在\“行业4.0\”下，大数据和人工智能(AI)技术在电梯行业的实施和应用已变得越来越普遍。随着电梯运行数据量的剧增和对其实时性的更高要求，传统的电梯故障监测存在着不准确的问题，亟待解决。本文提出了一种基于人工智能和大数据的电梯故障监测与诊断方法。首先对电梯系统及其故障类型和原因进行了分析。然后，为了选择最佳的大数据处理工具，比较了Flink和Spark Streaming的性能。结果表明，Flink具有更快的计算速度，更适合处理大数据。再次，提出了一种基于有限状态机(FSM)的模式识别算法来监测整个电梯控制系统的运行状态。最后，进行了仿真实验。

1引言

在\“行业4.0\”出台后，近年来，越来越多的大数据和人工智能技术应用于电梯行业。各种传感器可以采集多种不同类型的数据，而这些数据的数量一直呈指数级增长[1，2]，如运行状态数据、机械部件的振动信号数据等。同时，除了运行数据外，电梯生产和后续维护数据也是海量的。然而，凭借大数据技术，这些数据的价值不可低估。[3]。挖掘隐藏在海量电梯数据中的潜在知识，并利用它来监控电梯的运行状态，为电梯故障提供预警是迫切和必要的[4，5]。

在这种背景下，大数据、机器学习和人工智能等新一代技术的发展为处理这些海量数据提供了新的思路和方法[6，7]。Chang等人。[8]提出了一种基于MCDN的评估框架，将智能灾难应对系统的性能作为多准则决策问题进行评估。在电梯行业，Kim W[9]提出的电梯远程应急处理系统可以通过传感器获取电梯运行数据，然后利用物联网和AI算法对电梯运行的安全性进行检测和报告。Seung-Tae Part[10]et al.。提出了一种电梯维护实施方法，能够进行系统决策并识别具体的故障部位。然而，随着电梯数量的增加，传统的电梯监控系统无法对海量的电梯运行数据进行实时分析和准确诊断。常文[11]针对物联网的智能电网提出了一种可靠的时间序列分析框架，该框架能够对原始数据进行提炼和清洗，解决了因网络传输不可靠而造成的漏值问题。因此，提出准确分析电梯实时数据的新方法具有重要意义。

同时，为了处理尽可能多的实时数据，国际学者对流量大数据做了大量的研究[12，13]。在早期，消息队列主要用于处理实时数据，但消息队列的结构非常复杂，不适合在数据处理不稳定的工程中应用。近年来，许多开源社区都专注于流数据处理，如Storm、Spark Streaming和Flink[14，15]。作为流数据处理的先驱，Storm最初是由创业公司BackType的团队成员开发的，然后被阿帕奇软件基金收购，并开始作为顶级开源项目开发[16，17]。Storm提供了一种比消息队列延迟更低的数据处理方法。但在数据吞吐量方面并不尽如人意，在一些大型工程案例中难以实现。随后，为了解决Storm数据吞吐量不足的问题，加州大学伯克利分校AMP实验室的研究人员试图以一定的时间间隔对接收到的实时流量数据进行拆分，并将其移交给Spark Engine[18]。在数据批处理过程中，尽可能地对数据进行分割。当分割足够小时，数据集可以被处理为数据流，但这种方法仍然不能使其成为真正的流。实时数据处理仍然不能令人满意。在此基础上，Flink克服了上述两个框架的缺点。除了提供高精度的只需一次的操作，避免重复消耗数据外，还将数据流处理延迟降低到数据吞吐量较大的亚秒级数据。它与其他组件[19，20]结合使用也非常方便。

然而，在大数据和工业4.0的背景下，随着电梯运行数据量和实时性的增加，传统的电梯故障监测已经不合时宜，亟待解决[21，22]。针对这一问题，本文首先分析了电梯控制系统及其故障类型和原因。然后介绍了一种基于有限状态机的模式识别算法，并将其应用于对整个电梯控制系统的运行状态进行建模和监控。在此基础上，提出了一种基于人工智能和大数据的电梯故障监测与诊断方法。随后，通过对计算性能的比较，选择了性能更好的Flink流数据框架来处理电梯控制系统的海量运行状态数据。最后，通过仿真实验验证了该算法的有效性。通过大数据分析，可以实现电梯控制系统的实时故障诊断和预警，帮助电梯管理人员及时发现电梯故障，制定有针对性的解决方案。这里提出的研究如图1所示组织：

 图1.论文的组织结构

论文的其余部分组织如下。第二节介绍了相关的背景理论，并提出了模型。第三节给出并分析了仿真结果，第四节给出了结论。

2基于人工智能的电梯智能监测与诊断

2.1电梯控制系统的运行流程

电梯控制系统是电梯的重要组成部分。它主要由电梯控制板、传感器、变频器、安全电路、楼层呼叫控制器、电机驱动电路、楼层显示控制器等组成。

在图2中，阶段1至阶段9是电梯在运行周期中的运行速度曲线，它显示了整个电梯控制系统的运行过程。具体过程如下：阶段1，电梯接收并登记楼内指令和楼外呼梯指令；阶段2，电梯门系统完成手动或自动关门动作；阶段3，电梯启动并加速；阶段4~5和5~6，电梯在不同时间以额定速度运行；阶段6~7，接收登记的楼层内或楼外信号，在到达相应楼层的预定距离之前开始减速和刹车；阶段8~9，电梯到达楼层并开门。

 图2 电梯运行速度曲线

电梯控制系统的具体操作流程如下。当电梯处于停车状态时，包括打开(关闭)电梯门，并向其他楼层的按钮发出完全关闭信号：当没有其他楼层的呼叫命令时，电梯控制系统控制电梯停留在停车楼层；当收到其他楼层或本楼层的呼叫命令时，系统会将目标楼层与当前楼层进行比较，以发出相应的运行方向信号，控制电梯上下运行；电梯运行时，如果接收到当前楼层与目标楼层之间的呼叫命令，且满足与电梯相同的运行方向，电梯控制系统也会响应该命令：电梯门系统需要保持门完全关闭的状态；当电梯到达目标楼层时，电梯会自动将门打开到打开位置，然后通过关闭命令等待一定时间后手动或自动关门。如果没有呼叫指令，它会停留一段时间，然后返回停车层待命。如果有呼叫命令，则重复上述过程。

通过对电梯控制系统运行过程的详细描述，可以将运行过程概括为表1所示的7个原始状态和9个目标状态。

表1 电梯控制系统运行状态转换表

2.2电梯控制系统的故障类型

为了更好地监控电梯控制系统的相关运行状态，各种传感器应运而生。例如，位移传感器可以将电梯的位置信号反馈到调平控制系统，以确保电梯调平的精度；称重传感器可以用来向电梯控制系统反映电梯轿厢的承载情况，以防止电梯超载。为了确保乘客不被夹，光幕信号传感器可以准确判断是否有物体通过门梯。因此，为了监控电梯控制系统的安全性，电梯中的传感器不断地向系统传输实时数据。

上面详细介绍了整个电梯控制系统的运行过程和相应的状态信号类型。由于电梯控制系统的功能和运行状态复杂，故障的类型和频率也各不相同。在电梯控制系统的实际运行中，对电梯传感器采集的运行状态数据进行逻辑判断和分析，通过故障树表示电梯控制系统的故障类型，如图3所示。

 图3.电梯控制系统故障树

电梯控制系统在整个运行周期的每一次运行中都可以准确地描述其状态。一旦发生特定事件(例如，电梯控制系统接收到上行或下行呼叫、到达开门、关门等)，电梯控制系统的运行状态将相应地转移[23]。针对电梯控制系统的运行特点，利用有限状态机(FSM)对电梯控制系统的运行状态及其过渡过程进行分析和建模。有限状态机是一种模式识别技术，它通过训练故障数据进行分类识别，形成人工智能预警模型。在这里，我们首先构建基于有限状态机的电梯控制系统的运行周期，然后将其嵌入到大数据处理框架[24]中。当输入实时监测数据时，可通过状态转换判断故障。

2.3基于有限状态机的电梯控制系统智能诊断

FSM是一种状态机，其状态是离散的，可以被提及，主要包括三组状态：状态集、事件或输入集、状态转移规则集。电梯控制系统的 FSM 可以通过以下元组定义：

 式中，S表示电梯控制系统的运行状态集合。本系统定义的状态集包括以下状态：电梯停止、电梯运行、电梯平层到达、电梯打开、完全打开、电梯关闭、完全关闭。状态集中的终止状态为电梯停止状态。

Σ表示电梯系统中的输入集合，由电梯控制系统运行时的信号组成：上（下）召唤指令信号、开（关）门信号、选层按钮信号、电梯到站信号、平层到站信号信号。

δ表示电梯控制系统的运行状态传递函数，通常用S×Σ→S表示，即电梯控制系统在输入信号的影响下从当前状态转移到下一个状态。

S0 代表电梯控制系统中的初始状态值。

F 是 S 的一个子集，代表电梯控制系统的终止状态，也就是前面提到的“电梯停止”。

电梯控制系统运行状态的状态转换设计如图 4 所示。

图4中的每个节点代表了整个运行周期的状态转换，其中“电梯停止”状态为终止状态。每条连接线代表操作状态转换的过程，连接线上的文字代表需要执行的动作和促进状态转换的相关事件。

结合上述受限状态机运行的电梯控制系统的状态转移图，下面将详细描述状态转移情况。

在电梯控制系统运行过程中，有限状态机的终止状态（稳态）为“电梯停止”状态，除初始状态外，其他运行状态均视为临时状态。电梯控制系统收到指令信号后，会从终止状态转移到相应的状态。如果乘客通过电梯内部的操作面板呼梯或呼梯，电梯控制系统中的输入信号就是呼梯指令。此时应调查电梯当前所在楼层的位置。如果输入楼层信号为当前楼层，电梯控制系统运行状态将直接变为“电梯自动开门”状态。如果输入楼层信号为当前楼层，则状态变为“电梯自动开门”状态。如果楼层信号不是当前楼层，则状态会根据相应楼层方向启动上（下）操作。

然后，事件“电梯到达”将原始状态“电梯上升（下降）运行”转变为“电梯到达目标楼层”。之后，电梯控制系统将自动完成电梯完全平层。然后，目标状态将转移到“电梯到达目标楼层”。通过指令开门，“电梯自动（手动）开门”状态转为“完全开门”。至此，电梯控制系统完成了从“电梯停止”到“完全开启”的转换过程。

电梯完成“完全打开”状态后，电梯控制系统会对电梯开门时间进行计时。如果开启时间超过系统预先设定的阈值或电梯控制系统在此期间收到关闭信号，目标状态将变为“电梯关闭”状态。通过“执行关闭命令”将系统转换为“完全关闭”。这时候还需要进一步的判断。如果电梯控制系统收到上行或下行召唤命令，状态将继续转移到“电梯运行”状态。如果没有其他输入指令，电梯控制系统运行状态将转移到终止状态。在这一步，电梯控制系统完成了整个运行过程的状态转移。

2.4.电梯控制系统故障诊断仿真实验

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