基于圖像處理的電梯制動器監(jiān)測方法研究

馮金奎 于宗營 馮 云 李 兵 吳占穩(wěn) 王小輪

（1.國家市場監(jiān)管重點實驗室（特種設(shè)備安全與節(jié)能），中國特種設(shè)備檢測研究院 北京 100029）

（2.武漢理工大學(xué) 交通與物流工程學(xué)院 武漢 430070）

電梯作為建筑物內(nèi)主要運輸工具，已經(jīng)成為人們?nèi)粘Ｉ钪胁豢苫蛉钡囊徊糠諿1]。據(jù)國家市場監(jiān)督管理總局公開數(shù)據(jù)，中國電梯每天運送超過20 億人次，電梯與公眾日常工作、生活密切相關(guān)，直接關(guān)系人民群眾人身和財產(chǎn)安全。中國電梯具有使用頻率高、運行時間長、使用環(huán)境復(fù)雜等特點[2]。目前，我國運行15 年以上的老舊電梯已達73.68 萬臺，并以每年10%左右的速度增加，預(yù)計到2035 年可達860 萬臺[3]，電梯逐年“老齡化”，并且已經(jīng)集中進入故障多發(fā)期。

制動器是電梯不可或缺的重要安全裝置之一[4]，其主要功能是在電梯平層時，實現(xiàn)失電制動，確保乘梯人員安全上下電梯[5]。此外，制動器集上行超速保護、轎廂意外移動保護等多項安全功能為一體。電梯安全事故中多數(shù)是由于制動器失效而引起，發(fā)生嚴(yán)重問題時可造成重大的人身傷亡和財產(chǎn)損失[6]。為了減少電梯制動器故障、事故帶來的人員傷亡事故，新出廠的電梯通過底層機電設(shè)計多數(shù)已具有制動器制動性能監(jiān)測功能[7]，但占據(jù)市場上絕大多數(shù)的老舊電梯難以按照新電梯的監(jiān)測方法實現(xiàn)制動器制動性能的監(jiān)測。

1 電梯制動器的常見型式

目前電梯常見的主機制動器分為鼓式制動器和盤式制動器。

1.1 電梯鼓式制動器

電梯鼓式制動器是以圓柱形的被制動部分的制動面作為特點，以圓柱形表面作為摩擦副接觸面的制動器[8]，其中鼓式制動器分為杠桿鼓式制動器和直壓鼓式制動器。

杠桿鼓式制動器的被制動部件是制動輪圓柱面，制動元件是有導(dǎo)向的壓縮彈簧，力是通過杠桿放大后作用于制動面上。

直壓鼓式制動器的被制動部件是制動輪圓柱面，制動元件是有導(dǎo)向的壓縮彈簧，力的作用方式是直接作用于制動輪外圓柱面。

1.2 電梯盤式制動器

盤式制動器是指用圓盤的端面作為摩擦副接觸面的制動器[4]，盤式制動器又分為鉗盤式制動器和軸向盤式制動器。

鉗盤式制動器的摩擦材料（制動襯）僅能覆蓋制動面摩擦區(qū)域的一部分，且制動元件的作用力以鉗夾的方式施加在制動面。

軸向盤式制動器的摩擦材料全部覆蓋制動面摩擦區(qū)域，且制動元件的作用力以軸向推壓的方式施加在制動面。

2 電梯制動器的運行保障現(xiàn)狀

長期以來，電梯制動器產(chǎn)品定型階段，由電梯型式試驗機構(gòu)在實驗室內(nèi)專業(yè)設(shè)備上完成制動器性能試驗測試。電梯已安裝于建筑物內(nèi)的階段，多是通過加載規(guī)定載荷或空載，通過轎廂制停距離間接實現(xiàn)制動器性能測試。但上述方法存在以下弊端：

1）定型階段的測試方法不適用于已安裝在建筑物內(nèi)的電梯；

2）轎廂制停距離是曳引性能與制動性能的綜合表現(xiàn)，直接用來表征制動器制動性能不科學(xué)，如制停距離過長有可能是制動性能低，也有可能是制動性能過高導(dǎo)致鋼絲繩與曳引輪產(chǎn)生了過多的滑移；

3）需要搬運大量砝碼，浪費人力，影響檢驗效率；

4）過多依賴檢驗人員經(jīng)驗去定性判斷，存在誤檢、漏檢的風(fēng)險。

為此，有學(xué)者針對已安裝于建筑物內(nèi)的電梯提出了檢測、監(jiān)測的方法，常用方法是通過加裝接觸式傳感器實現(xiàn)電梯制動器制動性能檢測、監(jiān)測，但加裝傳感器的方式多是通過改造電梯制動器（包括制動臂、閘瓦、彈簧、制動線圈等）、改變電梯控制電路甚至干預(yù)電梯安全回路等。電梯制動器是一個對穩(wěn)定性能要求極高的關(guān)鍵部件，直接改造的方式無法估計對電梯安全性能的影響，存在巨大的責(zé)任風(fēng)險。此外，改變電梯制動器、控制電路、安全回路等部件的狀態(tài)可能還會面臨電梯制造廠家驗證、型式試驗、監(jiān)督檢驗、定期檢驗、功能安全認證等一系列環(huán)節(jié)，實際操作起來較困難，難以實際應(yīng)用。因此，本研究提出了基于圖像處理的電梯制動器監(jiān)測方法，該方法是一種非接觸式監(jiān)測方法，監(jiān)測過程中不改造電梯制動器、不改變電梯控制電路、不干預(yù)安全回路。

3 基于圖像處理的電梯制動器監(jiān)測基本原理

電梯制動器通常有打開和閉合2 種工作狀態(tài)。電梯啟動和停止過程中，制動器在閉合和打開2 種狀態(tài)之間變換；電梯運行時，制動器保持打開狀態(tài)。制動器的制動性能可以通過制動輪旋轉(zhuǎn)的不同參數(shù)來表征，具體通過圖像采集系統(tǒng)采集電梯不同工作狀態(tài)下制動輪的圖像，應(yīng)用圖像的傅里葉頻譜分析、LSD 直線段檢測等方法，綜合確定圖像的實際旋轉(zhuǎn)角度，并根據(jù)角度與時間的關(guān)系以及歷史數(shù)據(jù)判斷制動器的運行狀態(tài)。

3.1 二維離散傅里葉變換

二維離散傅里葉變換是將圖像從空間域轉(zhuǎn)換到頻域的變換方法[9]。圖像實質(zhì)上是二維矩陣。將空間域的圖像轉(zhuǎn)換到頻域能夠更直觀地觀察和處理圖像，也更有利于進行頻域濾波等操作。

二維離散傅里葉變換公式見式（1）。式中f（x，y）代表一幅大小為M×N 的矩陣，F(xiàn)（u，ν）表示f（x，y）的傅里葉變換，可以轉(zhuǎn)換為三角函數(shù)表示方法，其中u和ν 可用于確定正余弦的頻率。利用式（2）和式（3）可以得到F（u，ν）的相位譜和功率譜。

式中：

Re，Im——分別表示取函數(shù)的實部和虛部運算。

3.2 圖像的傅里葉頻譜分析

根據(jù)圖像的空間域和頻域具有相映射的關(guān)系，圖像經(jīng)過傅里葉變換后再經(jīng)過圖像平移可獲得具有紋理特征的頻譜圖，頻譜圖的中心明亮部分代表原圖像的低頻部分，頻譜圖的明亮直線可代表原圖像的主紋理方向[10-11]。

圖像旋轉(zhuǎn)后，根據(jù)傅里葉變換公式（4）可獲得傅里葉變換公式（5）。

圖像旋轉(zhuǎn)后其對應(yīng)的功率譜P（u，ν）發(fā)生相對應(yīng)的變化，由此可見，傅里葉變換對圖像旋轉(zhuǎn)敏感。多數(shù)圖像經(jīng)過傅里葉變換后，所生成的頻譜圖中都有亮度較高且過中心的1 條或多條直線，該頻譜圖為原圖像的專屬特征，且該直線與空間域中的邊緣直線互相垂直。空間域的圖像旋轉(zhuǎn)后的特征會直接反映在傅里葉變換平移變化后的頻譜圖中，因此，可以利用圖像傅里葉變換平移后的頻譜圖來檢測圖像的實際旋轉(zhuǎn)角度[9]。

3.3 旋轉(zhuǎn)角的計算

通常圖像經(jīng)傅里葉變換后的頻譜圖中會出現(xiàn)1 條或多條明亮的直線，若人工在圖像中增加與背景色區(qū)別明顯的線條，則頻譜圖通常僅會產(chǎn)生1 條明亮的直線垂直于線條直線邊緣，則該直線的方向確定為圖像的主方向。在同一圓形感興趣區(qū)域（ROI）內(nèi)，通過Matlab 軟件將旋轉(zhuǎn)前后的2 幅圖像分別進行LSD 直線段檢測，分別得到2 條直線的斜率K1和K2，通過式（6）求解直線的轉(zhuǎn)向角θ，進而求出制動輪旋轉(zhuǎn)角度時程。

4 基于圖像處理的電梯制動器監(jiān)測方法

基于圖像處理的電梯制動器監(jiān)測方法利用圖像采集系統(tǒng)采集電梯制動器制動過程中的制動輪旋轉(zhuǎn)圖像，通過計算處理獲得制動輪實際旋轉(zhuǎn)角度，根據(jù)綜合計算結(jié)果判斷制動器性能變化情況。具體監(jiān)測方法如下：

1）選擇合適的位置固定圖像采集系統(tǒng)，使鏡頭光軸盡可能與制動輪中心軸位于同一直線（見圖1），減少制動輪成像過程帶來的計算誤差。

圖1 現(xiàn)場實際測量電梯曳引主機

2）為避免非旋轉(zhuǎn)圖像引入頻譜圖誤差，設(shè)置圖像中的圓形感興趣區(qū)域（ROI）（見圖1 中紅色圓圈），制動輪盡量覆蓋圖像采集系統(tǒng)視野中央，選擇合適的幀率和畫質(zhì)，并使用直流光源補光。

3）從電梯啟動開始采集圖像，電梯穩(wěn)定停止后，結(jié)束圖像采集。

4）為更好地確定圖像的主方向，模擬在制動輪上噴涂與背景色區(qū)別明顯的線條，該圖像經(jīng)傅里葉變換后的頻譜圖僅會產(chǎn)生1 條明亮的直線，圖像及其傅里葉頻譜圖見圖2（a）、圖2（b）。

圖2 旋轉(zhuǎn)前后圖像、傅里葉頻譜圖及LSD 直線段檢測

5）將頻譜圖進行灰度處理，通過Matlab 軟件進行LSD 直線段檢測，見圖2（c），根據(jù)直線的參數(shù)篩選出表示制動輪主方向的直線。根據(jù)連續(xù)幀圖像中主方向直線的斜率計算求出旋轉(zhuǎn)角度，最終確定制動輪隨時間轉(zhuǎn)動的情況。

6）通過累加不同時間段范圍內(nèi)的旋轉(zhuǎn)角度，可求出相應(yīng)階段總的旋轉(zhuǎn)角度。如電梯的正常運轉(zhuǎn)—制動—停止過程中所有圖片旋轉(zhuǎn)角度依次相加，可獲取電梯本次制動過程中制動輪的旋轉(zhuǎn)角度，可用來表征本次的制停距離。隨著監(jiān)測電梯制動次數(shù)的增加，如制動過程中的旋轉(zhuǎn)角度穩(wěn)定在一定百分比閾值范圍內(nèi)則認為制停距離正常，反之則認為制動器制停距離異常，發(fā)出制停距離異常情況報警。

7）通過前述方法獲得不同狀態(tài)下制動輪的旋轉(zhuǎn)角度情況，對旋轉(zhuǎn)角度進行基于時間的一階、二階、三階求導(dǎo)分別得到制動輪的角速度、角加速度、角變加速度。

8）通過制動輪角速度表征電梯運行速度，隨著監(jiān)測電梯運行次數(shù)的增加，如運行中的角速度穩(wěn)定在一定百分比閾值范圍內(nèi)則認為運行速度正常，反之則認為運行速度異常，發(fā)出運行速度異常報警。

9）通過制動輪角加速度表征電梯啟動加速度和制停減速度，隨著監(jiān)測電梯運行次數(shù)的增加，如制動輪角加速度穩(wěn)定在一定百分比閾值范圍內(nèi)則認為電梯啟動或制停正常，反之則認為電梯啟動或制停異常，發(fā)出電梯運行加速度異常報警。

10）通過制動輪角變加速度表征電梯啟動和制停過程的平穩(wěn)性，隨著監(jiān)測電梯運行次數(shù)的增加，如制動輪角變加速度直線斜率穩(wěn)定在一定百分比閾值范圍內(nèi)則認為電梯運行平穩(wěn)，反之則認為電梯啟動或制停異常，發(fā)出電梯啟動或制動平穩(wěn)性異常報警。

11）若出現(xiàn)連續(xù)報警且監(jiān)測參數(shù)超出閾值范圍較大百分比的情況，則可切斷層站召喚裝置電路，外部人員無法選層控制電梯，避免了電梯帶病運行。

12）切斷層站召喚裝置電路，不屬于改變電梯控制電路、接入安全電路等情況，按國家規(guī)定屬于一般維修，由電梯維保人員進行施工即可，不需要進行監(jiān)督檢驗、定期檢驗、功能安全認證等環(huán)節(jié)。

5 結(jié)果驗證

為更好地驗證所提出監(jiān)測方法的有效性，本文開展了相關(guān)模擬實驗。需要特別說明的是監(jiān)測方法適用于前后2 張圖片旋轉(zhuǎn)小于180°的情況，因此，圖像采集系統(tǒng)的采樣頻率至少高于2 倍主機旋轉(zhuǎn)頻率。為了便于實際測量曳引輪旋轉(zhuǎn)角度以及圖片主方向的確定，通過軟件處理模擬在曳引輪上噴涂黑色直線進行標(biāo)記，見圖2（a）。通過軟件精確設(shè)置噴涂后圖片旋轉(zhuǎn)60°，見圖2（d）。將灰度化的圖2（a）和圖2（d）進行傅里葉變換分別得到圖2（b）和圖2（e），再通過LSD 直線段檢測分別求圖2（c）和圖2（f）中主直線的斜率，計算求出旋轉(zhuǎn)角度為59.599 0°，誤差為0.67%。模擬實驗結(jié)果表明了基于圖像處理的制動器制動輪旋轉(zhuǎn)情況監(jiān)測方法的有效性。

6 結(jié)論

本文提出了一種基于圖像處理的電梯制動器監(jiān)測方法，通過圖像采集系統(tǒng)采集電梯制動器制動過程中的制動輪旋轉(zhuǎn)圖像，應(yīng)用圖像的傅里葉頻譜分析，依據(jù)頻譜圖與圖像的紋理圖像的對應(yīng)關(guān)系，確定圖像的實際旋轉(zhuǎn)角度。判斷制動輪角速度、角加速度、角變加速度，并對比歷次數(shù)據(jù)判斷分析制動情況。該方法不需要圖像標(biāo)定與手動特征識別，不需要坐標(biāo)定位，也不需要測量曳引輪直徑，僅需露出制動輪盤即可實現(xiàn)電梯制動器的監(jiān)測，實現(xiàn)了非破壞性電梯制動器的監(jiān)測，對提高電梯安全水平，預(yù)防和減少電梯事故具有重要意義。