深圳地鐵14 號線地鐵自動扶梯智能監測系統應用

彭恒義，王啟鋒，郭 將，向光元

（欣皓創展信息技術有限公司，上海 200444）

0 引言

自動扶梯作為深圳地鐵14 號線軌道交通中人員流動的重要工具，自動扶梯的科學使用不僅影響著用戶的出行，還關系著用戶的生命財產安全。因此，必須重視對自動扶梯的科學安全監測管理。自動扶梯智能監測系統以保障設備使用安全為目的，通過振動監測、溫度監測、智能診斷等技術來直觀了解自動扶梯的健康狀況，及時發現設備存在的安全隱患，避免設備運行中安全事故的發生，提高設備運營的安全性與可靠性[1]。作為一種預測性維護系統，通過傳感器監視自動扶梯機械部件的振動信息、溫度信息，基于振動溫度分析模型判斷扶梯的異常狀態，提供預警信息，進而對自動扶梯設備做到預防性維修具有重要意義[2]。

1 地鐵自動扶梯智能監測系統應用組成與功能

本系統是通過在扶梯設備上安裝多種傳感器，不僅全方位監測自動扶梯的振動、溫度等狀態，還對自動扶梯關鍵傳動設備進行狀態采集和智能診斷。自動收集分析運行工況數據，以數值、圖形和表格等方法進行展示分析，實現了采集、監測、診斷和報警等功能。

自動扶梯是由梯級、梳齒板、驅動輪、電機、減速機、梯路張緊裝置、扶手和骨架等組成。在深圳地鐵14 號線中，主要有單驅、雙驅兩種自動扶梯，其中單驅自動扶梯的傳動裝置由電機、減速機、驅動軸承、驅動輪、制動器以及驅動鏈組成，雙驅自動扶梯則分為左右兩套驅動系統進行驅動，扶手系統分為左右兩個，扶梯骨架包括上機箱、下機箱以及中間梯級導航。由于自動扶梯需要長時間運行且運行頻率變化大，為保證運行的穩定和安全，在扶梯關鍵機械傳動部件（包括電機、減速機、主軸軸承、驅動底座、主驅動鏈或主驅動輪、梯級鏈張緊輪或梯級鏈等）處加裝傳感器來監測扶梯各項運行指標，主要加裝的傳感器是振動傳感器和溫度傳感器，振動是評估設備運行性能的關鍵指標，紅外溫度傳感器可以非接觸地測量目標物體所發射的紅外輻射強度，從而計算出其表面溫度。扶梯主要部件如圖1 所示。

圖1 扶梯主要部件

本系統軟件部分主要由主頁、實時監測、智能診斷、數據分析、高級功能五大模塊組成，整體功能模塊架構如圖2 所示。

圖2 系統功能模塊

軌道交通車站的自動扶梯選用重載荷公共交通型設備，自動扶梯主要布置在各車站出入口和各樓層間連通處，用于將需要進出站的乘客順利、安全、舒適地送達站臺或出入口。自動扶梯智能監測系統，是為自動扶梯量身打造的配套系統，可以對自動扶梯的運行工況進行監測和分析診斷，對運行中可能存在的異常進行預警、報警，從而為扶梯的安全運行保駕護航。

2 地鐵自動扶梯智能監測系統應用—深圳地鐵14 號線

根據地鐵自動扶梯智能監測系統應用組成與功能分析，結合深度神經網絡預警自動扶梯狀態。將地鐵自動扶梯智能監測系統應用分為兩部分，一部分是自動扶梯自身監測的應用，另一部分是乘客危險行為及危險狀態監測的應用。

2.1 自動扶梯自身監測的應用

通過數據采集單元采集扶梯的振動、溫度等數據，并將其發送到扶梯上機艙中的監測機柜里的數據采集器，然后通過以太網轉發給在線監測服務器。服務器對接收的數據進行解析并存儲到緩存和數據庫中，后臺處理單元不斷地從緩存中取出實時數據，對當前設備的狀態進行分析評估，同時故障診斷模塊對歷史數據進行特征提取和故障識別。一旦識別出故障，就記錄結果并發出預警[3]。

通過對自動扶梯各個部件的振動、位移、噪聲、溫度等多個維度的狀態信息和人員通行量、負荷分布、空氣溫度、濕度等環境信息進行訓練，并以此為基礎，研究自動扶梯系統中各個部件的狀態與自動扶梯的狀態之間的關系，以及環境因素對自動扶梯運行狀態的影響。利用多元回歸法預測扶梯零部件的剩余壽命：

式（1）中，a表示調整常量；ω1，ω2，ωn表示x1，x2…xn多維監測參數的權重系數。在對自動扶梯剩余使用壽命進行預測之后，再對其進行維護保養，并以剩余壽命從低到高依次排列。

在維護保養過程中，維護人員對維護質量的判定，這些評判標準統稱為維修知識，其中包括維保規則、標準、規范以及維修經驗等。為了指導后期的養護維修，針對監測系統構建了相應的維修知識庫[4]。

將地鐵自動扶梯智能監測系統應用于智能安全自動啟停監測過程，以深圳地鐵14 號線為研究試點，統計一年內下梯口擁堵情況，見表1。

表1 智能安全自動啟停耗時統計

通過自動扶梯底部安裝的多臺高清數碼攝像機，并結合圖像分析技術，對自動扶梯上有無行人逆行等不良行為進行實時監控。當有危害的行為出現時，通過監測終端將實時的錄像信息反饋給管理者，使其能夠及時做出正確的反應。

2.2 乘客危險行為及危險狀態監測的應用

將智能監測系統應用于乘客危險行為及危險狀態方面的監測，可從乘客摔倒、乘客逆行、乘客上、下梯口擁堵三方面進行。通過智能監控拍攝的圖像，將二維平面內任意向量在初始坐標系和下一時刻坐標系下的坐標分別表示為：

式中，r表示二維平面內任意向量；α、θ分別表示初始和下一時刻與X軸的夾角。兩者之間的關系，可用如下公式表示：

通過該坐標可捕捉乘客動作，以此監測乘客摔倒、乘客逆行、乘客上、下梯口擁堵情況。為了驗證所研究方法的有效性，對智能監測系統具體應用情況進行分析。

2.2.1 乘客摔倒監測應用

在電梯里可能會有人突然的、非自愿的、無意的姿勢變化，跌倒在樓梯的臺階上。如果乘客的后背或者頭碰到臺階，就會被認為是跌倒。此類意外多見于老年人及青少年，多因重心不穩或倚靠內板，經常在橫向斜的轉換區段發生。若不能及時發現和按動應急按鈕，就有可能造成連續的翻滾和嚴重的人員傷亡。由于其潛在的危害，對其進行實時監控有著重要的現實意義。現代化的城市地鐵交通監測已經實現了完全的信息化，可以將各種圖像集中到一個控制室內。利用該智能監測系統，實現了對自動扶梯上有無人跌倒等危險動作的捕捉與識別。

另外，當檢測到有乘客跌倒等不良動作時，在監控終端界面上將會給出提示，并由運行管理人員通過遙控急停按鈕停止電梯，或者通知運行巡檢人員進行手動停梯。因此，實時監測對于保障地鐵自動扶梯上的乘客安全具有重要意義。

將地鐵自動扶梯智能監測系統應用于乘客摔倒監測過程，以深圳地鐵14 號線為研究試點，將智能監測系統應用于一年內摔倒檢測，具體應用時間段為周一至周五6：00-8：00、16：30-18：00，統計結果見表2。

表2 一年內摔倒檢測統計

近年來，人工智能技術的飛速發展，使得傳統的“事后追蹤”變為了“主動干預”。在此基礎上，提出了一種基于智能監測的方法，實現了對乘客跌倒的實時監控。

2.2.2 乘客逆行監測應用

乘客在自動扶梯內以超出額定時速的方式逆向運行，即在電梯內步行3 級以上，且與正常運行方向相反。為了實時檢測和預防這種危險行為，通過在自動扶梯下方安裝的高清數字攝像頭和圖像分析服務器進行監控。當監控系統拍到有人試圖逆向行駛時，系統會將畫面實時呈現在監控終端上，并向管理者發出警告。此時，調度員可利用中控室中的遙控急停按鈕，及時停機，或讓巡檢人員人工停車，保證乘客的人身安全。

2.2.3 乘客上、下梯口擁堵監測應用

在下雨時，由于沒有攜帶雨傘的旅客人數較多或者站臺的設施出現了突然的故障，致使電梯的出口也會出現意料之外的堵塞。在這種情況下，若電梯繼續往外運送旅客，很有可能發生踩踏等嚴重的安全事件。為了預防這種風險，可以在自動扶梯口處安裝擁堵檢測雙目攝像頭。當攝像機偵測到電梯入口有擁擠情況時，便會立刻在監視終端上呈現此擁擠的影像，從而向管理者發出警告，提示電梯內有擁擠而引發的安全隱患。當發生此類事件時，調度員可以利用遙控緊急停車鍵停車，也可以告知巡查員手動停車，從而防止安全隱患。

3 結語

自動扶梯智能監測系統在深圳地鐵14 號線軌道交通項目中的應用，結合深度神經網絡監測扶梯壽命，及時制定養護維修計劃。在扶梯的實時監測、故障診斷、預測維護、健康評價、調度運行等方面很好地貼合現場運行管理人員的需求，通過實時監測自動扶梯的運行狀態，能夠及時發現運行問題，提前排除安全隱患，提升了扶梯運維管理效率。通過對乘客摔倒、逆向行走、出口擁堵異常狀態的監測應用研究，能夠最大限度降低對乘客進一步的傷害，以此保障乘客安全，有效加強了站點整體運行的安全性和可靠性，具有很好的推廣應用價值。