物联网占据 Elevator World 进入工业5.0

PLM 和可持续发展的新时代已经到来。 

作者：克里斯蒂安·埃里克·托尼

本文在捷克共和国布拉格举行的 Elevcon 2023 上发表。

关键词： 物联网、工业 5.0、状态监测、预防性维护、数字孪生、电梯正常运行时间、产品生命周期管理 (PLM)

抽象

近年来，强大的云系统推动了物联网 (IoT)。近乎无限的带宽和数据传输速率现在允许“实时”状态监测和控制。例如，酒店垂直运输 (VT) 系统或简单的单电梯应用的健康、安全和产量与物联网之前的解决方案有很大不同。永久连接的机械生成“实时”生命数据，持续确保最短的门开关周期，及时检测子系统的错误趋势，警告潜在危险情况并帮助优化能源消耗。因此，人工智能可以区分引起问题的子系统和组件。这代表着对 PLM（产品生命周期管理）新时代以及最终可持续发展——工业 5.0 的决定性贡献。所有这些分析和智能结论的起源都是传感器融合；微观（生态）系统、WSN（无线传感器网络）、宏观（生态）系统，最后是万物互联的总网络——物联网 COP（通用操作图）或物联网通用操作系统。 

“物联网技术的普遍发展不可避免地会改变电梯的世界，这将是系统利用率和产量的巨大飞跃。”

1. 引言

独立电梯正在被联网 VT 系统取代，该系统是更大的 COP 参考示例的一部分（CSIRO，2023）。目前，新加坡是最先进(*)的城市，已经建立了完整的互联系统生态系统：从水平交通、VT系统到体育和健康设施、组织和社会活动等，几乎遍及各个方面现代生活的。一切都相互连接，每条数据都收集在数据即服务 (DaaS) 平台中（图 1），最重要的是，可供该国所有感兴趣的各方访问。电梯是 VT 的重要组成部分。 

（*） 各种出版物支持这种看法（BCG 新加坡，2019 年；新加坡政府教育局，2023 年）。

例如，电梯由政府维护的单独传感器系统监控。因此，电梯公司在允许政府访问其数据时有些犹豫，因此安装了独立的传感器系统。未来将无法阻止向周边物联网数据平台提供运营数据。但这并不是建立完全连接的物联网传感器系统的唯一原因。无论是在一座建筑物中还是在多个互连的建筑物中，物联网连接的传感器群的第一个直接好处是提高电梯（或自动扶梯）的效率，并通过状态降低总体拥有成本-最先进的预防性维护。

电梯“物联网化”还有什么其他原因呢？由于可持续性要求或仅仅由于极高的标准化程度和相对较高的销售数量，这些机器的 PLM（TECHNIA ADDNODE Group，2023）变得越来越重要。规模经济可以降低所有组件的成本，只有先进的 PLM（图 2）在生命周期的各个方面都采用务实的成本优化方法，才能使提供商保持竞争力。

很容易认识到，PLM 中的大多数阶段都直接受到物联网解决方案的影响，从而提高了电梯状态数据的可用性。

PLM 的一个令人惊讶的有趣方面是数字孪生 (A4 SYSTEMS™, 2023)，它在功能、安全性和成本方面对于领先设计变得越来越具有决定性。为什么？再说一次，这真的很简单。过去，数字孪生只是一个设计副本，但现在不再是这样了。由于电梯的“实时”生命数据（不仅来自系统的数据，而且同样来自现实生活环境的数据），数字孪生（图 3）或更好的数字孪生（越多越好），无论是飞机还是电梯，都提供了真正的数字孪生，而不仅仅是设计的数字孪生。明白了吗？

所有现实生活中的数据都被输入到设计双胞胎中，从而将其升级为现实生活中的数字双胞胎。这是模拟所有可能的现实生活情况以及成本计算和功能优化的理想基础。此外，一旦人工智能介入，危险情况也可以被绘制出来。 

最终，最近宣布的工业 5.0（图 4）广泛基于物联网，即提供所有现实机器和环境条件的综合数据库的可用性。欧盟出版物（欧盟委员会，2021）宣布的所有三大支柱——以人为本、可持续和弹性——均基于物联网数据，并通过人工智能进行科学分析。显然，没有传感器就没有数据，因此传感器技术在这一切中起着决定性作用。

下一章介绍电梯如何符合工业 5.0 并从中受益。

2.（电梯）与物联网云系统的连接

新加坡是互联生活的先锋（图 5），但也有其优点和缺点。如今，数据平台和数据服务的互联势不可挡，因为它提供了太多不容忽视的优势：帮助拯救生命、提高舒适度、提高效率、节省成本、增强服务，基本上让我们所有人的生活变得更加轻松（新加坡政府 EDB IoT/DaaS 超连接智能平台，2023 年访问）。因此，越来越多的社区将追随这一趋势。新的商业模式将被建立来取代旧的商业模式，使原始设备制造商能够更好地表现和适应。

过去，唯一的障碍是到下属数据平台或云的带宽或数据传输速率。但现在不再了。玻璃纤维电缆系统与 5G 的互连现在可提供 10 Gbit/s 和更高的速率，即使在最薄弱的链路中也是如此。作为下属系统主干的玻璃光纤与以太网、PON、WLAN、LAN 网络等相结合，使得数据收集（以及最终的计算）变得极其强大。最后，已经广泛推出的 5G 通信系统可确保以足够的速率进行与位置无关的数据收集和反馈。

可以说，最后一公里已经解锁，例如，社区现在能够连接所有设备（图6），无论其位于偏远地区还是交通不便的地区，从而使其成为社区的一部分。可用数据。数据被发送到云端，如有必要，可以实时完成所有必要的预处理、科学（人工智能）分析以及在数据平台上提供功能。

2.1 智能光幕和下一代物联网传感器

是否有可能重新发明已有数十年历史的光幕概念？是的。如果在所有情况下测量、监控并提供系统状况、性能和异常情况，则可以提高光幕（图 7）的“战斗价值”： 

• 门运动 
• 门之间的物体 
• 汽车旅行
• 轿厢在井道中的位置
• 环境条件

因此，毫无疑问，传感器融合（图 8）是先决条件。一个巨大的好处是易于服务，即系统可以预测需要哪个组件以及做什么，这意味着需要更少的熟练工人。

需要多功能传感器（CEDES Group，2017-2022）来获取所有必要的条件数据；同一传感器融合（几种不同的传感器类型合二为一）可以提供附加功能。

只有将获取的数据传输到下级云时，附加功能才有价值。因此，传感器或传感器融合需要能够以足够的数据速率进行通信。当然，目标是以适合当前情况的帧速率传输数据，并且尽可能接近“实时”。不用说，传输所有原始数据是不现实的，即使使用基于人工智能的计算，传感器中的高效预处理和适当的特征提取（融合）也是不可避免的。

3D 传感器最终将取代智能光幕，后者已经部分增强了 3D 功能。美国电梯和自动扶梯安全规范 A17.1 规定了各种功能，例如区域前监控，如果没有真正的 3D 功能，这些功能就无法实现（CEDES Group，2017-2022）。

但也有完整且真正的 3D 传感器可以保护整个门叶片，确保所有移动部件都得到覆盖/保护。相同的传感器还能够准确地统计登机和下机乘客的数量，并通过入口区域监控，帮助残疾人或老年人安全地进入等待的电梯。其他功能包括帮助防止汽车意外移动 (UCM) 或检测驾驶室和地板的移动部件（例如门）何时开始打滑，从而在必要时请求预防性维护。 CEDES 的紧凑型、颠覆性 ToF（飞行时间）多轴传感器将能够实现并提供这种水平的智能。  

作为传感器融合和/或传感器网络内的传感器，此类 3D 传感器（图 9）是无与伦比的物联网数据收集器和功能提供者（CEDES Group，2017-2022）。

2.2 直至 COP 的传感器系统和网络

这不仅涉及传感器融合（图 10），因为传感器系统也在网络和从属系统中连接，以创建 COP（参考 CSIRO 网络安全研究示例，2023 年访问）或通用操作图。传感器融合在汽车环境中已经很常见。

• 增强型传感器或不断发展的动态 3D 点云；导致更高智能的飞跃
• 传感器融合；微（生态）系统
• 无线传感器网络（WSN）；宏观（生态）系统
• 物联网； “一切”的总网络——COP 

3.数字孪生，PLM和工业5.0的基础

数字孪生是主动独特产品或独特产品服务系统的数字表示，通过单个甚至多个生命周期阶段内的模型、信息和数据来包含其选定的特征、属性、条件和行为。CIRP生产工程百科全书).

佛罗里达理工学院教授格里夫斯接受美国机械工程师学会采访。当被问到：“可以公平地说，工程师在先进的人工智能驱动的数字孪生中的角色是数据集的决策者吗？”格里夫斯回答说：

“请记住，作为人类，我们的重点是目标导向，但我们始终不会最大限度地减少资源。人工智能可以告诉我们哪些方法行不通，或者是否已经尝试过，从而帮助我们减少资源。它将作为人类的增强。坦率地说，所收集的所有数据对人类来说是巨大的。有了这些数据，人工智能可以为人类提供最合理的工程路径来组织和优化我们的决策过程。人类过于乐观，我们倾向于只看证实我们想法的数据。我相信人工智能可以在这方面为我们提供帮助。” 

数字孪生的某些技术领域非常先进；例如，飞机就注定用于这些应用（Grieves M.，2022）。

洛克希德·马丁航空通用分析工具集数据管理器 (CATDM) 是一种生成飞机结构数字孪生的工具（图 11）。结构数字孪生用于将实物资产的所有已知数据可视化到数字一站式商店中。它是一个数字复制品，包含基于作战环境的材料信息、测试数据、配置和部队管理结果。 

该工具编译 F-35 飞机配置数据、分析及其结果以及零件编号级别每个机尾编号的各种来源的历史文档。这包括类型版本有效性、控制点位置、应力分析、现有损坏和维修的照片、检查细节等。因此，洛克希德·马丁公司的客户在 F-75 服务中可节省高达 35% 的成本。 

F-35 执行任务期间收集了大量数据——不仅来自一架飞机，而且主要来自所有现役飞机（Lockheed Martin CATDM，2023）。该战斗机配备了“无数”的传感器系统，这些系统不断地将数据发送回系统和物联网云。这会产生代表飞机在所有环境条件下的完美 COP。总之，数字孪生在信息上的增强程度实际上比对数字孪生做出贡献的每个产品都多。 

3.1 产品的PLM

从增强数字孪生中受益的不仅仅是用户。为制造商的创新和开发活动提供了宝贵的信息流。后续版本和后续版本完全基于人工智能科学分析的大量数据。想象一下有多少错误可以避免，有多少突破性的改进将被考虑。此信息对 PLM 的每个阶段都有帮助。从创新发展开始；开发周期时间将显着缩短，工程重新设计将减少到最低限度。零缺陷设计十有八九是可以完全避免的。非常有趣的是有关可持续性的信息，无论是元素的可重复使用性、使用一流的材料进行生产还是运行中的最低能耗——所有这些都对环境产生积极的影响。  

3.2 PLM 在电梯中的作用

适用于飞机的相同方法也适用于电梯，但显然要简单得多。除了节省成本、预防性维护和提高效率等所有积极方面外，还有一个突出的方面：当使用中的电梯通过物联网传感器系统提供反馈时（图 12），可以显着提高电梯的安全性。基于人工智能的分析揭示了设计和应用材料中的所有危险源。

ESG（环境、社会、治理）是我们议程的首要任务。因此，环境保护和可持续发展起着关键作用。如今，有数百万部电梯在使用，节省下来的费用可以说是一笔巨款。  

生命周期解释表明，电梯的大部分环境影响发生在其使用期间，其中发电是该期间的主要环境影响之一。一氧化碳含量₂电梯使用寿命期间产生的排放总量约为 35 吨。大约 80% 的二氧化碳₂ 电梯使用过程中会产生排放，约占氮氧化物排放量的 71% 和硫氧化物排放量的约 82%。相比之下，CO₂ 材料生产期间的排放占总量的 15%，部件制造期间的排放占总量的 3%。 

报废处理的 LCA 值来自多金属废料的回收过程。有些部件不需要多金属分离过程，因为它们可以在铸造厂熔炼而无需预处理。假设需要多金属分离的物料量为电梯物料重量的 45%。当金属被回收时，对环境生命周期的影响明显减少，主要是因为金属回收降低了对作为原材料的原生金属的需求。平均而言，生产铸铁时使用 70% 的废金属，生产钢板时使用 20% 的废金属（瑞典环境管理委员会，1999 年）。

3.3 工业5.0

当前工业 4.0 的关键要素包括自动化、机器人化、大数据分析、基于智能传感器的系统、虚拟化、人工智能、机器学习和物联网。

并非每家公司都考虑了工业 4.0 的所有方面。幸运的是，无需担心，因为工业 5.0 的概念（图 13）仍然很新。 

欧盟的工业 5.0“提供了一个工业愿景，其目标超越了效率和生产力作为唯一目标，并加强了工业对社会的作用和贡献。” “它将工人的福祉置于生产过程的中心，并利用新技术提供就业和增长以外的繁荣，同时尊重地球的生产限制。”它通过“专门将研究和创新用于向可持续、以人为本和有弹性的欧洲工业过渡”（欧盟委员会，4.0）来补充工业2021方法。

工业5.0将焦点从经济价值转向社会价值，从福利转向福祉。这是非常了不起的，因为它使劳动力重新成为产品开发、制造和使用的核心（“福布斯”，2022）：

“工业5.0的理念并不局限于‘工业’。它适用于人们能想到的每一个部门和每一个组织。这意味着它的适用性明显比工业4.0更广泛。因此，在讨论工业5.0对战略的影响时，我们需要采取广泛而普遍的视角，适用于所有行业。正如欧盟委员会在该信息图中阐明的那样，工业 5.0 具有三个关键支柱：以人为本、有弹性和可持续。这三者都对商业战略产生重大影响。” 

作为赋能链（图 14），全系列传感器产品和系统、物联网连接设备、云中基于人工智能的科学分析策略、数据平台、SaaS（软件即服务）和 DaaS 提供数字化服务。基于双胞胎的 PLM 都支持称为工业 5.0 的最新工业革命（或更好的演进）。

4.总结与困惑

许多元素合并为一个整体，充当一​​条赋能链。数据传输速率的大幅提高最终使系统能够“实时”做出反应。基于固有的人工智能预计算特征提取的智能传感器融合可以监视和控制整个产品，并实现更高性能水平的飞跃。这些功能在云中提供，并通过进一步的科学分析得到增强，无论是针对实际系统还是支持数字孪生，数字孪生是 PLM 信息的重要来源。最终，整个链条有助于将工业4.0转变为工业5.0。

“赋能链”有助于在社区和设施的产品、机器和系统日常使用的各个方面实现巨大的节省。直接成本节约是显而易见的，可以提高效率和舒适度，最重要的是，可以实现显着的能源节约，从而保护环境。此外，通过人工智能可以在所有要素中预测危险情况，从而避免事故，显着提高安全性。

致谢

即使在 CEDES 工作了 10 年，每天与管理团队的优秀同事在令人兴奋的高科技环境中合作仍然是一种乐趣。这是一次非凡的经历，也是生活的必需品之一。非常感谢我的妻子 Luzia 和孩子 Lola、Sina 和 Julie，他们的耐心支持了我的热情；致所有 CEDES 员工，特别是所有帮助我们不断取得卓越成果的客户。最近，我们尊敬的供应商帮助我们度过了一些不确定和困难的时期。也非常感谢所有利益相关者。

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案例 

[1] A4 系统（2023）。通过数字孪生步入未来。访问时间：2023 年。a4.systems/fr/blog-step-into-the-future-with-a-digital-twin/

[2] BCG 新加坡市场报告（2023 年）。 2023 年访问。bcg.com/publications/2019

[3] CEDES集团（2017-2022），各种技术文件和手册

[4] 澳大利亚联邦科学与工业研究组织 (2023)。网络通用作战图 (CCOP)。访问时间：2023 年。research.csiro.au/cybersecurity-quantum-systems/cyber-common-operating-picture-ccop/

[5] 欧盟委员会（2021）。迈向更加可持续、有弹性、以人为本的行业。欧盟委员会 R&I 7.1.21。访问时间：2023 年。research-and-innovation.ec.europa.eu/news/all-research-and-innovation-news/industry-50-towards-more-sustainable-resilient-and- human-centric-industry-2021-01 -07_cn

[6] 福布斯 (2022)。什么是工业 5.0？它将如何从根本上改变您的业务战略？访问日期：24.5.2022 年 2022 月 05 日。 forbes.com/sites/jeroenkraaijenbrink/24/50/251/what-is-industry-488320-and-how-it-will-radically-change-your-business-strategy/?sh=XNUMXeXNUMXbd

[7] 格里夫斯，M.（2022）。智能数字孪生以及复杂系统的开发和管理。数字孪生 2022，2(8)。 

[8] 洛克希德·马丁公司 (2023)。通用分析工具集数据管理器 (CATDM)，访问 2023 lockheedmartin.com/f35/news-and-features/delivering-digitally-for-f35-force-management-solution.html

[9] 新加坡政府教育局（2023）。 IoT / DaaS 超连接智能平台。 2023 年访问 edb.gov.sg/en/business-insights/insights/to-build-a-smart-nation-singapore-must-be-hyperconnected.html

[10] 瑞典环境管理委员会（1999）。

[11] TECHNIA ADDNODE 集团 (2023)。 PLM 示例图片，访问日期：2023 technia.com/finland/