曾遠(yuǎn)躍

（福建省特種設(shè)備檢驗(yàn)研究院泉州分院，福建 泉州 362000）

新時(shí)期，為了提高建筑產(chǎn)品生產(chǎn)制造的總體質(zhì)量，首先需要提升建筑電氣工程質(zhì)量。以電梯為例，近幾年伴隨著電梯安裝總量的持續(xù)增長與電梯安全管理升級(jí)，電梯安全問題備受關(guān)注。通過分析近幾年國內(nèi)發(fā)生的電梯安全事故，技術(shù)方面原因主要集中在電梯層門、轎廂門方面，其中，因電梯層門、轎廂門開關(guān)短接，開關(guān)門故障等造成的傷害事故率高達(dá)80%之多。所以，在高質(zhì)量發(fā)展階段，應(yīng)該借助計(jì)算機(jī)機(jī)器視覺技術(shù)設(shè)計(jì)一套電梯轎廂門狀態(tài)識(shí)別系統(tǒng)。具體分析如下。

1 電梯轎廂門狀態(tài)識(shí)別方式概述

電梯制造國家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的電梯層門、轎門鎖緊狀態(tài)的識(shí)別驗(yàn)證技術(shù)方面，現(xiàn)階段主要是通過電氣開關(guān)及門鎖鉤來驗(yàn)證，采取機(jī)器人識(shí)別門狀態(tài)，屬于新技術(shù)應(yīng)用。下面分別對(duì)電氣開關(guān)驗(yàn)證門鎖狀態(tài)識(shí)別技術(shù)、傳感器識(shí)別技術(shù)、現(xiàn)代機(jī)器人門狀態(tài)識(shí)別技術(shù)展開說明。

1.1 電氣開關(guān)驗(yàn)證門鎖狀態(tài)識(shí)別技術(shù)

以通過電氣開關(guān)來驗(yàn)證門鎖狀態(tài)識(shí)別技術(shù)為例，現(xiàn)代電梯中的層門設(shè)置了層門機(jī)械鎖及電氣驗(yàn)證開關(guān)，轎廂門設(shè)置有轎門電氣開關(guān)，雖然從應(yīng)用技術(shù)上講，可以滿足識(shí)別與安全的需求。但是，由于一些人為疏忽和電氣故障等因素的影響，部分電梯開門走梯的現(xiàn)象仍有發(fā)生，極容易造成人員墜落、剪切事故發(fā)生，存在一定的安全隱患。

1.2 傳感器識(shí)別技術(shù)

以觸發(fā)傳感器為主的監(jiān)控方案，雖然在效用上能夠增強(qiáng)視頻圖像信息采集的智能化水平，并實(shí)現(xiàn)對(duì)圖像的初步分析。但是，由于電梯控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)在安裝傳感器后趨于復(fù)雜化，應(yīng)用后的效用顯示，普遍存在反應(yīng)速度不足、分辨率不高的現(xiàn)象。

1.3 機(jī)器人識(shí)別技術(shù)

自從2018 年電梯行業(yè)實(shí)施“互聯(lián)網(wǎng)+”改革以來，通過加大技術(shù)研發(fā)、設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)的投入比例，目前已經(jīng)創(chuàng)新了諸多以機(jī)器人為主的識(shí)別系統(tǒng)。首先，電梯轎廂內(nèi)設(shè)置了攝像頭設(shè)備，增強(qiáng)了對(duì)監(jiān)控視頻圖像的獲取效率與效果，并且代替了傳感器的安裝及應(yīng)用。其次，在狀態(tài)識(shí)別方面，借助計(jì)算機(jī)（機(jī)器人）的智能識(shí)別完成識(shí)別任務(wù)，并快速發(fā)起預(yù)警響應(yīng)等。

2 人數(shù)檢測系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案

2.1 概況說明

本文從安裝易操作、識(shí)別智能化的角度，對(duì)電梯轎廂門狀態(tài)識(shí)別系統(tǒng)應(yīng)用方案進(jìn)行了設(shè)計(jì)。根據(jù)硬件與軟件的功能預(yù)設(shè)，本次設(shè)計(jì)方案中選擇了Cortex-A9作為系統(tǒng)硬件處理器。同時(shí)，由于軟件處理中需要開源設(shè)置，增強(qiáng)其接口功能，本次設(shè)計(jì)中選擇了ARM-Linux（通過移植OpenCV 實(shí)現(xiàn)）作為系統(tǒng)軟件處理器。另外，根據(jù)減少運(yùn)行量、提高計(jì)算效率的需要，在算法方面選擇了Hough 線變換算法。最終的總體設(shè)計(jì)方案中按照人數(shù)檢測系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)踐。

2.2 人數(shù)檢測系統(tǒng)設(shè)計(jì)

首先，在系統(tǒng)硬件架構(gòu)中，總體設(shè)計(jì)方案中采用了“USB+ARM”。需要注意的是，進(jìn)入到夜間，或者電梯內(nèi)的燈光發(fā)生異常時(shí)，會(huì)影響到圖像采集效果。因此，本次選擇的USB 攝像頭具備紅外攝像功能。其次，通過將OpenCV 移植到ARM-Linux 系統(tǒng)，設(shè)置應(yīng)用軟件。再次，由V4L2 完成USB 攝像頭的視頻圖像采集后，可以憑借計(jì)算機(jī)視覺的電梯轎廂門狀態(tài)識(shí)別算法于ARM 上完成識(shí)別操作。最后，系統(tǒng)總設(shè)計(jì)方案由硬件層、應(yīng)用層、軟件層3 部分構(gòu)成，分述如下。

硬件層主要由電梯轎廂、USB 攝像頭、USB2.0 接口電路（電路中的核心板為Exynos44012 處理器）組成，操作中重點(diǎn)借助7 個(gè)模塊共同構(gòu)成系統(tǒng)硬件平臺(tái)框架。其中包括復(fù)位及時(shí)鐘電路、SD 卡儲(chǔ)存模塊、RS232 串口模擬、Cortex-A9、Wi-Fi 無線模塊、下載調(diào)試電路、USB 攝像頭模塊。應(yīng)用層主要包括了驅(qū)動(dòng)程序、BootLoader（基礎(chǔ)為U-Boot）、文件系統(tǒng)（選擇了Yaffs）、Linux 內(nèi)核（以3.0.8 版本為準(zhǔn)）、V4L2核心和基本庫。軟件層主要由視頻采集、OpenCV、電梯轎廂門識(shí)別算法構(gòu)成，其中的應(yīng)用程序編寫主要依據(jù)“OpenCV+算法”方案。

3 搭建系統(tǒng)開發(fā)平臺(tái)

搭建系統(tǒng)開發(fā)平臺(tái)后軟件才能有效發(fā)揮其效用，本次設(shè)計(jì)中制作了BootLoader，移植了Linux 內(nèi)核、根文件系統(tǒng)、OpenCV。分述如下。

3.1 制作BootLoader

制作BootLoader 的目標(biāo)十分明確，其功能定位包括滿足系統(tǒng)配置要求、合理分配內(nèi)存空間、輔助完成啟動(dòng)硬件初始化工作。所以，制作BootLoader 是為了更好地牽引操作系統(tǒng)內(nèi)核。在制作時(shí)主要通過移植方式完成操作，共分為4 項(xiàng)內(nèi)容或步驟：①對(duì)下載的u-boot.tat.bz2 文件進(jìn)行解壓處理；②在對(duì)編譯腳本進(jìn)行修改的基礎(chǔ)上，完成平臺(tái)信息（指Exynos4412）添加工作；③對(duì)編譯所需文件、交叉編譯所需文件進(jìn)行準(zhǔn)確選擇；④通過對(duì)編譯方案的執(zhí)行，生成文件u-boot.tat.bin。

3.2 移植Linux 內(nèi)核

本次設(shè)計(jì)中選擇了Linux3.0.8 版本，因此，在系統(tǒng)內(nèi)核確定后，按照標(biāo)準(zhǔn)移植操作流程進(jìn)行了移植，共有3 項(xiàng)內(nèi)容或步驟：①在網(wǎng)頁下載官方版源代碼Linux 3.0.8 20 11111 8.tar.gz，根據(jù)提示解壓并完成安裝操作。②清除無效積累文件。③按照開發(fā)平臺(tái)需要配置了ARM，同時(shí)對(duì)NandFlash 分區(qū)表進(jìn)行了修改處理，并在修改內(nèi)核配置文件后進(jìn)行命令解壓操作。需要注意的是，命令解壓需要以配置與編譯內(nèi)核為前提條件。

3.3 移植根文件系統(tǒng)

由于Yaffs 文件系統(tǒng)的比較優(yōu)勢主要集中在移植效用與應(yīng)用于嵌入式系統(tǒng)2 大方面，因而本次軟件配置中選擇了該文件系統(tǒng)，用以滿足轎廂人數(shù)檢測需求。移植中包括了4 項(xiàng)內(nèi)容或步驟，分別為設(shè)置目錄、設(shè)置設(shè)備文件、設(shè)置配置文件和設(shè)置內(nèi)核模塊。

3.4 移植OpenCV

OpenCV 的本質(zhì)通常被描述為視覺庫，具體指的是具有“開源”“跨平臺(tái)”“計(jì)算機(jī)”構(gòu)成要素的視覺庫。從應(yīng)用范圍看，適用性較好，能夠適用于MacOS操作系統(tǒng)、Windows 操作系統(tǒng)和Linux 操作系統(tǒng)。在應(yīng)用語言方面，主要以C 語言或C++語言為準(zhǔn)。將計(jì)算機(jī)視覺庫移植到ARM 上，相當(dāng)于為系統(tǒng)安裝了一雙“智慧之眼”，因此，移植過程十分關(guān)鍵。從目前的移植操作看主要包括4 項(xiàng)內(nèi)容或步驟：①在網(wǎng)頁下載opencv-3.1.0.zip，或應(yīng)用購買的安裝有opencv-3.1.0.zip的USB 存儲(chǔ)設(shè)備進(jìn)行下載，然后進(jìn)行解壓。②根據(jù)目錄中的提示要求完成對(duì)Makefile 配置信息的編寫工作。③選擇匹配的編譯器，使其滿足以交叉編譯需求。例如，在本次方案中可以選擇C 編譯器，也可以選擇C++編譯器。選擇前者之時(shí)應(yīng)該選擇一個(gè)以“arm-arago-linux-gnueab-igcc”為準(zhǔn)的工具鏈；選擇后者時(shí)，則應(yīng)該對(duì)應(yīng)的選擇“arm-arago-linux-gnueab-i g++”作為工具鏈。④為了實(shí)現(xiàn)對(duì)頭文件、庫的搜索與查詢目標(biāo)，需要借助交叉編譯器進(jìn)行根目錄設(shè)置。

4 設(shè)置圖像采集程序

首先，在USB 攝像頭采集視頻圖像過程中，為了提高采集的智能化水平及效果，通常會(huì)選擇一些輔助性的編程技術(shù)。例如，在本次電梯轎廂門狀態(tài)識(shí)別系統(tǒng)設(shè)計(jì)中對(duì)于圖像采集程序的設(shè)置，就選擇了滿足UVC 免驅(qū)USB 設(shè)備的編程框架V4L2。具體的圖像采集主要以函數(shù)編程模式為準(zhǔn)，其中，其步驟如下：打開設(shè)備—視頻制式、幀格式設(shè)置—緩沖區(qū)、物理內(nèi)在分配—數(shù)據(jù)讀取—數(shù)據(jù)處理—設(shè)備關(guān)閉。

其次，在圖像采集程序確定后，就需要在進(jìn)入開始狀態(tài)后按部就班地進(jìn)行操作。例如，從開始到初始化，再到進(jìn)入“啟動(dòng)Ⅰ/O 開關(guān)”之后，才算真正進(jìn)入到了采集圖像狀態(tài)。需要注意的是，在啟動(dòng)Ⅰ/O 開關(guān)后采集圖像中必須在等待一幀圖像采集完成后再對(duì)視頻圖像進(jìn)行處理，進(jìn)而完成對(duì)電梯轎廂門狀態(tài)的識(shí)別任務(wù)。識(shí)別工作完成后需要設(shè)置一個(gè)“停止采集（？）”環(huán)節(jié)，當(dāng)選擇“NO”時(shí)，則進(jìn)入到啟動(dòng)Ⅰ/O 開關(guān)與采集圖像環(huán)節(jié)，并實(shí)施自動(dòng)采集；當(dāng)選擇“YES”時(shí)，則停止采集圖像，然后關(guān)閉視頻設(shè)備，結(jié)束程序。

5 開發(fā)電梯轎廂門狀態(tài)識(shí)別系統(tǒng)

5.1 電梯轎廂門狀態(tài)識(shí)別流程

本次研究中以基于Hough 線變換的算法為準(zhǔn)進(jìn)行識(shí)別，整個(gè)系統(tǒng)識(shí)別系統(tǒng)設(shè)計(jì)中主要按照Exynos4412驅(qū)動(dòng)— USB 攝像頭— V4L2 采集圖像信息—ARM-Linux 系統(tǒng)預(yù)處理圖像。具體的預(yù)處理內(nèi)容主要包括2 大部分：一部分是去灰度，另一部分是去噪聲。完成圖像預(yù)處理后可以借助邊緣檢測完成對(duì)邊緣圖像的獲取。但是，由于邊緣圖像效果通常較差，所以，為了提高邊緣效果，通常會(huì)采用有膨脹處理方法。并在獲取清晰的邊緣圖像條件下，利用基于Hough 的算法完成對(duì)電梯轎廂門狀態(tài)的識(shí)別。需要注意的是，在基于Hough 的電梯轎廂門狀態(tài)識(shí)別算法應(yīng)用后進(jìn)入到是否檢測完畢環(huán)節(jié)，當(dāng)選擇“Yes”時(shí)，會(huì)進(jìn)入輸出電梯門狀態(tài)環(huán)節(jié)并結(jié)束識(shí)別流程；當(dāng)選擇“No”時(shí)，則直接進(jìn)入到圖像邊緣檢測、膨脹處理環(huán)節(jié)，進(jìn)入到下一輪的自動(dòng)識(shí)別流程。

5.2 電梯轎廂門狀態(tài)識(shí)別算法

從原理上看，Hough 線變換就是通過Hough 參數(shù)空間、圖像空間的點(diǎn)與線中存在的對(duì)偶關(guān)系完成符合比較，而且，直角坐標(biāo)系與極坐標(biāo)之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系可以借助數(shù)學(xué)方程進(jìn)行表示，以直角坐標(biāo)系為例，其方程通常表示為=+。以極坐標(biāo)為例，其方程可以寫成=cos+sin，其中，為到原點(diǎn)的距離，為軸與垂線形成的夾角。具體而言，電梯轎廂左右門處于關(guān)閉狀態(tài)時(shí)，門縫具有直線特征，根據(jù)Hough 線變換表決原理，方程中的線可以對(duì)應(yīng)到極坐標(biāo)方程中的點(diǎn)或曲線上。因此應(yīng)用它能夠在確定的區(qū)域內(nèi)進(jìn)行精準(zhǔn)搜索，并提高識(shí)別效率。

5.3 電梯轎廂門狀態(tài)識(shí)別系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)

由于識(shí)別系統(tǒng)的核心集中到了識(shí)別算法的實(shí)現(xiàn)上，所以，在電梯轎廂門狀態(tài)識(shí)別系統(tǒng)硬件、軟件配置齊全的情況下，對(duì)于識(shí)別算法的具體實(shí)現(xiàn)，主要包括圖像去噪、檢測獲取邊緣圖像、轎廂寬度計(jì)算、建立坐標(biāo)系、確定目標(biāo)區(qū)域、應(yīng)用累計(jì)概率Hough 變換、判定檢測直線是否存在連續(xù)性并超過預(yù)設(shè)長度，并結(jié)束檢測。分述如下：①本次設(shè)計(jì)中借助圖像平滑（5×5 方形窗口的中值濾波器）進(jìn)行圖像去噪。②系統(tǒng)中選擇了Canny 算法進(jìn)行獲取邊緣圖像時(shí)的檢測方法。③用角點(diǎn)檢測方法完成對(duì)轎廂寬度的計(jì)算。④目標(biāo)區(qū)域確定為“S”，具體按照坐標(biāo)系獲取門縫所在區(qū)域并對(duì)其進(jìn)行命名。⑤在目標(biāo)區(qū)域內(nèi)實(shí)施Hough 變換，對(duì)于霍夫變換的范圍需要進(jìn)行限定，以此減少計(jì)算量。⑥在目標(biāo)區(qū)域進(jìn)行“設(shè)定長度”的判定時(shí)，以10 cm為單位進(jìn)行判斷，若存在至少1 條直線大于該數(shù)值，則將識(shí)別結(jié)果確定為“關(guān)”狀態(tài)；相反，則確定其處于“開”狀態(tài)。⑦結(jié)束檢測。

6 結(jié)束語

總之，新時(shí)期人們?cè)鰪?qiáng)了對(duì)電梯安全管理的重視。從當(dāng)前階段的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)看，在全球工業(yè)化改革背景下增強(qiáng)機(jī)器人視角下的電梯轎廂門識(shí)別系統(tǒng)研發(fā)，既有助于化解事故風(fēng)險(xiǎn)，也可以提升電梯運(yùn)行方面的智能控制水平。而且，由于上述系統(tǒng)應(yīng)用的算法精度較高，在適用性方面可以滿足不同環(huán)境下的識(shí)別需求。需要注意的是，機(jī)器人視角下的電梯轎廂門狀態(tài)識(shí)別系統(tǒng)設(shè)計(jì)中不僅應(yīng)用了與其相關(guān)的計(jì)算機(jī)技術(shù)、數(shù)據(jù)分析計(jì)算，而且，從整體上改變了設(shè)計(jì)思維方式。