電梯故障自動應急處置及焦慮安撫系統的設計及開發

申爍志 成都七中高中

電梯故障自動應急處置及焦慮安撫系統的設計及開發

申爍志 成都七中高中

電梯故障應急處置及焦慮情緒智能安撫系統發現電梯層門誤開時啟動電梯安全防護閘，阻止乘客誤跨電梯井道踏空摔傷；發現電梯困人時，自動識別乘客焦慮情緒并分級別進行智能安撫，同時自動發送故障維修信息及告警提示。從而避免電梯故障傷人、提高電梯故障搶修和救援效率、提升乘客感受。

電梯安全防護閘；防誤跨井道；自動報警；焦慮情緒識別；智能安撫

1.研究背景

2014年5月14日，陜西西安55歲的杜女士跨進電梯門后，因轎廂未到達，從15層墜亡；2015年6月13日長沙一小區電梯故障，一女子一腳踏空，從19樓墜落，當場遇難；2014年7月27日，肖婆婆和2歲的外孫被困電梯，求救無門，被困長達5小時，被救時肖婆婆癱坐電梯內已接近精神崩潰。

據統計：2014年全國發生電梯傷人事故49起，死亡37人；2015年全國發生電梯傷人事故58起，死亡46人。 2014年僅廣州市平均每天就解救40名電梯被困人員；2015年南京市平均每天發生20起電梯困人事件，解救被困人員28人。

電梯安全急需得到保障！

圖1

圖1

2.研究過程

2.1 電梯故障類型分析

網上資料顯示，目前電梯主要有乘客誤入電梯井道踩空墜亡、乘客被困電梯轎廂、電梯沖頂、蹲底以及乘客被電梯門夾傷事故。

其中乘客誤入電梯井道踏空跌落危害最大，后果最嚴重，事故發生頻率也較高，往往是電梯奪命事故的罪魁禍首。

而電梯困人故障的發生最為頻繁，被困人員長時間無人理會和救援，乘客在無望等待中精神受傷崩潰卻是屢屢發生，甚至發生部分被困人員在絕望中違規扒開轎廂逃生致死致傷事故。電梯困人是造成住戶投訴的最常見故障。

因此本系統將兩類主要故障安全應急解決方案定為重點研究方向。

2.2 現狀及分析

2.2.1 電梯安全應急裝置現狀

目前在電梯應急裝置方面，除了電梯自帶的安全應急裝置外，主要有電梯應急平層裝置[1]（或叫電梯應急曳引、電梯停電應急解困裝置）、電梯故障自動檢測裝置及應急報警裝置等。其中電梯應急平層裝置，主要用于電梯突然停電或故障時供給電梯應急電源并將轎廂曳引至平層位置后開門[2]，使受困乘客及時脫困；電梯故障自動檢測裝置及應急報警裝置可實現電梯故障的自診斷及故障自動報警。

目前國內外還沒有電梯故障墜落傷人的應急防護以及解決被困人員焦慮情緒的智能識別安撫方面的相關報道及產品。

那么，可不可以設置一個防止電梯故障后墜落傷人的應急防護裝置？可不可以讓我們的應急救援工作更加快速？可不可以避免被困人員再次受到精神傷害？

2.2.2 分析結論

在分析了電梯應急處置的相關技術現狀后，一個對以上兩類重點故障設計制作的應急裝置醞釀而出。

它可以在電梯故障時有效減少人員傷亡；提高電梯故障搶修及救援速度；安撫被困人員，提高乘客人性化感受。

3.系統設計

3.1總體設計思路

電梯故障時分為乘客在轎廂外和轎廂內兩種情況。

乘客位于轎廂外時,最具危害的故障是層門打開而轎廂[3]未到達，此時乘客習慣性的跨入電梯井道則跌落摔傷甚至致死。

對此，在每層樓的層門處設置獨立于電梯的安全防護閘：檢測器檢測在層門打開時轎廂是否同時到達作為判據控制安全防護閘。若層門打開而轎廂未到，立刻放下安全防護閘，阻止乘客誤跨電梯井道踏空摔傷，同時自動播放安全報警提示語音消息，并發送電梯故障信息至維修中心。

乘客位于轎廂內時，最常見的為電梯困人故障。

對此設計思路是系統發現電梯困人故障后，自動播放安全報警提示語音、發送電梯故障信息至救援中心，同時開啟乘客焦慮情緒識別模式，并根據乘客焦慮情緒級別，分級別自動播放安撫音樂、安撫語音等，必要時人工介入安撫乘客情緒。

故障識別及焦慮識別，可以通過紅外線對射管實現；安全防護閘門可以采用舵機來控制；單片機開發板開發實現上述控制功能完全沒有問題；該系統的搭建和實現是可行的。

3.2 系統功能設計

3.2.1 轎廂未達正確樓層應急處置流程圖如圖1所示。

3.2.2 電梯困人應急處置流程圖如圖2所示。

3.3 硬件設計

硬件系統由核心控制部分、故障檢測判斷部分和執行部分組成。完成電梯轎廂未達正確樓層時應急處置以及電梯困人時的應急處置兩大主要功能。

3.3.1 核心控制部分

基于arduino控制器的簡易、開放及可擴展性，本系統選用arduino作為控制開發平臺[4]。

3.3.2 檢測判斷部分

本系統主要通過紅外線對射管實現電梯故障狀態以及人體焦慮狀態的檢測和判斷：

在層門兩側活動門的門縫位置安裝1對紅外線對射管（包括紅外發射管和紅外接受管）檢測判斷層門是否打開；

在轎門兩側活動門的門縫位置安裝1對紅外線對射管（包括紅外發射管和紅外接受管）檢測判斷轎門是否打開；

在轎廂地板和層門地板位置安裝1對紅外線對射管判斷轎廂是否已到達該樓層；（詳見后圖）

在轎廂中平行并置紅外線對射管組成n＊n陣列，通過在限定時間中紅外光被切斷的次數來判斷。若達到閥值表明乘客行為異常則判斷為乘客焦慮。

3.3.3 執行部分

采用舵機控制安全應急防護閘的開啟，安全應急防護閘緊貼于兩側層門安裝，每個樓層均安裝1套，當電梯正常運行時，安全應急防護閘隱匿于兩側，當系統判斷為轎廂未達正確樓層故障時，控制舵機放下安全防護閘阻擋乘客通行；

采用GSM模塊SIM900A作為短信收發模塊，當系統判斷為故障時，自動將故障電梯的準確位置、電梯編號及故障信息短信發送至物管及應急指揮平臺；

采用ISD1820芯片語音模塊，實現故障提示語音的自動播報。該模塊可以錄制聲音，在接收到控制信號后，可以驅動喇叭，發出已經錄制好的提示語音。

圖3 安全防護閘及紅外對射管安裝位置圖

3.4 工作原理

3.4.1 紅外線對射管工作原理

紅外線對射管由紅外發射管和紅外接收管組成，紅外發射管發射出紅外線，紅外接收管將接收到的紅外光信號轉變為電信號，紅外接收管在一定照度的光線照射下產生光電流，這個光電流隨入射光強度的變化而相應變化。光電流通過負載電阻時，在電阻兩端將得到隨入射光變化而變化的電壓信號，從而完成光電功能轉換。

本系統在轎廂地板和層門地板位置安裝1對紅外線對射管，當紅外發射管和紅外接收管正對時，紅外接收管接收光強最大，模擬電壓值也大，而不正對時，模擬電壓值很小。由此通過對模擬電壓值采樣檢測，可以判斷出轎廂是否到達樓層。同理，在轎門及層門縫隙之間各設一對紅外線對射管也可以判斷轎門是否打開以及層門是否打開。

3.4.2 舵機工作原理

舵機由直流電機、減速齒輪組及控制電路等組成，轉子轉速受輸入信號控制，并能快速反應，用作執行元件，可把所收到的電信號轉換成電動機軸上的角位移或角速度輸出從而控制對象的轉動速度及位置。本系統在舵機上固定安全防護閘，由控制器控制舵機轉軸的轉動，就可以控制安全防護閘的開閉了[5]。（如下圖3所示）

3.4.3 焦慮識別原理

焦慮是由緊張、焦急、憂慮、擔心和恐懼等感受交織而成的一種復雜的情緒反應，是個體遇到某些事情如挑戰、困難或危險時出現的一種正常的情緒反應。焦慮主要表現在生理、行為動作以及情緒三方面。一是焦慮的生理現象表現形式--當個體面對威脅時，生理上有瞳孔放大、體溫升高、口干、心跳加速、呼吸急促等現象。二是焦慮的行為動作現象---當個體處于焦慮狀態時，身體自然處于亢奮狀態，會做坐立不安、手腳動作不斷、抓頭發、摸耳朵、搓臉、雙手抱胸、雙手用力扭壓、敲打、來回快速行走、臉部表情僵硬，皺眉、悲傷憤怒憂郁，面孔顏色也會改變。三是焦慮的情緒現象---揮之不去的恐懼、憂慮等情緒。

因此我們在焦慮識別的方案設計中可以提取上述面部、行為和生理上的體外表現特征進行識別判斷。一是表情識別：判斷人情緒的最直接而準確的辦法。利用攝像機對乘客的表情進行識別，如果出現瞳孔放大、臉部表情僵硬，面色凝重、皺眉、悲傷憤怒憂郁等恐懼焦慮的面部特征，則判斷為焦慮。二是行為識別：通過對被困人員身體動作頻率的變化來識別焦慮情緒。

本系統主要采取行為識別的方式來識別焦慮情緒，利用人在焦慮時會發生坐立不安、來回快速行走、手腳動作不斷等行為特征，在轎廂中平行并置多組紅外線對射管組成8＊8的陣列，通過檢測限定時間內紅外光被切斷的次數來判斷被困人員的動作頻率。若達到閥值則判斷為乘客焦慮。

同時，隨著面部情緒識別軟件逐步應用成熟，通過攝像頭自動識別被困乘客面部表情判斷恐懼焦慮情緒也成為現實[6]，因此本系統同時還可以采用面部表情自動識別技術使焦慮恐懼情緒識別和安撫系統功能更加準確和智能。

3.4.4 焦慮安撫原理

焦慮情緒的安撫和調整主要采取增強安全感、增加自信心、轉移注意力、心理放松等方式進行。

電梯困人后，被困人群產生焦慮情緒主要原因：一是對自身安全的擔憂，害怕電梯安全威脅生命而產生的焦慮；二是對外界情況及何時能夠得以脫險的情況未知而產生的焦慮；三是部分人員被困狹小封閉空間而產生的焦慮。

本系統分級別進行被困人員安撫，當焦慮情緒較為輕微時，通過自動播放安撫音樂、及時播報救援進展等方式進行安撫；當系統檢測被困人員焦慮嚴重時，進行人工電話撥入安撫。這樣在提升了乘客感受和服務質量的同時又節約了人力成本。

3.結束語

本系統通過舵機、GSM模塊及語音播報系統，自動啟動電梯安全防護閘、發送電梯故障信息并播報故障語音提示，阻止乘客誤跨電梯井踏空傷亡，確保被困人員及時解救、電梯故障及時維修；利用人體焦慮恐懼情緒身體特征，采用電梯轎廂內布置的紅外線對射管陳列或焦慮識別軟件，智能判斷被困乘客的焦慮情緒，并根據焦慮程度，分級別自動進行乘客焦慮恐懼情緒安撫，提高乘客人性化感受。

本系統的焦慮情緒識別安撫以及故障救援自動報送等功能同樣可以推廣應用其他生產、交通類突發事故中。比如在煤礦事故中自動報送事故及人員位置信息、智能安撫受困人員、提示安全應急知識，給予被困人員生的希望；又比如在重大交通事故中自動時報送事故位置信息、在等待救援中安撫受傷人員等等。

本系統經多次模擬測試，運行穩定。系統兼具創新性、實用性及可推廣性，可有效提升電梯的安全可靠性以及乘客體驗，應用前景廣闊。

[1]王炎明. 停電應急平層裝置對電梯安全運行的影響及檢驗. 中國特種設備安全, 2009.

[2]《電梯監督檢驗和定期檢驗規則——曳引與強制驅動電梯》（TSG T7001-2009）

[3]《電梯、自動扶梯、自動人行道術語》（GB/ T7024－2008）

[4]陳呂洲. Arduino程序設計基礎[M]. 北京:北京航空航天大學出版社, 2014.

[5]《電梯主要參數及轎廂、井道、機房的型式與尺寸》（GB/T7025.1～3－2008）

[6] 傅栩雨, 葉健東, 王鵬,等. 人臉面部表情識別[J]. 計算機與網絡, 2015(10): 70-71.

申爍志（1999—），男，成都七中高中在讀。研究方向：創客智造。