CN102633173B - 一种电梯轿厢运行状态监测***及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种电梯轿厢运行状态监测***及方法，所述***包括轿厢运行状态智能传感单元、信号采集与处理单元及无线通信单元。所述方法包括：感测轿厢的加速度和/或感测轿厢在井道中相对于某一固定参考系的距离；采集轿厢加速度信号和/或轿厢在井道中相对于某一固定参考系的距离信号，经状态解算和处理获得轿厢实时运行状态参数，并根据所述实时运行状态参数进行智能监测算法和智能识别算法，获得电梯轿厢的实时运行状态。本发明通过智能监测、识别和评估，可判断电梯实时运行方向(上行、停止和下行)和是否超速运行；可获得电梯轿厢实时平层楼层数或距离某一楼层正常平层位置的距离，智能识别电梯故障停梯和检修状态运行；可评价电梯的舒适度，评估电梯风险和故障预警等。

Description

一种电梯轿厢运行状态监测***及方法

技术领域

本发明涉及特种机电设备的运行状态监测，尤其涉及一种电梯轿厢运行状态监测***及方法。

背景技术

电梯的安全运行事关公共安全，一直是电梯行业关注的重点。近年来，我国电梯保有量迅猛增加。2011年全国电梯保有量已超过160万台，预计在未来10年保持每年15％的递速。资料统计显示，近年来，全国范围内电梯困人的事故越来越多，存在着严重的安全隐患。电梯的安全运行受到广泛关注。

目前，电梯的安全保障主要以被动安全技术手段为主，即质监部门的定期检验和维保单位的定期维修保养。在电梯故障发生后，维保人员赶赴现场进行故障的排查、诊断以及后续的故障应对措施的传统的被动安全技术手段，已经越来越凸现弊端。资料统计显示，全国范围内电梯困人的事故频率越来越高，存在着严重的安全隐患。随着电梯使用频率的增加、新技术的不断发展和应用等原因，社会对于电梯安全的要求不断提高，电梯安全监测水平亟待提高。

目前，电梯安全监测技术存在监测技术被动、信息化程度低、实时性差、检验和维保人员不足等问题，检验能力无法满足电梯数量迅速增长的需要。在电梯数量庞大、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遇到的共同挑战。电梯实时运行状态监测新方法，通过采用新传感技术、移动通信技术、信息处理技术和智能识别技术，旨在对电梯的实时运行状态进行监测，以便预测或及时发现故障并进行快速故障排除。相关数据不仅可开展电梯安全和风险评估等，还可为安全事故分析、处理提供客观依据。

发明内容

为解决上述中存在的问题与缺陷，本发明提供了一种电梯轿厢运行状态监测***及方法。所述技术方案如下：

一种电梯轿厢运行状态监测***，包括：轿厢运行状态智能传感单元、信号采集与处理单元及无线通信单元，所述

轿厢运行状态智能传感单元，用于感测轿厢加速度和/或感测轿厢在井道中相对于某一固定参考系的距离；

信号采集与处理单元，用于采集轿厢加速度信号和/或轿厢在井道中相对于某一固定参考系的距离信号，经状态解算和处理获得轿厢实时运行状态参数，并根据所述实时运行状态参数进行智能监测算法和智能识别算法获得电梯轿厢的实时运行状态。

一种电梯轿厢运行状态监测方法，包括：

A感测轿厢的加速度和/或感测轿厢在井道中相对于某一固定参考系的距离；

B采集轿厢加速度信号和/或轿厢在井道中相对于某一固定参考系的距离信号，经解算和处理获得轿厢实时运行状态参数，并根据所述实时运行状态参数进行智能监测算法和智能识别算法，获得电梯轿厢的实时运行状态。

本发明提供的技术方案的有益效果是：

1、改变以往电梯定期检验、被动非实时监测的方式为主动、实时状态监测方式；

2、电梯轿厢运行状态智能监测***对电梯轿厢运行状态监测参数包括轿厢的三维加速度、相对于固定参考系的位置、加加速度、速度、移动距离和振动幅度等。对上述参数进行智能监测、识别和评估，可判断电梯实时运行方向(上行、停止和下行)、实时平层楼层数和是否超速运行等；

3、可获得电梯轿厢实时平层楼层数或距离某一楼层正常平层位置的距离，智能识别电梯故障停梯和检修状态运行；

4、可评价电梯的舒适度，评估电梯风险和故障预警等。

附图说明

图1是轿厢运行状态智能监测***结构示意图；

图2是电梯运行状态监测方法流程图；

图3是安装于轿厢顶部的轿厢运行状态监测装置为例示意本发明的***的安装和原理示意图；

图4a、4b和4c是轿厢运行状态智能监测***监测轿厢运行过程中的三个方向实时加速度；

图5a、5b和5c是轿厢运行状态智能监测***监测轿厢运行过程中垂直方向的加加速度、速度和相对固定参考系的距离变化曲线；

图6是轿厢在图5运行过程中运行状态变化状况图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明实施方式作进一步地详细描述：

参见图1，轿厢运行状态智能监测***结构，该轿厢运行状态智能监测***安装于轿厢上，包括：轿厢运行状态智能传感单元、信号采集与处理单元及无线通信单元，所述

轿厢运行状态智能传感单元，用于感测轿厢加速度和/或感测轿厢在井道中相对于某一固定参考系的距离；

信号采集与处理单元，用于采集轿厢加速度信号和/或轿厢在井道中相对于某一固定参考系的距离信号，经解算和处理获得轿厢实时运行状态参数，并根据所述实时运行状态参数进行智能监测算法和智能识别算法获得电梯轿厢的实时运行状态。

所述轿厢运行状态智能传感单元包括加速度传感器和/或测距传感器，所述加速度传感器，用于感知电梯轿厢三维加速度中的至少一个方向上的加速度，所述三维加速度为：水平面X方向加速度、水平面Y方向加速度和垂直向上Z方向加速度；

测距传感器，用于感测轿厢在井道中相对于某一参考面或参考点的相对距离。

将上述轿厢运行状态智能传感单元感测并输出的加速度信号进行信号调理、采集、数字化、温度补偿、插值解算和信息融合获得电梯轿厢实时加速度；和/或

根据感测轿厢在井道中相对于某一参考面或参考点的相对距离，经信号采集和坐标变换获得轿厢相对于固定参考系的实时位置。

上述测距传感器用声波、激光辐射、无线射频中的一种，来测量轿厢相对某一参考面或参考点的相对距离；所述轿厢实时运行状态参数包括：轿厢的实时加速度、实时加加速度、实时速度、某一段时间内的移动距离、相对于参考系的实时位置和振动幅度。

根据上述轿厢实时运行状态参数进行智能监测算法，获得电梯轿厢的实时运行状态；所述实时运行状态包括：电梯实时运行方向、电梯是否超速运行、电梯是否准确平层、实时平层楼层数、不能正常平层时距离某一正常平层楼层位置的距离；

根据轿厢实时运行状态参数进行智能识别算法，识别出电梯故障停机、正常运行状态和检修运行状态；

根据所述轿厢实时运行状态参数进行智能监测算法和智能识别算法获得的实时运行状态和识别结果进行智能评估算法，评估电梯风险及预警、故障告警和评价舒适度。

上述监测***还包括电源、远程监测中心和监管或维保人员移动终端。实时监测结果可通过无线通信单元与监控中心、电梯使用单位管理员、电梯维护保养员和监管部门进行通信，以便及时获知轿厢运行状态和处理突发状况，记录电梯的运行状态，同时为事故分析、风险评估提供依据。

上述信号采集与处理单元包含信号调理模块、信号采集模块、微处理器、实时时钟和存储器；无线通信单元包含无线通信模块，如GPRS通信模块用于与远程监测中心和监管或维保人员的移动终端进行无线通信。

本实施例还展示了电梯运行状态监测方法，该方法包括：

感测轿厢的加速度和/或感测轿厢在井道中相对于某一固定参考系的距离；

采集轿厢加速度信号和/或轿厢在井道中相对于某一固定参考系的距离信号，经解算和处理获得轿厢实时运行状态参数，并根据所述实时运行状态参数进行智能监测算法和智能识别算法，获得电梯轿厢的实时运行状态。

如图2所示，电梯运行状态监测方法流程具体包括

步骤101感知轿厢的加速度和/或轿厢与某一参考点或参考面的距离；

轿厢的加速度通过智能传感单元感知，轿厢与某一参考点或参考面的距离通过测距传感器感知(如：轿厢与井道顶部的相对距离)；其中加速度是轿厢三维方向加速度中的至少一个，三维加速度包括：垂直加速度、水平面x方向加速度和水平面y方向加速度。

步骤102将轿厢的加速度信号进行采集、数字化、温度补偿和插值计算获得三维传感器的加速度值和/或对测量的轿厢与某一参考点或参考面(如井道顶部)的距离信号的采集和坐标变换得到轿厢相对于固定参考系的位置(步骤103)；

上述轿厢运行状态智能传感单元加速度传感器输出的加速度信号包括垂直Z方向、水平X方向、水平Y方向的加速度和加速度传感器周围的环境温度，这些信号经采集转化成数字信号，再经温度补偿处理得到更精确的三维加速度值(步骤104)。

可以将井道顶部作为参考系(如图3中的参考系Z’，原点设在井道顶部)获得轿厢在井道中的位置。为了实时得知轿厢所处楼层数，还可以将参考系的原点设置在电梯的第一层所处位置(如图3中的参考系Z”，原点设在第一层正常平层楼层上)，这一参考系可认为是轿厢参考系。设第一层平层时智能传感单元与参考系的位移为S＝0，且此时智能传感单元距离井道顶部的距离为D0。当某一时刻智能传感单元与井道顶部的距离为Dt，则其与轿厢参考系的位移为：S＝D0-Dt得到轿厢相对于固定参考系的位置(步骤105)，该位置信息可用于判断轿厢所处楼层数，上述可以概括如下：比如当轿厢相对于所选轿厢参考系的距离为0时即认为轿厢处于第一层，因为选取了第一层平层位置作为该参考系的原点；假设楼层间距为3米，某一时刻，轿厢距离轿厢参考系的距离为3米，即认为轿厢处于第二层，依此类推。

步骤106根据三维加速度和/或轿厢相对固定参考系位置信息，经数据融合、运行状态解算得运行状态各个监测参数；

由于智能传感单元测距传感器的数据输出频率和精度往往较低，而加速度传感器的输出频率相对较高。为了实时跟踪电梯运行状态，将由步骤105和步骤104的结果进行运行状态解算并进行数据融合以获得电梯运行状态各个监测参数。运行状态解算过程包括：实时加速度：重力加速度信号通常耦合到加速度传感器测得的加速度值中，需要将测得的加速度值进行解耦，获得电梯轿厢的实时加速度。设重力加速度方向与Z轴夹角为θ，则在智能传感模块安装后静止条件下，Z轴的输出值F_Z0＝gcosθ，轿厢在运动过程中，设某一时刻Z轴的加速度值为F_Zt，则轿厢的实时加速度为

a_i＝(F_Zt-F_Z0)/cosθ

实时加加速度：实时加速度的变化率，即离散加速度信号

$j\left(k\right)=\frac{a(k+1)-a\left(k\right)}{(k+1)-k}=a(k+1)-a\left(k\right);$

实时速度：在某一开始时刻的速度为v₀，到时刻t时实时速度为

$v\left(t\right)=v_0+{\∫}_0^{t}a\left(t\right);$

某一段时间内的移动距离：实时速度进行积分运算

振动幅度：从加速启动运行到减速制动的过程的加速度峰峰值A_max＝a_max-a_min；

相对于固定参考系的实时位置：轿厢相对于固定参考系的实时位置求解公式S＝S₀+S_0-t，其中S₀为电梯轿厢某一静止平层时刻测得的轿厢相对于固定参考系的位置，S_0-t为电梯轿厢从0至t时刻这段时间内的移动距离。

上述运行状态解算获得运行状态各个监测参数，包括：实时加速度、实时加加速度、实时速度、某一段时间内的移动距离、相对于参考系的实时位置和振动幅度(步骤107)，对上述参数中至少一种参数进行智能监测、识别和评估，可判断电梯实时运行方向(上行、平层和下行)和是否超速运行；获得电梯实时平层楼层或不能正常平层时距离某一平层楼层正常平层位置的距离；智能识别电梯正常运行、故障停机和检修运行等三种运行状态；评价电梯的舒适度；评估电梯风险和故障预警。

在某段时间内，加速度值的积分值和测距传感器测得的位移变化量这两个数值的数据融合，可用于判断电梯轿厢距离固定参考系的更加准确位置，并可用于两种传感器的诊断。

步骤108根据轿厢运行状态各个监测参数进行智能监测算法，获得电梯实时运行状态及识别故障停机和运行模式；

电梯轿厢距离固定参考系的实时位置信息经查表(轿厢相对该固定参考系的位置与平层楼层的对应关系)后，计算获得电梯实时平层楼层位置或距离某一楼层正常平层位置的距离；如2层和3层到固定参考系的正常平层距离为11.20m和8.00m，则某一时刻电梯实时静止平层距离固定参考系的距离为8.01m，考虑到测量误差为±0.01m，则认为电梯处于2层正常平层。

实时加速度、实时加加速度、实时速度、某一段时间内的移动距离、相对于参考系的实时位置等信息的判断获得电梯实时运行方向(上行、停止和下行)和是否超速运行；其中，轿厢与井道顶部的距离变小则电梯上行，距离不变则电梯停止，距离变大则电梯下行，实时速度超过预先设置的阈值则电梯超速运行。获得电梯实时平层楼层位置或距离某一楼层正常平层位置的距离(步骤110)。

步骤109根据轿厢运行状态各个监测参数进行智能识别算法，获得电梯实时运行状态及识别故障停机和运行模式；

智能识别算法包括以下几个步骤：

①电梯正常运行、故障停机和检修运行状态的学习

***初始安装后，需要对电梯正常运行、故障停机和检修运行等状态的学***层)到匀速运动的加速时间长度TA_AN、TA_BD、TA_MT，从匀速运动到静止(平层)的制动时间长度TB_AN、TB_BD、TB_MT，匀速运动速度V_AN、V_BD、V_MT，最大加速度A_AN、A_BD、A_MT，电梯轿厢在任意一层正常平层距离固定参考系的实时位置S_K(K＝N_L…1，2，3…N_H)等，并将状态特征存储到非易失性存储器中。

②实时监测状态特征

实时监测电梯轿厢的状态，主要监测与状态特征相关的电梯轿厢运行状态量，如从静止(平层)到匀速运动的加速时间长度，从匀速运动到静止(平层)的制动时间长度，匀速运动速度，最大加速度，电梯轿厢在任意一层正常平层距离固定参考系的实时位置等。

③识别电梯正常运行、故障停机和检修运行状态

根据实时状态特征监测结果，与经过学***层)到匀速运动、匀速运行、从匀速运动到静止(平层)的过程中，静止(平层)到匀速运动的加速时间、匀速运行速度、从匀速运动到静止(平层)的制动时间和前后静止(平层)位置与固定参考系的实时位置等状态数据与之前学习得到的电梯正常运行状态特征相近或匹配，则识别结果为电梯经历了一个正常运行过程。其他电梯运行状态识别方法与正常运行状态识别类似(步骤112)。

步骤111根据电梯实时运行状态及识别故障停机和运行模式进行智能评估算法。

智能评估算法根据电梯轿厢实时运行状态、监测数据，进过逻辑判断、预测，估计电梯出现或可能出现哪些故障，为检修、维保提供支持。

步骤113通过智能评估算法对电梯轿厢的风险评估及预警、故障告警及舒适度评价；

如果故障停机时电梯轿厢处于非正常平层位置，则判断认为平层传感器可能出现故障；

根据加加速度、加速度是否超出设定阈值评价电梯舒适度；

根据振动幅度是否超出设定阈值，预测导轨、导向槽等是否形变过大；

根据智能识别算法识别的电梯运行状态，决策决定是否发送无线告警信息；当出现故障停机时，向监测中心、维保人员、电梯使用单位管理员发送告警信息；

对故障信息的统计分析得到电梯故障率(某一统计周期内，如一年，电梯故障率＝(电梯故障次数/电梯运行次数)X100％)评估电梯的安全等级；如果故障率低于正常故障率、处于正常故障率、较大于正常故障率和明显大于正常故障；

根据检修运行状态识别结果，经过统计分析，如一个月内出现检修次数、一年内出现检修运行的次数等的统计评价电梯的维保频率和维保情况。

如图3所示，为轿厢运行状态监测***安装于轿厢顶部为例示意本发明的***的安装和原理，将电梯运行状态监测装置固定安装于井道中的轿厢顶部，电梯运行状态监测装置内包含加速度传感器和/或测距传感器，加速度传感器感测轿厢实时加速度；测距传感器可以是声波、激光辐射、无线射频中的至少一种方式测量轿厢与井道某一固定平面的距离，即轿厢与井道顶部的距离。

参见图4a、4b和4c，分别示出利用电梯轿厢运行状态监测的方法及轿厢运行状态智能监测***硬件监测某一轿厢从二楼上升到十楼过程中轿厢的三个方向实时加速度。

参见图5a、5b和5c，分别示出利用电梯轿厢运行状态监测的方法及轿厢运行状态智能监测***硬件监测的某一轿厢从二楼上升到十楼过程中轿厢的垂直方向的加加速度、速度和相对固定参考系(以电梯在第二层正常平层位置作为参考系原点，正方向向上)的距离变化曲线；

参见图6，是轿厢在图5a、5b和5c所描述的运行过程中运行状态变化情况。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种电梯轿厢运行状态监测***，其特征在于，所述***包括：轿厢运行状态智能传感单元、信号采集与处理单元及无线通信单元，所述

轿厢运行状态智能传感单元，用于感测轿厢加速度和/或感测轿厢在井道中相对于某一固定参考系的距离；

信号采集与处理单元，用于采集轿厢加速度信号和/或轿厢在井道中相对于某一固定参考系的距离信号，经状态解算和处理获得轿厢实时运行状态参数，并根据所述实时运行状态参数进行智能监测算法和智能识别算法获得电梯轿厢的实时运行状态；所述轿厢运行状态智能传感单元固定安装于电梯轿厢上，设置在轿厢的顶部、底部或者与电梯轿厢固定连接的其它位置；将所述轿厢运行状态智能传感单元感测并输出的加速度信号进行信号调理、采集、数字化、温度补偿、插值解算和信息融合获得电梯轿厢实时加速度；和/或

根据感测轿厢在井道中相对于某一参考面或参考点的相对距离，经信号采集和坐标变换获得轿厢在井道中相对于固定参考系的实时位置；

根据所述轿厢实时运行状态参数进行智能监测算法，获得电梯轿厢的实时运行状态；所述实时运行状态包括：电梯实时运行方向、电梯是否超速运行、电梯是否准确平层、实时平层楼层数、不能正常平层时距离某一正常平层楼层位置的距离；

根据轿厢实时运行状态参数进行智能识别算法，识别出电梯故障停机、正常运行状态和检修运行状态；

根据所述轿厢实时运行状态参数进行智能监测算法和智能识别算法获得的实时运行状态和识别结果进行智能评估算法，评估电梯风险及预警、故障告警和评价舒适度。

2.根据权利要求1所述的电梯轿厢运行状态监测***，其特征在于，所述轿厢运行状态智能传感单元包括加速度传感器和/或测距传感器，所述

加速度传感器，用于感知电梯轿厢三维加速度中的至少一个方向上的加速度，所述三维加速度为：水平面X方向加速度、水平面Y方向加速度和垂直向上Z方向加速度；

测距传感器，用于感测轿厢在井道中相对于某一参考面或参考点的相对距离。

3.根据权利要求2所述的电梯轿厢运行状态监测***，所述轿厢实时运行状态参数包括：轿厢的实时加速度、实时加加速度、实时速度、某一段时间内的移动距离、相对于参考系的实时位置和振动幅度；所述测距传感器用声波、激光辐射、无线射频中的一种，来测量轿厢相对某一参考面或参考点的相对距离。

4.一种电梯轿厢运行状态监测方法，其特征在于，所述方法包括：

A感测轿厢的加速度和/或感测轿厢在井道中相对于某一固定参考系的距离；

B采集轿厢加速度信号和/或轿厢在井道中相对于某一固定参考系的距离信号，经状态解算和处理获得轿厢实时运行状态参数，并根据所述实时运行状态参数进行智能监测算法和智能识别算法，获得电梯轿厢的实时运行状态；

所述步骤A具体包括：

将所述加速度信号进行信号调理、采集、数字化、温度补偿、插值解算和信息融合获得电梯轿厢实时加速度；和/或

根据感测轿厢在井道中相对于某一参考面或参考点的相对距离，经信号采集和坐标变换获得轿厢在井道中相对于固定参考系的实时位置；

所述加速度为三维加速度；所述步骤B具体包括：

根据三维加速度和轿厢在井道中相对于某一参考面或参考点的相对距离，经数据融合、运行状态解算获得轿厢实时运行状态监测参数，并根据所述监测参数进行智能监测算法和智能识别算法获得电梯轿厢的实时运行状态；

所述轿厢实时运行状态监测参数包括：轿厢的实时加速度、实时加加速度、实时速度、某一段时间内的移动距离、相对于参考系的实时位置和振动幅度；

根据所述轿厢实时运行状态参数进行智能监测算法，获得电梯轿厢的实时运行状态；所述实时运行状态包括：电梯实时运行方向、电梯是否超速运行、电梯是否准确平层、实时平层楼层数、不能正常平层时距离某一平层楼层正常平层位置的距离；

根据轿厢实时运行状态参数进行智能识别算法，识别出电梯故障停机、正常运行状态和检修运行状态；

根据所述轿厢实时运行状态参数进行智能监测算法和智能识别算法获得的实时运行状态和识别结果进行智能评估算法，评估电梯风险及预警、故障告警和评价舒适度。