(北方工業(yè)大學城市道路交通智能控制技術(shù)北京市重點實驗室，北京 100144)

0 引言

2013年，各地“電梯吞人”事故接連發(fā)生，“帶病”、超期服役給電梯安全埋下了重大隱患，電梯安全再次引起人們的關(guān)注。大量電梯進入老化衰退期，故障發(fā)生率增大，傳統(tǒng)的定期檢修、故障維修不能全面科學地評估電梯安全性，安全隱患不能及時預(yù)知和排除，因此，電梯安全還需要更加可靠的技術(shù)保障。

電梯遠程監(jiān)控系統(tǒng)集數(shù)據(jù)采集技術(shù)、通信技術(shù)、數(shù)據(jù)分析技術(shù)、故障診斷技術(shù)、計算機控制和地理信息于一體。系統(tǒng)通過安裝在現(xiàn)場的數(shù)據(jù)采集裝置收集電梯的運行狀態(tài)數(shù)據(jù)，然后通過通信網(wǎng)絡(luò)將數(shù)據(jù)傳送至監(jiān)控中心，經(jīng)分析處理，實現(xiàn)對電梯運行狀態(tài)監(jiān)控、故障診斷、故障預(yù)警等，為電梯安全提供保障[1-4]。

1 應(yīng)用現(xiàn)狀

為了提高電梯的運行維護水平、增強企業(yè)競爭力，國內(nèi)外很多電梯公司都開發(fā)了自己的遠程監(jiān)控系統(tǒng)。例如奧蒂斯公司的電梯遠程監(jiān)控系統(tǒng)可以在電梯運行狀態(tài)不符合預(yù)定值時發(fā)出警告，并顯示電梯的位置和狀態(tài)信息。該系統(tǒng)不僅可以實現(xiàn)電梯故障的及時報警和故障診斷，還可以評估電梯健康狀況和零部件的退化狀況，從而實現(xiàn)故障預(yù)警，在故障發(fā)生前就采取行動，變被動維修為主動維修。蒂森克虜伯公司的遠程監(jiān)控系統(tǒng)不僅可以采集分析電梯運行狀況、以圖表的形式顯示歷史信息，還可以對電梯進行遠程控制以及識別使用者誤操作緊急呼叫。

隨著計算機技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展，國內(nèi)電梯企業(yè)也研發(fā)了自己的遠程監(jiān)控系統(tǒng)。如凱博電梯遠程監(jiān)控系統(tǒng)，它由前端機、Modem以及服務(wù)器三部分組成，前端機收集的電梯狀態(tài)信息可以通過電話網(wǎng)絡(luò)傳送到服務(wù)中心。同時，服務(wù)中心的維修人員可以隨時連接前端機，觀察電梯的運行狀態(tài)，并可以對故障進行診斷。

2 遠程監(jiān)控系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)及功能

位于現(xiàn)場的電梯數(shù)據(jù)采集模塊實時采集電梯的運行狀態(tài)信號，然后進行相應(yīng)的分析處理，如果發(fā)現(xiàn)故障，則立即發(fā)出故障報警，并將報警信息和電梯的故障信息發(fā)送到遠程中心。中心對電梯的故障進行診斷，并將相應(yīng)信息發(fā)送給維修人員。當電梯正常運行時，中心收集各電梯發(fā)送的運行信息并進行分析，實現(xiàn)故障預(yù)警。中心將電梯的運行信息存儲到數(shù)據(jù)庫中，為電梯的故障預(yù)警、性能分析提供數(shù)據(jù)支持。遠程用戶也可以通過客戶端或瀏覽器實時查詢電梯的運行狀態(tài)[5]。電梯遠程監(jiān)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 電梯遠程監(jiān)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

2.1 信號采集

信號采集是遠程監(jiān)控系統(tǒng)的基礎(chǔ)，它負責對電梯運行數(shù)據(jù)進行實時采集，從而獲得對電梯性能的多角度描述。

電梯的運行狀態(tài)信息繁多，但是信號采集方式基本分為兩類。第一類是通過電梯自身控制器(如微機控制和PLC控制[6-7])的串口對信號進行采集。此類方式可以采集電梯的上行、下行、開門、關(guān)門、所在樓層、檢修、消防和安全等信號[8-9]。該方式的優(yōu)點是采集信號的難度小，采集成本也比較低；缺點是采集信號的種類有限，而且有些信號無法采集，如電梯的振動和噪聲。第二類采集方式是使用附加的傳感器進行信號采集，如振動傳感器、加速度傳感器、溫度傳感器和噪聲傳感器等[10-11]。此類方式采集的信號種類多，采集裝置的布置靈活多變，但是由于需要安裝大量傳感器，所以成本較高，而且使用傳感器進行信號采集也存在一些其他問題，如傳感器的布線太多和無線傳感器信號的傳輸問題。信號采集方式示意圖如圖2所示。

圖2 信號采集方式示意圖

為了延長傳感器壽命，降低數(shù)據(jù)傳輸量，減少傳感器布線量和縮短數(shù)據(jù)傳輸距離，國內(nèi)外學者做了一些研究。鄧君利用CAN總線將各節(jié)點連接在一起，采集多個傳感器輸出的電壓信號，從而避免了每個傳感器單獨布線，減少了布線量。使用無線傳感器可以從根本上解決布線問題，但是把大量數(shù)據(jù)直接傳送到匯聚節(jié)點可能會產(chǎn)生一些新問題(如能量消耗增加、因為包的丟失導(dǎo)致數(shù)據(jù)質(zhì)量下降)。為解決這些問題，Dhivy[12]提出了一種基于聚類的近似數(shù)據(jù)收集技術(shù)。當傳感器分布比較分散、數(shù)據(jù)傳輸距離很大時，某些節(jié)點的數(shù)據(jù)傳輸壓力就會很大，這就縮短了傳感器的使用壽命，文獻[13]和[14]中提出將電梯作為信號的接收基站，當電梯運行時收集分布在電梯井中的傳感器采集的數(shù)據(jù)，從而縮短了傳感器與基站的數(shù)據(jù)傳輸距離。

信號采集方面的研究還可以借鑒一些其他領(lǐng)域中的信號采集技術(shù)，如文獻[15]中對磨損金屬顆粒的濃度進行光譜分析，從而判斷綜合傳動的磨損狀況；文獻[16]中將階次跟蹤分析理論應(yīng)用于渦輪狀態(tài)信號的采集，根據(jù)轉(zhuǎn)速的不同實時改變抽樣頻率，從而保證每一信號階段都有相同的抽樣點。

2.2 傳輸通信

數(shù)據(jù)傳輸部分是遠程終端和服務(wù)中心連接的橋梁。通信傳輸主要采用的技術(shù)有CAN總線、GPRS、GSM、局域網(wǎng)和ADSL撥號等。

① 傳輸技術(shù)的比較

每種傳輸技術(shù)都有各自的特點，如采用GSM和GPRS進行數(shù)據(jù)傳輸，可以不用布線，節(jié)約建設(shè)成本；ADSL撥號可以利用現(xiàn)有的電話網(wǎng)絡(luò)，方便網(wǎng)絡(luò)搭建；局域網(wǎng)可以實現(xiàn)更快的傳輸速度，便于搭建更大規(guī)模的網(wǎng)絡(luò)。

傳輸技術(shù)的比較[17-21]如表1所示。

表1 傳輸技術(shù)比較

② 傳輸方式的應(yīng)用

結(jié)合各種傳輸技術(shù)的特點，現(xiàn)已有眾多的應(yīng)用研究。文獻[22]單獨使用GSM進行通信，并對系統(tǒng)的軟硬件進行設(shè)計，實現(xiàn)了電梯遠程監(jiān)控系統(tǒng)的部分功能(故障報警、故障診斷)。但是由于GSM傳輸效率低且實時性差，文獻[19]將GPRS和GSM同時用于遠程監(jiān)控系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸，當GPRS遇到網(wǎng)絡(luò)繁忙時，立即通過GSM將信息以短信的形式發(fā)送到監(jiān)控中心，減少了數(shù)據(jù)傳輸?shù)难诱`，增強了系統(tǒng)的可靠性。由于GPRS技術(shù)在通信方面具有一些優(yōu)勢，其在電梯遠程監(jiān)控系統(tǒng)中的應(yīng)用研究比較多[18，23-25]。當使用傳感器對電梯運行狀態(tài)信息進行采集時，傳感器的分布較分散，這就為CAN總線提供了應(yīng)用空間。鄧君使用CAN總線收集傳感器采集的數(shù)據(jù)，并對數(shù)據(jù)傳輸?shù)能浻布M行了設(shè)計。所設(shè)計的系統(tǒng)實時性和擴展性好，有較強的抗干擾能力。CAN總線的應(yīng)用研究還有很多，如文獻[26]和[27]。其他通信技術(shù)也有一些應(yīng)用研究，如文獻[21]設(shè)計了基于局域網(wǎng)的電梯遠程監(jiān)控，文獻[28]將無線網(wǎng)、移動網(wǎng)和Internet三網(wǎng)綜合在一起進行電梯的遠程實時監(jiān)控。電梯遠程監(jiān)控系統(tǒng)中，現(xiàn)有的傳輸技術(shù)基本都有相應(yīng)的研究，而且取得了一些成果，但是將新興的3G技術(shù)應(yīng)用于電梯遠程監(jiān)控系統(tǒng)中的研究還比較少。

2.3 信號分析處理與故障診斷

電梯遠程監(jiān)控系統(tǒng)是否準確可靠，很大程度上依賴于系統(tǒng)對采集到的信號的分析處理能力和故障診斷能力。

① 信號分析處理

信號分析處理是電梯狀態(tài)識別的基礎(chǔ)，只有從大量信號中提取出有用的信息，才能正確判斷電梯的運行狀態(tài)，實現(xiàn)故障的及時報警和故障原因的診斷。因此，該方向也是理論研究的熱點之一。

近年來，小波變換在信號處理過程中得到了非常廣泛的應(yīng)用，它可以對時變信號進行有效的處理。文獻[29]將模糊理論和小波變換相結(jié)合，從信號中提取特征值，對故障模式進行識別。但是小波變換對時間域和頻率域的分解形式是固定的，在某些情況下對高頻部分的分辨率會很低；而小波包變換則可以對信號進行任意多尺度的分解，使特征值的提取更加有效[30]。

電梯中安裝有大量傳感器，需要融合這些傳感器采集的信息來描述電梯狀態(tài)。多傳感器信息融合技術(shù)可以從不同角度、不同層次對多種類型的傳感器信息進行分析，有效消除冗余或者競爭。文獻[31]使用多傳感器信息融合技術(shù)對深孔鉆狀態(tài)進行監(jiān)測，并證明了基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的多傳感器信息融合對狀態(tài)識別的效果要優(yōu)于單傳感器。

除此之外，還有很多信號分析處理的技術(shù)，如基于分型幾何的方法[32]、局域波分析[33]、自回歸雙譜[34]和FFT分析等。

② 故障診斷

故障報警與診斷是電梯遠程監(jiān)控系統(tǒng)的核心功能，數(shù)據(jù)采集、傳輸及分析處理都是為故障報警與診斷服務(wù)的。故障診斷的好壞直接關(guān)系到系統(tǒng)的成敗。因此，該方向也是理論研究的熱點之一。

故障樹分析法自上而下將問題逐層展開、逐層分析，從而找出故障原因。文獻[35]使用故障樹理論對電梯進行故障分析，繪制了故障樹圖，對故障進行了有效定位。但是由于傳感器精度限制和傳感器故障等原因，傳感器收集的電梯狀態(tài)信息可能會不準確，從而導(dǎo)致故障樹診斷不準確，為此，文獻[36]提出將故障樹和粗糙集理論相結(jié)合對電梯故障進行智能診斷，提高了系統(tǒng)的魯棒性和診斷的準確度。

人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)不依賴于過程的精確數(shù)學模型，它對非線性問題的強大處理能力主要依靠其本身具有的強大自學習能力、容錯能力和自組織能力，但是它學習過程收斂速度慢、權(quán)重的選取缺乏理論指導(dǎo)。為了解決這一問題，文獻[37]將模糊Petri網(wǎng)與神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)相結(jié)合，提出了基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的模糊Petri網(wǎng)模型，并得到了較好的診斷效果。

多智能體系統(tǒng)是將多個智能體組合，把復(fù)雜的系統(tǒng)分成若干個小的簡單系統(tǒng)，從而簡化管理。智能體之間也可以通過合作來增強解決問題的能力。對于大的復(fù)雜系統(tǒng)，僅使用單一數(shù)據(jù)源、單一故障診斷模型是遠遠不夠的，為了提高系統(tǒng)的可靠性和診斷能力，很多研究者采用多智能體技術(shù)對故障進行診斷[38-40]，并得到了很好的診斷效果。

除此之外，關(guān)于故障診斷方面的研究還有很多，如使用模糊邏輯方法進行故障診斷[41]，將專家系統(tǒng)和人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)相結(jié)合進行故障診斷[42]等，但是對設(shè)備健康狀況的評估研究以及設(shè)備性能退化模型研究得不多。為了保障電梯的安全可靠運行，僅僅是實現(xiàn)故障發(fā)生后的報警與故障原因的診斷是不夠的，還要實現(xiàn)故障預(yù)警，最大程度保證人們生命財產(chǎn)安全。

3 未來展望

國內(nèi)外對電梯遠程監(jiān)控系統(tǒng)進行了較多研究，在數(shù)據(jù)采集、分析處理及故障診斷方面也取得了一些研究成果。但是安全無止境，電梯遠程監(jiān)控系統(tǒng)還需要進行進一步的發(fā)展與完善。

① 新技術(shù)、新方法的研究與應(yīng)用：WiFi技術(shù)以其數(shù)據(jù)傳輸速度快、不需要布線等優(yōu)點得到了迅速發(fā)展，在采煤[43]、采油[44]、醫(yī)療[45]、農(nóng)業(yè)[46]等方面都有研究，電梯系統(tǒng)可以使用WiFi進行傳感器數(shù)據(jù)的收集，提高無線傳感器數(shù)據(jù)的傳輸速度。3G網(wǎng)絡(luò)覆蓋面廣，通信速度快，無需鋪設(shè)大量線路，因此可以使用3G網(wǎng)絡(luò)作為遠程監(jiān)控系統(tǒng)的通信網(wǎng)絡(luò)，提高系統(tǒng)的搭建速度，降低搭建成本。

② 故障預(yù)警研究：故障報警與診斷只能對已發(fā)生的故障進行處理，然而這無法保障人們的生命安全，未來的電梯故障診斷系統(tǒng)需要能對電梯故障進行準確預(yù)警、對電梯健康狀況進行可靠性評估，將故障消滅在萌芽中。

③ 電梯門控制策略研究：國內(nèi)老舊電梯數(shù)量迅速增加，其控制技術(shù)落后，零部件老化嚴重。針對電梯門打開而轎廂沒到達造成人員傷亡問題，可以改進電梯門控制策略，確保轎廂不到門不開，避免乘客墜井事故的發(fā)生。

4 結(jié)束語

通過電梯遠程監(jiān)控系統(tǒng)，管理人員可以實時監(jiān)控電梯的運行狀態(tài)，及時發(fā)現(xiàn)電梯運行中存在的問題，并可以對故障進行快速診斷，迅速找出故障原因，縮短故障停梯時間，為電梯安全提供可靠保障。隨著電梯在生產(chǎn)生活中的廣泛使用，作為電梯領(lǐng)域的一門先進技術(shù)，電梯遠程監(jiān)控系統(tǒng)必將在故障預(yù)警、設(shè)備健康狀況評估等方面獲得更大的發(fā)展。

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