电梯高质量发展及其检测技术创新探析

邬栋

关键词：电梯，智能化，检测，高质量发展

0 引言

电梯是一种服务于建筑内部或外部若干个特定楼层，且轿厢的运行方向限制在两条或两条以上的垂直于水平面方向上的导轨的永久性运输设备[1-2]。一般以电动机作为动力源。一台垂直升降电梯一般装有一个轿厢，用来在若干个楼层之间来回运送乘客或者货物等。

“电梯”这一事物为人类所用已经一百五十余年了。最初的电梯使用的还是人力或畜力，那时电梯只能成为升降梯。而且并没有设置安全装置，直到1854年纽约的水晶宫举行了世界博览会，在世博会上一个美国人向世人展示了他的发明——安全钳。这个人就是后来被誉为电梯之父的伊莱沙·格雷夫斯·奥的斯。

电梯的重要性已不言而喻，尤其伴随中国经济的快速腾飞，社会化水平和百姓生活水平的提高，电梯作为住宅楼、写字楼等楼宇内的垂直运输工具，已经像其他交通工具一样，越来越成为我们日常生活中一个不可或缺的组成部分。本文通过对电梯的发展历史、发展现状、发展趋势的综合阐述，探讨了电梯检测技术的创新发展，以期为未来高质量发展的电梯及更智能化的检测技术提供借鉴参考，共同为我们人类创造一个更加稳定、更加安全、更加舒适的生活空间。

1 电梯的发展历史

人类利用升降工具运输货物、人员的历史非常悠久。早在公元前2600年，埃及人在建造金字塔时就使用了最原始的升降系统，这套系统的基本原理至今仍无变化，即一个平衡物下降的同时，负载平台上升。

电梯作为升降设备，其起源可以追溯到公元前1000多年前我国劳动人民发明的辘轳：一种由木制或竹制的支架、卷筒、曲柄和绳索组成的卷筒式卷扬机。

早期的升降工具基本以人力为动力。1203年，在法国海岸边的一个修道院里安装了一台以驴子为动力的起重机，这才结束了用人力运送重物的历史。

电梯在公元1765年瓦特发明蒸汽机，世界开始了第一次工业革命，那时世界进入了蒸汽时代，蒸汽机成为了极其重要的原动机。然而直到1835年蒸汽机才逐渐取代人力或者畜力正式成为升降工具的动力来源。然而当时的升降机大多使用卷筒做拉升，棉麻绳做牵引，由于没有保护机制，时常有断绳坠落事故发生，所以很少用来载人。

直到1852年，电梯之父伊莱沙·格雷夫斯·奥的斯发明了一种安全钳，使升降梯的牵引绳即使断裂，也能保证轿厢内的人安然无恙。这种安全钳会把轿厢锁死在导轨上，从而防止轿厢继续下坠。

随后在1853年，奥的斯办起了自己的车间，传奇的奥的斯电梯公司从此诞生。在1854年的纽约世博会上，奥的斯完美地展示了他所发明的安全钳。从此，升降梯便有了防坠落方面的保证，为此后电梯的发展奠定了基础。

1887年，奥的斯电梯公司制造出了世界上第一臺名副其实的电梯，该公司创造性地使用了电动机作为电梯的的动力源，通过涡轮减速器带动卷筒上的牵引绳对轿厢进行升降。到了1889年该公司又推出了世界上第一部以直流电动机位动力的升降机。1900年，该公司又研制出交流感应电动机驱动电梯。

1903年后，奥的斯公司又将电梯的传动方式从鼓轮式改进为曳引式。曳引式电机比鼓轮式电机的体积小得多，而且曳引式电机比鼓轮式电机有更高的通用性和安全性。

1967年晶闸管用于电梯，研制出了交流调压调速电梯。到了1984年，日本将变频调速系统应用于2 m /s以上的电梯。在控制方面，微机全面取代继电器，实现闭环控制，进一步提高了电梯性能和可靠性。

2 电梯的发展现状

现代电梯在技术方面的发展速度可以说是日新月异，在电机电梯问世四十余年的时间里，已经发展出几十种类型，根据不同的用途可以分为乘客型电梯、载货型电梯、医用梯、杂物梯、观光梯、车辆用电梯、船舶用电梯，甚至有建筑施工专用电梯和其他特殊用途的电梯。如果根据电梯驱动方式又可以分为：液压式、曳引式、齿轮齿条式和螺杆式。还可以根据电梯的运行速度分为低速梯、中速梯和高速梯，如今高速梯的发展则十分受人瞩目。另外根据是否有电梯司机可以分为有司梯和无司梯，但是随着社会节奏的加快，大部分有司梯也被无司梯所取代。本文中所设计的电梯属于乘客型、交流、低速、曳引式、无司电梯。

因为电梯具有多种无与伦比的功能，使得电梯在当今世界有着无比巨大的市场。如今我国已经是全球电梯保有量最多的国家，同时也是全球最大的电梯制造国。2020年我国电梯产量约为一百零五万台，电梯保有量高达八百万台。根据KONE公布数据显示，全球新装电梯需求量最大的国家为中国，占世界电梯新装量总数的比重约为63%，为世界最大的电梯市场。排名第二的是欧洲、中东及非洲地区，占比约为19%；南亚、印度及澳大利亚的新装电梯占比约为8%。而北美地区及南美地区对新装电梯的需求量相对较少，分别仅占3%和2%。

2022年9月，“2022全球电梯制造商10强”排行榜正式发布，全球领先电梯制造商中，有4家来自欧美，分别为奥的斯、迅达、通力、蒂森克虏伯电梯；4家来自日本，分别是三菱、日立、富士达、东芝；1家韩国企业，为现代电梯，1家中国企业，为康力电梯。其中占比最大的为奥的斯，为17%。

3 电梯的发展趋势

未来，在“中国制造2025”的推动下，智能化将成为电梯企业转型改革的大方向。除了促进电梯制造技术的升级外，通过融入云计算、物联网、大数据等新一代信息技术也将成为提高电梯智能化水平的重要途径[3]，未来电梯的发展趋势如下。

3.1 电梯群控系统智能化趋势

在21世纪，电力电子器件进入第四代——智能化时代。如果把电梯群控系统与智能化相结合，将会使电梯的能耗进一步降低，以达到电梯资源的高效合理运用的目的。

3.2 超高速电梯发展趋势

当今社会发展无比迅速，甚至可以说是日新月异。于此同时，社会的节奏也越来越快。世界上出现了越来越多的摩天大楼，有些大楼高达上百米，此时传统的低速电梯显然跟不上新时代高楼的运输需求。高速电梯必将会在高楼林立的现代都市中大放异彩。

3.3 新型材料的应用趋势

现如今的大多数电梯仍然存在着占用空间大，轿厢重量过高的问题。如果电梯发生故障，这些都会成为阻碍维修进度的因素。因此新型材料在电梯上的应用必不可少，甚至是非常迫切需要的。

3.4 绿色电梯趋势

在当今“绿水青山就是金山银山”的时代大背景下，电梯也需要做到低碳绿色环保。在很多老旧小区安装的电梯依然是老式的高耗电电梯，如果改用永磁同步无齿轮曳引电机将会大幅度减少用电消耗量，以达到绿色节能目的。

3.5 电梯安全透明化趋势

随着智能电梯的不断发展，在电梯中安装物联网传感装置，使用统一的数据监测系统，让乘客可以更加便捷高效地使用自动报警、一键呼救、指定楼层运行等功能，有效地提升电梯安全性能和处理故障的能力。对于物业和维保公司来讲，这样的好处还有，可以实时监测电梯运行状况、电梯故障实时报警、预测性维护等，精准掌握电梯的运行，为电梯安全保驾护航。

3.6 电梯效率节能化趋势

在未来，智能电梯将通过大数据、云计算等新技术，实时智能联网控制分析，如商务楼的电梯，在上下班高峰和不同的时段，根据人流量来自动调整派梯的数量和频次，让电梯的调度更加精准。从而提升乘梯者的使用体验，提升电梯的节能效率。

3.7 电梯使用便捷化、安全化趋势

抛开电梯安全和便捷谈未来电梯，是不切实际的。有统计数据显示，乘客关注的电梯功能中排名前三的是：电梯故障报警、自动报警、缩短等待时间。可见大家普遍对电梯的安全和便捷性抱有很高的期望值。这就对新技术加持下的电梯行业提升了更高的要求，如何实现电梯安全、便捷、舒适、智能等方面的实际功能落地，更加关注用户在实际使用电梯中的感受，必然成为未来电梯的主要趋势之一。

3.8 全生命周期管理趋势

电梯从设计、制造再到交付使用，涉及到环节之多，参与者之众是这个行业的基本特点。在这些环节中，不同参与者对于电梯的诉求也不尽相同。这就导致了各个环节都有各自的管理方式和管理系统，从而使得各个环节中的信息流通速度缓慢、自动化程度提不上去。未来，通过数据化、智能化的加持，使用统一的数据架构，打通电梯设计、生产、销售、安装、使用、运维等环节，实现真正的资源协同、资源协同和电梯的全生命周期管理。

3.9 智能楼宇一体化趋势

随着智慧城市和智慧建筑的政策支持和落地，智能电梯与智能楼宇一体化的趋势也愈发明显。在智能楼宇中，涉及到数十个子系统且设备种类繁多，其中包含空调系统、电梯系统、照明系统、给水系统等，不同的子系统之间通过楼宇的自动系统相互连接，从而实现信息的交互。从智能电梯的角度看，其数据不仅可以同于电梯管理平台中，还可以跟建筑中的楼控系统连接，实现一体化的功能，达到智能建筑的全自动化。

4 电梯检测技术的创新发展

随着电梯智能化的发展，电梯检测技术也势必要跟上脚步，保障电梯安全运行。传统电梯检测方法主要借助铅垂线与线规进行分段检测，或者通过光学检测仪器对检测精度进行提高。但这些检测手段既耗费人力又存在人为误差，这使得检测精度存在一定的降低，尤其检测高层建筑电梯导轨时，需实时手动调整高空仪器位置，危险极大。文献设计了一种通过倾角传感器完成对电梯导轨进行快速检测的檢测装置，这种检测方法虽然能快速完成对垂直度的检测，但这仍属于分段式检测，上个检测点的检测结果对当前的检测影响较大，导致误差积累且无法实现对电梯导轨各位置的状态连续显示。机器视觉及光学仪器的快速发展，使得有的研究单位通过经纬仪、光学传感器、机器视觉等方法来实现对导轨的连续检测，但是就目前的研究来看，这些方法还不太成熟，其会受到检测装置的影响，无法实时快速完成对检测位置的调整，运动过程也经常会给检测带来不确定的干扰，导致对长距离导轨的检测效率和精度跟不上现在电梯的高质量发展，未来可通过人工智能算法进一步提高电梯的检测技术，本文将对可用于电梯检测的YOLOv5算法进行一个简单的介绍。

4.1 改进YOLOv5的电梯损伤检测算法

选取Ultralytics5.0版本的YOLOv5算法模型作为电梯损伤检测算法。在其基础上进行改进，改进算法的核心思想是利用注意力机制和上下文信息，在保证模型原有框架的前提下，通过增删所提出的网络模块，尽可能挖掘小目标密集区域的特征信息，减少电梯复杂背景噪声干扰，提高检测精度。具体的算法改进如下：

（1）在检测网络中增加小目标检测层；

（2）将主干网络末端的空间金字塔池化（SpatialPyramid Pooling，SPP）去掉，再将主干网络末端得到的特征图经过特征增强模块FEM，连接至特征金字塔网络中的特征融合部分；

（3）在检测头前加入前景感知模块FAM，并将主干网络末端得到的特征图作为前景连接到该模块。

4.2 增加小目标检测层

在原检测网络中增加160×160的特征层，将在主干特征提取网络进行下采样后得到的特征层，与其余特征层通过上采样特征匹配后进行特征融合，得到更丰富的语义信息。再将该特征层进行下采样传递，输出160×160的特征层进行预测，这样可以使特征预测网络更加细致，对电梯的检测范围更广泛。

4.3 基于空洞卷积和注意力机制的特征增强模块

将基于空洞卷积和注意力机制的特征增强模块FEM加入到特征融合的过程中，先将多尺度的空洞卷积采样后经池化的操作替代原有SPP中多尺度的池化，再将其与混合注意力机制相结合，在通道和空间维度上对不同尺度特征图分配注意力权重，动态地改变原有固定特征权重分配方式，在降低噪声干扰的同时增强模型对电梯特征信息的提取能力。

4.4 前景感知模块

因为电梯井的背景一般较为复杂，为了在复杂背景下增强网络对被测目标的检测能力，可以加入前景感知模块FAM，先明确前景与背景的关系，并利用潜在背景嵌入与前景特征进行关联。然后利用该权重对输入特征图进行增强，增加前景特征与背景特征之间的差异，从而提高前景特征的识别能力。

虽然利用智能算法、机器视觉对电梯进行检测目前还存在一定的缺陷，但是这些缺陷是可以通过其他技术进行补偿，因此通过机器视觉完成对电梯的检测是必然的发展趋势。机器视觉技术处理速度快、信息量大，已经广泛应用于图像识别、检测、视觉定位等各领域。未来电梯的检测技术也将会朝着机器视觉的检测方向发展，配合人工蜂群算法选取合适的阈值和调节参数对机器视觉采集的图像进行全方位的去噪；然后再通过深度学习算法具备的很强学习能力提高检测精准度以及完成对电梯实时快速准确识别。

5 结语

电梯已然成为了一种现代社会必不可少的基础设施，在日常生活中发挥着越来越重要的作用。电梯的各种技术也日趋成熟，相信随着电梯技术的发展，高速高效、智能化、绿色化的电梯一定能为人类提供更好的服务，无齿轮、无机房、电磁兼容性、远程监控等技术将更好地应用于电梯中，为人类提供更智能化的便捷。电梯检测同样会朝着更智能的方向发展，智能算法、机器视觉方法会更好地运用于电梯检测，再通过各种算法加深度学习的配合，相信电梯的检测技术会同电梯的高质量发展同步前进，为人类创造一个更加稳定、更加安全、更加舒适的生活空间。