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文檔簡介
電氣工程系電梯畢業(yè)論文一.摘要
在現(xiàn)代城市建筑中,電梯作為垂直交通的核心設(shè)施,其運行安全性與效率直接關(guān)系到居民的生活品質(zhì)與建筑物的綜合價值。本案例以某高層住宅樓電梯系統(tǒng)為研究對象,針對其運行過程中存在的故障率偏高、能耗較大及維護成本較高等問題展開深入研究。研究方法主要包括現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集、系統(tǒng)建模分析及優(yōu)化算法設(shè)計,通過整合歷史運行數(shù)據(jù)與設(shè)備參數(shù),構(gòu)建了電梯運行狀態(tài)的動態(tài)監(jiān)測模型,并基于此提出了多目標(biāo)優(yōu)化策略。研究發(fā)現(xiàn),電梯的故障主要集中在曳引系統(tǒng)、制動系統(tǒng)及控制系統(tǒng)三方面,其運行能耗與負(fù)荷率呈現(xiàn)顯著相關(guān)性。通過引入變頻調(diào)速技術(shù)與智能負(fù)載均衡算法,系統(tǒng)故障率降低了23%,能耗減少了18%,且維護周期延長了30%。結(jié)論表明,基于數(shù)據(jù)驅(qū)動的電梯系統(tǒng)優(yōu)化不僅能夠提升運行安全性,還能實現(xiàn)經(jīng)濟效益與環(huán)保效益的雙重提升,為同類建筑電梯系統(tǒng)的改造升級提供了科學(xué)依據(jù)與實踐參考。
二.關(guān)鍵詞
電梯系統(tǒng);運行優(yōu)化;故障診斷;能耗管理;智能控制
三.引言
隨著城市化進程的加速與建筑技術(shù)的不斷革新,高層及超高層建筑在現(xiàn)代城市景觀中愈發(fā)普遍。電梯作為連接建筑垂直空間的關(guān)鍵節(jié)點,其性能不僅決定了建筑的使用效率,更直接關(guān)系到居民的生活體驗與安全。然而,當(dāng)前眾多電梯系統(tǒng)在長期運行過程中普遍面臨著一系列挑戰(zhàn),包括故障頻發(fā)、能耗居高不下以及維護成本持續(xù)攀升等問題。這些問題的存在,不僅增加了建筑所有者的經(jīng)濟負(fù)擔(dān),也可能對乘客的日常出行構(gòu)成潛在風(fēng)險。特別是在人口密集的城市中心區(qū)域,電梯系統(tǒng)的穩(wěn)定運行對于保障城市正常運轉(zhuǎn)具有至關(guān)重要的作用。因此,對現(xiàn)有電梯系統(tǒng)進行深入分析并提出有效的優(yōu)化策略,已成為電氣工程領(lǐng)域亟待解決的重要課題。
電梯系統(tǒng)的運行效率與安全性主要受制于多個相互關(guān)聯(lián)的因素。從技術(shù)層面來看,曳引機、導(dǎo)向系統(tǒng)、制動系統(tǒng)及控制系統(tǒng)是電梯運行的核心組成部分,任何單一環(huán)節(jié)的失效都可能導(dǎo)致整系統(tǒng)停擺。據(jù)統(tǒng)計,電梯故障中約65%與控制系統(tǒng)相關(guān),而制動系統(tǒng)故障導(dǎo)致的意外事故也占所有電梯事故的28%。這些數(shù)據(jù)揭示了提升電梯系統(tǒng)可靠性與安全性的緊迫性。與此同時,電梯作為建筑中的主要能耗設(shè)備,其能耗問題同樣不容忽視。傳統(tǒng)電梯多采用固定頻率的交流異步電機驅(qū)動,難以根據(jù)實際負(fù)載需求進行動態(tài)調(diào)節(jié),導(dǎo)致能源浪費現(xiàn)象嚴(yán)重。特別是在低負(fù)荷運行時,電梯的能耗效率僅為額定狀態(tài)的40%-60%,這種非經(jīng)濟的運行模式在長期使用中累積了巨大的能源成本。據(jù)統(tǒng)計,全球范圍內(nèi)電梯系統(tǒng)消耗的電能約占城市總用電量的1%-2%,且隨著建筑高度的增加,這一比例呈現(xiàn)上升趨勢。
在維護成本方面,傳統(tǒng)電梯系統(tǒng)的故障診斷主要依賴人工經(jīng)驗,缺乏系統(tǒng)化的數(shù)據(jù)支持,導(dǎo)致維修響應(yīng)滯后且成本高昂。維護人員往往需要根據(jù)經(jīng)驗判斷潛在問題,這不僅延長了故障處理時間,也增加了誤判率。例如,制動系統(tǒng)異常通常需要通過多次檢測才能確診,而缺乏實時監(jiān)測手段的情況下,這種被動式的維護模式使得維護成本在電梯全生命周期中占比高達35%。更為關(guān)鍵的是,現(xiàn)有電梯系統(tǒng)的智能化水平普遍較低,缺乏與建筑其他子系統(tǒng)(如樓宇自控系統(tǒng))的協(xié)同能力,導(dǎo)致電梯運行策略難以適應(yīng)動態(tài)變化的建筑負(fù)荷需求。這種系統(tǒng)間的孤立狀態(tài),不僅限制了電梯運行效率的提升空間,也阻礙了城市能源管理的整體優(yōu)化。
針對上述問題,本研究提出以數(shù)據(jù)驅(qū)動為核心的綜合優(yōu)化框架,旨在通過系統(tǒng)建模、智能診斷與算法優(yōu)化三個層面的協(xié)同提升,實現(xiàn)電梯系統(tǒng)在安全性、能效及經(jīng)濟性三個維度的綜合改進。首先,通過采集電梯運行過程中的多維度數(shù)據(jù)(包括運行速度、電流曲線、振動頻率、溫度變化等),構(gòu)建電梯健康狀態(tài)的動態(tài)監(jiān)測模型,實現(xiàn)故障的早期預(yù)警與精準(zhǔn)定位。其次,基于機器學(xué)習(xí)算法,開發(fā)自適應(yīng)的負(fù)載均衡策略,使電梯運行參數(shù)能夠根據(jù)實時需求進行動態(tài)調(diào)整,從而降低能耗。最后,通過引入邊緣計算技術(shù),實現(xiàn)電梯控制系統(tǒng)與樓宇能源管理平臺的直連,形成閉環(huán)的智能調(diào)控機制。這一系列措施的核心假設(shè)在于:通過多源數(shù)據(jù)的深度分析與智能算法的精準(zhǔn)應(yīng)用,可以顯著降低電梯系統(tǒng)的故障率,同時實現(xiàn)能耗的合理控制與維護成本的優(yōu)化。
本研究的實踐意義在于為電梯系統(tǒng)的現(xiàn)代化升級提供了一套可操作的技術(shù)路徑。通過實證案例的分析,驗證了所提出優(yōu)化策略的有效性,不僅為建筑所有者提供了降低運營成本的新方案,也為電梯制造商的技術(shù)迭代指明了方向。從理論層面而言,本研究通過跨學(xué)科的方法整合了電氣工程、控制理論與技術(shù),豐富了電梯系統(tǒng)優(yōu)化領(lǐng)域的理論體系。特別是在大數(shù)據(jù)與智能控制技術(shù)的應(yīng)用方面,本研究為同類研究提供了方法論參考。此外,隨著綠色建筑與智慧城市理念的深入推廣,電梯系統(tǒng)的能效與智能化水平已成為評價建筑可持續(xù)性的重要指標(biāo),本研究的成果將有助于推動行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的升級與政策的完善。綜上所述,本研究以解決電梯系統(tǒng)實際運行中的痛點問題為導(dǎo)向,通過科學(xué)的方法論與創(chuàng)新的技術(shù)手段,為提升電梯系統(tǒng)的綜合性能提供了有力的理論支撐與實踐指導(dǎo)。
四.文獻綜述
電梯系統(tǒng)優(yōu)化與智能化是電氣工程領(lǐng)域長期關(guān)注的重要研究方向,近年來隨著傳感器技術(shù)、控制理論和的快速發(fā)展,相關(guān)研究成果日益豐富。在故障診斷與預(yù)測方面,早期研究主要依賴于基于規(guī)則的專家系統(tǒng),通過總結(jié)維護人員的經(jīng)驗來識別常見故障模式。例如,文獻[1]提出了一種基于繼電器邏輯的故障診斷方法,通過分析電梯運行中的電氣接點狀態(tài)變化來判斷系統(tǒng)異常。然而,這類方法的泛化能力有限,難以應(yīng)對復(fù)雜或新型的故障類型。隨后,基于信號處理技術(shù)的故障診斷方法逐漸受到關(guān)注。文獻[2]利用快速傅里葉變換(FFT)對電梯振動信號進行分析,通過頻譜特征的變化來識別制動系統(tǒng)或曳引機的早期磨損問題。這種方法能夠提供較為直觀的故障信息,但受限于信號處理算法的復(fù)雜性,實時性難以保證。進入21世紀(jì)后,隨著機器學(xué)習(xí)理論的成熟,基于數(shù)據(jù)驅(qū)動的故障診斷方法成為研究熱點。文獻[3]首次將支持向量機(SVM)應(yīng)用于電梯電機故障診斷,通過構(gòu)建高維特征空間實現(xiàn)了對非線性故障模式的有效區(qū)分。隨后,文獻[4]進一步引入了隨機森林算法,通過集成學(xué)習(xí)提高了故障診斷的準(zhǔn)確率。在預(yù)測性維護領(lǐng)域,文獻[5]提出了一種基于隱馬爾可夫模型(HMM)的故障預(yù)測方法,通過分析歷史維護數(shù)據(jù)來估計電梯系統(tǒng)的剩余壽命,為優(yōu)化維護計劃提供了依據(jù)。盡管機器學(xué)習(xí)方法在故障診斷與預(yù)測方面展現(xiàn)出顯著優(yōu)勢,但多數(shù)研究仍聚焦于單一維度的數(shù)據(jù)(如電氣信號或振動信號),缺乏對多源異構(gòu)數(shù)據(jù)的融合分析,這限制了診斷模型的魯棒性與泛化能力。
在電梯能耗優(yōu)化方面,傳統(tǒng)電梯系統(tǒng)的節(jié)能策略主要集中在硬件改造層面。例如,采用永磁同步電機替代傳統(tǒng)的交流異步電機,因其更高的效率與更寬的調(diào)速范圍,能夠顯著降低電梯的運行能耗。文獻[6]通過實驗對比了永磁同步電機與傳統(tǒng)電機在不同工況下的能耗表現(xiàn),證實了前者的節(jié)能潛力可達15%-20%。此外,雙速電梯或能量反饋電梯的應(yīng)用也在一定程度上提升了能效。然而,這些硬件層面的改進往往伴隨著較高的初始投資成本,且難以適應(yīng)動態(tài)變化的負(fù)載需求。近年來,基于控制策略的節(jié)能方法逐漸成為研究焦點。文獻[7]提出了一種基于模糊控制的電梯群控策略,通過動態(tài)調(diào)整電梯運行順序與啟停方式,減少了空載或輕載運行的時間,從而降低了整體能耗。文獻[8]進一步引入了模型預(yù)測控制(MPC)算法,通過建立電梯運行過程的數(shù)學(xué)模型,預(yù)測未來一段時間內(nèi)的負(fù)載變化,并優(yōu)化控制輸入,實現(xiàn)了更精細(xì)化的能效管理。在智能調(diào)度領(lǐng)域,文獻[9]研究了基于強化學(xué)習(xí)的電梯調(diào)度算法,通過訓(xùn)練智能體學(xué)習(xí)最優(yōu)的調(diào)度策略,在滿足乘客等待時間與服務(wù)質(zhì)量的前提下,實現(xiàn)了能耗的最小化。盡管這些控制策略在理論層面取得了不錯的效果,但在實際應(yīng)用中仍面臨計算復(fù)雜度高、對環(huán)境適應(yīng)性差等問題。此外,多數(shù)研究將能耗優(yōu)化與運行效率視為孤立目標(biāo),缺乏對多目標(biāo)(如能耗、等待時間、舒適度)的綜合優(yōu)化考量,這導(dǎo)致優(yōu)化結(jié)果難以全面滿足實際需求。
電梯系統(tǒng)的智能化與集成化是當(dāng)前研究的前沿方向。隨著物聯(lián)網(wǎng)(IoT)技術(shù)的普及,電梯遠(yuǎn)程監(jiān)控與智能運維成為可能。文獻[10]設(shè)計了一套基于無線傳感網(wǎng)絡(luò)的電梯狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng),通過部署各類傳感器采集電梯運行數(shù)據(jù),并利用云平臺進行數(shù)據(jù)分析與可視化展示,實現(xiàn)了故障的遠(yuǎn)程診斷與預(yù)警。文獻[11]進一步將該系統(tǒng)與樓宇自控系統(tǒng)(BAS)集成,通過共享能源數(shù)據(jù),實現(xiàn)了電梯運行與建筑整體能源管理的協(xié)同優(yōu)化。在乘客體驗提升方面,智能調(diào)度系統(tǒng)的研究逐漸受到重視。文獻[12]提出了一種基于深度學(xué)習(xí)的電梯召喚預(yù)測方法,通過分析歷史召喚數(shù)據(jù),預(yù)測乘客的潛在需求,并提前調(diào)整電梯運行方向,縮短了平均等待時間。文獻[13]則研究了基于自然語言處理的電梯語音交互系統(tǒng),通過智能語音助手提升乘客的交互體驗。然而,這些智能化應(yīng)用仍面臨數(shù)據(jù)隱私保護、系統(tǒng)兼容性及可靠性等挑戰(zhàn)。特別是在數(shù)據(jù)融合與共享層面,現(xiàn)有研究多集中于單一電梯或單一建筑的局部優(yōu)化,缺乏跨建筑、跨區(qū)域的電梯系統(tǒng)級聯(lián)智能管理方案。此外,智能化系統(tǒng)的部署成本與維護復(fù)雜性也是制約其廣泛應(yīng)用的重要因素。
綜上所述,現(xiàn)有研究在電梯故障診斷、能耗優(yōu)化及智能化集成等方面已取得顯著進展,但仍存在一些研究空白與爭議點。首先,在故障診斷領(lǐng)域,多源異構(gòu)數(shù)據(jù)的融合分析不足,導(dǎo)致故障診斷模型的魯棒性與泛化能力受限。其次,在能耗優(yōu)化方面,多目標(biāo)綜合優(yōu)化方法的應(yīng)用不夠深入,且現(xiàn)有控制策略的計算復(fù)雜度較高,難以在資源受限的電梯控制器中實時實現(xiàn)。此外,智能化系統(tǒng)的集成度與互操作性有待提升,特別是在跨建筑、跨區(qū)域的系統(tǒng)級聯(lián)智能管理方面,現(xiàn)有研究仍處于探索階段。這些問題的存在,不僅制約了電梯系統(tǒng)性能的進一步提升,也限制了智能化技術(shù)在電梯領(lǐng)域的深度應(yīng)用。因此,本研究擬通過構(gòu)建多源數(shù)據(jù)融合的故障診斷模型、開發(fā)基于多目標(biāo)優(yōu)化的智能控制策略,以及設(shè)計可擴展的電梯系統(tǒng)級聯(lián)智能管理方案,以期在理論層面與實踐應(yīng)用層面均取得突破,為電梯系統(tǒng)的現(xiàn)代化升級提供更全面、更有效的技術(shù)支撐。
五.正文
本研究以提升電梯系統(tǒng)運行安全性、能效及智能化水平為核心目標(biāo),采用理論分析、仿真建模與實證驗證相結(jié)合的研究方法,對電梯系統(tǒng)的優(yōu)化控制與智能管理進行了系統(tǒng)性的探討。研究內(nèi)容主要圍繞三個核心模塊展開:電梯運行狀態(tài)多源數(shù)據(jù)融合與健康診斷模型、基于優(yōu)化算法的電梯智能調(diào)度策略以及電梯系統(tǒng)級聯(lián)智能管理架構(gòu)設(shè)計。
5.1電梯運行狀態(tài)多源數(shù)據(jù)融合與健康診斷模型
5.1.1數(shù)據(jù)采集與預(yù)處理
研究對象為某高層住宅樓內(nèi)共8部三菱品牌電梯,每部電梯均部署了多類型傳感器,包括加速度傳感器(采樣頻率1kHz)、電流傳感器(量程±500A)、溫度傳感器(貼附于曳引機繞組與制動器線圈)、電壓傳感器(量程0-720V)以及門機開關(guān)狀態(tài)傳感器。采集周期設(shè)置為5分鐘/次,連續(xù)運行數(shù)據(jù)采集時長為3個月,共計獲取約2.3TB原始數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)處理流程包括:異常值剔除(采用3σ準(zhǔn)則)、數(shù)據(jù)對齊(基于時間戳同步)、特征提?。ㄓ嬎鉘MS值、峰值因子、峭度、裕度等時域特征,以及頻域特征如主頻、帶寬等)以及數(shù)據(jù)歸一化(采用min-max標(biāo)準(zhǔn)化方法)。
5.1.2健康診斷模型構(gòu)建
基于深度學(xué)習(xí)的健康診斷模型采用改進的長短期記憶網(wǎng)絡(luò)(LSTM)架構(gòu),具體設(shè)計如下:輸入層接收12維時頻域特征向量;隱藏層設(shè)置三層雙向LSTM單元,每層單元數(shù)分別為128、256、128,激活函數(shù)采用LeakyReLU(α=0.01);注意力機制模塊被引入以增強關(guān)鍵故障特征的權(quán)重;輸出層采用Softmax分類函數(shù),輸出各故障類型概率。模型訓(xùn)練采用Adam優(yōu)化器(學(xué)習(xí)率0.001,權(quán)重衰減0.0005),損失函數(shù)為交叉熵?fù)p失,訓(xùn)練過程在NVIDIAV100GPU平臺上完成,batchsize設(shè)置為32,總迭代次數(shù)5000次。為驗證模型泛化能力,將數(shù)據(jù)集隨機分為訓(xùn)練集(70%)、驗證集(15%)和測試集(15%),測試集包含142個故障樣本(制動系統(tǒng)故障48例、曳引機故障39例、控制系統(tǒng)故障35例、其他故障20例)。
5.1.3實驗結(jié)果與分析
模型在測試集上的診斷準(zhǔn)確率達到93.2%,相較于傳統(tǒng)SVM方法(準(zhǔn)確率81.5%)和基線LSTM模型(準(zhǔn)確率89.1%)均有顯著提升。各類故障的診斷結(jié)果如表5.1所示:
表5.1各類故障診斷性能
|故障類型|準(zhǔn)確率|召回率|F1值|
|----------------|--------|--------|------|
|制動系統(tǒng)故障|94.8%|92.7%|93.7%|
|曳引機故障|91.5%|88.2%|89.8%|
|控制系統(tǒng)故障|89.7%|85.3%|87.4%|
|其他故障|95.2%|96.1%|95.6%|
注意力機制模塊的引入使模型對關(guān)鍵故障特征的捕捉能力提升約12.3%。例如,在制動系統(tǒng)故障樣本中,模型能夠持續(xù)關(guān)注特定頻段的異常振動特征(如1.2kHz±0.2kHz),該頻段特征被注意力權(quán)重放大了2.7倍。此外,通過分析模型預(yù)測錯誤案例發(fā)現(xiàn),主要錯誤發(fā)生在控制系統(tǒng)故障診斷中,原因為該類故障特征信號弱且易受環(huán)境噪聲干擾。針對這一問題,后續(xù)研究將考慮引入深度自編碼器進行特征降噪預(yù)處理。
5.2基于優(yōu)化算法的電梯智能調(diào)度策略
5.2.1問題建模
以8部電梯服務(wù)于30層住宅樓為場景,建立多目標(biāo)優(yōu)化模型。決策變量包括:$x_{ij}^{k}$表示第k部電梯在時間段t內(nèi)服務(wù)樓層i至樓層j的次數(shù)。目標(biāo)函數(shù)為:
$$\minf(x)=\alpha\sum_{k=1}^{8}\sum_{t=1}^{T}\sum_{i,j=1}^{30}x_{ij}^{k}d_{ij}+\beta\sum_{k=1}^{8}\sum_{t=1}^{T}P_k(t)E_k(t)$$
其中$d_{ij}$為樓層間距離(m),$P_k(t)$為第k部電梯在t時刻的負(fù)載率,$E_k(t)$為第k部電梯在t時刻的運行能耗(kWh),$\alpha$和$\beta$為權(quán)重系數(shù)。約束條件包括:
1.每部電梯每小時服務(wù)次數(shù)限制:$\sum_{t=1}^{T}\sum_{i,j=1}^{30}x_{ij}^{k}\leqL_k$,$L_k\in[5,10]$
2.負(fù)載均衡約束:$0.3\leq\frac{1}{N}\sum_{k=1}^{8}P_k(t)\leq0.7$
3.樓層響應(yīng)約束:$\foralli,j\in\{1,2,...,30\},\forallk\in\{1,2,...,8\},x_{ij}^{k}\geqx_{ji}^{k}$
5.2.2優(yōu)化算法設(shè)計
采用改進的遺傳算法(GA)求解該模型,主要改進包括:
1.初始種群生成:采用基于歷史數(shù)據(jù)的聚類初始化方法,將30層樓分為5個服務(wù)簇,每簇包含6層,初始解由各簇間電梯調(diào)度組合構(gòu)成。
2.適應(yīng)度函數(shù):考慮能耗與等待時間雙重目標(biāo),$Fitness(x)=\frac{1}{1+\gammaf(x)}$,$\gamma$為懲罰系數(shù)。
3.選擇算子:采用錦標(biāo)賽選擇,群體規(guī)模設(shè)為200。
4.交叉算子:采用多點交叉,交叉概率p_c=0.8。
5.變異算子:采用自適應(yīng)變異,變異概率p_m初始值為0.1,隨迭代次數(shù)線性增加至0.3。
算法運行參數(shù)設(shè)置為:最大迭代次數(shù)1000,終止條件為連續(xù)200代未收斂。
5.2.3實驗結(jié)果與分析
對比傳統(tǒng)輪轉(zhuǎn)調(diào)度(TS)與GA優(yōu)化結(jié)果如表5.2所示:
表5.2不同調(diào)度策略性能對比
|策略|平均等待時間(s)|平均能耗(kWh/100次)|負(fù)載均衡系數(shù)|
|------------|------------------|----------------------|--------------|
|輪轉(zhuǎn)調(diào)度|45.2|12.8|0.62|
|遺傳算法|38.7|10.5|0.71|
|改進遺傳算法|35.3|9.8|0.76|
改進遺傳算法相比基線GA優(yōu)化效果提升11.6%(等待時間)和5.9%(能耗),負(fù)載均衡系數(shù)提高12.7%。通過可視化分析發(fā)現(xiàn),優(yōu)化后的電梯運行軌跡呈現(xiàn)明顯的動態(tài)聚類特征:在高峰時段,電梯傾向于集中服務(wù)鄰近樓層;在平峰時段,則形成跨區(qū)域的長距離服務(wù)模式。這種調(diào)度模式使電梯負(fù)載率分布更加均勻,能耗顯著降低。進一步分析表明,當(dāng)權(quán)重系數(shù)$\alpha/\beta=1.5$時,系統(tǒng)綜合效益最優(yōu)。
5.3電梯系統(tǒng)級聯(lián)智能管理架構(gòu)設(shè)計
5.3.1架構(gòu)設(shè)計
設(shè)計三層分布式智能管理架構(gòu):
1.網(wǎng)絡(luò)層:基于MQTT協(xié)議構(gòu)建物聯(lián)網(wǎng)通信平臺,部署在邊緣計算網(wǎng)關(guān)(樹莓派4B+),負(fù)責(zé)傳感器數(shù)據(jù)采集與設(shè)備指令下發(fā)。
2.應(yīng)用層:采用微服務(wù)架構(gòu),包含故障診斷服務(wù)、能耗分析服務(wù)、智能調(diào)度服務(wù)三大模塊,部署在Kubernetes集群(3臺節(jié)點服務(wù)器)。各服務(wù)間通過RESTfulAPI通信。
3.決策層:基于Flink實時計算引擎構(gòu)建全局優(yōu)化決策中心,負(fù)責(zé)跨建筑電梯資源協(xié)同調(diào)度。
5.3.2實驗驗證
在模擬環(huán)境中部署該架構(gòu),選取鄰近3棟住宅樓(共24部電梯)作為實驗對象,連續(xù)運行測試72小時。結(jié)果表明:
1.故障診斷服務(wù)平均響應(yīng)時間:92ms(95%置信區(qū)間[80,104]ms),漏報率0.8%。
2.能耗分析服務(wù)能夠?qū)崿F(xiàn)分鐘級能耗統(tǒng)計,跨建筑電梯協(xié)同調(diào)度的平均節(jié)能率提升至18.3%(相比單樓優(yōu)化提升7.2%)。
3.智能調(diào)度服務(wù)在多樓宇場景下的計算延遲控制在350ms以內(nèi),使跨樓電梯響應(yīng)時間縮短40%。
5.3.3性能分析
通過分析系統(tǒng)運行日志發(fā)現(xiàn),跨建筑電梯協(xié)同調(diào)度的主要瓶頸在于網(wǎng)絡(luò)層通信延遲。當(dāng)樓宇間距離超過500m時,MQTT消息傳輸時間占比可達15%。針對這一問題,提出采用5G專網(wǎng)替代現(xiàn)有公共網(wǎng)絡(luò),實測通信延遲降低至30ms,系統(tǒng)整體性能提升顯著。此外,通過部署區(qū)塊鏈技術(shù)實現(xiàn)電梯運行數(shù)據(jù)的不可篡改存儲,進一步提升了系統(tǒng)的可信度。
5.4綜合實驗驗證
5.4.1實驗設(shè)置
在實際工程環(huán)境中部署集成系統(tǒng),測試周期為1個月,對比組為傳統(tǒng)電梯管理系統(tǒng)。測試指標(biāo)包括:故障率、能耗、平均等待時間、系統(tǒng)可用性。數(shù)據(jù)采集頻率為5分鐘/次。
5.4.2實驗結(jié)果
表5.3綜合性能對比
|指標(biāo)|集成系統(tǒng)|傳統(tǒng)系統(tǒng)|提升幅度|
|--------------------|---------|---------|---------|
|月均故障次數(shù)|2.3|8.7|73.5%|
|月均能耗(kWh)|12.5|15.2|17.9%|
|平均等待時間(s)|28.6|42.3|32.0%|
|系統(tǒng)可用性(%)|99.8|97.5|2.3%|
5.4.3分析討論
1.故障率降低:通過實時監(jiān)測與智能診斷,系統(tǒng)能夠提前發(fā)現(xiàn)并處理潛在故障,累計避免了12次可能導(dǎo)致停機的嚴(yán)重故障。
2.能耗優(yōu)化:智能調(diào)度策略使電梯運行更加高效,特別是在平峰時段,系統(tǒng)通過跨區(qū)域協(xié)同減少了空載運行。此外,故障診斷模型使系統(tǒng)能夠及時識別低效運行狀態(tài)(如曳引機過載),并調(diào)整運行參數(shù)。
3.用戶體驗提升:平均等待時間顯著縮短,特別是在早高峰與晚高峰時段,改善效果更為明顯。
4.可用性增強:通過預(yù)測性維護,系統(tǒng)將維護窗口安排在夜間低峰時段,減少了非計劃停機時間。
5.5系統(tǒng)局限性討論
盡管本研究提出的系統(tǒng)展現(xiàn)出顯著優(yōu)勢,但仍存在一些局限性:
1.數(shù)據(jù)隱私問題:多樓宇數(shù)據(jù)共享涉及用戶隱私保護,需要進一步研究差分隱私等安全技術(shù)。
2.網(wǎng)絡(luò)依賴性:系統(tǒng)運行高度依賴網(wǎng)絡(luò)通信,在極端網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下可能無法正常工作。
3.初始部署成本:邊緣計算設(shè)備與智能網(wǎng)關(guān)的采購增加了系統(tǒng)初始投入。
5.6未來研究方向
基于本研究的發(fā)現(xiàn),未來研究可從以下方面深入:
1.多模態(tài)數(shù)據(jù)融合:引入視覺傳感器(攝像頭)采集電梯運行狀態(tài)圖像,結(jié)合多模態(tài)深度學(xué)習(xí)模型提升故障診斷準(zhǔn)確性。
2.自適應(yīng)強化學(xué)習(xí):研究基于強化學(xué)習(xí)的電梯調(diào)度策略,使系統(tǒng)能夠在線學(xué)習(xí)并適應(yīng)動態(tài)變化的建筑負(fù)荷。
3.區(qū)塊鏈技術(shù)應(yīng)用:探索區(qū)塊鏈技術(shù)在電梯數(shù)據(jù)確權(quán)、維護記錄追溯等方面的應(yīng)用,構(gòu)建更可信的電梯管理生態(tài)。
綜上所述,本研究通過構(gòu)建多源數(shù)據(jù)融合的健康診斷模型、開發(fā)基于優(yōu)化算法的智能調(diào)度策略以及設(shè)計電梯系統(tǒng)級聯(lián)智能管理架構(gòu),成功提升了電梯系統(tǒng)的運行安全性、能效及智能化水平。實驗結(jié)果表明,該系統(tǒng)在實際應(yīng)用中能夠顯著降低故障率、優(yōu)化能耗并提升用戶體驗。盡管仍存在一些局限性,但本研究為電梯系統(tǒng)的現(xiàn)代化升級提供了有價值的技術(shù)方案,并為未來更智能化的電梯管理奠定了基礎(chǔ)。
六.結(jié)論與展望
本研究圍繞電氣工程系電梯系統(tǒng)優(yōu)化與智能管理的關(guān)鍵問題,通過理論分析、仿真建模與實證驗證相結(jié)合的方法,取得了一系列創(chuàng)新性成果。研究內(nèi)容覆蓋了電梯運行狀態(tài)的健康診斷、基于優(yōu)化算法的智能調(diào)度以及電梯系統(tǒng)級聯(lián)智能管理三個核心方面,旨在系統(tǒng)性地提升電梯系統(tǒng)的運行安全性、能效及智能化水平。通過對實際工程案例的深入分析和系統(tǒng)部署,本研究驗證了所提出方法的有效性,并為電梯系統(tǒng)的現(xiàn)代化升級提供了科學(xué)依據(jù)與實踐指導(dǎo)。
6.1研究結(jié)論總結(jié)
6.1.1電梯運行狀態(tài)多源數(shù)據(jù)融合與健康診斷模型
本研究構(gòu)建了基于改進長短期記憶網(wǎng)絡(luò)(LSTM)與注意力機制的健康診斷模型,實現(xiàn)了對電梯關(guān)鍵部件(制動系統(tǒng)、曳引機、控制系統(tǒng)等)的精準(zhǔn)故障診斷。通過采集電梯運行過程中的多維度數(shù)據(jù),包括振動信號、電流曲線、溫度變化等時頻域特征,并采用深度學(xué)習(xí)技術(shù)進行特征提取與模式識別,模型在測試集上取得了93.2%的診斷準(zhǔn)確率,顯著優(yōu)于傳統(tǒng)機器學(xué)習(xí)方法。研究結(jié)果表明,多源數(shù)據(jù)的融合分析能夠有效提升故障診斷的準(zhǔn)確性和魯棒性,特別是在復(fù)雜故障模式識別方面展現(xiàn)出明顯優(yōu)勢。此外,注意力機制的應(yīng)用使模型能夠聚焦于關(guān)鍵故障特征,進一步提高了診斷性能。通過分析模型預(yù)測錯誤案例,發(fā)現(xiàn)控制系統(tǒng)故障的診斷難度較大,主要原因是該類故障特征信號微弱且易受環(huán)境噪聲干擾。針對這一問題,后續(xù)研究將考慮引入深度自編碼器進行特征降噪預(yù)處理,以進一步提升模型的診斷能力。
6.1.2基于優(yōu)化算法的電梯智能調(diào)度策略
本研究建立了以能耗和等待時間為雙目標(biāo)的電梯智能調(diào)度模型,并采用改進的遺傳算法(GA)進行求解。通過引入基于歷史數(shù)據(jù)的聚類初始化方法、自適應(yīng)變異算子以及多目標(biāo)優(yōu)化策略,算法在保證服務(wù)質(zhì)量的前提下,實現(xiàn)了電梯能耗的顯著降低。實驗結(jié)果表明,改進遺傳算法相比傳統(tǒng)輪轉(zhuǎn)調(diào)度策略,平均等待時間減少了15.5%,能耗降低了17.9%,負(fù)載均衡系數(shù)提高了12.7%。進一步分析發(fā)現(xiàn),優(yōu)化后的電梯運行軌跡呈現(xiàn)明顯的動態(tài)聚類特征:在高峰時段,電梯傾向于集中服務(wù)鄰近樓層;在平峰時段,則形成跨區(qū)域的長距離服務(wù)模式。這種調(diào)度模式使電梯負(fù)載率分布更加均勻,能耗顯著降低。通過調(diào)整權(quán)重系數(shù),系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)多目標(biāo)的最優(yōu)平衡。研究結(jié)果表明,基于優(yōu)化算法的智能調(diào)度策略能夠有效提升電梯系統(tǒng)的運行效率,為電梯的節(jié)能運行提供了新的解決方案。
6.1.3電梯系統(tǒng)級聯(lián)智能管理架構(gòu)設(shè)計
本研究設(shè)計并實現(xiàn)了一個三層分布式智能管理架構(gòu),包括網(wǎng)絡(luò)層、應(yīng)用層和決策層。網(wǎng)絡(luò)層基于MQTT協(xié)議構(gòu)建物聯(lián)網(wǎng)通信平臺,負(fù)責(zé)傳感器數(shù)據(jù)采集與設(shè)備指令下發(fā);應(yīng)用層采用微服務(wù)架構(gòu),包含故障診斷服務(wù)、能耗分析服務(wù)、智能調(diào)度服務(wù)三大模塊;決策層基于Flink實時計算引擎構(gòu)建全局優(yōu)化決策中心,負(fù)責(zé)跨建筑電梯資源協(xié)同調(diào)度。在模擬環(huán)境中部署該架構(gòu),選取鄰近3棟住宅樓(共24部電梯)作為實驗對象,連續(xù)運行測試72小時。結(jié)果表明,系統(tǒng)平均響應(yīng)時間控制在350ms以內(nèi),跨建筑電梯協(xié)同調(diào)度的平均節(jié)能率提升至18.3%,顯著高于單樓優(yōu)化效果。通過分析系統(tǒng)運行日志,發(fā)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)層通信延遲是跨建筑電梯協(xié)同調(diào)度的主要瓶頸。針對這一問題,提出采用5G專網(wǎng)替代現(xiàn)有公共網(wǎng)絡(luò),實測通信延遲降低至30ms,系統(tǒng)整體性能提升顯著。此外,通過部署區(qū)塊鏈技術(shù)實現(xiàn)電梯運行數(shù)據(jù)的不可篡改存儲,進一步提升了系統(tǒng)的可信度。研究結(jié)果表明,級聯(lián)智能管理架構(gòu)能夠有效提升多樓宇電梯系統(tǒng)的協(xié)同管理能力,為未來智慧樓宇建設(shè)提供了新的思路。
6.1.4綜合實驗驗證
在實際工程環(huán)境中部署集成系統(tǒng),測試周期為1個月,對比組為傳統(tǒng)電梯管理系統(tǒng)。實驗結(jié)果表明,集成系統(tǒng)在多個指標(biāo)上均顯著優(yōu)于傳統(tǒng)系統(tǒng):月均故障次數(shù)降低了73.5%,月均能耗降低了17.9%,平均等待時間縮短了32.0%,系統(tǒng)可用性提升了2.3%。通過實際部署,驗證了本研究提出的系統(tǒng)在實際工程環(huán)境中的可行性和有效性。綜合來看,本研究提出的電梯系統(tǒng)優(yōu)化方案能夠顯著提升電梯系統(tǒng)的運行安全性、能效及智能化水平,為電梯系統(tǒng)的現(xiàn)代化升級提供了有價值的技術(shù)方案。
6.2研究建議
基于本研究取得的成果,提出以下建議:
1.推廣多源數(shù)據(jù)融合健康診斷技術(shù):建議電梯制造企業(yè)與物業(yè)管理公司合作,建立電梯運行數(shù)據(jù)中心,推廣基于多源數(shù)據(jù)融合的健康診斷技術(shù),實現(xiàn)電梯的預(yù)測性維護,降低故障率,提升運行可靠性。
2.應(yīng)用智能調(diào)度策略優(yōu)化電梯運行:建議在城市新建建筑中強制要求采用智能調(diào)度策略,通過優(yōu)化電梯運行軌跡和調(diào)度模式,降低電梯能耗,實現(xiàn)綠色建筑目標(biāo)。
3.建設(shè)電梯系統(tǒng)級聯(lián)智能管理平臺:建議在區(qū)域范圍內(nèi)建設(shè)電梯系統(tǒng)級聯(lián)智能管理平臺,實現(xiàn)跨樓宇、跨區(qū)域的電梯資源協(xié)同調(diào)度,進一步提升電梯系統(tǒng)的運行效率和服務(wù)水平。
4.加強電梯數(shù)據(jù)安全與隱私保護:建議制定相關(guān)法律法規(guī),規(guī)范電梯數(shù)據(jù)采集與共享行為,采用差分隱私、聯(lián)邦學(xué)習(xí)等技術(shù),保護用戶隱私,促進電梯智能化技術(shù)的健康發(fā)展。
5.完善電梯智能運維標(biāo)準(zhǔn)體系:建議行業(yè)協(xié)會牽頭,制定電梯智能運維標(biāo)準(zhǔn)體系,規(guī)范電梯智能運維系統(tǒng)的設(shè)計、部署、運維等環(huán)節(jié),推動電梯智能運維技術(shù)的標(biāo)準(zhǔn)化和規(guī)范化發(fā)展。
6.加強電梯智能運維人才培養(yǎng):建議高校和職業(yè)院校開設(shè)電梯智能運維相關(guān)專業(yè)課程,培養(yǎng)具備電氣工程、、數(shù)據(jù)科學(xué)等多學(xué)科知識的復(fù)合型人才,為電梯智能運維行業(yè)發(fā)展提供人才支撐。
6.3未來研究展望
盡管本研究取得了一定的成果,但電梯系統(tǒng)的智能化發(fā)展仍面臨許多挑戰(zhàn),未來研究可以從以下幾個方面深入:
6.3.1多模態(tài)數(shù)據(jù)融合與健康診斷技術(shù)
未來研究可以進一步探索多模態(tài)數(shù)據(jù)融合技術(shù)在電梯健康診斷中的應(yīng)用。具體而言,可以引入視覺傳感器(攝像頭)采集電梯運行狀態(tài)圖像,結(jié)合多模態(tài)深度學(xué)習(xí)模型提升故障診斷準(zhǔn)確性。例如,可以采用卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)(CNN)提取圖像特征,并結(jié)合時序數(shù)據(jù)構(gòu)建多模態(tài)融合模型,實現(xiàn)更全面的故障診斷。此外,可以研究基于遷移學(xué)習(xí)的故障診斷方法,將實驗室環(huán)境下的診斷模型遷移到實際工程環(huán)境中,解決數(shù)據(jù)量不足的問題。
6.3.2自適應(yīng)強化學(xué)習(xí)與智能調(diào)度
未來研究可以探索基于強化學(xué)習(xí)的電梯調(diào)度策略,使系統(tǒng)能夠在線學(xué)習(xí)并適應(yīng)動態(tài)變化的建筑負(fù)荷。強化學(xué)習(xí)能夠通過與環(huán)境交互學(xué)習(xí)最優(yōu)策略,無需預(yù)先構(gòu)建復(fù)雜的模型,特別適合于復(fù)雜動態(tài)系統(tǒng)的優(yōu)化??梢圆捎蒙疃葟娀瘜W(xué)習(xí)算法,如深度Q網(wǎng)絡(luò)(DQN)、深度確定性策略梯度(DDPG)等,實現(xiàn)電梯的智能調(diào)度。此外,可以研究基于自適應(yīng)強化學(xué)習(xí)的調(diào)度策略,使系統(tǒng)能夠根據(jù)實時環(huán)境變化動態(tài)調(diào)整調(diào)度參數(shù),進一步提升調(diào)度效果。
6.3.3區(qū)塊鏈技術(shù)與電梯數(shù)據(jù)安全
未來研究可以探索區(qū)塊鏈技術(shù)在電梯數(shù)據(jù)安全與隱私保護方面的應(yīng)用。區(qū)塊鏈技術(shù)具有去中心化、不可篡改、可追溯等特點,能夠有效解決電梯數(shù)據(jù)安全與隱私保護問題??梢曰趨^(qū)塊鏈技術(shù)構(gòu)建電梯數(shù)據(jù)共享平臺,實現(xiàn)電梯數(shù)據(jù)的可信共享與安全存儲。此外,可以研究基于區(qū)塊鏈技術(shù)的電梯智能運維系統(tǒng),實現(xiàn)電梯維護記錄的不可篡改存儲,提升電梯運維的透明度和可信度。
6.3.4電梯系統(tǒng)級聯(lián)智能管理平臺的構(gòu)建
未來研究可以進一步探索電梯系統(tǒng)級聯(lián)智能管理平臺的構(gòu)建。可以基于云計算和邊緣計算技術(shù),構(gòu)建分布式電梯智能管理平臺,實現(xiàn)跨樓宇、跨區(qū)域的電梯資源協(xié)同調(diào)度。此外,可以研究基于物聯(lián)網(wǎng)和5G技術(shù)的電梯智能管理平臺,實現(xiàn)電梯的實時監(jiān)控和遠(yuǎn)程控制,進一步提升電梯系統(tǒng)的智能化水平。
6.3.5電梯人機交互與智能體驗提升
未來研究可以進一步探索電梯人機交互與智能體驗提升技術(shù)??梢曰谡Z音識別、自然語言處理等技術(shù),實現(xiàn)電梯的智能語音交互,提升乘客的交互體驗。此外,可以研究基于虛擬現(xiàn)實(VR)和增強現(xiàn)實(AR)技術(shù)的電梯智能導(dǎo)覽系統(tǒng),為乘客提供更便捷的電梯使用體驗。
6.3.6電梯能效與綠色建筑
未來研究可以進一步探索電梯能效與綠色建筑的關(guān)系。可以研究基于能量回收技術(shù)的電梯系統(tǒng),實現(xiàn)電梯運行過程中能量的回收利用,降低電梯能耗。此外,可以研究基于綠色建筑理念的電梯系統(tǒng)設(shè)計,提升電梯系統(tǒng)的能效和環(huán)保性能,為綠色建筑發(fā)展做出貢獻。
6.3.7電梯智能運維標(biāo)準(zhǔn)體系與政策支持
未來研究可以進一步探索電梯智能運維標(biāo)準(zhǔn)體系與政策支持。建議行業(yè)協(xié)會牽頭,制定電梯智能運維標(biāo)準(zhǔn)體系,規(guī)范電梯智能運維系統(tǒng)的設(shè)計、部署、運維等環(huán)節(jié),推動電梯智能運維技術(shù)的標(biāo)準(zhǔn)化和規(guī)范化發(fā)展。此外,建議政府出臺相關(guān)政策,支持電梯智能運維技術(shù)的研發(fā)和應(yīng)用,推動電梯行業(yè)的智能化轉(zhuǎn)型。
綜上所述,本研究通過對電梯系統(tǒng)優(yōu)化與智能管理的深入探討,取得了一系列創(chuàng)新性成果,為電梯系統(tǒng)的現(xiàn)代化升級提供了科學(xué)依據(jù)與實踐指導(dǎo)。未來,隨著、物聯(lián)網(wǎng)、區(qū)塊鏈等技術(shù)的不斷發(fā)展,電梯系統(tǒng)的智能化水平將不斷提升,為人們提供更安全、更高效、更便捷的電梯使用體驗。同時,電梯智能運維技術(shù)的發(fā)展也將推動電梯行業(yè)的綠色化、智能化轉(zhuǎn)型,為城市可持續(xù)發(fā)展做出貢獻。
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八.致謝
本研究能夠順利完成,離不開眾多師長、同學(xué)以及相關(guān)機構(gòu)的支持與幫助。首先,我謹(jǐn)向我的導(dǎo)師張教授致以最誠摯的謝意。張教授嚴(yán)謹(jǐn)?shù)闹螌W(xué)態(tài)度、深厚的專業(yè)素養(yǎng)以及誨人不倦的育人精神,使我受益匪淺。在論文選題階段,張教授憑借其豐富的理論經(jīng)驗和敏銳的學(xué)術(shù)洞察力,為我指明了研究方向,并就電梯系統(tǒng)優(yōu)化與智能管理領(lǐng)域的前沿動態(tài)提供了寶貴的指導(dǎo)。在研究過程中,張教授在關(guān)鍵問題處理、實驗方案設(shè)計以及論文結(jié)構(gòu)優(yōu)化等方面給予了我悉心的指導(dǎo),其深入淺出的講解和精益求精的要求,使我對電梯系統(tǒng)的運行機制和技術(shù)難點有了更為深刻的理解。特別是在多源數(shù)據(jù)融合健康診斷模型的構(gòu)建過程中,張教授提出的基于注意力機制的改進LSTM算法思路,顯著提升了模型的診斷精度,為后續(xù)研究奠定了堅實基礎(chǔ)。此外,張教授在研究資源協(xié)調(diào)、實驗平臺搭建以及論文撰寫規(guī)范等方面給予的指導(dǎo),不僅提高了我的研究效率,更培養(yǎng)了我嚴(yán)謹(jǐn)?shù)目蒲兴季S和規(guī)范的研究方法。在此,我再次向張教授表達最衷心的感謝。
感謝電氣工程系各位老師的熱心指導(dǎo)與支持。在課程學(xué)習(xí)階段,李教授、王教授、陳教授等老師的專業(yè)課程為我打下了堅實的理論基礎(chǔ),他們的教學(xué)不僅讓我掌握了電氣工程的核心知識,更培養(yǎng)了我分析問題和解決問題的能力。特別是在電梯控制系統(tǒng)、樓宇自動化以及能源管理等方面的課程,老師們的深入講解和案例分析,為我后續(xù)的研究提供了重要的理論支撐。此外,感謝實驗室的劉工程師、趙工程師等技術(shù)人員在實驗設(shè)備調(diào)試、數(shù)據(jù)采集以及實驗安全等方面給予的幫助。他們在實驗過程中提供的專業(yè)建議和及時的技術(shù)支持,解決了許多技術(shù)難題,保障了研究的順利進行。
感謝在研究過程中給予我?guī)椭耐瑢W(xué)和朋友們。他們不僅在學(xué)術(shù)研究上給予了我很多啟發(fā),更在生活中給予了我許多鼓勵和支持。特別是在實驗數(shù)據(jù)采集和處理的階段,我的室友李明、王強等同學(xué),在實驗設(shè)備操作、數(shù)據(jù)記錄以及異常情況處理等方面提供了很多幫助,他們的細(xì)心和耐心使我能夠順利完成實驗任務(wù)。此外,感謝學(xué)院提供的實驗平臺和資源,為本研究提供了良好的實驗條件。特別是在電梯系統(tǒng)優(yōu)化與智能管理方面,學(xué)院與多家企業(yè)合作,提供了先進的實驗設(shè)備和真實的應(yīng)用場景,為本研究提供了重要的實踐基礎(chǔ)。
感謝在研究過程中給予我?guī)椭母魑粚<液蛯W(xué)者。他們在相關(guān)領(lǐng)域的研究成果和學(xué)術(shù)觀點,為本研究提供了重要的理論參考。特別是在電梯系統(tǒng)優(yōu)化與智能管理方面,他們的研究成果和研究方法,為本研究提供了重要的借鑒和啟示。此外,感謝在研究過程中給予我?guī)椭母魑辉u審專家,他們在論文評審過程中提出的寶貴意見和建議,使我的論文得到了很大的改進和提高。
最后,感謝我的家人,他們在我研究過程中給予了無條件的支持和鼓勵。他們的理解和信任,使我有更多的時間和精力投入到研究中。在此,我再次向他們表示最衷心的感謝。
九.附錄
附錄A:實驗數(shù)據(jù)采集模板
表A.1電梯運行狀態(tài)數(shù)據(jù)采集模板
|傳感器名稱|單位|采樣頻率|獲取方式|數(shù)據(jù)格式|備注|
|------------------|----------|------------|--------------|------------|----------------|
|加速度傳感器|m/s2|1kHz|模擬信號輸出|浮點數(shù)|三軸同步采集|
|電流傳感器|A|10kHz|數(shù)字信號輸出|有符號整數(shù)|負(fù)載率計算依據(jù)|
|溫度傳感器|°C|1Hz|模擬信號輸出|浮點數(shù)|繞組與制動器線圈|
|電壓傳感器|V|1kHz|數(shù)字信號輸出|有符號整數(shù)|動力線與控制線|
|門機開關(guān)狀態(tài)傳感器|-|-|開關(guān)信號|位信號|門機正常/異常狀態(tài)|
|樓層呼叫信號|-|-|數(shù)字信號|位信號|指示樓層|
|負(fù)載傳感器|kg|-|模擬信號|浮點
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