申烁志 成都七中高中

电梯故障自动应急处置及焦虑安抚系统的设计及开发

申烁志 成都七中高中

电梯故障应急处置及焦虑情绪智能安抚系统发现电梯层门误开时启动电梯安全防护闸，阻止乘客误跨电梯井道踏空摔伤；发现电梯困人时，自动识别乘客焦虑情绪并分级别进行智能安抚，同时自动发送故障维修信息及告警提示。从而避免电梯故障伤人、提高电梯故障抢修和救援效率、提升乘客感受。

电梯安全防护闸；防误跨井道；自动报警；焦虑情绪识别；智能安抚

1.研究背景

2014年5月14日，陕西西安55岁的杜女士跨进电梯门后，因轿厢未到达，从15层坠亡；2015年6月13日长沙一小区电梯故障，一女子一脚踏空，从19楼坠落，当场遇难；2014年7月27日，肖婆婆和2岁的外孙被困电梯，求救无门，被困长达5小时，被救时肖婆婆瘫坐电梯内已接近精神崩溃。

据统计：2014年全国发生电梯伤人事故49起，死亡37人；2015年全国发生电梯伤人事故58起，死亡46人。 2014年仅广州市平均每天就解救40名电梯被困人员；2015年南京市平均每天发生20起电梯困人事件，解救被困人员28人。

电梯安全急需得到保障！

图1

图1

2.研究过程

2.1 电梯故障类型分析

网上资料显示，目前电梯主要有乘客误入电梯井道踩空坠亡、乘客被困电梯轿厢、电梯冲顶、蹲底以及乘客被电梯门夹伤事故。

其中乘客误入电梯井道踏空跌落危害最大，后果最严重，事故发生频率也较高，往往是电梯夺命事故的罪魁祸首。

而电梯困人故障的发生最为频繁，被困人员长时间无人理会和救援，乘客在无望等待中精神受伤崩溃却是屡屡发生，甚至发生部分被困人员在绝望中违规扒开轿厢逃生致死致伤事故。电梯困人是造成住户投诉的最常见故障。

因此本系统将两类主要故障安全应急解决方案定为重点研究方向。

2.2 现状及分析

2.2.1 电梯安全应急装置现状

目前在电梯应急装置方面，除了电梯自带的安全应急装置外，主要有电梯应急平层装置[1]（或叫电梯应急曳引、电梯停电应急解困装置）、电梯故障自动检测装置及应急报警装置等。其中电梯应急平层装置，主要用于电梯突然停电或故障时供给电梯应急电源并将轿厢曳引至平层位置后开门[2]，使受困乘客及时脱困；电梯故障自动检测装置及应急报警装置可实现电梯故障的自诊断及故障自动报警。

目前国内外还没有电梯故障坠落伤人的应急防护以及解决被困人员焦虑情绪的智能识别安抚方面的相关报道及产品。

那么，可不可以设置一个防止电梯故障后坠落伤人的应急防护装置？可不可以让我们的应急救援工作更加快速？可不可以避免被困人员再次受到精神伤害？

2.2.2 分析结论

在分析了电梯应急处置的相关技术现状后，一个对以上两类重点故障设计制作的应急装置酝酿而出。

它可以在电梯故障时有效减少人员伤亡；提高电梯故障抢修及救援速度；安抚被困人员，提高乘客人性化感受。

3.系统设计

3.1总体设计思路

电梯故障时分为乘客在轿厢外和轿厢内两种情况。

乘客位于轿厢外时,最具危害的故障是层门打开而轿厢[3]未到达，此时乘客习惯性的跨入电梯井道则跌落摔伤甚至致死。

对此，在每层楼的层门处设置独立于电梯的安全防护闸：检测器检测在层门打开时轿厢是否同时到达作为判据控制安全防护闸。若层门打开而轿厢未到，立刻放下安全防护闸，阻止乘客误跨电梯井道踏空摔伤，同时自动播放安全报警提示语音消息，并发送电梯故障信息至维修中心。

乘客位于轿厢内时，最常见的为电梯困人故障。

对此设计思路是系统发现电梯困人故障后，自动播放安全报警提示语音、发送电梯故障信息至救援中心，同时开启乘客焦虑情绪识别模式，并根据乘客焦虑情绪级别，分级别自动播放安抚音乐、安抚语音等，必要时人工介入安抚乘客情绪。

故障识别及焦虑识别，可以通过红外线对射管实现；安全防护闸门可以采用舵机来控制；单片机开发板开发实现上述控制功能完全没有问题；该系统的搭建和实现是可行的。

3.2 系统功能设计

3.2.1 轿厢未达正确楼层应急处置流程图如图1所示。

3.2.2 电梯困人应急处置流程图如图2所示。

3.3 硬件设计

硬件系统由核心控制部分、故障检测判断部分和执行部分组成。完成电梯轿厢未达正确楼层时应急处置以及电梯困人时的应急处置两大主要功能。

3.3.1 核心控制部分

基于arduino控制器的简易、开放及可扩展性，本系统选用arduino作为控制开发平台[4]。

3.3.2 检测判断部分

本系统主要通过红外线对射管实现电梯故障状态以及人体焦虑状态的检测和判断：

在层门两侧活动门的门缝位置安装1对红外线对射管（包括红外发射管和红外接受管）检测判断层门是否打开；

在轿门两侧活动门的门缝位置安装1对红外线对射管（包括红外发射管和红外接受管）检测判断轿门是否打开；

在轿厢地板和层门地板位置安装1对红外线对射管判断轿厢是否已到达该楼层；（详见后图）

在轿厢中平行并置红外线对射管组成n＊n阵列，通过在限定时间中红外光被切断的次数来判断。若达到阀值表明乘客行为异常则判断为乘客焦虑。

3.3.3 执行部分

采用舵机控制安全应急防护闸的开启，安全应急防护闸紧贴于两侧层门安装，每个楼层均安装1套，当电梯正常运行时，安全应急防护闸隐匿于两侧，当系统判断为轿厢未达正确楼层故障时，控制舵机放下安全防护闸阻挡乘客通行；

采用GSM模块SIM900A作为短信收发模块，当系统判断为故障时，自动将故障电梯的准确位置、电梯编号及故障信息短信发送至物管及应急指挥平台；

采用ISD1820芯片语音模块，实现故障提示语音的自动播报。该模块可以录制声音，在接收到控制信号后，可以驱动喇叭，发出已经录制好的提示语音。

图3 安全防护闸及红外对射管安装位置图

3.4 工作原理

3.4.1 红外线对射管工作原理

红外线对射管由红外发射管和红外接收管组成，红外发射管发射出红外线，红外接收管将接收到的红外光信号转变为电信号，红外接收管在一定照度的光线照射下产生光电流，这个光电流随入射光强度的变化而相应变化。光电流通过负载电阻时，在电阻两端将得到随入射光变化而变化的电压信号，从而完成光电功能转换。

本系统在轿厢地板和层门地板位置安装1对红外线对射管，当红外发射管和红外接收管正对时，红外接收管接收光强最大，模拟电压值也大，而不正对时，模拟电压值很小。由此通过对模拟电压值采样检测，可以判断出轿厢是否到达楼层。同理，在轿门及层门缝隙之间各设一对红外线对射管也可以判断轿门是否打开以及层门是否打开。

3.4.2 舵机工作原理

舵机由直流电机、减速齿轮组及控制电路等组成，转子转速受输入信号控制，并能快速反应，用作执行元件，可把所收到的电信号转换成电动机轴上的角位移或角速度输出从而控制对象的转动速度及位置。本系统在舵机上固定安全防护闸，由控制器控制舵机转轴的转动，就可以控制安全防护闸的开闭了[5]。（如下图3所示）

3.4.3 焦虑识别原理

焦虑是由紧张、焦急、忧虑、担心和恐惧等感受交织而成的一种复杂的情绪反应，是个体遇到某些事情如挑战、困难或危险时出现的一种正常的情绪反应。焦虑主要表现在生理、行为动作以及情绪三方面。一是焦虑的生理现象表现形式--当个体面对威胁时，生理上有瞳孔放大、体温升高、口干、心跳加速、呼吸急促等现象。二是焦虑的行为动作现象---当个体处于焦虑状态时，身体自然处于亢奋状态，会做坐立不安、手脚动作不断、抓头发、摸耳朵、搓脸、双手抱胸、双手用力扭压、敲打、来回快速行走、脸部表情僵硬，皱眉、悲伤愤怒忧郁，面孔颜色也会改变。三是焦虑的情绪现象---挥之不去的恐惧、忧虑等情绪。

因此我们在焦虑识别的方案设计中可以提取上述面部、行为和生理上的体外表现特征进行识别判断。一是表情识别：判断人情绪的最直接而准确的办法。利用摄像机对乘客的表情进行识别，如果出现瞳孔放大、脸部表情僵硬，面色凝重、皱眉、悲伤愤怒忧郁等恐惧焦虑的面部特征，则判断为焦虑。二是行为识别：通过对被困人员身体动作频率的变化来识别焦虑情绪。

本系统主要采取行为识别的方式来识别焦虑情绪，利用人在焦虑时会发生坐立不安、来回快速行走、手脚动作不断等行为特征，在轿厢中平行并置多组红外线对射管组成8＊8的阵列，通过检测限定时间内红外光被切断的次数来判断被困人员的动作频率。若达到阀值则判断为乘客焦虑。

同时，随着面部情绪识别软件逐步应用成熟，通过摄像头自动识别被困乘客面部表情判断恐惧焦虑情绪也成为现实[6]，因此本系统同时还可以采用面部表情自动识别技术使焦虑恐惧情绪识别和安抚系统功能更加准确和智能。

3.4.4 焦虑安抚原理

焦虑情绪的安抚和调整主要采取增强安全感、增加自信心、转移注意力、心理放松等方式进行。

电梯困人后，被困人群产生焦虑情绪主要原因：一是对自身安全的担忧，害怕电梯安全威胁生命而产生的焦虑；二是对外界情况及何时能够得以脱险的情况未知而产生的焦虑；三是部分人员被困狭小封闭空间而产生的焦虑。

本系统分级别进行被困人员安抚，当焦虑情绪较为轻微时，通过自动播放安抚音乐、及时播报救援进展等方式进行安抚；当系统检测被困人员焦虑严重时，进行人工电话拨入安抚。这样在提升了乘客感受和服务质量的同时又节约了人力成本。

3.结束语

本系统通过舵机、GSM模块及语音播报系统，自动启动电梯安全防护闸、发送电梯故障信息并播报故障语音提示，阻止乘客误跨电梯井踏空伤亡，确保被困人员及时解救、电梯故障及时维修；利用人体焦虑恐惧情绪身体特征，采用电梯轿厢内布置的红外线对射管陈列或焦虑识别软件，智能判断被困乘客的焦虑情绪，并根据焦虑程度，分级别自动进行乘客焦虑恐惧情绪安抚，提高乘客人性化感受。

本系统的焦虑情绪识别安抚以及故障救援自动报送等功能同样可以推广应用其他生产、交通类突发事故中。比如在煤矿事故中自动报送事故及人员位置信息、智能安抚受困人员、提示安全应急知识，给予被困人员生的希望；又比如在重大交通事故中自动时报送事故位置信息、在等待救援中安抚受伤人员等等。

本系统经多次模拟测试，运行稳定。系统兼具创新性、实用性及可推广性，可有效提升电梯的安全可靠性以及乘客体验，应用前景广阔。

[1]王炎明. 停电应急平层装置对电梯安全运行的影响及检验. 中国特种设备安全, 2009.

[2]《电梯监督检验和定期检验规则——曳引与强制驱动电梯》（TSG T7001-2009）

[3]《电梯、自动扶梯、自动人行道术语》（GB/ T7024－2008）

[4]陈吕洲. Arduino程序设计基础[M]. 北京:北京航空航天大学出版社, 2014.

[5]《电梯主要参数及轿厢、井道、机房的型式与尺寸》（GB/T7025.1～3－2008）

[6] 傅栩雨, 叶健东, 王鹏,等. 人脸面部表情识别[J]. 计算机与网络, 2015(10): 70-71.

申烁志（1999—），男，成都七中高中在读。研究方向：创客智造。