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科技发展的5级电梯文明的推演

来源:《中国电梯》杂志

    当前,我国房地产业进入长周期下行阶段,受房地产业拉动的新装电梯市场需求增长放缓。同时,由于各电梯企业技术相似,造成产品同质化比较严重,在市场竞争中价格战愈演愈烈。价格战伤害了企业的品牌价值,无异于企业自掘坟墓。基于电梯行业当前面临的这些问题,笔者认为有必要探讨电梯行业发展路线。由于科学技术是第一生产力,所以笔者认为以技术为主线更能抓住根本。

   目前,相关专家学者对于电梯技术发展路线的研究只停留在电梯技术发展的方向上,如智能化、绿色环保、个性化和防疫等方面。尚未形成清晰的技术发展路线图,无法从真正意义上指导电梯技术的长久发展。
   笔者认为苏联天文学家尼古拉·卡尔达肖夫(Nikolai Kardashev)对于宇宙文明等级的阐述非常有指导意义。宇宙文明判断标准主  要有两个,一个是当前的科技水平,另一个则是主要的能源类型。尼古拉·卡尔达肖夫将宇宙文明分为3级,从母星文明、恒星文明到星系文明[1],科技水平决定文明等级。因为科技的发展将一切不可能变成可能,所以宇宙文明的发展必然是从低级走向高级。因此,笔者认为研究电梯文明的发展就需要找出推动电梯行业技术发展的引擎。
    1 过去电梯技术发展总结

    1852年,美国机械工程师伊莱莎·格雷夫斯·奥的斯(Elisha Graves Otis)先生发明了安全升降机,将其命名为“电梯”,至今已经发展了170年。按照目前比较被行业认可的说法,电梯技术经历了两代发展,笔者将其视为两级电梯文明。

    1.1 第1级电梯文明—安全电梯

    1852年伊莱莎·格雷夫斯·奥的斯先生发明自动安全装置,使强制式升降系统能够真正防范因断绳导致的坠落事故。

    1889年12月,由伊莱莎·格雷夫斯·奥的斯创办的奥的斯电梯公司在纽约的第玛瑞斯特(Demarest)大楼安装了第一台真正意义 上的电梯:采用直流电动机为动力,具备自动安全装置,通过蜗轮减速器带动卷筒上缠绕的绳索,悬挂并升降轿厢。这座古老的电梯速度约为10m/min。

    1903年,奥的斯电梯公司将卷筒强制驱动的电梯改为曳引驱动(将轿厢与对重分别放在驱动系统的两侧,利用轿厢和对重悬挂在驱动主机的重量产生的摩擦力来驱动整个系统的驱动方式称为曳引驱动,如图1所示),为今天的长行程电梯奠定了基础。从此在电梯的驱动方式上,曳引驱动方式占据了主导地位。曳引驱动方式不仅使传动机构体积大大减小,还使电梯曳引机在结构设计时有效地提高了通用性和安全性。因此,在之后的100多年,绝大多数电梯采用了曳引驱动方式。


    电梯采用了自动安全装置,以及曳引驱动方式,现代电梯的雏形基本形成,由此开辟了人类建筑史和运输史的崭新纪元。不过,无论起初的直流无齿轮曳引机还是后来的异步电动机配上减速箱的曳引机,体积都比较大。此时,控制系统采用继电器控制。
    1.2 第2级电梯文明—无机房电梯

    在1903年之后的大约100年里,电梯制造厂商对电梯各个子部件进行了大量的改进,电梯部件经历了一轮又一轮更新。例如:1979年,奥的斯公司开发出第一台基于微处理器的电梯控制系统Elevonic 101;1984年,三菱电机公司第1台变压变频(VVVF)调速电梯问世。而笔者认为,最为惊艳的电梯创新技术就是无机房电梯。世界几大知名的电梯公司分别将新技术运用到无机房电梯中,比如通力电梯公司研发的碟式马达技术和奥的斯电梯公司研发的扁平曳引钢带技术等。1996年,通力电梯公司推出了首台由蝶式马达驱动的MonoSpace系列无机房电梯。蝶式马达安装于电梯主导轨顶端的后面,采用了永磁同步无齿轮电动机。2000年,奥的斯电梯公司

    推出了扁平曳引钢带和曳引轮仅为100mm的永磁同步无齿轮曳引机(见图2)驱动的GeN2系列无机房电梯。



    第1级电梯文明,第2级电梯文明在驱动技术和控制技术方面都有重大的突破。表1对这两级电梯文明进行了对比。首先,永磁同步曳引机的使用,使传动机构体积进一步减小,驱动效率进一步提高,这是驱动技术进步的结果;其次,微处理器和VVVF变频器的应用使电梯功能更强大,运行质量更好,这是控制技术发展的体现。驱动技术和控制技术成为电梯技术发展的引擎。

    2 未来电梯技术发展预测

    接下来,笔者沿着驱动技术和控制技术的进步这一主线,按照从易到难的技术研发,推演未来第3~5级电梯文明。

    2.1 第3级电梯文明—智能电梯

    随着智能建筑的发展,智能电梯成为其不可或缺的部分。在实际应用中,智能电梯作为智能建筑重要的信息入口,融合了物联网、大数据、云计算、人工智能等技术。相关各方可对电梯的使用、维保、运行等环节进行智能化管理。

    物联网与电梯系统的结合,可以有效解决电梯安全监控问题。相关各方可以及时发现电梯运行中的故障,并且可通过对电梯日常运行数据的分析发现故障隐患,提前进行维护处理,从而最大限度地降低故障发生频率,保障乘客人身安全。

    云计算是物联网发展的保障和基础。云计算的快速发展与应用,使得电梯行业进入高效率、自动化的发展阶段。通过云服务数据安全中心,能更好地监测电梯的运行状况,实时获取电梯运行数据,建立数据分析模型,分析电梯故障,提升电梯的安全性。

    云计算和物联网不但能够实现对电梯的智能化监管,保证电梯可靠运行,降低运行故障率,还可以使电梯具有超强“大脑”,能够处理多种问题。乘客通过智能电梯终端(如手机等)(见图3),与电梯进行交流,实现预约呼梯、目的地派梯、乘客乘梯需求分析和乘梯方案推送等人机交互的新功能。


    智能电梯的主要贡献是促进人机的深入交互,不仅帮助乘客节约乘梯时间和改善乘梯体验,而且帮助电梯作业人员提高工作效率和效果。而这些主要归功于物联网和云计算等电梯控制技术的进步。

2.2 第4级电梯文明—个人电梯

    沿着智能化的方向继续发展,或者说在第3级电梯文明的基础上,笔者认为将会创造出更高级的电梯—个人电梯,即给每个乘客分配1个独立的轿厢,乘客可以乘坐这个轿厢直接到达目的地,整个过程中不会被其他乘客影响或打扰。它是在第3级电梯文明基础上发展出来的一种更加智能、更加高效的电梯。当然,个人电梯的一些概念或者雏形早已出现,例如:胶囊电梯、全自动多轿厢循环式电梯(multi-car elevator)等,这些都是针对单个乘客设计的电梯。但在本文中,笔者所述的个人电梯是基于人工智能派梯算法(如遗传算法)和线性电机驱动技术而产生的超级智能电梯。

    个人电梯是以智能轿厢为基础,实现多电梯轿厢优化的一种解决方案(见图4)。它主要由若干电梯井道、在电梯井道内运行的若干智能轿厢、总控系统、设置于轿厢上的轿厢控制器、为轿厢移动提供动力的动力系统组成,轿厢控制器和动力系统分别与总控系统连接。其中,轿厢底部设有车轮系统,电梯井道内设有传动装置。轿厢通过与设置在传动装置上的耦合机构活动连接(见图5),能够在传动装置的作用下运动至目的地。其中,电梯井道包括纵向井道和横向井道,相连的纵向井道和横向井道至少有1个对接口。多个智能轿厢可以在此井道中以环形运行。

    个人电梯保证每个乘客都拥有专属轿厢,由此获得更好的使用体验。由于没有曳引钢丝绳的限制,这种基于智能轿厢和直线电机的全新电梯系统能够保证各轿厢都可以直达目的地,每个轿厢相对独立运行,极大提高了乘客运输效率。因此,直线电机的应用不仅改变了电梯的驱动方式,实现了一个井道多个轿厢运行,也为新智能派梯算法的运用奠定了坚实的基础。这种新智能派梯算法是控制技术进步的体现。

2.3 第5级电梯文明—太空电梯

    在前面的4个电梯文明等级中,电梯都是建筑物的一部分,或者说电梯存在于建筑物之中。而第5级文明将会使电梯摆脱建筑物的束缚,帮助人类实现太空旅行的梦想。当前,有些科学家和电梯专家正在研究太空电梯,希望通过电梯将人类运往太空,如月球。

    俄罗斯科学家康斯坦丁·齐奥尔科夫斯基(Knostantin Tsiolkovsky)在1895年最早提出太空电梯的概念—一种构想通往太空的设备,可将乘客送入距离地球几万千米的空间站或其他星球。
2000年,美国国家宇航局(NASA)描述了建造太空电梯的概念,其需要极细的碳纤维制成的缆绳并延伸到地球赤道上方3.5万km。为使这条缆绳突破地 心引力的影响,太空中的另一端必须与一个质量巨大的天体相连。该天体向外太空旋转的力量与地心引力抗衡,将使缆绳紧绷,允许电磁轿厢在缆绳中心的隧道穿行(见图6)。虽然这个概念是可行的,但却不是理想的解决方案,因为这种太空电梯建造起来非常困难,同时极易被破坏。

    笔者更加大胆地提出另一种太空电梯的解决方案—时光机器,也叫时空机器。根据爱因斯坦的“相对论”,时间和空间是一体的,它们共同组成了一个时空的集合体。乘客通过时光机器,到达他想去的任何地方或高度。爱因斯坦提出“相对论”,从理论上证明了时间旅行的可行性。曾经发生的一些令人难以理解的奇异事件,例如在百慕大三角失踪的帆船和飞机上的人员几十年后又出现,而且相貌还像原来一样年轻[2],似乎预示着时间旅行已经存在于人类的世界中。时光机器不仅可以帮助人类飞向太空,还可以帮助人类深入地下。笔者认为,时光机器可能是目前人类所能预测的最高科技,将实现电梯驱动技术和控制技术的完美统一。

    3 结语

    电梯技术的发展对于提高人民的生活质量、推动建筑行业的发展以及电梯行业的进步具有重要的意义。在本文中,笔者试图推演5级电梯文明,即电梯技术的发展之路。从过去的第1级电梯文明(安全电梯)和第2级电梯文明(无机房电梯)出发,根据人类对于电梯需求的变化,沿着驱动技术和控制技术的发展方向,推演出了未来的第3级电梯文明(智能电梯)、第4级电梯文明(个人电梯)、第5级电梯文明(太空电梯)。

    这5级电梯文明反映了人类社会的发展和进步。笔者希望通过这5级电梯文明体现的电梯技术发展路线,为在电梯行业发展困境中努力寻找出路的电梯人照亮前进的道路。请电梯人相信,只有技术进步才能带来电梯行业新一轮发展,只有技术进步才能为乘客送去更好的服务。


来源:《中国电梯》杂志

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