基于大數據分析的電梯故障遠程診斷模式探討

王 爽 馮文龍

（南京市特種設備安全監(jiān)督檢驗研究院 南京 211800）

而電梯作為一種安全可靠便捷的載人及運貨工具被廣泛適用于生產生活當中。然由于種種因素（人為因素或機電故障），導致電梯事故頻發(fā)，如電梯夾（困）人、沖頂、蹲底等，嚴重危害了人民群眾的生命安全。因此，社會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，大數據技術、云計算技術及計算機嵌入式技術等前沿科技發(fā)展迅速，該類技術已被越來越多的應用于設備的危險分析和安全監(jiān)控等各領域。本研究旨在根據已建設的南京市96333電梯應急處置平臺對南京電梯故障開展大數據云計算結果，對電梯的故障識別、診斷、預判開展需求分析，并引入嵌入式技術、神經網絡傳導和專家?guī)煸\斷技術，對電梯故障開展遠程監(jiān)測和診斷、處理技術模式的探討，并系統(tǒng)的研究其實現過程與應用。該技術可達到電梯故障遠程監(jiān)控、自動化識別和信息化處理目的，提高電梯故障檢測效率，提升電梯安全監(jiān)管水平。

1 電梯故障安全管理現狀

近年來頻繁發(fā)生電梯事故，電梯安全逐漸成為社會和媒體的關注焦點。電梯的監(jiān)管和應急也受到政府有關部門的高度重視。由于相關法律規(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，但卻仍存在一些亟待解決的問題。

1.1 電梯監(jiān)管方向模式存在問題

目前，南京市監(jiān)督管理部門一般借助電梯年檢或者電梯困人故障報警的形式來監(jiān)督檢測并維護電梯運行的安全，而電梯的事故應以防為主，以救為輔。電梯在運轉過程中潛藏的安全隱患很難及時發(fā)現，運轉故障不能及時傳輸并實時診斷，導致隱患和故障進一步發(fā)展成事故。

1.2 大數據分析存在問題

社會已步入大數據時代，針對海量數據分析和挖掘的研究模式對各領域的探索都產生了重大和深刻的影響。尤其是特種設備監(jiān)督管理的研究，更需要大量故障和救援數據的分析作為導向和支持。

目前，電梯監(jiān)管研究對于大數據搜集和挖掘僅限于對電梯故障工單數據的簡單統(tǒng)計分析，包括電梯數量、電梯應急處置、困人救援情等數據分析。然而，這部分工作僅僅是對電梯故障工單數據利用率較低，缺乏對數據的深入分析和挖掘，不能夠提取出隱藏在數據中有價值的信息，很難為電梯應急處置與安全監(jiān)管提供足夠的決策支持。

1.3 電梯故障診斷研究存在問題

經過對國內外相關文獻的查閱可知，故障診斷專家系統(tǒng)已成為相對成熟的故障診斷技術，并熟練應用于社會生產各個領域，如軍事、工業(yè)和航天等。而在電梯故障研究和監(jiān)管領域，多是以電梯檢驗、故障監(jiān)測、事故報警及應急為主要研究對象，電梯故障專家系統(tǒng)的研究和應用較少。

因此本文在研究我國電梯安全管理現狀種種問題的基礎上，總結并借鑒國內外相關課題的研發(fā)成果，利用大數據技術充分分析挖掘電梯故障數據傳遞信息，并采用網絡技術、嵌入式技術和通信技術等前沿科技，和故障診斷技術相結合，探索基于大數據分析的電梯故障遠程診斷模式。從而達到電梯故障遠程監(jiān)控、自動化識別和信息化處理目的，提高電梯故障監(jiān)測和處理效率，提升電梯安全監(jiān)管水平[1-4]。

2 電梯故障大數據分析

2.1 電梯常見故障

電梯是機電設備，機械與電氣裝置結合體。其故障的種類也多樣，既具備機械設備運行使用時存在的種種隱患，也具備電氣設備的各類不安全性。因此對于電梯故障和事故，要分類監(jiān)控、綜合判斷。

●2.1.1 電梯機械故障

電梯機械故障主要可歸結為以下幾點：

1）由于缺乏潤滑系統(tǒng)，或潤滑系統(tǒng)出現故障導致的機械傳動、滾動或長期經受摩擦部位產生過高熱量或過大接觸、磨損而引起毀壞。

2）因為使用電梯的期限較長，十分頻繁，隱私很多部件出現了磨損和老化，缺少科學的保養(yǎng)，沒有及時的更新或維修受到損傷的零部件，總愛城損傷的程度不斷擴大。電梯停止運轉。

3）電梯使用時，運動中的轎廂、轎頂和機房的曳引機、制動器均會產生大大小小各種震動，震動容易造成電梯零配件的松動脫落，使得電梯機械部分缺失，從而導致電梯的不安全性產生。

4）電梯在使用的過程中因為承載的重量不平衡，導致轎廂的震動十分嚴重，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，應用范圍廣，由于機房、井道等環(huán)境有時惡劣，其電器元件常常暴露于溫熱潮濕的環(huán)境中，不免出現受潮、老化等現象。該類現象將會導致絕緣擊穿，產生短路、斷路等，進一步導致電梯事故發(fā)生。

2）電氣觸點斷路或短路

接觸器、繼電器、電氣開關等元器件是電梯控制線路中主要的元配件。電梯運行時由于電壓不穩(wěn)等原因可能產生電弧或者大電流通過整個電路，較大的電流可能會導致整個電路的元件燒蝕損壞，并出現連黏現象導致電路短路。而電梯曳引機械運轉時常常造成塵土和飛灰，灰塵積累容易導致電子觸點斷路，電路元件的接頭觸點松弛失彈也會導致電路斷路，引起電梯運行故障[5]。

3）運行電路或安全回路故障

運行電路（電梯門自動開啟關閉系統(tǒng)、相關連鎖電路、電梯啟動、加減速、停止電路等）和安全回路（門安全回路、超速控制回路、緩沖回路等）是電梯運行時最常使用的電路。由于電梯門每天頻繁開關，一旦電路元件由于人為原因接錯觸點（常見于電梯維保人員檢測電梯門電路時遺留的短接導線導致門安全電路短路）、由外力造成的觸點偏離（常見于電梯使用人員暴力沖擊電梯門等造成的電氣接觸錯位）或因雜物介入或灰塵積累造成的電梯接觸不良。導致電梯運行發(fā)生故障，或安全回路無法實現，進一步導致嚴重電梯事故。

4）噪聲電磁干擾引發(fā)故障

電梯運行過程中容易受到電磁干擾（輸入線噪聲、電源噪聲、電磁感應噪聲、靜電噪聲干擾等)。各種噪聲極大的干擾電梯的運行和電路運轉安全，破壞電流的正常流向和幅值，甚至導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，導致嚴重后果。如繼電器故障引起的轎廂上下行的減速失靈，導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

電梯故障遠程診斷模式的基礎在于故障數據的采集和遠程傳輸。先由放置于轎頂或機房控制柜的數據信號采集器組成的數據采集系統(tǒng)對電梯的運行狀態(tài)信號開展實時感應和采集，再通過基于無線頻射技術的遠程發(fā)射技術將采集到的全部信號（包括異常信號和正常信號）發(fā)射傳輸給遠程數據終端，借助數據終端處理器分離識別異常信號，輸入電梯故障診斷專家?guī)煜到y(tǒng)中。

其中，通過相關數據處理技術可把傳輸來的信號數據轉變成可視化的監(jiān)督管控頁面，還能夠搜尋監(jiān)督管控對象以往的運轉數據。異常信號在經過專家?guī)煜到y(tǒng)的分離、辨別和預判后，將發(fā)出故障實時報警，同時系統(tǒng)將判斷出的故障報警和信號異常情況、預判結論一并發(fā)送給遠程監(jiān)控工作人員，促使工作人員迅速對故障電梯進行控制、管理和救援，避免人員傷亡等慘痛代價[7，8]。

●2.2.2 故障數據傳輸系統(tǒng)

在電梯故障遠程診斷體系當中，要建立良好的多數據端口的遠程傳輸裝置，用以將系統(tǒng)終端采集器收集到的正常、異常信號遠程傳輸至專家?guī)煜到y(tǒng)。由于市面上電梯型號多種多樣，傳輸系統(tǒng)必須配置不同的數據端口以滿足傳輸要求，并已統(tǒng)一的數據模式傳送至遠程的電梯故障數據專家?guī)煜到y(tǒng)和監(jiān)控診斷中心。傳輸來的數據具備獨立的ID，便于診斷中心的定位和識別[6-8]。

圖1 故障數據傳輸圖

最主要采集的運行狀態(tài)有三類，包括：1）電梯控制柜控制信息狀態(tài)；2）電梯主機或者運行部件信息狀態(tài)；3）電梯轎廂、層轎門及其他附件運行狀態(tài)。各類數據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)參數包括了：電梯基站狀態(tài)、電梯運行方向、電梯平層狀態(tài)、轎廂門開關狀態(tài)、轎廂內是否有乘客狀態(tài)、上行限位狀態(tài)、下行限位狀態(tài)及供電狀態(tài)

檢測采集的故障參數與電梯可能發(fā)生的故障間的關系可用表1展示：

3 電梯故障遠程診斷

電梯故障診斷專家?guī)煜到y(tǒng)可以調用所有監(jiān)管控制功能和數據庫，借助對電梯大數據的統(tǒng)計、剖析和整合，并結合電梯故障解析模型、利用BP診斷技術，實現電梯的故障的確診和判斷。

表1 故障推理

因為電梯監(jiān)控管理系統(tǒng)層次復雜，因此故障也有層次性的特點。診斷專家?guī)煜到y(tǒng)可根據FTA故障樹分析法則，將電梯故障連鎖關系分層，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，供管理人員展開維修和救援。

基于FTA故障樹連鎖理論，可產生三種故障診斷手段，分別是基于信號直接識別的診斷、基于數學模型的診斷以及基于專家知識庫體系的診斷[8-17]。

3.1 基于信號直接識別的故障診斷

基于信號直接識別的故障診斷模式是最常見的故障診斷方法，與統(tǒng)計推理法、最大嫡譜估計法、譜峰自動識別法等類似。對傳遞來的故障信號采用信號模型（因變量、頻譜、ARMA模型等）直接繪制故障曲線或分析，根據分析結果或頻譜異常曲線分辨和評估系統(tǒng)所處狀態(tài)。

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

3.2 基于數學模型的故障診斷

應用于電梯故障識別的數學模型通常是解析模型（其中包含狀態(tài)、參數估計方法以及等價空間法等算法）。根據前期采集海量數據的識別，利用電梯故障通用解析模型來計算故障概率及誤差。先設置診斷數學模型當中的電梯參數、設備信息以及初始條件，再結合電梯故障大數據核算出電梯信號的誤差，分析電梯出現的故障。

3.3 基于知識體系的故障診斷

這種方法是調用專家?guī)斓闹R體系對故障數據加以診斷。在診斷過程中，引進了各個領域的科技和理論，國外很多生產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)，均是使用該類方法。

●3.3.1 專家系統(tǒng)故障診斷方法

這一方法是結合專家的思想路線和分析經驗大數據，構建了電梯故障數據庫和規(guī)則庫以及推理機，但是這一方法知識面較窄，僅限于電梯技術相關專家的經驗和知識范圍，無法結合其他機械電氣大環(huán)境下的知識體系和理論，做出完善和精準的判斷。

●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驗大數據來構建模糊關系，把現實的數據當成數輸入量，計算模糊矩陣，結合核算的模糊程度來判定和考量診斷。

●3.3.3 模擬故障診斷方法

是模仿人類大腦在受到外部刺激以后大腦的活動，在計算機數據世界里展開模擬，核算數據，盡管該故障診斷方法在很多領域得以應用，但是在實際操作領域尚有缺憾。該方法并不能完整模擬大腦對知識信息的提取途徑，在推理過程中的各種經驗及知識的組合爆炸等都會導致診斷效率較低。

●3.3.4 支持向量機的故障診斷方法

支持向量機的故障診斷方法是基于統(tǒng)計學理論中VC維理論和最小結構風險機理之上的。該故障診斷方法需要建立正常數模型和故障數據模型，并通過建立的支持向量分類機模型結合SVDD展開數據類型診斷，從而判定故障類型。該方法可以解決的是小范圍、非線性的樣本情況，并規(guī)避了導致局部極值的情形[8，18]。

3.4 基于大數據分析的電梯故障遠程診斷系統(tǒng)

結合電梯前端監(jiān)測和遠程傳輸技術，并根據電梯故障數據的深度挖掘和分析結果，研發(fā)了基于信號識別、數學模型和知識體系方法的電梯故障遠程診斷系統(tǒng)，見圖2。

圖2 基于大數據分析的電梯故障遠程診斷系統(tǒng)

該系統(tǒng)可根據各電梯監(jiān)測布點傳輸的異常信號進行分離、識別、判斷，并診斷出該電梯設備目前所處狀態(tài)或發(fā)生故障，并向監(jiān)控系統(tǒng)或監(jiān)控管理人員實時報警；并根據長時間的異常信號大數據的接受、記錄和跟蹤，判斷出該設備易發(fā)故障和薄弱環(huán)節(jié)，供使用和監(jiān)管人員作為維護、救援和修理更換依據。

圖3 電梯異常信號界面

圖4 電梯故障診斷界面

4 結論

通過對我國電梯故障安全管理現狀的分析，開展基于電梯故障信號大數據分析技術的電梯故障遠程診斷的模式的探討，可以得出以下結論：

1）我國電梯的安全監(jiān)管存在以救為主防為輔的問題，對電梯故障大數據的深度挖掘和價值提取不夠深入，缺乏電梯故障遠程診斷的研究。

2）引入大數據方法探索電梯故障的發(fā)生和概率，并研究電梯故障大數據遠程傳輸，為電梯故障遠程診斷探索提供數據依據和基礎。

3）提出基于信號直接識別的診斷、基于數學模型的診斷以及基于專家知識庫體系的診斷等三種電梯故障診斷手段，并結合電梯海量數據的探索研究，開展電梯故障遠程診斷模式的探討。

4）引入的基于大數據分析的電梯故障遠程診斷理念，科學優(yōu)化了電梯風險隱患的管理模式，便于企業(yè)和政府用于工程實際。