电梯操作、竖井和建筑物的物联网安全预测监控

安德鲁·戈林、保罗·里瓦

本文于 13 年 2022 月首次在第 XNUMX 届电梯与自动扶梯技术研讨会上发表，并在研讨会网站上发表，网址为 Liftsymposium.org.

关键词： 安全、预测性维护、持续监控、电梯、建筑物

抽象。 当前市场缺乏适用于电梯和楼宇健康监测系统的单一可靠且具有成本效益的解决方案。 一个专门设计的安全装置可以将任何电梯变成一个建筑结构监控系统，可以对电梯的运行状态和建筑结构的健康状况进行持续的远程监控和实时诊断。 云连接传感器包将持续跟踪振动、加速度、位移和其他物理现象等变量。 从专门定位的传感器收集的数据将无线传输到云端，并通过定制的分析软件使用基于机器学习和认知计算的可靠特定算法进行筛选。 因此，可以实时检测到许多电梯或建筑物的异常情况。 用户可以通过智能手机、平板电脑和 PC 上的仪表板接收警报、通知和报告，以进行进一步的工程分析。 该解决方案将允许电梯公司和业主在发生故障、损坏或事故之前进行计划和行动，从而在中/长期内降低他们的财务成本（预测性维护）。 

将电梯监控与建筑物监控相结合没有潜在的缺点，并且建筑物和电梯维护承包商之间没有冲突的风险，因为违反阈值的根本原因是由电梯和建筑物的两个独立信号区分的。 给定不同的频率响应，数据分析侧重于其中之一。 然而，这两种收集的数据可以很容易地结合起来，并提供否则无法获得的额外信息。 数据的读取组合将提高人们的整体安全性、优化维护、提高性能并保护资产的长期价值。 

建筑物和电梯也容易出现逐渐老化的过程。 根据欧盟 (EU) 委员会的数据，大约 80% 的欧盟建筑存量超过 25 年，人们一生中大约 86.9% 的时间都在建筑物内度过，包括电梯。 此外，由于快速城市化和不利的自然事件，包括地震、山体滑坡、洪水等，所有建筑物都容易受到危害。 

在大多数情况下，建筑结构和电梯的逐渐恶化或缺陷是隐藏的，并且在发生故障之前不会被注意到。 目前，电梯和楼宇的维护是基于多次定期检查，导致成本高、效率低，导致二氧化碳排放₂ 分散。 专门设计的安全设备可以提供一种解决方案，通过使用电梯井道作为矢量，24/7/365 远程监控电梯和建筑物。 一个用户友好的解决方案可以实现准确的维护计划，从而减少所需的现场访问次数，从而最大限度地减少路上的交通和人员进行不必要的现场访问，有助于生成更高效的生态系统。

1. 引言

建筑物和电梯很容易自然老化。 大约 80% 的欧盟建筑存量超过 25 年。 所有建筑，包括新建建筑，都容易受到人类活动、快速发展的城市化进程和自然环境（包括地震、山体滑坡和洪水）造成的危害。 在大多数情况下，建筑结构和电梯的逐渐恶化/磨损甚至损坏或缺陷都是隐藏的，并且在发生故障之前不会被注意到。 由于故障和重大事件或灾难导致的事故时有发生。 人们一生中大约有 86.9% 的时间是在建筑物和电梯内度过的。 Homes、办公室、学校、医院、商店和酒店都是需要保持安全的地方！ 迄今为止，利益相关者无法全天候访问有关其资产状态的 24/7/365 信息，也无法监控可能影响建筑物和电梯的因素，使它们在无法居住或无法运行之前变得不安全。 人员和经济损失的统计数据非常可观。 这不是可推迟的需求。

本文将简要介绍物联网远程连续监控如何成为全球建筑物和电梯数字化转型和现代化的关键，通过评估和提供建筑物和电梯的诊断来提高城市的弹性，旨在减少关键事件，保护人们的生命和房地产投资。 对获得的数据进行分析可以实现预测性维护，从而提高性能、提高可靠性并减少停机时间，从而提高整体安全性，同时降低中长期成本。 经济和社会可持续解决方案在城市环境中的扩展应用可以有助于大规模缓解风险，使世界建筑/城市更安全、更有弹性和更高效。

全世界大约安装了 20 万部电梯，其中大部分是在 1999 年之前，即 95/16/EC 指令生效之日。 现在，他们在能源和安全效率方面处于技术过时的状态； 此外，建筑物因老化以及自然和人为威胁而面临风险。 在一个不断发现困难的经济平衡的世界中，预防和安全要求往往很难在管理员的优先列表中攀升。 市场数据表明，全球城市化趋势强劲，从现在到 13,000 年，每天要建造大约 2050 座新建筑； 大多数将建在城市地区，需要不断监测影响结构健康的潜在风险。

为什么现在？

如今，结构健康监测是一项复杂且昂贵的服务。 在没有支持其采用的具体立法规则的情况下，计划使用电梯预测性维护，这带来了切实的经济利益，作为引入毛细管系统的强大推动力，用于监测建筑物的健康状况，以实现更安全，有弹性和高效的社会。 目前，市场上没有具有成本效益的解决方案来使具有所描述的特征和特殊特征的旧装置焕然一新。

传感器、云计算、人工智能、机器学习的技术进步以及应用科学知识的质量提高，促进了快速的视觉设计-原型制作-上市流程。更重要的是，所解决的问题是当前的，符合欧洲对弹性城市（安全）、循环经济（重复使用现有设施）、可达性（提高设施可用性）和节能（减少空载旅行、提高总体效率）的目标。总而言之，居家或远程工作的新趋势是潜在和迄今未满足的需求浮现的因素和先决条件。与电梯事故或建筑物部分或全部倒塌有关的损害统计数据正在增加。最近报道的法国波尔多和佛罗里达州迈阿密的事件证实，建筑物是极其脆弱的结构，必须以有效的方式进行监控。迫切需要一种能够提高风险意识并通过新的电梯和建筑物诊断功能改进评估的解决方案。

2. 建筑结构健康和电梯运行状态的连续远程监控和实时诊断

2.1 物联网监控解决方案：基础知识

云连接传感器包持续跟踪变量，如振动、加速度、位移和其他物理现象。 来自传感器的数据被无线传输到云端，并通过定制的分析软件使用基于机器学习和认知计算的可靠特定算法进行筛选。 这样，可以实时检测异常。 用户可以在智能手机、平板电脑和 PC 上接收警报、明确的通知和报告，并远程收集建筑和电梯数据，准备好进行汇总以供进一步分析，所有这一切都通过可定制且用户友好的仪表板完成。

2.2 现有的解决方案有哪些，它们的局限性是什么？

电梯的维护通常仅限于定期检查，这是一种预防性维护逻辑，虽然提高了安全性和可靠性标准，但效率不高，尤其是因为它没有考虑到电梯的实际使用情况。 不能保证最大安全和效率的是时间-频率。 往往只有在出现故障和事故时才进行干预。 目前市场上的解决方案都旨在在不同层面实施电梯监控系统，仅在电子板供应商与电梯控制器接口的地方，允许远程查看运行状态的某些数据和其他数据，这要归功于安装传感器，可以更深入地测量特定部件的磨损状态。

2.3 为什么提出的解决方案与现有解决方案相比是新的？

拟议的解决方案利用了最新一代“MEMS”传感器提供的最新技术标准，这是一个具有专有机器学习算法的云平台。 “MEMS”比其他类型的传感器（例如，“FE”压电传感器）便宜得多，并且可以为第一级分析（警报阈值）提供足够的响应，以进行更深入的跟踪（特别是对于建筑物）。 与其他解决方案不同，所提出的解决方案适用于任何电梯，实际上是一个独立的链条，不会使电梯的保修或安全失效。 它很容易由电梯维护人员安装，并通过方便的订阅激活。 主要的创新特点是，迄今为止，还没有其他远程电梯监控解决方案在单个安装中包含对建筑物结构状态变化的远程监控。 衡量建筑物生命周期各个阶段不同威胁的影响以确定其结构健康状况非常重要，这成为提高“电梯-建筑-人”生态系统安全水平的基本要求。 使用电梯竖井作为收集电梯和建筑数据的手段具有强大的优势：经济、技术和实际意义导致成本降低，与市场上的其他解决方案相比侵入性更小且安装更安全，同时提供更丰富的可用数据作进一步分析。

2.4 为什么存在某项重大改进？

拟议的远程连续监控解决方案代表了新的和现有应用环境中建筑物和电梯维护服务流程的重大改进。 对获得的数据进行分析可以实现预测性维护，从而提高性能、提高可靠性并减少停机时间，从而提高整体安全性，同时降低中长期成本。 通过建议的应用程序获得的丰富数据非常有用，因为它可以随着时间的推移提高整个生态系统的整体诊断能力。 这就是这项创新的核心价值：将任何电梯转变为监测建筑物结构健康状况的工具，对能源效率、可达性和安全性具有整体优势。

建筑物和电梯“组合”监控系统可以帮助关联建筑物对电梯的影响以及电梯对建筑物的影响。 通过这种方式，可以通过将客观责任归因于电梯系统/维护或建筑结构行为来确定产生故障的原因/结果。

迄今为止，还没有对建筑物与电梯相互作用之间的相关性进行研究或研究。 因此，对建筑物和电梯进行联合监测有助于确定所产生问题的根本原因。

日立所做的一项研究表明，地震导致大约 15,000 部电梯装置停运，这凸显了强有力的维护/更换的必要性，同时表明了毛细管监测的必要性，因为调查和维修需要很长时间。 在事件前后对建筑物进行准时监测，可以及时调查建筑物本身的状态，从而通过识别可能影响电梯系统的任何事件后结构变形来及时调查电梯。

由于持续和准时的监控，可以了解建筑物的行为以及这可能对电梯造成的问题，并且还可以在统计基础上识别多年来可能产生的最频繁的异常情况。

独立机构（ELA）和公司的官方报告显示，近年来，大多数升降机事故是由于：

这些问题是由维护不善、安装过程中的错误或建筑物移动影响引起的吗？ 适当、简单的监控旨在提前拦截根本原因。

2.5 好处

由于快速城市化和人口增长将在很大程度上推动人类和自然灾害对建筑物的影响，因此利益相关者需要更好地了解建筑和电梯行为及其健康状况。 需要一个平台来帮助利益相关者在严重损害和发生之前做出决策并计划充分的干预，避免事故和金钱损失（预测性维护），或在地震等重大事件之后。 由于意识的提高，这最终可以做出更明智的决策。 其目的是通过高质量、高效和具有成本效益的数字技术影响市场，提高建筑物和电梯的安全性，减少充满挑战的经济中的管理费用，在潜在问题导致损坏或故障或更糟的情况之前通知潜在问题事故，最大限度地减少停机成本，提高整体性能，最大限度地延长产品寿命和利用率，并随着时间的推移保持资产价值，同时帮助管理关键事件后的紧急情况。 保险公司可能会引入“构建黑匣子”解决方案，以监控关键要素，为市场提供参数保险模型。

3. 监控平台：项目组成 

• 传感器： 硬件设计采用基于“MEMS”技术的最先进传感器，包括三轴加速度计和测斜仪。 额外的传感器用于测量噪声、温度、湿度等物理量。“MEMS”传感器尺寸更小，连续监测 (24/7/365)，并且相互连接形成链。 它们战略性地沿电梯竖井布置：在电梯导轨上、电梯轿厢顶部和底坑中。

• 算法： 算法在建筑安全应用中执行不同的功能。 来自传感器的大量数据在发送到云端的数据中进行对冲计算。 内部开发的算法代表了项目中最关键的部分，因为它们从大数据中生成有价值的信息。 算法分析振动、加速度和位移并进行诊断，以评估系统的健康状况并以预防方式发送警报信号。 这些专门嵌入的算法将接收到的数据转换为有用的指标，并在仪表板上提供可视化表示。

• 网关： 传感器收集的数据传输到网关进行分析和过滤，然后传输到云端。 网关通过专用电缆和过滤器连接到传感器链。 来自传感器的大量数据流，通过合适的算法在本地进行分析，从而提取综合指标。 通过这种方式，与传感器收集的原始数据相比，发送到云端的信息量要少得多。 该网关包括针对电子设备的特定内部开发固件、不同模块光纤/2G/3G/4G/5G 之间的通信协议和自定义算法。

• 云平台： 通过不同类型的连接，可以持续不断地传输数据。 数据在先进的云平台中处理，在该平台上实施了内部强大的分析算法，利用认知计算。 更具体地说，云从网关接收数据，使用认知计算进行更深入的分析，并将输出发送到前端仪表板。

• 仪表板： 最相关的信息通过用户友好的仪表板直观呈现，可通过任何现代电子设备访问。 这可以根据合同服务和客户偏好进行定制。

4。 安装

专有技术设计安装在建筑物的电梯井中。 由于电梯竖井与建筑物刚性连接，任何建筑物的运动（位移、旋转、加速度）都与竖井的运动在运动学上相关； 因此，安装用于评估电梯性能的相同传感器可以提供评估建筑物结构稳定性所需的数据。 传感器位于电梯竖井的关键位置，如图 6 所示。

5. 特性/用例

电梯和建筑日志： 可以在 PC 和/或智能手机上提供定期报告或实时通知。 所提供的数据提供了干扰或风险因素存在的客观证据，以及可用于执行特殊维护工作的有价值的信息。 当受到环境引起的变形和振动时，它会跟踪电梯和建筑物性能响应的历史。 一个真正的黑匣子还可以促进和加速事后可用性的验证。

• 提升用户体验： 通过合并来自不同传感器测量的数据，可以根据定义的一组服务质量来评估是否超过了一组阈值。

• 电梯使用： 提供电梯出行数据的一级统计分析，测量出行次数，提供主要目的地计数，平均出行时间，衡量一段时间内的容量利用率，并按月衡量总出行距离。 提供对电梯系统使用情况的估计，以重新规划基本维护服务（例如，润滑）。 电梯使用分析可以支持人流管理分析，并用于检查电梯何时进入“故障”模式。

• 人员干扰： 测量三个轴向维度的振动，甚至是人类活动（工业机器的运行、一般道路和交通、建筑工地活动）产生的振动，并用作“对人造成潜在干扰的指标”。

• 地下室加速： 监测地震和附近的自然振动或人为振动（例如地铁振动）对建筑物地下室的影响。 这种运动通常在地面传播。

• 建筑漂移： 计算由外部因素引起的建筑物产生的最大和剩余倾斜度。 通过分析从传感器接收到的数据，可以评估与潜在结构故障相关的风险。

• 建立健康： 检查建筑物对内部或外部事件的结构响应。 在附近发生爆炸、地震群或建筑工程的情况下，检测单个建筑物在其自身参考环境中的典型行为的异常情况，并持续监测其稳定性条件。 专门设计的算法可以根据适当的振动频率和阻尼特性对建筑特征响应进行动态识别。

• 建立诚信： 传感器的三轴加速度计可检测可能对建筑物造成外观损坏的振动，例如裂缝、裂缝和灰泥脱落。 以这种方式，监测非结构性损伤阈值。

6. 主要特征和能力  

该解决方案的主要特征包括：

• 适用于所有新旧电梯。 它是一个系统，可确保与所使用的电梯技术（电动、液压、传统或更新）具有最大的兼容性。
• 电梯的关键性能参数（例如，振动、负载、速度/加速度、摩擦力、使用情况和工作时间）通过战略性定位的传感器套件进行准确测量。
• 可以从安装在电梯井中并用于检测结构行为的传感器获得有关建筑物结构行为的宝贵信息。
• 通过基于云的平台和专用应用程序（PC、笔记本电脑、手机），技术人员和操作员可以持续进行实时监控； 可以发送警报以通知风险或故障。
• 使用定制的预测算法，可以：
• 通过在检测到异常时发送警报来避免意外故障
• 通过快速、远程故障诊断减少电梯停机时间
• 减少现场维护访问：提高效率和有效性，降低成本
• 评估部件的磨损，管理预防性维护和备件库存优化
• 提高电梯和建筑物的整体安全性
• 提高服务质量

7。 总结

本文展示了如何在不影响个人隐私权的情况下将每部电梯变成建筑物结构健康的监测工具——旨在确保高水平的人类健康保护。 所带来的创新旨在影响我们的社会，尤其是在社区、公司和机构等高度人口密集的环境中。 典型的用户是本地和跨国电梯公司，因为通过它们，全球每天有超过 2 亿人使用电梯。 这项创新还使公寓业主和租户、建筑经理、电梯维修公司、大型业主（跨国公司、酒店和商业连锁店、银行、保险公司、拥有建筑存量的公共行政部门）、设施经理和民防机构受益。 这项创新将影响整个 AEC（建筑、工程和施工）行业、保险公司、电梯制造商和系统集成商。

电梯制造商可以采用新系统来提高易受自然灾害风险或城市化进程加快地区用户的安全，并在市场上提供差异化​​产品。 对资产健康状况有更好认识的所有者将能够保护他们的投资，减少开支。 公共机构将获取有关自然事件影响的数据，这些数据有助于协调救援干预措施以及评估建筑和电梯的“适合使用”状态。 电梯维护公司将监控他们的电梯车队，通过提供更好的服务来优化他们的工作，避免非生产性或决定性的退出和干预，或者提供无用的过早组件更换。 设施经理可以简化对异构房地产资产的管理，优化性能和成本，提高整体安全水平。 配备此类系统的电梯和建筑物的所有用户将享受更高的安全性和更好的舒适性。

电梯的连续远程监控是一项迅速兴起的技术，当然也是预测性维护市场的一项要求。 具有内置“建筑功能”的电梯监控解决方案改进了流程、提高了效率、提高了盈利能力，但最重要的是，提高了人们的安全性和可及性。 人员伤亡和经济损失的统计数据总体上令人震惊，全球对这一因素的认识正在增强。 将每部电梯变成监测建筑物结构健康的工具是当前市场格局中的独特解决方案。

案例

[1] UNI 9614: 2017 Misura delle vibrazioni negli edifici e criteri di valutazione del disburbo 

[2] ISO 2631/1:1997 机械振动和冲击——人体暴露于全身振动的评估——第 1 部分：一般要求

[3] UNI 9916:2014 建筑振动效果评估标准 

[4] ISO 4866:2010 机械振动和冲击 - 固定结构的振动 - 振动测量及其对结构影响的评估指南

[5] “MEMS”也写作微机电系统（或microelectronic and microelectromechanical systems. en.wikipedia.org/wiki/Microelectricmechanical_systems 和 www.cnr.it/en/focus/029-4/mems-micro-electric-mechanical-systems-for-wireless-architectures

[6] “FE” 有限元。