自动扶梯智能安防系统的设计

2020-03-03

机械制造 2020年2期

广东省特种设备检测研究院东莞检测院广东东莞 523120

1 设计背景

自动扶梯是各大商场、车站和机场等人员密集场所的重要交通工具,具有使用频率高、能连续循环输送客流等特点。公共交通型自动扶梯经常出现人员满载、拥挤等状况,运行过程中存在诸多安全隐患,加上乘客乘坐自动扶梯时的不安全行为,导致自动扶梯频繁发生剪切、摔倒、坠落、夹伤等死伤事故。

据统计,自动扶梯事故占电梯事故的30%,多发生于商场、车站等人员密集的场所。其中,缝隙绞挤割切占40.3%,踏板塌陷缠绕占5.0%,整体骤停溜车、逆行占10.5%,梯面跌倒占30.8%,头颈肢体卡碰占4.2%,坠落占9.2%。大部分事故是由乘客的不安全行为导致的。针对这一情况,笔者设计了一套主动识别乘客乘坐扶梯不安全行为的自动扶梯智能安防系统,可大幅提高自动扶梯的智能化水平,减少管控和维修等成本，降低对乘客的二次伤害，非常有现实意义。

2 研究现状

一直以来,自动扶梯的安全问题受到全世界的广泛关注,新技术、新工艺的不断研发,使自动扶梯的安全性能不断提高。但是，在现代化进程中，自动扶梯所面临的是超高使用频率和大承载量的使用环境,加上大量在用的使用年限超过15 a的老旧扶梯,其技术水平已经远远落后于现有的标准和安全技术规范的要求,乘客的乘梯安全不容小觑。

欧美等都制定了防范自动扶梯安全事故的措施。美国对于自动扶梯的施工要求非常严格,规定了自动扶梯安全的主体责任,认定第一责任人,如果发生安全事故,有关责任人可能面临严重的法律惩罚。德国对于自动扶梯的日常维护保养有着严格规定,自动扶梯的技术标准必须达到欧洲标准,零部件到了使用年限必须更换,如果发现原有设计存在安全隐患,必须及时升级。日本则注重乘梯安全方面的宣传,消费者厅、电扶梯协会和生产厂商等大力普及乘梯知识,各铁道公司、商业设施、机场和电扶梯协会等联名推出抓紧扶手的宣传,呼吁乘客安全乘梯。

国内学者在自动扶梯安全与节能运行方面进行了大量研究。王睿[1]将红外光电传感器作为采集自动扶梯运行信号的基本工具,在自动扶梯的梳齿板、踏板上增设一定数量的通孔,踏板的两侧位置分别设置红外光电信号的发射设备和接收设备。当自动扶梯的踏板与梳齿板发生接触时,预警系统迅速识别二者之间的异物,并传输到报警装置,对自动扶梯上的乘客进行报警,并立即停止自动扶梯运行。这一做法只是对梳齿板夹伤事故的预判,只有当自动扶梯踏板与梳齿板发生接触时才动作。如果在自动扶梯运行中段出现夹伤事故，那么无法有效预警,而且存在继电器动作延时、红外光电设备误动作等不足,有待进一步改进。王瑞升等[2]通过运用安全运行监控技术,对维保过程、自动扶梯故障、易损件及故障率进行实时监控记录,并对数据进行统计分析,提高了事故及故障应急救援率,解决了人员配备不足的问题,但是并没有对自动扶梯上发生的事故作出主动判别,无法第一时间给出保护乘客安全的有效措施。李欣等[3]进行了自动扶梯在线监测与智能诊断系统的功能设计和研究,但这一系统只是针对自动扶梯本身的运行故障进行预判与预警。曾东明[4]将基于ARM+GPU的TK1嵌入式平台作为硬件平台,基于OpenCV开源视觉库进行算法设计,利用Qt跨平台图形界面库进行界面设计,设计了自动扶梯智能视频监控系统,通过对自动扶梯口的乘客进行监控与跟踪,实现客流统计和乘客滞留等监测,对可能造成安全事故的隐患进行监测并提醒,保障乘客顺畅、安全通行。这一系统现在处于实验室研制阶段,还未投入使用。汤一平等[5]利用机器视觉技术对自动扶梯上有无乘客进行检测,生成控制信号,通过电梯可编程序控制器模块控制自动扶梯的运转与停止,实现自动扶梯的有效节能。

此外,对人体摔倒检测方面的研究表明,安装在老年人身体上的摔倒检测装置,属于被动防护装置,无法起到主动安全防护的作用[6-10]。

3 功能和结构

自动扶梯智能安防系统可实现以下功能:

(1) 利用摄像头实时采集自动扶梯运行区域的视频记录,并应用人工智能(AI)和机器视觉[11-13],主动识别判断自动扶梯上乘客的危险行为,如逆行、奔跑、攀爬扶手带、肢体伸出运行区域、出入口滞留等；主动识别危险状态，如乘客或货物在自动扶梯上跌倒、挤压等；

(2) 当系统识别出发生在自动扶梯上的危险行为时,第一时间向自动扶梯发出控制信号,根据实际情况控制自动扶梯的速度或者关停自动扶梯,并通过无线数据接口将情况发送至相关人员；

(3) 自动感知自动扶梯乘客流量的大小,根据不同工况设置相应阈值,智能控制自动扶梯的启停和速度；

(4) 对出现的危险状况能够及时提供保护措施,如采用安全气囊、安全绳等软防护措施，以保护乘客免受二次伤害；

(5) 在自动扶梯正常运行过程中识别到危险状况或者不安全行为时，有针对性地播报语音警示提醒。

针对自动扶梯智能安防系统的功能,设计了系统平台总体结构，如图1所示。

▲图1 自动扶梯智能安防系统平台总体结构

由图1可知，这一系统主要由数据源、数据处理层、业务处理层、用户终端四部分组成。数据源即为采集到的音频、视频。数据处理层主要由工控计算机、服务器、研判软件及视频数据存储器等组成,是整个系统的核心部分。存储器主要对自动扶梯事故、故障视频信息进行存储,方便监察部门、检验机构、维保单位进行检查,查询故障原因等,该部分需要专门的授权才可以查看,且不能执行删除操作。业务处理层包括指令动作输出、实时查询、使用日志记录等。指令动作输出部分是整个系统的执行部分,执行控制系统对现场危险状况分析之后发出的指令,有声光报警、语音警示、自动停梯及附加防护手段等，可在第一时间采取保护措施和人员安抚措施,指导现场人员实施紧急救护,避免对乘客的进一步伤害。能否及时、有效地执行控制系统的指令，是整个安防系统中最重要的一环。自动扶梯智能安防系统还配备了备用电源,即便在发生停电故障的情况下,依然可以保证视频存储和保护动作的有效性。

4 工作过程

安装于自动扶梯上下出入口或运行区域正上方的摄像头,进行24 h不间断视频数据采集,并存储于网络硬盘录像机。同时,将视频数据打包成标准的数据包,按照实时传输协议,将实时视频、音频通过视频监控专网发送到系统主机,进行智能识别。

当发生危险状况时,智能安防系统会在第一时间采取紧急措施,并利用先进的5G通信技术进行数据传输。采用5G通信技术进行数据传输具有效率高、延迟短、节能、系统容量大和支持大规模设备连接等优点,可以将现场情况实时、瞬间同步传送给监管部门、检验机构、附近维保人员,及时采取救援措施并掌握事态的进展,还可根据实际需求,将权限开放给其他必要人员。智能安防系统的基本框架结构如图2所示。

▲图2 智能安防系统基本框架结构

5 关键因素分析

5.1 视频数据采集

视频数据的采集主要包括视频收集、数据转换、数据传输、数据整理四个阶段。视频收集阶段利用摄像头对自动扶梯运行区域上下口及乘客进行视频数据采集,这也是智能安防系统数据的源头,最终数据处理分析的优劣,与视频收集阶段的视频质量有着必然联系。数据转换和传输阶段主要完成视频的电信号和数字化编码转换,并采用光纤或者5G传输技术进行加密传输。数据整理阶段主要完成对视频数据的解码、储存，对完成系统分析后的视频进行二次预处理,为下一步智能化分析提供数据基础。

5.2 数据处理系统

利用工控计算机作为系统前端,开发运行于工控计算机的图像获取及识别软件。通过摄像头采集自动扶梯乘客图像,利用深度学习技术分割出乘客图像,并利用拉东变换和表决原理中参数估计技术的霍夫变换分割出自动扶梯边缘图像。对于区域边界被噪声干扰或被其它目标遮盖而引起边界发生某些剪短的情况,具有很好的容错性和鲁棒性。根据乘客在自动扶梯区域内的密度、乘客所在自动扶梯内的位置及乘客的姿态动作进行研判，若研判软件认为乘客有危险动作,则按照危险情况等级，控制声光报警装置对乘客进行警告。若危险等级高,则自动发出控制信号,立即减速或关停自动扶梯。

利用云平台技术具有安全可靠传输，稳定、海量存储，数据管理可视化及成本低等特性,搭建服务器并开发后端软件。后端软件能够自动接收由工控计算机发送的自动扶梯运行数据,并对其进行自动存储及解析。利用JBoss技术进行后端软件的开发，并利用Hadoop架构在数据提取、变形和加载方面的天然优势，自动对运行数据进行研判。当发现有危险数据时,利用在线短信技术及长连接技术,自动提示智能安防系统的各级监管人员。

5.3 系统测试过程潜在风险源

由于自动扶梯智能安防系统测试对象为乘客,因此在测试过程中参与测试的人员有潜在的伤亡风险。风险防范措施包括对智能安防系统开发进行充分的空载测试，以及黑盒、白盒测试。利用已有的自动扶梯运行视频进行机器视觉软件测试,并利用假人、机器人等拟人物体进行仿真测试,提高系统的稳定性和可靠性,避免测试危险的发生。

5.4 运行故障和安全事故数据库

随着自动扶梯投入使用年限的延长,难免发生设备故障,自动扶梯安全事故也会逐渐增多。当前,由于技术的不断革新，自动扶梯的制造质量已经显著提高,自动扶梯事故产生的原因主要集中在维护保养不当和乘客乘梯时的不安全行为。自动扶梯的维护保养不规范、不到位,使设备带病运行,加上乘客的不安全乘梯行为,大幅增加了自动扶梯故障和安全事故的发生。发生故障的第一时间需要实施手动紧急救援,之后需要对设备进行逐项检查才能找到原因,整个过程耗时较长，而且对于安全事故责任划分缺少直接有力的证据证明。通过建立自动扶梯运行故障和安全事故数据库,可对发生的故障和安全事故进行归类统计，同时进行智能分析，给维护保养人员提供重点维护保养项目清单,根据给出的数据进行分类,按需维保，并对多发的乘客不安全行为进行重点警示。

5.5 远程客户端

利用安卓平台进行客户端开发,应用Java语言编写应用程序。本着安全、简洁、高效的原则,进行前期市场调研、原型设计、UI设计，以及APP开发和调试,试制出模型样机。监控人员可利用客户端实时监控自动扶梯运行状况，并对其进行控制。同时,当检测到有危险行为时,自动通过客户端向监控人员进行危险信息推送。在此基础上，利用全新的Android开发环境Android Studio及Android SDK进行安卓端软件的开发,并通过Java原生接口技术对其运行速度进行优化,节省程序运行时间,保证以最短的时间将信息推送至各级监控人员。通过对业务流程进行控制,保证监控人员对设备运行危险情况处理完毕并确认安全后，才能终止警报信息的推送。

6 模拟运行测试

6.1 系统软件模拟

在客户端APP上完成用户实名注册,通过自动扶梯产权单位的审核后即可登录,但部分功能会被限制使用。产权单位将自动扶梯的基本信息逐一上传到自动扶梯智能安防系统数据库作为原始数据,监管部门对原始数据进行审核确认后形成最终数据,并且不能再次修改。APP客户端功能有实时监控观看、历史记录查询、险情推送、在线对话、一键报警、一键防护、设备信息查询、定位、广告推送等。

通过手机APP可以实时接收自动扶梯智能安防系统识别出的危险状况推送信息,并可以通过电梯实况选项查看扶梯的实时情况,若未有人员到达,可以按下一键报警按钮,智能安防系统将根据周围人员情况,将险情推送给附近维保人员、巡逻人员,必要时同时推送给公安、消防、急救等单位,让救援工作同时进行。所有的操作仅仅是首次操作有效,后续人员不需要再次进行操作,避免重复报警造成资源浪费。还可以通过历史查看选项，查阅处理过的事故情况。经过多次模拟测试,通过手机APP可以实现救援处理的功能,服务器、APP响应时间不长于500 ms,基本能达到设计要求。图3为手机APP主界面。

6.2 现场模拟测试

在某商场对自动扶梯智能安防系统进行测试,选取几种典型的危险乘梯视频进行测试判别,对乘客的危险行为,如逆行、奔跑、攀爬扶手带、肢体伸出运行区域、出入口滞留等识别率高达90%。对乘客或货物在自动扶梯上跌倒、挤压等危险状态的技术识别率达到85%以上。上述识别率的差异主要在于危险行为的背景对比度,当乘客处于危险状态时,多数是比较混乱的场合,识别率会有所降低。

7 结束语

运用AI技术设计的自动扶梯智能安防系统,综合运用了5G技术、视频数据采集技术、Android客户端开发技术、云平台技术、数据库技术等，提高了自动扶梯运行过程中的主动安全防护性能,降低了乘坐风险和事故发生率,有效地改善了设备使用管理单位安全管理的智能化水平，有利于设备监管部门更直观地掌握自动扶梯运行安全状况,发现存在的危险源,合理做好风险防范措施,进一步加强市场监管部门风险防控和隐患治理能力。