一种多点分布式乘客异常行为电梯监测系统及方法

技术领域

本发明涉及电梯技术领域，具体是一种多点分布式乘客异常行为电梯监测系统及方法。

背景技术

电梯是高层建筑的一种特殊垂直交通工具，随着更多高层建筑的而出现，电梯的日常使用更加频繁，而电梯事故也在逐步增加，因此保障电梯乘客生命安全，对电梯安全运维保障与治理及风险防控的高水平需求越来越迫切与重要。

而除了电梯本身运行中设备故障外，还有诸多因素加速电梯设备故障，一大原因就是乘客异常极端行为破坏电梯轿厢，包括扒门、跑跳、捶打轿厢壁、大喊大叫等，因此，实时准确判断电梯内乘客行为情况，有着重要意义，且目前大多数电梯实时监测系统数据采集不全面、效率低下、传输数据过程中丢包率高。

发明内容

本发明的目的在于提供一种多点分布式乘客异常行为电梯监测系统及方法，本发明能够对电梯进行全方位的实时监测，使得能迅速检测电梯内乘客的异常行为并判断行为特征，及时保障电梯正常平稳运行，并保障电梯内乘客的人身安全。

为达到上述目的，本发明通过以下技术方案来实现：

一种多点分布式乘客异常行为电梯监测系统，包括：

传感器：所述安装在电梯轿厢各壁面，用于对电梯内的乘客行为进行实时监测；

数据采集模块：与所述传感器集成安装，安装在电梯轿厢内，用于对传感器的检测数据进行采集、预处理与传输；

控制器：安装在电梯轿厢内，用于集成控制所述数据采集模块对采集数据进行预处理、数据采集模块之间的数据信息交换、数据汇总、数据暂存与控制数据信息通过远程数据传输器上传；

远程数据传输器：安装在电梯轿厢处，用于将控制器发送的数据无线传输至数据中间站；

数据中间站：用于接收远程数据传输器输送的数据信息，并将数据上传至上位机；在电梯高层处控制柜、电梯底层导轨处均安装有数据中间站；

上位机：设置在监测中心处，用于利用接收的数据中间站上传的数据识别乘客行为，当乘客行为异常时，发出警报信息。

优选的，所述传感器包括三轴加速度计、单轴加速度计、噪声传感器、微波雷达与热释电红外传感器，三轴加速度计、单轴加速度计、噪声传感器、微波雷达与热释电红外传感器均连接有所述数据采集模块，所有数据采集模块与所述控制器连接；

所述三轴加速度计安装在电梯轿厢底部中央，用于监测电梯三向加速度与三个姿态角；

在电梯轿厢壁三个壁面、轿厢门与轿厢底部均安装有所述单轴加速度计，单轴加速度计用于实时监测各位置处的冲击加速度值；

所述噪声传感器安装在电梯轿厢顶部中央，用于实时监测电梯轿厢内声音信号；

所述微波雷达安装在电梯轿厢顶部与轿厢壁处，用于实时监测乘客呼吸频率；

所述热释电红外传感器安装在电梯轿厢顶部，用于实时监测电梯轿厢内红外信号，判断电梯轿厢内是否有乘客以及乘客数量。

优选的，热释电红外传感器安装在电梯轿厢顶部，向下呈锥状照射，照射角度60°-70°。

优选的，所述数据采集模块包括依次连接的运算放大器、采样保持器、滤波器、数模转换器以及以太网端口；运算放大器与传感器连接，以太网端口与所述控制器连接。

优选的，所述控制器采用DSP逻辑控制器，DSP逻辑控制器内置有外部程序和数据存储器，数据存储器能够暂存采集数据。

优选的，所述远程数据传输器包括电源管理模块、无线传输模块、单片机控制器与上网模块；无线传输模块、单片机控制器与上网模块均与电源管理模块连接，无线传输模块和上网模块均与单片机控制器连接，上网模块与控制器连接，无线传输模块与数据中间站无线连接。

优选的，包括报警模块，报警模块设置于电梯轿厢内，报警模块与控制器连接，上位机将报警信息通过数据中间站、远程数据传输器发送给控制器，控制器根据报警信息进行报警。

本发明还提供了一种基于如上所述的多点分布式乘客异常行为电梯监测系统的电梯监测方法，包括如下过程：

信号采集：获取电梯轿厢的姿态角和冲击加速度值，以及电梯轿厢内乘客的声音信号、呼吸频率和红外信号；

信号传输：将采集的信号进行预处理并上传；

信号处理：对上传的信号进行处理、判断乘客的行为是否异常，若断乘客的行为异常，则发出警报信息。

优选的，信号传输时，将采集的信号进行的预处理过程包括信号放大、滤波和数模转换。

优选的，信号处理时，对上传的信号进行处理、判断乘客的行为是否异常的过程包括：

对上传的信号进行拟合，得到拟合曲线；

对所述拟合曲线进行特征提取，得到拟合曲线的峰峰值与均方根值，对不同信号的特征值归一化后进行加权处理，并求解不同信号的适应度函数；

将同一信号的适应度函数与设定的自适应阈值进行比较，根据比较结果判断乘客的行为是否异常。

优选的，适应度函数H如下：

其中，

本发明具有如下有益效果：

本发明的多点分布式乘客异常行为电梯监测系统，利用传感器能对电梯内乘客的有无、电梯各方向振动加速度、乘客呼吸频率、电梯及乘客噪声各项参数全方位监测，并通过多级分布式数据采集传输网络进行数据传递，无线与有线网络结合，监测范围广，性价比高，使得在高层电梯处依旧不影响数据的实时传输能力，提高数据传输的有效性与稳定性；监测系统对实时数据分两次处理，提高数据实时处理与分析速度，系统尽快判断并预警乘客异常行为，保障乘客生命安全。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例的附图作简单的介绍。

图1为本发明的多点分布式乘客异常行为电梯监测系统的结构示意图；

图2为本发明的多点分布式乘客异常行为电梯监测系统的数据采集模块内部结构图；

图3为本发明的多点分布式乘客异常行为电梯监测系统的远程数据传输器结构图；

图4为本发明的多点分布式乘客异常行为电梯监测系统的采集模块数据预处理流程图。

具体实施方式

以下通过特定的具体实例并结合附图说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭示的内容轻易地了解本发明的其它优点与功效。本发明亦可通过其它不同的具体实例加以施行或应用，本说明书中的各项细节亦可基于不同观点与应用，在不背离本发明的精神下进行各种修饰与变更。

如图1所示是一种多点分布式乘客异常行为电梯监测系统，用于对电梯内乘客行为进行实时监测，能够及时判别乘客异常极端行为诸如扒门、跺脚、捶打轿厢壁、打架斗殴、争吵，系统架构包括传感器、数据采集模块、控制器、远程数据传输器、数据中间站和上位机；所述各传感器分别与数据采集模块相连，数据采集模块与控制器相连，安装在电梯轿厢本体内各位置，控制器进一步与远程数据传输器相连，最终连接上位机。

本发明的传感器安装在电梯轿厢内各壁面，用于实时采集电梯轿厢振动数据与乘客数据，传感器包括三轴加速度计、单轴加速度计、噪声传感器、微波雷达与热释电红外传感器；所述三轴加速度计安装在轿厢底部中央，检测电梯三向加速度与三个姿态角，计算电梯轿厢实时倾斜状态，可根据三轴加速度计的检测数据判断电梯轿厢受力位置与受力情况；在轿厢各壁面、轿厢门与轿厢底部分别安装有所述单轴加速度计，单轴加速度计用于实时监测各设置位置处的振动加速度值，根据获得的振动加速度值可判断乘客是否发生异常行为，即判别乘客是否有锤门、扒门、砸壁面、跺脚冲击性异常行为。

所述噪声传感器安装在电梯轿厢顶部中央，用于实时采集电梯轿厢内噪声分贝、噪声频率，可根据噪声传感器采集的声音信号生成横坐标时间或频率的二维分贝图，用来判断乘客是否发生争吵等异行为；

所述微波雷达安装在电梯轿厢顶部与轿厢壁处，用于感应乘客在微波范围内的移动情况，实时采集乘客呼吸频率，根据乘客呼吸频率可判断乘客实时的心情起伏、身体状态情况；所述热释电红外传感器安装在电梯轿厢顶部，向下呈锥状照射，照射角度60度-70度，实时监测电梯内红外成像情况，利用热释电红外传感器科判断电梯内是否有乘客、以及电梯内乘客数量，辅助监测中心监测人员做出更多判断。参见图2，数据采集模块包括依次连接的运算放大器、采样保持器、滤波器、数模转换器和以太网端口；其中，滤波器为低通滤波器，滤除电梯高频噪声信号，采集低频振动信号。

所述各传感器将采集到的物理信号转换为相应的电信号后，输出至各传感器连接的数据采集模块内部的运算放大器，所述运算放大器接于传感器输出端，负责对传感器微弱电信号放大，适配数模转换器的输入范围；所述采样保持器接于运算放大器输出端，将放大后的电信号存储，保持一定时间，以供数模转换器转换，直到下一个采样时间再取出一个模拟信号值代替原来的值；之后采样保持器输出端接滤波器接口，滤波器负责过滤信号中噪声信号与高频带不相关信号，将数字信号进行低通滤波与多次移动平均滤波，滤除高频噪声信号，平滑滤波信号，便于后续信号处理以及避免信号重叠与失真，最后通过以太网端口传输数据，并将数据通过控制器的存储器暂存。所述数模转换器输入端接滤波器输出信号，负责将模拟数据信号进行离散和编码，转换为离散数字信号，并将信号数据通过控制器暂存，接入远程数据传输器。参见图3，远程数据传输器包括电源管理模块、无线传输模块、单片机控制器与上网模块；其中控制器控制数据的接收与传输，上网模块接收采集、预处理后的传感器数据，将远程数据传输器接入网络，无线传输模块负责传输数据至数据中间站，电源管理模块负责供给各个模块工作。此外，远程数据传输器安装在电梯轿厢外顶部，负责将信号数据无线传输至数据中间站。

控制器安装在轿厢顶处，控制器选用DSP逻辑控制器，内置电源模块、外部程序和数据存储器，暂存采集数据，集成控制多个数据采集模块对采集数据进行预处理、模块间数据传输、数据汇总、数据暂存与控制数据通过远程数据传输器上传，控制器选用DSP逻辑控制器，内置电源模块、外部程序和数据存储器，暂存采集数据。

分别在电梯高层处控制柜、电梯底层导轨处安装数据中间站，数据中间站接收远程数据传输器输送的数据信息，无线通讯与有线通讯结合，将数据整合，通过有线网络传输至上位机；中间站分别安装在电梯顶层与电梯底层，在不同接收范围内分别接收高层、低层处的电梯移动数据，大大提升了无线数据的传输范围，并利用有线网络本身的稳定性，提高了数据传输的可靠性与输送体量。

此外，两个数据中间站之间可以进行数据交互、传递，使得实时传感器离散数据点间隔一致，便于上位机二次处理。

本发明中各个传感器，分别与数据采集模块、控制器组合安装为节点硬件平台，安装在电梯轿厢的不同位置，进行传感器数据采集与预处理，并统一将数据传输至远程数据传输器。

上位机位于监控中心处，软件结合Labview配置软件系统，软件界面主要包括多特征值实时显示区、显示参数设置区、实时数据波形绘制区、报警区；

其中，上位机接收两个数据中间站整合的传感器离散数据点，主要负责对加速度计生成的振动加速度信号、噪声传感器生成的噪声信号进行二次处理、特征值提取与分类：上位机上的软件UI界面进行小波包降噪与移动平均滤波联合降噪，并绘制滤波降噪处理后的实时加速度、噪声信号时域波形曲线图，在UI界面中添加特征值显示区，实时计算并显示电梯不同特征值，包括各加速度计对应的峰峰值、均方根值、频域功率谱密度函数(PSD)中0-200Hz频带能量值百分比值，之后软件根据内部程序控制，自动处理、拟合特征值，通过设置的不同参数阈值范围，在报警区实时显示电梯内乘客情况，包括正常、跺脚、踹门、扒门、破坏轿厢壁、争吵、斗殴；当发生异常行为时，报警区红色显示，并通过喇叭报警。

其中，上位机软件对数据二次处理、进行行为判别分类的具体过程如下：

(1)将预处理与降噪后的三轴加速度计x、y、z三个方向数据信号与三个姿态角变化值、各个单轴加速度计数据信号离散点在上位机中实时进行曲线拟合，其信号在传输过程中已经预处理过，即信号放大、滤波、模数转换，将加速度信号曲线进行移动平均滤波与小波包滤波结合降噪，通过上位机软件对数据进行二次处理与特征值采集，包括对三轴加速度计姿态角曲线、不同壁面处x或y轴方向(坐标轴方向垂直于壁面)的加速度计信号曲线联合采样，进行时域峰峰值与均方根值提取、时频域小波包分解后各频带能量值百分比提取处理得到各特征值点，即进行特征值提取，每个加速度计、每个坐标轴方向加速度曲线都进行时域峰峰值与均方根值、PSD能量分布0-200Hz频带能量占比值提取，并对不同特征值归一后加权处理，如下所示：

其中，

τ为设定的自适应阈值，不同安装位置处的加速度计对应的特征值，阈值大小不同，进行自适应计算。

(2)通过(1)中不同加速度曲线各自适应度函数H的计算，当壁面不同加速度计各自的适应度函数H

(3)同理，通过适应度函数H计算，当轿厢门H

(4)同样，当轿厢底部H

(5)进一步转换噪声信号提取频域特征值，与时域峰值结合，可以进一步判断电梯内是否发生争吵行为；

(6)将上述不同适应度函数值H与阈值τ对比情况实时显示在软件UI界面处，当H＞τ时，界面趋于变红，并通过声麦播报预警提醒监控人员，最后监控人员结合红外显示的乘客数量，来做进一步的评估与处理。

本发明的多点分布式乘客异常行为电梯监测系统对电梯轿厢振动情况、轿厢噪音指数、乘客数量各项参数进行全方位实时监测，并通过有线、无线通信结合的方式，以分布式网络传输节点进行信号传输，本发明旨在及时自动发现电梯内乘客异常行为并预警，最大程度保障乘客生命财产安全。