電梯多業(yè)務物聯(lián)通信網關及綜合管理平臺應用

馬驍，何劍鋒，尹中裕

（中時訊通信建設有限公司，廣州 510030）

0 引言

隨著電梯的安裝量逐年增加，電梯運行的安全監(jiān)管變成需要社會各界共同解決的迫切問題。當前電梯運行存在典型的安全風險有：求救告警網絡鏈路不通暢、消防隱患無法及時發(fā)現、加裝電梯的安全監(jiān)管困難。尤其，加裝電梯由于安裝分散、安全管理機制不嚴謹，危及人身安全的電梯運行風險極高，比如電動車進梯。

電梯系統(tǒng)聯(lián)網管理和運行數據商業(yè)化、公眾服務是必然趨勢。在此方向上，國內外的電梯公司、互聯(lián)網公司以及監(jiān)管部門持續(xù)地進行探索。當前電梯聯(lián)網監(jiān)管大致有3個層次：電子表單的維保記錄系統(tǒng)、物聯(lián)網技術的告警求助系統(tǒng)、以AI視頻分析和物聯(lián)網技術融合的智能運行管理系統(tǒng)。由于融合AI視頻分析和物聯(lián)網技術的電梯智能運營管理系統(tǒng)能夠提供降低人工監(jiān)管需求、實現故障預警和事故告警等技術優(yōu)勢，此方向為行業(yè)認可的發(fā)展方向。

電梯智慧運營能力系統(tǒng)以5G高速無線互聯(lián)網和邊緣大數據處理能力為底座，打造針對特定場景的、開放式行業(yè)應用平臺。此方向良好地契合5G技術部署穩(wěn)步推進、國產芯片以及人工智能研發(fā)能力面向生活場景落地、產生社會價值和經濟效益的大趨勢。

1 系統(tǒng)技術架構

本系統(tǒng)設計方案的核心是采用電梯無侵入式信號通用采集技術和智能采集終端運行分析技術，在電梯轎廂頂部安裝AI攝像頭和物聯(lián)網智能終端，以實現電梯場景實時目標的智能識別。系統(tǒng)通過智能數據終端及AI攝像頭采集并智能識別收集電梯轎廂視頻圖片（大于300張）以及室內火焰、煙霧、電動車圖片進行數據標準，模型訓練，最終得到電梯場景下的AI模型；統(tǒng)計電梯實時乘客及分時段乘客等多項運行數據，通過無線5G網絡或有線傳輸等全網絡模式，將采集到的電梯運行數據、視頻信息傳輸到智能管理平臺。

整套系統(tǒng)采用“智能采集終端+平臺+AI+服務”的技術支撐體系，保障電梯設備安全運行的監(jiān)控、預警、救援、監(jiān)管、運營、維護及業(yè)務聯(lián)動服務的一體化方案?？蓾M足AI識別、一鍵報警、視頻監(jiān)控、視頻對講、WIFI探針采集、人臉身份采集、5G通信、商業(yè)廣告、公益宣傳等應用需求。智慧電梯物聯(lián)系統(tǒng)的技術架構如圖1所示。

圖1 智慧電梯物聯(lián)系統(tǒng)的技術架構

2 系統(tǒng)設備

2.1 智聯(lián)電梯物聯(lián)網終端

智慧電梯物聯(lián)網終端安裝于電梯轎廂頂上，實時監(jiān)測電梯運行安全狀態(tài)，并在故障發(fā)生時能自動報警。該終端內置集成電梯承運質量分析軟件精度的傳感器MPU-6050/9250，與電梯非接觸，可靠性高；可兼容所有品牌垂直電梯，兼容性好。該設備主要功能有：實時采集統(tǒng)計電梯每次運行距離、方向、最大速度、加速度，梯內圖像驗證不同搭乘情景下電梯運行狀況；可導出原始數據做深度分析；電梯運行過程中能實時上傳狀態(tài)數據。

2.2 智慧物聯(lián)網監(jiān)控攝像頭

半球智慧物聯(lián)網監(jiān)控攝像頭安裝于電梯轎廂，監(jiān)測主機內置算法和分發(fā)機制，直接處理視頻信號；視頻信號在主控板上處理和索引保存，有效降低聯(lián)網帶寬需求和費用，不占用云資源，極大降低無效流量。

其主要功能：完成對梯內攝像頭信號進行逐幀處理，通過調用相應的算法引擎，能夠實現人臉特征獲取、行人特征統(tǒng)計、梯內和井道聲光環(huán)境（煙霧、火焰）分析。

2.3 瑞芯rk3399系列國產芯片

瑞芯rk3399系列國產芯片作為視頻處理的邊緣設備，切實執(zhí)行了技術國產自主的國家政策。瑞芯rk3399系列有2款產品rk3399、rk3399pro。其中高端型號rk3399Pro采用CPU+GPU+NPU硬件結構設計的AI芯片，其集成的NPU（神經網絡處理器）融合了Rockchip在機器視覺、語音處理、深度學習等領域的多年經驗。相較傳統(tǒng)芯片，典型深度神經網絡IncepTIon V3、ResNet34、VGG16等模型在rk3399Pro芯片上的運行效果表現出眾，獲近百倍提升。除了專門的AI功能外，rk3399Pro還擁有超強的通用計算性能，其采用big.LITTLE大小核CPU架構，雙核Cortex-A72+四核Cortex-A53，在整體性能、功耗方面具技術領先性；四核ARM高端GPU Mali-T860，集成更多帶寬壓縮技術，整體性能優(yōu)異。

在擴展能力，rk3399Pro更是強大，如：支持雙TypeC接口；雙ISP，單通道最大支持1300萬像素；支持4 096×2 160顯示輸出等功能；支持8路數字麥克風陣列輸入。軟件方面，支持眾多API（應用開發(fā)接口），包括OpenGL ES 1.x/2.x/3.1/3.2、Vulkan 1.0、OpenCL 1.1/1.2、RenderScript等。

2.4 百度飛漿深度學習框架

百度的PaddlePaddle是我國自主研發(fā)、功能完備、開源開放的產業(yè)級深度學習框架。基于此框架，用戶可以在自己的環(huán)境里進行深度學習模型的開發(fā)。在當前版本上，官方支持的動態(tài)圖算法數量達到200+，涵蓋計算機視覺、自然語言處理、語音、推薦等多個領域，并且在動態(tài)圖的訓練效率和部署效率方面都有所提升。當前版本的動態(tài)圖支持了自動混合精度和量化訓練功能，實現了比靜態(tài)圖更簡潔靈活的混合精度訓練接口，達到媲美靜態(tài)圖的混合精度和量化訓練效果。

3 系統(tǒng)設計開發(fā)方法

3.1 研究開發(fā)方法

收集電梯轎廂視頻圖片（大于300張）以及室內火焰、煙霧、電動車圖片進行數據標準，模型訓練，最終得到A電梯場景下的AI模型。部署基于國產rk3399邊緣設備在電梯轎廂頂部和電梯控制室；基于移動互聯(lián)網絡技術，與云端服務器相連，動態(tài)地加載AI模型驗證實時視頻處理能力。按照不同類型的用戶，把電梯運行數據脫敏（比如，遮掩人臉）再進行發(fā)送。

3.2 研究開發(fā)內容

以云、邊、端協(xié)調的技術架構搭建系統(tǒng)平臺。數據中臺在云端的數據中心，以容器、虛擬機等云原生技術實現，包括k8s，docker，python；以國產rk3399邊緣設備在電梯轎廂進行實時視頻AI推理分析和傳感器數據獲取；以5G移動互聯(lián)網技術聯(lián)系不同節(jié)點的數據匯聚到數據平臺和發(fā)送告警圖文到使用者的5G移動設備。

以社會生活密切相關的電梯運行安全場景、綜合驗證AI人工智能技術在國產邊緣設備實現電梯視頻數據采集、AI模型快速開發(fā)、AI系統(tǒng)能力中臺技術。項目主要內容有4個方面。

（1）5G技術下的電梯運行數據（傳感器和視頻）傳輸的經濟效益和用戶體驗。據預測5G時代約85%的業(yè)務流量將發(fā)生在室內場景，室內覆蓋的好壞直接關系到5G室內應用的體驗。電梯廣泛地安裝在商業(yè)樓宇、居民樓宇。以電梯運行數據傳輸效率和用戶體驗作為評估對象，能夠驗證5G技術在樓宇公共空間的覆蓋效能；以及承載AI智能應用、連接邊緣計算設備的效果。

（2）電梯安全AI模型開發(fā)（火焰、煙霧、電動車檢測）。面向特定場景的AI模型開發(fā)具有更高的準確性、也能實現更好的社會和經濟價值。電梯的背景環(huán)境相對單一，因此開發(fā)出的AI檢測模型所需的訓練素材較少、訓練的模型具有較好的廣泛部署能力。

（3）基于國產芯片的邊緣處理設備。當前半導體全球缺芯的背景下，使用國產瑞芯rk3399系列高性能ARM芯片進行電梯運行數據、AI模型推理的即時結果輸出。

（4）面向多類型用戶的電梯運行數據中臺。面向不同用戶（政府監(jiān)管、物業(yè)維保、住戶業(yè)主）提供電梯安全運行數據的中臺能力是云計算技術、AI技術實現社會價值、規(guī)模經營和經濟效益的可持續(xù)發(fā)展之路。通過數據中臺，在確保數據安全、尊重個人隱私的同時，不同類型的用戶能夠有效地使用電梯運行數據進行相應的工作、業(yè)務開展。比如，電梯維保公司獲得電梯每天搭載人數信息，以評估電梯元件壽命；物業(yè)、消防部門及時處置消防事故。

4 系統(tǒng)功能

（1）數據處理

電梯數據采集和處理主機是基于ARM A72架構的四核心高性能低功耗處理器，并且內置了MPU9250運動傳感器。該主機持續(xù)地分析由廣角攝像頭提供的視頻信息：內置的視頻分析算法即時得到電梯搭乘狀態(tài)；6dbi高增益天線用于實現電梯并道與頂部控制室的網絡互聯(lián)。使用視頻傳輸協(xié)議監(jiān)測主機具有同時向多個用戶傳送實時轎廂畫面的能力；監(jiān)測主機具有接收梯內求助按鈕信號和視頻分析自動告警（困梯/梯門故障）的能力；使用獨特的信息分發(fā)機制，能夠以短信/IM API接口形式向不限數量的相關人員發(fā)出告警信息；以TTS語音合成實現規(guī)范的梯內語音播報。

（2）大屏呈現

數據大屏提供多臺電梯信息和各自支持電梯良好服務的業(yè)務流程的可視化功能；管理人員通過分析匯總數據獲取整體協(xié)調的決第依據。本系統(tǒng)針對電梯維保、物業(yè)管理、安全監(jiān)管起供不同維度的數據匯聚和渲染?；谙嗤碾娞葸\行數據（比如維保簽到、搭乘問題求助），和本單位在電梯日常維護和電梯事件的響應效率（比如到達現場時間、處理完結時間）電梯相關責任方能夠客觀地評估組織效率，以達到持續(xù)維持良好的電梯維保水平。

（3）搭乘者體驗

從電梯服務角度，運行管理涉及兩個領域：電氣機械和乘梯環(huán)境。在傳統(tǒng)的電梯運行管理系統(tǒng)，這兩個領域分屬于不同的信息系統(tǒng)。專業(yè)電梯維保公司關注電梯運行數據的收集和分析，以確定電梯安全可靠；物業(yè)維保關注電梯環(huán)境清潔、乘梯人員管理。但是，從搭乘者、電梯所有者和監(jiān)管部門角度，電梯運行質量是各種因素疊加的結果。因此，一個綜合的服務質量評估加上具體問題細分為厘清責任各方協(xié)力提供真實合理的數據模型。面向不同品牌、不同年份、不同維保單位的電梯運行狀態(tài)，復雜的各因素疊加無法給出各方信服的評估結果。基于多年服務質量監(jiān)測領域的技術積累，提出了以時間維度評估電梯運行服務水平的數據模型。

（4）云邊端三體協(xié)同

電梯運行智能管理平臺的目標是全面的電梯運行數起收集，向不同責任關切方提供客觀、真實的數據呈現和事件消息通知。根據電梯運行系統(tǒng)的特有場景，選擇強化邊緣處理能力，視頻數據本地保存和云端應用容器化的系統(tǒng)架構。當前具有視頰監(jiān)控的系統(tǒng)普遍需要持續(xù)網絡帶寬及依賴云端算法處理?；谏羁痰卣J識到視頻應用對帶寬的依賴導致的部署成本上升、網絡資源規(guī)劃復雜和數據隱私顧慮。本系統(tǒng)由轎和頂部的監(jiān)控主機直接管理視頻信號的算法分析、視頻片段索引保存和對外分發(fā)，極大地降低成本和保護搭乖者的數據隱私。

（5）自研技術

電梯運行智能管理平臺基于視頻處理和傳輸技術，在滿足部署成本合理和數據采集全面的開發(fā)需求，選擇在開放的計算平臺上進行算法和任務調度的優(yōu)化。當前電梯運行監(jiān)測主機是全球廣泛使用的ARM A72四核高性能低功耗處理器。監(jiān)測主機直接從轎廂攝像頭和內置運動傳感器獲取數據；以內置算法分析，主機判斷搭乘狀態(tài)并在本地保存。業(yè)務管理系統(tǒng)通過主機消息上報和API機制獲得必要的數據更新。

5 結束語

基于電梯設備的廣泛安裝產生的巨量維保需求，從開始的電梯合理維保、電梯故障告警以致電動車進梯告警。本文以當前國內可用的領先技術元素：5G無線傳輸、瑞芯rk3399系列國產高性能芯片、百度飛漿深度學習平臺并融合多個技術領域最新科研成果解決現實廣泛存在的電梯安全監(jiān)管需求。以5G高速無線互聯(lián)網和邊緣大數據處理能力為底座，打造針對特定場景的、開放式行業(yè)應用平臺。此方向良好地契合5G技術部署穩(wěn)步推進、國產芯片以及人工智能研發(fā)能力面向生活場景落地、產生社會價值和經濟效益的大趨勢。可預見，一個國產自主、技術創(chuàng)新為基礎的電梯智慧運營系統(tǒng)將有廣闊的市場機遇。