鐵路客運電梯安全物聯網大數據平臺構建研究

毛萬華

（中國鐵路蘭州局集團有限公司 客運處，甘肅 蘭州 730000）

當前，隨著我國鐵路，特別是高速鐵路的快速發(fā)展，客運電梯數量劇增。在電梯日常管理中呈現出電梯品牌多、分布廣、分散度大、使用頻率高、電梯維保單位多、電梯維保監(jiān)管難等特點，依靠傳統(tǒng)管理方法已無法應對電梯安全運行管理的嚴峻挑戰(zhàn)。為做好客運電梯安全運營管理和有效監(jiān)管，基于“物聯網+云計算+大數據+智能終端”等技術的應用，提出構建電梯物聯網安全管理平臺方案，并在中國鐵路蘭州局集團有限公司(以下簡稱“蘭州局集團公司”)客運處的電梯管理中進行實際應用。

1 鐵路客運電梯安全物聯網大數據平臺的技術應用

1.1 電梯物聯網

電梯物聯網是由安裝有相應的智能終端的電梯(物)、網路數據傳輸(通訊環(huán)境)、云端數據處理機制(云平臺)及相應的軟件應用共同構成的專業(yè)互聯網系統(tǒng)。在電梯物聯網系統(tǒng)[1]中，裝在電梯的傳感裝置，如光電、霍爾、運動、紅外、震動、水檢測等，對電梯運行狀態(tài)及故障進行實時數據采集并處理，通過有線寬帶、3G/4G信道、NBIoT等網路，實現電梯(終端)到物聯網后臺(云端)的連通并實時傳輸數據。在后端，平臺對數據進行存儲，并通過所建立的算法對數據進行處理分析[2]，并通過PC、APP、移動終端、可視化載體等將已處理的數據以圖表、文字、聲音等展示給使用者，實現物聯網后臺(云端)到終端(含電梯)的連通并實時傳輸數據。使用者利用這些信息，實施對客運電梯安全運行的監(jiān)管及維?；顒拥墓芾?。這樣，電梯物聯網就使人與電梯實現了人與物、物與物、人與人的信息連接及交互。

1.2 電梯大數據

電梯大數據是指在一定時間范圍內通過各種手段對電梯及電梯相關活動信息的采集、處理及呈現相關數據的集合。在電梯物聯網運行中，系統(tǒng)不斷采集、記錄、存儲電梯的實時運行狀態(tài)、故障、報警、維護保養(yǎng)、大修等信息形成海量數據，這類數據稱作電梯物聯網的“元數據”。利用大數據技術對“元數據”做進一步的處理分析，形成能為用戶所理解、使用的數據，稱作電梯物聯網的“應用數據”。在電梯安全管理的實踐中，用戶使用的是電梯物聯網的“應用數據”[3]。

1.3 電梯云計算技術應用

云計算是基于互聯網相關服務的增加、使用和交付模式。其主要特點是：虛擬化、高可靠性、通用性、按需服務、成本低等。這些特點自然而然構成了云計算技術與電梯物聯網應用場景的完美結合，形成電梯物聯網云服務的思想基礎，也使構建鐵路“電梯私有云”成為可能。建設鐵路客運電梯的“私有云”，可有效節(jié)省資源，為鐵路各級電梯管理主體提供保障信息安全、靈活及時、高性價比的電梯物聯網服務[4]。

2 鐵路客運電梯安全物聯網大數據平臺構建方案

2.1 設計目標、設計原則及功能需求

（1）設計目標。針對客運電梯安全管理實際，基于電梯物聯網理論及技術，構建集電梯智能監(jiān)測、維保服務監(jiān)管、緊急處置為一體的云服務平臺，對電梯運行實時監(jiān)測及故障預警，對電梯運維服務過程精細化管理，如果遇到電梯緊急情況，系統(tǒng)能觸發(fā)應急處置流程，從而形成電梯安全監(jiān)管部門、維保企業(yè)、使用單位多方參與的安全監(jiān)管體系。

（2）設計原則。鐵路客運電梯安全物聯網大數據平臺設計應基于國家標準，兼容各種形態(tài)的廣域網、局域網的特定要求，符合互聯網應用設計原則及國家與信息產業(yè)部的相關規(guī)范。

（3）功能需求。根據鐵路客運電梯管理現狀，結合客運電梯管理發(fā)展需求，客運電梯安全物聯網大數據平臺的具體功能需求確定為：①體現電梯安全主體的責任，且不同主體按不同權限行使監(jiān)管；②對電梯運行進行實時監(jiān)測/控；③建立電梯應急處置機制；④建立電梯安全大數據預警功能；⑤對電梯維保作業(yè)過程進行有效監(jiān)管，確保維保服務標準化、規(guī)范化；⑥具備“私有云”結構，以保障數據安全；⑦系統(tǒng)具有易擴展、可兼容、并發(fā)性能強的特征；⑧實現鐵路客運電梯統(tǒng)一智慧監(jiān)管，并且使用簡單、易維護。

2.2 設計思路

在鐵路客運電梯安全物聯網大數據平臺的設計中，依據設計原則，通過實現具體功能達到設計目標，設計思路如下。

（1）以電梯云平臺為核心，以每臺電梯為管理節(jié)點，通過物聯網“智能終端”監(jiān)測每臺客運電梯的運行，實時獲取客運電梯運行/故障狀態(tài)信息，并對這些數據進行處理。

（2）針對電梯品牌多及電梯安全要求的特征，電梯終端設備設計以“感應型”為出發(fā)點，采用現代傳感技術、ARM核心技術架構、無線通信、及邊緣計算等技術途徑，實現終端的實時數據采集及智能預警報警。

（3）以維保作業(yè)工單為基礎管理單元，通過物聯網管理平臺，對維保過程實現精細化、可追溯性的過程監(jiān)督管理。

（4）依據電梯終端實時監(jiān)控數據及視頻影像信息，結合大數據可視化系統(tǒng)等，通過相應的應急救援處置平臺/系統(tǒng)，對鐵路電梯安全運營及緊急處置進行實時有效的管理。

2.3 架構設計

鐵路客運電梯安全物聯網大數據平臺架構設計實現了分層及模塊化結構設計，主要包括：數據采集感知層、數據資源層、網絡傳輸層、公共服務層、應用服務層、數據可視化層、用戶層，每層都定義了統(tǒng)一服務接口，并由規(guī)范的服務組件組成。這樣的架構設計體現了平臺響應服務請求的快速性，以及平臺的可擴展性、可維護性和適用性。鐵路客運電梯安全物聯網大數據平臺技術框架如圖1所示。

3 蘭州鐵路客運電梯物聯網大數據平臺的設計

蘭州局集團公司位于全國鐵路網西部東端，所管轄的客運電梯分布在隴海線(連云港—蘭州)、蘭新線(蘭州—烏魯木齊)、包蘭線(包頭—蘭州)、蘭青線(蘭州—西寧)、干武線(干塘—武威南)、寶中線(寶雞—中衛(wèi))、蘭渝線(蘭州—重慶)等站點。電梯數量及品牌多，分布廣，區(qū)域跨度大，電梯安全運行管理復雜且難度大[5]。基于鐵路客運電梯安全物聯網大數據平臺構建方案，結合蘭州局集團公司客運電梯管理的環(huán)境特點，設計蘭州局集團公司客運電梯物聯網大數據平臺如下。

圖1 鐵路客運電梯安全物聯網大數據平臺技術框架Fig.1 Platform architecture diagram

3.1 平臺WEB(管理)端設計

蘭州局集團公司客運電梯物聯網大數據平臺Web端主要由安全管理系統(tǒng)和維保監(jiān)管系統(tǒng)2部分構成，主要內容包括管理駕駛艙、制度管理、安全管理、基礎管理、監(jiān)控管理等模塊。蘭州局集團公司客運電梯物聯網大數據平臺Web端功能如表1所示。

3.2 平臺移動端(APP)設計

蘭州局集團公司客運電梯物聯網大數據平臺移動端應用主要服務于電梯維保作業(yè)及維保作業(yè)的過程監(jiān)管，同時提供查看電梯實時運行狀態(tài)信息及緊急救援信息的功能。蘭州局集團公司客運電梯物聯網大數據平臺移動端APP功能如表2所示。

3.3 扶梯智能采集終端系統(tǒng)設計

扶梯終端設備應實現對扶梯運行狀態(tài)及故障信息自動采集，并在終端對數據進行處理(邊緣計算)，然后自動上報故障信息。如果遇到緊急情況，扶梯終端設備能夠實現遠程停止電梯運行。其基本設計[6]內容如下。

表1 蘭州局集團公司客運電梯物聯網大數據平臺Web端功能Tab.1 Platform Web-end functionality

表2 蘭州局集團公司客運電梯物聯網大數據平臺移動端APP功能Tab.2 Platform APP-end functionality

（1）故障檢測項。上梯級丟失故障檢測、下梯級丟失故障檢測、上踏板打開故障檢測、下踏板打開故障檢測、非操縱逆轉故障檢測、扶梯超速檢測、安全回路接入檢測、扶手梯級不同步檢測。

（2）遠程停梯控制端口。當需要接控三相電機的主控電路時，按弱電控制強電方式實現；當需要直接接入弱電繼電器控制時，按弱電控制回路的繼電器實現。

（3）通信及數據傳輸。終端設備具有GPRS通信模式、Wi-Fi通信模式、RJ45通信模式的兼容設計，以滿足不同通信接入場景。

（4）溫度補償。針對戶外、高低溫環(huán)境設計恒溫補償功能，使設備在-20℃～ 45℃特殊環(huán)境下使用。

（5）信號誤報防御。在終端的設計中還采用嵌入式抗干擾及冗余處理，最大限度的從算法上避免信息誤報。特別是采用基于扶梯休眠狀態(tài)及漫反射狀態(tài)速度變化，梯級丟失檢測的算法設計，較好地消除設備在扶梯正常漫反射低速狀態(tài)的誤報。

3.4 直梯智能終端設計

直梯的終端設備應實現對電梯運行狀態(tài)及故障信息自動采集，并基于終端做數據處理(邊緣計算)，能自動上報故障信息。此外，如果遇到緊急情況，乘梯人能方便緊急報警。在具體設計中，直梯終端采用傳感器外聯/內置的方式，采集電梯運行和故障信息。同時，在控制柜中端監(jiān)測安全回路信號，實現對電梯運行和故障信息的全面監(jiān)測。直梯終端所涉及傳感器件包括光電傳感器、門磁傳感器、紅外傳感器3類。此外，直梯終端還設計有安全回路信號監(jiān)測功能，用以獲取廳門聯鎖故障、轎門聯鎖故障和廳轎門不同步等信息。

3.5 電梯大數據可視化設計

電梯大數據可視化是通過電梯物聯網大數據平臺將電梯安全管理的相關數據可視化，即電梯物聯網大數據平臺將電梯運行分布、設備實時監(jiān)控、實時報警提醒、維保公司數量、安全管理員數量、當日報警次數等數據以直觀方式在顯示大屏上呈現出來。特別是，如果遇到電梯緊急報警，可視化裝置以閃爍警報形式顯示，并觸發(fā)緊急處置機制。

4 結束語

蘭州局集團公司研發(fā)并應用電梯物聯網大數據平臺的實踐表明，電梯物聯網大數據平臺能全面提高鐵路電梯安全管理水平，特別是在電梯運行監(jiān)控、安全巡查、故障預警、電梯應急處置及電梯維保作業(yè)過程等方面實現了智能化、精細化、流程化的管理[7]。隨著物聯網、傳感技術及大數據應用的不斷發(fā)展，電梯物聯網大數據平臺將會擴展到包括安裝、運行、改造、維護、維修、到報廢回收等階段的“電梯服務生命周期管理”領域，促進電梯服務由傳統(tǒng)的“防御型”向“預測型”轉變，由“計劃型”向“按需型”轉變[8]。電梯物聯網大數據平臺的推廣應用將不僅能解決電梯安全問題，而且在電梯服務行業(yè)產生巨大的社會效益及經濟效益。