摘要：自動扶梯上乘客摔倒、逆向行走、攜帶嬰兒車乘梯、出口擁堵、驅(qū)動鏈斷裂導(dǎo)致逆轉(zhuǎn)等危險(xiǎn)行為或危險(xiǎn)狀態(tài)是自動扶梯日常使用中重要的危險(xiǎn)源。應(yīng)用人工智能技術(shù)和更可靠保護(hù)的安全功能，能使自動扶梯更加智能、安全、可靠，能夠有效應(yīng)對上述危險(xiǎn)源，為乘客提供安全、便利的服務(wù)。

關(guān)鍵詞：智能自動扶梯；人工智能；安全功能；更新改造；發(fā)展趨勢

自動扶梯被廣泛用于商場、酒店、醫(yī)院、機(jī)場、車站、地鐵站點(diǎn)等公共場所，已成為現(xiàn)代建筑不可或缺的組成部分。截至2019年底，國內(nèi)在用電梯(含自動扶梯類產(chǎn)品)總量達(dá)到709萬臺，自動扶梯類產(chǎn)品的臺數(shù)約占其中的10%～20%左右，數(shù)量巨大。在日常運(yùn)營中，自動扶梯并非始終保持滿負(fù)荷運(yùn)行狀態(tài)，尤其是商場、酒店等諸多場所的自動扶梯大多數(shù)時(shí)間是處于空載狀態(tài)。為節(jié)約能源、延長機(jī)械部件的壽命，主流制造商都陸續(xù)開發(fā)了變頻自動扶梯，目前已得到廣泛應(yīng)用。但這類自動扶梯除了具有一定的節(jié)能效果外，并不具備智能交互功能，因此筆者將這類自動扶梯統(tǒng)稱為“傳統(tǒng)自動扶梯”。隨著科技和社會的不斷發(fā)展，越來越多的新技術(shù)、新模式應(yīng)用到傳統(tǒng)行業(yè)的產(chǎn)品中來。本文中筆者結(jié)合上海三菱電梯有限公司最新推出的“SmartK-II智能自動扶梯”，對智能自動扶梯的應(yīng)用研究及發(fā)展進(jìn)行探討。

1  智能自動扶梯的特點(diǎn)

相比傳統(tǒng)自動扶梯，智能自動扶梯通過智能傳感、智能控制、智能交互及智能物聯(lián)技術(shù)(見圖1)，使自動扶梯在運(yùn)行過程中對外界環(huán)境及乘客行為的變化進(jìn)行智能感知、決策判斷，并進(jìn)行適應(yīng)性調(diào)整；以產(chǎn)品、監(jiān)控、維保3個維度的智能化應(yīng)用，提升自動扶梯的安全性。

1.1  產(chǎn)品智能化

上海三菱電梯最新推出的SmartK-II智能自動扶梯，在自動扶梯的扶手入口處安裝了集成多種功能的智能終端(見圖2)，該終端配置有攝像頭、光照度傳感器、雨量傳感器等多種監(jiān)測設(shè)備，通過后臺數(shù)據(jù)處理可實(shí)現(xiàn)危險(xiǎn)行為識別、智能語音播報(bào)、智能照明控制、智能潤滑等多種智能功能；并且同時(shí)具備傳統(tǒng)變頻自動扶梯的運(yùn)行方向和狀態(tài)顯示功能；還可通過LCD 屏可實(shí)時(shí)顯示多種警示圖標(biāo)(見圖3)，配合語音播報(bào)裝置的聲音提示，使各個年齡段的乘客輕松了解自動扶梯智能終端傳遞的各類信息。

1.1.1  危險(xiǎn)行為識別及警示

大量事故案例顯示，乘客的危險(xiǎn)行為如逆向行走、攜帶嬰兒車乘坐、孩童在扶手入口區(qū)域玩耍是導(dǎo)致自動扶梯事故的主要危險(xiǎn)源。目前傳統(tǒng)自動扶梯所采取的在自動扶梯出入口附近設(shè)置“小孩必須拉住”“禁止使用手推車”等安全標(biāo)志雖然有一定的警示作用，但效果有限。

通過深度學(xué)習(xí)圖像識別技術(shù)、TOF(Time-of-Flight)技術(shù)的應(yīng)用，將上述這些危險(xiǎn)行為進(jìn)行有效識別，通過持續(xù)的語音播報(bào)和在終端上顯示警示圖標(biāo)(見圖3)提醒乘客注意、取消危險(xiǎn)行為，可以大幅減少此類事故的發(fā)生。

1.1.2  智能語音播報(bào)裝置

大多數(shù)傳統(tǒng)自動扶梯語音播報(bào)音量不能自動調(diào)整，乘坐自動扶梯時(shí)常常會發(fā)現(xiàn)如環(huán)境安靜語音播報(bào)的音量讓人感到異常響亮，但在環(huán)境嘈雜時(shí)又模糊不清、聽不清楚，這樣的語音播報(bào)效果不太理想。采取實(shí)時(shí)監(jiān)視環(huán)境音量，結(jié)合智能濾波控制算法，根據(jù)環(huán)境噪聲自適應(yīng)調(diào)整播報(bào)音量，可達(dá)到在環(huán)境嘈雜時(shí)聲音洪亮、環(huán)境安靜時(shí)舒適靜謐的理想播報(bào)效果。經(jīng)驗(yàn)證，當(dāng)保持語音播報(bào)音量比實(shí)測環(huán)境噪聲高8～12dB(A)的自適應(yīng)調(diào)整設(shè)定，可以妥善解決環(huán)境噪聲和播報(bào)音量不匹配的問題。

1.1.3  智能照明控制

智能照明控制是對環(huán)境的光照度進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測，并結(jié)合自動扶梯的使用環(huán)境、營運(yùn)時(shí)間設(shè)置及環(huán)境光照度對自動扶梯的裝潢類照明系統(tǒng)進(jìn)行自動開啟或關(guān)閉。該功能既能使自動扶梯根據(jù)需要提供恰當(dāng)照明，又可以根據(jù)預(yù)先設(shè)置的時(shí)間自動關(guān)閉非營運(yùn)時(shí)間段的照明，減少了能源消耗；由于不需要人工開啟或關(guān)閉，節(jié)省了管理的人工支出，提高了乘客乘行安全。

1.1.4  智能潤滑系統(tǒng)和智能運(yùn)行狀態(tài)控制(適用于室外自動扶梯)

自動扶梯上使用的多種鏈條需要有效的潤滑才能保證良好的性能，達(dá)到預(yù)期使用壽命。智能潤滑系統(tǒng)的工作原理是應(yīng)用雨量傳感器對室外自動扶梯所處環(huán)境的降雨情況進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測，降雨時(shí)不進(jìn)行自動加油操作，停止下雨后自動扶梯各種鏈條自動加油潤滑；并重新自動計(jì)算下次自動加油的開啟時(shí)間，可保證對自動扶梯鏈條的始終有效潤滑。

另外，因降雨會造成自動扶梯梯級踏面、樓層板表面及周圍地面濕滑，容易造成人員摔倒，借助雨量傳感器對降雨情況的監(jiān)控，通過語音播報(bào)提醒乘客注意地面的濕滑，或者采用控制、調(diào)整自動扶梯的運(yùn)行狀態(tài)以減少乘客因降雨地面濕滑而摔倒的事故發(fā)生。

1.1.5  扶手帶智能殺菌消毒

乘客在乘坐自動扶梯時(shí)需要緊握扶手帶以達(dá)到安全乘梯的目的，扶手帶因此也非常容易沾染各種細(xì)菌或病毒。2018年香港媒體曾在香港地鐵沙田站自動扶梯進(jìn)行測試，結(jié)果表明：當(dāng)乘客觸摸扶手帶后，其總菌落的數(shù)量達(dá)到了740CFU，為觸摸前的70倍。

扶手帶智能殺菌裝置(見圖4)利用適當(dāng)波長紫外線照射扶手帶表面后，可破壞細(xì)菌、病毒等病原體微生物機(jī)體細(xì)胞中的DNA(脫氧核糖核酸)或RNA(核糖核酸)分子結(jié)構(gòu)以使其死亡或不能復(fù)制繁衍的原理，起到殺菌消毒的功能。將智能殺菌消毒裝置安裝在自動扶梯的內(nèi)部，與乘客接觸到的扶手欄桿區(qū)域隔離，不會造成乘客手指夾入殺菌消毒裝置的傷害事故發(fā)生；結(jié)合智能控制方式，根據(jù)自動扶梯實(shí)際運(yùn)營情況制訂相應(yīng)的定時(shí)殺菌消毒策略，可保證自動扶梯扶手帶的衛(wèi)生，讓乘客乘行自動扶梯更加放心、安全。

1.2  監(jiān)控智能化(SmartEye自動扶梯智能監(jiān)控系統(tǒng))

經(jīng)對自動扶梯日常管理進(jìn)行調(diào)研分析，上海三菱電梯推出了慧眼(SmartEye)自動扶梯智能監(jiān)控系統(tǒng)(見圖5)，引入智能圖像傳感技術(shù)、智能控制技術(shù)、智能交互技術(shù)、智能物聯(lián)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)對自動扶梯的智能監(jiān)控。該系統(tǒng)采用人工智能技術(shù)將監(jiān)控系統(tǒng)的作用由“被動追溯”提升到“主動干預(yù)”，幫助業(yè)主提高運(yùn)營效率、加強(qiáng)運(yùn)營管理。針對乘客流量的監(jiān)控分析，可確認(rèn)合理的維保周期，實(shí)現(xiàn)按需維保。系統(tǒng)架構(gòu)見圖6。針對智能自動扶梯的日常運(yùn)營，可實(shí)現(xiàn)以下功能：(1)自動扶梯智能狀態(tài)監(jiān)控(危險(xiǎn)行為識別與警示)；(2)自動扶梯智能早晚開/關(guān)梯與故障預(yù)診斷服務(wù)；(3)自動扶梯自適應(yīng)音量的語音播報(bào)；(4)故障履歷、操作履歷、通行履歷、交通流量履歷記錄與統(tǒng)計(jì)；(5)歷史運(yùn)行狀態(tài)回放；(6)與樓宇監(jiān)控系統(tǒng)對接。

該系統(tǒng)在上海地鐵漢中路站(2018年8月～2019年2月)19臺自動扶梯的運(yùn)行試點(diǎn)測試證明：實(shí)現(xiàn)了乘客跌倒、出入口擁堵等緊急狀態(tài)的智能監(jiān)視；當(dāng)系統(tǒng)監(jiān)測到異常狀態(tài)時(shí)，會在監(jiān)控室內(nèi)發(fā)出警報(bào)信號，由專業(yè)的管理人員根據(jù)視頻中的情況判斷是否需要進(jìn)行操作；需要緊急停止自動扶梯時(shí)，可操作監(jiān)控屏附帶的實(shí)體緊急停止按鈕切斷目標(biāo)自動扶梯的安全回路，立即制停自動扶梯以確保安全。試點(diǎn)測試證明自動扶梯采用監(jiān)控智能化技術(shù)，大幅提高了緊急狀態(tài)應(yīng)急響應(yīng)的專業(yè)性、及時(shí)性和安全性。

1.3  維保智能化(預(yù)測性維護(hù)技術(shù))

傳統(tǒng)自動扶梯的維護(hù)由于缺少使用情況及關(guān)鍵部件性能的持續(xù)監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)，在日常維護(hù)時(shí)，無法客觀評估自動扶梯潛藏的部件失效風(fēng)險(xiǎn)；而故障往往是發(fā)生在自動扶梯運(yùn)營高峰和高負(fù)荷時(shí)期，除了可能帶來的乘客傷害外，故障停梯檢修對日常的運(yùn)營也會造成很大的影響。維保智能化技術(shù)通過對自動扶梯關(guān)鍵性能指標(biāo)(如制停距離、變頻器溫度、扶手帶速度、振動等)進(jìn)行持續(xù)監(jiān)測，在部件性能發(fā)生劣化至“亞健康狀態(tài)”時(shí)，在最近一次維保中采取預(yù)測性維護(hù)對策，可避免關(guān)鍵部件性能進(jìn)一步劣化達(dá)到發(fā)生故障停梯的程度。正常維護(hù)工作在自動扶梯非營運(yùn)時(shí)段開展，可充分保障運(yùn)營時(shí)段的運(yùn)輸安全和有序。

采用預(yù)測性維護(hù)對策的維保智能化技術(shù)見圖7。

2  安全功能的介紹

將智能傳感、智能控制、智能交互及智能物聯(lián)技術(shù)應(yīng)用于自動扶梯，讓智能自動扶梯擁有了傳統(tǒng)自動扶梯所不具備的智能感知與判斷能力，使自動扶梯更加智能、安全。但是，我們并不能因此忽視安全功能的作用。安全功能就如同人體的免疫系統(tǒng)，自動扶梯一旦發(fā)生異常，可靠、有效的安全功能可及時(shí)檢出異常，并讓自動扶梯采取相應(yīng)有效措施，避免傷害事故發(fā)生或進(jìn)一步擴(kuò)大，對保障乘客的安全是極其重要的。

2.1  非操縱逆轉(zhuǎn)

GB16899-2011《自動扶梯和自動人行道的制造與安裝安全規(guī)范》第5.4.2.3.1條對超速和非操縱逆轉(zhuǎn)保護(hù)的要求如下：自動扶梯和自動人行道應(yīng)在速度超過名義速度的1.2倍之前自動停止運(yùn)行；如果采用速度限制裝置，該裝置應(yīng)能在速度超過名義速度的1.2倍之前切斷自動扶梯或自動人行道的電源。第5.4.2.3.2條規(guī)定：自動扶梯和傾斜角α≥6°的傾斜式自動人行道應(yīng)設(shè)置一個裝置，使其在梯級、踏板或膠帶改變規(guī)定運(yùn)行方向時(shí)自動停止運(yùn)行。

自動扶梯速度及運(yùn)行方向的監(jiān)測方式，根據(jù)檢測元件的位置，大致分為兩種：(1)設(shè)置在電動機(jī)軸、飛輪或減速機(jī)輸入軸上，即監(jiān)測傳動系統(tǒng)中驅(qū)動鏈之前的部分，對驅(qū)動主軸或梯級速度進(jìn)行間接監(jiān)測；(2)設(shè)置在驅(qū)動主軸或梯級上，即監(jiān)測傳動系統(tǒng)中驅(qū)動鏈之后的部分，對驅(qū)動主軸或梯級速度進(jìn)行直接監(jiān)測。

采用間接監(jiān)測或直接監(jiān)測方法都能符合標(biāo)準(zhǔn)的要求，因直接監(jiān)測(設(shè)置在驅(qū)動主軸或梯級側(cè))存在較多技術(shù)難點(diǎn)，大多數(shù)自動扶梯制造商采用間接監(jiān)測方法。圖8為目前應(yīng)用較多的安裝在驅(qū)動主機(jī)飛輪側(cè)的間接監(jiān)測方法。傳感器除監(jiān)視電動機(jī)轉(zhuǎn)速外，根據(jù)兩個傳感器輸出波形進(jìn)入重疊區(qū)的先后(見圖9)可監(jiān)測運(yùn)行方向。

2  安全功能的介紹

將智能傳感、智能控制、智能交互及智能物聯(lián)技術(shù)應(yīng)用于自動扶梯，讓智能自動扶梯擁有了傳統(tǒng)自動扶梯所不具備的智能感知與判斷能力，使自動扶梯更加智能、安全。但是，我們并不能因此忽視安全功能的作用。安全功能就如同人體的免疫系統(tǒng)，自動扶梯一旦發(fā)生異常，可靠、有效的安全功能可及時(shí)檢出異常，并讓自動扶梯采取相應(yīng)有效措施，避免傷害事故發(fā)生或進(jìn)一步擴(kuò)大，對保障乘客的安全是極其重要的。

2.1  非操縱逆轉(zhuǎn)

GB16899-2011《自動扶梯和自動人行道的制造與安裝安全規(guī)范》第5.4.2.3.1條對超速和非操縱逆轉(zhuǎn)保護(hù)的要求如下：自動扶梯和自動人行道應(yīng)在速度超過名義速度的1.2倍之前自動停止運(yùn)行；如果采用速度限制裝置，該裝置應(yīng)能在速度超過名義速度的1.2倍之前切斷自動扶梯或自動人行道的電源。第5.4.2.3.2條規(guī)定：自動扶梯和傾斜角α≥6°的傾斜式自動人行道應(yīng)設(shè)置一個裝置，使其在梯級、踏板或膠帶改變規(guī)定運(yùn)行方向時(shí)自動停止運(yùn)行。

自動扶梯速度及運(yùn)行方向的監(jiān)測方式，根據(jù)檢測元件的位置，大致分為兩種：(1)設(shè)置在電動機(jī)軸、飛輪或減速機(jī)輸入軸上，即監(jiān)測傳動系統(tǒng)中驅(qū)動鏈之前的部分，對驅(qū)動主軸或梯級速度進(jìn)行間接監(jiān)測；(2)設(shè)置在驅(qū)動主軸或梯級上，即監(jiān)測傳動系統(tǒng)中驅(qū)動鏈之后的部分，對驅(qū)動主軸或梯級速度進(jìn)行直接監(jiān)測。

采用間接監(jiān)測或直接監(jiān)測方法都能符合標(biāo)準(zhǔn)的要求，因直接監(jiān)測(設(shè)置在驅(qū)動主軸或梯級側(cè))存在較多技術(shù)難點(diǎn)，大多數(shù)自動扶梯制造商采用間接監(jiān)測方法。圖8為目前應(yīng)用較多的安裝在驅(qū)動主機(jī)飛輪側(cè)的間接監(jiān)測方法。傳感器除監(jiān)視電動機(jī)轉(zhuǎn)速外，根據(jù)兩個傳感器輸出波形進(jìn)入重疊區(qū)的先后(見圖9)可監(jiān)測運(yùn)行方向。

2  安全功能的介紹

將智能傳感、智能控制、智能交互及智能物聯(lián)技術(shù)應(yīng)用于自動扶梯，讓智能自動扶梯擁有了傳統(tǒng)自動扶梯所不具備的智能感知與判斷能力，使自動扶梯更加智能、安全。但是，我們并不能因此忽視安全功能的作用。安全功能就如同人體的免疫系統(tǒng)，自動扶梯一旦發(fā)生異常，可靠、有效的安全功能可及時(shí)檢出異常，并讓自動扶梯采取相應(yīng)有效措施，避免傷害事故發(fā)生或進(jìn)一步擴(kuò)大，對保障乘客的安全是極其重要的。

2.1  非操縱逆轉(zhuǎn)

GB16899-2011《自動扶梯和自動人行道的制造與安裝安全規(guī)范》第5.4.2.3.1條對超速和非操縱逆轉(zhuǎn)保護(hù)的要求如下：自動扶梯和自動人行道應(yīng)在速度超過名義速度的1.2倍之前自動停止運(yùn)行；如果采用速度限制裝置，該裝置應(yīng)能在速度超過名義速度的1.2倍之前切斷自動扶梯或自動人行道的電源。第5.4.2.3.2條規(guī)定：自動扶梯和傾斜角α≥6°的傾斜式自動人行道應(yīng)設(shè)置一個裝置，使其在梯級、踏板或膠帶改變規(guī)定運(yùn)行方向時(shí)自動停止運(yùn)行。

自動扶梯速度及運(yùn)行方向的監(jiān)測方式，根據(jù)檢測元件的位置，大致分為兩種：(1)設(shè)置在電動機(jī)軸、飛輪或減速機(jī)輸入軸上，即監(jiān)測傳動系統(tǒng)中驅(qū)動鏈之前的部分，對驅(qū)動主軸或梯級速度進(jìn)行間接監(jiān)測；(2)設(shè)置在驅(qū)動主軸或梯級上，即監(jiān)測傳動系統(tǒng)中驅(qū)動鏈之后的部分，對驅(qū)動主軸或梯級速度進(jìn)行直接監(jiān)測。

采用間接監(jiān)測或直接監(jiān)測方法都能符合標(biāo)準(zhǔn)的要求，因直接監(jiān)測(設(shè)置在驅(qū)動主軸或梯級側(cè))存在較多技術(shù)難點(diǎn)，大多數(shù)自動扶梯制造商采用間接監(jiān)測方法。圖8為目前應(yīng)用較多的安裝在驅(qū)動主機(jī)飛輪側(cè)的間接監(jiān)測方法。傳感器除監(jiān)視電動機(jī)轉(zhuǎn)速外，根據(jù)兩個傳感器輸出波形進(jìn)入重疊區(qū)的先后(見圖9)可監(jiān)測運(yùn)行方向。

2.3  附加制動器調(diào)試

GB16899-2011第5.4.2.2.2條新增了附加制動器動作時(shí)的減速度不應(yīng)超過1m/s2的要求，目的是為了降低附加制動器制動時(shí)因減速度過大可能導(dǎo)致的人員摔倒風(fēng)險(xiǎn)。目前，各大主流品牌自動扶梯的附加制動器工作原理接近：在驅(qū)動主軸上裝配可隨驅(qū)動主軸同步轉(zhuǎn)動的棘輪，棘輪依靠摩擦力矩與驅(qū)動主軸連接，摩擦力矩的大小由制動力矩設(shè)定螺栓(母)調(diào)整設(shè)定；附加制動器作用時(shí)，制動執(zhí)行裝置的頂桿卡入棘輪齒槽內(nèi)，棘輪被限制轉(zhuǎn)動，依靠棘輪與驅(qū)動主軸之間預(yù)設(shè)的摩擦力矩制停自動扶梯。制動前棘輪與驅(qū)動主軸之間相對靜止為靜摩擦，制動時(shí)棘輪發(fā)生轉(zhuǎn)動時(shí)是動摩擦。目前，附加制動器制動力矩預(yù)設(shè)常用方法是用預(yù)定的緊固力矩去擰緊制動力矩設(shè)定螺栓(母)，部分廠商會采用拉力計(jì)測量棘輪相對驅(qū)動主軸發(fā)生轉(zhuǎn)動時(shí)的轉(zhuǎn)動力作為附加制動器制動力矩的復(fù)核驗(yàn)收。螺栓(母)的緊固力矩T與緊固產(chǎn)生的軸向力F之間的關(guān)系可用公式T=KFd(K為擰緊力矩系數(shù)，d為螺紋的公稱直徑)來表示。擰緊力矩系數(shù)K由于與螺紋規(guī)格、螺紋升螺紋的當(dāng)量摩擦角、聯(lián)結(jié)件的摩擦表面狀況等多種因素有關(guān)，因此采用緊固力矩控制軸向力的方法精度較低，誤差一般約為±25%。由于靜摩擦系數(shù)與動摩擦系數(shù)之間存在差異，而且附加制動器的制動力矩還受各相關(guān)配合件的加工精度、裝配精度等因素影響，采用拉力計(jì)測量得到棘輪剛發(fā)生轉(zhuǎn)動時(shí)的制動力矩，與附加制動器實(shí)際動作時(shí)的制動力矩也存在較大的偏差。

上海三菱電梯對每臺配置有附加制動器的驅(qū)動主軸出廠前都采用動態(tài)力矩法進(jìn)行調(diào)試設(shè)定，確保一旦發(fā)生緊急制動時(shí)，既能有效制動自動扶梯，又能確保制動減速度不過大造成乘客摔倒。附加制動器動力矩調(diào)試裝置見圖12。具體調(diào)試方法如下：將力矩傳感器連接驅(qū)動主軸與測試主機(jī)，驅(qū)動主機(jī)配置較大轉(zhuǎn)動慣量的飛輪，使整個系統(tǒng)轉(zhuǎn)動慣量與自動扶梯產(chǎn)品保持一致；當(dāng)驅(qū)動主軸達(dá)到目標(biāo)轉(zhuǎn)速后，切斷測試主機(jī)和附加制動器的電源使附加制動器動作，驅(qū)動主軸因附加制動器的制動從目標(biāo)轉(zhuǎn)速減速至零，通過力矩傳感器記錄從目標(biāo)轉(zhuǎn)速減速至零過程的制動力矩，取力矩平均值作為動態(tài)制動力矩值。這種調(diào)試設(shè)定方法模擬產(chǎn)品實(shí)際工況，通過精確設(shè)定附加制動器制動力矩，可確保附加制動器動作時(shí)自動扶梯減速度符合標(biāo)準(zhǔn)要求，提高了安全性。