基于物聯網技術的摩天輪遠程監測系統開發及應用*

姚 俊，歐陽惠卿，陳榮君

（1.上海市特種設備監督檢驗技術研究院，上海200062；2.上海游藝機工程有限公司，上海200030）

0 引言

隨著我國經濟的高速發展，旅游休閑產業也得到快速發展。摩天輪作為一種常見的大型游樂設施，因其兼具游樂和觀光的功能，運行平穩、老少皆宜，深受廣大游客喜愛。與此同時，摩天輪的載客量大而運營成本卻很低，帶來的經濟效益十分顯著，因此蘊含著巨大的市場潛力。近年來我國摩天輪的建造數量也越來越多，而且朝著高度更高、直徑更大、造型更獨特的方向發展，設計更注重美學、越來越多地將其與周邊景觀/建筑物相結合。

隨著設備數量越來越多、形式越來越新穎，摩天輪的安全風險也越來越大。摩天輪的運營特征：（1）設備安裝在戶外環境中，一年四季日曬雨淋，長期承受著太陽輻射、驟然風向變化等復雜的氣候影響因素；（2）邊運轉（勻速轉動）邊完成上下客；（3）地標型摩天輪的運營場所周圍建筑環境復雜，人流量大、乘客類型也具有多樣化；（4）大型摩天輪的結構體量越來越大，基礎對結構的影響需要在設備運行一段時間后才逐漸趨于穩定。

為保障摩天輪的安全、高效運營，在加強設備的制造、安裝、運營管理等傳統手段的基礎上，有必要引入現代的技術手段，以提高的設備使用管理、應急響應、事故預防的能力，而基于現有的物聯網技術建立摩天輪的遠程監測系統，該系統所具有的功能：（1）幫助改進和優化設計，提高設計合理性、可靠性、安全性；（2）為設備維護提供科學數據支撐，做好預防性維修，提高設備運行的安全性、可靠性；（3）動態掌握設備運行狀況，消除安全隱患，做到早發現、早預防，提高安全性；（4）提高對運行時間較長的大型游樂設備狀態的安全評估能力；（5）助力運營管理，提供運行日志功能、實時客流統計功能、系統報警報表功能；（6）為制定標準提供數據支撐。

1 研究現狀

物聯網是指通過各種信息傳感器等感知技術，實時采集任何需要監控、連接的設備，采集其各種所需的物理信息，通過各類網絡接入，實現物與物、物與人的泛在連接，實現對物品和過程的智能化感知、識別和管理。近年來，構成物聯網基礎的傳感器技術、網絡傳輸技術都得到了高速的發展，使得基于物聯網技術的遠程監測系統已經廣泛應用于各種場景。

目前，在電梯[1]、起重機械[2]領域基于物聯網的遠程監測系統都得到了成熟的應用，在推進相關設備的安全管理、應急響應、事故預防、按需維保等方面都發揮了重要的作用，還制定了相關的國家標準和地方標準[3-4]，部分研究還基于雙目深度圖像技術，能夠實現自動扶梯乘客危險行為的識別[5]。但是，大型游樂設施的基于物聯網的遠程監測系統的建設相對滯后，目前少見相關的學術研究報道。

與其他設備相比，構建摩天輪的遠程監測系統具有一定的復雜性，主要體現在摩天輪的運營工況復雜，監測對象各轎廂相隔較遠、現場布線不便、周界環境復雜、人流量大、信號傳輸要求可靠性高、實時性強、傳輸距離遠、通信速率高、抗干擾能力強。因此，有必要根據摩天輪的實際工況，研究并開發具有高可靠、低成本的遠程監測系統。

2 整體設計方案

本文將基于目前流行的4G技術的摩天輪的運營監測系統，前端采用電機控制器、位移傳感器、角度傳感器、溫濕度傳感器、煙感傳感器、智能攝像頭作為采集設備，以4G無線模塊作為信號發送端，對信號進行壓縮，集中傳輸（將來也可進行擴展5G通訊方式進行信號傳輸），采用PC機作為客戶機進行信號的處理與分析、周界環境的視頻監控、摩天輪實時工況的圖形顯示，進而達到實時監視的目的。同時，也可利用手機登錄系統界面,遠程監視摩天輪的安全運行。該套大型游樂設備監測系統方案設計方案如圖1所示。

圖1 基于物聯網技術的摩天輪遠程監測系統框架

3 監測實現方案

3.1 實現功能

（1）摩天輪運行狀態監測功能：實時監測摩天輪的轎廂姿態、轎廂內空氣狀況、轉盤輪緣振幅及頻率、驅動主機輸出功率等參數，通過分析這些參數的變化信息判別摩天輪的工作狀態，依據參數信息進行及時的維護保養，提高運行安全穩定性。

（2）視頻監測功能：基于雙目深度視覺，結合乘客行為的高魯棒性語義分析，能夠準確對出入站臺區域的乘客數量進行精確統計，還能對乘客侵入轎廂運行區域、摔倒、擁堵等危險行為進行智能識別和預警。

3.2 數據采集

為實現摩天輪運行狀態監測功能，需要采集以下幾個部分的實時數據。

（1）驅動模塊

通過電機控制器采集各驅動電機的電流、電壓、轉速等參數信息，以獲取各驅動單元的實時電機功率，并對所獲取的參數信息進行參數分析，為運營管理和維護保養提供基礎運行數據，實時監控和統計設備運行時長。

（2）轎廂模塊

通過角度傳感器實時監測各轎廂站立面的水平度，以監控轎廂吊掛是否發生卡阻情況避免發生傾覆；通過溫濕度和煙感傳感器實時獲取轎廂內的溫度、濕度變化情況，提升轎廂的宜人度且為火災預警提供參數依據；通過紅外人體感應傳感器實時檢測轎廂內是否有乘客，作為避免轎廂困人的輔助管理決策信號。

（3）輪盤模塊

通過多組位移傳感器檢測驅動單元彈簧壓緊裝置的位移，從轉盤輪緣在驅動單元約束條件下發生的位移分析獲得轉盤的偏擺振幅、頻率，可判別摩天輪在運行過程中整體形變情況，便于實時、適度維保，指導維護人員的檢修工作及鋼索調整。

此外，大風等氣象條件也是摩天輪運行的影響因素。表1所示為主要的摩天輪狀態監測參數及傳感器。

表1 摩天輪狀態監測參數及傳感器

3.3 站臺客流分析及行為識別

為實現站臺客流分析，需要在設備的游客出口和入口處各安裝1臺內置雙目深度相機及報警揚聲器的MD100監控終端，2臺監控終端可共用1臺MVP200深度視覺信號處理及控制器。結合摩天輪站臺的實際情況，監控終端可安裝在游客出入口投影的正上方，采用吸頂安裝，即可實現站臺出入口客流的精確統計。深度視覺信號處理及控制器可安裝隱藏在設備操作室內。設備操作室內可設置一臺監控大屏用于展示系統運行實時數據。

為實現乘客行為識別，需要在摩天輪的每個轎箱外安裝1臺MS150雙目深度相機，通過視頻圖像記錄每個轎廂的人員登、出艙情況，通過智能圖像識別實現站臺人員危險行為（如人員摔倒等）識別、周界防護（摩天輪運行時的安全警戒范圍），獲取危險行為報警。MS150雙目深度相機可安裝在摩天輪轎箱箱體外側出入口正上方，采用無線通信方式與安裝在設備操作室內的深度視覺信號處理器通信，并且將實時運行數據顯示在監控大屏上。雙目深度相機利用兩個存在視差的圖像傳感器獲取場景的可見光圖像，通過雙目立體匹配技術計算圖像場景稠密視差，該計算全部在相機端獨立完成，相機可直接輸出視差圖。由于其采用了全被動感知設計，不依賴主動結構光投射，擁有很強的環境光適應能力，可用于室內微弱光照條件和夏季戶外光照等復雜場景。深度視覺信號處理及控制器負責處理來自監控終端深度相機的RGB-D圖像流，基于人工智能算法辨識乘客的不安全行為。站臺客流分析和乘客行為識別方案如圖2所示。

圖2 站臺客流分析和乘客行為識別方案

3.4 數據傳輸、歸集與處理

由于摩天輪的轉盤直徑很大，而且轎廂在不停地轉動，轎廂內的數據難以用有線的方式實現傳輸，近年來無線網絡傳輸技術已日益成熟，因此，摩天輪的轎廂姿態、轎廂內空氣狀況、轉盤輪緣振幅及頻率等實時運行狀態參數可通過無線模塊進行統一的數據傳輸。

本次摩天輪遠程監測系統信號傳輸擬采用“I/O模塊”+“4G DTU模塊”方案，其中，I/O模塊完成模擬量輸入、數字量輸入、數字量輸出與RS485的雙向信號轉換，4G DTU模塊則支持串口（RS485/RS232）轉4G（移動/聯通/電信）信號轉換。I/O模塊接收轎廂內溫濕度傳感器、角度傳感器、煙霧傳感器、紅外人體感應傳感器和門鎖接近開關輸出的信號，歸集后通過RS485接口轉送到4G DTU模塊，由4G DTU模塊對信號進行壓縮后經由4G運營商公共網絡傳輸到PC服務器端。PC服務器端不需要連接額外的模塊，能連接互聯網即可，因此服務器可設置在操作室，亦可設置在辦公區。系統數據傳輸方式如圖3所示。

圖3 4G無線通訊結構

PC服務器的實時監控界面采用LabVIEW平臺，通過LabVIEW編程接收4G模塊傳輸的傳感數據和圖像信息，主要功能包括信號處理、信息顯示、安全報警、信息查詢、維修建議、數據管理與保存等。PC服務器同時也支持手機APP集中監控，手機客戶端可遠程讀取參數信息、報警信息、運營信息，實現移動終端信息共享和遠程多點訪問。

4 結束語

隨著物聯網技術的高速發展，物聯網已經廣泛應用于各自大型設備的遠程監測。摩天輪作為常見的大型游樂設施，基于物聯網技術開發相應的遠程監測系統將成為重要的發展趨勢。本文根據摩天輪的結構、運行方式、使用環境等特點，提出了一種基于物聯網技術的摩天輪遠程監測系統，該系統能實時采集摩天輪驅動主機狀況、輪盤偏幅、轎廂運行姿態、游客行為狀態等，并基于實時數據構建了管理平臺，以便使用管理單位、設備維護保養單位能實時對設備狀態進行監測，提高緊急狀態的預警和應急響應能力。后續還可以基于對長時間監測海量數據的挖掘，進一步提高對設備故障診斷和事故預測能力，從而大幅提升設備的安全管理水平。未來還可以進一步形成國家或行業標準，推動行業發展；形成新的產業形態，推進行業技術進步。