一種基于物聯(lián)網(wǎng)的自動(dòng)扶梯監(jiān)控系統(tǒng)

傅晨韜 胡極洋 陳俊孝 吳林煒

摘 要：自動(dòng)扶梯被廣泛地應(yīng)用于各類人員聚集的公共場(chǎng)所，因此需要確保其安全運(yùn)行。傳統(tǒng)的自動(dòng)扶梯監(jiān)控系統(tǒng)或是側(cè)重于自動(dòng)扶梯運(yùn)行狀態(tài)和故障的采集和傳送，或是側(cè)重于自動(dòng)扶梯現(xiàn)場(chǎng)的視頻監(jiān)控，都無(wú)法很好地解決電梯廠家、維保單位、監(jiān)管部門對(duì)于自動(dòng)扶梯安全保障的多方需求。文中采用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)設(shè)計(jì)的系統(tǒng)具有自動(dòng)扶梯信息采集、故障報(bào)警、遠(yuǎn)程處置、故障分析、維保優(yōu)化功能，可以盡早發(fā)現(xiàn)自動(dòng)扶梯的安全隱患，有效將自動(dòng)扶梯的事故消滅在萌芽階段。

關(guān)鍵詞：自動(dòng)扶梯;物聯(lián)網(wǎng);安全;預(yù)警;擁擠度;模糊推理;動(dòng)態(tài)維保

中圖分類號(hào)：TP393文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)：2095-1302（2020）10-00-03

0 引 言

隨著城市的發(fā)展，地鐵作為支撐城市正常運(yùn)行的大動(dòng)脈，近年來(lái)發(fā)展迅速。自動(dòng)扶梯是地鐵交通乘客上下車的重要工具，數(shù)量也在迅速增加。但近幾年，地鐵自動(dòng)扶梯由于故障導(dǎo)致死傷人事件時(shí)有發(fā)生。

自動(dòng)扶梯作為一種特殊產(chǎn)品，乘載人員一般未經(jīng)專門培訓(xùn)，無(wú)操作相關(guān)安全知識(shí)和技能容易因?yàn)槭褂貌划?dāng)而引起故障。另外，自動(dòng)扶梯的長(zhǎng)時(shí)間、高負(fù)荷使用，也會(huì)因?yàn)楦鞣N問(wèn)題導(dǎo)致一些事故發(fā)生。因此，如何持續(xù)保持自動(dòng)扶梯的安全性能和質(zhì)量，提高對(duì)故障電梯應(yīng)急救援的能力已成為全社會(huì)關(guān)心的問(wèn)題。

1 現(xiàn)狀研究

現(xiàn)有的自動(dòng)扶梯的監(jiān)控系統(tǒng)主要分成兩類。一類為自動(dòng)扶梯生產(chǎn)廠家或系統(tǒng)集成商的監(jiān)控系統(tǒng)，側(cè)重于自動(dòng)扶梯運(yùn)行狀態(tài)的直觀展示、故障信號(hào)傳送、遠(yuǎn)程扶梯狀態(tài)及故障的監(jiān)控與記錄。這類系統(tǒng)能夠?qū)ψ詣?dòng)扶梯進(jìn)行集中管理，可以及時(shí)掌握自動(dòng)扶梯的運(yùn)行狀況，獲悉故障原因，在自動(dòng)扶梯故障時(shí)發(fā)出告警，提高維保工作效率。但這類系統(tǒng)一般作為本地監(jiān)控，無(wú)音視頻集成，同時(shí)遠(yuǎn)程控制現(xiàn)場(chǎng)的功能欠缺。

另一類為視頻監(jiān)控廠家提供的監(jiān)控系統(tǒng)，側(cè)重于視頻監(jiān)控自動(dòng)扶梯的應(yīng)用，可進(jìn)行視頻記錄，但無(wú)法與自動(dòng)扶梯故障聯(lián)動(dòng)。

綜上所述，無(wú)論是哪類系統(tǒng)，都不能很好地解決自動(dòng)扶梯發(fā)生事故時(shí)的現(xiàn)場(chǎng)取證、遠(yuǎn)程應(yīng)急處置、事故原因分析等問(wèn)題。因此，研制一款能夠符合監(jiān)管需要的，功能更強(qiáng)大、集成度更高的自動(dòng)扶梯物聯(lián)監(jiān)控系統(tǒng)具有理論和實(shí)際意義[1-2]。

2 需求分析

通過(guò)對(duì)現(xiàn)有系統(tǒng)的分析發(fā)現(xiàn)，新研制的系統(tǒng)需要同時(shí)滿足使用單位、維保單位、監(jiān)管單位等各方需求：

（1）自動(dòng)扶梯運(yùn)行狀況、負(fù)載功率及故障實(shí)時(shí)監(jiān)控，超速、逆轉(zhuǎn)、梯級(jí)塌陷等嚴(yán)重故障及急停事件的自動(dòng)告警;

（2）7×24小時(shí)的本地錄像以及自動(dòng)扶梯故障前后的錄像保存;

（3）在自動(dòng)扶梯長(zhǎng)時(shí)間高負(fù)載運(yùn)行的情況下進(jìn)行提醒;

（4）在自動(dòng)扶梯發(fā)生事故時(shí)，能夠在第一時(shí)間接到報(bào)警，實(shí)時(shí)查看該自動(dòng)扶梯的現(xiàn)場(chǎng)視頻，并可與現(xiàn)場(chǎng)人員進(jìn)行語(yǔ)音對(duì)講，第一時(shí)間處理事故;

（5）自動(dòng)扶梯故障時(shí)，根據(jù)自動(dòng)扶梯歸屬的維保單位自動(dòng)通知電梯維保公司，并監(jiān)督指揮維保單位救援處置;

（6）對(duì)自動(dòng)扶梯故障進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，找出其共性和個(gè)性，并為自動(dòng)扶梯建立健康病例，提供日常扶梯信息及維保工作管理等，同時(shí)提供有效的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)與維修計(jì)劃供決策者參考[3-5]。

3 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.1 架構(gòu)設(shè)計(jì)

系統(tǒng)由前端設(shè)備和平臺(tái)組成，如圖1所示。兩部分之間通過(guò)廣域網(wǎng)連接，前端設(shè)備由自動(dòng)扶梯安全網(wǎng)關(guān)（音視頻一體化裝置、三相智能電能表、擁擠提示器）、物聯(lián)監(jiān)控平臺(tái)組成。前端設(shè)備的數(shù)據(jù)在自動(dòng)扶梯安全網(wǎng)關(guān)處進(jìn)行匯總，通過(guò)有線網(wǎng)絡(luò)、4G網(wǎng)絡(luò)、WiFi等方式直連或者經(jīng)過(guò)局域網(wǎng)連接到廣域網(wǎng)。物聯(lián)監(jiān)控平臺(tái)通過(guò)廣域網(wǎng)與每個(gè)前端設(shè)備通信，從物聯(lián)監(jiān)控平臺(tái)看，每個(gè)前端設(shè)備抽象成一個(gè)點(diǎn)，新增或者刪除一個(gè)前端設(shè)備不影響其余前端設(shè)備的工作。監(jiān)控平臺(tái)包括接入服務(wù)器模塊、狀態(tài)服務(wù)器模塊、流媒體服務(wù)器模塊、存儲(chǔ)服務(wù)器模塊、數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)器模塊、Web服務(wù)器模塊、短信服務(wù)器模塊等[6-7]。

3.2 系統(tǒng)部署

物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備部署如圖2所示。自動(dòng)扶梯安全網(wǎng)關(guān)安裝在自動(dòng)扶梯的上部機(jī)房，采集并傳輸自動(dòng)扶梯的運(yùn)行狀態(tài)和故障，傳輸自動(dòng)扶梯的負(fù)載功率和音視頻數(shù)據(jù)。音視頻一體化裝置安裝在自動(dòng)扶梯下部出入口，負(fù)責(zé)采集、存儲(chǔ)視頻數(shù)據(jù)以及語(yǔ)音對(duì)講的輸入、輸出。三相智能電能表安裝在自動(dòng)扶梯的上部機(jī)房，采集自動(dòng)扶梯電動(dòng)機(jī)的負(fù)載功率。擁擠提示器安裝在自動(dòng)扶梯上下部出入口，扶梯擁擠時(shí)播放語(yǔ)音和文字提示[8-10]。

3.3 工作原理

自動(dòng)扶梯正常運(yùn)行時(shí)，自動(dòng)扶梯安全網(wǎng)關(guān)每隔n秒采樣一次自動(dòng)扶梯的負(fù)載功率以及自動(dòng)扶梯的運(yùn)行狀態(tài)，如方向、速度、累計(jì)運(yùn)行時(shí)間等，之后上報(bào)給物聯(lián)監(jiān)控平臺(tái)，由物聯(lián)監(jiān)控平臺(tái)為每臺(tái)接入的自動(dòng)扶梯建立健康病例。物聯(lián)監(jiān)控平臺(tái)根據(jù)設(shè)置的自動(dòng)扶梯周期維保時(shí)間和平均負(fù)載功率比較上報(bào)的累計(jì)運(yùn)行時(shí)間和負(fù)載功率，自動(dòng)生成亞健康預(yù)警和對(duì)應(yīng)的維保周期。自動(dòng)扶梯發(fā)生故障或異常時(shí)，其安全網(wǎng)關(guān)立即上報(bào)。物聯(lián)監(jiān)控平臺(tái)收到自動(dòng)扶梯故障或異常信號(hào)后，會(huì)根據(jù)設(shè)置的維保人員或物業(yè)人員號(hào)碼，自動(dòng)發(fā)送報(bào)警短信。

自動(dòng)扶梯發(fā)生故障或異常時(shí)，可以通過(guò)物聯(lián)監(jiān)控平臺(tái)打開(kāi)視頻監(jiān)控，查看現(xiàn)場(chǎng)實(shí)時(shí)視頻，此時(shí)視頻通過(guò)自動(dòng)扶梯安全網(wǎng)關(guān)發(fā)送給物聯(lián)監(jiān)控平臺(tái)。發(fā)生事故時(shí)，除了打開(kāi)視頻監(jiān)控，還可以通過(guò)物聯(lián)監(jiān)控平臺(tái)打開(kāi)語(yǔ)音對(duì)講，第一時(shí)間與現(xiàn)場(chǎng)溝通，獲悉事故的詳細(xì)信息，并指導(dǎo)應(yīng)急救援。

在人流密集的場(chǎng)所，自動(dòng)扶梯安全網(wǎng)關(guān)將檢測(cè)到的負(fù)載功率與預(yù)設(shè)的滿載功率進(jìn)行比較，通過(guò)擁擠度計(jì)算給予行人適當(dāng)提醒。

3.4 錄像存儲(chǔ)

前端設(shè)備的錄像是自動(dòng)扶梯發(fā)生事故后的現(xiàn)場(chǎng)取證和事故分析的重要部分。因此前端設(shè)備的錄像需要有一定時(shí)間段的覆蓋，同時(shí)還能夠較長(zhǎng)時(shí)間存儲(chǔ)事故發(fā)生前后的錄像。設(shè)計(jì)的前端設(shè)備錄像存儲(chǔ)處理過(guò)程如圖3所示。音視頻一體化裝置在其內(nèi)部將存儲(chǔ)區(qū)域劃分成兩塊，一塊用來(lái)存儲(chǔ)日常的視頻錄像，另一塊用來(lái)存儲(chǔ)自動(dòng)扶梯故障或異常的視頻錄像。循環(huán)存儲(chǔ)區(qū)域一直處于錄像狀態(tài)，每段錄像為m分鐘，當(dāng)該區(qū)域錄像完成后，自動(dòng)刪除最早錄制的那一段錄像，并循環(huán)更替。故障存儲(chǔ)區(qū)域在自動(dòng)扶梯正常工作時(shí)不錄像，當(dāng)自動(dòng)扶梯發(fā)生故障或異常后，將循環(huán)錄像區(qū)域內(nèi)在故障或異常發(fā)生前的若干時(shí)間的錄像復(fù)制到故障存儲(chǔ)區(qū)域，避免故障錄像被日常錄像覆蓋，同時(shí)故障存儲(chǔ)區(qū)域也開(kāi)始錄像，直到故障恢復(fù)或到設(shè)定的錄像時(shí)間則停止。通過(guò)物聯(lián)監(jiān)控平臺(tái)可以獲取故障前后的錄像，進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)取證和故障分析。

3.5 擁擠判斷

自動(dòng)扶梯的擁擠度與其負(fù)載可以近似為線性關(guān)系，因此通過(guò)自動(dòng)扶梯負(fù)載功率的采集即可間接檢測(cè)到自動(dòng)扶梯的擁擠情況。為了及時(shí)提示自動(dòng)扶梯的擁擠，并且使擁擠提示具有一定的時(shí)效性，避免狀態(tài)提示在短時(shí)間內(nèi)來(lái)回切換，誤導(dǎo)行人，設(shè)計(jì)的自動(dòng)扶梯的擁擠檢測(cè)工作流程如圖4所示。自動(dòng)扶梯安全網(wǎng)關(guān)每隔n秒檢測(cè)自動(dòng)扶梯的負(fù)載功率W1，比較設(shè)定的功率值W0，如果連續(xù)在n×N秒內(nèi)檢測(cè)到的W1均大于W0，則生成擁擠提示;如果在n×N秒內(nèi)檢測(cè)到一次W1小于等于W0，則重新計(jì)數(shù)。

3.6 維保優(yōu)化

自動(dòng)扶梯的維保周期與其負(fù)載工作量和運(yùn)行時(shí)間有關(guān)：負(fù)載越重，運(yùn)行時(shí)間越長(zhǎng)，需要較短的維保周期;長(zhǎng)時(shí)間空載或者輕載，運(yùn)行時(shí)間較短，維保周期可以相應(yīng)加長(zhǎng)。為了智能化提醒每臺(tái)自動(dòng)扶梯的維保周期，需要進(jìn)行定量化計(jì)算。

以自動(dòng)扶梯的負(fù)載為論域例來(lái)考察模糊集，設(shè)立以定性術(shù)語(yǔ)來(lái)描述的語(yǔ)言變量為“負(fù)載”，其值域?yàn)椋贺?fù)載={輕載，重載}，假設(shè)額定負(fù)載20%以下為輕載，80%以上為重載，可以為“負(fù)載”的兩個(gè)定性值分別建立隸屬函數(shù)Uul和Uol，如圖5所示。

根據(jù)圖5建立負(fù)載關(guān)系式：

設(shè)定自動(dòng)扶梯的默認(rèn)維保周期為T，三者的加權(quán)系數(shù)分別為a，b，c，綜合負(fù)載計(jì)算后的維保周期：

在實(shí)際使用中，動(dòng)態(tài)調(diào)整a，b，c的系數(shù)值，獲取最優(yōu)維保周期的提醒。

4 系統(tǒng)特點(diǎn)

（1）系統(tǒng)較好地解決了自動(dòng)扶梯監(jiān)控方式單一、遠(yuǎn)程控制現(xiàn)場(chǎng)控制欠缺、事故分析數(shù)據(jù)不足等問(wèn)題。在自動(dòng)扶梯發(fā)生事故時(shí)，可及時(shí)向物聯(lián)監(jiān)控平臺(tái)報(bào)警并備份故障視頻，確保第一時(shí)間的現(xiàn)場(chǎng)取證。物聯(lián)監(jiān)控平臺(tái)在接到報(bào)警后，通過(guò)遠(yuǎn)程視頻和語(yǔ)音對(duì)講，可以第一時(shí)間了解現(xiàn)場(chǎng)情況，并指導(dǎo)應(yīng)急救援，避免次生事故發(fā)生。通過(guò)對(duì)故障前后的錄像及自動(dòng)扶梯狀態(tài)、負(fù)載、故障數(shù)據(jù)的分析，能更準(zhǔn)確地定位事故原因。

（2）系統(tǒng)對(duì)自動(dòng)扶梯的累計(jì)運(yùn)行時(shí)間和負(fù)載功率的采集為自動(dòng)扶梯建立了健康病例，使監(jiān)控不再局限于故障報(bào)警，而是可以對(duì)扶梯的亞健康狀態(tài)預(yù)警。通過(guò)定量化計(jì)算，動(dòng)態(tài)調(diào)整維保周期，使自動(dòng)扶梯的日常維保有更好的針對(duì)性，把事故消滅在萌芽階段。

（3）在人流量密集的場(chǎng)合，通過(guò)擁擠提示器為行人規(guī)劃只需稍加等待的空閑自動(dòng)扶梯，或選擇乘坐其余自動(dòng)扶梯、走樓梯，使自動(dòng)扶梯避免長(zhǎng)時(shí)間、高負(fù)荷工作，延長(zhǎng)自動(dòng)扶梯的使用壽命。

（4）系統(tǒng)采用物聯(lián)網(wǎng)典型架構(gòu)以支持城市級(jí)自動(dòng)扶梯的統(tǒng)一監(jiān)控。前端設(shè)備內(nèi)部采用高聚合結(jié)構(gòu)，前端設(shè)備和物聯(lián)監(jiān)控平臺(tái)之間采用低耦合網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，平臺(tái)支持分布式部署，使得系統(tǒng)布置十分靈活，支持其可持續(xù)發(fā)展。

5 結(jié) 語(yǔ)

綜上所述，該系統(tǒng)提供了一套城市級(jí)自動(dòng)扶梯的監(jiān)控方案，豐富了自動(dòng)扶梯的監(jiān)控方式。該系統(tǒng)目前已開(kāi)始試點(diǎn)，將隨著杭州地鐵二號(hào)線的開(kāi)通而投入使用。未來(lái)隨著人們對(duì)自動(dòng)扶梯安全性的關(guān)注度日益提高，這套系統(tǒng)的價(jià)值會(huì)得到越來(lái)越多的體現(xiàn)。

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