基于傳感器信息融合的自動(dòng)扶梯電機(jī)運(yùn)行監(jiān)控技術(shù)

施寶海

（海南省鍋爐壓力容器與特種設(shè)備檢驗(yàn)所，海南海口 570203）

0 引言

近年來(lái)，我國(guó)城市管理部門對(duì)公交式自動(dòng)扶梯的需求越來(lái)越大，通過(guò)對(duì)行人過(guò)街天橋、行人隧道根據(jù)過(guò)街需求、自動(dòng)扶梯使用效率等市場(chǎng)調(diào)研數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，結(jié)合自動(dòng)扶梯運(yùn)行中的多種影響因素，進(jìn)行了市場(chǎng)內(nèi)現(xiàn)有自動(dòng)扶梯的優(yōu)化設(shè)計(jì)和改裝[1]。自動(dòng)扶梯為人們的出行帶來(lái)了便利，也不可避免的存在著一定安全隱患。由于自動(dòng)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(shí)不高，自動(dòng)扶梯的故障率較高，自動(dòng)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(shì)。

為降低由于自動(dòng)扶梯故障造成的安全事故，對(duì)自動(dòng)扶梯的運(yùn)行進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)超過(guò)80%的故障都是由于自動(dòng)扶梯電機(jī)異常運(yùn)行導(dǎo)致的。電機(jī)是自動(dòng)扶梯系統(tǒng)的主要構(gòu)成部分，也是驅(qū)動(dòng)自動(dòng)扶梯運(yùn)行的核心構(gòu)件[2]。為提高自動(dòng)扶梯運(yùn)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(dòng)扶梯電機(jī)的方法，但根據(jù)自動(dòng)扶梯運(yùn)營(yíng)管理方反饋的數(shù)據(jù)可知，現(xiàn)有的方法在實(shí)際應(yīng)用中大多存在缺陷。為解決上述問(wèn)題，本文引進(jìn)傳感器信息融合技術(shù)，設(shè)計(jì)一種針對(duì)自動(dòng)扶梯電機(jī)的全新運(yùn)行監(jiān)控技術(shù)，保障扶梯的穩(wěn)定運(yùn)行與使用。

1 基于傳感器信息融合的自動(dòng)扶梯電機(jī)運(yùn)行數(shù)據(jù)采集

為實(shí)現(xiàn)對(duì)自動(dòng)扶梯電機(jī)運(yùn)行的監(jiān)控，引進(jìn)傳感器信息融合技術(shù)，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)扶梯電機(jī)運(yùn)行數(shù)據(jù)的采集。在此過(guò)程中，根據(jù)自動(dòng)扶梯中電機(jī)的所在位置，布置多普勒微波雷達(dá)傳感器、視頻監(jiān)控?cái)z像機(jī)、CCD 工業(yè)相機(jī)、紅外傳感器等，建立電機(jī)與監(jiān)控終端設(shè)備之間的通信連接。在此過(guò)程中，考慮到電機(jī)在自動(dòng)扶梯中具有一定的隱蔽性，為確保監(jiān)測(cè)的數(shù)據(jù)可以作為設(shè)施運(yùn)行故障與異常的參照，需要進(jìn)行電梯整體結(jié)構(gòu)的勘探，根據(jù)勘探結(jié)果確定自動(dòng)扶梯電機(jī)的具體空間位置[3]。在此基礎(chǔ)上，將自動(dòng)扶梯電機(jī)上的傳感器與計(jì)算機(jī)設(shè)備建立連接，以此實(shí)現(xiàn)對(duì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的自動(dòng)、快速接收與發(fā)送[4]。為實(shí)現(xiàn)在終端通信模塊和自動(dòng)扶梯電機(jī)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(guò)串行接口接入服務(wù)器端，實(shí)現(xiàn)對(duì)自動(dòng)扶梯電機(jī)運(yùn)行中的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)、報(bào)警及狀態(tài)追蹤，以便應(yīng)對(duì)自動(dòng)扶梯電機(jī)運(yùn)行中的各種突發(fā)性事故?；趥鞲衅餍畔⑷诤系淖詣?dòng)扶梯電機(jī)運(yùn)行數(shù)據(jù)采集流程如圖1 所示。

圖1 自動(dòng)扶梯電機(jī)運(yùn)行數(shù)據(jù)采集流程

將多普勒微波雷達(dá)傳感器布置在自動(dòng)扶梯多電機(jī)運(yùn)行的中心位置，采用兩兩對(duì)射的布置方式，確保雷達(dá)信號(hào)對(duì)自動(dòng)扶梯電機(jī)的全覆蓋[5]。將紅外傳感器布置在電機(jī)運(yùn)行輻射區(qū)域，自動(dòng)扶梯電機(jī)在運(yùn)行過(guò)程中，電機(jī)轉(zhuǎn)子快速運(yùn)轉(zhuǎn)，會(huì)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(jī)拍攝視頻、圖像，結(jié)合DSP 芯片對(duì)畫面進(jìn)行處理和探測(cè)，利用背景去除技術(shù)識(shí)別和探測(cè)圖像中的電機(jī)運(yùn)動(dòng)目標(biāo)，從而實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)電機(jī)運(yùn)行區(qū)內(nèi)的狀態(tài)，并將獲取的影像資料傳送給后臺(tái)控制中心[6]。整合各類傳感器采集的自動(dòng)扶梯電機(jī)運(yùn)行數(shù)據(jù)，并導(dǎo)出對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)。

2 數(shù)據(jù)擬合處理

考慮到通過(guò)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(dòng)扶梯電機(jī)運(yùn)行數(shù)據(jù)采集后，需按照式（1）進(jìn)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(diǎn)；b 表示數(shù)據(jù)信號(hào)的擴(kuò)大因子。

將校正后數(shù)據(jù)錄入函數(shù)鏈神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行濾波與降噪等綜合處理，此過(guò)程計(jì)算公式：

其中，x（Y）表示對(duì)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(jì)值；W 表示函數(shù)鏈；i 表示標(biāo)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(duì)輸出的數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合：

其中，xi（ui）表示輸出數(shù)據(jù)的擬合處理過(guò)程；c 表示附加數(shù)據(jù)（傳感器反饋的其他與電機(jī)運(yùn)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(shí)現(xiàn)對(duì)監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)的傳輸。

3 自動(dòng)扶梯電機(jī)運(yùn)行監(jiān)測(cè)與實(shí)時(shí)狀態(tài)跟蹤

考慮到自動(dòng)扶梯電機(jī)在異常運(yùn)行狀態(tài)下存在不規(guī)律振動(dòng)，因此，在監(jiān)測(cè)中應(yīng)做好對(duì)自動(dòng)扶梯電機(jī)運(yùn)行實(shí)時(shí)狀態(tài)的跟蹤，實(shí)現(xiàn)對(duì)自動(dòng)扶梯電機(jī)運(yùn)行狀態(tài)的實(shí)時(shí)監(jiān)控。采集圖像、數(shù)據(jù)、視頻，提取自動(dòng)扶梯電機(jī)運(yùn)行背景，對(duì)背景進(jìn)行建模，提取背景差分信息，進(jìn)行電機(jī)運(yùn)行目標(biāo)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(yùn)算，很難達(dá)到實(shí)時(shí)性的要求。在自動(dòng)扶梯電機(jī)運(yùn)行啟動(dòng)時(shí)，先對(duì)CCD 相機(jī)拍攝的圖像進(jìn)行碼書背景建模，利用碼書算法對(duì)N 幀之后的圖像進(jìn)行檢測(cè)，每隔一段時(shí)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(dāng)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(diǎn)，用開運(yùn)算填補(bǔ)目標(biāo)內(nèi)部的孔隙[8]。考慮到電機(jī)運(yùn)行底板的背景比較復(fù)雜，因此在前景對(duì)象中會(huì)有許多非連續(xù)性的區(qū)域。因此，在分割目標(biāo)區(qū)域圖像時(shí)，需要對(duì)前景對(duì)象進(jìn)行輪廓提取，然后求出各前景對(duì)象的中心位置，對(duì)電機(jī)運(yùn)行中的近鄰目標(biāo)進(jìn)行匹配，計(jì)算公式為：

其中，minC 表示電機(jī)運(yùn)行中的近鄰匹配目標(biāo)（最小振動(dòng)幅值）；m 表示匹配次數(shù)。

對(duì)電機(jī)運(yùn)行過(guò)程中的振動(dòng)幅值與目標(biāo)值進(jìn)行匹配，設(shè)定minC 的取值范圍。當(dāng)minC 在預(yù)設(shè)范圍內(nèi)波動(dòng)時(shí)，說(shuō)明自動(dòng)扶梯電機(jī)運(yùn)行無(wú)異常振動(dòng)現(xiàn)象，此時(shí)證明電機(jī)處于穩(wěn)定運(yùn)行狀態(tài)；當(dāng)minC 超出預(yù)設(shè)范圍波動(dòng)時(shí)，說(shuō)明自動(dòng)扶梯電機(jī)運(yùn)行存在異常振動(dòng)現(xiàn)象，此時(shí)證明電機(jī)處于異常運(yùn)行狀態(tài)。提取此時(shí)的狀態(tài)信息，即可實(shí)現(xiàn)對(duì)自動(dòng)扶梯電機(jī)運(yùn)行的監(jiān)測(cè)與實(shí)時(shí)狀態(tài)的跟蹤。

4 對(duì)比實(shí)驗(yàn)

本文引進(jìn)傳感器信息融合技術(shù)，完成了自動(dòng)扶梯電機(jī)運(yùn)行監(jiān)控方法的設(shè)計(jì)。為檢驗(yàn)該監(jiān)控方法的應(yīng)用效果，本文以某運(yùn)營(yíng)管理單位提供的自動(dòng)扶梯電機(jī)樣品為例設(shè)計(jì)對(duì)比實(shí)驗(yàn)，電機(jī)技術(shù)參數(shù)見表1。

表1 自動(dòng)扶梯電機(jī)技術(shù)參數(shù)

使用本文設(shè)計(jì)的方法監(jiān)控自動(dòng)扶梯電機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)。在監(jiān)控過(guò)程中，根據(jù)實(shí)際工作需求將紅外傳感器、雷達(dá)傳感器、CCD 工業(yè)相機(jī)等按照規(guī)范安裝在測(cè)試電機(jī)上，并建立電機(jī)與監(jiān)控終端設(shè)備之間的通信連接，實(shí)現(xiàn)對(duì)自動(dòng)扶梯電機(jī)運(yùn)行數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)采集。根據(jù)建立的通信信道，進(jìn)行監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)處理與通信傳輸，通過(guò)對(duì)自動(dòng)扶梯電機(jī)運(yùn)行的監(jiān)測(cè)與實(shí)時(shí)狀態(tài)的跟蹤，完成本文方法在實(shí)驗(yàn)中的應(yīng)用。

引進(jìn)基于CNN+D-S 和BP 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的方法，并選取2 種傳統(tǒng)方法作為對(duì)照組。運(yùn)用采集3 種方法對(duì)自動(dòng)扶梯電機(jī)運(yùn)行監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)展開分析。本文將反饋的監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)噪聲幅值作為評(píng)價(jià)監(jiān)控效果的關(guān)鍵指標(biāo)。截取部分時(shí)段3 種方法的監(jiān)控結(jié)果，提取對(duì)應(yīng)時(shí)段下的噪聲幅值，結(jié)果如圖2 所示。

圖2 監(jiān)控反饋信號(hào)中噪聲的幅值

從圖2 可以看出，使用該方法進(jìn)行自動(dòng)扶梯電機(jī)運(yùn)行監(jiān)控，監(jiān)控反饋信號(hào)中的噪聲幅值趨近于0，說(shuō)明該方法可以降低監(jiān)控?cái)?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(duì)傳統(tǒng)方法的監(jiān)控結(jié)果進(jìn)行分析，分析結(jié)果表明，傳統(tǒng)方法監(jiān)控反饋信號(hào)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(huì)影響終端對(duì)電機(jī)運(yùn)行狀態(tài)的決策與辨識(shí)。因此，可以得出如下結(jié)論：相比傳統(tǒng)方法，本文設(shè)計(jì)的基于多傳感器信息融合技術(shù)的電機(jī)運(yùn)行監(jiān)控方法實(shí)際應(yīng)用效果良好，該方法可以降低自動(dòng)扶梯電機(jī)運(yùn)行監(jiān)控反饋信號(hào)中的噪聲幅值，提高監(jiān)控結(jié)果的準(zhǔn)確性、真實(shí)性與可靠性。

5 結(jié)束語(yǔ)

自動(dòng)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(yùn)營(yíng)時(shí)間超過(guò)20 h；部分自動(dòng)扶梯在戶外作業(yè)，長(zhǎng)期受風(fēng)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(shí)有發(fā)生。為提高自動(dòng)扶梯電機(jī)運(yùn)行的穩(wěn)定性與可靠性，本文引進(jìn)傳感器信息融合技術(shù)，通過(guò)自動(dòng)扶梯電機(jī)運(yùn)行數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理與通信傳輸、自動(dòng)扶梯電機(jī)運(yùn)行監(jiān)測(cè)與實(shí)時(shí)狀態(tài)跟蹤，完成了電機(jī)運(yùn)行監(jiān)控技術(shù)的設(shè)計(jì)研究。

完成設(shè)計(jì)后，以某運(yùn)營(yíng)管理單位提供的自動(dòng)扶梯電機(jī)樣品為對(duì)象，展開針對(duì)設(shè)計(jì)方法的對(duì)比實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明：該方法能夠降低自動(dòng)扶梯電機(jī)運(yùn)行監(jiān)控反饋信號(hào)中的噪聲幅值，提高監(jiān)控結(jié)果的準(zhǔn)確性、真實(shí)性與可靠性，可以在后續(xù)的工作中進(jìn)行推廣，實(shí)現(xiàn)對(duì)電機(jī)運(yùn)行狀態(tài)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，減少電機(jī)運(yùn)行異常導(dǎo)致的自動(dòng)扶梯安全事故。