通过传感器融合对电梯门故障检测进行建模

新兴技术提高了检测潜在故障的整体准确性和可靠性。

作者：Daan Smans

关键词： 门、乘数效应、传感器融合、机器学习、物联网 (IoT)

抽象

尽管钢筋混凝土使建筑越来越高，玻璃和环境控制系统也使高层建筑更加宜居，但真正让这些建筑可用起来的却是电梯。电梯正日益成为建筑的核心，这一点毫不奇怪。

电梯的感知价值很大程度上取决于其实际性能，通常用“可用性”或“正常运行时间”来表示。通过在建筑核心区域增设电梯来弥补电梯停运时间并非可行方案。电梯井道的扩大会减少建筑的可用建筑面积，从而降低建筑的经济可行性。因此，需要采取不同的措施来减少电梯停运时间。

深入研究电梯系统，不难发现电梯设计中最大的变量是所需门的数量。由于每层楼门的数量占比≥1，门系统是人力和材料成本的倍增器。门系统也是电梯中最繁忙的部分之一，通常会在每次载客时循环开关，甚至更频繁。因此，门系统故障通常是造成电梯非计划停机的主要原因。

传感器融合等新兴技术整合了来自众多传感器（例如光学传感器、加速度计、陀螺仪、温度、湿度、气压传感器等）的数据，从而提高了检测潜在故障的整体准确性和可靠性。此外，这使得监控每层楼每扇门的技术健康状况成为可能。通过长期汇总这些海量数据，机器学习 (ML) 可以识别问题可能发生的位置以及何时需要解决这些问题。物联网 (IoT) 作为骨干基础设施，使这些技术能够以越来越经济的方式实现扩展。

1. 引言

从电梯维护的角度来看，电梯门通常是评估设备维护所需总体维护工作量的关键变量。与其他电梯子系统不同，电梯门的数量会随着建筑物楼层的增加而增加——尤其是在电梯配置了前后门的情况下。 

为了让乘客使用电梯，电梯门需要在相应的上车楼层和目的地楼层循环开关，以便乘客进出。因此，电梯门通常是电梯中最繁忙的部分之一。行业标准是自动滑动门，因为它既能提高客流效率，又能提供便利。自动滑动门所需的活动部件会随着电梯的日常使用而逐渐磨损。 

磨损加上前面提到的乘数效应（即每层电梯门数量≥1个），使得电梯门系统成为整个电梯维护工作的重点。此外，电梯故障大多发生在电梯门系统中。^[1] 然而，如何确定每扇门的实际维护需求呢？通过结合直接放置在门上和门周围的传感器的传感数据，基于传感器融合的数据分析可以帮助维护人员做出更明智的决策，确定何时何地需要进行何种类型的维护。 

为了支持上述结论（第 5 节），本文将涵盖以下领域： 

• 电梯自动滑动门的剖析（基础）
• 电梯门的常规维护方法（相关背景）
• 传感器融合概念应用于电梯门（实际应用）

2. 电梯自动滑动门的剖析

本节旨在介绍电梯自动滑动门工作原理的基础知识——该门是当今的行业标准。这样做是为了让非电梯技术专业人士更容易理解本文，使其能够独立阅读，但并非旨在详尽无遗。如需进一步了解电梯门技术，推荐阅读扎克·麦凯恩 (Zack MaCain) 的经典著作《电梯入门》(Elevators 101)。

自从伊莱沙·奥的斯发明了安全提升机，使得我们今天所熟知的现代电梯成为可能以来，已有 172 年的历史。^[2] 电梯门的设计多种多样，这通常是出于对安全性的追求。早期的电梯门机构由简单的铰链门组成，可以手动或借助机械系统开启和关闭。 

现代电梯门的发展主要发生在 20 世纪。^[3] 随着技术的进步，更复杂的设计应运而生。如今的行业标准是自动滑动门。这类门通过多个相互滑动的面板自动开关，以节省空间。图 1 展示了典型滑动门配置的示意图。 

电梯门机构的设计旨在确保乘客和货物在适用情况下安全高效地上下。电梯门的主要功能是开启和关闭，方便乘客进出电梯。为了确保电梯门能够安全便捷地自动运行，电梯采用了传感器和控制系统来检测乘客的运动，从而确保电梯门的及时安全运行。

电梯使用两组不同的门，即通向电梯轿厢的门（即“轿厢门”）和通向建筑物每个无障碍层站的电梯井道的门（即“层站门”）。电梯门设计的一项基本要求是，只有当电梯轿厢的地板（在可接受的公差范围内）与建筑物内的层站地板对齐时，电梯门才允许运行。这被称为电梯轿厢的层站区域。 

因此，电梯轿厢内仅需安装一个门机。为了确保轿厢门能够安全平稳地打开和关闭层门，轿厢门采用离合器机构，该机构可解锁相应的层门，使轿厢门能够联动拉开或关闭。门由电动机驱动，电动机由专用门控制单元或电梯主控制系统控制。门机设置有两种常见类型：

1) 谐波门操作器：谐波驱动器 - 即包含机械变速装置的电动机，该装置可降低旋转机器的齿轮比以增加扭矩 - 转动连接到一组金属臂的轮子，该金属臂拉动或推动门板以打开或关闭。

2) 线性皮带门操作器：一种线性驱动器 - 即电动机驱动连接到门的水平齿形皮带以使其打开和关闭 - 它使用皮带来移动门板以打开或关闭。

门板顶部通过一组滚轮悬挂在轨道上，底部则由滑轨引导，滑轨滑过嵌入轿厢的门槛，分别位于每个层站楼层。通常情况下，每个门板有两个悬挂滚轮，位于门轨道顶部或内部，以及两个上推滚轮，位于门轨道下方，用于防止悬挂滚轮脱出轨道。滑轨通常为静态部件，由钢制成，表面覆有塑料、毛毡或其他耐用但相对柔软的材料，以确保门板顺畅无噪音地滑过门槛。 

电梯门可能需要意外重新打开的原因有很多。为了降低人身伤害、货物损坏以及电梯门损坏的潜在风险，自动滑动门需要配备一个重新打开装置（也称为“安全触边”），以便在乘客或物体阻挡时重新打开门。该装置可以是机械接触式（通常是“门保险杠”），也可以是非接触式设计（通常是“光幕”，或者在旧款电梯门中采用“光电眼”）。 

光电眼（单光束）和光幕（多光束）均基于红外光束运行，只要任何一束（或多束）光束被遮挡，电梯门就会保持打开状态。这使得乘客可以自由进出电梯，而不会与门发生任何身体接触。使用光幕而非光电眼的优势在于，前者能够探测到几乎整个门道区域，而后者只能探测到单个点的可能障碍物。 

精心设计的光幕会识别“光束”何时被长时间遮挡。这项功能被称为“轻推”，它会提醒并提示人员他们正在阻挡门。轻推会使关闭装置以较低的速度和扭矩运行，以便轻轻关闭门，并在需要时重新打开。

与光幕不同，车门保险杠（也称为“车门缓冲器”或“机械安全边”）仅在接触到乘客或物体时才会触发车门缩回。虽然车门保险杠相对安全，但偶尔也会出现故障，导致与乘客碰撞时无法缩回。因此，大多数车门保险杠已被性能更可靠的光幕所取代。但在日本、韩国等一些亚洲国家/地区，也有一些例外，这些国家/地区的新型车门保险杠在内部嵌入了光幕，以提供额外的保护。 

电梯轿厢移动前，必须关闭并锁好层门。例外情况是电梯以所谓的“平层速度”移动——即电梯需要将轿厢地板与相应的层门重新对齐时——此时电梯门处于打开状态。联锁装置（也称为“门锁”）是一种安全机制，可确保：

• 除非所有门都牢固关闭，否则机舱无法移动；
• 除非机舱还在，否则无法打开层门；
• 当电梯厢运行时，电梯门会被牢牢锁住。

在 1970 世纪 1980 年代和 XNUMX 年代，曾发生过几起电梯事故，电梯乘客手动撬开轿厢门，试图通过手动释放联锁装置打开层站门，以便从停在楼层之间的电梯中自行撤离。^[4] 为了减轻这种安全风险，引入了门限位器，以防止当客舱不在着陆区内时，客舱门打开到狭窄的间隙之外。

尽管如此，每个层站门上都设有手动操作的机械超控装置，授权人员（例如电梯技术人员）可以使用专用的门解锁钥匙（称为“下降钥匙”）进入电梯井道。无论电梯轿厢是否位于其层站区域内，都可以进行此手动超控。电梯层站门的手动解锁通常在电梯维护期间或紧急情况下进行，例如乘客被困时。

综上所述：电梯门系统的任何活动部件都会因正常使用而随着时间的推移而磨损，从而导致性能下降。然而，根据一系列因素（例如具体功能、使用强度、所用材料、气候条件等），某些部件的磨损速度会比其他部件更快。下一节将介绍电梯门因磨损而导致的性能下降，以及电梯门维护的常规方法。

3. 电梯门的保养方法 

鉴于不安全的电梯可能对乘客造成严重后果，全球各地的监管机构都已强制要求定期对电梯进行预防性维护。预防性维护的间隔因市场而异，具体取决于各自司法管辖区 (AHJ) 制定和执行的监管要求。例如，有些市场的维护间隔主要由电梯所有者和维护承包商共同决定（强制要求每年至少进行一次维护），而有些市场的维护间隔则由监管机构规定。 

任何机电设备常规维护方法的基本原则可分为两类：

3) 预防性维护旨在解决设备在日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。^[5] 

4) 纠正性维护旨在解决设备故障，即由于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。^[5] 设备故障的另一个原因可能是乘客对电梯的错误使用（包括无意/意外以及故意/破坏）。 

以上内容适用于电梯整体维护，也适用于电梯门的具体维护。为了协调、指导和控制维护活动，人们制定了一系列被广泛接受的规则。例如，美国机械工程师学会 (ASME) 在 1921 年发布其第一部规范时，就已经包含了专门针对维护的章节。^[6] 随后，专门从事电梯维护的公司根据这些规范制定了所谓的维护控制程序（MCP）。

本质上，电梯预防性维护是对部件、组件和/或子系统进行例行检查、润滑、清洁和调整的过程，旨在确保电梯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空间以及保存完工记录来指导电梯的维护。普遍认为，只要认真且持续地遵守这些程序，预防性维护就能降低电梯意外停机的风险，同时通过防止过度性能下降来延长电梯的剩余使用寿命。

具体到电梯门系统，表 1 概述了 MCP 通常涵盖的预防性和纠正性维护活动的内容（但不限于此）。

尽管MCP带来诸多好处，但新技术的出现也凸显了传统MCP的局限性。最明显的是，传统MCP没有考虑关键变量，例如随时间推移的使用强度、所用材料的质量、电梯井道和机房内的气候条件等。数字技术的进步正在日益增强，使人们能够更好地考虑这些动态因素。这反过来又催生了基于状态的维护和预测性维护策略。 ^[7,8] 

以下部分将介绍电梯行业第一个远程监控系统的简要历史、其用途、其随着时间的推移如何演变，以及最终如何在传感器融合概念的基础上带来最新的发展。

升降门设备	类型
门机、连杆和皮带	我，A，R
门开关和联锁装置	我，A，R
客舱和落地门滚轮	我，R
门速和时间	我，A
车门限位器	我，A，R
闭门器及相关装置	我，A，R
门轨和机库	我，C，L
门离合器和接合机构	我，A，L
门压	我，A
强制关闭、轻推	我，A
门框、现场防护装置和门框	我，A，R

4. 传感器融合概念应用于电梯门

近四十年前，许多世界领先的电梯公司都开发并推出了各自的远程监控系统 (RMS)。这些第一代系统主要基于电梯控制系统的预处理数据，使用了基本的分析方法和一些传感器。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。让我们回顾一下：

• 日立电梯于1987年开发了第一套RMS系统。 
• 奥的斯于 1988 年推出“远程电梯监控”（REM），目前以“OTIS-ONE”的名称销售。
• 迅达在 1990 世纪 XNUMX 年代推出了“Servitel”远程监控系统，目前以“Schindler Ahead”的名称进行营销。
• 通力于 1990 世纪 24 年代推出了“KoneXion”，目前以“通力 7/XNUMX 互联服务”的名称进行营销。 
• TK电梯（TKE）于1990世纪2002年代在欧洲率先推出远程监控“TeleService”，随后于2015年在美国首次尝试下一代产品“VISTA”。其于XNUMX年推出的全球统一解决方案以“MAX”的名称进行营销。 

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。^[9] 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——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。 

前述领先的电梯公司再次成为早期采用者；物联网提供了基础设施支撑，解决了许多先前的技术限制。例如，云技术提供了从任何设备随时随地访问的功能、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，机器学习可以从数据中学习，泛化未知数据，并在无需人类明确指令的情况下执行任务。 

然而，关于使用何种类型的输入数据的方法并未重新评估。电梯控制器是电梯的“大脑和中枢神经系统”，人们普遍认为它能够提供提升电梯维护水平所需的所有相关数据。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数据来源。当时的重点是协调工作流程并集中诊断工具集。这意味着电梯控制系统的预处理数据仍然普遍存在。 

以电梯控制器为中心的物联网解决方案很快便暴露出其自身的局限性，包括与不同品牌、型号和代次的电梯设备的兼容性，以及数据质量和可用性的限制。兼容性限制是由于用于连接电梯控制器的硬件连接器种类繁多，以及物联网边缘设备的软件与电梯控制器的交互方式也不同。许多老一代电梯控制器根本不提供接口能力，需要先进行现代化改造。从数据角度来看，为了对故障检测进行建模，机器学习 (ML) 需要能够确定电梯在正常运行参数下如何运行，这些参数在发生故障之前如何变化，以及最终故障的实际情况。电梯控制器仅提供错误代码和状态模式变化，这极大地限制了机器学习的预测能力。 

大约在20世纪90年代，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，因为来自多个传感器的传感输入需要同时处理并进行整体解读。如果能够恰当地进行整合，传感器融合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，传感器融合算法能够处理所有输入，从而生成更高精度和更可靠的结果——即使单个测量结果并非总是足够可靠。

因此，传感器融合的概念解决了使用电梯控制器诊断数据（例如错误代码和状态模式变化）所固有的局限性。传感器可以广泛应用，不受品牌、型号或设备使用年限的限制。通过使用直接从传感器边缘获取的数据，数据质量和可用性的限制可以通过利用通用物理定律来弥补。为了具体说明传感器融合的概念，我们将提供一个与电梯门故障检测相关的实际应用示例。

其中，滑动门的一些常见问题包括： 

• 门槛处堆积的杂物堵塞了门板的缝隙
• 联锁装置的电触点错位，导致无法关闭安全电路
• 联锁装置的电触点变得粘稠 - 即被称为“电弧”的小火花会腐蚀触点金属 - 导致电路故障。 
• 门滚轮磨损，因此无法正常打开或关闭门

上述四种原因的共同点是，电梯门通常需要多次尝试才能完全关闭，然后轿厢才能升空。这种现象通常被称为“门循环”。

通过使用光学传感器（例如光幕传感器），可以根据两个光幕之间传输和接收的光束的光强度来推算开门和关门时间。光幕还能滤除故意的门反转（如果无法验证，则可算作高于平均水平的门循环）和无意的门反转。 

在每个单独的光幕上添加一个加速度计时，可以观察到门板的振动；即使光幕安装在舱门上，由于舱门和厅门之间有机械离合器机构，厅门的振动也会传递到舱门中，从而被观察到。 

通过添加气压传感器，可以确定舱体相对于建筑物楼层的位置。作为独立传感器，其精度风险较高；因此，应在舱体上放置一个额外的加速度计，用于测量加速度和速度，从而推导出舱体从上次已知位置出发的行驶距离。  

将上述所有传感输入融合在一起，即可按楼层观察电梯门的性能。电梯门振动特征作为每个楼层独有的“指纹”，进一步提高了轿厢定位的准确性。同样，每楼层的差异化也提供了最佳的可比参考，从而确定每台电梯理想的电梯门性能参数。长期历史数据进一步增强了电梯门性能评估的稳健性。

最后，数据科学家和领域专家无法单独利用传感器融合概念。数据科学家了解数据建模并能生成算法，但通常不了解提升领域。相反，领域专家可以像读一本众所周知的打开的书一样读懂提升；然而，他们通常缺乏数据建模和生成算法所需的知识和技能。数据科学家和领域专家需要共同努力，才能成功实现传感器融合。 

5. 结论

由于其特殊用途，电梯门是电梯中最繁忙的部件之一。由于每个楼层都有电梯门，它们会给电梯整体维护工作带来倍增效应。这也导致与电梯门相关的故障通常是电梯整体停机的最常见原因之一，正如之前的研究表明的那样。^[1]

为了进一步改进电梯门的维护，电梯技术人员需要考虑到每部电梯以及每层电梯门的独特变量，从而做出更明智的决策。这离不开物联网 (IoT) 和机器学习 (ML) 等技术的帮助，并充分利用传感器融合的概念。 

传感器融合的概念涵盖了对多个传感器并行产生的传感输入进行同步处理和整体解读。因此，传感器融合解决了现有技术在使用电梯控制器诊断数据时固有的局限性，这些局限性仅限于错误代码和状态模式变化。传感器可以通用，不受单个电梯的品牌、型号或使用年限的限制。通过使用直接从传感器边缘获取的数据，由于能够利用普遍的物理定律，数据质量和可用性方面的局限性得以消除。

将数据科学与领域专业知识相结合，可以从数据中获得切实可行的洞察。这些切实可行的洞察有助于电梯技术人员根据每层电梯门的实际维护需求做出更明智的决策。考虑到上述乘数效应，可以在不影响服务质量的情况下显著优化现场服务时间。

---

案例

[1] A. Torres Perez、S. Kaczmarczyk 和 R. Smith，“利用振动信号特征实现电梯门系统的自动故障检测与分类”，第 10 届欧洲结构健康监测研讨会，EWSHM 2020 – 土木工程讲义，第 128 卷，Springer，第 765-775 页（2021 年）。

[2] S. Freeman，“谁发明了电梯”，《How Stuff Works》，最后更新于 12 年 2024 月 18 日，可通过 science.howstuffworks.com/innovation/inventions/who-invented-the-elevator.htm 访问，最后访问于 2024 年 XNUMX 月 XNUMX 日。 

[3] L. Gray，“电梯门的历史”，《电梯世界》，1 年 2016 月 XNUMX 日出版，可通过 elevatorworld.com/article/a-history-of-elevator-doors/，最后访问于 18 年 2024 月 XNUMX 日。

[4] B. Gustin，“机械电梯门限位器：消防员需要知道什么”，《消防工程》，1 年 2003 月 19 日出版，可通过 fireengineering.com/leadership/mechanical-elevator-door-restrictors-what-firefighters-need-to-know/ 访问，最后访问于 2024 年 XNUMX 月 XNUMX 日。

[5] K. Worden，JM Dulieu-Barton，《系统和结构智能故障检测概述》。SHM，2004，第 3(1) 卷，第 85-98 页。

[6] 电梯、小型送餐员和自动扶梯的建造、运行和维护安全标准规范 - 1921年。本安全标准规范旨在为电梯、小型送餐员、自动扶梯及其井道的建造、维护和运行提供指南，但以下段落另有说明的情况除外。规则702：维护。ASME，1921年。

[7] ST Park、BS Yang，“基于风险的电梯维护检查实施方法”，《机械科学与技术杂志》，第 24 卷，第 12 期，第 2367-2376 页（2010 年）。

[8] JX Yang 等，“实时智能电梯监控与诊断：人工智能应用案例研究、解决方案”。《计算机与电气工程》，第 100 卷，第 107965 号文章（2022 年）

[9] A. Bassi 等，“让事物说话”，Springer，DOI 10.1007/978-3-642-40403-0，第 1 页 (2013)