馮雙昌 陳 杰

上海市特種設(shè)備監(jiān)督檢驗(yàn)技術(shù)研究院 上海 200062

0 引言

限速器作為電梯必備的安全保護(hù)裝置，能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)測(cè)電梯實(shí)際運(yùn)行速度。在電梯失速或者超速達(dá)到預(yù)定速度時(shí)，限速器動(dòng)作，進(jìn)而觸發(fā)安全鉗動(dòng)作，將轎廂卡在導(dǎo)軌上，能夠有效制停轎廂[1]。為確保限速器達(dá)到預(yù)定速度時(shí)能有效動(dòng)作，電梯維護(hù)保養(yǎng)和檢驗(yàn)中需對(duì)電梯限速器的動(dòng)作速度進(jìn)行校驗(yàn)。近年來(lái)，隨著電梯安全監(jiān)管力度的加強(qiáng)和檢驗(yàn)內(nèi)容的更新，對(duì)限速器的校驗(yàn)質(zhì)量和技術(shù)要求也在提高。尤其是特種設(shè)備安全技術(shù)規(guī)范TSG T 7001—2009《電梯監(jiān)督檢驗(yàn)和定期檢驗(yàn)規(guī)則——曳引與強(qiáng)制驅(qū)動(dòng)電梯》（含第1 號(hào)、第2 號(hào)修改單）實(shí)施以來(lái)，限速器由受檢電梯的維護(hù)保養(yǎng)單位按規(guī)定進(jìn)行校驗(yàn)，對(duì)校驗(yàn)結(jié)果的準(zhǔn)確性、校驗(yàn)方法的高效性、校驗(yàn)過(guò)程的可追溯性提出了更高要求。

1 傳統(tǒng)校驗(yàn)方法的缺陷

傳統(tǒng)的電梯限速器校驗(yàn)方法主要有2 種。一是將驅(qū)動(dòng)裝置、磁敏傳感器、電氣接收裝置通過(guò)數(shù)據(jù)線連接到數(shù)據(jù)處理裝置上，把磁鐵放在限速器繩輪節(jié)圓處，采用磁敏傳感器采集磁鐵轉(zhuǎn)速測(cè)定限速器的動(dòng)作速度，將機(jī)械鎖緊裝置動(dòng)作后采集的速度作為機(jī)械動(dòng)作速度；二是將驅(qū)動(dòng)裝置、數(shù)據(jù)處理裝置集成一起，將驅(qū)動(dòng)裝置的驅(qū)動(dòng)速度作為限速器的運(yùn)轉(zhuǎn)速度，當(dāng)機(jī)械鎖緊裝置動(dòng)作時(shí)會(huì)產(chǎn)生一個(gè)制停沖擊，以此作為機(jī)械動(dòng)作速度。

然而，上述2 種校驗(yàn)方法在提取限速器的動(dòng)作速度時(shí)都存在缺陷[2]。第1 種校驗(yàn)方法中，由于測(cè)速原理的局限性導(dǎo)致動(dòng)作速度的校驗(yàn)值和實(shí)際值存在較大偏差，并且需要將限速器的節(jié)圓半徑或周長(zhǎng)輸入到校驗(yàn)儀器中用于計(jì)算[3]。第2 種校驗(yàn)方法中，由于驅(qū)動(dòng)裝置和限速器存在相對(duì)滑動(dòng)，簡(jiǎn)單地將驅(qū)動(dòng)裝置的驅(qū)動(dòng)速度作為限速器的運(yùn)轉(zhuǎn)速度是不嚴(yán)謹(jǐn)?shù)?。另外，傳統(tǒng)的校驗(yàn)方法至少需要3 名校驗(yàn)人員配合進(jìn)行。由于安裝限速器的空間一般比較狹小，尤其是在無(wú)機(jī)房電梯和小機(jī)房電梯中，存在頂層高度低、井道狹小、空間緊湊等不利因素，多名校驗(yàn)人員手持笨重的校驗(yàn)儀器同時(shí)進(jìn)入如上述的空間進(jìn)行限速器校驗(yàn)時(shí)存在很大的安全隱患[4]。并且，傳統(tǒng)的校驗(yàn)方法只能記錄最終結(jié)果，無(wú)法記錄校驗(yàn)全過(guò)程，過(guò)程無(wú)法追溯。

2 新型校驗(yàn)方法

新型校驗(yàn)方法利用工業(yè)相機(jī)拍攝限速器校驗(yàn)的全過(guò)程，基于圖像識(shí)別技術(shù)自動(dòng)識(shí)別限速器節(jié)圓直徑、運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)間、運(yùn)轉(zhuǎn)速度，進(jìn)而獲得限速器的電氣動(dòng)作速度和機(jī)械動(dòng)作速度，并自動(dòng)判斷校驗(yàn)結(jié)果是否符合規(guī)定。

圖1 所示為常見(jiàn)限速器實(shí)物圖，圖2 為限速器簡(jiǎn)圖。驅(qū)動(dòng)裝置提供驅(qū)動(dòng)力使限速器以A 為圓心作加速轉(zhuǎn)動(dòng)。工業(yè)相機(jī)光軸與限速器中心軸盡量在同一條直線上。工業(yè)相機(jī)通過(guò)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)特征1的運(yùn)動(dòng)軌跡來(lái)計(jì)算限速器的運(yùn)轉(zhuǎn)速度，生成一條速度曲線，直至機(jī)械鎖緊裝置被觸發(fā)，隨后限速器運(yùn)轉(zhuǎn)速度為零。當(dāng)限速器運(yùn)轉(zhuǎn)速度達(dá)到一定值時(shí)，電氣安全裝置4 被觸發(fā)，此時(shí)特征2 動(dòng)作。捕捉特征2的動(dòng)作狀態(tài)，以特征2 動(dòng)作時(shí)限速器的運(yùn)轉(zhuǎn)速度作為電氣動(dòng)作速度。當(dāng)限速器機(jī)械鎖緊裝置被觸發(fā)時(shí)，限速器運(yùn)轉(zhuǎn)速度達(dá)到最大值，即速度曲線的最高點(diǎn)，以此作為限速器機(jī)械動(dòng)作速度。將所獲得的電氣動(dòng)作速度、機(jī)械動(dòng)作速度和標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定值進(jìn)行比較即可判斷該限速器的動(dòng)作速度是否符合要求。

圖1 常見(jiàn)限速器實(shí)物圖

圖2 限速器簡(jiǎn)圖

3 新型校驗(yàn)裝置

圖3 為校驗(yàn)裝置整體方案。校驗(yàn)裝置主要由驅(qū)動(dòng)裝置、采集裝置、控制處理裝置組成。

圖3 校驗(yàn)裝置整體方案

驅(qū)動(dòng)裝置主要由驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)、調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)、夾緊元件、無(wú)線傳輸單元等組成。采用電動(dòng)機(jī)作為驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)，驅(qū)動(dòng)限速器輪盤(pán)轉(zhuǎn)動(dòng)。調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)可調(diào)節(jié)電動(dòng)機(jī)和限速器之間的壓力，以此來(lái)提高驅(qū)動(dòng)效果。當(dāng)電動(dòng)機(jī)和限速器輪盤(pán)之間的壓力過(guò)大、接觸過(guò)緊時(shí)，電動(dòng)機(jī)在驅(qū)動(dòng)輪盤(pán)轉(zhuǎn)動(dòng)的過(guò)程中會(huì)出現(xiàn)停滯現(xiàn)象。當(dāng)電動(dòng)機(jī)和限速器輪盤(pán)之間的壓力過(guò)小、接觸過(guò)松時(shí)，電動(dòng)機(jī)在驅(qū)動(dòng)限速器輪盤(pán)轉(zhuǎn)動(dòng)的過(guò)程中會(huì)出現(xiàn)打滑現(xiàn)象。因此，需要通過(guò)調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)來(lái)調(diào)節(jié)電動(dòng)機(jī)與限速器之間的壓力，使二者之間的壓力達(dá)到平衡狀態(tài)，保證檢測(cè)過(guò)程中的穩(wěn)定性。電動(dòng)機(jī)和調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)通過(guò)夾緊元件固定于限速器旁的金屬架上。

采集裝置主要由工業(yè)相機(jī)、旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)、磁吸座、光源、無(wú)線傳輸單元組成。在限速器校驗(yàn)過(guò)程中，工業(yè)相機(jī)實(shí)時(shí)拍攝記錄限速器運(yùn)動(dòng)的視頻。旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)可調(diào)節(jié)工業(yè)相機(jī)的拍攝角度，以獲得最佳的拍攝角度。工業(yè)相機(jī)和旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)通過(guò)磁吸座固定于限速器或附近的金屬架上。光源用于提供工業(yè)相機(jī)所需的光照，以使工業(yè)相機(jī)能夠拍攝較為清晰的視頻。

控制處理裝置主要由控制單元、處理單元、顯示單元、打印單元、無(wú)線傳輸單元組成。限速器檢測(cè)過(guò)程中，環(huán)境一般比較惡劣，檢測(cè)空間較小，安全隱患大，故控制處理裝置通過(guò)無(wú)線方式實(shí)現(xiàn)與驅(qū)動(dòng)裝置、采集裝置的通訊?？刂茊卧ㄟ^(guò)無(wú)線通訊方式控制電動(dòng)機(jī)和工業(yè)相機(jī)的開(kāi)啟、關(guān)閉等動(dòng)作；工業(yè)相機(jī)采集到的數(shù)據(jù)通過(guò)無(wú)線通訊方式傳輸至處理單元，并進(jìn)行后續(xù)處理。顯示單元和打印單元可對(duì)工業(yè)相機(jī)獲取的數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)和展示?？衫蔑@示屏將校驗(yàn)視頻進(jìn)行播放或者利用打印機(jī)將校驗(yàn)報(bào)告打印出來(lái)。

4 圖像識(shí)別算法

4.1 輪盤(pán)圓心識(shí)別

輪盤(pán)圓心的識(shí)別主要包括輪盤(pán)邊緣提取、圓輪廓識(shí)別、圓篩選3 個(gè)過(guò)程。首先，進(jìn)行輪盤(pán)邊緣提取。對(duì)每幀原圖像進(jìn)行高斯模糊去除噪聲,采用Sobel 算子對(duì)每幀原圖像進(jìn)行梯度過(guò)濾，得到限速器輪盤(pán)的邊緣二值圖。該圖包含原圖像中梯度較大的點(diǎn)，且包含輪盤(pán)邊緣上的所有點(diǎn)。其次，進(jìn)行圓輪廓識(shí)別。對(duì)邊緣二值圖進(jìn)行Hough 變換，得到多個(gè)圓方程[5]。最后，進(jìn)行圓篩選。工業(yè)相機(jī)所拍攝的圖片中可能包含不止一處圓對(duì)象。限速器如果包含其他的小圓零件，也可能會(huì)被識(shí)別到。因此，需要進(jìn)行圓篩選以剔除干擾信息，即僅保留Hough 變換中匹配點(diǎn)數(shù)最多的圓[6]。通過(guò)對(duì)應(yīng)的圓方程，計(jì)算出輪盤(pán)圓心坐標(biāo)（xo，yo）和半徑r。圖4 為識(shí)別到的圓和圓心，其中淺藍(lán)色的線為圓，中間黃色的點(diǎn)為圓心。

圖4 識(shí)別到的圓和圓心

4.2 特征識(shí)別

特征識(shí)別需要識(shí)別3 處特征：特征1（見(jiàn)圖2）、特征2（見(jiàn)圖2）和機(jī)械鎖緊裝置制動(dòng)臂（以下記為特征3）。

特征1 是手動(dòng)標(biāo)記的特征，該特征是吸附在靠近限速器邊緣處的與周?chē)尘安煌伾拇盆F[7]?？筛鶕?jù)顏色過(guò)濾，獲取特征1的位置坐標(biāo)（x1，y1）。通過(guò)計(jì)算向量（x1-xo，y1-yo）的夾角，即可獲得當(dāng)前幀限速器輪盤(pán)所處的角度位置。因此，每一幀所對(duì)應(yīng)的限速器輪盤(pán)的角速度可通過(guò)角度變化計(jì)算得到，進(jìn)而求得限速器的瞬時(shí)線速度v。大多數(shù)限速器由于結(jié)構(gòu)件的遮擋無(wú)法獲得整個(gè)輪盤(pán)的圖像，因此需要在輪盤(pán)圓周上等間距設(shè)置3 個(gè)不同顏色的磁鐵，以保證任意時(shí)刻至少能識(shí)別到1個(gè)以上的磁鐵標(biāo)記。

特征2 是限速器的電氣開(kāi)關(guān)撥桿。由于要以電氣開(kāi)關(guān)撥桿動(dòng)作時(shí)限速器的運(yùn)轉(zhuǎn)速度作為電氣動(dòng)作速度，故需要識(shí)別電氣開(kāi)關(guān)撥桿動(dòng)作的一瞬間并記錄當(dāng)前時(shí)間te。考慮到電氣開(kāi)關(guān)撥桿較小不易標(biāo)記，可通過(guò)對(duì)比相鄰兩幀輪盤(pán)邊緣變化來(lái)識(shí)別電氣開(kāi)關(guān)撥桿是否動(dòng)作。如圖5 所示，電氣開(kāi)關(guān)撥桿動(dòng)作前該撥桿擋住了部分輪盤(pán)邊緣，電氣開(kāi)關(guān)撥桿動(dòng)作后遮擋取消了。故可根據(jù)輪盤(pán)邊緣顏色的變換來(lái)識(shí)別電氣開(kāi)關(guān)撥桿是否動(dòng)作。

圖5 電氣開(kāi)關(guān)撥桿動(dòng)作前后實(shí)物對(duì)比結(jié)果

對(duì)限速器進(jìn)行顏色濾波，提取輪盤(pán)邊緣的顏色[8]。如圖6 所示，電氣開(kāi)關(guān)撥桿動(dòng)作前提取到的輪盤(pán)邊緣顏色在圖中箭頭處有一個(gè)缺口，而電氣開(kāi)關(guān)撥桿動(dòng)作后提取到的輪盤(pán)邊緣顏色在同樣的位置沒(méi)有缺口。

圖6 電氣開(kāi)關(guān)撥桿動(dòng)作前后圖像對(duì)比結(jié)果

取一個(gè)很小的距離Δr，使以（xo，yo）為圓心、(γ-Δr)為半徑的圓正好處于輪盤(pán)邊緣涂色區(qū)中間。然后從最左端開(kāi)始，按逆時(shí)針?lè)较蛉?/4 圓弧上100 個(gè)點(diǎn)（即圖7中所示圓?。?。

圖7 按黃線所示圓弧逆時(shí)針?lè)较蛉?00 個(gè)點(diǎn)

對(duì)每個(gè)點(diǎn)周?chē)?9×19 個(gè)像素區(qū)域大小，統(tǒng)計(jì)顏色過(guò)濾二值圖Bhls中的白點(diǎn)個(gè)數(shù)sum。然后以旋轉(zhuǎn)角度為橫坐標(biāo)，以sum為縱坐標(biāo)繪制折線圖。圖8 為電氣撥桿動(dòng)作前后折線圖對(duì)比結(jié)果，可以看到電氣開(kāi)關(guān)撥桿動(dòng)作前比電氣開(kāi)關(guān)撥桿動(dòng)作后的折線圖多1 個(gè)波谷，通過(guò)識(shí)別此波谷，就能判斷電氣開(kāi)關(guān)撥桿是否發(fā)生動(dòng)作。

圖8 電氣撥桿動(dòng)作前后折線圖對(duì)比結(jié)果

可選限速器整個(gè)制動(dòng)臂的任意1 個(gè)聯(lián)動(dòng)部位為特征3。不同的限速器由于結(jié)構(gòu)不同所選的聯(lián)動(dòng)部位也不同。為使本方法更具有通用性，不以該聯(lián)動(dòng)部位的特征為特征3，而是通過(guò)在該部位表面吸附第4 塊顏色不同的磁鐵作為特征3。如圖9 所示，為限速器特征3 位置選擇示例。

圖9 限速器特征3 位置選擇示例

4.3 速度計(jì)算

速度計(jì)算需要根據(jù)任意相鄰兩幀計(jì)算電梯限速器輪盤(pán)當(dāng)前時(shí)刻的角速度，工業(yè)相機(jī)的幀率應(yīng)保證限速器在最大轉(zhuǎn)速時(shí)相鄰幀之間轉(zhuǎn)角不大于120°。因此，每幀圖像都至少包含1～2 個(gè)標(biāo)記，且兩幀之間至少包含1 對(duì)顏色相同、位置不同的標(biāo)記。

設(shè)限速器節(jié)圓半徑為r、相機(jī)的幀率為f、前后相鄰兩幀夾角為θk，則當(dāng)前電梯瞬時(shí)速度為

利用工業(yè)相機(jī)拍攝限速器校驗(yàn)的全過(guò)程，當(dāng)識(shí)別到特征2 電氣開(kāi)關(guān)撥桿動(dòng)作時(shí)所得速度即為限速器的電氣動(dòng)作速度v1；當(dāng)識(shí)別到特征3 制動(dòng)臂動(dòng)作時(shí)所得速度即為限速器的機(jī)械動(dòng)作速度v2。

5 校驗(yàn)結(jié)果判斷

GB 7588—2003《電梯制造與安裝安全規(guī)范》中規(guī)定，當(dāng)限速器的電氣動(dòng)作速度和機(jī)械動(dòng)作速度均滿足以下要求時(shí)，限速器校驗(yàn)結(jié)論為合格；否則，校驗(yàn)結(jié)論為不合格。

電氣動(dòng)作速度的要求為

式中：v1為電氣動(dòng)作速度，v2為機(jī)械動(dòng)作速度，v為電梯的額定速度。

機(jī)械動(dòng)作速度的要求為

式中：當(dāng)所述電梯使用瞬時(shí)式安全鉗，且為不可脫落滾柱式時(shí)，v3=1 m/s；當(dāng)所述電梯使用瞬時(shí)式安全鉗且不為不可脫落滾柱式時(shí)，v3=0.8 m/s；當(dāng)所述電梯使用漸進(jìn)式安全鉗且v≤1 m/s 時(shí)，v3=1.5 m/s；當(dāng)所述電梯使用漸進(jìn)式安全鉗且v＞1 m/s 時(shí)。v3=1.25v+0.25/v。

6 結(jié)語(yǔ)

采用工業(yè)相機(jī)拍攝的方式獲取限速器校驗(yàn)的運(yùn)動(dòng)視頻，并利用圖像識(shí)別和處理技術(shù)對(duì)獲取的視頻進(jìn)行分析處理，以獲得限速器的電氣動(dòng)作速度和機(jī)械動(dòng)作速度，從而實(shí)現(xiàn)限速器的自動(dòng)化校驗(yàn)。該方法不僅可提高校驗(yàn)效率、準(zhǔn)確性、安全性，還可確保整個(gè)校驗(yàn)過(guò)程具有可追溯性。