施寶海

（海南省鍋爐壓力容器與特種設(shè)備檢驗所，海南?？?570203）

0 引言

近年來，我國城市管理部門對公交式自動扶梯的需求越來越大，通過對行人過街天橋、行人隧道根據(jù)過街需求、自動扶梯使用效率等市場調(diào)研數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計，結(jié)合自動扶梯運行中的多種影響因素，進行了市場內(nèi)現(xiàn)有自動扶梯的優(yōu)化設(shè)計和改裝[1]。自動扶梯為人們的出行帶來了便利，也不可避免的存在著一定安全隱患。由于自動扶梯管理員的管理技術(shù)水平存在差異，以及公眾的安全意識不高，自動扶梯的故障率較高，自動扶梯碰撞、滑倒等安全事故的數(shù)量呈現(xiàn)逐年增加的趨勢。

為降低由于自動扶梯故障造成的安全事故，對自動扶梯的運行進行分析，發(fā)現(xiàn)超過80%的故障都是由于自動扶梯電機異常運行導致的。電機是自動扶梯系統(tǒng)的主要構(gòu)成部分，也是驅(qū)動自動扶梯運行的核心構(gòu)件[2]。為提高自動扶梯運行的穩(wěn)定性與可靠性，有關(guān)單位提出了多種可用于監(jiān)控自動扶梯電機的方法，但根據(jù)自動扶梯運營管理方反饋的數(shù)據(jù)可知，現(xiàn)有的方法在實際應用中大多存在缺陷。為解決上述問題，本文引進傳感器信息融合技術(shù)，設(shè)計一種針對自動扶梯電機的全新運行監(jiān)控技術(shù)，保障扶梯的穩(wěn)定運行與使用。

1 基于傳感器信息融合的自動扶梯電機運行數(shù)據(jù)采集

為實現(xiàn)對自動扶梯電機運行的監(jiān)控，引進傳感器信息融合技術(shù)，實現(xiàn)自動扶梯電機運行數(shù)據(jù)的采集。在此過程中，根據(jù)自動扶梯中電機的所在位置，布置多普勒微波雷達傳感器、視頻監(jiān)控攝像機、CCD 工業(yè)相機、紅外傳感器等，建立電機與監(jiān)控終端設(shè)備之間的通信連接。在此過程中，考慮到電機在自動扶梯中具有一定的隱蔽性，為確保監(jiān)測的數(shù)據(jù)可以作為設(shè)施運行故障與異常的參照，需要進行電梯整體結(jié)構(gòu)的勘探，根據(jù)勘探結(jié)果確定自動扶梯電機的具體空間位置[3]。在此基礎(chǔ)上，將自動扶梯電機上的傳感器與計算機設(shè)備建立連接，以此實現(xiàn)對監(jiān)測數(shù)據(jù)的自動、快速接收與發(fā)送[4]。為實現(xiàn)在終端通信模塊和自動扶梯電機設(shè)施管理終端之間建立數(shù)據(jù)通信，采用虛擬串行接口技術(shù)，將終端設(shè)備通過串行接口接入服務器端，實現(xiàn)對自動扶梯電機運行中的實時監(jiān)測、報警及狀態(tài)追蹤，以便應對自動扶梯電機運行中的各種突發(fā)性事故?；趥鞲衅餍畔⑷诤系淖詣臃鎏蓦姍C運行數(shù)據(jù)采集流程如圖1 所示。

圖1 自動扶梯電機運行數(shù)據(jù)采集流程

將多普勒微波雷達傳感器布置在自動扶梯多電機運行的中心位置，采用兩兩對射的布置方式，確保雷達信號對自動扶梯電機的全覆蓋[5]。將紅外傳感器布置在電機運行輻射區(qū)域，自動扶梯電機在運行過程中，電機轉(zhuǎn)子快速運轉(zhuǎn)，會產(chǎn)生一定的熱量，可被紅外傳感器感知。利用CCD 工業(yè)攝像機拍攝視頻、圖像，結(jié)合DSP 芯片對畫面進行處理和探測，利用背景去除技術(shù)識別和探測圖像中的電機運動目標，從而實時監(jiān)測電機運行區(qū)內(nèi)的狀態(tài)，并將獲取的影像資料傳送給后臺控制中心[6]。整合各類傳感器采集的自動扶梯電機運行數(shù)據(jù)，并導出對應的數(shù)據(jù)。

2 數(shù)據(jù)擬合處理

考慮到通過上述方式采集的數(shù)據(jù)可能攜帶噪聲等影響因素，因此，在完成自動扶梯電機運行數(shù)據(jù)采集后，需按照式（1）進行采集數(shù)據(jù)的線性校正[7]。

其中，Y 表示采集數(shù)據(jù)的線性校正；a 表示原始數(shù)據(jù)；X 表示量程起點；b 表示數(shù)據(jù)信號的擴大因子。

將校正后數(shù)據(jù)錄入函數(shù)鏈神經(jīng)網(wǎng)絡，對數(shù)據(jù)進行濾波與降噪等綜合處理，此過程計算公式：

其中，x（Y）表示對校正后數(shù)據(jù)Y 的濾波與降噪等綜合處理；u 表示輸出估計值；W 表示函數(shù)鏈；i 表示標定值；j 表示傳感器采集數(shù)據(jù)之間的連接權(quán)值。

完成上述處理后，對輸出的數(shù)據(jù)進行擬合：

其中，xi（ui）表示輸出數(shù)據(jù)的擬合處理過程；c 表示附加數(shù)據(jù)（傳感器反饋的其他與電機運行相關(guān)的數(shù)據(jù)）；u 表示擬合次數(shù)。

按照上述方式完成數(shù)據(jù)擬合處理，將處理后的數(shù)據(jù)接入通信鏈路，實現(xiàn)對監(jiān)控數(shù)據(jù)的傳輸。

3 自動扶梯電機運行監(jiān)測與實時狀態(tài)跟蹤

考慮到自動扶梯電機在異常運行狀態(tài)下存在不規(guī)律振動，因此，在監(jiān)測中應做好對自動扶梯電機運行實時狀態(tài)的跟蹤，實現(xiàn)對自動扶梯電機運行狀態(tài)的實時監(jiān)控。采集圖像、數(shù)據(jù)、視頻，提取自動扶梯電機運行背景，對背景進行建模，提取背景差分信息，進行電機運行目標區(qū)域的分割。

背景建模常用的是背景平均化、碼書背景、高斯背景建模等，高斯模型可以有效地消除背景的干擾，但是需要大量的運算，很難達到實時性的要求。在自動扶梯電機運行啟動時，先對CCD 相機拍攝的圖像進行碼書背景建模，利用碼書算法對N 幀之后的圖像進行檢測，每隔一段時間更新代碼書模型，并將極少使用的代碼書刪除。采用碼書法獲取當前幀的二值圖，在此基礎(chǔ)上，按照閉合操作消除因噪聲而產(chǎn)生的孤立點，用開運算填補目標內(nèi)部的孔隙[8]?？紤]到電機運行底板的背景比較復雜，因此在前景對象中會有許多非連續(xù)性的區(qū)域。因此，在分割目標區(qū)域圖像時，需要對前景對象進行輪廓提取，然后求出各前景對象的中心位置，對電機運行中的近鄰目標進行匹配，計算公式為：

其中，minC 表示電機運行中的近鄰匹配目標（最小振動幅值）；m 表示匹配次數(shù)。

對電機運行過程中的振動幅值與目標值進行匹配，設(shè)定minC 的取值范圍。當minC 在預設(shè)范圍內(nèi)波動時，說明自動扶梯電機運行無異常振動現(xiàn)象，此時證明電機處于穩(wěn)定運行狀態(tài)；當minC 超出預設(shè)范圍波動時，說明自動扶梯電機運行存在異常振動現(xiàn)象，此時證明電機處于異常運行狀態(tài)。提取此時的狀態(tài)信息，即可實現(xiàn)對自動扶梯電機運行的監(jiān)測與實時狀態(tài)的跟蹤。

4 對比實驗

本文引進傳感器信息融合技術(shù)，完成了自動扶梯電機運行監(jiān)控方法的設(shè)計。為檢驗該監(jiān)控方法的應用效果，本文以某運營管理單位提供的自動扶梯電機樣品為例設(shè)計對比實驗，電機技術(shù)參數(shù)見表1。

表1 自動扶梯電機技術(shù)參數(shù)

使用本文設(shè)計的方法監(jiān)控自動扶梯電機的運行狀態(tài)。在監(jiān)控過程中，根據(jù)實際工作需求將紅外傳感器、雷達傳感器、CCD 工業(yè)相機等按照規(guī)范安裝在測試電機上，并建立電機與監(jiān)控終端設(shè)備之間的通信連接，實現(xiàn)對自動扶梯電機運行數(shù)據(jù)的實時采集。根據(jù)建立的通信信道，進行監(jiān)控數(shù)據(jù)處理與通信傳輸，通過對自動扶梯電機運行的監(jiān)測與實時狀態(tài)的跟蹤，完成本文方法在實驗中的應用。

引進基于CNN+D-S 和BP 神經(jīng)網(wǎng)絡的方法，并選取2 種傳統(tǒng)方法作為對照組。運用采集3 種方法對自動扶梯電機運行監(jiān)測數(shù)據(jù)展開分析。本文將反饋的監(jiān)控數(shù)據(jù)噪聲幅值作為評價監(jiān)控效果的關(guān)鍵指標。截取部分時段3 種方法的監(jiān)控結(jié)果，提取對應時段下的噪聲幅值，結(jié)果如圖2 所示。

圖2 監(jiān)控反饋信號中噪聲的幅值

從圖2 可以看出，使用該方法進行自動扶梯電機運行監(jiān)控，監(jiān)控反饋信號中的噪聲幅值趨近于0，說明該方法可以降低監(jiān)控數(shù)據(jù)中的噪聲，避免由于外界因素干擾影響監(jiān)控結(jié)果。在此基礎(chǔ)上，對傳統(tǒng)方法的監(jiān)控結(jié)果進行分析，分析結(jié)果表明，傳統(tǒng)方法監(jiān)控反饋信號中的噪聲幅值較大，且傳統(tǒng)方法2 監(jiān)控結(jié)果中的噪聲幅值大于傳統(tǒng)方法1 的噪聲幅值。監(jiān)控結(jié)果中攜帶較大噪聲，會影響終端對電機運行狀態(tài)的決策與辨識。因此，可以得出如下結(jié)論：相比傳統(tǒng)方法，本文設(shè)計的基于多傳感器信息融合技術(shù)的電機運行監(jiān)控方法實際應用效果良好，該方法可以降低自動扶梯電機運行監(jiān)控反饋信號中的噪聲幅值，提高監(jiān)控結(jié)果的準確性、真實性與可靠性。

5 結(jié)束語

自動扶梯的環(huán)境特征：主要集中在人流密集、商業(yè)區(qū)、車站周邊；每日運營時間超過20 h；部分自動扶梯在戶外作業(yè)，長期受風沙、雨雪侵蝕，故障率比室內(nèi)扶梯高；乘客手拉行李箱隨人而上的現(xiàn)象時有發(fā)生。為提高自動扶梯電機運行的穩(wěn)定性與可靠性，本文引進傳感器信息融合技術(shù)，通過自動扶梯電機運行數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理與通信傳輸、自動扶梯電機運行監(jiān)測與實時狀態(tài)跟蹤，完成了電機運行監(jiān)控技術(shù)的設(shè)計研究。

完成設(shè)計后，以某運營管理單位提供的自動扶梯電機樣品為對象，展開針對設(shè)計方法的對比實驗，實驗結(jié)果證明：該方法能夠降低自動扶梯電機運行監(jiān)控反饋信號中的噪聲幅值，提高監(jiān)控結(jié)果的準確性、真實性與可靠性，可以在后續(xù)的工作中進行推廣，實現(xiàn)對電機運行狀態(tài)的實時監(jiān)測，減少電機運行異常導致的自動扶梯安全事故。