一種基于物聯網的自動扶梯監控系統

傅晨韜 胡極洋 陳俊孝 吳林煒

摘 要：自動扶梯被廣泛地應用于各類人員聚集的公共場所，因此需要確保其安全運行。傳統的自動扶梯監控系統或是側重于自動扶梯運行狀態和故障的采集和傳送，或是側重于自動扶梯現場的視頻監控，都無法很好地解決電梯廠家、維保單位、監管部門對于自動扶梯安全保障的多方需求。文中采用物聯網技術設計的系統具有自動扶梯信息采集、故障報警、遠程處置、故障分析、維保優化功能，可以盡早發現自動扶梯的安全隱患，有效將自動扶梯的事故消滅在萌芽階段。

關鍵詞：自動扶梯;物聯網;安全;預警;擁擠度;模糊推理;動態維保

中圖分類號：TP393文獻標識碼：A文章編號：2095-1302（2020）10-00-03

0 引 言

隨著城市的發展，地鐵作為支撐城市正常運行的大動脈，近年來發展迅速。自動扶梯是地鐵交通乘客上下車的重要工具，數量也在迅速增加。但近幾年，地鐵自動扶梯由于故障導致死傷人事件時有發生。

自動扶梯作為一種特殊產品，乘載人員一般未經專門培訓，無操作相關安全知識和技能容易因為使用不當而引起故障。另外，自動扶梯的長時間、高負荷使用，也會因為各種問題導致一些事故發生。因此，如何持續保持自動扶梯的安全性能和質量，提高對故障電梯應急救援的能力已成為全社會關心的問題。

1 現狀研究

現有的自動扶梯的監控系統主要分成兩類。一類為自動扶梯生產廠家或系統集成商的監控系統，側重于自動扶梯運行狀態的直觀展示、故障信號傳送、遠程扶梯狀態及故障的監控與記錄。這類系統能夠對自動扶梯進行集中管理，可以及時掌握自動扶梯的運行狀況，獲悉故障原因，在自動扶梯故障時發出告警，提高維保工作效率。但這類系統一般作為本地監控，無音視頻集成，同時遠程控制現場的功能欠缺。

另一類為視頻監控廠家提供的監控系統，側重于視頻監控自動扶梯的應用，可進行視頻記錄，但無法與自動扶梯故障聯動。

綜上所述，無論是哪類系統，都不能很好地解決自動扶梯發生事故時的現場取證、遠程應急處置、事故原因分析等問題。因此，研制一款能夠符合監管需要的，功能更強大、集成度更高的自動扶梯物聯監控系統具有理論和實際意義[1-2]。

2 需求分析

通過對現有系統的分析發現，新研制的系統需要同時滿足使用單位、維保單位、監管單位等各方需求：

（1）自動扶梯運行狀況、負載功率及故障實時監控，超速、逆轉、梯級塌陷等嚴重故障及急停事件的自動告警;

（2）7×24小時的本地錄像以及自動扶梯故障前后的錄像保存;

（3）在自動扶梯長時間高負載運行的情況下進行提醒;

（4）在自動扶梯發生事故時，能夠在第一時間接到報警，實時查看該自動扶梯的現場視頻，并可與現場人員進行語音對講，第一時間處理事故;

（5）自動扶梯故障時，根據自動扶梯歸屬的維保單位自動通知電梯維保公司，并監督指揮維保單位救援處置;

（6）對自動扶梯故障進行統計分析，找出其共性和個性，并為自動扶梯建立健康病例，提供日常扶梯信息及維保工作管理等，同時提供有效的統計數據與維修計劃供決策者參考[3-5]。

3 系統設計

3.1 架構設計

系統由前端設備和平臺組成，如圖1所示。兩部分之間通過廣域網連接，前端設備由自動扶梯安全網關（音視頻一體化裝置、三相智能電能表、擁擠提示器）、物聯監控平臺組成。前端設備的數據在自動扶梯安全網關處進行匯總，通過有線網絡、4G網絡、WiFi等方式直連或者經過局域網連接到廣域網。物聯監控平臺通過廣域網與每個前端設備通信，從物聯監控平臺看，每個前端設備抽象成一個點，新增或者刪除一個前端設備不影響其余前端設備的工作。監控平臺包括接入服務器模塊、狀態服務器模塊、流媒體服務器模塊、存儲服務器模塊、數據庫服務器模塊、Web服務器模塊、短信服務器模塊等[6-7]。

3.2 系統部署

物聯網設備部署如圖2所示。自動扶梯安全網關安裝在自動扶梯的上部機房，采集并傳輸自動扶梯的運行狀態和故障，傳輸自動扶梯的負載功率和音視頻數據。音視頻一體化裝置安裝在自動扶梯下部出入口，負責采集、存儲視頻數據以及語音對講的輸入、輸出。三相智能電能表安裝在自動扶梯的上部機房，采集自動扶梯電動機的負載功率。擁擠提示器安裝在自動扶梯上下部出入口，扶梯擁擠時播放語音和文字提示[8-10]。

3.3 工作原理

自動扶梯正常運行時，自動扶梯安全網關每隔n秒采樣一次自動扶梯的負載功率以及自動扶梯的運行狀態，如方向、速度、累計運行時間等，之后上報給物聯監控平臺，由物聯監控平臺為每臺接入的自動扶梯建立健康病例。物聯監控平臺根據設置的自動扶梯周期維保時間和平均負載功率比較上報的累計運行時間和負載功率，自動生成亞健康預警和對應的維保周期。自動扶梯發生故障或異常時，其安全網關立即上報。物聯監控平臺收到自動扶梯故障或異常信號后，會根據設置的維保人員或物業人員號碼，自動發送報警短信。

自動扶梯發生故障或異常時，可以通過物聯監控平臺打開視頻監控，查看現場實時視頻，此時視頻通過自動扶梯安全網關發送給物聯監控平臺。發生事故時，除了打開視頻監控，還可以通過物聯監控平臺打開語音對講，第一時間與現場溝通，獲悉事故的詳細信息，并指導應急救援。

在人流密集的場所，自動扶梯安全網關將檢測到的負載功率與預設的滿載功率進行比較，通過擁擠度計算給予行人適當提醒。

3.4 錄像存儲

前端設備的錄像是自動扶梯發生事故后的現場取證和事故分析的重要部分。因此前端設備的錄像需要有一定時間段的覆蓋，同時還能夠較長時間存儲事故發生前后的錄像。設計的前端設備錄像存儲處理過程如圖3所示。音視頻一體化裝置在其內部將存儲區域劃分成兩塊，一塊用來存儲日常的視頻錄像，另一塊用來存儲自動扶梯故障或異常的視頻錄像。循環存儲區域一直處于錄像狀態，每段錄像為m分鐘，當該區域錄像完成后，自動刪除最早錄制的那一段錄像，并循環更替。故障存儲區域在自動扶梯正常工作時不錄像，當自動扶梯發生故障或異常后，將循環錄像區域內在故障或異常發生前的若干時間的錄像復制到故障存儲區域，避免故障錄像被日常錄像覆蓋，同時故障存儲區域也開始錄像，直到故障恢復或到設定的錄像時間則停止。通過物聯監控平臺可以獲取故障前后的錄像，進行現場取證和故障分析。

3.5 擁擠判斷

自動扶梯的擁擠度與其負載可以近似為線性關系，因此通過自動扶梯負載功率的采集即可間接檢測到自動扶梯的擁擠情況。為了及時提示自動扶梯的擁擠，并且使擁擠提示具有一定的時效性，避免狀態提示在短時間內來回切換，誤導行人，設計的自動扶梯的擁擠檢測工作流程如圖4所示。自動扶梯安全網關每隔n秒檢測自動扶梯的負載功率W1，比較設定的功率值W0，如果連續在n×N秒內檢測到的W1均大于W0，則生成擁擠提示;如果在n×N秒內檢測到一次W1小于等于W0，則重新計數。

3.6 維保優化

自動扶梯的維保周期與其負載工作量和運行時間有關：負載越重，運行時間越長，需要較短的維保周期;長時間空載或者輕載，運行時間較短，維保周期可以相應加長。為了智能化提醒每臺自動扶梯的維保周期，需要進行定量化計算。

以自動扶梯的負載為論域例來考察模糊集，設立以定性術語來描述的語言變量為“負載”，其值域為：負載={輕載，重載}，假設額定負載20%以下為輕載，80%以上為重載，可以為“負載”的兩個定性值分別建立隸屬函數Uul和Uol，如圖5所示。

根據圖5建立負載關系式：

設定自動扶梯的默認維保周期為T，三者的加權系數分別為a，b，c，綜合負載計算后的維保周期：

在實際使用中，動態調整a，b，c的系數值，獲取最優維保周期的提醒。

4 系統特點

（1）系統較好地解決了自動扶梯監控方式單一、遠程控制現場控制欠缺、事故分析數據不足等問題。在自動扶梯發生事故時，可及時向物聯監控平臺報警并備份故障視頻，確保第一時間的現場取證。物聯監控平臺在接到報警后，通過遠程視頻和語音對講，可以第一時間了解現場情況，并指導應急救援，避免次生事故發生。通過對故障前后的錄像及自動扶梯狀態、負載、故障數據的分析，能更準確地定位事故原因。

（2）系統對自動扶梯的累計運行時間和負載功率的采集為自動扶梯建立了健康病例，使監控不再局限于故障報警，而是可以對扶梯的亞健康狀態預警。通過定量化計算，動態調整維保周期，使自動扶梯的日常維保有更好的針對性，把事故消滅在萌芽階段。

（3）在人流量密集的場合，通過擁擠提示器為行人規劃只需稍加等待的空閑自動扶梯，或選擇乘坐其余自動扶梯、走樓梯，使自動扶梯避免長時間、高負荷工作，延長自動扶梯的使用壽命。

（4）系統采用物聯網典型架構以支持城市級自動扶梯的統一監控。前端設備內部采用高聚合結構，前端設備和物聯監控平臺之間采用低耦合網絡結構，平臺支持分布式部署，使得系統布置十分靈活，支持其可持續發展。

5 結 語

綜上所述，該系統提供了一套城市級自動扶梯的監控方案，豐富了自動扶梯的監控方式。該系統目前已開始試點，將隨著杭州地鐵二號線的開通而投入使用。未來隨著人們對自動扶梯安全性的關注度日益提高，這套系統的價值會得到越來越多的體現。

參考文獻

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