电梯梯内体积估算设计方法探索

赵迎吉，胡少华，黄丽萍，盛梅，廖伶元

（1.南华大学核科学技术学院；2.南华大学语言文学学院，湖南 衡阳 421001）

1 背景

电梯作为人们日常上下楼的代步工具已经让我们无法脱离它的存在，特别是现代社会高楼的增多，电梯的使用显得尤为重要。在人流高峰期，有限的电梯数量使得其输运能力面临着巨大压力，如某高楼公司员工上下班期间，乘客的突然增多使得平时的一两台电梯根本满足不了乘客对电梯的需求，造成很大部分乘客时间的浪费以及引起乘客们的抱怨，这个时候我们就只能通过提高电梯的运输效率来缓解乘客陡增所造成的运输压力，尽最大限度地节约乘客的候梯乘梯时间，减少他们的抱怨。

电梯市场是巨大的。自改革开放以来，随着经济建设的持续高速发展，一座座高楼的拔地而起，我国电梯需求量日益增大，总趋势呈上升状态，目前进入了“第三次浪潮”，2004年总产量超过了8万台，且目前仍没有减速的迹象。过去数年间，国内电梯保有量迅速增加，2016年全国电梯保有量已经达到493.69万台，同比增长15.90%。在庞大的电梯数量下，技术的优化在提高电梯运输效率的同时，也能有效减少能源的消耗；而且电梯的技术优化能很大程度上提高电梯产品竞争力。

2 设计思路

2.1 电梯梯内体积估算技术设计

在设计电梯梯内体积估算功能之前必须要了解到这一背景前提。电梯的控制箱是控制电梯运行的核心，如果能够改变电梯梯外呼梯按钮到达控制柜的信息，将可以达到控制开门的目的，其具体的结构如图1所示。

在正常的情况下，电梯是否处于拥挤状态可由梯内物体最大的水平横截面大小来判断（即对电梯的不同高度进行水平断层，所得的横截面中取最大即为最大水平横截面）。由于乘客有携带物品等复杂情况的可能性，电梯内体积的估算不能简单地通过质量来计算。最大横截面方法的采取能够有效地解决这个问题。将梯内物体所占据的最大横截面作为估算的信息，即只需要对最大横截面进行估算即可达到对梯内拥挤程度的估算。

梯内物体最大的水平横截面大小估算可由太阳能电池板来完成。在电梯顶部的光照下，电梯底部将呈现顶部光对梯内物体的垂直照射阴影，即形成一定的已被削弱的光照强度。通过太阳能电池板接收光强来形成相应的电压信号，电压信号的形成就可以间接地成为电梯梯内拥挤程度的估算依据。接下来只需要对电压信号进行一定的电路运算处理就可以达到电梯梯内体积估算功能。

在设计方面可以再次简化。电梯光照强度能够传递拥挤程度信号。这种拥挤程度从“不拥挤”状态到“非常拥挤”状态是一个关于光照强度的连续函数。假设只设计电梯有“不拥挤”和“拥挤”2种状态，电梯内只需要设计1个信号阈值就可以判断电梯梯内是否处于“拥挤”状态，也即无需引入复杂的函数电路就可完成电路对梯内状态的判断。

将梯外的呼梯信号与估算信号通过门电路判断，控制电梯门的开与关。假设将开门信号（A）设置为“1”，关门信号设置为“0”，电梯估算信号（B）“拥挤”状态设置为“0”，“不拥挤”状态设置为“1”(拥挤时电信号弱，设置为“1”合理).表1为呼梯信号、体积估算信号和开关门信号（F）分析表格（A和B共同影响决定F）：

图1 电梯的基本结构

表1 呼梯信号与体积估算信号分析真值表

门电路输出信号方程F=AB,其中F为电路输出信号，A为呼梯信号，B为体积估算信号。根据信号方程F=AB，可设计体积信号与呼梯信号电路。将电梯梯内体积估算装置安装在电梯底部即可实现该功能。

2.2 材料选择

材料选择必须考虑到电梯梯内弱光环境也能产生感应信号的情况。在这里选择的是非晶硅太阳能电池板。非晶硅又称无定型硅。单质硅的一种形态。化学性质比晶体硅活泼。工艺过程大大简化，硅材料消耗很少，电耗更低，它的主要优点是在弱光条件也能发电。由于光吸收系数高，暗电导很低，这就是适合制作室内用的微低功耗电源的主要原因。人眼对光线的感应波段在400～700nm之间。非晶硅对光线的感应波段恰好也是这一区间，与电梯内环境十分相似，选用此材料是十分合理的。非晶硅中电子在电场作用下就可以产生电流，并不需要声子的帮忙，因而非晶硅做得非常薄，还有制作成本低的特点。

同时，考虑到太阳能电池板的使用寿命，我们还需要采用透光率极高、具有优良的耐候性以及抗老化性的亚克力板和透明性能好的环氧树脂作为保护材料来对其起保护以及美化作用。

2.3 寿命

在讨论本技术产品寿命时，首先了解一下其它领域非晶硅相关产品的信息。太阳能电池板的寿命取决于它是如何封装的。太阳能电池板可分为钢化玻璃层压封装的、PET层压封装的、滴胶封装的。太阳能电池板的材料决定了使用寿命，一般来说的钢化玻璃层压封装的太阳能电池板寿命为25年，PET层压封装的太阳能电池板寿命为5～8年，滴胶封装的太阳能电池板寿命为2～3年。长期在弱光环境下，加上保护性材料的保护作用，能有效延长寿命。保守估计，本产品保质寿命至少两年。正常情况下，电梯的维修周期大概为2个月，寿命期内即使出现故障也能及时发现并解决，进一步保障电梯使用寿命。

3 阈值设定及电子元件选择

不同的场所，人对拥挤的接受程度不一样。在电梯中可以设置“多状态档位”，“多状态档位”的设计更能够应付多种类型的场合。根据拥挤程度所对应的电压信号反推电器元件的参数，即可获得电路设计的基本参数。图2为 “多状态”档位设计图，图中“1、2、3”代表3个不同的档位，“A、B、C”代表3个档位所匹配的三种参数的门电路。

4 电梯梯内质量对体积识别功能的功能修正

电梯梯内体积识别功能是通过判断梯内光照在梯内底部形成阴影部分所占比例来实现的，难免会出现梯内底面全部被遮住但是梯内不处于拥挤状态的误区。例如“调皮小孩”盖住梯内底部便可能造成体积估算功能的误判。此时需要联合电梯梯内质量估算功能，判断是否存在状态的误判。此处的电梯梯内质量估算功能通过电梯原有的电梯称重装置实现。电梯内超重保护装置本身具有称重的功能，并且能够输出从最小重量到最大重量相对应的电信号。只需要对输出信号进行识别即可对梯内质量情况进行估算。超重装置对重量识别的输出信号随着重量增大而减少，所以可设置某较低信号为质量估算的满载阈值。将体积信号与质量信号通过判断电路即可完成对体积估算功能的修正。类似表1设计思想可得输出方程为F=CD（其中F为电路输出信号，C为体积估算信号，D为质量估算信号。无论是质量信号还是体积信号，处于满载情况时他们输出的电信号均为最小，即可认为逻辑数字0。0为“满载”不打开电梯门，1为“未满载”可打开电梯门，此设计符合正常逻辑）。并且，拥挤的程度可通过每一层的梯外呼梯按钮显示器显示，一定程度上能够给梯外乘客上下楼方式提供参考价值。例如,在拥挤状态下，低楼层的乘客可以选择走楼梯。

5 结语

此次技术改装在保证了电梯本身固有的安全性能这一前提下，通过影响呼梯按钮信号间接对开关门进行控制。另外，若梯外呼梯按钮显示器中显示此时梯内为拥挤状态，乘客能够及时的改变上下楼方式。此装置设计思想比较简单，完成此次改装成本较低，技术难度不大，能够容易迎合市场的需求，增加生产商产品的竞争力。在最近的市场调查中，我们发现有些地方电梯底部存在铺地毯的情况。倘若梯内铺上地毯将使此技术失效。其实，这是不用担心的问题。（1）电梯梯内地毯的应用一般处于高档场所，例如高级酒店和会议室等场所。电梯梯内地毯的应用只属于电梯的市场的一小部分，即基本上不影响此技术的推广；（2）此技术是一种电梯运输方面的优化技术，并且成本较低，若此技术在某些场合不太适应可以直接关闭它，不会影响电梯其他功能的使用。综合考虑，此技术成本低，能够有效提高电梯运行效率，能够达到节能减排的效果，能够在广阔的市场中得到良好的肯定。