電梯梯內體積估算設計方法探索

趙迎吉，胡少華，黃麗萍，盛梅，廖伶元

（1.南華大學核科學技術學院；2.南華大學語言文學學院，湖南 衡陽 421001）

1 背景

電梯作為人們日常上下樓的代步工具已經讓我們無法脫離它的存在，特別是現代社會高樓的增多，電梯的使用顯得尤為重要。在人流高峰期，有限的電梯數量使得其輸運能力面臨著巨大壓力，如某高樓公司員工上下班期間，乘客的突然增多使得平時的一兩臺電梯根本滿足不了乘客對電梯的需求，造成很大部分乘客時間的浪費以及引起乘客們的抱怨，這個時候我們就只能通過提高電梯的運輸效率來緩解乘客陡增所造成的運輸壓力，盡最大限度地節約乘客的候梯乘梯時間，減少他們的抱怨。

電梯市場是巨大的。自改革開放以來，隨著經濟建設的持續高速發展，一座座高樓的拔地而起，我國電梯需求量日益增大，總趨勢呈上升狀態，目前進入了“第三次浪潮”，2004年總產量超過了8萬臺，且目前仍沒有減速的跡象。過去數年間，國內電梯保有量迅速增加，2016年全國電梯保有量已經達到493.69萬臺，同比增長15.90%。在龐大的電梯數量下，技術的優化在提高電梯運輸效率的同時，也能有效減少能源的消耗；而且電梯的技術優化能很大程度上提高電梯產品競爭力。

2 設計思路

2.1 電梯梯內體積估算技術設計

在設計電梯梯內體積估算功能之前必須要了解到這一背景前提。電梯的控制箱是控制電梯運行的核心，如果能夠改變電梯梯外呼梯按鈕到達控制柜的信息，將可以達到控制開門的目的，其具體的結構如圖1所示。

在正常的情況下，電梯是否處于擁擠狀態可由梯內物體最大的水平橫截面大小來判斷（即對電梯的不同高度進行水平斷層，所得的橫截面中取最大即為最大水平橫截面）。由于乘客有攜帶物品等復雜情況的可能性，電梯內體積的估算不能簡單地通過質量來計算。最大橫截面方法的采取能夠有效地解決這個問題。將梯內物體所占據的最大橫截面作為估算的信息，即只需要對最大橫截面進行估算即可達到對梯內擁擠程度的估算。

梯內物體最大的水平橫截面大小估算可由太陽能電池板來完成。在電梯頂部的光照下，電梯底部將呈現頂部光對梯內物體的垂直照射陰影，即形成一定的已被削弱的光照強度。通過太陽能電池板接收光強來形成相應的電壓信號，電壓信號的形成就可以間接地成為電梯梯內擁擠程度的估算依據。接下來只需要對電壓信號進行一定的電路運算處理就可以達到電梯梯內體積估算功能。

在設計方面可以再次簡化。電梯光照強度能夠傳遞擁擠程度信號。這種擁擠程度從“不擁擠”狀態到“非常擁擠”狀態是一個關于光照強度的連續函數。假設只設計電梯有“不擁擠”和“擁擠”2種狀態，電梯內只需要設計1個信號閾值就可以判斷電梯梯內是否處于“擁擠”狀態，也即無需引入復雜的函數電路就可完成電路對梯內狀態的判斷。

將梯外的呼梯信號與估算信號通過門電路判斷，控制電梯門的開與關。假設將開門信號（A）設置為“1”，關門信號設置為“0”，電梯估算信號（B）“擁擠”狀態設置為“0”，“不擁擠”狀態設置為“1”(擁擠時電信號弱，設置為“1”合理).表1為呼梯信號、體積估算信號和開關門信號（F）分析表格（A和B共同影響決定F）：

圖1 電梯的基本結構

表1 呼梯信號與體積估算信號分析真值表

門電路輸出信號方程F=AB,其中F為電路輸出信號，A為呼梯信號，B為體積估算信號。根據信號方程F=AB，可設計體積信號與呼梯信號電路。將電梯梯內體積估算裝置安裝在電梯底部即可實現該功能。

2.2 材料選擇

材料選擇必須考慮到電梯梯內弱光環境也能產生感應信號的情況。在這里選擇的是非晶硅太陽能電池板。非晶硅又稱無定型硅。單質硅的一種形態。化學性質比晶體硅活潑。工藝過程大大簡化，硅材料消耗很少，電耗更低，它的主要優點是在弱光條件也能發電。由于光吸收系數高，暗電導很低，這就是適合制作室內用的微低功耗電源的主要原因。人眼對光線的感應波段在400～700nm之間。非晶硅對光線的感應波段恰好也是這一區間，與電梯內環境十分相似，選用此材料是十分合理的。非晶硅中電子在電場作用下就可以產生電流，并不需要聲子的幫忙，因而非晶硅做得非常薄，還有制作成本低的特點。

同時，考慮到太陽能電池板的使用壽命，我們還需要采用透光率極高、具有優良的耐候性以及抗老化性的亞克力板和透明性能好的環氧樹脂作為保護材料來對其起保護以及美化作用。

2.3 壽命

在討論本技術產品壽命時，首先了解一下其它領域非晶硅相關產品的信息。太陽能電池板的壽命取決于它是如何封裝的。太陽能電池板可分為鋼化玻璃層壓封裝的、PET層壓封裝的、滴膠封裝的。太陽能電池板的材料決定了使用壽命，一般來說的鋼化玻璃層壓封裝的太陽能電池板壽命為25年，PET層壓封裝的太陽能電池板壽命為5～8年，滴膠封裝的太陽能電池板壽命為2～3年。長期在弱光環境下，加上保護性材料的保護作用，能有效延長壽命。保守估計，本產品保質壽命至少兩年。正常情況下，電梯的維修周期大概為2個月，壽命期內即使出現故障也能及時發現并解決，進一步保障電梯使用壽命。

3 閾值設定及電子元件選擇

不同的場所，人對擁擠的接受程度不一樣。在電梯中可以設置“多狀態檔位”，“多狀態檔位”的設計更能夠應付多種類型的場合。根據擁擠程度所對應的電壓信號反推電器元件的參數，即可獲得電路設計的基本參數。圖2為 “多狀態”檔位設計圖，圖中“1、2、3”代表3個不同的檔位，“A、B、C”代表3個檔位所匹配的三種參數的門電路。

4 電梯梯內質量對體積識別功能的功能修正

電梯梯內體積識別功能是通過判斷梯內光照在梯內底部形成陰影部分所占比例來實現的，難免會出現梯內底面全部被遮住但是梯內不處于擁擠狀態的誤區。例如“調皮小孩”蓋住梯內底部便可能造成體積估算功能的誤判。此時需要聯合電梯梯內質量估算功能，判斷是否存在狀態的誤判。此處的電梯梯內質量估算功能通過電梯原有的電梯稱重裝置實現。電梯內超重保護裝置本身具有稱重的功能，并且能夠輸出從最小重量到最大重量相對應的電信號。只需要對輸出信號進行識別即可對梯內質量情況進行估算。超重裝置對重量識別的輸出信號隨著重量增大而減少，所以可設置某較低信號為質量估算的滿載閾值。將體積信號與質量信號通過判斷電路即可完成對體積估算功能的修正。類似表1設計思想可得輸出方程為F=CD（其中F為電路輸出信號，C為體積估算信號，D為質量估算信號。無論是質量信號還是體積信號，處于滿載情況時他們輸出的電信號均為最小，即可認為邏輯數字0。0為“滿載”不打開電梯門，1為“未滿載”可打開電梯門，此設計符合正常邏輯）。并且，擁擠的程度可通過每一層的梯外呼梯按鈕顯示器顯示，一定程度上能夠給梯外乘客上下樓方式提供參考價值。例如,在擁擠狀態下，低樓層的乘客可以選擇走樓梯。

5 結語

此次技術改裝在保證了電梯本身固有的安全性能這一前提下，通過影響呼梯按鈕信號間接對開關門進行控制。另外，若梯外呼梯按鈕顯示器中顯示此時梯內為擁擠狀態，乘客能夠及時的改變上下樓方式。此裝置設計思想比較簡單，完成此次改裝成本較低，技術難度不大，能夠容易迎合市場的需求，增加生產商產品的競爭力。在最近的市場調查中，我們發現有些地方電梯底部存在鋪地毯的情況。倘若梯內鋪上地毯將使此技術失效。其實，這是不用擔心的問題。（1）電梯梯內地毯的應用一般處于高檔場所，例如高級酒店和會議室等場所。電梯梯內地毯的應用只屬于電梯的市場的一小部分，即基本上不影響此技術的推廣；（2）此技術是一種電梯運輸方面的優化技術，并且成本較低，若此技術在某些場合不太適應可以直接關閉它，不會影響電梯其他功能的使用。綜合考慮，此技術成本低，能夠有效提高電梯運行效率，能夠達到節能減排的效果，能夠在廣闊的市場中得到良好的肯定。