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智能自动扶梯的应用研究与发展思考

摘要:自动扶梯上乘客摔倒、逆向行走、携带婴儿车乘梯、出口拥堵、驱动链断裂导致逆转等危险行为或危险状态是自动扶梯日常使用中重要的危险源。应用人工智能技术和更可靠保护的安全功能,能使自动扶梯更加智能、安全、可靠,能够有效应对上述危险源,为乘客提供安全、便利的服务。

关键词:智能自动扶梯;人工智能;安全功能;更新改造;发展趋势


动扶梯被广泛用于商场、酒店、医院、机场、车站、地铁站点等公共场所,已成为现代建筑不可或缺的组成部分。截至2019年底,国内在用电梯(含自动扶梯类产品)总量达到709万台,自动扶梯类产品的台数约占其中的10%~20%左右,数量巨大。在日常运营中,自动扶梯并非始终保持满负荷运行状态,尤其是商场、酒店等诸多场所的自动扶梯大多数时间是处于空载状态。为节约能源、延长机械部件的寿命,主流制造商都陆续开发了变频自动扶梯,目前已得到广泛应用。但这类自动扶梯除了具有一定的节能效果外,并不具备智能交互功能,因此笔者将这类自动扶梯统称为“传统自动扶梯”。随着科技和社会的不断发展,越来越多的新技术、新模式应用到传统行业的产品中来。本文中笔者结合上海三菱电梯有限公司最新推出的“SmartK-II智能自动扶梯”,对智能自动扶梯的应用研究及发展进行探讨。

1  智能自动扶梯的特点

相比传统自动扶梯,智能自动扶梯通过智能传感、智能控制、智能交互及智能物联技术(见图1),使自动扶梯在运行过程中对外界环境及乘客行为的变化进行智能感知、决策判断,并进行适应性调整;以产品、监控、维保3个维度的智能化应用,提升自动扶梯的安全性。

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1.1  产品智能化

上海三菱电梯最新推出的SmartK-II智能自动扶梯,在自动扶梯的扶手入口处安装了集成多种功能的智能终端(见图2),该终端配置有摄像头、光照度传感器、雨量传感器等多种监测设备,通过后台数据处理可实现危险行为识别、智能语音播报、智能照明控制、智能润滑等多种智能功能;并且同时具备传统变频自动扶梯的运行方向和状态显示功能;还可通过LCD 屏可实时显示多种警示图标(见图3),配合语音播报装置的声音提示,使各个年龄段的乘客轻松了解自动扶梯智能终端传递的各类信息。

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1.1.1  危险行为识别及警示

大量事故案例显示,乘客的危险行为如逆向行走、携带婴儿车乘坐、孩童在扶手入口区域玩耍是导致自动扶梯事故的主要危险源。目前传统自动扶梯所采取的在自动扶梯出入口附近设置“小孩必须拉住”“禁止使用手推车”等安全标志虽然有一定的警示作用,但效果有限。

通过深度学习图像识别技术、TOF(Time-of-Flight)技术的应用,将上述这些危险行为进行有效识别,通过持续的语音播报和在终端上显示警示图标(见图3)提醒乘客注意、取消危险行为,可以大幅减少此类事故的发生。

1.1.2  智能语音播报装置

大多数传统自动扶梯语音播报音量不能自动调整,乘坐自动扶梯时常常会发现如环境安静语音播报的音量让人感到异常响亮,但在环境嘈杂时又模糊不清、听不清楚,这样的语音播报效果不太理想。采取实时监视环境音量,结合智能滤波控制算法,根据环境噪声自适应调整播报音量,可达到在环境嘈杂时声音洪亮、环境安静时舒适静谧的理想播报效果。经验证,当保持语音播报音量比实测环境噪声高8~12dB(A)的自适应调整设定,可以妥善解决环境噪声和播报音量不匹配的问题。

1.1.3  智能照明控制

智能照明控制是对环境的光照度进行实时监测,并结合自动扶梯的使用环境、营运时间设置及环境光照度对自动扶梯的装潢类照明系统进行自动开启或关闭。该功能既能使自动扶梯根据需要提供恰当照明,又可以根据预先设置的时间自动关闭非营运时间段的照明,减少了能源消耗;由于不需要人工开启或关闭,节省了管理的人工支出,提高了乘客乘行安全。

1.1.4  智能润滑系统和智能运行状态控制(适用于室外自动扶梯)

自动扶梯上使用的多种链条需要有效的润滑才能保证良好的性能,达到预期使用寿命。智能润滑系统的工作原理是应用雨量传感器对室外自动扶梯所处环境的降雨情况进行实时监测,降雨时不进行自动加油操作,停止下雨后自动扶梯各种链条自动加油润滑;并重新自动计算下次自动加油的开启时间,可保证对自动扶梯链条的始终有效润滑。

另外,因降雨会造成自动扶梯梯级踏面、楼层板表面及周围地面湿滑,容易造成人员摔倒,借助雨量传感器对降雨情况的监控,通过语音播报提醒乘客注意地面的湿滑,或者采用控制、调整自动扶梯的运行状态以减少乘客因降雨地面湿滑而摔倒的事故发生。

1.1.5  扶手带智能杀菌消毒

乘客在乘坐自动扶梯时需要紧握扶手带以达到安全乘梯的目的,扶手带因此也非常容易沾染各种细菌或病毒。2018年香港媒体曾在香港地铁沙田站自动扶梯进行测试,结果表明:当乘客触摸扶手带后,其总菌落的数量达到了740CFU,为触摸前的70倍。

扶手带智能杀菌装置(见图4)利用适当波长紫外线照射扶手带表面后,可破坏细菌、病毒等病原体微生物机体细胞中的DNA(脱氧核糖核酸)或RNA(核糖核酸)分子结构以使其死亡或不能复制繁衍的原理,起到杀菌消毒的功能。将智能杀菌消毒装置安装在自动扶梯的内部,与乘客接触到的扶手栏杆区域隔离,不会造成乘客手指夹入杀菌消毒装置的伤害事故发生;结合智能控制方式,根据自动扶梯实际运营情况制订相应的定时杀菌消毒策略,可保证自动扶梯扶手带的卫生,让乘客乘行自动扶梯更加放心、安全。

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1.2  监控智能化(SmartEye自动扶梯智能监控系统)

经对自动扶梯日常管理进行调研分析,上海三菱电梯推出了慧眼(SmartEye)自动扶梯智能监控系统(见图5),引入智能图像传感技术、智能控制技术、智能交互技术、智能物联技术,实现对自动扶梯的智能监控。该系统采用人工智能技术将监控系统的作用由“被动追溯”提升到“主动干预”,帮助业主提高运营效率、加强运营管理。针对乘客流量的监控分析,可确认合理的维保周期,实现按需维保。系统架构见图6。针对智能自动扶梯的日常运营,可实现以下功能:(1)自动扶梯智能状态监控(危险行为识别与警示);(2)自动扶梯智能早晚开/关梯与故障预诊断服务;(3)自动扶梯自适应音量的语音播报;(4)故障履历、操作履历、通行履历、交通流量履历记录与统计;(5)历史运行状态回放;(6)与楼宇监控系统对接。

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该系统在上海地铁汉中路站(2018年8月~2019年2月)19台自动扶梯的运行试点测试证明:实现了乘客跌倒、出入口拥堵等紧急状态的智能监视;当系统监测到异常状态时,会在监控室内发出警报信号,由专业的管理人员根据视频中的情况判断是否需要进行操作;需要紧急停止自动扶梯时,可操作监控屏附带的实体紧急停止按钮切断目标自动扶梯的安全回路,立即制停自动扶梯以确保安全。试点测试证明自动扶梯采用监控智能化技术,大幅提高了紧急状态应急响应的专业性、及时性和安全性。

1.3  维保智能化(预测性维护技术)

传统自动扶梯的维护由于缺少使用情况及关键部件性能的持续监控数据,在日常维护时,无法客观评估自动扶梯潜藏的部件失效风险;而故障往往是发生在自动扶梯运营高峰和高负荷时期,除了可能带来的乘客伤害外,故障停梯检修对日常的运营也会造成很大的影响。维保智能化技术通过对自动扶梯关键性能指标(如制停距离、变频器温度、扶手带速度、振动等)进行持续监测,在部件性能发生劣化至“亚健康状态”时,在最近一次维保中采取预测性维护对策,可避免关键部件性能进一步劣化达到发生故障停梯的程度。正常维护工作在自动扶梯非营运时段开展,可充分保障运营时段的运输安全和有序。

采用预测性维护对策的维保智能化技术见图7。

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2  安全功能的介绍

将智能传感、智能控制、智能交互及智能物联技术应用于自动扶梯,让智能自动扶梯拥有了传统自动扶梯所不具备的智能感知与判断能力,使自动扶梯更加智能、安全。但是,我们并不能因此忽视安全功能的作用。安全功能就如同人体的免疫系统,自动扶梯一旦发生异常,可靠、有效的安全功能可及时检出异常,并让自动扶梯采取相应有效措施,避免伤害事故发生或进一步扩大,对保障乘客的安全是极其重要的。

2.1  非操纵逆转

GB16899-2011《自动扶梯和自动人行道的制造与安装安全规范》第5.4.2.3.1条对超速和非操纵逆转保护的要求如下:自动扶梯和自动人行道应在速度超过名义速度的1.2倍之前自动停止运行;如果采用速度限制装置,该装置应能在速度超过名义速度的1.2倍之前切断自动扶梯或自动人行道的电源。第5.4.2.3.2条规定:自动扶梯和倾斜角α≥6°的倾斜式自动人行道应设置一个装置,使其在梯级、踏板或胶带改变规定运行方向时自动停止运行。

自动扶梯速度及运行方向的监测方式,根据检测元件的位置,大致分为两种:(1)设置在电动机轴、飞轮或减速机输入轴上,即监测传动系统中驱动链之前的部分,对驱动主轴或梯级速度进行间接监测;(2)设置在驱动主轴或梯级上,即监测传动系统中驱动链之后的部分,对驱动主轴或梯级速度进行直接监测。

采用间接监测或直接监测方法都能符合标准的要求,因直接监测(设置在驱动主轴或梯级侧)存在较多技术难点,大多数自动扶梯制造商采用间接监测方法。图8为目前应用较多的安装在驱动主机飞轮侧的间接监测方法。传感器除监视电动机转速外,根据两个传感器输出波形进入重叠区的先后(见图9)可监测运行方向。

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2  安全功能的介绍

将智能传感、智能控制、智能交互及智能物联技术应用于自动扶梯,让智能自动扶梯拥有了传统自动扶梯所不具备的智能感知与判断能力,使自动扶梯更加智能、安全。但是,我们并不能因此忽视安全功能的作用。安全功能就如同人体的免疫系统,自动扶梯一旦发生异常,可靠、有效的安全功能可及时检出异常,并让自动扶梯采取相应有效措施,避免伤害事故发生或进一步扩大,对保障乘客的安全是极其重要的。

2.1  非操纵逆转

GB16899-2011《自动扶梯和自动人行道的制造与安装安全规范》第5.4.2.3.1条对超速和非操纵逆转保护的要求如下:自动扶梯和自动人行道应在速度超过名义速度的1.2倍之前自动停止运行;如果采用速度限制装置,该装置应能在速度超过名义速度的1.2倍之前切断自动扶梯或自动人行道的电源。第5.4.2.3.2条规定:自动扶梯和倾斜角α≥6°的倾斜式自动人行道应设置一个装置,使其在梯级、踏板或胶带改变规定运行方向时自动停止运行。

自动扶梯速度及运行方向的监测方式,根据检测元件的位置,大致分为两种:(1)设置在电动机轴、飞轮或减速机输入轴上,即监测传动系统中驱动链之前的部分,对驱动主轴或梯级速度进行间接监测;(2)设置在驱动主轴或梯级上,即监测传动系统中驱动链之后的部分,对驱动主轴或梯级速度进行直接监测。

采用间接监测或直接监测方法都能符合标准的要求,因直接监测(设置在驱动主轴或梯级侧)存在较多技术难点,大多数自动扶梯制造商采用间接监测方法。图8为目前应用较多的安装在驱动主机飞轮侧的间接监测方法。传感器除监视电动机转速外,根据两个传感器输出波形进入重叠区的先后(见图9)可监测运行方向。

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2  安全功能的介绍

将智能传感、智能控制、智能交互及智能物联技术应用于自动扶梯,让智能自动扶梯拥有了传统自动扶梯所不具备的智能感知与判断能力,使自动扶梯更加智能、安全。但是,我们并不能因此忽视安全功能的作用。安全功能就如同人体的免疫系统,自动扶梯一旦发生异常,可靠、有效的安全功能可及时检出异常,并让自动扶梯采取相应有效措施,避免伤害事故发生或进一步扩大,对保障乘客的安全是极其重要的。

2.1  非操纵逆转

GB16899-2011《自动扶梯和自动人行道的制造与安装安全规范》第5.4.2.3.1条对超速和非操纵逆转保护的要求如下:自动扶梯和自动人行道应在速度超过名义速度的1.2倍之前自动停止运行;如果采用速度限制装置,该装置应能在速度超过名义速度的1.2倍之前切断自动扶梯或自动人行道的电源。第5.4.2.3.2条规定:自动扶梯和倾斜角α≥6°的倾斜式自动人行道应设置一个装置,使其在梯级、踏板或胶带改变规定运行方向时自动停止运行。

自动扶梯速度及运行方向的监测方式,根据检测元件的位置,大致分为两种:(1)设置在电动机轴、飞轮或减速机输入轴上,即监测传动系统中驱动链之前的部分,对驱动主轴或梯级速度进行间接监测;(2)设置在驱动主轴或梯级上,即监测传动系统中驱动链之后的部分,对驱动主轴或梯级速度进行直接监测。

采用间接监测或直接监测方法都能符合标准的要求,因直接监测(设置在驱动主轴或梯级侧)存在较多技术难点,大多数自动扶梯制造商采用间接监测方法。图8为目前应用较多的安装在驱动主机飞轮侧的间接监测方法。传感器除监视电动机转速外,根据两个传感器输出波形进入重叠区的先后(见图9)可监测运行方向。

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2.3  附加制动器调试

GB16899-2011第5.4.2.2.2条新增了附加制动器动作时的减速度不应超过1m/s2的要求,目的是为了降低附加制动器制动时因减速度过大可能导致的人员摔倒风险。目前,各大主流品牌自动扶梯的附加制动器工作原理接近:在驱动主轴上装配可随驱动主轴同步转动的棘轮,棘轮依靠摩擦力矩与驱动主轴连接,摩擦力矩的大小由制动力矩设定螺栓(母)调整设定;附加制动器作用时,制动执行装置的顶杆卡入棘轮齿槽内,棘轮被限制转动,依靠棘轮与驱动主轴之间预设的摩擦力矩制停自动扶梯。制动前棘轮与驱动主轴之间相对静止为静摩擦,制动时棘轮发生转动时是动摩擦。目前,附加制动器制动力矩预设常用方法是用预定的紧固力矩去拧紧制动力矩设定螺栓(母),部分厂商会采用拉力计测量棘轮相对驱动主轴发生转动时的转动力作为附加制动器制动力矩的复核验收。螺栓(母)的紧固力矩T与紧固产生的轴向力F之间的关系可用公式T=KFd(K为拧紧力矩系数,d为螺纹的公称直径)来表示。拧紧力矩系数K由于与螺纹规格、螺纹升螺纹的当量摩擦角、联结件的摩擦表面状况等多种因素有关,因此采用紧固力矩控制轴向力的方法精度较低,误差一般约为±25%。由于静摩擦系数与动摩擦系数之间存在差异,而且附加制动器的制动力矩还受各相关配合件的加工精度、装配精度等因素影响,采用拉力计测量得到棘轮刚发生转动时的制动力矩,与附加制动器实际动作时的制动力矩也存在较大的偏差。

上海三菱电梯对每台配置有附加制动器的驱动主轴出厂前都采用动态力矩法进行调试设定,确保一旦发生紧急制动时,既能有效制动自动扶梯,又能确保制动减速度不过大造成乘客摔倒。附加制动器动力矩调试装置见图12。具体调试方法如下:将力矩传感器连接驱动主轴与测试主机,驱动主机配置较大转动惯量的飞轮,使整个系统转动惯量与自动扶梯产品保持一致;当驱动主轴达到目标转速后,切断测试主机和附加制动器的电源使附加制动器动作,驱动主轴因附加制动器的制动从目标转速减速至零,通过力矩传感器记录从目标转速减速至零过程的制动力矩,取力矩平均值作为动态制动力矩值。这种调试设定方法模拟产品实际工况,通过精确设定附加制动器制动力矩,可确保附加制动器动作时自动扶梯减速度符合标准要求,提高了安全性。

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2.4  梯级防跳

在GB16899-2011中,对梯级性能提出了很高的要求,并在动载试验中增加扭转要求。GB16899-2011第5.3.3.3.1.2条对扭转试验规定为:梯级的设计应使其结构能承受相当于引起梯级随动滚轮中心有±2mm圆弧位移的等效扭转载荷,该圆弧以梯级链滚轮中心为中心。上述±2mm的位移是基于梯级随动滚轮与梯级链滚轮之间400mm的中心距,当400mm中心距改变时,该位移与中心距的比例应保持不变。为满足标准的测试要求,梯级在考虑设计安全余量上,一侧的随动滚轮相对另一侧滚轮的位移量会大于4mm。

在GB16899-2011第5.3.4条中另外规定了梯级、踏板和胶带的导向要求:梯级或踏板偏离其导向系统的侧向位移,在任何一侧不应大于4mm,在两侧测得的总和不应大于7mm。对于垂直位移,梯级和踏板不应大于4mm,胶带不应大于6mm。为满足此项要求,自动扶梯制造商都在自动扶梯的载客段配置防跳压轨或防跳钩,但是为了节省成本,一些厂商采取配置单侧的防跳压轨或防跳钩的方案。在产品验收时,如将梯级整体抬升,由于作用力小梯级未发生扭转变形,安装单侧防跳压轨或防跳钩满足垂直位移不大于4mm的要求;但自动扶梯在实际使用时,当相邻两个梯级之间在无防跳压轨或防跳钩的一侧有异物(如鞋子)卡入时,由于自动扶梯持续运行使梯级抬升的力很大,会使梯级发生扭转变形,导致在该侧梯级的垂直位移会超过4mm,存在安全隐患。

针对上述情况,上海三菱电梯的自动扶梯产品均采用两侧防跳压轨或防跳钩的结构。SmartK-II智能自动扶梯的梯级防跳结构进行了进一步改进:将梯级防抬起工作面集成在主梯路导轨上,确保了可抬起量的精确,两侧的梯级滚轮支架上都设置防跳钩(见图13);相较于需要人工装配、调整压轨与防跳钩相对位置的结构,SmartK-II自动扶梯的防跳工作面与梯级防跳钩之间的位置是由机加工的精度保证,所以相比其它结构配合更精确可靠。

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3  智能自动扶梯的更新需求

上海三菱电梯曾统计了56636台出厂的自动扶梯类产品梯龄分布,见表1。按时间推算到现在,接近半数的梯龄已达到10年以上。如以国内自动扶梯市场总量考虑,10年以上的老旧自动扶梯数量巨大。

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面对日益扩大的自动扶梯更新改造需求,各自动扶梯制造商都将目光聚焦于这块市场。上海三菱电梯一直以来都十分关注老旧自动扶梯的更新改造,因此对Smart K-II智能自动扶梯开展了小土建尺寸的结构设计,与目前主流厂商的最新产品相比也极具优势。因此,上海三菱电梯可提供的自动扶梯“保留桁架”更新改造具有下列优势。

(1)“保留桁架”改造相比“拆旧装新”改造,受原桁架的尺寸空间限制,实现的技术难度更高;但是由于不受起吊条件限制,不用破坏自动扶梯上部的装潢吊顶和自动扶梯周围的地面,也不需要考虑自动扶梯进出场地的影响,因此改造自由度大、总费用低。

(2)智能自动扶梯所有功能都可加装;将传统自动扶梯升级改造为新型的智能自动扶梯,具备了前文所述的诸多新功能,进一步提升了安全性,满足人们安全出行的需求。

4  智能自动扶梯的发展思考

新技术、新功能在自动扶梯上不断应用,使自动扶梯更加智能、更加安全,这必然是自动扶梯将来的发展方向。上海三菱电梯基于对自动扶梯产品定位、应用需求的深入分析与理解,在自动扶梯智能化道路上迈出了一小步,对于将来的智能自动扶梯发展方向也有以下的一些思考。

(1)随着国家将人工智能上升到国家战略地位,必将催生更多的新技术、新产品、新业态、新模式,作为传统行业的从业者,应该给予更多的关注,加大对语音识别、计算机视觉、深度学习领域的研究与投入,在充分挖掘、分析各相关方的需求基础上,将人工智能与传统的电梯行业产品快速融合,加快传统行业转型升级、提质增效。

(2)人工智能本身是多学科的高度融合,不仅有传统技术与数据科学的融合,还有从数据采集到数据存储、分析、应用、自动控制等过程的融合,相对传统行业的技术跨度较大,需要不同技术领域的专业人才加入。在初期难以马上形成专业能力的情况下,采取与高校、专业公司合作的模式,可加快新技术与传统行业的快速转化与融合。

(3)人工智能及物联网等新技术、新工艺在特种设备中的运用,应符合相关特种设备法规标准的要求;对超出现有法规标准的,需充分评估新技术应用可能带来的附加风险,同时结合行业内外的技术专家的分析讨论和建议,提请相关主管部门进行等效安全评价。

5  结语

智能自动扶梯在使用、监控、维保过程中对于外界环境、设备本身以及乘客行为的变化进行智能感知、决策判断,并进行适应性调整;针对乘客的流量监控合理优化维保周期,实现按需维保;对自动扶梯关键性能指标进行持续监测,对发生劣化的部件发出更换预警,实现预测性维护;不局限于满足标准的最低要求,通过对自动扶梯实际使用中可能存在的风险进行分析,应用更多可靠的安全功能以确保自动扶梯的安全运行;以“保留桁架”的更新改造方式让老旧自动扶梯升级换代,重新焕发出新的生命力,以确保人们的安全出行,以上都是现阶段智能自动扶梯的应用研究方向。上海三菱电梯前期对智能自动扶梯的功能需求进行了充分调研并进行了深入开发,已将上述介绍的各项新技术与新功能都应用于最新推出的SmartK-II智能自动扶梯。

随着行业内将更多目光聚焦于自动扶梯的智能化升级,我们相信会涌现越来越多新技术、新业态、新模式,这将会促进整个电梯行业的整体提高与快速发展。


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