馮金奎 于宗營(yíng) 馮 云 李 兵 吳占穩(wěn) 王小輪

（1.國(guó)家市場(chǎng)監(jiān)管重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室（特種設(shè)備安全與節(jié)能），中國(guó)特種設(shè)備檢測(cè)研究院 北京 100029）

（2.武漢理工大學(xué) 交通與物流工程學(xué)院 武漢 430070）

電梯作為建筑物內(nèi)主要運(yùn)輸工具，已經(jīng)成為人們?nèi)粘Ｉ钪胁豢苫蛉钡囊徊糠諿1]。據(jù)國(guó)家市場(chǎng)監(jiān)督管理總局公開數(shù)據(jù)，中國(guó)電梯每天運(yùn)送超過20 億人次，電梯與公眾日常工作、生活密切相關(guān)，直接關(guān)系人民群眾人身和財(cái)產(chǎn)安全。中國(guó)電梯具有使用頻率高、運(yùn)行時(shí)間長(zhǎng)、使用環(huán)境復(fù)雜等特點(diǎn)[2]。目前，我國(guó)運(yùn)行15 年以上的老舊電梯已達(dá)73.68 萬(wàn)臺(tái)，并以每年10%左右的速度增加，預(yù)計(jì)到2035 年可達(dá)860 萬(wàn)臺(tái)[3]，電梯逐年“老齡化”，并且已經(jīng)集中進(jìn)入故障多發(fā)期。

制動(dòng)器是電梯不可或缺的重要安全裝置之一[4]，其主要功能是在電梯平層時(shí)，實(shí)現(xiàn)失電制動(dòng)，確保乘梯人員安全上下電梯[5]。此外，制動(dòng)器集上行超速保護(hù)、轎廂意外移動(dòng)保護(hù)等多項(xiàng)安全功能為一體。電梯安全事故中多數(shù)是由于制動(dòng)器失效而引起，發(fā)生嚴(yán)重問題時(shí)可造成重大的人身傷亡和財(cái)產(chǎn)損失[6]。為了減少電梯制動(dòng)器故障、事故帶來的人員傷亡事故，新出廠的電梯通過底層機(jī)電設(shè)計(jì)多數(shù)已具有制動(dòng)器制動(dòng)性能監(jiān)測(cè)功能[7]，但占據(jù)市場(chǎng)上絕大多數(shù)的老舊電梯難以按照新電梯的監(jiān)測(cè)方法實(shí)現(xiàn)制動(dòng)器制動(dòng)性能的監(jiān)測(cè)。

1 電梯制動(dòng)器的常見型式

目前電梯常見的主機(jī)制動(dòng)器分為鼓式制動(dòng)器和盤式制動(dòng)器。

1.1 電梯鼓式制動(dòng)器

電梯鼓式制動(dòng)器是以圓柱形的被制動(dòng)部分的制動(dòng)面作為特點(diǎn)，以圓柱形表面作為摩擦副接觸面的制動(dòng)器[8]，其中鼓式制動(dòng)器分為杠桿鼓式制動(dòng)器和直壓鼓式制動(dòng)器。

杠桿鼓式制動(dòng)器的被制動(dòng)部件是制動(dòng)輪圓柱面，制動(dòng)元件是有導(dǎo)向的壓縮彈簧，力是通過杠桿放大后作用于制動(dòng)面上。

直壓鼓式制動(dòng)器的被制動(dòng)部件是制動(dòng)輪圓柱面，制動(dòng)元件是有導(dǎo)向的壓縮彈簧，力的作用方式是直接作用于制動(dòng)輪外圓柱面。

1.2 電梯盤式制動(dòng)器

盤式制動(dòng)器是指用圓盤的端面作為摩擦副接觸面的制動(dòng)器[4]，盤式制動(dòng)器又分為鉗盤式制動(dòng)器和軸向盤式制動(dòng)器。

鉗盤式制動(dòng)器的摩擦材料（制動(dòng)襯）僅能覆蓋制動(dòng)面摩擦區(qū)域的一部分，且制動(dòng)元件的作用力以鉗夾的方式施加在制動(dòng)面。

軸向盤式制動(dòng)器的摩擦材料全部覆蓋制動(dòng)面摩擦區(qū)域，且制動(dòng)元件的作用力以軸向推壓的方式施加在制動(dòng)面。

2 電梯制動(dòng)器的運(yùn)行保障現(xiàn)狀

長(zhǎng)期以來，電梯制動(dòng)器產(chǎn)品定型階段，由電梯型式試驗(yàn)機(jī)構(gòu)在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)專業(yè)設(shè)備上完成制動(dòng)器性能試驗(yàn)測(cè)試。電梯已安裝于建筑物內(nèi)的階段，多是通過加載規(guī)定載荷或空載，通過轎廂制停距離間接實(shí)現(xiàn)制動(dòng)器性能測(cè)試。但上述方法存在以下弊端：

1）定型階段的測(cè)試方法不適用于已安裝在建筑物內(nèi)的電梯；

2）轎廂制停距離是曳引性能與制動(dòng)性能的綜合表現(xiàn)，直接用來表征制動(dòng)器制動(dòng)性能不科學(xué)，如制停距離過長(zhǎng)有可能是制動(dòng)性能低，也有可能是制動(dòng)性能過高導(dǎo)致鋼絲繩與曳引輪產(chǎn)生了過多的滑移；

3）需要搬運(yùn)大量砝碼，浪費(fèi)人力，影響檢驗(yàn)效率；

4）過多依賴檢驗(yàn)人員經(jīng)驗(yàn)去定性判斷，存在誤檢、漏檢的風(fēng)險(xiǎn)。

為此，有學(xué)者針對(duì)已安裝于建筑物內(nèi)的電梯提出了檢測(cè)、監(jiān)測(cè)的方法，常用方法是通過加裝接觸式傳感器實(shí)現(xiàn)電梯制動(dòng)器制動(dòng)性能檢測(cè)、監(jiān)測(cè)，但加裝傳感器的方式多是通過改造電梯制動(dòng)器（包括制動(dòng)臂、閘瓦、彈簧、制動(dòng)線圈等）、改變電梯控制電路甚至干預(yù)電梯安全回路等。電梯制動(dòng)器是一個(gè)對(duì)穩(wěn)定性能要求極高的關(guān)鍵部件，直接改造的方式無法估計(jì)對(duì)電梯安全性能的影響，存在巨大的責(zé)任風(fēng)險(xiǎn)。此外，改變電梯制動(dòng)器、控制電路、安全回路等部件的狀態(tài)可能還會(huì)面臨電梯制造廠家驗(yàn)證、型式試驗(yàn)、監(jiān)督檢驗(yàn)、定期檢驗(yàn)、功能安全認(rèn)證等一系列環(huán)節(jié)，實(shí)際操作起來較困難，難以實(shí)際應(yīng)用。因此，本研究提出了基于圖像處理的電梯制動(dòng)器監(jiān)測(cè)方法，該方法是一種非接觸式監(jiān)測(cè)方法，監(jiān)測(cè)過程中不改造電梯制動(dòng)器、不改變電梯控制電路、不干預(yù)安全回路。

3 基于圖像處理的電梯制動(dòng)器監(jiān)測(cè)基本原理

電梯制動(dòng)器通常有打開和閉合2 種工作狀態(tài)。電梯啟動(dòng)和停止過程中，制動(dòng)器在閉合和打開2 種狀態(tài)之間變換；電梯運(yùn)行時(shí)，制動(dòng)器保持打開狀態(tài)。制動(dòng)器的制動(dòng)性能可以通過制動(dòng)輪旋轉(zhuǎn)的不同參數(shù)來表征，具體通過圖像采集系統(tǒng)采集電梯不同工作狀態(tài)下制動(dòng)輪的圖像，應(yīng)用圖像的傅里葉頻譜分析、LSD 直線段檢測(cè)等方法，綜合確定圖像的實(shí)際旋轉(zhuǎn)角度，并根據(jù)角度與時(shí)間的關(guān)系以及歷史數(shù)據(jù)判斷制動(dòng)器的運(yùn)行狀態(tài)。

3.1 二維離散傅里葉變換

二維離散傅里葉變換是將圖像從空間域轉(zhuǎn)換到頻域的變換方法[9]。圖像實(shí)質(zhì)上是二維矩陣。將空間域的圖像轉(zhuǎn)換到頻域能夠更直觀地觀察和處理圖像，也更有利于進(jìn)行頻域?yàn)V波等操作。

二維離散傅里葉變換公式見式（1）。式中f（x，y）代表一幅大小為M×N 的矩陣，F(xiàn)（u，ν）表示f（x，y）的傅里葉變換，可以轉(zhuǎn)換為三角函數(shù)表示方法，其中u和ν 可用于確定正余弦的頻率。利用式（2）和式（3）可以得到F（u，ν）的相位譜和功率譜。

式中：

Re，Im——分別表示取函數(shù)的實(shí)部和虛部運(yùn)算。

3.2 圖像的傅里葉頻譜分析

根據(jù)圖像的空間域和頻域具有相映射的關(guān)系，圖像經(jīng)過傅里葉變換后再經(jīng)過圖像平移可獲得具有紋理特征的頻譜圖，頻譜圖的中心明亮部分代表原圖像的低頻部分，頻譜圖的明亮直線可代表原圖像的主紋理方向[10-11]。

圖像旋轉(zhuǎn)后，根據(jù)傅里葉變換公式（4）可獲得傅里葉變換公式（5）。

圖像旋轉(zhuǎn)后其對(duì)應(yīng)的功率譜P（u，ν）發(fā)生相對(duì)應(yīng)的變化，由此可見，傅里葉變換對(duì)圖像旋轉(zhuǎn)敏感。多數(shù)圖像經(jīng)過傅里葉變換后，所生成的頻譜圖中都有亮度較高且過中心的1 條或多條直線，該頻譜圖為原圖像的專屬特征，且該直線與空間域中的邊緣直線互相垂直?？臻g域的圖像旋轉(zhuǎn)后的特征會(huì)直接反映在傅里葉變換平移變化后的頻譜圖中，因此，可以利用圖像傅里葉變換平移后的頻譜圖來檢測(cè)圖像的實(shí)際旋轉(zhuǎn)角度[9]。

3.3 旋轉(zhuǎn)角的計(jì)算

通常圖像經(jīng)傅里葉變換后的頻譜圖中會(huì)出現(xiàn)1 條或多條明亮的直線，若人工在圖像中增加與背景色區(qū)別明顯的線條，則頻譜圖通常僅會(huì)產(chǎn)生1 條明亮的直線垂直于線條直線邊緣，則該直線的方向確定為圖像的主方向。在同一圓形感興趣區(qū)域（ROI）內(nèi)，通過Matlab 軟件將旋轉(zhuǎn)前后的2 幅圖像分別進(jìn)行LSD 直線段檢測(cè)，分別得到2 條直線的斜率K1和K2，通過式（6）求解直線的轉(zhuǎn)向角θ，進(jìn)而求出制動(dòng)輪旋轉(zhuǎn)角度時(shí)程。

4 基于圖像處理的電梯制動(dòng)器監(jiān)測(cè)方法

基于圖像處理的電梯制動(dòng)器監(jiān)測(cè)方法利用圖像采集系統(tǒng)采集電梯制動(dòng)器制動(dòng)過程中的制動(dòng)輪旋轉(zhuǎn)圖像，通過計(jì)算處理獲得制動(dòng)輪實(shí)際旋轉(zhuǎn)角度，根據(jù)綜合計(jì)算結(jié)果判斷制動(dòng)器性能變化情況。具體監(jiān)測(cè)方法如下：

1）選擇合適的位置固定圖像采集系統(tǒng)，使鏡頭光軸盡可能與制動(dòng)輪中心軸位于同一直線（見圖1），減少制動(dòng)輪成像過程帶來的計(jì)算誤差。

圖1 現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際測(cè)量電梯曳引主機(jī)

2）為避免非旋轉(zhuǎn)圖像引入頻譜圖誤差，設(shè)置圖像中的圓形感興趣區(qū)域（ROI）（見圖1 中紅色圓圈），制動(dòng)輪盡量覆蓋圖像采集系統(tǒng)視野中央，選擇合適的幀率和畫質(zhì)，并使用直流光源補(bǔ)光。

3）從電梯啟動(dòng)開始采集圖像，電梯穩(wěn)定停止后，結(jié)束圖像采集。

4）為更好地確定圖像的主方向，模擬在制動(dòng)輪上噴涂與背景色區(qū)別明顯的線條，該圖像經(jīng)傅里葉變換后的頻譜圖僅會(huì)產(chǎn)生1 條明亮的直線，圖像及其傅里葉頻譜圖見圖2（a）、圖2（b）。

圖2 旋轉(zhuǎn)前后圖像、傅里葉頻譜圖及LSD 直線段檢測(cè)

5）將頻譜圖進(jìn)行灰度處理，通過Matlab 軟件進(jìn)行LSD 直線段檢測(cè)，見圖2（c），根據(jù)直線的參數(shù)篩選出表示制動(dòng)輪主方向的直線。根據(jù)連續(xù)幀圖像中主方向直線的斜率計(jì)算求出旋轉(zhuǎn)角度，最終確定制動(dòng)輪隨時(shí)間轉(zhuǎn)動(dòng)的情況。

6）通過累加不同時(shí)間段范圍內(nèi)的旋轉(zhuǎn)角度，可求出相應(yīng)階段總的旋轉(zhuǎn)角度。如電梯的正常運(yùn)轉(zhuǎn)—制動(dòng)—停止過程中所有圖片旋轉(zhuǎn)角度依次相加，可獲取電梯本次制動(dòng)過程中制動(dòng)輪的旋轉(zhuǎn)角度，可用來表征本次的制停距離。隨著監(jiān)測(cè)電梯制動(dòng)次數(shù)的增加，如制動(dòng)過程中的旋轉(zhuǎn)角度穩(wěn)定在一定百分比閾值范圍內(nèi)則認(rèn)為制停距離正常，反之則認(rèn)為制動(dòng)器制停距離異常，發(fā)出制停距離異常情況報(bào)警。

7）通過前述方法獲得不同狀態(tài)下制動(dòng)輪的旋轉(zhuǎn)角度情況，對(duì)旋轉(zhuǎn)角度進(jìn)行基于時(shí)間的一階、二階、三階求導(dǎo)分別得到制動(dòng)輪的角速度、角加速度、角變加速度。

8）通過制動(dòng)輪角速度表征電梯運(yùn)行速度，隨著監(jiān)測(cè)電梯運(yùn)行次數(shù)的增加，如運(yùn)行中的角速度穩(wěn)定在一定百分比閾值范圍內(nèi)則認(rèn)為運(yùn)行速度正常，反之則認(rèn)為運(yùn)行速度異常，發(fā)出運(yùn)行速度異常報(bào)警。

9）通過制動(dòng)輪角加速度表征電梯啟動(dòng)加速度和制停減速度，隨著監(jiān)測(cè)電梯運(yùn)行次數(shù)的增加，如制動(dòng)輪角加速度穩(wěn)定在一定百分比閾值范圍內(nèi)則認(rèn)為電梯啟動(dòng)或制停正常，反之則認(rèn)為電梯啟動(dòng)或制停異常，發(fā)出電梯運(yùn)行加速度異常報(bào)警。

10）通過制動(dòng)輪角變加速度表征電梯啟動(dòng)和制停過程的平穩(wěn)性，隨著監(jiān)測(cè)電梯運(yùn)行次數(shù)的增加，如制動(dòng)輪角變加速度直線斜率穩(wěn)定在一定百分比閾值范圍內(nèi)則認(rèn)為電梯運(yùn)行平穩(wěn)，反之則認(rèn)為電梯啟動(dòng)或制停異常，發(fā)出電梯啟動(dòng)或制動(dòng)平穩(wěn)性異常報(bào)警。

11）若出現(xiàn)連續(xù)報(bào)警且監(jiān)測(cè)參數(shù)超出閾值范圍較大百分比的情況，則可切斷層站召喚裝置電路，外部人員無法選層控制電梯，避免了電梯帶病運(yùn)行。

12）切斷層站召喚裝置電路，不屬于改變電梯控制電路、接入安全電路等情況，按國(guó)家規(guī)定屬于一般維修，由電梯維保人員進(jìn)行施工即可，不需要進(jìn)行監(jiān)督檢驗(yàn)、定期檢驗(yàn)、功能安全認(rèn)證等環(huán)節(jié)。

5 結(jié)果驗(yàn)證

為更好地驗(yàn)證所提出監(jiān)測(cè)方法的有效性，本文開展了相關(guān)模擬實(shí)驗(yàn)。需要特別說明的是監(jiān)測(cè)方法適用于前后2 張圖片旋轉(zhuǎn)小于180°的情況，因此，圖像采集系統(tǒng)的采樣頻率至少高于2 倍主機(jī)旋轉(zhuǎn)頻率。為了便于實(shí)際測(cè)量曳引輪旋轉(zhuǎn)角度以及圖片主方向的確定，通過軟件處理模擬在曳引輪上噴涂黑色直線進(jìn)行標(biāo)記，見圖2（a）。通過軟件精確設(shè)置噴涂后圖片旋轉(zhuǎn)60°，見圖2（d）。將灰度化的圖2（a）和圖2（d）進(jìn)行傅里葉變換分別得到圖2（b）和圖2（e），再通過LSD 直線段檢測(cè)分別求圖2（c）和圖2（f）中主直線的斜率，計(jì)算求出旋轉(zhuǎn)角度為59.599 0°，誤差為0.67%。模擬實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明了基于圖像處理的制動(dòng)器制動(dòng)輪旋轉(zhuǎn)情況監(jiān)測(cè)方法的有效性。

6 結(jié)論

本文提出了一種基于圖像處理的電梯制動(dòng)器監(jiān)測(cè)方法，通過圖像采集系統(tǒng)采集電梯制動(dòng)器制動(dòng)過程中的制動(dòng)輪旋轉(zhuǎn)圖像，應(yīng)用圖像的傅里葉頻譜分析，依據(jù)頻譜圖與圖像的紋理圖像的對(duì)應(yīng)關(guān)系，確定圖像的實(shí)際旋轉(zhuǎn)角度。判斷制動(dòng)輪角速度、角加速度、角變加速度，并對(duì)比歷次數(shù)據(jù)判斷分析制動(dòng)情況。該方法不需要圖像標(biāo)定與手動(dòng)特征識(shí)別，不需要坐標(biāo)定位，也不需要測(cè)量曳引輪直徑，僅需露出制動(dòng)輪盤即可實(shí)現(xiàn)電梯制動(dòng)器的監(jiān)測(cè)，實(shí)現(xiàn)了非破壞性電梯制動(dòng)器的監(jiān)測(cè)，對(duì)提高電梯安全水平，預(yù)防和減少電梯事故具有重要意義。