電梯高質量發展及其檢測技術創新探析

鄔棟

關鍵詞：電梯，智能化，檢測，高質量發展

0 引言

電梯是一種服務于建筑內部或外部若干個特定樓層，且轎廂的運行方向限制在兩條或兩條以上的垂直于水平面方向上的導軌的永久性運輸設備[1-2]。一般以電動機作為動力源。一臺垂直升降電梯一般裝有一個轎廂，用來在若干個樓層之間來回運送乘客或者貨物等。

“電梯”這一事物為人類所用已經一百五十余年了。最初的電梯使用的還是人力或畜力，那時電梯只能成為升降梯。而且并沒有設置安全裝置，直到1854年紐約的水晶宮舉行了世界博覽會，在世博會上一個美國人向世人展示了他的發明——安全鉗。這個人就是后來被譽為電梯之父的伊萊沙·格雷夫斯·奧的斯。

電梯的重要性已不言而喻，尤其伴隨中國經濟的快速騰飛，社會化水平和百姓生活水平的提高，電梯作為住宅樓、寫字樓等樓宇內的垂直運輸工具，已經像其他交通工具一樣，越來越成為我們日常生活中一個不可或缺的組成部分。本文通過對電梯的發展歷史、發展現狀、發展趨勢的綜合闡述，探討了電梯檢測技術的創新發展，以期為未來高質量發展的電梯及更智能化的檢測技術提供借鑒參考，共同為我們人類創造一個更加穩定、更加安全、更加舒適的生活空間。

1 電梯的發展歷史

人類利用升降工具運輸貨物、人員的歷史非常悠久。早在公元前2600年，埃及人在建造金字塔時就使用了最原始的升降系統，這套系統的基本原理至今仍無變化，即一個平衡物下降的同時，負載平臺上升。

電梯作為升降設備，其起源可以追溯到公元前1000多年前我國勞動人民發明的轆轤：一種由木制或竹制的支架、卷筒、曲柄和繩索組成的卷筒式卷揚機。

早期的升降工具基本以人力為動力。1203年，在法國海岸邊的一個修道院里安裝了一臺以驢子為動力的起重機，這才結束了用人力運送重物的歷史。

電梯在公元1765年瓦特發明蒸汽機，世界開始了第一次工業革命，那時世界進入了蒸汽時代，蒸汽機成為了極其重要的原動機。然而直到1835年蒸汽機才逐漸取代人力或者畜力正式成為升降工具的動力來源。然而當時的升降機大多使用卷筒做拉升，棉麻繩做牽引，由于沒有保護機制，時常有斷繩墜落事故發生，所以很少用來載人。

直到1852年，電梯之父伊萊沙·格雷夫斯·奧的斯發明了一種安全鉗，使升降梯的牽引繩即使斷裂，也能保證轎廂內的人安然無恙。這種安全鉗會把轎廂鎖死在導軌上，從而防止轎廂繼續下墜。

隨后在1853年，奧的斯辦起了自己的車間，傳奇的奧的斯電梯公司從此誕生。在1854年的紐約世博會上，奧的斯完美地展示了他所發明的安全鉗。從此，升降梯便有了防墜落方面的保證，為此后電梯的發展奠定了基礎。

1887年，奧的斯電梯公司制造出了世界上第一臺名副其實的電梯，該公司創造性地使用了電動機作為電梯的的動力源，通過渦輪減速器帶動卷筒上的牽引繩對轎廂進行升降。到了1889年該公司又推出了世界上第一部以直流電動機位動力的升降機。1900年，該公司又研制出交流感應電動機驅動電梯。

1903年后，奧的斯公司又將電梯的傳動方式從鼓輪式改進為曳引式。曳引式電機比鼓輪式電機的體積小得多，而且曳引式電機比鼓輪式電機有更高的通用性和安全性。

1967年晶閘管用于電梯，研制出了交流調壓調速電梯。到了1984年，日本將變頻調速系統應用于2 m /s以上的電梯。在控制方面，微機全面取代繼電器，實現閉環控制，進一步提高了電梯性能和可靠性。

2 電梯的發展現狀

現代電梯在技術方面的發展速度可以說是日新月異，在電機電梯問世四十余年的時間里，已經發展出幾十種類型，根據不同的用途可以分為乘客型電梯、載貨型電梯、醫用梯、雜物梯、觀光梯、車輛用電梯、船舶用電梯，甚至有建筑施工專用電梯和其他特殊用途的電梯。如果根據電梯驅動方式又可以分為：液壓式、曳引式、齒輪齒條式和螺桿式。還可以根據電梯的運行速度分為低速梯、中速梯和高速梯，如今高速梯的發展則十分受人矚目。另外根據是否有電梯司機可以分為有司梯和無司梯，但是隨著社會節奏的加快，大部分有司梯也被無司梯所取代。本文中所設計的電梯屬于乘客型、交流、低速、曳引式、無司電梯。

因為電梯具有多種無與倫比的功能，使得電梯在當今世界有著無比巨大的市場。如今我國已經是全球電梯保有量最多的國家，同時也是全球最大的電梯制造國。2020年我國電梯產量約為一百零五萬臺，電梯保有量高達八百萬臺。根據KONE公布數據顯示，全球新裝電梯需求量最大的國家為中國，占世界電梯新裝量總數的比重約為63%，為世界最大的電梯市場。排名第二的是歐洲、中東及非洲地區，占比約為19%；南亞、印度及澳大利亞的新裝電梯占比約為8%。而北美地區及南美地區對新裝電梯的需求量相對較少，分別僅占3%和2%。

2022年9月，“2022全球電梯制造商10強”排行榜正式發布，全球領先電梯制造商中，有4家來自歐美，分別為奧的斯、迅達、通力、蒂森克虜伯電梯；4家來自日本，分別是三菱、日立、富士達、東芝；1家韓國企業，為現代電梯，1家中國企業，為康力電梯。其中占比最大的為奧的斯，為17%。

3 電梯的發展趨勢

未來，在“中國制造2025”的推動下，智能化將成為電梯企業轉型改革的大方向。除了促進電梯制造技術的升級外，通過融入云計算、物聯網、大數據等新一代信息技術也將成為提高電梯智能化水平的重要途徑[3]，未來電梯的發展趨勢如下。

3.1 電梯群控系統智能化趨勢

在21世紀，電力電子器件進入第四代——智能化時代。如果把電梯群控系統與智能化相結合，將會使電梯的能耗進一步降低，以達到電梯資源的高效合理運用的目的。

3.2 超高速電梯發展趨勢

當今社會發展無比迅速，甚至可以說是日新月異。于此同時，社會的節奏也越來越快。世界上出現了越來越多的摩天大樓，有些大樓高達上百米，此時傳統的低速電梯顯然跟不上新時代高樓的運輸需求。高速電梯必將會在高樓林立的現代都市中大放異彩。

3.3 新型材料的應用趨勢

現如今的大多數電梯仍然存在著占用空間大，轎廂重量過高的問題。如果電梯發生故障，這些都會成為阻礙維修進度的因素。因此新型材料在電梯上的應用必不可少，甚至是非常迫切需要的。

3.4 綠色電梯趨勢

在當今“綠水青山就是金山銀山”的時代大背景下，電梯也需要做到低碳綠色環保。在很多老舊小區安裝的電梯依然是老式的高耗電電梯，如果改用永磁同步無齒輪曳引電機將會大幅度減少用電消耗量，以達到綠色節能目的。

3.5 電梯安全透明化趨勢

隨著智能電梯的不斷發展，在電梯中安裝物聯網傳感裝置，使用統一的數據監測系統，讓乘客可以更加便捷高效地使用自動報警、一鍵呼救、指定樓層運行等功能，有效地提升電梯安全性能和處理故障的能力。對于物業和維保公司來講，這樣的好處還有，可以實時監測電梯運行狀況、電梯故障實時報警、預測性維護等，精準掌握電梯的運行，為電梯安全保駕護航。

3.6 電梯效率節能化趨勢

在未來，智能電梯將通過大數據、云計算等新技術，實時智能聯網控制分析，如商務樓的電梯，在上下班高峰和不同的時段，根據人流量來自動調整派梯的數量和頻次，讓電梯的調度更加精準。從而提升乘梯者的使用體驗，提升電梯的節能效率。

3.7 電梯使用便捷化、安全化趨勢

拋開電梯安全和便捷談未來電梯，是不切實際的。有統計數據顯示，乘客關注的電梯功能中排名前三的是：電梯故障報警、自動報警、縮短等待時間。可見大家普遍對電梯的安全和便捷性抱有很高的期望值。這就對新技術加持下的電梯行業提升了更高的要求，如何實現電梯安全、便捷、舒適、智能等方面的實際功能落地，更加關注用戶在實際使用電梯中的感受，必然成為未來電梯的主要趨勢之一。

3.8 全生命周期管理趨勢

電梯從設計、制造再到交付使用，涉及到環節之多，參與者之眾是這個行業的基本特點。在這些環節中，不同參與者對于電梯的訴求也不盡相同。這就導致了各個環節都有各自的管理方式和管理系統，從而使得各個環節中的信息流通速度緩慢、自動化程度提不上去。未來，通過數據化、智能化的加持，使用統一的數據架構，打通電梯設計、生產、銷售、安裝、使用、運維等環節，實現真正的資源協同、資源協同和電梯的全生命周期管理。

3.9 智能樓宇一體化趨勢

隨著智慧城市和智慧建筑的政策支持和落地，智能電梯與智能樓宇一體化的趨勢也愈發明顯。在智能樓宇中，涉及到數十個子系統且設備種類繁多，其中包含空調系統、電梯系統、照明系統、給水系統等，不同的子系統之間通過樓宇的自動系統相互連接，從而實現信息的交互。從智能電梯的角度看，其數據不僅可以同于電梯管理平臺中，還可以跟建筑中的樓控系統連接，實現一體化的功能，達到智能建筑的全自動化。

4 電梯檢測技術的創新發展

隨著電梯智能化的發展，電梯檢測技術也勢必要跟上腳步，保障電梯安全運行。傳統電梯檢測方法主要借助鉛垂線與線規進行分段檢測，或者通過光學檢測儀器對檢測精度進行提高。但這些檢測手段既耗費人力又存在人為誤差，這使得檢測精度存在一定的降低，尤其檢測高層建筑電梯導軌時，需實時手動調整高空儀器位置，危險極大。文獻設計了一種通過傾角傳感器完成對電梯導軌進行快速檢測的檢測裝置，這種檢測方法雖然能快速完成對垂直度的檢測，但這仍屬于分段式檢測，上個檢測點的檢測結果對當前的檢測影響較大，導致誤差積累且無法實現對電梯導軌各位置的狀態連續顯示。機器視覺及光學儀器的快速發展，使得有的研究單位通過經緯儀、光學傳感器、機器視覺等方法來實現對導軌的連續檢測，但是就目前的研究來看，這些方法還不太成熟，其會受到檢測裝置的影響，無法實時快速完成對檢測位置的調整，運動過程也經常會給檢測帶來不確定的干擾，導致對長距離導軌的檢測效率和精度跟不上現在電梯的高質量發展，未來可通過人工智能算法進一步提高電梯的檢測技術，本文將對可用于電梯檢測的YOLOv5算法進行一個簡單的介紹。

4.1 改進YOLOv5的電梯損傷檢測算法

選取Ultralytics5.0版本的YOLOv5算法模型作為電梯損傷檢測算法。在其基礎上進行改進，改進算法的核心思想是利用注意力機制和上下文信息，在保證模型原有框架的前提下，通過增刪所提出的網絡模塊，盡可能挖掘小目標密集區域的特征信息，減少電梯復雜背景噪聲干擾，提高檢測精度。具體的算法改進如下：

（1）在檢測網絡中增加小目標檢測層；

（2）將主干網絡末端的空間金字塔池化（SpatialPyramid Pooling，SPP）去掉，再將主干網絡末端得到的特征圖經過特征增強模塊FEM，連接至特征金字塔網絡中的特征融合部分；

（3）在檢測頭前加入前景感知模塊FAM，并將主干網絡末端得到的特征圖作為前景連接到該模塊。

4.2 增加小目標檢測層

在原檢測網絡中增加160×160的特征層，將在主干特征提取網絡進行下采樣后得到的特征層，與其余特征層通過上采樣特征匹配后進行特征融合，得到更豐富的語義信息。再將該特征層進行下采樣傳遞，輸出160×160的特征層進行預測，這樣可以使特征預測網絡更加細致，對電梯的檢測范圍更廣泛。

4.3 基于空洞卷積和注意力機制的特征增強模塊

將基于空洞卷積和注意力機制的特征增強模塊FEM加入到特征融合的過程中，先將多尺度的空洞卷積采樣后經池化的操作替代原有SPP中多尺度的池化，再將其與混合注意力機制相結合，在通道和空間維度上對不同尺度特征圖分配注意力權重，動態地改變原有固定特征權重分配方式，在降低噪聲干擾的同時增強模型對電梯特征信息的提取能力。

4.4 前景感知模塊

因為電梯井的背景一般較為復雜，為了在復雜背景下增強網絡對被測目標的檢測能力，可以加入前景感知模塊FAM，先明確前景與背景的關系，并利用潛在背景嵌入與前景特征進行關聯。然后利用該權重對輸入特征圖進行增強，增加前景特征與背景特征之間的差異，從而提高前景特征的識別能力。

雖然利用智能算法、機器視覺對電梯進行檢測目前還存在一定的缺陷，但是這些缺陷是可以通過其他技術進行補償，因此通過機器視覺完成對電梯的檢測是必然的發展趨勢。機器視覺技術處理速度快、信息量大，已經廣泛應用于圖像識別、檢測、視覺定位等各領域。未來電梯的檢測技術也將會朝著機器視覺的檢測方向發展，配合人工蜂群算法選取合適的閾值和調節參數對機器視覺采集的圖像進行全方位的去噪；然后再通過深度學習算法具備的很強學習能力提高檢測精準度以及完成對電梯實時快速準確識別。

5 結語

電梯已然成為了一種現代社會必不可少的基礎設施，在日常生活中發揮著越來越重要的作用。電梯的各種技術也日趨成熟，相信隨著電梯技術的發展，高速高效、智能化、綠色化的電梯一定能為人類提供更好的服務，無齒輪、無機房、電磁兼容性、遠程監控等技術將更好地應用于電梯中，為人類提供更智能化的便捷。電梯檢測同樣會朝著更智能的方向發展，智能算法、機器視覺方法會更好地運用于電梯檢測，再通過各種算法加深度學習的配合，相信電梯的檢測技術會同電梯的高質量發展同步前進，為人類創造一個更加穩定、更加安全、更加舒適的生活空間。