基于邊緣計(jì)算和5G物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)融合的自動(dòng)扶梯智能監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

摘 要：針對(duì)自動(dòng)扶梯安全事故頻發(fā)的痛點(diǎn)，設(shè)計(jì)一套基于邊緣計(jì)算和5G物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)融合的自動(dòng)扶梯智能監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。系統(tǒng)集成智能扶梯傳感網(wǎng)絡(luò)控制設(shè)備、云-邊協(xié)同智能視頻識(shí)別設(shè)備和自動(dòng)扶梯智能監(jiān)測(cè)平臺(tái)，可實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)扶梯電機(jī)、減速機(jī)、主軸軸承和驅(qū)動(dòng)底座等主要部件的振動(dòng)數(shù)據(jù)以及溫度數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)扶梯簡(jiǎn)單機(jī)械故障的預(yù)警。采用高清攝像頭實(shí)現(xiàn)對(duì)安防環(huán)境的監(jiān)測(cè)，結(jié)合部署在邊緣端的深度學(xué)習(xí)算法對(duì)視頻數(shù)據(jù)進(jìn)行識(shí)別，并通過(guò)5G無(wú)線(xiàn)通信模塊發(fā)送數(shù)據(jù)至軟件監(jiān)測(cè)平臺(tái)。通過(guò)實(shí)驗(yàn)表明，該系統(tǒng)能實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)扶梯的性能數(shù)據(jù)，并對(duì)扶梯自身故障與乘搭人員的不規(guī)范乘搭行為實(shí)時(shí)發(fā)出報(bào)警信號(hào)，解決了傳統(tǒng)人工視頻監(jiān)視扶梯存在的人力成本高、響應(yīng)速度慢、存在誤報(bào)漏報(bào)等問(wèn)題，為自動(dòng)扶梯智慧監(jiān)管提供技術(shù)支撐。

關(guān)鍵詞：自動(dòng)扶梯監(jiān)測(cè)；物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)；5G；邊緣計(jì)算；智能控制；深度學(xué)習(xí)；姿勢(shì)識(shí)別

中圖分類(lèi)號(hào)：TP391.41；TH236 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：2095-1302（2024）11-00-04

0 引 言

隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展，自動(dòng)扶梯的應(yīng)用越來(lái)越廣泛，逐漸成為人們生活中不可或缺的一部分[1]。但有些投入使用年限較長(zhǎng)的自動(dòng)扶梯的內(nèi)部零部件已接近使用限值[2]，加之自動(dòng)扶梯長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行以及運(yùn)動(dòng)部件不可避免地暴露在乘搭人員接觸范圍內(nèi)[3]，此外還有乘客做出將頭部以及雙手伸出裝置等危險(xiǎn)行為[4]，這些都會(huì)導(dǎo)致自動(dòng)扶梯安全事故頻發(fā)，嚴(yán)重危害人身安全且影響場(chǎng)所正常運(yùn)作。

然而目前針對(duì)自動(dòng)扶梯安全事故仍主要依靠人工手段進(jìn)行預(yù)防，僅有少數(shù)場(chǎng)景應(yīng)用了相應(yīng)的監(jiān)測(cè)設(shè)備進(jìn)行預(yù)防。現(xiàn)有的自動(dòng)扶梯監(jiān)測(cè)方式存在以下問(wèn)題：傳統(tǒng)的扶梯監(jiān)管主要依賴(lài)于人工巡檢，需要大量的人力物力，且這種方式存在巡檢周期長(zhǎng)、效率低、故障發(fā)現(xiàn)不及時(shí)等問(wèn)題[5]。尤其是在設(shè)備數(shù)量眾多的情況下，做到全面及時(shí)的巡檢更為困難。此外，對(duì)于一些潛在的風(fēng)險(xiǎn)和故障，人工巡檢可能無(wú)法在第一時(shí)間發(fā)現(xiàn)。盡管當(dāng)前已經(jīng)有部分智能扶梯監(jiān)測(cè)系統(tǒng)投入實(shí)際應(yīng)用，但整體上仍存在智能化、集成化、信息化程度不足，數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)能力不足，分析能力較弱和響應(yīng)時(shí)間長(zhǎng)等問(wèn)題。此類(lèi)系統(tǒng)僅僅能提供基本的設(shè)備運(yùn)行數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)基本的數(shù)據(jù)采集和展示功能，不能對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行深度分析并做出預(yù)測(cè)，無(wú)法對(duì)危險(xiǎn)事件進(jìn)行防范[6]。同時(shí)，當(dāng)前智能扶梯監(jiān)測(cè)系統(tǒng)對(duì)乘搭人員的乘搭行為進(jìn)行識(shí)別后，無(wú)法做到及時(shí)處理相應(yīng)危險(xiǎn)情況并且不能實(shí)時(shí)遠(yuǎn)程控制扶梯運(yùn)行狀態(tài)[7]。

綜上所述，當(dāng)前的扶梯監(jiān)管設(shè)計(jì)方案雖已初步形成信息化監(jiān)管，但實(shí)時(shí)監(jiān)管的智能化程度仍不足，無(wú)法全面監(jiān)測(cè)扶梯并及時(shí)采取措施，特別是還未有效實(shí)現(xiàn)對(duì)扶梯故障的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)預(yù)警和對(duì)乘搭人員乘搭行為的實(shí)時(shí)識(shí)別[8-10]。

為滿(mǎn)足扶梯監(jiān)管智能化、集成化的需求，本文設(shè)計(jì)了一套基于邊緣計(jì)算和5G物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)融合的自動(dòng)扶梯智能監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。系統(tǒng)通過(guò)智能扶梯傳感網(wǎng)絡(luò)控制設(shè)備采集扶梯數(shù)據(jù)，并通過(guò)自動(dòng)扶梯數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)設(shè)備的無(wú)線(xiàn)通信模塊將自動(dòng)扶梯實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)傳輸至監(jiān)管云平臺(tái)，根據(jù)云平臺(tái)下發(fā)的指令進(jìn)一步控制扶梯的運(yùn)行狀態(tài)。云-邊協(xié)同智能視頻識(shí)別設(shè)備負(fù)責(zé)對(duì)乘搭人員乘搭行為的監(jiān)測(cè)，設(shè)備搭載網(wǎng)絡(luò)攝像頭和無(wú)線(xiàn)通信模塊，同時(shí)部署YOLOx-Tiny算法模型，將采集的扶梯視頻數(shù)據(jù)按需推流，并將識(shí)別信息遠(yuǎn)程傳輸至監(jiān)管云平臺(tái)，真正實(shí)現(xiàn)自動(dòng)扶梯實(shí)時(shí)智能化監(jiān)測(cè)。

1 監(jiān)測(cè)系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計(jì)與工作原理

1.1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

自動(dòng)扶梯智能監(jiān)測(cè)系統(tǒng)由智能扶梯傳感網(wǎng)絡(luò)控制設(shè)備、云-邊協(xié)同智能視頻識(shí)別設(shè)備和自動(dòng)扶梯智能監(jiān)管平臺(tái)3部分組成，如圖1所示。控制設(shè)備被安裝在扶梯上，控制扶梯運(yùn)轉(zhuǎn)，并完成扶梯電機(jī)、減速機(jī)、主軸軸承、驅(qū)動(dòng)底座的振動(dòng)數(shù)據(jù)和扶手溫度數(shù)據(jù)的采集，通過(guò)4G無(wú)線(xiàn)通信的方式實(shí)現(xiàn)上發(fā)傳感數(shù)據(jù)和接收云平臺(tái)下發(fā)的控制指令；邊緣計(jì)算終端部署乘搭人員行為識(shí)別算法，判斷當(dāng)前乘搭人員是否出現(xiàn)下蹲、彎腰、跌倒等危險(xiǎn)行為，若識(shí)別到危險(xiǎn)行為則輸出危險(xiǎn)警報(bào)指令至監(jiān)管平臺(tái)。監(jiān)管平臺(tái)接收來(lái)自控制設(shè)備的傳感數(shù)據(jù)信息和識(shí)別設(shè)備輸出的危險(xiǎn)警報(bào)指令，在接收到危險(xiǎn)警報(bào)指令時(shí)及時(shí)下發(fā)命令停止扶梯運(yùn)行。采用按需推流方式，用戶(hù)可根據(jù)需求選擇性控制視頻數(shù)據(jù)的上發(fā)，視頻上發(fā)采用5G無(wú)線(xiàn)通信的方式進(jìn)行，在有需求時(shí)及時(shí)上發(fā)數(shù)據(jù)，無(wú)需求時(shí)關(guān)閉上發(fā)功能以節(jié)約服務(wù)器資源，并提供可視化界面呈現(xiàn)扶梯運(yùn)行狀態(tài)以及傳感數(shù)據(jù)信息，用于后期維護(hù)。該系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了扶梯安防的全方位監(jiān)測(cè)，滿(mǎn)足了安防監(jiān)測(cè)的智能化、實(shí)時(shí)性、集成化監(jiān)管需求，極大程度上節(jié)約了人力資源并且使得監(jiān)管效率顯著提高，自動(dòng)扶梯安全隱患得到有效減少。自動(dòng)扶梯智能監(jiān)測(cè)系統(tǒng)框圖如圖1所示。

1.2 智能扶梯傳感網(wǎng)絡(luò)控制設(shè)備

智能扶梯傳感網(wǎng)絡(luò)控制設(shè)備包括微控制器、4G模塊、電源模塊、驅(qū)動(dòng)模塊、電機(jī)模塊、報(bào)警模塊、顯示模塊、狀態(tài)指示燈、振動(dòng)傳感器、溫度傳感器，如圖2所示。

振動(dòng)傳感器安裝于扶梯電機(jī)、減速機(jī)、主軸軸承和驅(qū)動(dòng)底座，溫度傳感器則安裝在兩側(cè)扶手帶和電機(jī)表面位置。通過(guò)測(cè)量扶梯運(yùn)行時(shí)各部件的振動(dòng)頻率和溫度數(shù)據(jù)，可進(jìn)行故障診斷預(yù)警。以電機(jī)為例，若電機(jī)馬達(dá)旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的振動(dòng)頻率在20.07 Hz時(shí)屬于正常工作狀態(tài)，當(dāng)監(jiān)測(cè)值高于或低于該值10%時(shí)可初步判斷存在機(jī)械運(yùn)行異常和軸承磨損或剝落情況。以?xún)蓚?cè)扶手為例，當(dāng)兩側(cè)扶手溫度超過(guò)50 ℃或與室溫溫差超過(guò)10 ℃時(shí)，判斷扶手帶可能存在安裝過(guò)緊、打滑或斷裂等異常。

4G無(wú)線(xiàn)通信模塊用于控制設(shè)備和云平臺(tái)的信息交互，4G模塊通過(guò)UART接口接收來(lái)自主控制器的傳感數(shù)據(jù)，將數(shù)據(jù)上傳到云平臺(tái)，并接收云平臺(tái)下發(fā)的控制命令，再通過(guò)UART接口下發(fā)到主控制器。

報(bào)警模塊的功能是警告扶梯附近人員存在危險(xiǎn)狀況。當(dāng)云平臺(tái)接收到危險(xiǎn)警報(bào)指令時(shí)觸發(fā)蜂鳴器報(bào)警，報(bào)警模塊主要采用現(xiàn)場(chǎng)聲光報(bào)警。現(xiàn)場(chǎng)聲光報(bào)警模塊由LED燈和蜂鳴器組成，在觸發(fā)報(bào)警模式時(shí)，LED燈閃爍，蜂鳴器發(fā)出蜂鳴聲，以提醒附近的人注意警情、及時(shí)撤離。

1.3 云-邊協(xié)同智能視頻識(shí)別設(shè)備

云-邊協(xié)同智能視頻識(shí)別設(shè)備由Jetson Nano核心板、攝像頭模塊、以太網(wǎng)模塊、HDMI模塊、5G無(wú)線(xiàn)通信模塊、LCD模塊、5 V/12 V電源供電模塊、串口通信模塊等模塊組成，如圖3所示。

本系統(tǒng)將YOLOx-Tiny算法部署于邊緣計(jì)算終端，識(shí)別設(shè)備安裝在安防區(qū)域四周，收集部署在安防區(qū)域四周的攝像頭拍攝到的圖像；將圖像輸入到算法當(dāng)中，采用圖像預(yù)處理技術(shù)對(duì)圖像進(jìn)行加工處理，對(duì)乘客進(jìn)行定位檢測(cè)，提取圖像中乘搭人員的特征信息并輸出預(yù)測(cè)特征圖；對(duì)乘搭人員進(jìn)行狀態(tài)分析，通過(guò)分類(lèi)器進(jìn)行行為分類(lèi)，輸出預(yù)測(cè)結(jié)果，判斷當(dāng)前行人是否出現(xiàn)下蹲、彎腰、跌倒等危險(xiǎn)行為，當(dāng)識(shí)別到危險(xiǎn)行為時(shí)發(fā)出危險(xiǎn)警報(bào)信息至云平臺(tái)。為節(jié)約云平臺(tái)資源，本系統(tǒng)采用按需推流模式，推流開(kāi)關(guān)默認(rèn)關(guān)閉，可人為打開(kāi)，推流開(kāi)關(guān)打開(kāi)時(shí)通過(guò)5G無(wú)線(xiàn)傳輸方式實(shí)時(shí)呈現(xiàn)高清視頻信息。視頻推流只在識(shí)別到危險(xiǎn)行為時(shí)進(jìn)行，安全狀況下推流開(kāi)關(guān)關(guān)閉。

2 平臺(tái)系統(tǒng)驗(yàn)證與分析

為了驗(yàn)證智能扶梯監(jiān)測(cè)系統(tǒng)對(duì)于區(qū)域安防警示的及時(shí)性、有效性，系統(tǒng)在設(shè)計(jì)完成后需經(jīng)過(guò)多方位測(cè)試分析以保證各個(gè)模塊能夠滿(mǎn)足正常工作的性能指標(biāo)，系統(tǒng)整體能滿(mǎn)足安防需求。本文對(duì)系統(tǒng)整體運(yùn)行效果和重點(diǎn)子模塊功能進(jìn)行了仿真測(cè)試，以空載電機(jī)為模擬對(duì)象，對(duì)其實(shí)際效果和相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。

2.1 整體功能測(cè)試分析

系統(tǒng)包括扶梯機(jī)械部件監(jiān)測(cè)和乘搭人員乘搭行為監(jiān)測(cè)兩部分。

智能扶梯傳感網(wǎng)絡(luò)控制設(shè)備如圖4所示。設(shè)備運(yùn)行時(shí)，振動(dòng)傳感器采集電機(jī)驅(qū)動(dòng)底座的振動(dòng)頻率，溫度傳感器采集電機(jī)表面溫度，由4G網(wǎng)絡(luò)模塊完成設(shè)備與云平臺(tái)的數(shù)據(jù)交互。

云-邊協(xié)同智能視頻識(shí)別設(shè)備如圖5所示，通過(guò)攝像頭獲取扶梯乘搭人員的實(shí)時(shí)視頻動(dòng)態(tài)，采用在邊緣計(jì)算設(shè)備部署的YOLOx-Tiny算法模型完成檢測(cè)，當(dāng)識(shí)別到危險(xiǎn)行為后及時(shí)發(fā)出危險(xiǎn)警報(bào)信息至云平臺(tái)。

2.2 各子模塊系統(tǒng)功能測(cè)試分析

2.2.1 控制模塊與傳感器數(shù)據(jù)通信測(cè)試

為滿(mǎn)足系統(tǒng)功能正常運(yùn)行的需求，需保證各模塊傳感器能夠正常獲取數(shù)據(jù)并與控制單元正常通信。本文對(duì)振動(dòng)傳感器和溫度傳感器進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)測(cè)試，并通過(guò)上位機(jī)查看數(shù)據(jù)。對(duì)主控單元獲取的傳感器數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理后，通過(guò)串口通信協(xié)議可在串口調(diào)試助手界面打印出電機(jī)驅(qū)動(dòng)底座的振動(dòng)頻率和溫度，如圖6所示。

2.2.2 控制模塊與云平臺(tái)通信交互測(cè)試

為了驗(yàn)證控制單元與云服務(wù)器之間能否進(jìn)行正常的數(shù)據(jù)交互、指令收發(fā)，本文對(duì)系統(tǒng)4G模塊進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)測(cè)試。4G模塊通過(guò)串口通信接口與單片機(jī)連接，通過(guò)發(fā)送AT命令配置4G模塊的網(wǎng)絡(luò)參數(shù)；采用MQTT協(xié)議，通過(guò)軟件編程代碼實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)交互和通信。本文使用STM32通過(guò)4G模塊發(fā)送MQTT消息到服務(wù)器，檢查服務(wù)器是否接收和處理消息，由此完成測(cè)試。將傳感器采集到的數(shù)據(jù)封裝為MQTT消息，并使用相應(yīng)的函數(shù)發(fā)布到指定的主題，在代碼中實(shí)現(xiàn)訂閱服務(wù)器對(duì)響應(yīng)主題的監(jiān)聽(tīng)功能。通過(guò)MQTT客戶(hù)端工具訂閱服務(wù)器上相應(yīng)的MQTT主題，以驗(yàn)證服務(wù)器是否成功接收到發(fā)布的數(shù)據(jù)。通過(guò)驗(yàn)證測(cè)試得以確定交互通信正常，如圖7所示。

2.2.3 邊緣端乘搭人員識(shí)別及上報(bào)測(cè)試

為了驗(yàn)證系統(tǒng)對(duì)危險(xiǎn)行為識(shí)別的效果，本裝置通過(guò)邊緣計(jì)算設(shè)備外接攝像頭獲取監(jiān)測(cè)場(chǎng)地的實(shí)時(shí)環(huán)境，對(duì)乘搭人員危險(xiǎn)行為的識(shí)別及識(shí)別后做出的響應(yīng)進(jìn)行驗(yàn)證。通過(guò)在邊緣計(jì)算終端部署乘搭人員彎腰、跌倒等危險(xiǎn)行為識(shí)別模型，將攝像頭采集到的視頻數(shù)據(jù)作為模型輸入，由邊緣計(jì)算設(shè)備進(jìn)行模型推理，最后輸出實(shí)際效果圖，如圖8所示。

若識(shí)別到危險(xiǎn)行為則發(fā)送危險(xiǎn)警報(bào)消息至云平臺(tái)，通過(guò)查看云平臺(tái)消息完成測(cè)試。

3 結(jié) 語(yǔ)

本文就自動(dòng)扶梯的監(jiān)測(cè)問(wèn)題進(jìn)行了研究，結(jié)合邊緣計(jì)算、5G和深度學(xué)習(xí)算法，提出了基于邊緣計(jì)算和5G物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)融合的自動(dòng)扶梯監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。系統(tǒng)針對(duì)自動(dòng)扶梯實(shí)時(shí)監(jiān)管難、響應(yīng)不及時(shí)、識(shí)別不夠精準(zhǔn)等問(wèn)題，設(shè)計(jì)了智能扶梯傳感網(wǎng)絡(luò)控制設(shè)備、云-邊協(xié)同智能視頻識(shí)別設(shè)備和自動(dòng)扶梯智能監(jiān)測(cè)平臺(tái)，智能扶梯傳感網(wǎng)絡(luò)控制設(shè)備集成壓力傳感器等采集扶梯數(shù)據(jù)，并通過(guò)無(wú)線(xiàn)通信模塊發(fā)送至數(shù)據(jù)存儲(chǔ)服務(wù)器。云-邊協(xié)同智能視頻識(shí)別設(shè)備則通過(guò)以太網(wǎng)接口外接網(wǎng)絡(luò)攝像頭，實(shí)時(shí)拉取自動(dòng)扶梯視頻流至部署了乘搭人員乘搭行為識(shí)別模型的邊緣端設(shè)備進(jìn)行乘搭行為識(shí)別監(jiān)測(cè)。整個(gè)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)扶梯的全面、實(shí)時(shí)、高效率監(jiān)測(cè)，有效解決了現(xiàn)有自動(dòng)扶梯監(jiān)管方面存在的實(shí)時(shí)監(jiān)管難、效率低、響應(yīng)時(shí)間長(zhǎng)等問(wèn)題。

注：本文通訊作者為包學(xué)才。

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作者簡(jiǎn)介：李 艷（2003—），女，研究方向?yàn)槲锫?lián)網(wǎng)技術(shù)、軟件系統(tǒng)開(kāi)發(fā)等。

包學(xué)才（1983—），男，研究方向?yàn)槲锫?lián)網(wǎng)技術(shù)、無(wú)線(xiàn)通信技術(shù)等。

收稿日期：2023-11-01 修回日期：2023-12-04

基金項(xiàng)目：江西省大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計(jì)劃項(xiàng)目（s202311319021）資助