王 爽 馮文龍

（南京市特種設(shè)備安全監(jiān)督檢驗(yàn)研究院 南京 211800）

而電梯作為一種安全可靠便捷的載人及運(yùn)貨工具被廣泛適用于生產(chǎn)生活當(dāng)中。然由于種種因素（人為因素或機(jī)電故障），導(dǎo)致電梯事故頻發(fā)，如電梯夾（困）人、沖頂、蹲底等，嚴(yán)重危害了人民群眾的生命安全。因此，社會(huì)迫切要求提高電梯控制系統(tǒng)的可靠度，減少故障發(fā)生率。

目前，大數(shù)據(jù)技術(shù)、云計(jì)算技術(shù)及計(jì)算機(jī)嵌入式技術(shù)等前沿科技發(fā)展迅速，該類(lèi)技術(shù)已被越來(lái)越多的應(yīng)用于設(shè)備的危險(xiǎn)分析和安全監(jiān)控等各領(lǐng)域。本研究旨在根據(jù)已建設(shè)的南京市96333電梯應(yīng)急處置平臺(tái)對(duì)南京電梯故障開(kāi)展大數(shù)據(jù)云計(jì)算結(jié)果，對(duì)電梯的故障識(shí)別、診斷、預(yù)判開(kāi)展需求分析，并引入嵌入式技術(shù)、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)傳導(dǎo)和專(zhuān)家?guī)煸\斷技術(shù)，對(duì)電梯故障開(kāi)展遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)和診斷、處理技術(shù)模式的探討，并系統(tǒng)的研究其實(shí)現(xiàn)過(guò)程與應(yīng)用。該技術(shù)可達(dá)到電梯故障遠(yuǎn)程監(jiān)控、自動(dòng)化識(shí)別和信息化處理目的，提高電梯故障檢測(cè)效率，提升電梯安全監(jiān)管水平。

1 電梯故障安全管理現(xiàn)狀

近年來(lái)頻繁發(fā)生電梯事故，電梯安全逐漸成為社會(huì)和媒體的關(guān)注焦點(diǎn)。電梯的監(jiān)管和應(yīng)急也受到政府有關(guān)部門(mén)的高度重視。由于相關(guān)法律規(guī)范的不斷完善和管理人員的不懈努力，電梯安全監(jiān)管工作取得了較大成績(jī)，但卻仍存在一些亟待解決的問(wèn)題。

1.1 電梯監(jiān)管方向模式存在問(wèn)題

目前，南京市監(jiān)督管理部門(mén)一般借助電梯年檢或者電梯困人故障報(bào)警的形式來(lái)監(jiān)督檢測(cè)并維護(hù)電梯運(yùn)行的安全，而電梯的事故應(yīng)以防為主，以救為輔。電梯在運(yùn)轉(zhuǎn)過(guò)程中潛藏的安全隱患很難及時(shí)發(fā)現(xiàn)，運(yùn)轉(zhuǎn)故障不能及時(shí)傳輸并實(shí)時(shí)診斷，導(dǎo)致隱患和故障進(jìn)一步發(fā)展成事故。

1.2 大數(shù)據(jù)分析存在問(wèn)題

社會(huì)已步入大數(shù)據(jù)時(shí)代，針對(duì)海量數(shù)據(jù)分析和挖掘的研究模式對(duì)各領(lǐng)域的探索都產(chǎn)生了重大和深刻的影響。尤其是特種設(shè)備監(jiān)督管理的研究，更需要大量故障和救援?dāng)?shù)據(jù)的分析作為導(dǎo)向和支持。

目前，電梯監(jiān)管研究對(duì)于大數(shù)據(jù)搜集和挖掘僅限于對(duì)電梯故障工單數(shù)據(jù)的簡(jiǎn)單統(tǒng)計(jì)分析，包括電梯數(shù)量、電梯應(yīng)急處置、困人救援情等數(shù)據(jù)分析。然而，這部分工作僅僅是對(duì)電梯故障工單數(shù)據(jù)利用率較低，缺乏對(duì)數(shù)據(jù)的深入分析和挖掘，不能夠提取出隱藏在數(shù)據(jù)中有價(jià)值的信息，很難為電梯應(yīng)急處置與安全監(jiān)管提供足夠的決策支持。

1.3 電梯故障診斷研究存在問(wèn)題

經(jīng)過(guò)對(duì)國(guó)內(nèi)外相關(guān)文獻(xiàn)的查閱可知，故障診斷專(zhuān)家系統(tǒng)已成為相對(duì)成熟的故障診斷技術(shù)，并熟練應(yīng)用于社會(huì)生產(chǎn)各個(gè)領(lǐng)域，如軍事、工業(yè)和航天等。而在電梯故障研究和監(jiān)管領(lǐng)域，多是以電梯檢驗(yàn)、故障監(jiān)測(cè)、事故報(bào)警及應(yīng)急為主要研究對(duì)象，電梯故障專(zhuān)家系統(tǒng)的研究和應(yīng)用較少。

因此本文在研究我國(guó)電梯安全管理現(xiàn)狀種種問(wèn)題的基礎(chǔ)上，總結(jié)并借鑒國(guó)內(nèi)外相關(guān)課題的研發(fā)成果，利用大數(shù)據(jù)技術(shù)充分分析挖掘電梯故障數(shù)據(jù)傳遞信息，并采用網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、嵌入式技術(shù)和通信技術(shù)等前沿科技，和故障診斷技術(shù)相結(jié)合，探索基于大數(shù)據(jù)分析的電梯故障遠(yuǎn)程診斷模式。從而達(dá)到電梯故障遠(yuǎn)程監(jiān)控、自動(dòng)化識(shí)別和信息化處理目的，提高電梯故障監(jiān)測(cè)和處理效率，提升電梯安全監(jiān)管水平[1-4]。

2 電梯故障大數(shù)據(jù)分析

2.1 電梯常見(jiàn)故障

電梯是機(jī)電設(shè)備，機(jī)械與電氣裝置結(jié)合體。其故障的種類(lèi)也多樣，既具備機(jī)械設(shè)備運(yùn)行使用時(shí)存在的種種隱患，也具備電氣設(shè)備的各類(lèi)不安全性。因此對(duì)于電梯故障和事故，要分類(lèi)監(jiān)控、綜合判斷。

●2.1.1 電梯機(jī)械故障

電梯機(jī)械故障主要可歸結(jié)為以下幾點(diǎn)：

1）由于缺乏潤(rùn)滑系統(tǒng)，或潤(rùn)滑系統(tǒng)出現(xiàn)故障導(dǎo)致的機(jī)械傳動(dòng)、滾動(dòng)或長(zhǎng)期經(jīng)受摩擦部位產(chǎn)生過(guò)高熱量或過(guò)大接觸、磨損而引起毀壞。

2）因?yàn)槭褂秒娞莸钠谙掭^長(zhǎng)，十分頻繁，隱私很多部件出現(xiàn)了磨損和老化，缺少科學(xué)的保養(yǎng)，沒(méi)有及時(shí)的更新或維修受到損傷的零部件，總愛(ài)城損傷的程度不斷擴(kuò)大。電梯停止運(yùn)轉(zhuǎn)。

3）電梯使用時(shí)，運(yùn)動(dòng)中的轎廂、轎頂和機(jī)房的曳引機(jī)、制動(dòng)器均會(huì)產(chǎn)生大大小小各種震動(dòng)，震動(dòng)容易造成電梯零配件的松動(dòng)脫落，使得電梯機(jī)械部分缺失，從而導(dǎo)致電梯的不安全性產(chǎn)生。

4）電梯在使用的過(guò)程中因?yàn)槌休d的重量不平衡，導(dǎo)致轎廂的震動(dòng)十分嚴(yán)重，難以管控速度，發(fā)生了沖頂和撞底的情形。

●2.1.2 電梯電氣故障

電梯電氣系統(tǒng)的故障主要如下：

1）電氣元件絕緣失效引起的故障

電梯的使用頻率較高，應(yīng)用范圍廣，由于機(jī)房、井道等環(huán)境有時(shí)惡劣，其電器元件常常暴露于溫?zé)岢睗竦沫h(huán)境中，不免出現(xiàn)受潮、老化等現(xiàn)象。該類(lèi)現(xiàn)象將會(huì)導(dǎo)致絕緣擊穿，產(chǎn)生短路、斷路等，進(jìn)一步導(dǎo)致電梯事故發(fā)生。

2）電氣觸點(diǎn)斷路或短路

接觸器、繼電器、電氣開(kāi)關(guān)等元器件是電梯控制線路中主要的元配件。電梯運(yùn)行時(shí)由于電壓不穩(wěn)等原因可能產(chǎn)生電弧或者大電流通過(guò)整個(gè)電路，較大的電流可能會(huì)導(dǎo)致整個(gè)電路的元件燒蝕損壞，并出現(xiàn)連黏現(xiàn)象導(dǎo)致電路短路。而電梯曳引機(jī)械運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)常常造成塵土和飛灰，灰塵積累容易導(dǎo)致電子觸點(diǎn)斷路，電路元件的接頭觸點(diǎn)松弛失彈也會(huì)導(dǎo)致電路斷路，引起電梯運(yùn)行故障[5]。

3）運(yùn)行電路或安全回路故障

運(yùn)行電路（電梯門(mén)自動(dòng)開(kāi)啟關(guān)閉系統(tǒng)、相關(guān)連鎖電路、電梯啟動(dòng)、加減速、停止電路等）和安全回路（門(mén)安全回路、超速控制回路、緩沖回路等）是電梯運(yùn)行時(shí)最常使用的電路。由于電梯門(mén)每天頻繁開(kāi)關(guān)，一旦電路元件由于人為原因接錯(cuò)觸點(diǎn)（常見(jiàn)于電梯維保人員檢測(cè)電梯門(mén)電路時(shí)遺留的短接導(dǎo)線導(dǎo)致門(mén)安全電路短路）、由外力造成的觸點(diǎn)偏離（常見(jiàn)于電梯使用人員暴力沖擊電梯門(mén)等造成的電氣接觸錯(cuò)位）或因雜物介入或灰塵積累造成的電梯接觸不良。導(dǎo)致電梯運(yùn)行發(fā)生故障，或安全回路無(wú)法實(shí)現(xiàn)，進(jìn)一步導(dǎo)致嚴(yán)重電梯事故。

4）噪聲電磁干擾引發(fā)故障

電梯運(yùn)行過(guò)程中容易受到電磁干擾（輸入線噪聲、電源噪聲、電磁感應(yīng)噪聲、靜電噪聲干擾等)。各種噪聲極大的干擾電梯的運(yùn)行和電路運(yùn)轉(zhuǎn)安全，破壞電流的正常流向和幅值，甚至導(dǎo)致電梯電路元件的損毀[6]。

5）繼電器失靈引發(fā)的故障

繼電器是電梯構(gòu)件中容易發(fā)生故障的環(huán)節(jié)，常因接觸器鐵芯表面存在的磨損或油污，或電氣元件失效、損壞引起斷路或斷路，導(dǎo)致嚴(yán)重后果。如繼電器故障引起的轎廂上下行的減速失靈，導(dǎo)致電梯沖頂或礅底事故發(fā)生[6]。

2.2 電梯故障采集與傳輸

●2.2.1 系統(tǒng)終端采集器

電梯故障遠(yuǎn)程診斷模式的基礎(chǔ)在于故障數(shù)據(jù)的采集和遠(yuǎn)程傳輸。先由放置于轎頂或機(jī)房控制柜的數(shù)據(jù)信號(hào)采集器組成的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)對(duì)電梯的運(yùn)行狀態(tài)信號(hào)開(kāi)展實(shí)時(shí)感應(yīng)和采集，再通過(guò)基于無(wú)線頻射技術(shù)的遠(yuǎn)程發(fā)射技術(shù)將采集到的全部信號(hào)（包括異常信號(hào)和正常信號(hào)）發(fā)射傳輸給遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)終端，借助數(shù)據(jù)終端處理器分離識(shí)別異常信號(hào)，輸入電梯故障診斷專(zhuān)家?guī)煜到y(tǒng)中。

其中，通過(guò)相關(guān)數(shù)據(jù)處理技術(shù)可把傳輸來(lái)的信號(hào)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)變成可視化的監(jiān)督管控頁(yè)面，還能夠搜尋監(jiān)督管控對(duì)象以往的運(yùn)轉(zhuǎn)數(shù)據(jù)。異常信號(hào)在經(jīng)過(guò)專(zhuān)家?guī)煜到y(tǒng)的分離、辨別和預(yù)判后，將發(fā)出故障實(shí)時(shí)報(bào)警，同時(shí)系統(tǒng)將判斷出的故障報(bào)警和信號(hào)異常情況、預(yù)判結(jié)論一并發(fā)送給遠(yuǎn)程監(jiān)控工作人員，促使工作人員迅速對(duì)故障電梯進(jìn)行控制、管理和救援，避免人員傷亡等慘痛代價(jià)[7，8]。

●2.2.2 故障數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)

在電梯故障遠(yuǎn)程診斷體系當(dāng)中，要建立良好的多數(shù)據(jù)端口的遠(yuǎn)程傳輸裝置，用以將系統(tǒng)終端采集器收集到的正常、異常信號(hào)遠(yuǎn)程傳輸至專(zhuān)家?guī)煜到y(tǒng)。由于市面上電梯型號(hào)多種多樣，傳輸系統(tǒng)必須配置不同的數(shù)據(jù)端口以滿(mǎn)足傳輸要求，并已統(tǒng)一的數(shù)據(jù)模式傳送至遠(yuǎn)程的電梯故障數(shù)據(jù)專(zhuān)家?guī)煜到y(tǒng)和監(jiān)控診斷中心。傳輸來(lái)的數(shù)據(jù)具備獨(dú)立的ID，便于診斷中心的定位和識(shí)別[6-8]。

圖1 故障數(shù)據(jù)傳輸圖

最主要采集的運(yùn)行狀態(tài)有三類(lèi)，包括：1）電梯控制柜控制信息狀態(tài)；2）電梯主機(jī)或者運(yùn)行部件信息狀態(tài)；3）電梯轎廂、層轎門(mén)及其他附件運(yùn)行狀態(tài)。各類(lèi)數(shù)據(jù)采集模式可能有一定的差異，但可綜合用于判斷電梯主要故障的狀態(tài)，這些狀態(tài)參數(shù)包括了：電梯基站狀態(tài)、電梯運(yùn)行方向、電梯平層狀態(tài)、轎廂門(mén)開(kāi)關(guān)狀態(tài)、轎廂內(nèi)是否有乘客狀態(tài)、上行限位狀態(tài)、下行限位狀態(tài)及供電狀態(tài)

檢測(cè)采集的故障參數(shù)與電梯可能發(fā)生的故障間的關(guān)系可用表1展示：

3 電梯故障遠(yuǎn)程診斷

電梯故障診斷專(zhuān)家?guī)煜到y(tǒng)可以調(diào)用所有監(jiān)管控制功能和數(shù)據(jù)庫(kù)，借助對(duì)電梯大數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)、剖析和整合，并結(jié)合電梯故障解析模型、利用BP診斷技術(shù)，實(shí)現(xiàn)電梯的故障的確診和判斷。

表1 故障推理

因?yàn)殡娞荼O(jiān)控管理系統(tǒng)層次復(fù)雜，因此故障也有層次性的特點(diǎn)。診斷專(zhuān)家?guī)煜到y(tǒng)可根據(jù)FTA故障樹(shù)分析法則，將電梯故障連鎖關(guān)系分層，即低層次的故障逐步引發(fā)高層事故，由此判定電梯故障的基本原因，供管理人員展開(kāi)維修和救援。

基于FTA故障樹(shù)連鎖理論，可產(chǎn)生三種故障診斷手段，分別是基于信號(hào)直接識(shí)別的診斷、基于數(shù)學(xué)模型的診斷以及基于專(zhuān)家知識(shí)庫(kù)體系的診斷[8-17]。

3.1 基于信號(hào)直接識(shí)別的故障診斷

基于信號(hào)直接識(shí)別的故障診斷模式是最常見(jiàn)的故障診斷方法，與統(tǒng)計(jì)推理法、最大嫡譜估計(jì)法、譜峰自動(dòng)識(shí)別法等類(lèi)似。對(duì)傳遞來(lái)的故障信號(hào)采用信號(hào)模型（因變量、頻譜、ARMA模型等）直接繪制故障曲線或分析，根據(jù)分析結(jié)果或頻譜異常曲線分辨和評(píng)估系統(tǒng)所處狀態(tài)。

基于信號(hào)處理的故障診斷比解析數(shù)學(xué)模型故障診斷方式簡(jiǎn)單實(shí)用，它不會(huì)直接改變被原傳輸信號(hào)的模式和變化，卻能詳細(xì)分析故障信號(hào)。適用于線性系統(tǒng)和非線性系統(tǒng)，在實(shí)際工程中被廣泛使用，但是這種手段也具有一定局限性，只有在故障出現(xiàn)到某種程度以后才能使用該模型，對(duì)于微弱的故障信號(hào)只能大概估測(cè)故障范圍，絕大部分狀況下不能對(duì)故障直接定位。

3.2 基于數(shù)學(xué)模型的故障診斷

應(yīng)用于電梯故障識(shí)別的數(shù)學(xué)模型通常是解析模型（其中包含狀態(tài)、參數(shù)估計(jì)方法以及等價(jià)空間法等算法）。根據(jù)前期采集海量數(shù)據(jù)的識(shí)別，利用電梯故障通用解析模型來(lái)計(jì)算故障概率及誤差。先設(shè)置診斷數(shù)學(xué)模型當(dāng)中的電梯參數(shù)、設(shè)備信息以及初始條件，再結(jié)合電梯故障大數(shù)據(jù)核算出電梯信號(hào)的誤差，分析電梯出現(xiàn)的故障。

3.3 基于知識(shí)體系的故障診斷

這種方法是調(diào)用專(zhuān)家?guī)斓闹R(shí)體系對(duì)故障數(shù)據(jù)加以診斷。在診斷過(guò)程中，引進(jìn)了各個(gè)領(lǐng)域的科技和理論，國(guó)外很多生產(chǎn)電梯的工廠以及大規(guī)模的電梯公司都有自己的電梯管控系統(tǒng)和診斷維修系統(tǒng)，均是使用該類(lèi)方法。

●3.3.1 專(zhuān)家系統(tǒng)故障診斷方法

這一方法是結(jié)合專(zhuān)家的思想路線和分析經(jīng)驗(yàn)大數(shù)據(jù)，構(gòu)建了電梯故障數(shù)據(jù)庫(kù)和規(guī)則庫(kù)以及推理機(jī)，但是這一方法知識(shí)面較窄，僅限于電梯技術(shù)相關(guān)專(zhuān)家的經(jīng)驗(yàn)和知識(shí)范圍，無(wú)法結(jié)合其他機(jī)械電氣大環(huán)境下的知識(shí)體系和理論，做出完善和精準(zhǔn)的判斷。

●3.3.2 模糊故障診斷方法

這一方法主要是借助以往的故障經(jīng)驗(yàn)大數(shù)據(jù)來(lái)構(gòu)建模糊關(guān)系，把現(xiàn)實(shí)的數(shù)據(jù)當(dāng)成數(shù)輸入量，計(jì)算模糊矩陣，結(jié)合核算的模糊程度來(lái)判定和考量診斷。

●3.3.3 模擬故障診斷方法

是模仿人類(lèi)大腦在受到外部刺激以后大腦的活動(dòng)，在計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)世界里展開(kāi)模擬，核算數(shù)據(jù)，盡管該故障診斷方法在很多領(lǐng)域得以應(yīng)用，但是在實(shí)際操作領(lǐng)域尚有缺憾。該方法并不能完整模擬大腦對(duì)知識(shí)信息的提取途徑，在推理過(guò)程中的各種經(jīng)驗(yàn)及知識(shí)的組合爆炸等都會(huì)導(dǎo)致診斷效率較低。

●3.3.4 支持向量機(jī)的故障診斷方法

支持向量機(jī)的故障診斷方法是基于統(tǒng)計(jì)學(xué)理論中VC維理論和最小結(jié)構(gòu)風(fēng)險(xiǎn)機(jī)理之上的。該故障診斷方法需要建立正常數(shù)模型和故障數(shù)據(jù)模型，并通過(guò)建立的支持向量分類(lèi)機(jī)模型結(jié)合SVDD展開(kāi)數(shù)據(jù)類(lèi)型診斷，從而判定故障類(lèi)型。該方法可以解決的是小范圍、非線性的樣本情況，并規(guī)避了導(dǎo)致局部極值的情形[8，18]。

3.4 基于大數(shù)據(jù)分析的電梯故障遠(yuǎn)程診斷系統(tǒng)

結(jié)合電梯前端監(jiān)測(cè)和遠(yuǎn)程傳輸技術(shù)，并根據(jù)電梯故障數(shù)據(jù)的深度挖掘和分析結(jié)果，研發(fā)了基于信號(hào)識(shí)別、數(shù)學(xué)模型和知識(shí)體系方法的電梯故障遠(yuǎn)程診斷系統(tǒng)，見(jiàn)圖2。

圖2 基于大數(shù)據(jù)分析的電梯故障遠(yuǎn)程診斷系統(tǒng)

該系統(tǒng)可根據(jù)各電梯監(jiān)測(cè)布點(diǎn)傳輸?shù)漠惓Ｐ盘?hào)進(jìn)行分離、識(shí)別、判斷，并診斷出該電梯設(shè)備目前所處狀態(tài)或發(fā)生故障，并向監(jiān)控系統(tǒng)或監(jiān)控管理人員實(shí)時(shí)報(bào)警；并根據(jù)長(zhǎng)時(shí)間的異常信號(hào)大數(shù)據(jù)的接受、記錄和跟蹤，判斷出該設(shè)備易發(fā)故障和薄弱環(huán)節(jié)，供使用和監(jiān)管人員作為維護(hù)、救援和修理更換依據(jù)。

圖3 電梯異常信號(hào)界面

圖4 電梯故障診斷界面

4 結(jié)論

通過(guò)對(duì)我國(guó)電梯故障安全管理現(xiàn)狀的分析，開(kāi)展基于電梯故障信號(hào)大數(shù)據(jù)分析技術(shù)的電梯故障遠(yuǎn)程診斷的模式的探討，可以得出以下結(jié)論：

1）我國(guó)電梯的安全監(jiān)管存在以救為主防為輔的問(wèn)題，對(duì)電梯故障大數(shù)據(jù)的深度挖掘和價(jià)值提取不夠深入，缺乏電梯故障遠(yuǎn)程診斷的研究。

2）引入大數(shù)據(jù)方法探索電梯故障的發(fā)生和概率，并研究電梯故障大數(shù)據(jù)遠(yuǎn)程傳輸，為電梯故障遠(yuǎn)程診斷探索提供數(shù)據(jù)依據(jù)和基礎(chǔ)。

3）提出基于信號(hào)直接識(shí)別的診斷、基于數(shù)學(xué)模型的診斷以及基于專(zhuān)家知識(shí)庫(kù)體系的診斷等三種電梯故障診斷手段，并結(jié)合電梯海量數(shù)據(jù)的探索研究，開(kāi)展電梯故障遠(yuǎn)程診斷模式的探討。

4）引入的基于大數(shù)據(jù)分析的電梯故障遠(yuǎn)程診斷理念，科學(xué)優(yōu)化了電梯風(fēng)險(xiǎn)隱患的管理模式，便于企業(yè)和政府用于工程實(shí)際。