统的数据，并将其转化为有关电梯系统性能和任何当前或潜在问题的信息。目前，大多数电梯系统都没有配备支持连接到云端进行远程监控和故障诊断的传感器、控制系统。本文提出一种智能传感器节点的信号处理方案，其特点是通过加速度计和磁强计进行非侵入式传感；嵌入式数据处理和存储、无线连接，能够构建“即插即用”节点，提供电梯状况信息。

1 电梯使用实际情况及技术对比

电梯状态监测系统如图1所示。

图1 电梯状态监测系统

电梯系统利用发动机驱动液压或牵引电缆系统，在不同楼层之间提升电梯轿厢，改变人和货物的势能。电梯轿厢的水平位置通过一组导轨保持，电梯轿厢依靠导轨滑动。通常电梯轿厢配有电动或半电动门系统，为乘客提供乘坐保护。正常情况下，电梯轿厢的加减速平稳，垂直和水平振动可以忽略不计，每停一次门开关门都能保持平稳。如果发动机轴承和滚轴导轨等部件出现磨损、导轨移位、灰尘和砾石在车门系统中积聚，振动级增加，系统性能降低。一般情况下，短期影响是乘坐质量下降，长期影响是电梯故障。因此，通过监测电梯系统的使用情况和振动水平，可以提取有关电梯系统状况和未来潜在故障的信息。设计维护策略，最大限度延长系统的正常运行时间，将服务安排在已知的时间段，降低电梯系统受到的干扰。

现有的研究集中在机械和电机的状态监测、故障检测，关于电梯系统和电梯部件（如曳引机、导轨、钢丝绳和门系统）的状态监测和故障检测技术的研究较少。

现有的电梯状态监测技术和系统大致可分为两类，即基于模型的和基于数据驱动的状态监测方法。基于模型的方法的优点是不需要训练数据，缺点是需要知道电梯系统的特定参数。由于市场上的电梯系统种类繁多，因此大规模部署基于售后市场模型的状态监测系统不可行。

数据驱动方法的优点是不需要电梯系统的先验知识，缺点是在提取可靠的状态信息前，需要从一组具有代表性的电梯系统和故障中获取大量的训练数据，获取训练数据耗时长、成本高。

在开发大规模状态监测系统时，需要考虑部署传感器节点的方便性和成本。文献中描述的大多数电梯状态监测系统以及当前市场上的电梯状态监测系统，都来自电梯控制和驱动系统的信息，通常与加速计之类的附加传感器相结合。因此，系统的安装通常需要1～2 d，需要技术人员掌握具体电梯控制和驱动系统的知识。因此，现有系统部署成本较高，阻碍了系统的大规模部署。

需要通信的数据量和与数据传输相关的成本，对电梯监控系统的潜在客户（如业主和电梯服务公司）进行的一项调查结果表明，按照目前的蜂窝数据收费标准，客户不愿意为每月和每部电梯超过10～50 MB的数据付费。

因此，本文提出部署大型电梯监控系统的一种方法，通过使用非侵入式传感和本地提取高级状态信息的传感器节点，即智能传感器节点，提出一种基于加速度计和磁强计数据的智能传感器节点信号处理方案：

提取有关运行模式和用途的信息→检测异常（紧急）停止→检测门的异常行为和门关闭时间的变化→根据ISO 18738-1标准测量行驶质量→计算高级条件信息，如频率和位置振动谱。

只需要供电就可以工作的非侵入式传感节点，易于安装且成本效益高，且可以与所有类型和品牌的电梯进行互操作。此外，通过局部提取高级状态信息，可以将通信需求保持在最低限度。

本文所提出的电梯监测系统信号处理方案如图2所示。

图2 信号处理方案

2 定位和运动动力学估计

利用两级滤波框架对电梯轿厢的位置和运动动力学进行了估计。

第一阶段，通过加速计测量值估计单个行程的行程距离和运动动力；第二阶段，使用SLAM算法估计电梯轿厢的位置以及楼层高度，显示32个估计位置剖面的平均值和根据算法的3σ置信区间。

电梯位置、速度监测如图3、图4所示。

图3 电梯位置监测

图4 电梯速度监测

图4显示了单个行程的速度估计值以及速度估计值的平均值和3σ置信区间，还显示了探测器确定电梯轿厢以恒定速度移动或静止的时间实例。

由图可知，电梯达到稳态速度，一段时间后，匀速直线运动检测器检测到这一点，并应用恒速伪测量。结果表明，速度不确定性不再增长，位置误差的增长在时间上呈线性。行程结束、电梯轿厢静止时，可以看到零速度伪测量值如何修正速度估计值。

3 振动和乘坐质量监测

为了鼓励电梯运行质量评估的行业一致性，制定了ISO 18738-1，定义了一组描述电梯运行质量的振动和噪声参数以及测量和计算这些参数的方法。标准规定振动监测传感器应放置在轿厢地板上，在性能评估期间，电梯轿厢内不应超过两人（假定保持静止）。例如可以使用安装在车辆上的指示振动传感器计算行驶质量和车顶振动，电梯服务公司和业主可用于客观评估物业组合中一组电梯性能的值。最大速度与振动幅度之间存在相关性，电梯轿厢在较长行程中以较高速度运行，应使用ISO 18738-1标准振动参数进行状态监测，还必须考虑电梯速度。

ISO 18738-1标准中定义的乘坐质量参数提供了有关电梯系统健康状况的信息，并可作为预测性维护系统中的数据特征，但无法将这些测量直接映射到某些故障。通过监测电梯轿厢振动功率与频率的关系、振动功率与位置的关系，可以更直接了解电梯系统的健康状况。

4 异常停止检测

电梯系统故障或当乘客按下紧急停止按钮时，电梯轿厢可能会异常停止，此时必须立即将情况通知负责电梯系统的人员。信号处理方案实时监测电梯厢的运动，以检测电梯厢是否停在楼层以外的位置或是否异常减速。停车位置的监控在SLAM算法中完成，如果卡尔曼滤波器的归一化预测误差超过预定阈值，则表示异常停止。

为了监控电梯轿厢的异常减速，传感器节点学习（假设异常停止较少）典型减速模式，检查与此模式的偏差，应计算每次行程内的最大减速度。将计算值输入两个卡尔曼滤波器，分别跟踪上升和下降时减速峰值的平均值，如果观察到的减速峰值的标准化预测误差大于预定义的异常阈值，则表示异常停止。

5 门状态监控

故障门是电梯系统中最常见的故障之一，关于电梯门状态的研究中提出的方法，都依赖于安装在门上的传感器测量或门控制系统的信号，适用于非侵入式空调监控系统。由于多数升降门都含有铁磁性材料，门的运动会引起局部磁场的变化，磁场传感器（又称磁强计）可用于远程监测运动。在自动门系统中，控制系统控制门电机的扭矩，不控制速度，门系统的磨损导致门移动更慢。门系统打开和关闭所需的时间被用作预测故障时间的逻辑回归的输入。在两次保养间隔之间，车门的运动时间增加了约0.3 s（车门标称关闭时间的12%），利用磁场监测系统可以在不同的关门时间检测磁场的变化。