基于紅外感應(yīng)的電梯井道防墜落系統(tǒng)研究

謝 飛

（沈陽(yáng)特種設(shè)備檢測(cè)研究院， 遼寧 沈陽(yáng) 541004）

0 引言

隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)建設(shè)的高速發(fā)展， 人們的生活水平不斷提高，高層建筑的建設(shè)與使用越來(lái)越普遍。而對(duì)于高層建筑采用的電梯， 可能會(huì)由于電梯梯門(mén)故障或人為的誤操作導(dǎo)致電梯梯門(mén)意外打開(kāi)， 使得乘客或工作人員不小心墜入電梯井內(nèi)。

可見(jiàn)人員墜落電梯井道事故嚴(yán)重危害著人們的人身安全， 然而目前對(duì)于人員墜落電梯井道事故卻沒(méi)有一種安全可靠的防護(hù)措施。 蒙勇[1]設(shè)計(jì)了一種便于安裝、可周轉(zhuǎn)使用的工具式電梯井，隔斷裝置構(gòu)架分為主梁、次梁，均采用型鋼制作。構(gòu)架主梁是運(yùn)用斜撐固定原理，通過(guò)電梯門(mén)下方混凝土梁， 采用調(diào)節(jié)牛腿限位， 與井壁斜頂固定，確保電梯井施工期間安全。 劉大衛(wèi)等[2]設(shè)計(jì)了一種新型電梯防墜落裝置，墜落狀態(tài)剛發(fā)生，立即動(dòng)作，緩沖制停，其緩沖器起能量轉(zhuǎn)換和緩沖作用，新型防墜落裝置具有制停初速度小，制停過(guò)程平穩(wěn)、安全、可靠，可減少電梯墜落事故， 但是沒(méi)有解決乘客或工作人員不小心墜入電梯井內(nèi)的復(fù)雜安全事故。 孔凡新[3]設(shè)計(jì)了一種垂直升降電梯的新型機(jī)械防墜落機(jī)構(gòu)，利用電梯開(kāi)關(guān)門(mén)過(guò)程中，轎廂門(mén)的位置變化，設(shè)計(jì)一種機(jī)械防墜機(jī)構(gòu)，一端安裝在轎廂門(mén)上，一端固定在電梯井墻壁上。 當(dāng)轎廂門(mén)完全打開(kāi)后，防墜機(jī)構(gòu)作用，使轎廂剛好卡住在墻壁上，保證乘客平穩(wěn)安全的出入。 轎廂門(mén)關(guān)閉后，防墜機(jī)構(gòu)分離，使得電梯的正常運(yùn)行， 但是無(wú)法應(yīng)對(duì)乘客或工作人員不小心墜入電梯井內(nèi)的各種情況。 李成凱等[4]設(shè)計(jì)了一種電梯安全氣囊系統(tǒng)， 提出了地板凹陷式與立柱氣簾組合式電梯安全氣囊方案，避免氣囊張開(kāi)時(shí)乘客與轎廂側(cè)壁發(fā)生碰撞，根據(jù)橋箱框架式結(jié)構(gòu)分布設(shè)計(jì)了2 個(gè)電梯安全氣囊方案，即地板凹陷式電梯安全氣囊方案與立柱氣簾組合式電梯安全氣囊方案， 雖然沒(méi)有解決乘客或工作人員不小心墜入電梯井內(nèi)的復(fù)雜安全事故， 但是其安全氣囊方案是值得研究與參考的。

郝桂麗[5]提出電梯的應(yīng)用越來(lái)越重要，越來(lái)越日常，為了降低人們乘坐電梯的風(fēng)險(xiǎn)， 使目前頻繁出現(xiàn)的電梯悲劇數(shù)量降低， 對(duì)于電梯防墜落的安全問(wèn)題的研究是非常重要的。 因此，我們根據(jù)人員墜落電梯井道事故發(fā)生的各種情況，設(shè)計(jì)了一種電梯井道防墜落系統(tǒng)，本電梯井道防墜落系統(tǒng)主要由傳感器系統(tǒng)、 氣墊裝置以及控制系統(tǒng)組成，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單可靠。無(wú)論受害人員從電梯轎廂上方樓層墜落，還是從電梯轎廂下方樓層墜落，該系統(tǒng)都能夠安全可靠地保證受害人員的人身安全， 有效地解決了人員墜落電梯井道事故產(chǎn)生的人身安全問(wèn)題。 本電梯井道防墜落系統(tǒng)可以加裝在現(xiàn)有的電梯井道內(nèi)， 無(wú)需重新安裝電梯，大大降低了安全措施的成本，并且本電梯井道防墜落系統(tǒng)可以適用于幾乎所有升降電梯，具有很好的適用性。

1 防墜落裝置設(shè)計(jì)

如圖1 所示， 電梯井道防墜落系統(tǒng)的防墜落裝置的設(shè)計(jì)是在現(xiàn)有的電梯轎廂和電梯井內(nèi)加裝傳感器和氣墊機(jī)構(gòu)。 其中，在井道內(nèi)壁上安裝傳感器時(shí)，避開(kāi)電梯轎廂上升與下降時(shí)經(jīng)過(guò)的位置， 防止安裝的傳感器與電梯轎廂的運(yùn)動(dòng)進(jìn)行干涉，影響電梯的正常運(yùn)行；在安裝廂頂氣墊時(shí)，與井道內(nèi)壁之間預(yù)留100mm 的距離，避免電梯轎廂在上升與下降時(shí)，廂頂氣墊與井道內(nèi)壁進(jìn)行摩擦，影響電梯的正常運(yùn)行， 而該距離也可以保證墜落人員的人身安全。 廂頂氣墊與井底氣墊在設(shè)計(jì)時(shí)考慮整個(gè)樓層的高度， 其承載能力根據(jù)樓層最高處的離地高度與多個(gè)人員的總質(zhì)量進(jìn)行選擇， 避免多個(gè)人員意外從樓層的最高處墜落到井底的情況出現(xiàn)。

圖1 防墜落裝置Fig.1 Device for preventing falling

1.1 傳感裝置

傳感器采用的是人體熱釋電紅外傳感器，安裝在每一層樓的電梯井壁上， 位于每一層電梯門(mén)的下方約100mm的位置處， 其探頭方向朝向井道內(nèi)。 被動(dòng)紅外探頭， 其傳感器包含兩個(gè)互相串聯(lián)或并聯(lián)的熱釋電元。 而且制成的兩個(gè)電極化方向正好相反， 環(huán)境背景輻射對(duì)兩個(gè)熱釋元件幾乎具有相同的作用，使其產(chǎn)生釋電效應(yīng)相互抵消，于是探測(cè)器無(wú)信號(hào)輸出。一旦人侵入探測(cè)區(qū)域內(nèi)，人體紅外輻射通過(guò)部分鏡面聚焦，并被熱釋電元接收，但是兩片熱釋電元接收到的熱量不同，熱釋電也不同，不能抵消，經(jīng)信號(hào)處理而報(bào)警。當(dāng)有人員不慎墜入井道時(shí)，傳感器的被動(dòng)式紅外探頭會(huì)探測(cè)到人體發(fā)出的特定波長(zhǎng)的紅外線，人體發(fā)射的9.5μm 紅外線通過(guò)菲涅爾鏡片增強(qiáng)聚集到紅外感應(yīng)源上，紅外感應(yīng)源通常采用熱釋電元件，元件在接收到人體紅外輻射溫度發(fā)生變化時(shí)就會(huì)失去電荷平衡，向外釋放電荷，后續(xù)電路經(jīng)檢測(cè)處理后就能觸發(fā)開(kāi)關(guān)動(dòng)作，發(fā)出信號(hào)。 每層樓的人體熱釋電紅外傳感器都與控制器相連接， 安裝在電梯井道內(nèi)壁的人體熱釋電紅外傳感器發(fā)出的信號(hào)會(huì)被控制器接收到， 使用的人體熱釋電紅外傳感器的基本參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 傳感器參數(shù)Tab.1 The parameters of sensor

1.2 氣墊機(jī)構(gòu)

整個(gè)防墜落裝置包含兩個(gè)氣墊機(jī)構(gòu)， 其中一個(gè)氣墊機(jī)構(gòu)安裝在電梯轎廂的頂部，為廂頂氣墊，另一個(gè)氣墊機(jī)構(gòu)安裝在電梯井道的最底部，為井底氣墊。氣墊機(jī)構(gòu)由氣墊和充氣機(jī)構(gòu)組成。 氣墊由防裂性能好的聚酰胺織物制成，它是一種半硬的泡沫塑料，能承受較大的壓力，經(jīng)過(guò)硫化處理，可減少氣墊沖氣膨脹時(shí)的慣性力，為使氣體密封，氣墊里面涂有涂層材料。充氣裝置是由點(diǎn)火器接收傳來(lái)的電信號(hào)，通過(guò)點(diǎn)火器產(chǎn)生的熱能點(diǎn)燃?xì)怏w發(fā)生劑，沖破壓力閥，釋放大量氣體。 在沒(méi)有出現(xiàn)安全事故時(shí)，廂頂氣墊和井底氣墊的狀態(tài)均為靜默狀態(tài)， 不會(huì)對(duì)電梯的正常運(yùn)行造成影響；而當(dāng)出現(xiàn)安全事故時(shí)，人員意外墜井，廂頂氣墊和井底氣墊會(huì)根據(jù)控制器的信號(hào)彈出其中一個(gè)，彈出的氣墊會(huì)占據(jù)整個(gè)井道大小的面積，以保證意外墜井人員能夠完全墜落到氣墊上。

2 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

人員墜落電梯井道事故分為兩種情況。 第一種是受害人員從電梯轎廂上方樓層墜落， 這種情況下的墜井人員會(huì)墜落到電梯轎廂的頂部， 因此要從電梯轎廂的頂部做出安全措施； 另外一種情況是從電梯轎廂下方樓層墜落，這種情況下的墜井人員會(huì)墜落到電梯井的最底部，因此要從電梯井的最底部做出安全措施。 本電梯井道防墜落系統(tǒng)在設(shè)計(jì)時(shí)同時(shí)考慮到以上兩種情況。 其控制系統(tǒng)原理見(jiàn)圖2。

圖2 控制系統(tǒng)Fig.2 Control system

第一種情況，受害人員從電梯轎廂上方樓層墜落，如圖1 所示，此時(shí)的電梯轎廂位于3 樓處，而人員意外從5樓的電梯門(mén)墜落至電梯井內(nèi)， 意外墜井人員在下落的過(guò)程中， 會(huì)經(jīng)過(guò)5 樓的人體熱釋電紅外傳感器，5 樓的人體熱釋電紅外傳感器從而檢測(cè)到人體發(fā)出的體溫， 人體熱釋電紅外傳感器在檢測(cè)到人體后發(fā)出信號(hào)給控制器，控制器根據(jù)此時(shí)電梯轎廂的位置做出判斷， 由于此時(shí)意外墜落的人員是位于電梯轎廂的上方， 故控制器發(fā)送彈出信號(hào)給廂頂氣墊機(jī)構(gòu)，廂頂氣墊在收到彈出信號(hào)時(shí)，會(huì)做出相應(yīng)的動(dòng)作， 從而使得意外墜井人員還在5 樓的人體熱釋電紅外傳感器位置處時(shí)，廂頂氣墊已經(jīng)迅速?gòu)棾?，意外墜井人員可以安全墜落到廂頂氣墊上。

同理，受害人員從電梯轎廂下方樓層墜落，如圖1 所示，此時(shí)的電梯轎廂位于3 樓處，而人員意外從2 樓的電梯門(mén)墜落至電梯井內(nèi)，意外墜井人員在下落的過(guò)程中，會(huì)經(jīng)過(guò)2 樓的人體熱釋電紅外傳感器，2 樓的人體熱釋電紅外傳感器從而檢測(cè)到人體發(fā)出的體溫， 人體熱釋電紅外傳感器在檢測(cè)到人體后發(fā)出信號(hào)給控制器， 控制器根據(jù)此時(shí)電梯轎廂的位置做出判斷， 由于此時(shí)意外墜落的人員是位于電梯轎廂的下方， 故控制器發(fā)送彈出信號(hào)給井底氣墊機(jī)構(gòu)，井底氣墊在收到彈出信號(hào)時(shí)，會(huì)做出相應(yīng)的動(dòng)作， 從而使得意外墜井人員還在2 樓的人體熱釋電紅外傳感器位置處時(shí)，井底氣墊已經(jīng)迅速?gòu)棾?，意外墜井人員可以安全墜落到井底氣墊上。

3 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

由于本本電梯井道防墜落系統(tǒng)涉及到人的人身安全問(wèn)題，故不能采用人作為實(shí)驗(yàn)對(duì)象，而虛擬仿真實(shí)驗(yàn)缺乏一定的嚴(yán)謹(jǐn)性，無(wú)法完全適用于現(xiàn)實(shí)情況。為了驗(yàn)證本電梯井道防墜落系統(tǒng)的真實(shí)效果， 我們搭建了1∶10 的5 層電梯井道防墜落系統(tǒng)模型進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。 而為了實(shí)驗(yàn)結(jié)果更適用于真實(shí)的情況， 我們使用與人體體溫相近的小白鼠作為實(shí)驗(yàn)對(duì)象，小白鼠正常體溫為36.5℃。 為了更直觀的體現(xiàn)本系統(tǒng)的成功率，讓實(shí)驗(yàn)對(duì)象分別從2 樓、3 樓、4 樓以及5 樓墜落，次數(shù)各100 次，分為人在轎廂上以及人在轎廂下兩種實(shí)驗(yàn)情況，記錄實(shí)驗(yàn)對(duì)象墜落后，氣墊正常彈出，實(shí)驗(yàn)對(duì)象安全墜落到氣墊上的實(shí)驗(yàn)次數(shù)。

電梯轎廂在實(shí)驗(yàn)對(duì)象的下方時(shí)， 實(shí)驗(yàn)對(duì)象的小白鼠從2 樓墜落并安全墜落到彈出的氣墊上的次數(shù)為98 次，實(shí)驗(yàn)對(duì)象的小白鼠從3 樓墜落并安全墜落到彈出的氣墊上的次數(shù)為99 次，實(shí)驗(yàn)對(duì)象的小白鼠從4 樓墜落并安全墜落到彈出的氣墊上的次數(shù)為98 次，實(shí)驗(yàn)對(duì)象的小白鼠從5 樓墜落并安全墜落到彈出的氣墊上的次數(shù)為97 次；電梯轎廂在實(shí)驗(yàn)對(duì)象的上方時(shí)， 實(shí)驗(yàn)對(duì)象的小白鼠從2樓墜落并安全墜落到彈出的氣墊上的次數(shù)為99 次，實(shí)驗(yàn)對(duì)象的小白鼠從3 樓墜落并安全墜落到彈出的氣墊上的次數(shù)為97 次，實(shí)驗(yàn)對(duì)象的小白鼠從4 樓墜落并安全墜落到彈出的氣墊上的次數(shù)為99 次，實(shí)驗(yàn)對(duì)象的小白鼠從5樓墜落并安全墜落到彈出的氣墊上的次數(shù)為99 次。通過(guò)本次對(duì)小白鼠作為實(shí)驗(yàn)對(duì)象， 進(jìn)行本電梯井道防墜落系統(tǒng)的等比例實(shí)驗(yàn)的結(jié)果表明， 本電梯井道防墜落系統(tǒng)成功率可達(dá)到98.25%，其實(shí)驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表2。

表2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果Tab.2 Experimental results

4 效益分析

當(dāng)今電梯的使用已經(jīng)越來(lái)越普遍，確定電梯運(yùn)行過(guò)程中的安全問(wèn)題是電梯安全中一項(xiàng)重要的課題。然而對(duì)于人員意外墜落井內(nèi)的安全問(wèn)題， 目前并沒(méi)有有效的解決方案。本電梯井道防墜落系統(tǒng)解決了人員意外墜落井內(nèi)的安全問(wèn)題，可以加強(qiáng)人們對(duì)電梯安全的信任，大幅度減少由電梯故障產(chǎn)生的安全事故，保障了乘客及工作人員的人身安全，具有廣泛的適用性，產(chǎn)生了顯著的社會(huì)效益。

由于現(xiàn)有的人口增長(zhǎng)迅速， 土地的面積已經(jīng)越來(lái)越不能容納這些人口，因此樓層的增高勢(shì)在必行，而由此而體現(xiàn)出的電梯的應(yīng)用也越來(lái)越重要，越來(lái)越日常，為了降低人們乘坐電梯的風(fēng)險(xiǎn)， 使目前頻繁出現(xiàn)的電梯悲劇數(shù)量降低，對(duì)于電梯安全問(wèn)題的研究仍然是非常重要的，相比于其他的電梯安裝裝置， 本電梯井道防墜落系統(tǒng)僅采用幾個(gè)人體熱釋電紅外傳感器、2 個(gè)氣墊裝置以及1 個(gè)控制器，能夠?qū)崿F(xiàn)其他安全裝置的安全效果。并且本電梯井道防墜落系統(tǒng)可以加裝在現(xiàn)有的電梯井道內(nèi)， 無(wú)需更換現(xiàn)有的電梯。 低成本以及高適用性，可為高層建筑、超高層建筑的電梯安全防護(hù)措施帶來(lái)可觀的效益。

5 結(jié)束語(yǔ)

本電梯井道防墜落系統(tǒng)是在原電梯結(jié)構(gòu)中新增裝置，對(duì)原電梯機(jī)構(gòu)及安全保護(hù)裝置不做改變，加強(qiáng)了現(xiàn)有電梯安全的保護(hù)，增加了電梯的安全系數(shù)。本電梯井道防墜落系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及原理簡(jiǎn)單，安全可靠。

根據(jù)本電梯井道防墜落系統(tǒng)的等比例實(shí)驗(yàn)的結(jié)果表明，本電梯井道防墜落系統(tǒng)成功率可達(dá)到98.25%。 本電梯井道防墜落系統(tǒng)可以準(zhǔn)確地保障墜井人員的人身安全，基本可以做到零失誤，并可以通過(guò)加裝人體熱釋電紅外傳感器提高本電梯井道防墜落系統(tǒng)的成功率， 真正做到零失誤。高層建筑采用的電梯， 可能會(huì)由于電梯梯門(mén)故障或人為的誤操作導(dǎo)致電梯梯門(mén)意外打開(kāi)，使得乘客或工作人員不小心墜入電梯井內(nèi)， 對(duì)于這種電梯安全問(wèn)題情況的發(fā)生， 本電梯井道防墜落系統(tǒng)同時(shí)有效地解決人從電梯轎廂上方及下方墜落井道的安全問(wèn)題， 為電梯安全與管理做出了一種可行的系統(tǒng)研究與設(shè)計(jì)。 本電梯井道防墜落系統(tǒng)可以加裝在現(xiàn)有的電梯井道內(nèi)，無(wú)需重新安裝電梯，大大降低了安全措施的成本。 并且本電梯井道防墜落系統(tǒng)可以適用于幾乎所有升降電梯，一旦推廣，可為所有升降電梯的安全問(wèn)題保駕護(hù)航。希望此套機(jī)械防墜落機(jī)構(gòu)能夠?qū)窈蟮碾娞菰O(shè)計(jì)提供幫助和參考，使我們的電梯更安全。