基于三維可視化技術對曳引驅動乘客電梯空間承載性能的優化

胡洪銘，董知恩，包 婷

（綿陽城市學院，四川綿陽 621000）

0 引言

當代社會生產中電梯的使用已經變得愈發普遍，且呈現出不斷增長的趨勢。隨著使用量的增加，一些棘手問題也逐漸暴露出來，曳引驅動乘客電梯在使用過程中空間承載性能上存在明顯的不足，人員乘坐體驗感較差，缺乏一種設備技術用以優化電梯空間承載性能。

目前國內對電梯承載能力的研究主要集中在載重量的控制［1］和對高層建筑電梯使用效率上［2］。但對電梯內部空間承載性能研究甚少，正是由于此性能的欠缺導致電梯雖然在載重量上未超載，但實際上該電梯已無法再進入人員，也就是造成空間上的滿載或超載［3］，也叫空間有效性的浪費。電梯在這種情況運行，仍然會停在有相應指令的樓層，但由此引發的弊端眾多，容易造成電梯運行效率的下降、乘客等待電梯時間過長、浪費時間、造成電梯重復運行，加大電梯損耗等。基于以上原因，針對電梯空間承載性能不足、運行效率下降、損耗大的顯著特點，本文提出可基于三維可視化技術對曳引驅動乘客電梯空間承載性能進行優化。通過三維可視化技術設備［4］對電梯內部空間進行監控掃描成像，依據成像建模后的三維立體化圖形判斷當前電梯是否滿載或已達到空間滿載狀態。進而向電梯控制終端發送相關指令，使電梯達到相應滿載狀態時不經停該樓層，而直接到達唯一指令樓層，從而極大程度上優化電梯空間承載性能和電梯運行效率，提升電梯乘坐人員的舒適感［5］。

1 技術設想

電梯的運行效率是指每臺電梯在單位時間內完成的工作量，即每臺電梯在單位時間內運載的乘客數量（或重量）［2］。

1.1 基本假設

對高層建筑電梯使用情況做以下幾點基本假設：（1）高層建筑每層層高3.6 m；

（2）電梯滿載重量為1 000 kg，假設人均體重為65 kg，滿載時可以上乘客13人，在上人時一人帶體積為0.008 m3的物品；

（3）在高峰期，每層至少有一人承載；

（4）電梯在每層開關門及乘客進出時間定為6 s［2］；

（5）電梯額定速度v額=2 m/s，加速度a=0.8 m/s2，且在不同高度的樓層中，額定的速度和加速度保持不變；

（6）電梯運行高峰期只計算單程效率，即只計算乘客從上電梯時的樓層下至該棟樓第一層的效率，并不計算乘客上樓時的效率。

1.2 電梯承載效率的建立

計算電梯承載效率的方法是計算出運載樓層數減1的乘客人數（如12層的樓房，運載人數為11人）時電梯的運行時間，根據所使用電梯的部數、電梯運行時間、承載乘客的人數就可計算出電梯的承載效率［1］：

式中：p為運載人數，計算時可選擇運載人數等于電梯層數減去1人；t為運行時間，min；q為電梯部數。

1.3 影響因素

影響電梯承載因素如下：

（1）運載人數，即一棟樓的入住率，或該棟樓的使用性質（如醫院，受醫院人員流動性大的影響，電梯的運行、承載效率變化情況也會不相同）；

（2）運行時間，每部電梯的運行時間都會有所不同，在一般情況下，運行時間受承載重量、電力負荷、乘客出入時間影響；

（3）電梯部數，每棟樓樓層數不一樣時，建設單位所布置的電梯部數也會有所不同，一般高層樓會布置兩部電梯，客貨梯相結合，以求達到運載要求，當電梯部數越多時，電梯綜合運行效率就越高，當電梯部數不足時，需要控制電梯內部空間承載的有效性。

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2 電梯內部空間承載研究

2.1 電梯內部空間

電梯的內部空間是指：可以供乘客人員進出的空間，具有一定高度、長度和寬度的轎廂［6］。普通曳引驅動乘客電梯內部空間的尺寸為1 600 mm長、1 400 mm寬、2 200 mm高，總體積約5 m3，當電梯為醫院公共電梯時內部空間在尺寸上會有所增大，以滿足醫院日常人員上下進出運輸要求。而在公共建筑中將有限的電梯內部空間更高效地利用使運行更合理、更節能作為本文研究的重點。在多數情形下，人員在上下電梯的同時都會隨身附帶其他的物品，如行李箱、快遞盒及醫院病床、救護設備等，這些物品的進入無疑使電梯原有的內部空間變小，以至于無法正常再上下人員，而此時電梯又并未達到額定荷載并將繼續在每層有指令的樓正常停留開啟電梯門，此情形必然導致電梯運行效率的降低、能耗的增加及增大人員等待時間［7］。

2.2 內部空間承載假設

電梯內部空間承載假設如下：

（1）電梯內部總體積V1=5 m3；

（2）內部乘客人員體積V2=0.42 m3（一人平均體積0.06 m3，運行時電梯內部平均為7人）；

（3）進入電梯內部物品總體積V3=2 m3（平均物品體積）。則電梯運行時內部空間體積：

電梯運行時內部空間體積占電梯內部總空間體積的比例：

由上述假設可知，電梯運行時存在一個合理的內部空間體積比例，即電梯運行時內部空間體積占電梯內部總空間體積的比例應在一定的合理區間內。在這個區間內，即使電梯內已有物品但人員依然能進出電梯上下樓層，但是當人、物所占的體積超過這個比例，門外的人或物上下電梯就會受到影響。這種影響在上面已經做過描述。經過假設與模型實驗，最終將最大空間承載比例定為52%。

3 三維可視化原理及其框架

3.1 三維可視化技術原理定義

三維可視化技術是計算機仿真技術的重要分支，是虛擬現實技術最重要的表現形式。它采用實時網絡監控技術、計算機圖形圖像技術、信息綜合技術和顯示技術，根據仿真的目的，構造仿真對象的三維模型以達到逼真的仿真效果［3］。

3.2 三維可視化技術框架

三維可視化技術框架主要系統設備有圖像采集監控模塊、計算機自動建模模塊、電梯智能終端控制系統、信號處理與反饋模塊、數據存儲模塊。如圖1所示。

圖1 技術框架模塊

4 三維可視化技術與電梯結合方法和兩者運行方法

4.1 技術結合方法

將三維可視化技術運用在電梯的空間承載性能優化上是一個技術層面上的創新，在電梯內部裝有一個可以掃描圖像的紅外感應技術性攝像頭［8］（也可在電梯原有內部監控攝像頭上進行改進），再通過攝像頭掃描圖像運用三維可視化技術的綜合模擬建模，對電梯的運行與派梯進行合理的配置［9］。

4.2 運行模式

首先在有需求的公共建筑電梯內安裝可掃描可監控的內部攝像頭，在完成布線與信號調試后，此時的攝像頭就可以進行對電梯內部的空間三維立體圖像掃描，為了更好地掃描成功，本文采用紅外敏感性攝像頭［8］，提高掃描成功率；攝像頭將掃描后的空間圖像傳輸到主控制系統計算機，由主控制系統計算機對掃描的空間圖像進行模擬建模成像，成像后依據已經設定好的算法判斷在此運行狀態下是否滿足繼續運行的條件，即空間承載比例［10］是否小于額定比例，如小于額定比例主控制系統將向電梯智能終端控制系統發出指令要求電梯繼續運行，如大于額定比例，主控制系統向電梯智能終端控制系統發出指令，而此時的指令是電梯不再?？科渌泻艚行枨蟮臉菍樱?1］，直達此時電梯內唯一的指令樓層，以避免電梯重復?？浚斐呻娞葸\行能耗的增加，直達指令樓層也可以縮短電梯內乘客的乘坐時間，節約運行時間。在完成上一指令的同時，數據存儲設備將同步進行數據的存儲，用來保證后續指令數據的分析和監測數據的查驗，完全做到安全可靠，穩定高效。

4.3 運行算法

基于三維可視化技術對曳引驅動乘客電梯空間承載性能的優化的具體控制算法如圖2所示。

圖2 電梯派梯運行算法

5 測試與結果分析

經過20次重復實驗和電梯空間內部計算機反復建模后，得出基于三維可視化技術對曳引驅動乘客電梯空間承載性能實驗的結果。測試結果表明：圖像識別間隔時長為3 min一次，符合規定時長5 min的設計要求；內部監控攝像頭已實現智能掃描監測電梯人數［12］；三維可視化技術設備在實驗運行下小于最大空間承載比例的52%，優于設計要求；在運用了三維可視化技術設備的電梯上，其運行效率比普通電梯顯著提升20.3%；電梯反復停靠次數也減少到每分鐘1次，減小了電梯反復停靠的能耗損失，節約建筑能耗10%；電梯的電機運行更合理，使電梯的使用壽命得到延長；在運用了三維可視化技術的電梯，內外部人員等待時長也縮減至30 s，節約了人員等待時間，提升了人員乘坐電梯的舒適感；經過計算機準確的空間建模得出：將三維可視化技術一體化設備運用在電梯上是工作可靠、性能安全、運行穩定，對優化電梯空間承載性能、提升電梯運行效率、提高人員乘坐電梯的舒適感上有極大的幫助。

6 結束語

（1）基于三維可視化技術對曳引驅動乘客電梯空間承載性能的優化是針對目前國內已用的超載過載保護裝置［13］所存在的缺陷而設計優化的，主要目的是為電梯節能、提高運行效率。它能可靠地模擬建模出電梯在安裝此設備后在運行時其實際的空間荷載，在使用過程中能實時的掃描圖像通過三維建模并判斷此時電梯是否在空間上超載過載，并且能根據空間荷載比例的變化而自動調整當前的電梯的運行狀態，保證電梯的穩定安全高效運行。

（2）結合目前電梯運行效率的下降、電梯使用壽命的縮減等問題，提出的基于三維可視化技術對電梯空間承載性能的優化，整體技術設備運行可靠，后期人員反饋滿足率高，符合國家節能降耗的環保理念。本文也為行業內提高電梯可靠性和運行效率提出了一個可行的創新設計思路。

（3）本文所提出的利用三維可視化技術對曳引驅動乘客電梯空間承載性能優化的工作原理以及設計方法目前還是處于開發階段，詳細的設計方案和控制算法仍需要在日后做大量的工作。由于本文在計算過程中采用了假設性分析，計算結果與實際運行效率會有所偏差，但總體變化規律與實際仍相符，因此本文計算結果可作為曳引驅動乘客電梯空間承載性能優化的定性研究。為完善不足之處，筆者仍需要深入研究和向同行請教。相信隨著電梯設備的不斷發展，該三維可視化建模技術優化空間承載性能一定能夠得到電梯行業內甚至社會的認可。