使用物联网技术实现电梯故障的早期识别和监控

首届亚历克斯麦克唐纳奖二等奖论文摘要

通过保罗克莱门茨

本文件的目的是总结 2018 年 2019 月至 138 年 XNUMX 月开展的工作，这些工作反映在北安普顿大学举行的 XNUMX 页论文中。

在电梯上应用物联网解决方案时，可以在关键组件上设置传感器，然后将数据传输到管理设备。 然后，管理设备将通过 4G 路由器或以太网端口连接到互联网，将数据发送到基于云的平台。 然后可以通过计算机或移动设备通过互联网分析和管理数据，当电梯的状况超出设定参数时，可以使用脚本编写来编程通知。

激励卡片

自 1982 年推出第一个已知的“智能设备”以来，宾夕法尼亚州匹兹堡卡内基梅隆大学的学生在可口可乐机器上安装了微动开关，以检查冷藏饮料的库存水平和温度（Smith G，2015 ); 物联网（IoT）技术在各行各业都有巨大的潜力。

现在，物联网技术已经发展到现在，从家用电器到供暖、通风和空调系统（商业建筑内）的各种设备都在使用射频识别 (RFID) 和传输控制协议/互联网协议 (TCP/IP)无线连接到网络并提供大量数据而无需人工干预。

对于电梯设备，可以收集、分析和使用大量数据来提高设备的可靠性和维护技术。

目前，数据主要由电梯维修公司和客户通过维修承包商的呼叫中心收集； 然后分析数据，并判断如何防止重复调用。 这种技术也被称为纠正性维护，这对于客户和承包商来说都是一种昂贵的方法。

据了解，电梯行业正朝着物联网技术的方向发展，通力、奥的斯、蒂森克虏伯和迅达等各家主要企业都在利用物联网制定自己的业务战略。

这些发展引导我做出假设：物联网技术的使用将使电梯故障的早期识别和监控成为可能。

目标

本研究的目的如下：

• 调查物联网技术的历史及其发展
• 研究如何在电梯行业中使用物联网技术
• 调查物联网目前在电梯行业中的用途

总体目标是调查上述主题，以确定物联网技术的有效性及其与故障识别/监控的关系。

目标

本研究论文设定了以下目标：

• 分析各种年龄/类型的电梯设备组合的标注数据
• 识别所获得数据样本中的常见故障
• 识别物联网技术的用途并在电梯故障和物联网监控方法之间建立联系/链接
• 实施小规模实验，利用物联网技术监控在获得的标注数据中发现的常见故障
• 探索物联网技术目前如何在电梯行业中使用。
• 分析从正在试验该技术的承包商那里获得的数据

已回答的关键问题是：

• 收集数据的设备的年龄是多少？
• 正在记录哪些类型的标注，这些标注可以分类吗？
• 当前的物联网技术能否用于监控已在数据中发现的故障？
• 对主要利益相关者（例如设备所有者、维护公司）有什么好处？
• 可以采用物联网技术的维护制度/类型是否有任何进一步的改进？

研究方法

这项研究需要一种有条不紊的方法，以便能够识别常见的标注类型以及物联网系统是否适合用于状态监测和早期故障识别。 用于成功完成本论文的方法如下：

数据收集

使用的数据由维护承包商每月通过呼叫中心和不同的数据采集系统收集。 然后每个月将这些数据提供给客户，以便分析他们的表现。 总体而言，数据是从 48 个不同站点和总共 114 部电梯的四个不同供应商处收集的。

数据包含收到故障呼叫（呼叫）的日期/时间信息； 电话中提供的详细信息； 在现场发现的故障； 需要采取的任何进一步行动； 通话完成的日期和时间以及通话参考号。

收集的数据来自 13 年 1 月 2017 日至 31 年 2018 月 XNUMX 日之间的 XNUMX 个月期间，为分析提供了足够大的数据集。

故障识别与分析

分析从客户收集的数据并推断细节，以识别各种呼叫类型并分析已注意到的任何趋势。 收集到的信息提供了大量数据，这些数据本身可以归类为“大数据”。

一个名为 Microsoft Power BI (Rouse, 2019) 的软件包被用于分析此标注数据。 这个基于 Microsoft 的系统使用编译到 Excel 电子表格中的数据来直观地表示从收到的信息中收集到的不同标注类型和趋势。

从客户和电梯供应商处收集的数据经过分析和审查，旨在识别电梯系统中可能发生的各种呼叫类型。 然后使用这些调用类型来确定物联网技术可以在哪些地方帮助在故障发生之前识别故障。

调查问卷

通过调查收集了进一步的数据。 此问卷已寄给升降机维修承办商及升降机顾问以作答。

该调查是使用 SurveyMonkey™（FinancesOnline，2019 年）创建的，该门户允许通过可多次使用的链接创建和分发定制调查。 系统收集问题的答案并允许分析这些答案。 这还显示了回复率的详细信息、回答问卷所花费的平均时间并找出答案中的任何趋势。

该调查问卷已发送至七家电梯维修公司和一家咨询公司。 在这些公司中，有六家允许将其分发给更广泛的团队。

本问卷的目的是从电梯行业的合格人员那里获得以下详细信息：

• 遇到的常见故障
• 识别出的常见故障的典型解决方案
• 物联网技术知识
• 物联网技术可以帮助检测所指出的常见故障

实验

在一些电梯上进行了小规模实验。 该实验使用数据收集和分析的结果来查明常见故障，并利用物联网技术监控参数，以帮助及早识别这些故障。

购买低成本物联网传感器的目的是测量各种参数，并在潜在故障被识别或电梯/环境条件可能导致故障时自动提醒作者。 在确定故障后，向维护供应商提出了呼叫并解决了问题。

除了物联网传感器，还购买了一个 IP 摄像头，它允许通过桌面和移动应用程序进行远程访问。

在整个实验过程中使用了以下传感器。 这种选择的理由是：

• 通过回顾物联网技术发展获得的知识，可以通过使用低成本设备来监控温度、湿度、湿度、运动和光线。
• 据发现，这些设备相对容易编程和创建编码以提供通知。
• 这项研究的总预算有限，购买的传感器成本相对较低。

本实验中使用的物联网技术是从一个名为 wirelesstags.net 的网站购买的。 这些“标签”可以连接到互联网并收集不同的数据，如标签移动、红外移动、接触、温度、湿度和湿度。

数据存储在基于云的系统上，可以从世界任何地方访问。

无线标签产品

无线标签系统使用基于以太网的“标签管理器”工作。 该设备通过以太网电缆连接到互联网，并由 microUSB 供电。 连接到此设备的路由器必须允许“10Base-T”和“DHCP 服务器”。 防火墙必须允许“传出 HTTP（端口 80）和端口 6667 连接”。

单个标签管理器可以允许多达 40 个单独的传感器连接并将数据发送到基于云的系统。

wirelesstag.net 上可用的标签如图 5-8 所示：

• 图 5 显示了一个 Wireless Sensor Tag Pro ALS，它可以监控环境光、温度、湿度和运动的变化。
• 图 6 显示了一个 PIR KumoSensor，它可以检测运动和一定时间内没有运动的超时。 该传感器还可以监测温度和湿度。
• 图 7 显示了 Reed KumoSensor，这是一种基于接触的传感器，可监控门/窗何时打开/关闭以及温度和湿度。
• 图 8 显示了一个无线水/湿度传感器，它可以监控水位以及干燥或潮湿区域中是否存在水。 该传感器还监测温度和湿度。

这些传感器在标签管理器视线内的最大范围为 210 m； 提供2至7年的电池寿命； 在 ‐40°C 和 + 85°C 之间运行； 提供高达 +/- 0.4°C 的准确读数，并配备 0.1 ~ 200,000 勒克斯范围的光传感器。 这些传感器的技术规格的全部细节可以在附录 C 中找到。

这些传感器捕获的数据已通过智能手机和基于网络的平台提供，使用用户名和密码进行访问以采取安全措施。

数据分析和问卷调查的结果提供了电梯系统通常发生的各种故障的详细信息。 了解使用这些传感器可以监控什么，就可以做出明智的决定，决定在哪里可以使用传感器来协助进行状态监控（即温度、湿度、湿度等），从而提供更早的故障识别。

结论

尽管物联网技术已经有 30 多年的历史，但在过去 10 年中，这项技术的发展已经看到了更小的芯片组和更低的成本； 现成的传感器现在可供日常消费者使用。 在过去的一个世纪里，电梯行业在控制系统技术和维护制度方面取得了长足的发展，最近的发展集中在将物联网技术应用到主要电梯制造商提供的标准包中，以及将这些系统改造为正在维护的电梯投资组合。

主要电梯制造商有大量预算可用于开发自己的系统，以收集大量数据，这些数据可以被分析并用于开发更智能、更有洞察力的维护制度。 这将使他们能够预测甚至抢占潜在故障，以识别单个组件的预期寿命。 尽管从长远来看，这种技术的发展将为客户提供帮助，但这些制造商更多地关注其组织的内部利益，而不是客户的利益，这可能是电梯行业花费更长的时间来实现这一目标的原因之一。采用这项技术。

独立的电梯维修公司没有这么大的预算来开发这些系统。 然而，物联网技术的最新发展意味着，通过使用一些传感器，可以以低成本实施一个系统来监控各种组件的状况，并分析收集到的数据，以帮助早期识别故障。

分析在 13 个月期间收集的标注数据表明，电梯可能会发生一系列故障。 但是，这些可以组合到电梯系统的不同部分中，从而更容易了解问题发生在哪里，并有助于查明传感器可以监控的内容。

向电梯行业内的各个利益相关者发出的调查问卷证实了标注数据分析中的发现，并有助于了解发生的常见故障以及如何使用物联网技术来协助进行状态监测和早期故障检测。

使用现成的物联网传感器、摄像头、对脚本编写的小理解和 4G 路由器的实验证明，独立电梯公司、顾问甚至客户等关键利益相关者可以实施低成本解决方案，以提供实时有关电梯状况的数据。 可以使用收集的数据进行假设，以帮助更早地检测和解决故障。

通过一些现场准备工作，例如在电梯电机房和竖井内安装额外的以太网端口和电源，可以在系统周围安装温度、湿度、湿度和运动传感器，以将这些信息提供给可能位于任何地方的关键利益相关者世界。

在没有以太网端口的地方，可以提供 4G 路由器。 然而，随着实验和主要供应商的确定，在安装这些系统期间应考虑信号强度可能出现的潜在问题。

安装这些类型的系统时要考虑的其他事项是：

• 传感器的放置：正在获取什么数据？
• 电梯设计：这些可能是不同的，传感器可能需要安装在不同的地方以获得不同设备上的相同类型的数据（例如滑轮的运动、接触器的拉入或电机内部的振动）。
• 系统集成：系统是否将与 4G 路由器等组件一起工作，允许访问正确的端口，从而使系统上线。
• 标牌：确保所有利益相关者都了解所使用的技术，以免他们意外干扰传感器。
• 传感器的电池寿命：了解设备的限制以及如何通过更改通知等设置来优化电池寿命。
• 数据使用量：将 4G 路由器用于特定应用时，请考虑所需的数据使用量。

电梯样本组的故障分析结合行业专家对所述故障的确认（使用问卷）已被用于确定样本集上记录的 70% 的标注可以通过监测温度、湿度的低成本设备来识别，水分和运动。

总体而言，本研究已成功确定物联网系统可用于监控电梯的状况并协助及早识别故障。 使用的物联网系统会对设备自动报告的故障做出反应性响应。 这为客户和维护承包商提供了好处。

本研究中提到的主要电梯承包商正在将这些系统应用到他们的维护组合中，此外，正在对收集的数据进行分析。 他们正试图建立一个可以预测何时会发生故障的系统，以便他们能够在问题发生之前关注并解决问题。 数据科学家和电梯工程师正在实施机器学习技术，这需要大量投资。

在使用机器学习算法之前，必须收集数据。 将来，当独立电梯行业可以使用分析包时，数据科学家可以对整个研究过程中收集的数据进行分析。

与主要电梯供应商实施的系统相比，在本研究中使用物联网系统有多种好处：

• 与主要公司正在实施的系统相比，成本要低得多。
• 主要供应商都专注于自己安装系统，首先是新设备。 本研究中的系统适用于任何制造商的设备。
• 本研究中提到的物联网系统可用作状态监测和故障检测的永久解决方案，也可用作确定过热等间歇性故障根本原因的临时解决方案。
• 本报告中的系统不要求客户被锁定在特定合同中，只有设备安装人员才能使用该系统。

• 图 1：电梯物联网系统的典型设置
• 物联网传感器 (1)
• 传感器管理系统 (2)
• 路由器或以太网系统 (3)
• 云 (4)
• 电脑接口 (5)
• 手机界面 (6)