一種智能防疫電梯系統(tǒng)的設計與應用

摘要：隨著國家針對新冠疫情陸續(xù)采取各項有力措施，疫情逐漸趨于常態(tài)化，全國疫情進入后疫情時代，而我國每日乘梯人數將近20億，且電梯空間狹小，因此針對電梯的疫情防控成為必不可少的一環(huán)。通過對電梯防疫效果的調查，根據防疫需求設計了一款智能防疫電梯系統(tǒng)，該系統(tǒng)可實現(xiàn)人體體溫識別、無接觸式乘梯、轎廂內空氣病菌消殺以及緊急供電，從而減少乘梯人員與病菌接觸的機會，降低新冠肺炎感染的風險。

關鍵詞：防疫電梯;無接觸;智能;滅菌

中圖分類號：TU857? ? ? ?文獻標識碼：A? ? 文章編號：2096-4706（2021）07-0155-04

Design and Application of an Intelligent Epidemic Prevention Elevator System

ZHU Dong

（China Railway Siyuan Survey and Design Group Co.，Ltd.，Wuhan? 430063，China）

Abstract：As the state has taken effective measures against COVID-19 in succession，the epidemic has gradually become normal，and the national epidemic has entered the post-epidemic era. Then in China，the number of people taking elevators every day is nearly 2 billion，and the elevator space is small，so the prevention and control of epidemic for elevator has become an essential link. Through the investigation of the effect of elevator epidemic prevention，an intelligent epidemic prevention elevator system is designed according to the requirements of epidemic prevention. The system can realize the recognition of human body temperature，the non-contact elevator ride，elimination of air germs in the elevator car and the emergency power supply，so as to reduce the contact chance between elevator passengers and germs and reduce the risk of COVID-19 infection.

Keywords：epidemic prevention elevator;non-contact;intelligent;sterilization

收稿日期：2021-03-11

基金項目：國家重點研發(fā)計劃項目（2018Y FB2100902）

0? 引? 言

自2019年疫情暴發(fā)以來，我們的生活發(fā)生了巨大改變，疫情防控滲透在生活的方方面面，全國累計確診人數已超過9萬。隨著疫情進入常態(tài)化發(fā)展，全民需要做好疫情防護，鐘南山院士特別指出復工復產要增加電梯間的消毒頻次，改進防疫措施。

隨著我國城鄉(xiāng)建設的快速發(fā)展，2019年，我國電梯保有量已超700萬臺，由于電梯內空間狹小，乘梯人員緊密接觸與呼吸交叉，因此隔絕乘梯人員與病菌的接觸具有一定難度。正如2020年11月24日天津某小區(qū)因為一位確診患者乘坐電梯時未戴口罩，污染了電梯環(huán)境導致病菌的傳播，而我國每日乘梯人數將近20億，因此針對電梯的疫情防控成為必不可少的一環(huán)。

現(xiàn)有的針對電梯的防疫措施，主要是通過新風系統(tǒng)凈化空氣，梯內劃分站立區(qū)域，配備一次性電梯按鍵紙，每日在電梯內噴灑消毒液等。然而，新風系統(tǒng)只能滿足正常情況下的通風換氣，無法達到防疫效果;梯內劃分站立區(qū)域，只能限定乘梯人數減少病菌接觸;一次性電梯按鍵紙，只能減少按鍵表面病菌且需要定期更換;電梯內噴灑消毒液，對轎廂有一定的腐蝕性且有刺激性氣味，可見電梯病菌消殺設備有待改進。根據肺炎疫情的發(fā)展變化以及現(xiàn)有電梯的防疫現(xiàn)狀，本文設計了一款智能防疫電梯系統(tǒng)，減少乘梯人員與病菌接觸的機會，降低新冠肺炎感染的風險。

1? 智能防疫電梯系統(tǒng)方案設計

智能防疫電梯系統(tǒng)包含五個子系統(tǒng)[1-5]，分別為紫外消殺空氣凈化子系統(tǒng)、人臉體溫識別子系統(tǒng)、手機預約乘梯子系統(tǒng)、智能語音呼梯子系統(tǒng)、緊急供電子系統(tǒng)，系統(tǒng)關系圖如圖1所示。紫外消殺空氣凈化子系統(tǒng)通過紫外消殺燈對電梯轎廂內的空氣進行消殺，保持電梯轎廂內的空氣流通;人臉體溫識別子系統(tǒng)通過掃描識別人體的體溫排除發(fā)燒的乘梯人員;手機預約乘梯子系統(tǒng)通過提前在手機APP上預約乘梯，減少電梯門口排隊現(xiàn)象;智能語音呼梯子系統(tǒng)可實現(xiàn)乘梯人員與電梯的語音交互，避免乘梯人員與電梯內壁接觸;當電梯發(fā)生緊急停電時，緊急供電子系統(tǒng)可為電梯供電使得電梯能夠到達最近的平層位置打開轎廂門，避免乘梯人員在狹小的空間內長時間停留。

智能防疫電梯系統(tǒng)分為正常運行周期和消殺滅菌周期。在正常運行周期中，乘梯人員首先進行人臉體溫識別，若體溫不通過則需要重新確認體溫，若體溫識別通過，乘梯人員可進行智能語音呼梯或是手機預約乘梯，若電梯正常運行乘梯人員可到達指定樓層，若電梯突發(fā)斷電故障，電梯緊急供電系統(tǒng)會為電梯提供電力，使電梯能夠到達附近平層，運行過程如圖2所示。

2? 智能防疫電梯系統(tǒng)功能實現(xiàn)

2.1? 紫外消殺空氣凈化子系統(tǒng)

紫外消殺空氣凈化子系統(tǒng)包括紫外消殺模塊和空氣凈化模塊，兩個模塊相互配合協(xié)同工作，從而實現(xiàn)電梯轎廂內的病菌消殺。

2.1.1? 紫外消殺

根據電梯轎廂內部尺寸和光譜特性，通過輻射作用功率計算得到轎廂內所需的紫外消殺燈型號及數量;通過計算病菌生存數，保證轎廂內的病菌數在安全范圍以內，從而確定紫外消殺燈的滅菌周期，根據滅菌周期，紫外消殺燈的開關與鎖梯功能聯(lián)動，確保紫外消殺時電梯不啟動。

2.1.1.1? 紫外消殺燈消殺效果計算

紫外線破壞病菌中的DNA或者RNA的分子結構，造成生長性細胞死亡，因此在紫外線波長為253.7 nm的時候，殺菌效果最好，而病菌的生存數量與照射時間和輻射照度有關，即：

θ=f（eD）

D=E·t

其中，θ為細菌的生存數（個），D為紫外線照射量（μW· s/cm2），E為輻射照度（μW/cm2），t為照射時間（s）。

2.1.1.2? 紫外消殺燈輻射作用功率計算

P=KAE（γ）·W（γ，E）dγ

其中，P為照射作用的功率（W），A為照射面積（m2），E（γ）為光譜密度的波長特性（光譜輻射照度），W（γ，E）為光譜效應特性。

2.1.1.3? 輻射照度計算

E=

其中，E為輻射照度，為輻射通量，A為照射面積。

因此，根據電梯內病菌數的標準以及電梯轎廂的尺寸，通過紫外消殺燈消殺效果計算、紫外消殺燈輻射作用功率計算、輻射照度計算可以得出電梯內需要安裝多大功率的紫外消殺燈，以及所需的消殺時間。

2.1.2? 空氣凈化系統(tǒng)

2.1.2.1? 空氣凈化器最大出風量計算

f=

其中，f為空氣凈化器的最大出風量，V為凈化體積。

2.1.2.2? 轎廂空氣中負離子濃度計算

N=

其中，I為微電流計讀數，q為空氣凈化的出風量，A為收集器有效橫截面積。

根據電梯轎廂體積計算得出，每12分鐘凈化一次的最大出風量為32.4 m3/h，轎廂內空氣中負離子的濃度大于5 000個/立方米，由負離子體濃度對應效果表可知，轎廂內負離子體具有殺菌、減少疾病傳染的作用，負離子體濃度對應效果表如表1所示。

2.2? 人臉體溫識別子系統(tǒng)

人臉體溫識別子系統(tǒng)包括信息采集模塊、信息檢測識別模塊、信息處理與存儲模塊，人臉體溫識別子系統(tǒng)示意圖如圖3所示。

信息采集模塊用于采集人臉圖像、人臉溫度信息;信息檢測識別模塊用于檢測乘梯人員是否佩戴口罩，體溫是否在正常值范圍內，人臉是否已上傳后臺人臉信息庫;信息處理與存儲模塊反饋人臉檢測信息，顯示通行或者告警，并將每一次的人臉信息檢測數據上傳到后臺數據庫中。

2.3? 智能語音呼梯子系統(tǒng)

智能語音呼梯子系統(tǒng)主要包括語音識別模塊、電路主控模塊、繼電器控制模塊、語音播報模塊[6]。

語音識別是一種語音的模式識別，通過將電梯轎廂內采集到的語音與語音模板進行逐一比對，最佳匹配結果將被視為智能語音識別結果。

首先，梯內無接觸語音呼梯通過語音識別模塊識別乘梯人員的語音信息，然后將語音信息傳遞給電路控制模塊分析處理語音信息，其次，電路控制模塊向繼電器控制模塊發(fā)出控制模塊命令，最后，當語音播報模塊接收到電信號后，語音播報模塊播出相應的信息，電梯到達乘梯人員指定的樓層后，語音播報模塊播出樓層到達的提示信息，具體框圖如圖4所示。

2.4? 手機預約乘梯子系統(tǒng)

乘梯人員可通過手機預約乘梯子系統(tǒng)，在手機APP上預約乘梯，乘梯人員進入電梯后掃描乘梯二維碼，上傳到網絡中心，網絡中心識別二維碼信號，信號被確認后通過通訊線控制電梯，到達提前預約的樓層，手機預約乘梯子系統(tǒng)邏輯關系圖如圖5所示。

2.5? 緊急供電子系統(tǒng)

緊急供電子系統(tǒng)為增加斷電平層裝置，當正在運行的電梯突然遇到供電系統(tǒng)故障（停電、缺相、火災）時，該裝置將自動切換投入工作。確保了緊急斷電停梯后，電梯能夠自動啟動，將電梯運行至平層位置，打開轎門讓乘梯人員安全走出電梯，減少乘梯人員與病菌的接觸，同時緊急供電子系統(tǒng)還可以在電梯滅菌周期內為紫外消殺空氣凈化子系統(tǒng)提供電力支持。

3? 防疫電梯系統(tǒng)應用與效果分析

為驗證智能防疫電梯系統(tǒng)的防疫滅菌效果，本次實驗聯(lián)合醫(yī)院組織共同完成電梯轎廂內安裝智能防疫電梯系統(tǒng)前后電梯轎廂內病菌數量的檢測，依據醫(yī)院衛(wèi)生消毒標準，驗證智能防疫電梯系統(tǒng)的應用效果。

聯(lián)合實驗單位，提取電梯轎廂內的病菌，進行現(xiàn)場檢測，如圖6所示。

實驗單位通過撞擊法、平板暴露法檢測分析醫(yī)院內1～4號電梯的病菌數量分布情況，其中電梯按鍵上的病菌數與轎廂空氣中的病菌數占比分別為46.20%和32.89%，比重最大。

依據醫(yī)院消毒衛(wèi)生標準，根據疫情防控需要將電梯內病菌數控制為醫(yī)院無菌病房標準，如表2所示，而病菌消殺率為（消殺前病菌數-消殺后病菌數）/消殺前病菌數。

在紫外消殺空氣凈化子系統(tǒng)、人臉體溫識別子系統(tǒng)、手機預約乘梯子系統(tǒng)、智能語音呼梯子系統(tǒng)、緊急供電子系統(tǒng)多個子系統(tǒng)共同作用下，電梯按鍵上病菌占比由46.20%降至8.15%;轎廂內空氣中病菌占比由32.89%降至16.13%。

使用智能防疫電梯系統(tǒng)后電梯轎廂內的病菌數，由原來的按鍵上病菌數和空氣中的病菌數占比大轉變?yōu)殡娞蓍T上的病菌數占比大。人臉體溫識別子系統(tǒng)可避免疑似肺炎病菌攜帶者進入電梯轎廂內，從源頭上排除消殺病菌;智能防疫電梯系統(tǒng)中的紫外消殺空氣凈化子系統(tǒng)可消殺電梯轎廂內的病菌;手機預約乘梯子系統(tǒng)、智能語音呼梯子系統(tǒng)通過減少乘梯人員與電梯的直接接觸，避免病菌轉移從而減少電梯按鍵上的病菌;緊急供電子系統(tǒng)可保證電梯在發(fā)生故障時，避免乘梯人員長時間停留在狹小的空間內，降低被病菌感染的風險。電梯轎廂內的菌落數由原來的13 352個，降低為3 570個，轎廂內整體的病菌數降低73.26%，由此可得智能防疫電梯系統(tǒng)具有顯著的防疫效果，降低了乘梯人員被感染的風險。

4? 結? 論

新冠疫情的常態(tài)化發(fā)展，全國疫情進入后疫情時代，針對電梯的疫情防控成為重中之重。本文設計的智能防疫電梯系統(tǒng)主要是基于紫外消殺空氣凈化子系統(tǒng)、人臉體溫識別子系統(tǒng)、手機預約乘梯子系統(tǒng)、智能語音呼梯子系統(tǒng)、緊急供電子系統(tǒng)多個子系統(tǒng)聯(lián)合使用，共同減少電梯轎廂內的病菌數量，為乘梯人員提供一個安全的乘梯環(huán)境，降低電梯轎廂內肺炎疫情的感染風險。

參考文獻：

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[2] 張朝陽.安全管理系統(tǒng)在智能電梯中的應用實現(xiàn) [J].電氣時代，2021（1）：65-67.

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[4] 張學倫，呂瀟，何洋，等.防疫電梯的風險分析及對策探討 [J].電子質量，2020（6）：60-62.

[5] 鐘陳，王思翔，王文峰.面向疫情防控的人臉識別系統(tǒng)與標準研究 [J].信息技術與標準化，2020（6）：11-13.

[6] 臧坤.智能電梯視頻監(jiān)測系統(tǒng)的設計與實現(xiàn) [D].南京：東南大學，2019.

作者簡介：朱冬（1993—），男，漢族，湖北十堰人，助理工程師，碩士，研究方向：車站設備全壽命周期監(jiān)測及診斷。