姚 俊，歐陽惠卿，陳榮君

（1.上海市特種設(shè)備監(jiān)督檢驗技術(shù)研究院，上海200062；2.上海游藝機工程有限公司，上海200030）

0 引言

隨著我國經(jīng)濟的高速發(fā)展，旅游休閑產(chǎn)業(yè)也得到快速發(fā)展。摩天輪作為一種常見的大型游樂設(shè)施，因其兼具游樂和觀光的功能，運行平穩(wěn)、老少皆宜，深受廣大游客喜愛。與此同時，摩天輪的載客量大而運營成本卻很低，帶來的經(jīng)濟效益十分顯著，因此蘊含著巨大的市場潛力。近年來我國摩天輪的建造數(shù)量也越來越多，而且朝著高度更高、直徑更大、造型更獨特的方向發(fā)展，設(shè)計更注重美學(xué)、越來越多地將其與周邊景觀/建筑物相結(jié)合。

隨著設(shè)備數(shù)量越來越多、形式越來越新穎，摩天輪的安全風(fēng)險也越來越大。摩天輪的運營特征：（1）設(shè)備安裝在戶外環(huán)境中，一年四季日曬雨淋，長期承受著太陽輻射、驟然風(fēng)向變化等復(fù)雜的氣候影響因素；（2）邊運轉(zhuǎn)（勻速轉(zhuǎn)動）邊完成上下客；（3）地標(biāo)型摩天輪的運營場所周圍建筑環(huán)境復(fù)雜，人流量大、乘客類型也具有多樣化；（4）大型摩天輪的結(jié)構(gòu)體量越來越大，基礎(chǔ)對結(jié)構(gòu)的影響需要在設(shè)備運行一段時間后才逐漸趨于穩(wěn)定。

為保障摩天輪的安全、高效運營，在加強設(shè)備的制造、安裝、運營管理等傳統(tǒng)手段的基礎(chǔ)上，有必要引入現(xiàn)代的技術(shù)手段，以提高的設(shè)備使用管理、應(yīng)急響應(yīng)、事故預(yù)防的能力，而基于現(xiàn)有的物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)建立摩天輪的遠(yuǎn)程監(jiān)測系統(tǒng)，該系統(tǒng)所具有的功能：（1）幫助改進(jìn)和優(yōu)化設(shè)計，提高設(shè)計合理性、可靠性、安全性；（2）為設(shè)備維護提供科學(xué)數(shù)據(jù)支撐，做好預(yù)防性維修，提高設(shè)備運行的安全性、可靠性；（3）動態(tài)掌握設(shè)備運行狀況，消除安全隱患，做到早發(fā)現(xiàn)、早預(yù)防，提高安全性；（4）提高對運行時間較長的大型游樂設(shè)備狀態(tài)的安全評估能力；（5）助力運營管理，提供運行日志功能、實時客流統(tǒng)計功能、系統(tǒng)報警報表功能；（6）為制定標(biāo)準(zhǔn)提供數(shù)據(jù)支撐。

1 研究現(xiàn)狀

物聯(lián)網(wǎng)是指通過各種信息傳感器等感知技術(shù)，實時采集任何需要監(jiān)控、連接的設(shè)備，采集其各種所需的物理信息，通過各類網(wǎng)絡(luò)接入，實現(xiàn)物與物、物與人的泛在連接，實現(xiàn)對物品和過程的智能化感知、識別和管理。近年來，構(gòu)成物聯(lián)網(wǎng)基礎(chǔ)的傳感器技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)傳輸技術(shù)都得到了高速的發(fā)展，使得基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的遠(yuǎn)程監(jiān)測系統(tǒng)已經(jīng)廣泛應(yīng)用于各種場景。

目前，在電梯[1]、起重機械[2]領(lǐng)域基于物聯(lián)網(wǎng)的遠(yuǎn)程監(jiān)測系統(tǒng)都得到了成熟的應(yīng)用，在推進(jìn)相關(guān)設(shè)備的安全管理、應(yīng)急響應(yīng)、事故預(yù)防、按需維保等方面都發(fā)揮了重要的作用，還制定了相關(guān)的國家標(biāo)準(zhǔn)和地方標(biāo)準(zhǔn)[3-4]，部分研究還基于雙目深度圖像技術(shù)，能夠?qū)崿F(xiàn)自動扶梯乘客危險行為的識別[5]。但是，大型游樂設(shè)施的基于物聯(lián)網(wǎng)的遠(yuǎn)程監(jiān)測系統(tǒng)的建設(shè)相對滯后，目前少見相關(guān)的學(xué)術(shù)研究報道。

與其他設(shè)備相比，構(gòu)建摩天輪的遠(yuǎn)程監(jiān)測系統(tǒng)具有一定的復(fù)雜性，主要體現(xiàn)在摩天輪的運營工況復(fù)雜，監(jiān)測對象各轎廂相隔較遠(yuǎn)、現(xiàn)場布線不便、周界環(huán)境復(fù)雜、人流量大、信號傳輸要求可靠性高、實時性強、傳輸距離遠(yuǎn)、通信速率高、抗干擾能力強。因此，有必要根據(jù)摩天輪的實際工況，研究并開發(fā)具有高可靠、低成本的遠(yuǎn)程監(jiān)測系統(tǒng)。

2 整體設(shè)計方案

本文將基于目前流行的4G技術(shù)的摩天輪的運營監(jiān)測系統(tǒng)，前端采用電機控制器、位移傳感器、角度傳感器、溫濕度傳感器、煙感傳感器、智能攝像頭作為采集設(shè)備，以4G無線模塊作為信號發(fā)送端，對信號進(jìn)行壓縮，集中傳輸（將來也可進(jìn)行擴展5G通訊方式進(jìn)行信號傳輸），采用PC機作為客戶機進(jìn)行信號的處理與分析、周界環(huán)境的視頻監(jiān)控、摩天輪實時工況的圖形顯示，進(jìn)而達(dá)到實時監(jiān)視的目的。同時，也可利用手機登錄系統(tǒng)界面,遠(yuǎn)程監(jiān)視摩天輪的安全運行。該套大型游樂設(shè)備監(jiān)測系統(tǒng)方案設(shè)計方案如圖1所示。

圖1 基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的摩天輪遠(yuǎn)程監(jiān)測系統(tǒng)框架

3 監(jiān)測實現(xiàn)方案

3.1 實現(xiàn)功能

（1）摩天輪運行狀態(tài)監(jiān)測功能：實時監(jiān)測摩天輪的轎廂姿態(tài)、轎廂內(nèi)空氣狀況、轉(zhuǎn)盤輪緣振幅及頻率、驅(qū)動主機輸出功率等參數(shù)，通過分析這些參數(shù)的變化信息判別摩天輪的工作狀態(tài)，依據(jù)參數(shù)信息進(jìn)行及時的維護保養(yǎng)，提高運行安全穩(wěn)定性。

（2）視頻監(jiān)測功能：基于雙目深度視覺，結(jié)合乘客行為的高魯棒性語義分析，能夠準(zhǔn)確對出入站臺區(qū)域的乘客數(shù)量進(jìn)行精確統(tǒng)計，還能對乘客侵入轎廂運行區(qū)域、摔倒、擁堵等危險行為進(jìn)行智能識別和預(yù)警。

3.2 數(shù)據(jù)采集

為實現(xiàn)摩天輪運行狀態(tài)監(jiān)測功能，需要采集以下幾個部分的實時數(shù)據(jù)。

（1）驅(qū)動模塊

通過電機控制器采集各驅(qū)動電機的電流、電壓、轉(zhuǎn)速等參數(shù)信息，以獲取各驅(qū)動單元的實時電機功率，并對所獲取的參數(shù)信息進(jìn)行參數(shù)分析，為運營管理和維護保養(yǎng)提供基礎(chǔ)運行數(shù)據(jù)，實時監(jiān)控和統(tǒng)計設(shè)備運行時長。

（2）轎廂模塊

通過角度傳感器實時監(jiān)測各轎廂站立面的水平度，以監(jiān)控轎廂吊掛是否發(fā)生卡阻情況避免發(fā)生傾覆；通過溫濕度和煙感傳感器實時獲取轎廂內(nèi)的溫度、濕度變化情況，提升轎廂的宜人度且為火災(zāi)預(yù)警提供參數(shù)依據(jù)；通過紅外人體感應(yīng)傳感器實時檢測轎廂內(nèi)是否有乘客，作為避免轎廂困人的輔助管理決策信號。

（3）輪盤模塊

通過多組位移傳感器檢測驅(qū)動單元彈簧壓緊裝置的位移，從轉(zhuǎn)盤輪緣在驅(qū)動單元約束條件下發(fā)生的位移分析獲得轉(zhuǎn)盤的偏擺振幅、頻率，可判別摩天輪在運行過程中整體形變情況，便于實時、適度維保，指導(dǎo)維護人員的檢修工作及鋼索調(diào)整。

此外，大風(fēng)等氣象條件也是摩天輪運行的影響因素。表1所示為主要的摩天輪狀態(tài)監(jiān)測參數(shù)及傳感器。

表1 摩天輪狀態(tài)監(jiān)測參數(shù)及傳感器

3.3 站臺客流分析及行為識別

為實現(xiàn)站臺客流分析，需要在設(shè)備的游客出口和入口處各安裝1臺內(nèi)置雙目深度相機及報警揚聲器的MD100監(jiān)控終端，2臺監(jiān)控終端可共用1臺MVP200深度視覺信號處理及控制器。結(jié)合摩天輪站臺的實際情況，監(jiān)控終端可安裝在游客出入口投影的正上方，采用吸頂安裝，即可實現(xiàn)站臺出入口客流的精確統(tǒng)計。深度視覺信號處理及控制器可安裝隱藏在設(shè)備操作室內(nèi)。設(shè)備操作室內(nèi)可設(shè)置一臺監(jiān)控大屏用于展示系統(tǒng)運行實時數(shù)據(jù)。

為實現(xiàn)乘客行為識別，需要在摩天輪的每個轎箱外安裝1臺MS150雙目深度相機，通過視頻圖像記錄每個轎廂的人員登、出艙情況，通過智能圖像識別實現(xiàn)站臺人員危險行為（如人員摔倒等）識別、周界防護（摩天輪運行時的安全警戒范圍），獲取危險行為報警。MS150雙目深度相機可安裝在摩天輪轎箱箱體外側(cè)出入口正上方，采用無線通信方式與安裝在設(shè)備操作室內(nèi)的深度視覺信號處理器通信，并且將實時運行數(shù)據(jù)顯示在監(jiān)控大屏上。雙目深度相機利用兩個存在視差的圖像傳感器獲取場景的可見光圖像，通過雙目立體匹配技術(shù)計算圖像場景稠密視差，該計算全部在相機端獨立完成，相機可直接輸出視差圖。由于其采用了全被動感知設(shè)計，不依賴主動結(jié)構(gòu)光投射，擁有很強的環(huán)境光適應(yīng)能力，可用于室內(nèi)微弱光照條件和夏季戶外光照等復(fù)雜場景。深度視覺信號處理及控制器負(fù)責(zé)處理來自監(jiān)控終端深度相機的RGB-D圖像流，基于人工智能算法辨識乘客的不安全行為。站臺客流分析和乘客行為識別方案如圖2所示。

圖2 站臺客流分析和乘客行為識別方案

3.4 數(shù)據(jù)傳輸、歸集與處理

由于摩天輪的轉(zhuǎn)盤直徑很大，而且轎廂在不停地轉(zhuǎn)動，轎廂內(nèi)的數(shù)據(jù)難以用有線的方式實現(xiàn)傳輸，近年來無線網(wǎng)絡(luò)傳輸技術(shù)已日益成熟，因此，摩天輪的轎廂姿態(tài)、轎廂內(nèi)空氣狀況、轉(zhuǎn)盤輪緣振幅及頻率等實時運行狀態(tài)參數(shù)可通過無線模塊進(jìn)行統(tǒng)一的數(shù)據(jù)傳輸。

本次摩天輪遠(yuǎn)程監(jiān)測系統(tǒng)信號傳輸擬采用“I/O模塊”+“4G DTU模塊”方案，其中，I/O模塊完成模擬量輸入、數(shù)字量輸入、數(shù)字量輸出與RS485的雙向信號轉(zhuǎn)換，4G DTU模塊則支持串口（RS485/RS232）轉(zhuǎn)4G（移動/聯(lián)通/電信）信號轉(zhuǎn)換。I/O模塊接收轎廂內(nèi)溫濕度傳感器、角度傳感器、煙霧傳感器、紅外人體感應(yīng)傳感器和門鎖接近開關(guān)輸出的信號，歸集后通過RS485接口轉(zhuǎn)送到4G DTU模塊，由4G DTU模塊對信號進(jìn)行壓縮后經(jīng)由4G運營商公共網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)絇C服務(wù)器端。PC服務(wù)器端不需要連接額外的模塊，能連接互聯(lián)網(wǎng)即可，因此服務(wù)器可設(shè)置在操作室，亦可設(shè)置在辦公區(qū)。系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸方式如圖3所示。

圖3 4G無線通訊結(jié)構(gòu)

PC服務(wù)器的實時監(jiān)控界面采用LabVIEW平臺，通過LabVIEW編程接收4G模塊傳輸?shù)膫鞲袛?shù)據(jù)和圖像信息，主要功能包括信號處理、信息顯示、安全報警、信息查詢、維修建議、數(shù)據(jù)管理與保存等。PC服務(wù)器同時也支持手機APP集中監(jiān)控，手機客戶端可遠(yuǎn)程讀取參數(shù)信息、報警信息、運營信息，實現(xiàn)移動終端信息共享和遠(yuǎn)程多點訪問。

4 結(jié)束語

隨著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的高速發(fā)展，物聯(lián)網(wǎng)已經(jīng)廣泛應(yīng)用于各自大型設(shè)備的遠(yuǎn)程監(jiān)測。摩天輪作為常見的大型游樂設(shè)施，基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)開發(fā)相應(yīng)的遠(yuǎn)程監(jiān)測系統(tǒng)將成為重要的發(fā)展趨勢。本文根據(jù)摩天輪的結(jié)構(gòu)、運行方式、使用環(huán)境等特點，提出了一種基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的摩天輪遠(yuǎn)程監(jiān)測系統(tǒng)，該系統(tǒng)能實時采集摩天輪驅(qū)動主機狀況、輪盤偏幅、轎廂運行姿態(tài)、游客行為狀態(tài)等，并基于實時數(shù)據(jù)構(gòu)建了管理平臺，以便使用管理單位、設(shè)備維護保養(yǎng)單位能實時對設(shè)備狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)測，提高緊急狀態(tài)的預(yù)警和應(yīng)急響應(yīng)能力。后續(xù)還可以基于對長時間監(jiān)測海量數(shù)據(jù)的挖掘，進(jìn)一步提高對設(shè)備故障診斷和事故預(yù)測能力，從而大幅提升設(shè)備的安全管理水平。未來還可以進(jìn)一步形成國家或行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，推動行業(yè)發(fā)展；形成新的產(chǎn)業(yè)形態(tài)，推進(jìn)行業(yè)技術(shù)進(jìn)步。