電梯故障自動應(yīng)急處置及焦慮安撫系統(tǒng)的設(shè)計及開發(fā)

申爍志 成都七中高中

電梯故障自動應(yīng)急處置及焦慮安撫系統(tǒng)的設(shè)計及開發(fā)

申爍志 成都七中高中

電梯故障應(yīng)急處置及焦慮情緒智能安撫系統(tǒng)發(fā)現(xiàn)電梯層門誤開時啟動電梯安全防護閘，阻止乘客誤跨電梯井道踏空摔傷；發(fā)現(xiàn)電梯困人時，自動識別乘客焦慮情緒并分級別進行智能安撫，同時自動發(fā)送故障維修信息及告警提示。從而避免電梯故障傷人、提高電梯故障搶修和救援效率、提升乘客感受。

電梯安全防護閘；防誤跨井道；自動報警；焦慮情緒識別；智能安撫

1.研究背景

2014年5月14日，陜西西安55歲的杜女士跨進電梯門后，因轎廂未到達，從15層墜亡；2015年6月13日長沙一小區(qū)電梯故障，一女子一腳踏空，從19樓墜落，當(dāng)場遇難；2014年7月27日，肖婆婆和2歲的外孫被困電梯，求救無門，被困長達5小時，被救時肖婆婆癱坐電梯內(nèi)已接近精神崩潰。

據(jù)統(tǒng)計：2014年全國發(fā)生電梯傷人事故49起，死亡37人；2015年全國發(fā)生電梯傷人事故58起，死亡46人。 2014年僅廣州市平均每天就解救40名電梯被困人員；2015年南京市平均每天發(fā)生20起電梯困人事件，解救被困人員28人。

電梯安全急需得到保障！

圖1

圖1

2.研究過程

2.1 電梯故障類型分析

網(wǎng)上資料顯示，目前電梯主要有乘客誤入電梯井道踩空墜亡、乘客被困電梯轎廂、電梯沖頂、蹲底以及乘客被電梯門夾傷事故。

其中乘客誤入電梯井道踏空跌落危害最大，后果最嚴重，事故發(fā)生頻率也較高，往往是電梯奪命事故的罪魁禍?zhǔn)住?/p>

而電梯困人故障的發(fā)生最為頻繁，被困人員長時間無人理會和救援，乘客在無望等待中精神受傷崩潰卻是屢屢發(fā)生，甚至發(fā)生部分被困人員在絕望中違規(guī)扒開轎廂逃生致死致傷事故。電梯困人是造成住戶投訴的最常見故障。

因此本系統(tǒng)將兩類主要故障安全應(yīng)急解決方案定為重點研究方向。

2.2 現(xiàn)狀及分析

2.2.1 電梯安全應(yīng)急裝置現(xiàn)狀

目前在電梯應(yīng)急裝置方面，除了電梯自帶的安全應(yīng)急裝置外，主要有電梯應(yīng)急平層裝置[1]（或叫電梯應(yīng)急曳引、電梯停電應(yīng)急解困裝置）、電梯故障自動檢測裝置及應(yīng)急報警裝置等。其中電梯應(yīng)急平層裝置，主要用于電梯突然停電或故障時供給電梯應(yīng)急電源并將轎廂曳引至平層位置后開門[2]，使受困乘客及時脫困；電梯故障自動檢測裝置及應(yīng)急報警裝置可實現(xiàn)電梯故障的自診斷及故障自動報警。

目前國內(nèi)外還沒有電梯故障墜落傷人的應(yīng)急防護以及解決被困人員焦慮情緒的智能識別安撫方面的相關(guān)報道及產(chǎn)品。

那么，可不可以設(shè)置一個防止電梯故障后墜落傷人的應(yīng)急防護裝置？可不可以讓我們的應(yīng)急救援工作更加快速？可不可以避免被困人員再次受到精神傷害？

2.2.2 分析結(jié)論

在分析了電梯應(yīng)急處置的相關(guān)技術(shù)現(xiàn)狀后，一個對以上兩類重點故障設(shè)計制作的應(yīng)急裝置醞釀而出。

它可以在電梯故障時有效減少人員傷亡；提高電梯故障搶修及救援速度；安撫被困人員，提高乘客人性化感受。

3.系統(tǒng)設(shè)計

3.1總體設(shè)計思路

電梯故障時分為乘客在轎廂外和轎廂內(nèi)兩種情況。

乘客位于轎廂外時,最具危害的故障是層門打開而轎廂[3]未到達，此時乘客習(xí)慣性的跨入電梯井道則跌落摔傷甚至致死。

對此，在每層樓的層門處設(shè)置獨立于電梯的安全防護閘：檢測器檢測在層門打開時轎廂是否同時到達作為判據(jù)控制安全防護閘。若層門打開而轎廂未到，立刻放下安全防護閘，阻止乘客誤跨電梯井道踏空摔傷，同時自動播放安全報警提示語音消息，并發(fā)送電梯故障信息至維修中心。

乘客位于轎廂內(nèi)時，最常見的為電梯困人故障。

對此設(shè)計思路是系統(tǒng)發(fā)現(xiàn)電梯困人故障后，自動播放安全報警提示語音、發(fā)送電梯故障信息至救援中心，同時開啟乘客焦慮情緒識別模式，并根據(jù)乘客焦慮情緒級別，分級別自動播放安撫音樂、安撫語音等，必要時人工介入安撫乘客情緒。

故障識別及焦慮識別，可以通過紅外線對射管實現(xiàn)；安全防護閘門可以采用舵機來控制；單片機開發(fā)板開發(fā)實現(xiàn)上述控制功能完全沒有問題；該系統(tǒng)的搭建和實現(xiàn)是可行的。

3.2 系統(tǒng)功能設(shè)計

3.2.1 轎廂未達正確樓層應(yīng)急處置流程圖如圖1所示。

3.2.2 電梯困人應(yīng)急處置流程圖如圖2所示。

3.3 硬件設(shè)計

硬件系統(tǒng)由核心控制部分、故障檢測判斷部分和執(zhí)行部分組成。完成電梯轎廂未達正確樓層時應(yīng)急處置以及電梯困人時的應(yīng)急處置兩大主要功能。

3.3.1 核心控制部分

基于arduino控制器的簡易、開放及可擴展性，本系統(tǒng)選用arduino作為控制開發(fā)平臺[4]。

3.3.2 檢測判斷部分

本系統(tǒng)主要通過紅外線對射管實現(xiàn)電梯故障狀態(tài)以及人體焦慮狀態(tài)的檢測和判斷：

在層門兩側(cè)活動門的門縫位置安裝1對紅外線對射管（包括紅外發(fā)射管和紅外接受管）檢測判斷層門是否打開；

在轎門兩側(cè)活動門的門縫位置安裝1對紅外線對射管（包括紅外發(fā)射管和紅外接受管）檢測判斷轎門是否打開；

在轎廂地板和層門地板位置安裝1對紅外線對射管判斷轎廂是否已到達該樓層；（詳見后圖）

在轎廂中平行并置紅外線對射管組成n＊n陣列，通過在限定時間中紅外光被切斷的次數(shù)來判斷。若達到閥值表明乘客行為異常則判斷為乘客焦慮。

3.3.3 執(zhí)行部分

采用舵機控制安全應(yīng)急防護閘的開啟，安全應(yīng)急防護閘緊貼于兩側(cè)層門安裝，每個樓層均安裝1套，當(dāng)電梯正常運行時，安全應(yīng)急防護閘隱匿于兩側(cè)，當(dāng)系統(tǒng)判斷為轎廂未達正確樓層故障時，控制舵機放下安全防護閘阻擋乘客通行；

采用GSM模塊SIM900A作為短信收發(fā)模塊，當(dāng)系統(tǒng)判斷為故障時，自動將故障電梯的準(zhǔn)確位置、電梯編號及故障信息短信發(fā)送至物管及應(yīng)急指揮平臺；

采用ISD1820芯片語音模塊，實現(xiàn)故障提示語音的自動播報。該模塊可以錄制聲音，在接收到控制信號后，可以驅(qū)動喇叭，發(fā)出已經(jīng)錄制好的提示語音。

圖3 安全防護閘及紅外對射管安裝位置圖

3.4 工作原理

3.4.1 紅外線對射管工作原理

紅外線對射管由紅外發(fā)射管和紅外接收管組成，紅外發(fā)射管發(fā)射出紅外線，紅外接收管將接收到的紅外光信號轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?，紅外接收管在一定照度的光線照射下產(chǎn)生光電流，這個光電流隨入射光強度的變化而相應(yīng)變化。光電流通過負載電阻時，在電阻兩端將得到隨入射光變化而變化的電壓信號，從而完成光電功能轉(zhuǎn)換。

本系統(tǒng)在轎廂地板和層門地板位置安裝1對紅外線對射管，當(dāng)紅外發(fā)射管和紅外接收管正對時，紅外接收管接收光強最大，模擬電壓值也大，而不正對時，模擬電壓值很小。由此通過對模擬電壓值采樣檢測，可以判斷出轎廂是否到達樓層。同理，在轎門及層門縫隙之間各設(shè)一對紅外線對射管也可以判斷轎門是否打開以及層門是否打開。

3.4.2 舵機工作原理

舵機由直流電機、減速齒輪組及控制電路等組成，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速受輸入信號控制，并能快速反應(yīng)，用作執(zhí)行元件，可把所收到的電信號轉(zhuǎn)換成電動機軸上的角位移或角速度輸出從而控制對象的轉(zhuǎn)動速度及位置。本系統(tǒng)在舵機上固定安全防護閘，由控制器控制舵機轉(zhuǎn)軸的轉(zhuǎn)動，就可以控制安全防護閘的開閉了[5]。（如下圖3所示）

3.4.3 焦慮識別原理

焦慮是由緊張、焦急、憂慮、擔(dān)心和恐懼等感受交織而成的一種復(fù)雜的情緒反應(yīng)，是個體遇到某些事情如挑戰(zhàn)、困難或危險時出現(xiàn)的一種正常的情緒反應(yīng)。焦慮主要表現(xiàn)在生理、行為動作以及情緒三方面。一是焦慮的生理現(xiàn)象表現(xiàn)形式--當(dāng)個體面對威脅時，生理上有瞳孔放大、體溫升高、口干、心跳加速、呼吸急促等現(xiàn)象。二是焦慮的行為動作現(xiàn)象---當(dāng)個體處于焦慮狀態(tài)時，身體自然處于亢奮狀態(tài)，會做坐立不安、手腳動作不斷、抓頭發(fā)、摸耳朵、搓臉、雙手抱胸、雙手用力扭壓、敲打、來回快速行走、臉部表情僵硬，皺眉、悲傷憤怒憂郁，面孔顏色也會改變。三是焦慮的情緒現(xiàn)象---揮之不去的恐懼、憂慮等情緒。

因此我們在焦慮識別的方案設(shè)計中可以提取上述面部、行為和生理上的體外表現(xiàn)特征進行識別判斷。一是表情識別：判斷人情緒的最直接而準(zhǔn)確的辦法。利用攝像機對乘客的表情進行識別，如果出現(xiàn)瞳孔放大、臉部表情僵硬，面色凝重、皺眉、悲傷憤怒憂郁等恐懼焦慮的面部特征，則判斷為焦慮。二是行為識別：通過對被困人員身體動作頻率的變化來識別焦慮情緒。

本系統(tǒng)主要采取行為識別的方式來識別焦慮情緒，利用人在焦慮時會發(fā)生坐立不安、來回快速行走、手腳動作不斷等行為特征，在轎廂中平行并置多組紅外線對射管組成8＊8的陣列，通過檢測限定時間內(nèi)紅外光被切斷的次數(shù)來判斷被困人員的動作頻率。若達到閥值則判斷為乘客焦慮。

同時，隨著面部情緒識別軟件逐步應(yīng)用成熟，通過攝像頭自動識別被困乘客面部表情判斷恐懼焦慮情緒也成為現(xiàn)實[6]，因此本系統(tǒng)同時還可以采用面部表情自動識別技術(shù)使焦慮恐懼情緒識別和安撫系統(tǒng)功能更加準(zhǔn)確和智能。

3.4.4 焦慮安撫原理

焦慮情緒的安撫和調(diào)整主要采取增強安全感、增加自信心、轉(zhuǎn)移注意力、心理放松等方式進行。

電梯困人后，被困人群產(chǎn)生焦慮情緒主要原因：一是對自身安全的擔(dān)憂，害怕電梯安全威脅生命而產(chǎn)生的焦慮；二是對外界情況及何時能夠得以脫險的情況未知而產(chǎn)生的焦慮；三是部分人員被困狹小封閉空間而產(chǎn)生的焦慮。

本系統(tǒng)分級別進行被困人員安撫，當(dāng)焦慮情緒較為輕微時，通過自動播放安撫音樂、及時播報救援進展等方式進行安撫；當(dāng)系統(tǒng)檢測被困人員焦慮嚴重時，進行人工電話撥入安撫。這樣在提升了乘客感受和服務(wù)質(zhì)量的同時又節(jié)約了人力成本。

3.結(jié)束語

本系統(tǒng)通過舵機、GSM模塊及語音播報系統(tǒng)，自動啟動電梯安全防護閘、發(fā)送電梯故障信息并播報故障語音提示，阻止乘客誤跨電梯井踏空傷亡，確保被困人員及時解救、電梯故障及時維修；利用人體焦慮恐懼情緒身體特征，采用電梯轎廂內(nèi)布置的紅外線對射管陳列或焦慮識別軟件，智能判斷被困乘客的焦慮情緒，并根據(jù)焦慮程度，分級別自動進行乘客焦慮恐懼情緒安撫，提高乘客人性化感受。

本系統(tǒng)的焦慮情緒識別安撫以及故障救援自動報送等功能同樣可以推廣應(yīng)用其他生產(chǎn)、交通類突發(fā)事故中。比如在煤礦事故中自動報送事故及人員位置信息、智能安撫受困人員、提示安全應(yīng)急知識，給予被困人員生的希望；又比如在重大交通事故中自動時報送事故位置信息、在等待救援中安撫受傷人員等等。

本系統(tǒng)經(jīng)多次模擬測試，運行穩(wěn)定。系統(tǒng)兼具創(chuàng)新性、實用性及可推廣性，可有效提升電梯的安全可靠性以及乘客體驗，應(yīng)用前景廣闊。

[1]王炎明. 停電應(yīng)急平層裝置對電梯安全運行的影響及檢驗. 中國特種設(shè)備安全, 2009.

[2]《電梯監(jiān)督檢驗和定期檢驗規(guī)則——曳引與強制驅(qū)動電梯》（TSG T7001-2009）

[3]《電梯、自動扶梯、自動人行道術(shù)語》（GB/ T7024－2008）

[4]陳呂洲. Arduino程序設(shè)計基礎(chǔ)[M]. 北京:北京航空航天大學(xué)出版社, 2014.

[5]《電梯主要參數(shù)及轎廂、井道、機房的型式與尺寸》（GB/T7025.1～3－2008）

[6] 傅栩雨, 葉健東, 王鵬,等. 人臉面部表情識別[J]. 計算機與網(wǎng)絡(luò), 2015(10): 70-71.

申爍志（1999—），男，成都七中高中在讀。研究方向：創(chuàng)客智造。