基于数字孪生的电梯制动性能预测方法及系统与流程

本发明涉及电梯安全技术与数字孪生，尤其涉及一种基于数字孪生的电梯制动性能预测方法及系统。

背景技术：

1、随着我国经济建设的快速发展，高层楼宇迅猛建设，电梯已成为人们日常生产生活中不可或缺的设施，是一种直接关系到人民生命财产安全的特种设备。电梯制动器是确保电梯安全运行且动作频繁的重要安全部件，据电梯事故调查分析，在用电梯发生冲顶或蹲底等伤亡事故的原因是电梯制动器失效，因此制动器的检测是本领域技术人员研究的重点课题。

2、传统的对制动器制动性能检测方法依靠人员定期通过试验验证检查和经验判断，评判结果差异性较大，受外界客观因素影响大，缺乏有效的定量评估，并且不能实时反馈制动性能风险。由于制动器作为机电组合设备，故障形式复杂多样：1.混合性，制动器具有机械故障和电气故障，两者通常是耦合出现的，同一种故障模型经常伴随着这两种故障；2.关联性，制动器零部件的特征参数会直接影响制动性能，当这些参数超出阈值后制动器会出现故障；3.未知性，制动性能随着制动器的动作是动态变化的，并且受到环境因素影响较大，制动性能难以预测。因此目前进行制动器故障评估多依赖人工经验，虽然已有一些制动器监测及预测方法，但现有的方法由于过程复杂、安装不便或仅能监测单项指标，不能完整的准确的反映电梯制动性能。

3、数字孪生技术是一种集成了多物理、多学科、多尺度属性，具有超写实、实时同步、全要素、唯一性的特性，能够实现物理世界与信息世界交互融合，从而反映相对应的实体装备的全生命周期过程。数字孪生可以被视为一个或多个重要的、彼此依赖的装备系统的数字映射系统，能够根据不同对象和需求提供全方位监测、精准预测等服务。

4、但是目前数字孪生技术如何应用在电梯制动性能监测领域，还没有成熟的技术能够实现，目前现有的制动器的制动性能监测仍然停留在定性检测阶段，检测量比较单一，考虑制动性能影响因素不全，并且在实施过程中步骤复杂。

5、因此本技术提供一种基于数字孪生的电梯制动性能预测方法及系统，采用数字孪生技术对电梯的制动性能进行仿真后，能够根据实时获取的多种运行数据和环境数据，对电梯的当前工作模式进行准确预测。

技术实现思路

1、因此，本发明的目的在于提供一种基于数字孪生的电梯制动性能预测方法及系统，通过对制动器制动性能的监测，了解制动器运行状态，判断是否存在故障，对其整体性能加以预测与评价。实现对电梯制动情况的故障识别和失效预测，并对制动器的安全性能进行评判。

2、为了实现以上目的，本发明一方面的实施例提供一种基于数字孪生的电梯制动性能预测方法，包括以下步骤：

3、s1、实时获取电梯制动器的运行状态数据和环境数据；

4、s2、将实时获取的所述制动器的运行状态数据和环境数据，进行相关性分析，根据相关性分析结果，筛选相关性大于预设阈值的数据作为输入数据；

5、s3、构建数字孪生体对电梯制动器工作模式进行仿真；

6、利用构建的数字孪生体进行电梯制动性能仿真包括如下过程：

7、s01、所述数字孪生体在进行构建时包括，建立制动器的三维实体仿真模型，对制动器的三维实体仿真模型进行电磁仿真，根据电磁仿真结果建立制动器的动力学行为模型；

8、s02、在构建的数字孪生体中，利用历史获取的运行状态数据和环境数据对建立的制动器的动力学行为模型进行仿真，根据仿真结果，得到制动器的所有工作模式；

9、s4、将筛选出的数据输入仿真后的数字孪生体中，对当前电梯制动器工作模式进行预测；

10、s5、根据当前电梯制动性能预测结果，采用增强现实技术对制动器的实时状态进行可视化显示。

11、进一步优选的，在s1中，所述运行状态数据包括制动器吸合时间、振动加速度、制动电流和传感器监测的制动轮转速；所述环境数据包括设备温度、环境温度和环境湿度。

12、进一步优选的，在s01中，建立制动器的三维实体仿真模型，对制动器的三维实体仿真模型进行电磁仿真，根据电磁仿真结果建立制动器的动力学行为模型；包括以下过程：

13、s011、利用三维建模软件绘制制动器的三维实体仿真模型；

14、s012、将制动器的三维实体仿真模型导入多物理场仿真软件中，进行电磁仿真；包括：根据提取的制动器影响参数中的制动器吸合时间和输出的磁力云图，计算线圈中铁芯运动的时间t；

15、根据制动电流i和输出的运动铁芯电磁力数据y，进行曲线拟合，得到制动电流与输出的运动铁芯电磁力数据的函数关系；

16、根据线圈中铁芯运动的时间，对制动电流与输出的运动铁芯电磁力数据的函数曲线进行插值计算，得到制动器在每个插值区间的磁力矩变化梯度；

17、；

18、s013、根据电磁仿真结果，建立制动器的动力学行为模型；

19、所述建立制动器的动力学行为模型的过程包括：为三维实体仿真模型设置约束条件，所述约束条件包括：实际制动器的外观形状、尺寸大小、装配关系、运动边界、材料和碰撞系数。

20、进一步优选的，在s02中，在构建的数字孪生体中，利用历史获取的运行状态数据和环境数据对建立的制动器的动力学行为模型进行仿真，根据仿真结果，得到制动器的所有工作模式，包括以下过程：

21、s021、根据电磁仿真结果对制动器的动力学行为模型进行制动器碰撞模拟；

22、所述进行制动器碰撞模拟包括按照下式建立制动器的接触碰撞函数

23、

24、其中，p为接触碰撞载荷，为制动臂和制动轮之间的接触深度；为制动臂和制动轮的等效半径；ey为合成弹性模量；为磁通量，为制动距离，s为制动器的磁路截面积；

25、s022、根据模拟结果，将制动器的工作模式划分为：制动力不足、制动力过大、制动器卡阻和制动器运转正常四种工作模式。

26、进一步优选的，s022、根据模拟结果，划分制动器的工作模式包括：根据据碰撞模拟后得到的制动力矩性能曲线，提取碰撞时制动器开闸、闭闸瞬间的制动力矩性能曲线的峰值，将峰值与预设范围进行比较，得到制动器的工作模式。

27、进一步优选的，在s2中，将实时获取的所述制动器的运行状态数据和环境数据，进行相关性分析，包括如下步骤：

28、将所有类型的数据形成m*n的多维数据矩阵；其中每一列代表其中一个维度的数据，选取任意两列数据按照如下公式进行相关性计算，迭代循环，直至所有维度的相关数据完成相关性计算；

29、

30、其中，m为任意一个维度中数据的个数，假设矩阵中第a列和第b列的相关性，为第a列和第b列的相关系数，的取值范围为[-1,+1];-1表示完全负相关，+1表示完全正相关，0表示没有相关性。

31、进一步优选的，还包括s6、获取电梯的设计信息、维修信息、施工单位信息，建立制动器运营维护数据库；根据电梯制动性能预测结果，调用制动器运营维护数据库，下发维修通知，并记载制动器维修保养数据。

32、本发明还提供一种基于数字孪生的电梯制动性能预测系统，包括感知层、传输层、平台层和应用层；

33、所述感知层用于实时获取电梯制动器的运行状态数据和环境数据；

34、所述传输层用于实现感知层与平台层的数据交换，将感知层监测的所有数据发送至平台层；

35、所述平台层，将实时获取的所述制动器的运行状态数据和环境数据，进行相关性分析，根据相关性分析结果，筛选相关性大于预设阈值的数据；构建数字孪生体对电梯制动器的工作模式进行仿真；将筛选出的数据输入仿真后的数字孪生体中，对当前电梯制动器的工作模式进行预测；

36、利用构建的数字孪生体进行电梯制动性能仿真包括如下过程：

37、数字孪生体的构建过程：建立制动器的三维实体仿真模型，对制动器的三维实体仿真模型进行电磁仿真，根据电磁仿真结果建立制动器的动力学行为模型；

38、仿真过程：在构建的数字孪生体中，利用历史获取的运行状态数据和环境数据对建立的制动器的动力学行为模型进行仿真，根据仿真结果，得到制动器的所有工作模式；

39、所述应用层用于根据当前电梯制动性能预测结果，采用增强现实技术对制动器的实时状态进行可视化显示。

40、进一步优选的，所述运行状态数据制动器吸合时间、振动加速度、制动电流和传感器监测的制动轮转速；所述环境数据包括设备温度、环境温度和环境湿度。

41、本技术公开的基于数字孪生的电梯制动性能预测方法及系统，相比于现有技术，至少具有以下优点：

42、1、对获取的电梯运行数据和环境数据，通过相关性分析，进行数据筛选，减少了数据的冗余程度，利用数字孪生技术进行虚拟模型与实时数据的交互，将静态数据、动态数据、模拟数据进行数据融合分析，更全面的对电梯制动性能进行状态监测和安全评价。

43、2、在本发明提供电梯制动性能预测与评价的数字孪生系统实现了电梯实体的状态检测、故障预测、维修监控等功能，与此同时检修人员可借助增强现实的视角查询制动器的状态数据和故障预警。