鄔棟

關(guān)鍵詞：電梯，智能化，檢測，高質(zhì)量發(fā)展

0 引言

電梯是一種服務(wù)于建筑內(nèi)部或外部若干個(gè)特定樓層，且轎廂的運(yùn)行方向限制在兩條或兩條以上的垂直于水平面方向上的導(dǎo)軌的永久性運(yùn)輸設(shè)備[1-2]。一般以電動(dòng)機(jī)作為動(dòng)力源。一臺垂直升降電梯一般裝有一個(gè)轎廂，用來在若干個(gè)樓層之間來回運(yùn)送乘客或者貨物等。

“電梯”這一事物為人類所用已經(jīng)一百五十余年了。最初的電梯使用的還是人力或畜力，那時(shí)電梯只能成為升降梯。而且并沒有設(shè)置安全裝置，直到1854年紐約的水晶宮舉行了世界博覽會，在世博會上一個(gè)美國人向世人展示了他的發(fā)明——安全鉗。這個(gè)人就是后來被譽(yù)為電梯之父的伊萊沙·格雷夫斯·奧的斯。

電梯的重要性已不言而喻，尤其伴隨中國經(jīng)濟(jì)的快速騰飛，社會化水平和百姓生活水平的提高，電梯作為住宅樓、寫字樓等樓宇內(nèi)的垂直運(yùn)輸工具，已經(jīng)像其他交通工具一樣，越來越成為我們?nèi)粘Ｉ钪幸粋€(gè)不可或缺的組成部分。本文通過對電梯的發(fā)展歷史、發(fā)展現(xiàn)狀、發(fā)展趨勢的綜合闡述，探討了電梯檢測技術(shù)的創(chuàng)新發(fā)展，以期為未來高質(zhì)量發(fā)展的電梯及更智能化的檢測技術(shù)提供借鑒參考，共同為我們?nèi)祟悇?chuàng)造一個(gè)更加穩(wěn)定、更加安全、更加舒適的生活空間。

1 電梯的發(fā)展歷史

人類利用升降工具運(yùn)輸貨物、人員的歷史非常悠久。早在公元前2600年，埃及人在建造金字塔時(shí)就使用了最原始的升降系統(tǒng)，這套系統(tǒng)的基本原理至今仍無變化，即一個(gè)平衡物下降的同時(shí)，負(fù)載平臺上升。

電梯作為升降設(shè)備，其起源可以追溯到公元前1000多年前我國勞動(dòng)人民發(fā)明的轆轤：一種由木制或竹制的支架、卷筒、曲柄和繩索組成的卷筒式卷揚(yáng)機(jī)。

早期的升降工具基本以人力為動(dòng)力。1203年，在法國海岸邊的一個(gè)修道院里安裝了一臺以驢子為動(dòng)力的起重機(jī)，這才結(jié)束了用人力運(yùn)送重物的歷史。

電梯在公元1765年瓦特發(fā)明蒸汽機(jī)，世界開始了第一次工業(yè)革命，那時(shí)世界進(jìn)入了蒸汽時(shí)代，蒸汽機(jī)成為了極其重要的原動(dòng)機(jī)。然而直到1835年蒸汽機(jī)才逐漸取代人力或者畜力正式成為升降工具的動(dòng)力來源。然而當(dāng)時(shí)的升降機(jī)大多使用卷筒做拉升，棉麻繩做牽引，由于沒有保護(hù)機(jī)制，時(shí)常有斷繩墜落事故發(fā)生，所以很少用來載人。

直到1852年，電梯之父伊萊沙·格雷夫斯·奧的斯發(fā)明了一種安全鉗，使升降梯的牽引繩即使斷裂，也能保證轎廂內(nèi)的人安然無恙。這種安全鉗會把轎廂鎖死在導(dǎo)軌上，從而防止轎廂繼續(xù)下墜。

隨后在1853年，奧的斯辦起了自己的車間，傳奇的奧的斯電梯公司從此誕生。在1854年的紐約世博會上，奧的斯完美地展示了他所發(fā)明的安全鉗。從此，升降梯便有了防墜落方面的保證，為此后電梯的發(fā)展奠定了基礎(chǔ)。

1887年，奧的斯電梯公司制造出了世界上第一臺名副其實(shí)的電梯，該公司創(chuàng)造性地使用了電動(dòng)機(jī)作為電梯的的動(dòng)力源，通過渦輪減速器帶動(dòng)卷筒上的牽引繩對轎廂進(jìn)行升降。到了1889年該公司又推出了世界上第一部以直流電動(dòng)機(jī)位動(dòng)力的升降機(jī)。1900年，該公司又研制出交流感應(yīng)電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)電梯。

1903年后，奧的斯公司又將電梯的傳動(dòng)方式從鼓輪式改進(jìn)為曳引式。曳引式電機(jī)比鼓輪式電機(jī)的體積小得多，而且曳引式電機(jī)比鼓輪式電機(jī)有更高的通用性和安全性。

1967年晶閘管用于電梯，研制出了交流調(diào)壓調(diào)速電梯。到了1984年，日本將變頻調(diào)速系統(tǒng)應(yīng)用于2 m /s以上的電梯。在控制方面，微機(jī)全面取代繼電器，實(shí)現(xiàn)閉環(huán)控制，進(jìn)一步提高了電梯性能和可靠性。

2 電梯的發(fā)展現(xiàn)狀

現(xiàn)代電梯在技術(shù)方面的發(fā)展速度可以說是日新月異，在電機(jī)電梯問世四十余年的時(shí)間里，已經(jīng)發(fā)展出幾十種類型，根據(jù)不同的用途可以分為乘客型電梯、載貨型電梯、醫(yī)用梯、雜物梯、觀光梯、車輛用電梯、船舶用電梯，甚至有建筑施工專用電梯和其他特殊用途的電梯。如果根據(jù)電梯驅(qū)動(dòng)方式又可以分為：液壓式、曳引式、齒輪齒條式和螺桿式。還可以根據(jù)電梯的運(yùn)行速度分為低速梯、中速梯和高速梯，如今高速梯的發(fā)展則十分受人矚目。另外根據(jù)是否有電梯司機(jī)可以分為有司梯和無司梯，但是隨著社會節(jié)奏的加快，大部分有司梯也被無司梯所取代。本文中所設(shè)計(jì)的電梯屬于乘客型、交流、低速、曳引式、無司電梯。

因?yàn)殡娞菥哂卸喾N無與倫比的功能，使得電梯在當(dāng)今世界有著無比巨大的市場。如今我國已經(jīng)是全球電梯保有量最多的國家，同時(shí)也是全球最大的電梯制造國。2020年我國電梯產(chǎn)量約為一百零五萬臺，電梯保有量高達(dá)八百萬臺。根據(jù)KONE公布數(shù)據(jù)顯示，全球新裝電梯需求量最大的國家為中國，占世界電梯新裝量總數(shù)的比重約為63%，為世界最大的電梯市場。排名第二的是歐洲、中東及非洲地區(qū)，占比約為19%；南亞、印度及澳大利亞的新裝電梯占比約為8%。而北美地區(qū)及南美地區(qū)對新裝電梯的需求量相對較少，分別僅占3%和2%。

2022年9月，“2022全球電梯制造商10強(qiáng)”排行榜正式發(fā)布，全球領(lǐng)先電梯制造商中，有4家來自歐美，分別為奧的斯、迅達(dá)、通力、蒂森克虜伯電梯；4家來自日本，分別是三菱、日立、富士達(dá)、東芝；1家韓國企業(yè)，為現(xiàn)代電梯，1家中國企業(yè)，為康力電梯。其中占比最大的為奧的斯，為17%。

3 電梯的發(fā)展趨勢

未來，在“中國制造2025”的推動(dòng)下，智能化將成為電梯企業(yè)轉(zhuǎn)型改革的大方向。除了促進(jìn)電梯制造技術(shù)的升級外，通過融入云計(jì)算、物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)等新一代信息技術(shù)也將成為提高電梯智能化水平的重要途徑[3]，未來電梯的發(fā)展趨勢如下。

3.1 電梯群控系統(tǒng)智能化趨勢

在21世紀(jì)，電力電子器件進(jìn)入第四代——智能化時(shí)代。如果把電梯群控系統(tǒng)與智能化相結(jié)合，將會使電梯的能耗進(jìn)一步降低，以達(dá)到電梯資源的高效合理運(yùn)用的目的。

3.2 超高速電梯發(fā)展趨勢

當(dāng)今社會發(fā)展無比迅速，甚至可以說是日新月異。于此同時(shí)，社會的節(jié)奏也越來越快。世界上出現(xiàn)了越來越多的摩天大樓，有些大樓高達(dá)上百米，此時(shí)傳統(tǒng)的低速電梯顯然跟不上新時(shí)代高樓的運(yùn)輸需求。高速電梯必將會在高樓林立的現(xiàn)代都市中大放異彩。

3.3 新型材料的應(yīng)用趨勢

現(xiàn)如今的大多數(shù)電梯仍然存在著占用空間大，轎廂重量過高的問題。如果電梯發(fā)生故障，這些都會成為阻礙維修進(jìn)度的因素。因此新型材料在電梯上的應(yīng)用必不可少，甚至是非常迫切需要的。

3.4 綠色電梯趨勢

在當(dāng)今“綠水青山就是金山銀山”的時(shí)代大背景下，電梯也需要做到低碳綠色環(huán)保。在很多老舊小區(qū)安裝的電梯依然是老式的高耗電電梯，如果改用永磁同步無齒輪曳引電機(jī)將會大幅度減少用電消耗量，以達(dá)到綠色節(jié)能目的。

3.5 電梯安全透明化趨勢

隨著智能電梯的不斷發(fā)展，在電梯中安裝物聯(lián)網(wǎng)傳感裝置，使用統(tǒng)一的數(shù)據(jù)監(jiān)測系統(tǒng)，讓乘客可以更加便捷高效地使用自動(dòng)報(bào)警、一鍵呼救、指定樓層運(yùn)行等功能，有效地提升電梯安全性能和處理故障的能力。對于物業(yè)和維保公司來講，這樣的好處還有，可以實(shí)時(shí)監(jiān)測電梯運(yùn)行狀況、電梯故障實(shí)時(shí)報(bào)警、預(yù)測性維護(hù)等，精準(zhǔn)掌握電梯的運(yùn)行，為電梯安全保駕護(hù)航。

3.6 電梯效率節(jié)能化趨勢

在未來，智能電梯將通過大數(shù)據(jù)、云計(jì)算等新技術(shù)，實(shí)時(shí)智能聯(lián)網(wǎng)控制分析，如商務(wù)樓的電梯，在上下班高峰和不同的時(shí)段，根據(jù)人流量來自動(dòng)調(diào)整派梯的數(shù)量和頻次，讓電梯的調(diào)度更加精準(zhǔn)。從而提升乘梯者的使用體驗(yàn)，提升電梯的節(jié)能效率。

3.7 電梯使用便捷化、安全化趨勢

拋開電梯安全和便捷談未來電梯，是不切實(shí)際的。有統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)顯示，乘客關(guān)注的電梯功能中排名前三的是：電梯故障報(bào)警、自動(dòng)報(bào)警、縮短等待時(shí)間。可見大家普遍對電梯的安全和便捷性抱有很高的期望值。這就對新技術(shù)加持下的電梯行業(yè)提升了更高的要求，如何實(shí)現(xiàn)電梯安全、便捷、舒適、智能等方面的實(shí)際功能落地，更加關(guān)注用戶在實(shí)際使用電梯中的感受，必然成為未來電梯的主要趨勢之一。

3.8 全生命周期管理趨勢

電梯從設(shè)計(jì)、制造再到交付使用，涉及到環(huán)節(jié)之多，參與者之眾是這個(gè)行業(yè)的基本特點(diǎn)。在這些環(huán)節(jié)中，不同參與者對于電梯的訴求也不盡相同。這就導(dǎo)致了各個(gè)環(huán)節(jié)都有各自的管理方式和管理系統(tǒng)，從而使得各個(gè)環(huán)節(jié)中的信息流通速度緩慢、自動(dòng)化程度提不上去。未來，通過數(shù)據(jù)化、智能化的加持，使用統(tǒng)一的數(shù)據(jù)架構(gòu)，打通電梯設(shè)計(jì)、生產(chǎn)、銷售、安裝、使用、運(yùn)維等環(huán)節(jié)，實(shí)現(xiàn)真正的資源協(xié)同、資源協(xié)同和電梯的全生命周期管理。

3.9 智能樓宇一體化趨勢

隨著智慧城市和智慧建筑的政策支持和落地，智能電梯與智能樓宇一體化的趨勢也愈發(fā)明顯。在智能樓宇中，涉及到數(shù)十個(gè)子系統(tǒng)且設(shè)備種類繁多，其中包含空調(diào)系統(tǒng)、電梯系統(tǒng)、照明系統(tǒng)、給水系統(tǒng)等，不同的子系統(tǒng)之間通過樓宇的自動(dòng)系統(tǒng)相互連接，從而實(shí)現(xiàn)信息的交互。從智能電梯的角度看，其數(shù)據(jù)不僅可以同于電梯管理平臺中，還可以跟建筑中的樓控系統(tǒng)連接，實(shí)現(xiàn)一體化的功能，達(dá)到智能建筑的全自動(dòng)化。

4 電梯檢測技術(shù)的創(chuàng)新發(fā)展

隨著電梯智能化的發(fā)展，電梯檢測技術(shù)也勢必要跟上腳步，保障電梯安全運(yùn)行。傳統(tǒng)電梯檢測方法主要借助鉛垂線與線規(guī)進(jìn)行分段檢測，或者通過光學(xué)檢測儀器對檢測精度進(jìn)行提高。但這些檢測手段既耗費(fèi)人力又存在人為誤差，這使得檢測精度存在一定的降低，尤其檢測高層建筑電梯導(dǎo)軌時(shí)，需實(shí)時(shí)手動(dòng)調(diào)整高空儀器位置，危險(xiǎn)極大。文獻(xiàn)設(shè)計(jì)了一種通過傾角傳感器完成對電梯導(dǎo)軌進(jìn)行快速檢測的檢測裝置，這種檢測方法雖然能快速完成對垂直度的檢測，但這仍屬于分段式檢測，上個(gè)檢測點(diǎn)的檢測結(jié)果對當(dāng)前的檢測影響較大，導(dǎo)致誤差積累且無法實(shí)現(xiàn)對電梯導(dǎo)軌各位置的狀態(tài)連續(xù)顯示。機(jī)器視覺及光學(xué)儀器的快速發(fā)展，使得有的研究單位通過經(jīng)緯儀、光學(xué)傳感器、機(jī)器視覺等方法來實(shí)現(xiàn)對導(dǎo)軌的連續(xù)檢測，但是就目前的研究來看，這些方法還不太成熟，其會受到檢測裝置的影響，無法實(shí)時(shí)快速完成對檢測位置的調(diào)整，運(yùn)動(dòng)過程也經(jīng)常會給檢測帶來不確定的干擾，導(dǎo)致對長距離導(dǎo)軌的檢測效率和精度跟不上現(xiàn)在電梯的高質(zhì)量發(fā)展，未來可通過人工智能算法進(jìn)一步提高電梯的檢測技術(shù)，本文將對可用于電梯檢測的YOLOv5算法進(jìn)行一個(gè)簡單的介紹。

4.1 改進(jìn)YOLOv5的電梯損傷檢測算法

選取Ultralytics5.0版本的YOLOv5算法模型作為電梯損傷檢測算法。在其基礎(chǔ)上進(jìn)行改進(jìn)，改進(jìn)算法的核心思想是利用注意力機(jī)制和上下文信息，在保證模型原有框架的前提下，通過增刪所提出的網(wǎng)絡(luò)模塊，盡可能挖掘小目標(biāo)密集區(qū)域的特征信息，減少電梯復(fù)雜背景噪聲干擾，提高檢測精度。具體的算法改進(jìn)如下：

（1）在檢測網(wǎng)絡(luò)中增加小目標(biāo)檢測層；

（2）將主干網(wǎng)絡(luò)末端的空間金字塔池化（SpatialPyramid Pooling，SPP）去掉，再將主干網(wǎng)絡(luò)末端得到的特征圖經(jīng)過特征增強(qiáng)模塊FEM，連接至特征金字塔網(wǎng)絡(luò)中的特征融合部分；

（3）在檢測頭前加入前景感知模塊FAM，并將主干網(wǎng)絡(luò)末端得到的特征圖作為前景連接到該模塊。

4.2 增加小目標(biāo)檢測層

在原檢測網(wǎng)絡(luò)中增加160×160的特征層，將在主干特征提取網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行下采樣后得到的特征層，與其余特征層通過上采樣特征匹配后進(jìn)行特征融合，得到更豐富的語義信息。再將該特征層進(jìn)行下采樣傳遞，輸出160×160的特征層進(jìn)行預(yù)測，這樣可以使特征預(yù)測網(wǎng)絡(luò)更加細(xì)致，對電梯的檢測范圍更廣泛。

4.3 基于空洞卷積和注意力機(jī)制的特征增強(qiáng)模塊

將基于空洞卷積和注意力機(jī)制的特征增強(qiáng)模塊FEM加入到特征融合的過程中，先將多尺度的空洞卷積采樣后經(jīng)池化的操作替代原有SPP中多尺度的池化，再將其與混合注意力機(jī)制相結(jié)合，在通道和空間維度上對不同尺度特征圖分配注意力權(quán)重，動(dòng)態(tài)地改變原有固定特征權(quán)重分配方式，在降低噪聲干擾的同時(shí)增強(qiáng)模型對電梯特征信息的提取能力。

4.4 前景感知模塊

因?yàn)殡娞菥谋尘耙话爿^為復(fù)雜，為了在復(fù)雜背景下增強(qiáng)網(wǎng)絡(luò)對被測目標(biāo)的檢測能力，可以加入前景感知模塊FAM，先明確前景與背景的關(guān)系，并利用潛在背景嵌入與前景特征進(jìn)行關(guān)聯(lián)。然后利用該權(quán)重對輸入特征圖進(jìn)行增強(qiáng)，增加前景特征與背景特征之間的差異，從而提高前景特征的識別能力。

雖然利用智能算法、機(jī)器視覺對電梯進(jìn)行檢測目前還存在一定的缺陷，但是這些缺陷是可以通過其他技術(shù)進(jìn)行補(bǔ)償，因此通過機(jī)器視覺完成對電梯的檢測是必然的發(fā)展趨勢。機(jī)器視覺技術(shù)處理速度快、信息量大，已經(jīng)廣泛應(yīng)用于圖像識別、檢測、視覺定位等各領(lǐng)域。未來電梯的檢測技術(shù)也將會朝著機(jī)器視覺的檢測方向發(fā)展，配合人工蜂群算法選取合適的閾值和調(diào)節(jié)參數(shù)對機(jī)器視覺采集的圖像進(jìn)行全方位的去噪；然后再通過深度學(xué)習(xí)算法具備的很強(qiáng)學(xué)習(xí)能力提高檢測精準(zhǔn)度以及完成對電梯實(shí)時(shí)快速準(zhǔn)確識別。

5 結(jié)語

電梯已然成為了一種現(xiàn)代社會必不可少的基礎(chǔ)設(shè)施，在日常生活中發(fā)揮著越來越重要的作用。電梯的各種技術(shù)也日趨成熟，相信隨著電梯技術(shù)的發(fā)展，高速高效、智能化、綠色化的電梯一定能為人類提供更好的服務(wù)，無齒輪、無機(jī)房、電磁兼容性、遠(yuǎn)程監(jiān)控等技術(shù)將更好地應(yīng)用于電梯中，為人類提供更智能化的便捷。電梯檢測同樣會朝著更智能的方向發(fā)展，智能算法、機(jī)器視覺方法會更好地運(yùn)用于電梯檢測，再通過各種算法加深度學(xué)習(xí)的配合，相信電梯的檢測技術(shù)會同電梯的高質(zhì)量發(fā)展同步前進(jìn)，為人類創(chuàng)造一個(gè)更加穩(wěn)定、更加安全、更加舒適的生活空間。