一种基于大数据分析的电梯节能优化方法

1.本发明属于节能领域，具体涉及基于大数据分析的电梯节能优化方法。


背景技术：

2.近年来随着我国经济的不断发展，房地产业、城市公共建设产业等迅速发展，电梯作为 建筑物中不可或缺的垂直交通工具，需求数量在不断增加。到目前为止，我国电梯保有量有 700多万部。每年大概消耗300亿度电，电梯能耗在建筑总能耗中所占的比例约为15％，巨大 的能耗会产生巨额的成本资金消耗，这已经引起社会和政府职能部门的密切关注。2021年9 月份，东北地区大规模限电，背后的原因侧面反映了我国当前的能源危机严重，而其中电梯 耗电量巨大。因此研究电梯的节能技术是十分必要的。
3.目前在市场上节能电梯的使用量相对有限，安装节能反馈装置的电梯少之又少。同时， 还存在着一大批高耗能的老旧电梯；并且当前电梯结构复杂，如果采用传统方法对电梯相关 部位进行改进，那样会操作复杂，成本较高；通过对电梯的配重进行优化来使电梯节能，可 以减少电梯的能源消耗，减少碳的排放，起到节约资源、保护环境、减少资金消耗的作用。 同时提出的方法成本投入低，具备大规模应用的条件，并且操作方便，得到的结果较为精确， 具有广阔的应用前景。


技术实现要素：

4.针对现有电梯节能技术中对于老旧电梯成本高、电能回馈存在电网污染问题提出一种基 于大数据分析的电梯节能优化方法。
5.为解决上述问题采取的技术方案是：
6.一种基于大数据分析的电梯节能优化方法其特征在于包括以下步骤：
7.步骤1：建立电梯基于互联网的数据存储方式，创建数据接口，用于实时收集曳引电机 的电流、电压数据和曳引电梯的运行速度数据。创建对应的数据库结构，用于存储运行状态 下曳引式电机的电流、电压数据与运行状态下曳引电梯的运行速度数据。
8.步骤2：安装电流电压检测装置用于检测运行状态下曳引式电机的电流电压，检测装置 包括电流传感器、电压传感器、信号盒、采集板、数据传输网关和云平台服务器；电流传感 器连接曳引机的变频器输出端，用来检测机房曳引机三相供电电流的值；电压传感器连接曳 引机的变频器输出端，用来检测机房曳引机三相供电电压的值；信号盒用于将电流传感器采 集的电信号进行放大，连接于电流传感器和采集板之间；采集板内含三相电压采集器、三相 电流采集器、处理器和无线通信器，处理器将处理之后电流信息与电压信息通过无线通讯器、 数据传输网关发送至云服务器。
9.步骤3：在曳引轮上安装光电编码器，实时采集电梯的运行速度，装置中内嵌无线传输 模块，实时传输数据至云端服务器中的特定数据库中，存储电梯的运行速度数据。其中，数 据存储方式可以改为本地存储，便于处在网络信号不良的地区内的曳引式电梯电压电流数据 与电梯运行速度数据的实时存储。
10.步骤4：整理收集到的曳引电机的电压电流数据和电梯轿厢的速度数据，确定n天为一 个周期，计算曳引电机的牵引力，计算一次运行中曳引电机的平均牵引力以及运行时间，记 录多次，获得一个时间周期(n天)内的由牵引力大小和其持续时间构成的序列。
11.曳引电机的牵引力计算，具体为：
12.f
曳引驱动力
＝f
对重负载重力差
+f
曳引机转动摩擦力
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(1)
13.f
对重负载重力差
＝g
对重-g
空载轿厢-g
电梯载荷
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(2)
14.曳引机转动摩擦力为曳引轮径向重力乘以转动摩擦系数：
15.f
曳引机转动摩擦力
＝(g
对重
+g
电梯载荷
+g
空载轿厢
+g
钢立绳和补偿链
)
×fꢀꢀꢀ
(3)
16.将式1-2两边同时乘以v，得到：
17.f
曳引驱动力
×
v＝f
对重负载重力差
×
v+f
曳引机转动摩擦力
×vꢀꢀꢀꢀꢀ
(4)
18.曳引机输出功率为：
19.p
电动输出机械功率
＝f
曳引驱动力
×vꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(5)
20.曳引机输入电功率为：
[0021][0022]
曳引机的牵引力为：
[0023][0024]
电梯载荷大小为：
[0025][0026]
其中，η为曳引电动效率；g为重力加速度；f为曳引机转动摩擦系数；v为电梯运行速度。
[0027]
对于电梯的运行的整个周期n天进行数据的全面采集和记录，计算电梯每次运行中曳引 电机的平均牵引力以及运行时间，获得时间周期(n天)内的由牵引力大小和其持续时间构 成的序列。时间周期(n天)内获得的序列记为
[0028]
s＝{ti,gi,ti}i＝1,2,3
…nꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(9)
[0029]
其中ti为第i次运行的起始时间，gi为第i次运行的平均载荷，ti为第i次运行持续的时长，n 为时间周期(n天)内电梯运行的总次数。
[0030][0031]
k为一次运行的负荷计算总次数，k为索引。
[0032]
步骤5：根据步骤4获得的牵引力大小和持续时间的序列，计算对n天进行最优的时间 分段点，并获得每个分段时间电梯的最优配重量，调整电梯配重质量，达到电梯节能的目的。
[0033]
根据步骤4中获得的电梯牵引力时间序列计算得到电梯的载荷图；观察电梯的载
荷曲线， 统计出电梯的载荷分布，找到电梯的最优载荷后可以计算得到此电梯载荷所对应的电梯配重 的重量。具体为：
[0034]
501)将n次运行分为z段，每段记为dz，z＝1,2,3
…z[0035]
502)取各段分段点，记为pz，pz∈{1,2,3
…
n}，z＝1,2,3
…z[0036]
503)对于每段dz，统计载荷数据，得出横坐标为载荷，纵坐标为运行时长的载荷曲线。记 为
[0037]
lz＝fz(g)
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(11)
[0038]
504)给定配重g
对重，z
，计算时间周期(n天)的电梯运行总耗能
[0039]w总
＝∑z∫f
曳引驱动力，z
vlzꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(12)
[0040]
其中v为电梯运行额定速度，
[0041]f曳引驱动力，z
＝g
对重，z-g
空载轿厢
+(g
对重，z
+g
空载轿厢
+g
钢立绳和补偿链
)
×
f+ (f-1)g
电梯载荷
ꢀꢀ
(13)
[0042]
505)形成优化问题，以z、pz、g
对重，z
，z＝1,2,3
…
z为寻优变量，最小化w
总
。约束 条件为负荷满足式(11)，各段时间长度t
pz-t
pz-1
大于15天，电梯平衡系数klz的取值范 围要在0.4～0.5之间
[0043][0044]
506)对505问题采用遗传算法求解，初始化种群{z}，以z为基础初始化子种群 {pz，g
对重，z
，z＝1,2,3
…
z}，计算适应度10000/w
总
，轮盘赌法选择适应度高的个体， 若结构相同，进行交叉和变异操作，产生新个体；若结构不同，以z为准再次选择同结构个 体进行交叉和变异操作，产生新个体，若无个体可选，直接进行变异操作，产生新个体；对 z进行交叉操作产生新z，以新z为准选择同结构个体进行交叉和变异操作，产生新个体， 若无个体可选，随机产生新个体。对新种群进行适应度计算，若满足终止条件结束，否则继 续新种群操作。
[0045]
有益技术效果：
[0046]
1.电梯运行数据统计模型建立
[0047]
对于日常运行的不同环境下的电梯，通过收集日常运行电流电压速度数据，构建运行负 荷统计模型，实现电梯运行概况的精细了解。
[0048]
2.实现电梯的配重优化
[0049]
通过建立整个运行周期的能耗最小化优化模型，采用遗传算法求解，得出不同的时间段 负荷特性并给出优化的配重量，调节电梯配重以达到节能的目的。
附图说明
[0050]
下面结合附图和具体实施例的方式来详细说明本发明。
[0051]
图1为本发明实施例的一种基于大数据分析的电梯节能优化方法的流程图；
[0052]
图2为本发明中电梯曳引电机电流电压采集图；
[0053]
图3为本发明中周期t内各次电梯运行的负荷和运行时长图；
[0054]
图4为本发明某段时间内统计的负荷-时长图；
[0055]
图5为本发明用于优化问题求解的遗传算法流程图。
[0056]
图6为本发明遗传算法求解过程适应度结果图。
具体实施方式
[0057]
针对某台电梯，电梯额定速度v：1.75m/s，摩擦系数f:0.1，空载轿厢重量g
空载轿厢
： 1000kg，额定载荷q：1000kg，钢立绳和补偿链重量g
钢立绳和补偿链
：453.6kg，基于大数据分 析的电梯节能优化方法主要步骤如下：
[0058]
步骤1：建立电梯基于互联网的数据存储方式，创建数据接口，用于实时收集曳引电机 的电流、电压数据和曳引电梯的运行速度数据。创建对应的数据库结构，用于存储运行状态 下曳引式电机的电流、电压数据与运行状态下曳引电梯的运行速度数据。
[0059]
步骤2：安装电流电压检测装置用于检测运行状态下曳引式电机的电流电压，检测装置 包括电流传感器、电压传感器、信号盒、采集板、数据传输网关和云平台服务器；电流传感 器连接曳引机的变频器输出端，用来检测机房曳引机三相供电电流的值；电压传感器连接曳 引机的变频器输出端，用来检测机房曳引机三相供电电压的值；信号盒用于将电流传感器采 集的电信号进行放大，连接于电流传感器和采集板之间；采集板内含三相电压采集器、三相 电流采集器、处理器和无线通信器，处理器将处理之后电流信息与电压信息通过无线通讯器、 数据传输网关发送至云服务器。采集方式如图2所示。
[0060]
步骤3：在曳引轮上安装光电编码器，实时采集电梯的运行速度，装置中内嵌无线传输 模块，实时传输数据至云端服务器中的特定数据库中，存储电梯的运行速度数据。其中，数 据存储方式可以改为本地存储，便于处在网络信号不良的地区内的曳引式电梯电压电流数据 与电梯运行速度数据的实时存储。
[0061]
步骤4：整理收集到的曳引电机的电压电流数据和电梯轿厢的速度数据，确定n天为一 个周期，计算曳引电机的牵引力，计算一次运行中曳引电机的平均牵引力以及运行时间，记 录多次，获得一个时间周期(n天)内的由牵引力大小和其持续时间构成的序列。序列如图 3所示。
[0062]
曳引电机的牵引力计算，具体为：
[0063]f曳引驱动力
＝f
对重负载重力差
+f
曳引机转动摩擦力
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(1)
[0064]f对重负载重力差
＝g
对重-g
空载轿厢-g
电梯载荷
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(2) 曳引机转动摩擦力为曳引轮径向重力乘以转动摩擦系数：
[0065]f曳引机转动摩擦力
＝(g
对重
+g电
梯载荷
+g
空载轿厢
+g
钢立绳和补偿链
)
×fꢀꢀꢀ
(3)
[0066]
将式1-2两边同时乘以v，得到：
[0067]f曳引驱动力
×
v＝f
对重负载重力差
×
v+f
曳引机转动摩擦力
×vꢀꢀꢀ
(4)
[0068]
曳引机输出功率为：
[0069]
p
电动输出机械功率
＝f
曳引驱动力
×vꢀꢀꢀ
(5)
[0070]
曳引机输入电功率为：
[0071][0072]
曳引机的牵引力为：
[0073][0074]
电梯载荷大小为：
[0075][0076]
其中，η为曳引电动效率；g为重力加速度；f为曳引机转动摩擦系数；v为电梯运行速度。
[0077]
对于电梯的运行的整个周期n天进行数据的全面采集和记录，计算电梯每次运行中曳引 电机的平均牵引力以及运行时间，获得时间周期(n天)内的由牵引力大小和其持续时间构 成的序列。时间周期(n天)内获得的序列记为
[0078]
s＝{ti,gi,ti}i＝1,2,3
…nꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(9)
[0079]
其中ti为第i次运行的起始时间，gi为第i次运行的平均载荷，ti为第i次运行持续的时长，n 为时间周期(n天)内电梯运行的总次数。
[0080][0081]
k为一次运行的负荷计算总次数，k为索引。
[0082]
步骤5：根据步骤4获得的牵引力大小和持续时间的序列，计算对n天进行最优的时间 分段点，并获得每个分段时间电梯的最优配重量，调整电梯配重质量，达到电梯节能的目的。
[0083]
根据步骤4中获得的电梯牵引力时间序列计算得到电梯的载荷图；观察电梯的载荷曲线， 统计出电梯的载荷分布，找到电梯的最优载荷后可以计算得到此电梯载荷所对应的电梯配重 的重量，具体为：
[0084]
501)将n次运行分为z段，每段记为dz，z＝1,2,3
…z[0085]
502)取各段分段点，记为pz，pz∈{1,2,3
…
n}，z＝1,2,3
…z[0086]
503)对于每段dz，统计载荷数据，得出横坐标为载荷，纵坐标为运行时长的载荷曲线如图4 所示，记为
[0087]
lz＝fz(g)
ꢀꢀꢀ
(11)
[0088]
504)给定配重g
对重，z
，计算时间周期(n天)的电梯运行总耗能
[0089]w总
＝∑z∫f
曳引驱动力，z
vlzꢀꢀꢀꢀ
(12)
[0090]
其中v为电梯运行额定速度，
[0091]f曳引驱动力，z
＝g
对重，z-g
空载轿厢
+(g
对重，z
+g
空载轿厢
+g
钢立绳和补偿链
)
×
f+ (f-1)g
电梯载荷
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(13)
[0092]
505)形成优化问题，以z、pz、g
对重，z
，z＝1,2,3
…
z为寻优变量，最小化w
总
。约束 条件为负荷满足式(11)，各段时间长度大于15天，电梯平衡系数klz的取值范围要在0.4～0.5 之间
[0093][0094]
506)对505问题采用遗传算法求解，初始种群数量n：100，交叉时参数pc：0.7，pe：0.3， 变异参数pm：0.1，pbm：0.6，alpha：0.6，终止准则：迭代20000代停止。初始化种群{z}， 以z为基础初始化子种群，计算适应度10000/w
总
，轮盘赌法选择适应度高的个体，若结 构相
同，进行交叉和变异操作，产生新个体；若结构不同，以z为准再次选择同结构个体进 行交叉和变异操作，产生新个体，若无个体可选，直接进行变异操作，产生新个体，对z进 行交叉操作产生新z，以新z为准选择同结构个体进行交叉和变异操作，产生新个体，若无 个体可选，随机产生新个体。对新种群进行适应度计算，若满足终止条件结束，否则继续新 种群操作。求解过程如图5所示。适应度结果如图6所示，纵坐标为适应度函数 fitness＝10000/w
总
，横坐标为迭代数generation。结果为 [5，82，178，216，239，207，304，257，390，207]，即将整个过程分为5个时段， 分别为1-82次、83-178次、179-216次、217-239次、240-365次，每段的配重为207kg、304kg、 257kg、390kg、207kg，此时适应度为
[0095][0096]
表示总耗电量为4149kwh。而采用0.45的平衡系数时，对应第一代初始解，适应度为
[0097][0098]
表示总耗电量为7353kwh。可见优化后能节能3204kwh。