一种基于物联网的隔离型电梯运行安全监测系统和方法与流程
本发明涉及电梯安全检测领域，更具体地说，是涉及一种基于物联网的隔离型电梯运行安全监测系统和方法。
背景技术：
近几年来，随着中国经济的快速发展和城市化、城镇化的建设不断深化，电梯使用量迅猛增长。作为一种直接关系到人民群众生命安全的特种设备，电梯的安全运行受到广泛关注。电梯的安全保障主要靠质监部门的定期检验和维保单位的定期维修保养。在目前电梯数量庞大、维护管理人手紧缺的状态下，如何及时发现电梯故障并采取有效的措施加以处理，成为电梯监管部门和维护保养单位关注的课题。多个城市的试点运行表明：电梯运行状态监测装置为提高电梯运行安全做了有意义的探索，特别是在提高电梯在发生紧急状况时的救援速度方面发挥了积极作用。因此，国家质检总局特种设备安全监督局在《2013年特种设备安全监察与节能监管工作要点》中要求“推动物联网技术在电梯、起重机等特种设备监管工作中的应用试点”和“开展安装远程监测系统的电梯故障统计工作试点”。可见，随着电梯运行状态监测装置在电梯监管及电梯应急救援方面发挥的作用日趋明显，电梯运行状态监测装置的市场需求正逐步打开，有着良好的市场需求前景。
目前，电梯运行状态信息的获取主要通过接口协议、采集电梯控制系统电信号和加装传感器三种方式，上述三种方式在实施过程中均受到多方面制约，如需要制造商开放接口协议，容易干扰原有电梯控制系统，难以安装且采集传感信息不够准确等问题，一定程度上影响了电梯运行状态监测装置监测的准确性，制约了相关产品的推广应用。因此，迫切需要研制一种电气隔离型、易于安装、适用性强和运行状态识别率高的运行状态监测装置。
技术实现要素：
有鉴于此，有必要针对上述问题，提供一种基于物联网的隔离型电梯运行安全监测系统和方法，采用物联网技术、智能识别技术和光电传感技术等技术，通过研制隔离型电梯运行信号采集模块，实时获取电梯的运行速度、方向和所处楼层位置等参数；实时监测上述参数并经智能识别获得电梯运行状态，在发生故障时进行报警，并为电梯安全评估提供支撑。
为了实现上述目的，本发明的技术方案如下：
一种基于物联网的隔离型电梯运行安全监测系统，包括数据采集模块、数据处理模块和数据异常决策模块；
所述数据采集模块用于采集电梯的运行状态信息；
所述数据处理模块用于对采集到的信息进行逻辑处理，经过智能算法识别电梯的运行状态；
所述数据异常决策模块用于在电梯出现故障的时候，进行预警。
作为优选的，还包括数据中心服务器，用于存储并监测电梯运行状态数据信息。
作为优选的，所述数据采集模块包括电流传感器、报警检测开关、激光测距仪和电阻分压电路；
所述电流传感器，用于检测电梯运行过程中的实时电流信号；
所述报警检测开关用于采集电梯轿厢是有人；
所述激光测距仪用于采集电梯正常运行、检修运行、电梯运行速度异常等参数信息；
所述电阻分压电路用于监测电梯是否停电。
作为优选的，所述智能算法包括电梯楼层查找算法和电梯状态识别算法；
所述电梯楼层查找算法用于在电梯到达某一层后，快速查到此时电梯所到的楼层位置；
所述电梯状态识别算法用于根据采集到的信息，计算出电梯轿厢运行的实际速度，并与其理论速度进行匹配，从而获取电梯所处的状态。
作为优选的，所述电梯楼层查找算法采用二分法算法，具体步骤如下：
设有x*∈(a，b)，序列{xk}收敛于方程f(x)，非线性方程f(x＝0)，其中，a、b分别为电梯的最低层和最高层的层数，f(x)为[a，b]上的是离散的函数，设ε>0为给定精度要求，则由|xk-x*|≦(b-a)/2k<ε得半分次数k>[㏑(b-a)-㏑ε]/㏑2；
记a1＝a，b1＝b；
第一步：k＝1，计算x1＝(a1+b1)/2及从测距仪中测出此时楼层距离顶部距离f(x)，如果f(a1)<f(x)<f(x1)则根一定在[a1，x1]≡[a2，b2]内，否则根一定在区间[x1，b1]≡[a2，b2]内(若f(x)＝0，则x1＝x*)；于是到长度缩小一半的含根区间[a2，b2]，即f(a2)<f(x)<f(b2)，且b2－a2＝1/2(b1－a1)；
第k步分半计算：重复上述计算过程，设已完成第1步，…，第k－1步分半计算得到含根区间且满足：
f(ak)<f(x)<f(bk),即x*∈[ak，bk]；
bk－ak＝1/(2k-1)；
现进行第k步分部计算：
计算xk＝(ak+bk)/且有|xk-x*|≦(b-a)/2＝1/2k(b-a)；
确定新的含根区间[ak+1，bk+1],即如果f(ak)<f(x)<f(bk),则根一定在[ak+1,bk+1]＝[ak，bk]内，否则根一定在区间[ak+1，bk+1]＝[xk，bk],且有bk+1－ak+1＝1/2k(b-a)；
由上述二分法得到一序列{xk}，即可得x*＝limk→∞xk,这个值即为f(x)的实根，也就是电梯所在的楼层数。
作为优选的，所述电梯状态识别算法包括：
(1)对于电梯理论状态的速度Wi(i＝1,2,3···n)，可以采用含有n个元素的向量Mi来表示：
Mi＝[m1m2m3···mn-2mn-1mn] (1)
其中，元素mj为速度某点的幅值，且相邻两元素间的时间间隔Δt趋近相等。因此，对于要监测的各个电梯状态都有其独有的特征向量Mi，可以作为输入信号的匹配模板；
(2)实时监测电梯轿厢到轿顶距离Yi(i＝1,2,3···n)，可以采用含有n个元素的向量Yi来表示：
Yi＝[y1y2y3···yn-2yn-1yn] (2)
其中，元素yj为电梯轿厢到轿顶距离，yn为当前采集到的最新距离值，y1为前第(n-1)Δt1时刻的距离值，相邻两采样点的时间间隔Δt1相等且等于Δt；
③为了监测电梯的运行速度，引入电梯距离变化率：
V＝(yi+1–yi)/△t (3)
检测电梯速度变化值，当电梯运行速度大于理论速度时,判断电梯运行速度异常，当电梯运行速度在正常运行速度范围的区间内的时候，则判定电梯运行正常；当电梯运行速度范围的区间在检修运行范围区间内的时候，则判定电梯检修运行。
作为优选的，所述数据异常决策模块包括外置报警单元和网络报警单元；
所述外置报警单元包括功率放大器和蜂鸣器；
所述网络报警单元采用的是手机模块的GPRS网络，当装置监测到电梯异常的时候，会主动通过GPRS网络实时发送报警数据。
作为优选的，还包括数据通信模块，用于使数据采集模块、数据处理模块和数据异常决策模块间通讯连接，所述数据通信模块包括短距离无线通讯单元、GPRS单元和WIFI单元。
作为优选的，还包括数据中心服务器，用于存储并监测电梯运行状态数据信息。
一种根据上述系统进行电梯运行安全监测的方法，包括以下步骤：
S1、初始化，发送远程控制指令；
S2、传感信息采集与计算，通过采集到的传感信息，经过智能算法识别电梯的实时运行状态；
S3、特征识别，通过对电梯实时运行状态数据的特征识别，判断电梯运行的安全状态信息，判断电梯门的关与闭、正常运行、检修运行、电梯运行速度异常等故障信息；
S4、告警与状态数据存储。
与现有技术相比，本发明的有益效果在于：通过研制隔离型电梯运行信号采集模块，实时获取电梯的运行速度、方向和所处楼层位置等参数；实时监测上述参数并经智能识别获得电梯运行状态，在发生故障时进行报警，并为电梯安全评估提供支撑。该装置将实现电梯运行状态数据的实时采集、状态及故障智能识别和智能决策与告警等。可识别：正常运行、检修运行、停电、困人、速度异常5个状态及故障。
附图说明
图1是本发明的系统结构功能框图；
图2是本发明的方法的流程图。
具体实施方式
下面将结合附图和具体的实施例对本发明的技术方案进行详细说明。
图1示出了一种基于物联网的隔离型电梯运行安全监测系统，包括数据采集模块、数据处理模块和数据异常决策模块；
所述数据采集模块用于采集电梯的运行状态信息；
所述数据处理模块用于对采集到的信息进行逻辑处理，经过智能算法识别电梯的运行状态；
所述数据异常决策模块用于在电梯出现故障的时候，进行预警。
还包括数据中心服务器，用于存储并监测电梯运行状态数据信息。
在本实施例中，所述数据采集模块包括电流传感器、报警检测开关、激光测距仪和电阻分压电路；数据处理模块中设有中央处理器STM32，传感信号经RS485通讯和RS232通讯采集后送至中央处理器，由中央处理器STM32对传感数据进行处理、状态识别、异常决策等等；
所述报警检测开关用于采集电梯轿厢是否困人；电梯是否困人主要是检测电梯轿厢中是否有人，这里的监测除去摄像头直观的看实时影像外，比较好的选择就是红外线传感器了。红外线传感器就是利用物体发出的红外线来测量的一种传感器。红外线可以称作为红外光，它有吸收、反射、干涉、折射等性质。在世界上存在的物体，比如数控设备、蒸汽机、人等等全都会射出红外线，只是每个物体的波长因其物体的温度而有差异而已。人的体温大概在37度左右，所放射出9～10μm的远红外线。红外线传感器能够检测出这个波段的红外线，并且转换为相应的电信号，通过电信号到中央处理器STM32可以知道是否检测到人的存在。
所述激光测距仪用于采集电梯正常运行、检修运行、电梯运行速度异常等参数信息；激光测距仪，是利用激光对目标的距离测定的一种仪器。激光测距仪的工作原理是，通过光学透镜向目标射出一束很细的激光，由光电元件接收目标反射的激光束，通过里边的高精度脉冲芯片计算激光来回的时间，从而计算出从观测者到目标的距离。激光测距仪的误差仅为其它光学测距仪的五分之一到数百分之一。这里选用激光测距仪不仅可以测到距离，而且通过微分运算可以获取电梯的实时速度。
所述电阻分压电路用于监测电梯是否停电。因为整套装置是接驳电梯的电源，所以当电梯停电的时候，装置就没电了，只能启用备用电源了。那么这里就可以用电阻分压电路来监测，所谓的电阻分压就是在电路串联多一个电阻，但是不会影响电压的变化。然后在两个电阻之间接入一个测量点，用来检测电梯的电源是否没电了，如果没电那就说明电梯停电了。
在本实施例中，还可进行电梯制动性能远程自诊，包括：获得测距传感模块(即激光测距仪)与固定参照点之间的参考位置信息和曳引电机编码器旋转位置与电梯垂直运动距离之间的比例系数后，控制电梯匀速运行，当电梯达到额定速度且接近制停预设位置时，制动电梯，同时电梯的制动过程中采集测距传感模块与固定参照点之间的实时距离以及曳引电机编码器的实时旋转位置，从而计算获得电梯的制动性能参数，进而将获得的制动性能参数与预设安全区间进行对比判断，对电梯的制动性能进行自诊断。本方法无需进行人为测量，就可自动测试获得电梯的各种制动性能参数并对电梯制动性能进行远程自诊断，自动化程度高，准确度高且快速，可广泛应用于电梯制动性能的诊断领域中。
电流传感器，用于检测电梯运行过程中的实时电流信号；
作为优选的，所述智能算法包括电梯楼层查找算法和电梯状态识别算法；
所述电梯楼层查找算法用于在电梯到达某一层后，快速查到此时电梯所到的楼层位置；
所述电梯状态识别算法用于根据采集到的信息，计算出电梯轿厢运行的实际速度，并与其理论速度进行匹配，从而获取电梯所处的状态。
在本实施例中，所述电梯楼层查找算法采用二分法算法，首先对电梯每个楼层进行标定，这样会建立一个数组，但是这个数组里边的数字并不是有规律的，因为电梯每个楼层的间距并不是一层不变的，然后对这个数组进行二分法查找，这样就可以提高效率了，具体步骤如下：
设有有x*∈(a，b)，序列{xk}收敛于方程f(x)，非线性方程f(x＝0)，其中，a、b分别为电梯的最低层和最高层的层数，f(x)为[a，b]上的是离散的函数，设ε>0为给定精度要求，则由|xk-x*|≦(b-a)/2k<ε得半分次数k>[㏑(b-a)-㏑ε]/㏑2；
记a1＝a，b1＝b；
第一步：k＝1，计算x1＝(a1+b1)/2及从测距仪中测出此时楼层距离顶部距离f(x)，如果f(a1)<f(x)<f(x1)则根一定在[a1，x1]≡[a2，b2]内，否则根一定在区间[x1，b1]≡[a2，b2]内(若f(x)＝0，则x1＝x*)；于是到长度缩小一半的含根区间[a2，b2]，即f(a2)<f(x)<f(b2)，且b2－a2＝1/2(b1－a1)；
第k步分半计算：重复上述计算过程，设已完成第1步，…，第k－1步分半计算得到含根区间且满足：
f(ak)<f(x)<f(bk),即x*∈[ak，bk]；
bk－ak＝1/(2k-1)；
现进行第k步分部计算：
计算xk＝(ak+bk)/且有|xk-x*|≦(b-a)/2＝1/2k(b-a)；
确定新的含根区间[ak+1，bk+1],即如果f(ak)<f(x)<f(bk),则根一定在[ak+1,bk+1]＝[ak，bk]内，否则根一定在区间[ak+1，bk+1]＝[xk，bk],且有bk+1－ak+1＝1/2k(b-a)；
由上述二分法得到一序列{xk}，即可得x*＝limk→∞xk,这个值即为f(x)的实根，也就是电梯所在的楼层数。
在本实施例中，根据基于激光测距仪采集的电梯到顶部之间的距离，进行坐标轴换算；将实时换算的结果，也就是轿厢运行速度与理论速度进行匹配，从而可以获取电梯所处状态，所述电梯状态识别算法包括：
(1)对于电梯理论状态的速度Wi(i＝1,2,3···n)，可以采用含有n个元素的向量Mi来表示：
Mi＝[m1m2m3···mn-2mn-1mn] (1)
其中，元素mj为速度某点的幅值，且相邻两元素间的时间间隔Δt趋近相等。因此，对于要监测的各个电梯状态都有其独有的特征向量Mi，可以作为输入信号的匹配模板；
(2)实时监测电梯轿厢到轿顶距离Yi(i＝1,2,3···n)，可以采用含有n个元素的向量Yi来表示：
Yi＝[y1y2y3···yn-2yn-1yn] (2)
其中，元素yj为电梯轿厢到轿顶距离，yn为当前采集到的最新距离值，y1为前第(n-1)Δt1时刻的距离值，相邻两采样点的时间间隔Δt1相等且等于Δt；
③为了监测电梯的运行速度，引入电梯距离变化率：
V＝(yi+1–yi)/△t (3)
检测电梯速度变化值，当电梯运行速度大于理论速度时,判断电梯运行速度异常，当电梯运行速度在正常运行速度范围的区间内的时候，则判定电梯运行正常；当电梯运行速度范围的区间在检修运行范围区间内的时候，则判定电梯检修运行。
作为优选的，所述数据异常决策模块包括外置报警单元和网络报警单元；
在本实施例中，所述外置报警单元包括功率放大器和蜂鸣器；通过中央处理器STM32外接功率放大模块，然后再接蜂鸣器。当出现装置检测到电梯出现故障的时候，无论网络是否通畅，是否传递给服务器，都会第一时间响出警报。只有当维保人员到场手动关闭装置或者通过数据中心服务器远程关闭蜂鸣器的时候，才会把声音关掉。这么做的目的是确保电梯出现故障引起周围的人注意，可以第一时间告知他人电梯出现故障了。
所述网络报警单元采用的是手机模块的GPRS网络，当装置监测到电梯异常的时候，会主动通过GPRS网络实时发送报警数据。
作为优选的，还包括数据通信模块，用于使数据采集模块、数据处理模块和数据异常决策模块间通讯连接，所述数据通信模块包括短距离无线通讯单元、GPRS单元和WIFI单元。当装置监测到电梯异常的时候，会主动通过GPRS网络实时给数据中心服务器发送数据。只有当数据中心服务器收到数据后，才会返回给装置一个信息，告知这个隔离型电梯运行安全智能监测装置服务器已经收到信息。此时监测装置就会停止发送异常信息给服务器，并且关掉警报和及时派维保人员过去。在这里，监测装置平时只有当服务器访问的时候才会返回数据，当出现故障了就自动发送数据。这么做的目的就是为了节省流量了。
本实施例中还提供了一种根据上述系统进行电梯运行安全监测的方法，如图2所示，包括以下步骤：
S1、初始化，发送远程控制指令；
S2、传感信息采集与计算，通过采集到的传感信息，经过智能算法识别电梯的实时运行状态；
S3、特征识别，通过对电梯实时运行状态数据的特征识别，判断电梯运行的安全状态信息，判断电梯门的关与闭、正常运行、检修运行、电梯运行速度异常等故障信息；
S4、告警与状态数据存储。
电梯门是否故障的方法为：控制电梯门机完成若干次开门-关门动作，同时采用电流传感器采集电梯门机的实时电流信号，进而获得电梯门机的标准运行参数；采用电流传感器采集电梯门机的实时电流信号；判断采集的实时电流信号中是否出现极大值，若是，则获取该极大值出现的时刻作为电梯门机的执行动作的开始时刻；根据采集的实时电流信号，计算获得电梯门机的实时运行参数，进而结合获得的电梯门机的标准运行参数，判断电梯门机是否发生故障，若是，则继续执行；进行故障告警并输出显示对应的故障类型。本方法实现方式简单，可操作性强，准确度高且快速，可广泛应用于电梯门系统的安全检测领域中。
以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。
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