基于云端和CPS技术的电梯联网体系结构

任诗波++丁树庆++王会方

摘 要电梯云联网主要研究“云+端”的电梯联网技术，融合传感、通讯、视频传输、语音通讯、GIS等技术，服务电梯安全运行应急处置和动态监管。实现电梯、政府、维保单位、使用单位四位一体的电梯监控、应急处置和故障预警。通过建立全市统一的应急处置呼叫中心实现困人报警和语音安抚，调动全市三级应急救援体系快速实施救援；通过决策分析系统，建立完善的故障预警系统，对海量的数据进行分析，为电梯安全提供决策依据。

【关键词】云端 电梯监控 应急处置 电梯云联网 CPS

随着城市建设规模的不断扩大，电梯数量日益增多，电梯困人事件时有发生，城市道路交通压力、30分钟救人的时间要求给电梯救援带来的了前所未有的压力。解决电梯救援问题需要整合全社会专业救援资源，建立三级应急救援体系，综合利用各维保单位救援力量建立第二级应急救援网络，组建专业应急救援队伍作为第三级，实行救援资源统一调配，优先发挥第一级救援力量，可以大大提高电梯救援速度，减少电梯困人时间。

1 电梯云联网概念

围绕电梯救援和电梯故障预防，亟待建立以电梯为节点的网络信息系统——电梯云联网。电梯云联网是指在电梯上装载传感装置，感知电梯运行信号，识别电梯故障，实现在网络平台上对所有电梯的属性及静、动态信息进行整合提取和有效利用，为电梯应急救援及故障排除提供有效服务，实现数字化、智能化的管理和应用。

目前，电梯云联网尚处于起步阶段，还没有形成完整的体系框架。本文针对城市大规模电梯管理提出基于“云+端”，即“云计算中心+ CPS（传感、计算终端、通讯）”模式构建电梯云联网体系。该电梯联网体系将以构建电梯云中心，利用GIS电子地图服务，构建电梯救援网络。通过云端传感装置对电梯运行状态信息进行实时采集，通过云端内嵌的专家系统对电梯运行状态信息进行诊断，及时对故障信息进行分析。如果电梯发生困人等故障，云端将电梯困人信息、电梯故障连同电梯运行状态信息发送至电梯云计算中心，云计算中心及时通知电梯救援人员实施救援。利用电梯云联网技术不仅能够提高电梯应急救援的效率，众多基于电梯云联网技术的应用和衍生服务应运而生，对电梯行业的发展产生了巨大的影响。

2 电梯联网体系架构

作为物联网在电梯领域中的全新应用，本文结合政府服务社会安全的需求，针对城市规模电梯的应用对象，结合电梯应急处置需求，建立“‘云+端电梯联网”系统，将“电梯联网”和“电梯三级应急救援”有机结合， 提出一种适用于电梯安全运行应急处置的云联网网络体系结构。

2.1 电梯联网的服务类型

从网络服务的角度来看， 电梯云联网应该能够提供的服务如表1 所示。服务类型是设计电梯云联网体系结构的主要依据。

2.2 电梯联网的互联结构

电梯安全运行应急处置云计算平台以传感技术、音视频技术作为数据采集手段，以互联网CPS节点，采用有线或无线网络为数据传输通道，服务于电梯实时监控、应急处置、救援调度、呼叫中心、视频监控和决策分析等功能。平台基于三层/多层方式分布式应用开发，采用浏览器/中间件业务逻辑/数据库系统的三层體系结构（应用服务器体系结构）。如图1所示。

感知层：感知电梯运行状态，在感知层采用红外传感器、视频识别或差动变压器识别轿厢乘客，感知困人；采用光电感应传感器、光电传感器、GNSS传感器采集电梯运行状态，采用音频传感器采集语音信号，采用RFID标签标识电梯；

传输层：采用基于TCP/IP协议的有线网络或通过2G、3G、LTE等移动通讯网络实现“云”和“端”之间的数据通讯；

服务层：通过信息融合、网络管理、WEB服务等技术，向应用层提供服务，包括组织身份服务、单点登录服务、访问控制服务、电子表单服务、业务流程服务、统一消息服务、GIS引擎服务、数据分析服务等；

应用层：电梯安全运行应急处置云计算平台，划分为两个子层，下子层是应用程序层，主要是进行数据处理，电梯联网的各种应急处置服务；上子层是人机交互界面，定义与各类用户交互的方式和内容，通过身份认证管理登录访问。

3 电梯互联网CPS结点设计

CPS，利用计算技术监测和控制物理设备行为的嵌入式系统称为网络化物理系统（cyber-physical systems， CPS），简单的说，就是开放的嵌入式系统加上网络和控制功能。物联网、传感网所擅长的是基于连接的感知，CPS能够实现感控，不仅仅实现感知，还可以实现控制，其计算能力远远超越物联网、传感网。

电梯是一个复杂的机电系统工程，使用场所是固定的，其设计必须符合GB7588-2003，结合安全和应急救援的要求，需要感知电梯的运行状态、乘客状态、视频、音频等数据，具体感知数据数据表2所示。

结合电梯的实际情况，由于城市中电梯分布的不确定性和数据远距离传输的特点，电梯CPS结点设计必须具备联网能力。由于电梯云联网采用了“云+端”技术，“端”必须具有感知能力，处理数据采集；具备计算能力，在CPS内部建立故障专家系统，诊断电梯故障，在需要时（如电梯发生困人故障，或云计算中心唤醒时）与“电梯云计算中心”保持链接传输数据，减少大规模电梯联网在线产生的海量数据传输，节约有限的网络资源，减少网络负担。此外，CPS必须具有后备电源，确保电梯在断电情况下，CPS依然能够联网正常工作；为实现电梯故障的查阅和状态复现，CPS需具有数据存储能力。

综上所述，电梯云联网结点应采用互联网CPS结点设计，作为电梯联网的主要设备，结点设计如图2所示。

4 电梯云联网应用

电梯云联网主要基于云计算服务、传感网、GIS系统、音视频系统、呼叫中心等技术，创新智能化动态监管。根据电梯应急处置业务流程要求，图3所示，电梯云平台由实时监控、应急处置、呼叫中心、视频监控和决策分析等子系统组成，融合电梯应急处置和动态监管等各环节，存储电梯故障案例信息，将应急救援与决策分析融入应用。实现电梯、政府、维保单位、使用单位四位一体的重点监控、应急处置和故障预警等。根据网络服务需求，通过呼叫中心实现电梯电话统一接警和科学调度，调动三级救援体系，及时处理电梯困人事故。

5 结束语

电梯云联网是一种全新的网络应用，是云计算、物联网技术在公共安全领域中的具体应用，是全新的电梯应急处置模型。本文研究了电梯云联网的概念、网络体系结构、电梯互联网CPS以及电梯云联网应用等方面的内容。文章所述体系架构在“南京市电梯安全运行应急处置中心”得到了良好的应用，结合南京市“96333”电梯呼叫中心、电梯三级应急救援体系建设，电梯“云+端”技术得到了有效的实证。系统投入使用一年多来，实现了南京市主城区电梯的有效应急处置，将电梯困人救援时间由法律要求的30分钟，控制到了20分钟以内，有效的提升了电梯应急救援效率，缩短了应急救援时间。此外，通过电梯云联网技术，可有效监控全市电梯的故障情况，为电梯故障决策分析和故障预警积累了丰富的数据。

参考文献

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[2]刘祥志，刘晓建，王知学，成巍，李建新.信息物理融合系统[J].山东科学，2010，23（03）：56-61.

[3]任诗波，吕嘉宾，陈则来.基于网络通讯的电梯远程故障诊断系统[J].机电工程技术，2009，38（1）：57-59.

作者简介

任诗波（1981-），男，安徽省肥东县人，高级工程师。硕士研究生。主要研究方向为电梯检验技术。

作者单位

南京市特种设备安全监督检验研究院 江苏省南京市 210019