基于传感器信息融合的自动扶梯电机运行监控技术

施宝海

（海南省锅炉压力容器与特种设备检验所，海南海口 570203）

0 引言

近年来，我国城市管理部门对公交式自动扶梯的需求越来越大，通过对行人过街天桥、行人隧道根据过街需求、自动扶梯使用效率等市场调研数据进行统计，结合自动扶梯运行中的多种影响因素，进行了市场内现有自动扶梯的优化设计和改装[1]。自动扶梯为人们的出行带来了便利，也不可避免的存在着一定安全隐患。由于自动扶梯管理员的管理技术水平存在差异，以及公众的安全意识不高，自动扶梯的故障率较高，自动扶梯碰撞、滑倒等安全事故的数量呈现逐年增加的趋势。

为降低由于自动扶梯故障造成的安全事故，对自动扶梯的运行进行分析，发现超过80%的故障都是由于自动扶梯电机异常运行导致的。电机是自动扶梯系统的主要构成部分，也是驱动自动扶梯运行的核心构件[2]。为提高自动扶梯运行的稳定性与可靠性，有关单位提出了多种可用于监控自动扶梯电机的方法，但根据自动扶梯运营管理方反馈的数据可知，现有的方法在实际应用中大多存在缺陷。为解决上述问题，本文引进传感器信息融合技术，设计一种针对自动扶梯电机的全新运行监控技术，保障扶梯的稳定运行与使用。

1 基于传感器信息融合的自动扶梯电机运行数据采集

为实现对自动扶梯电机运行的监控，引进传感器信息融合技术，实现自动扶梯电机运行数据的采集。在此过程中，根据自动扶梯中电机的所在位置，布置多普勒微波雷达传感器、视频监控摄像机、CCD 工业相机、红外传感器等，建立电机与监控终端设备之间的通信连接。在此过程中，考虑到电机在自动扶梯中具有一定的隐蔽性，为确保监测的数据可以作为设施运行故障与异常的参照，需要进行电梯整体结构的勘探，根据勘探结果确定自动扶梯电机的具体空间位置[3]。在此基础上，将自动扶梯电机上的传感器与计算机设备建立连接，以此实现对监测数据的自动、快速接收与发送[4]。为实现在终端通信模块和自动扶梯电机设施管理终端之间建立数据通信，采用虚拟串行接口技术，将终端设备通过串行接口接入服务器端，实现对自动扶梯电机运行中的实时监测、报警及状态追踪，以便应对自动扶梯电机运行中的各种突发性事故。基于传感器信息融合的自动扶梯电机运行数据采集流程如图1 所示。

图1 自动扶梯电机运行数据采集流程

将多普勒微波雷达传感器布置在自动扶梯多电机运行的中心位置，采用两两对射的布置方式，确保雷达信号对自动扶梯电机的全覆盖[5]。将红外传感器布置在电机运行辐射区域，自动扶梯电机在运行过程中，电机转子快速运转，会产生一定的热量，可被红外传感器感知。利用CCD 工业摄像机拍摄视频、图像，结合DSP 芯片对画面进行处理和探测，利用背景去除技术识别和探测图像中的电机运动目标，从而实时监测电机运行区内的状态，并将获取的影像资料传送给后台控制中心[6]。整合各类传感器采集的自动扶梯电机运行数据，并导出对应的数据。

2 数据拟合处理

考虑到通过上述方式采集的数据可能携带噪声等影响因素，因此，在完成自动扶梯电机运行数据采集后，需按照式（1）进行采集数据的线性校正[7]。

其中，Y 表示采集数据的线性校正；a 表示原始数据；X 表示量程起点；b 表示数据信号的扩大因子。

将校正后数据录入函数链神经网络，对数据进行滤波与降噪等综合处理，此过程计算公式：

其中，x（Y）表示对校正后数据Y 的滤波与降噪等综合处理；u 表示输出估计值；W 表示函数链；i 表示标定值；j 表示传感器采集数据之间的连接权值。

完成上述处理后，对输出的数据进行拟合：

其中，xi（ui）表示输出数据的拟合处理过程；c 表示附加数据（传感器反馈的其他与电机运行相关的数据）；u 表示拟合次数。

按照上述方式完成数据拟合处理，将处理后的数据接入通信链路，实现对监控数据的传输。

3 自动扶梯电机运行监测与实时状态跟踪

考虑到自动扶梯电机在异常运行状态下存在不规律振动，因此，在监测中应做好对自动扶梯电机运行实时状态的跟踪，实现对自动扶梯电机运行状态的实时监控。采集图像、数据、视频，提取自动扶梯电机运行背景，对背景进行建模，提取背景差分信息，进行电机运行目标区域的分割。

背景建模常用的是背景平均化、码书背景、高斯背景建模等，高斯模型可以有效地消除背景的干扰，但是需要大量的运算，很难达到实时性的要求。在自动扶梯电机运行启动时，先对CCD 相机拍摄的图像进行码书背景建模，利用码书算法对N 帧之后的图像进行检测，每隔一段时间更新代码书模型，并将极少使用的代码书删除。采用码书法获取当前帧的二值图，在此基础上，按照闭合操作消除因噪声而产生的孤立点，用开运算填补目标内部的孔隙[8]。考虑到电机运行底板的背景比较复杂，因此在前景对象中会有许多非连续性的区域。因此，在分割目标区域图像时，需要对前景对象进行轮廓提取，然后求出各前景对象的中心位置，对电机运行中的近邻目标进行匹配，计算公式为：

其中，minC 表示电机运行中的近邻匹配目标（最小振动幅值）；m 表示匹配次数。

对电机运行过程中的振动幅值与目标值进行匹配，设定minC 的取值范围。当minC 在预设范围内波动时，说明自动扶梯电机运行无异常振动现象，此时证明电机处于稳定运行状态；当minC 超出预设范围波动时，说明自动扶梯电机运行存在异常振动现象，此时证明电机处于异常运行状态。提取此时的状态信息，即可实现对自动扶梯电机运行的监测与实时状态的跟踪。

4 对比实验

本文引进传感器信息融合技术，完成了自动扶梯电机运行监控方法的设计。为检验该监控方法的应用效果，本文以某运营管理单位提供的自动扶梯电机样品为例设计对比实验，电机技术参数见表1。

表1 自动扶梯电机技术参数

使用本文设计的方法监控自动扶梯电机的运行状态。在监控过程中，根据实际工作需求将红外传感器、雷达传感器、CCD 工业相机等按照规范安装在测试电机上，并建立电机与监控终端设备之间的通信连接，实现对自动扶梯电机运行数据的实时采集。根据建立的通信信道，进行监控数据处理与通信传输，通过对自动扶梯电机运行的监测与实时状态的跟踪，完成本文方法在实验中的应用。

引进基于CNN+D-S 和BP 神经网络的方法，并选取2 种传统方法作为对照组。运用采集3 种方法对自动扶梯电机运行监测数据展开分析。本文将反馈的监控数据噪声幅值作为评价监控效果的关键指标。截取部分时段3 种方法的监控结果，提取对应时段下的噪声幅值，结果如图2 所示。

图2 监控反馈信号中噪声的幅值

从图2 可以看出，使用该方法进行自动扶梯电机运行监控，监控反馈信号中的噪声幅值趋近于0，说明该方法可以降低监控数据中的噪声，避免由于外界因素干扰影响监控结果。在此基础上，对传统方法的监控结果进行分析，分析结果表明，传统方法监控反馈信号中的噪声幅值较大，且传统方法2 监控结果中的噪声幅值大于传统方法1 的噪声幅值。监控结果中携带较大噪声，会影响终端对电机运行状态的决策与辨识。因此，可以得出如下结论：相比传统方法，本文设计的基于多传感器信息融合技术的电机运行监控方法实际应用效果良好，该方法可以降低自动扶梯电机运行监控反馈信号中的噪声幅值，提高监控结果的准确性、真实性与可靠性。

5 结束语

自动扶梯的环境特征：主要集中在人流密集、商业区、车站周边；每日运营时间超过20 h；部分自动扶梯在户外作业，长期受风沙、雨雪侵蚀，故障率比室内扶梯高；乘客手拉行李箱随人而上的现象时有发生。为提高自动扶梯电机运行的稳定性与可靠性，本文引进传感器信息融合技术，通过自动扶梯电机运行数据采集、数据处理与通信传输、自动扶梯电机运行监测与实时状态跟踪，完成了电机运行监控技术的设计研究。

完成设计后，以某运营管理单位提供的自动扶梯电机样品为对象，展开针对设计方法的对比实验，实验结果证明：该方法能够降低自动扶梯电机运行监控反馈信号中的噪声幅值，提高监控结果的准确性、真实性与可靠性，可以在后续的工作中进行推广，实现对电机运行状态的实时监测，减少电机运行异常导致的自动扶梯安全事故。