如何利用机器数据帮助跨国界、跨不同规范整合电梯维护

该论文在巴哈马天堂岛举行的 2024 年国际电梯和自动扶梯研讨会上发表。

作者：Patrick Bass 和 Daan Smans

1。 抽象

目前，全球一半以上的人口居住在城市地区（55%，高于30年的1950%）。^[1] 同时，预测表明，未来人口增长几乎完全归因于城市居民数量的增长。^[2] 为了促进这种增长，城市越来越多地向上发展，因为快速向外扩张往往会导致土地市场扭曲、发展地区服务不足以及非正式扩张脱节。^[3]

随之而来的是，电梯在我们的日常生活中扮演着越来越重要的角色。电梯确保人们在住宅、工作场所和零售场所的顺畅流动，直到它们停止运行。为了确保电梯安全可靠地运行，需要根据当地规范进行充分的维护。

专门从事电梯维护的公司通常会遵循维护控制计划 (MCP)。这些计划本质上是一系列维护任务、程序、检查、测试和记录，以确保设备的维护符合相关要求。^[4]

通过传感器融合获取的机器数据、机器学习和物联网 (IoT) 等新兴技术，如今正助力实现动态 MCP，以满足每台电梯的需求，无论其品牌、型号、使用年限或地理位置如何。本质上，通过直接在传感器边缘采集机器数据，电梯的运行参数可以通过通用物理定律进行解读。^[5]

例如，可以通过融合光学传感器（例如，开启和关闭距离）、加速度计（例如，振动和速度）、温度传感器（例如，门电机温度）等来监控电梯门的运行。

将机器学习应用于长期收集的海量数据后，汇总的数据图可以评估电梯的实际维护需求。基于物联网的底层基础设施能够在任何有互联网连接的地方实现大规模连接。最后，本地需求可以作为与地理位置相关的标准纳入数据模型，确保合规性。

2. 引言

当想到公共交通系统时，我们许多人首先想到的是公交车、地铁等。这并不奇怪；韦氏词典将公共交通定义为“通过公交车、地铁等方式运送大量乘客，尤其是在城市地区。”^[6] 然而，有一种公共交通方式虽然没有被《韦氏词典》明确收录，但在其他方面完全符合标准，却在乘客量方面脱颖而出：电梯。例如，美国人每年乘坐电梯的次数超过20亿次。^[7] — 是人们通常认为的公共交通出行次数的两倍。^[8]

随着全球人口不断增长，越来越多的人选择在城市安家，城市化大趋势^[1,2] 必然会进一步提升电梯的客流量。由于电梯是机电设备，充足的维护也变得越来越重要。各行业特定的规范和标准以及原始设备制造商都对各种维护类型设定了最低要求。电梯维护服务提供商将这些要求转化为所谓的“维护控制计划”（MCP），以确保在整个已安装的电梯群中始终如一地执行维护。

长期以来，这种电梯维护方法已证明其价值。然而，一些关键挑战正在挑战传统电梯维护的局限性。最关键的是，不断增长的电梯安装量需要由日益减少的熟练电梯技术人员来维护。此外，不同地区的规范和标准差异进一步加剧了这一挑战，这些规范和标准所需的专业知识增加了进入门槛，并限制了职业流动性。

幸运的是，基于传感器融合概念的第三代远程监控技术的出现，可以逐步应对这些挑战。本文将阐述如何利用此类机器数据，跨越国界和不同规范，整合电梯维护，涵盖以下领域：
♦ 电梯维护的历史和概念（基础）
♦ 影响传统电梯维护的关键挑战（相关背景）
♦ 让电梯告诉我们何时需要进行哪些维护（实际应用）

3.电梯维护的历史和概念

在工业革命之前，任何与我们现在所认为的设备维护稍有相似之处的东西都很少见。一个显著的例外是法国蒙哥尔菲家族拥有和经营的造纸厂。大约在1800年，他们开始实行定期维护，每年安排35天进行维护。^[9] 工业革命期间，世界的快速机械化证明了孟格菲尔人已经意识到的一个事实：加强预防性维护的必要性。

我们今天所知的现代电梯也是工业革命的产物。尽管各种形式的升降机自古以来就已存在，但它们的设计本身就存在安全隐患。1853年，伊莱沙·格雷夫斯·奥的斯在纽约水晶宫博览会上首次展示了他发明的安全制动器。在一次公开演示中，他把自己吊到高出人群的平台上，然后用斧头砍断了悬挂绳索。“一切安全！”当他的安全装置停止坠落时，他大声喊道。^[10] 1857 年，第一部乘客电梯（蒸汽动力）在纽约市的 Haughwout 百货公司安装。

最初，电梯维护很简单：坏了就修。维护纯粹是被动的，通常被称为纠正性维护。然而，如果没有定期检查，设备因磨损而产生的性能下降就会被忽视，导致频繁故障。虽然在当今时代，这对我们来说似乎不言而喻，但错失了预期定期预防性维护益处的机会，导致人们对电梯的安全性再次产生怀疑，并因此不愿在日常生活中大规模使用电梯。

在世界的另一端，当时的普鲁士王国（即现在的德国），这种怀疑导致了 1884 年第一部电梯安全法规的出台，名为“电梯安全与经营条例”。^[11] 几年前，在 1880 年的曼海姆普法尔茨高贸易与农业展览会上，维尔纳·冯·西门子展示了第一台电动电梯——有趣的是，它是铁路设计的副产品。^[12] 回到美国，1887 年亚历山大·迈尔斯 (Alexander Miles) 设计了一款电梯，当电梯到达或离开特定楼层时，它可以自动打开和关闭轿厢门和层站门。^[13]

大约在这个时候，乘客电梯的普及才真正开始。电梯设计开始变得更加便捷和人性化，而电梯的安全性和可靠性问题也越来越多地通过定期检查来解决。然而，定期预防性维护尚未形成规范。在美国，电梯的规范编写最初由电梯制造商协会负责，但后来转移到美国机械工程师协会 (ASME)。^[14] 1921 年，ASME 发布了《电梯、小型升降机和自动扶梯的建造、运行和维护安全标准 A17 规范》^[15] — 有史以来第一个包含预防性维护专门章节的电梯安全规范。

自引入以来，多年的经验不断扩展了本节内容。既要考虑传统的维护方法，也要考虑新的维护方法以及技术变革。随着规范中维护项目数量的增加，它们逐渐融合成一个维护方案。目前的规范规定了维护控制计划 (MCP)，它既基于性能，又基于规范。^[16]

这些 MCP 必须由专门从事电梯维护的公司采用，并在其预防性维护操作中实际应用。本质上，预防性维护是对零件、组件和子系统进行例行检查、润滑、清洁和调整的过程，目的是确保电梯的性能符合适用的规范要求。MCP 通过规定需要执行的必要工作项目、提供已完成工作的记录位置以及包含完成记录来指导这一过程。

尽管由于机电设备的特性，电梯维护的重点已从被动维护转向预防性维护，但电梯故障仍然不可避免。即使定期进行电梯维护，电梯故障频率通常也高达每年四次。^[17] 因此，电梯维护操作通常包括预防性维护和反应性维护：

1. 预防性维护旨在解决设备在正常使用过程中因磨损而导致的性能下降。磨损通常会导致系统损坏，使其不再以理想状态运行，但仍能正常运行；^[18]
2. 纠正性维护旨在解决设备故障，即磨损导致系统无法再正常运行（导致质量不可接受的下降）的情况。 ^[18] 设备故障的另一个原因可能是骑行者的错误使用（无意/意外，以及故意/破坏）。
   

虽然很多因素都会影响电梯的使用寿命，但一般来说，20年及以上的电梯可能需要进行现代化升级。电梯使用20-25年后，通常就接近其成本效益寿命的终点。此后，设备可能需要更频繁地进行维护。即便如此，整体可靠性也会下降。图1以概念化的方式展示了设备寿命的各个阶段。

4. 影响传统电梯维护的关键挑战

尽管业内人士常常将电梯维护作业比作救火，但许多日常挑战其实都可以追溯到更根本的根本原因。本节将探讨两个根本原因：一是普遍存在的跨行业大趋势，但其影响却因行业而异；二是纯粹的行业特定问题。

跨行业的大趋势是，受城镇化推动，电梯行业将持续增长。^[1,2] 尽管不断增长的市场本身就充满挑战，但不断增长的电梯安装量需要依靠日益减少的熟练电梯技术人员来维护。这导致每位电梯技术人员的维护单元数量持续增加，进而需要减少每次维护所需的时间，以保持总工作量可控。在提供理想服务质量和保持总工作量可控之间日益加剧的冲突，给日常电梯维护运营带来了困境。

根据美国劳工统计局的数据，预计从 6 年到 2023 年，电梯安装和维修工的就业人数将增长 2033%，高于所有职业的平均增长速度。^[19] 尽管人口老龄化已经导致总体可用劳动力减少，但互联网及其周边产业的快速崛起正在创造前所未有的新就业岗位。因此，随着劳动力老龄化和更多就业岗位的涌现，人们普遍预计未来几十年熟练劳动力供应的减少将持续存在。尽管各国统计数据各不相同，但在其他电梯市场也普遍存在同样的趋势，在这些市场中，现有电梯的维护费用占电梯业务的绝大部分。

更具体行业特有的问题是规范和标准的协调工作停滞不前。本质上，规范的本地化增加了复杂性，降低了规模经济效益，并阻碍了工人的流动。尽管行业内普遍认同协调的好处，但融合也需要做出妥协。这项工作由国际标准化组织 (ISO) TC 178 委员会负责，该委员会由来自各国委员会的专家组成。

过去30年来，电梯行业标准与欧洲标准 (EN) 81-1/2（自2014年起修订为EN 81-20/50）趋同的趋势十分明显。然而，成熟电梯服务市场中长期存在的规范——例如美国和加拿大采用的协调一致的ASME A17.1/B44规范（以及日本的BSLJ）——至今仍在证明其价值。至关重要的是，EN 81与ASME A17.1/B44（以及BSLJ）之间的根本方法存在本质上的不同：
♦ EN 81 是基于性能的规范，使用认证文件。
♦ ASME A17.1/B44 和 BSLJ 是要求遵守规范的规定性规范。

由于这些不同的编纂方法，宣布等效性本身就存在风险。2015年，ISO TC 178更新了趋同路线图，跳过了通常需要多年的协调工作，而是将基于绩效的欧洲规范纳入了新的ISO 8100第1部分和第2部分。这引起了技术委员会工作各方的担忧，这是可以理解的。

自2018年以来，朝着统一真正全球通用的电梯规范迈进的进程陷入停滞。根据ISO TC 81在1年的统计，全球已采用的电梯规范显示，唯一未符合EN 2-178/2015标准的国家是美国、加拿大和日本。

具体到美国，该国内部也存在着相当程度的碎片化，因为并非所有地方主管部门 (AHJ) 都会在 ASME A17.1/B44 规范发布后自动采用最新版本。该规范的最新版本生效于 2022 年，而例如，负责美国最大电梯安装基地的 AHJ——加利福尼亚州——仍在执行 2003 年版本。此外，不同 AHJ 之间有许多地方性法规存在差异。这阻碍了员工的流动——无论是新入行的员工，还是希望跳槽的现有专业人士——即使在地方层面也是如此，因为几个较大的都市区横跨不同的 AHJ。

5. 让电梯告诉我们何时需要维护

许多世界领先的电梯公司从 1980 世纪 1990 年代末到整个 XNUMX 年代都开发并推出了各自的早期远程监控系统 (RMS)。这些第一代系统主要基于电梯控制系统的预处理诊断数据，使用基本的分析方法和少量传感器。这些系统是在互联网出现之前开发的，因此通常将数据存储在本地数据库中。

这些第一代系统为电梯行业带来了创新，使其成为远程监控技术的早期采用者。然而，技术上的限制也意味着这些原始系统缺乏工作流程集成，因此，其效益的实现也并不一致。1990世纪XNUMX年代互联网的迅速崛起和广泛应用，催生了基于物联网（IoT）的下一代远程监控技术。

“物联网”一词最早由英国技术先驱凯文·阿什顿于 1999 年提出。^[20] 本质上，物联网是指物理项目或“事物”的网络——在本文中，“事物”指的是电梯——其中嵌入了传感器、软件和其他技术，目的是通过互联网与其他设备和系统连接并共享数据。

本质上，物联网提供了一个基础设施主干，解决了许多先前技术的局限性。例如，云技术提供了从任何设备随时随地访问数据、集中式数据安全性、更高的性能和可用性、快速的应用程序开发以及无限的存储容量。在云端，机器学习 (ML) 技术使得处理和适应海量数据成为可能；通过使用统计算法，ML 可以从数据中学习，泛化未知数据，从而在无需人类明确指令的情况下执行任务。利用物联网基础设施主干的 RMS 通常被称为第二代 RMS。

然而，关于使用何种类型的输入数据的方法并未重新评估。电梯控制器作为电梯的“大脑和中枢神经系统”，通常被认为是提供所有所需相关数据的最合理来源。普遍的基本假设是，电梯技术人员已经广泛使用电梯控制器的诊断功能作为主要事实来源。当时的重点是协调工作流程并集中诊断工具集。这意味着来自电梯控制系统的预处理诊断数据仍然普遍存在。

以电梯控制器为中心的物联网解决方案很快被证明在不同品牌、型号和代次的电梯设备的兼容性方面存在自身的限制，并且数据质量和可用性也受到限制。

兼容性限制是由于用于与电梯控制器接口的硬件连接器种类繁多——物联网边缘设备的软件与电梯控制器的交互方式也各不相同。许多老一代电梯控制器根本不具备接口功能，因此需要进行现代化升级。从数据角度来看，为了对故障检测进行建模，机器学习需要能够确定电梯在正常运行参数下如何运行，这些参数在故障发生前如何变化，以及最终故障的实际情况。电梯控制器仅在出现问题时提供错误代码和状态模式更改，这极大地限制了机器学习的预测能力。

大约在20世纪初，业界开始出现首批直接使用来自传感器边缘数据的物联网解决方案。此时，传感器融合的概念应运而生。与前几代从电梯控制器获取预处理诊断数据不同，传感器融合直接在电梯边缘获取数据。 the source 来自多个并行工作的不同传感器。这样，普适的物理定律便得以应用。尽管物联网仍被用作骨干基础设施，但数据采集方法却截然不同，基于传感器融合的解决方案通常被称为第三代 RMS。另一个关键区别在于，这一次，无论是专门从事传感器技术的电梯公司还是科技初创公司都是先行者。这使得更广泛的电梯维护服务提供商能够使用 RMS 类型的技术。

如果能够合理地整合传感器融合技术，它有助于减少机器感知的不确定性，因为每个传感器都有其独特的优缺点。仅使用一个传感器来识别周围环境不够可靠，会导致最终结果出现误差。相反，传感器融合算法可以处理所有输入，从而生成更准确、更可靠的结果——即使单个测量值并非总是足够可靠。因此，传感器融合的概念解决了使用电梯控制器诊断数据（即错误代码和状态模式变化）所固有的局限性。传感器可以普遍应用，不受品牌、型号或设备使用年限的限制。此外，通过使用直接从传感器边缘获取的数据，可以利用普遍的物理定律来克服数据质量和可用性的限制。

如今，技术可及性的普遍性以及数据采集的一致性使得动态MCP得以广泛应用。尽管MCP最初并未考虑远程监控功能，但它们既不会直接也不会间接地禁止使用此类系统提供的可操作洞察。通过考虑每部电梯的具体情况，可以在不影响服务质量的情况下显著优化现场运营时间。

此外，物联网基础设施主干网还能将任何具体的规范要求和地方法规纳入每个AHJ级别。这样，无需进行大量培训即可确保遵守适用的维护要求，从而降低了工人流动的障碍。

结论

随着全球人口不断增长，越来越多的人将城市视为自己的家园，城市化的大趋势^[1,2] 必然会进一步推高电梯客流量。由于电梯是机电设备，因此，充分的维护变得越来越重要。
同样重要。

然而，不断增长的电梯用户群需要由日益减少的熟练电梯技术人员来维护。如何在保证服务质量的同时又能控制整体工作量，这对日常电梯维护运营构成了挑战。由于电梯规范统一和版本采用方面的碎片化，导致员工流动性降低，进一步加剧了这一问题。这些挑战使传统的电梯维护方法面临越来越大的压力。

新兴技术最近催生了基于传感器融合概念的第三代 RMS。与前几代从电梯控制器获取预处理诊断数据不同，传感器融合直接在电梯控制器上获取数据。 the source 多个不同的传感器并行工作，运用普适物理定律进行数据分析。这样，每部电梯，无论品牌、型号或使用年限，都可以配备 RMS。

通过考虑每部电梯的具体情况，MCP 可以根据实际维护需求进行动态调整。这样，机器数据就可以帮助跨国界、跨规范地整合电梯维护。

案例

[1] 联合国经济和社会事务部人口司（2019年）。《世界城市化展望：2018年修订版》（ST/ESA/SER.A/420）。美国纽约州纽约市：联合国

[2] 联合国经济及社会理事会人口与发展委员会（2018年）。《世界人口趋势》（E/CN.9/2018/5）。美国纽约州纽约市：联合国

[3] Mahendra, A. 和 KC Seto。2019 年。“向上和向外增长：管理城市扩张，实现全球南方更公平的城市。”工作论文。美国华盛顿特区：世界资源研究所。可在线访问 城市与人.

[4] Koshak, JW，2010 年。“新设备设计的维护：MCP 在 MRL 电梯中的应用”，美国阿拉巴马州莫比尔：ELEVATOR WORLD。

[5] Wu, Y.、Sicard, B. 和 Gadsden, SA，2024 年，“基于物理的机器学习：异常检测和状态监测应用综合综述”。加拿大安大略省汉密尔顿市麦克马斯特大学：爱思唯尔

[6] 韦氏英语词典。美国马萨诸塞州斯普林菲尔德：Merriam-Webster, Inc. 于 3 年 2024 月 XNUMX 日在线访问，网址： merriam-webster.com/dictionary/mass %20transit.

[7] 美国国家电梯行业公司，2020 年《电梯和自动扶梯情况说明书》，美国堪萨斯州托皮卡：NEII。

[8] 美国公共交通系统，《公共交通事实》，美国华盛顿特区：APTA。3年2024月XNUMX日在线访问，网址： apta.com/news-publications/public-transportationfacts.

[9] Rosenbrand，LN，1985 年《蒙哥尔菲造纸厂的生产力和劳动纪律，1780-1805》，《经济史杂志》，英国剑桥：剑桥大学出版社。

[10] 美国公共广播公司，《谁创造了美国——伊莱沙·奥蒂斯》，美国弗吉尼亚州阿灵顿：PBS。4年2024月XNUMX日在线访问，网址： pbs.org/wgbh/theymadeamerica/whomade/otis_hi.html.

[11] Rosin, O.，2021 年“Kein Aufzug ohne Reglement：Eine kleine Geschichte der Aufzugsverordnungen”，Senkrechtstarter – das Online-Magazin zur vertikalen Mobilität，柏林，德国：Schindler Deutschland GmbH 与 Raufeld Medien GmbH 合作。于 11 年 2024 月 XNUMX 日在线访问，网址为 辛德勒杂志。 de/技术/小历史.

[12] 西门子，《举起我！》，德国慕尼黑：西门子股份公司。11年2024月XNUMX日在线访问，网址： siemens.com/global/en/company/about/history/stories/electric-elevator.html.

[13] Kelechava, B.，2022年，《电梯简史》，美国国家标准协会，华盛顿特区，美国：ANSI。于11年2024月XNUMX日在线访问，网址：blog.ansi.org/history-ofelevators。

[14] Varasi, J.，2010年，《重型起重：电梯规范的历史》，美国机械工程师学会，纽约市，纽约州，美国：ASME。在线访问日期：11年2024月XNUMX日，网址： asme.org/topicsresources/content/heavy-lifting-the-history-of-the-elevator-code.

[15] 美国机械工程师学会，1921 年，《电梯、小型侍者和自动扶梯的建造、操作和维护安全标准规范》，美国纽约州纽约市：ASME。

[16] Koshak, J.，2010 年，“继续教育：维护——维护控制计划”，ELEVATOR WORLD，美国阿拉巴马州莫比尔：

[17] Filippone, J.、Feldman, JD、Schloss, RD、Cooper, DA、Stabler, JL 和 Zambrano, JF，2019 年，《电梯和自动扶梯事故重建与诉讼，第四版》，美国亚利桑那州图森市：律师与法官出版公司。

[18] Worden, K.、Dulieu-Barton, JM，2004 年，《系统与结构智能故障检测概述》，《结构健康监测》，英国伦敦：SAGE 出版物。

[19] 美国劳工统计局，《职业展望手册——电梯和自动扶梯安装及维修人员》，美国华盛顿特区：美国劳工统计局。24年2024月XNUMX日在线访问，网址： bls.gov/ooh/construction-and-extraction/电梯安装人员和修理人员.htm.

[20] Bassi, A.、Bauer, M.、Fiedler, M.、Kramp, T.、Van Kranenburg, R.、Lange, S. 和 Meissner, S.，2013 年，“让事物对话——使用物联网架构参考模型设计物联网解决方案”，Springer Open，德国海德堡：Springer。