电梯安全专项监测与管理系统研究*

隋首钢， 辛永乐， 郑焕祺

(山东建筑大学信息与电气工程学院，济南 250100)

0 引言

近年来，我国在电梯产量、电梯保有量、电梯增长率方面均为世界第一，但电梯安全事故频发，并且在电梯设计、生产、安装、维保以及监管等各个环节都存在问题。 随着城市中高层建筑的增多，电梯的使用也越来越频繁，再加上电梯逐年“老龄化”，电梯发生故障的概率在不断增加，造成电梯故障停梯和人员被困电梯等事故。 因此，保证电梯安全运行具有重要意义。

目前，对电梯运行状态监测技术有较多研究。文献[3]介绍了电梯物联网的基本架构，包括数据采集层、小区网络层、公共网络层和平台应用层，由多种传感器进行数据采集，将电梯的运行状态信息通过物联网传送给监测平台。 文献[4]采用嵌入式系统技术，集成图形传感器、内存图像存储器等设备，通过图像监控对电梯运行状态进行实时监测。文献[5]采用分布式管理的方式，基于调制解调器和公用电话网的远程监控技术，将监控中心与各个电梯之间通过拨号建立通信， 形成远程交互式监控系统。

由于电梯的安装区域广，分布位置不集中，考虑到数据通信距离、故障诊断效率实时性的问题，迫切需要建立一套电梯安全专项监测与管理系统，以监督管理部门为着眼点，充分利用技术手段进行必要监督和管理，保障电梯安全运行。

1 电梯状态监测系统

基于物联网的电梯安全专项监测管理及预警系统，以采集的电梯运行状态、数据以及音视频信息作为分析和判断的基础，因此电梯状态检测子系统是整个系统的基础环节，实现多种数据或状态的监测。 图1 所示为电梯安全专项监测模块结构示意图。

图1 电梯安全专项监测模块结构示意图

1.1 电梯轿厢的位置、速度、加速度检测

电梯工作中，启动和制动频繁，加速度的变化使乘客感觉不适。 另外，电梯经过长时间的运行后，许多部件容易磨损甚至损坏，导致速度或加速度增大，造成严重后果。 因此检测电梯速度、加速度是十分必要的。

根据GB/T10058《电梯技术条件》要求:速度不大于2.5m /s 的电力驱动的曳引式或强制式的乘客电梯启动加速度和制动减速度最大值均不应大于1.50m/s2，当乘客电梯额定速度为1.00 m/s

1.2 电梯安全回路状态检测

在电梯各安全部件都装有一个安全开关，把所有的安全开关串联起来，控制一只安全继电器，形成电气回路，该回路即为电梯安全回路。 只有所有安全开关都在接通的情况下，安全继电器吸合，电梯才能运行，否则电梯立即停止运行。

安全回路中包含了电梯控制系统中常用安全状态的检测开关，这些回路的状态能够反映出电梯是否正常工作，各电梯生产商的安全回路设计不尽相同，但都包含了以下几部分内容的检查。

(1)机房:控制屏急停开关、相序继电器、热继电器、限速器开关。 (2)井道:上极限开关、下极限开关。 (3)地坑:断绳保护开关、地坑检修箱急停开关、缓冲器开关。 (4)轿内:操纵箱急停开关。 (5)轿顶:安全窗开关、安全钳开关、轿顶检修箱急停开关。

本系统利用电梯厂商所提供的安全回路端子，结合电梯维保时的实际应用情况，设计并制作兼容目前主流电梯型号的电梯安全回路专用监测电路板，实现系统在不同电梯型号之间的通用性。

1.3 电梯工作电流检测

利用电梯的工作电流对电梯的工作状态及全寿命周期进行分析判断，是针对电梯行业所开展的新技术和新的研究方向，提出了基于工作电流的电梯运行状态监测方法及相关理论，以及基于电流信号的非接触式电梯运行状态监测方式，最终实现基于电梯主电路电流信号的电梯运行状态的实时主动监测。

针对该技术，在本系统中对电梯运行的工作电流进行监测，开发基于电流的监测终端，实现对运行过程中电梯工作电流的实时监测，为建立集监测、预测、诊断、控制和管理决策于一体的电梯安全监控新模式奠定基础。

1.4 电梯音频、视频监控

通过对电梯轿厢内视频和音频监控，可以清楚了解电梯轿厢内载客情况，对轿厢内的情况做出直观判断，并为上位机平台上的专家预警系统提供音视频基础资料，进而通过图像分析以及图像识别技术，实现设备安全警示以及轿厢内紧急事件报警。

2 系统通信方式及实施路线

本系统建立基于物联网的电梯安全管理平台，实现监督管理部门对于电梯的安全专项监管。 电梯设备安装的环境较为复杂，电梯设备的各部分的安装位置和安装方式也存在较大差异，必须采用多种通信技术方式实现电梯设备的物联网接入。

2.1 电梯井道内通信方式

采用CAN 总线通信方式，实现以较低的成本、较高的实时处理能力在强电磁干扰环境下可靠地工作。 CAN 总线对于传输介质无特殊要求，可以是双绞线、同轴电缆，适合于电梯井道内较差环境的使用，用以实现电梯井道内固定设备的数据通信及信号传输。

2.2 轿厢通信方式

电梯的轿厢则采用ZigBee 与Wi-Fi 技术融合的通信方式。 ZigBee 技术传输可靠，可实现自组网，但传输速率低。 它主要用于传输速率不高的典型的间歇性数据传输，适合于电梯轿厢内各测量数据及控制信号的传输。 Wi-Fi 技术传输速度高、应用范围广，适合与Internet 的接入互通。 但是数据通信的可靠性较差、安全性不高，只适合轿厢内的音频视频信号的传输。 另外，当ZigBee 通信不畅时，可转至Wi-Fi 通信网络实现应急通信。

2.3 通信控制器

电梯井处设置通信控制器，与电梯设备采用CAN、ZigBee、Wi-Fi 方式通信，并与中心服务器之间采用有线LAN 连接，用于电梯与中心服务器的信息传输。 LAN 速度快、成本低，便于维护及升级，可作为基于物联网的安全管理平台的核心网络。

2.4 网关

在中心服务器上设置网关，可利用PC 客户端或手机APP 软件通过TCP/IP 协议直接访问，实现对于电梯安全的远程监控。

电梯安全专项监测与管理系统中采用了CAN、ZigBee、Wi-Fi 以及有线LAN 四种通信方式，在项目实施过程中应实现各通讯方式的合理利用并优化配置，充分发挥各种通信方式的优点，实现互补。另外，重点研究并解决Wi-Fi 信号对于ZigBee 通信的干扰问题，提出了合理的通信策略。

3 电梯安全监管中心平台与故障预警专家系统

电梯安全监管中心软件安装于中心服务器上，担负着电梯状态监控、数据接收处理及保存、权限管理、异常处理以及人机交互等功能。 系统可实现对数据的实时显示，同时提供数据曲线、报表和报警功能给维护人员，使维护人员可以直观了解电梯的运行状况。 本系统还可实现对多部电梯的同时监测，多个被监测对象可以自由切换查看，并保存记录便于查看，使系统稳定高效的运行。 另外，当有用户通过客户端手机APP 或浏览器Web 服务器提出查询、修改等要求时，服务器可启动某个程序来处理用户要求，将所需的数据或操作结果回传，从而实现了电梯状态的远程监测。

在中心软件平台上，可完成以下功能:(1)多部电梯运行状态查询。 (2)电梯运行历史数据查询。(3)电梯故障报警。 (4)电梯音频、视频接收功能。

另外，电梯安全监管中心软件还可针对视频采集的动态图像进行分析，利用图像识别技术，通过安全体系评估做出直观的设备运行状态监控显示、设备安全警示以及轿厢内紧急事件报警。 同时该中心软件还可为专家系统及专家预警策略提供系统平台支持。 图2 所示为电梯安全监管中心平台结构图。

图2 电梯安全监管中心平台结构图

本系统具有电梯运行历史数据存储功能，记录长时间以来的电梯运行数据以及电梯工作电流数据，为专家预警策略的制定提供了数据支持。 本项目中的电梯故障预警专家子系统将根据大量的电梯运行数据记录，分析电梯的速度、加速度、工作电流与电梯的工作寿命及电梯故障率之间的耦合关系，建立数学模型根据电梯的速度、加速度、工作电流，结合电梯维保记录，预测电梯的故障概率，并提出预警控制策略。

4 结束语

本系统最终将实现电梯设备的物联网接入，并实现电梯故障的远程预警，便于电梯安全检查及维护保养，并实现对于电梯维保的远程监管，具有以下特点。

(1)建立电梯安全专项监管平台，综合利用多种检测方法和测量技术，兼容当前主流电梯品牌的多种型号，实现电梯安全的统一监管。

(2)结合电梯的历史运行记录，综合利用机理分析法、模拟实验法以及虚拟现实技术和计算机仿真技术，建立电梯故障预警专家系统，实现电梯故障的预警及电梯寿命评估。

(3)采用多种通信技术，优势互补，并克服相互干扰，构建电梯物联网，可实现多部电梯与智能建筑物联网的互联互通，并进行电梯状态的远程监控及故障报警。

(4)基于图像识别技术，并结合音频提取技术，利用电梯监控的视频图像及声音，实现电梯内突发状况或紧急事故的自动判别并及时报警功能。

电梯安全专项监测与管理系统应能够与原电梯系统连接并安装于原电梯上，相关设备的安装方式设计也是所需解决的问题。 另外，本系统还可以集成维保电子记录存储功能，在电梯机房、井道内、电梯底坑分别设置射频识别技术记录装置，避免维保人员弄虚作假和遗漏保养，并记录维保相关信息，便于监督管理部门对于电梯维保单位的监管。