新型電梯智能監(jiān)控系統(tǒng)的設計研究及功能概述

設計了一種基于智能視頻監(jiān)控可識別電梯（物）不安全狀態(tài)和轎廂內人員異常行為新型電梯智能監(jiān)控系統(tǒng)，給出了系統(tǒng)整體設計方案、框架圖。以視頻采集、傳輸、處理模塊、電源、CPU、通信、控制等模塊及三種服務器為主要功能部分構建系統(tǒng)硬件平臺并給出了硬件詳細選型。

截至2013年底，我國電梯事故70起，事故起數和死亡人數分別占同期全國特種設備事故總數的30.82%、19.72%，其安全運行得到社會各屆的關注。但在其使用、監(jiān)管、維保、維穩(wěn)安防等過程中弊端明顯，尤其對于人群的復雜公共場合，急需建立起通用的電梯不安全狀態(tài)和人員異常行為的遠程實時監(jiān)控系統(tǒng)。

在這種情況下，從工程實際需求出發(fā)，基于智能視頻監(jiān)控（IntelligentVideoSurveillance，IVS）、IOT物聯網、視頻圖像數字處理技術等其他信息化手段打造人體特征提取、異常行為檢測、人數統(tǒng)計、電梯運行數據監(jiān)視、故障監(jiān)測、遠程主動控制、自動報警和主動救援等功能的中心服務器綜合監(jiān)測/控制平臺；降低電梯故障和異常行為人身安全事故發(fā)生率、提高處理效率并實現遠程控制、把人和物不安全狀態(tài)隱患消滅在萌芽中；打破國外廠商基于自身產品的聯網監(jiān)控系統(tǒng)的壟斷，促進監(jiān)控系統(tǒng)完全國產化進程。

1系統(tǒng)總體方案設計概述

IVS電梯智能監(jiān)控技術是原控制系統(tǒng)的延伸和發(fā)展，主要包括的物的不安全狀態(tài)和人的異常行為主體（簡稱物模塊和人模塊）的全天候遠程監(jiān)視和控制兩部分。其核心是在監(jiān)控中心B/S架構信息化管理平臺上，實時掌握每一臺電梯獨立安裝的傳感器發(fā)回的運行信息和轎內人員實時視頻圖像，并在精確的組合算法解析下，識別物的不安全狀態(tài)和人的異常行為，實時報警、提前預警，并主動采取相應的保護措施，將傷害程度降到最低：一方面利用先驗知識建立行為模型，用拉普拉斯分解和自適應高斯混合模型背景建模，實現基于前景邊緣處理、人體特征提取、特征軌跡識別等技術的視頻實時監(jiān)控功能，采用復合算法，智能化識別人的突然摔倒、搶劫、暴力攻擊等異常行為并實現轎內人數準確統(tǒng)計；另一方面預測和排除潛在故障，以及在故障的第一時間，對故障進行有效處理，實現典型故障監(jiān)測、困人主動報警救援功能；同時也具備維保人員RFID射頻識別讀寫/維保管理；建立數據庫，保存數據流，以便查詢、統(tǒng)計和分析電梯、使用單位、電梯行業(yè)企業(yè)基本情況更好的服務于社會和人民群眾。

2監(jiān)控系統(tǒng)設計

采用RS-485/232標準，敷設專線，設計開發(fā)服務器和前端機監(jiān)控軟件，通過監(jiān)控中心計算機對各處電梯進行遠程監(jiān)控；并擴展實現通訊協議轉換，將不同梯控制器信息代碼統(tǒng)一轉換成標準信息代碼，集中監(jiān)控不同廠家不同型號的電梯。并在采集器監(jiān)測各種運行狀態(tài)信號和故障信號時，設置輸入端子，提高故障檢測能力，實現故障診斷和故障預測[1-3]。

物系統(tǒng)模塊主要由采用CAN總線與電梯對接或信號狀態(tài)輸入的采集器(即遠程監(jiān)測器)、將RS-485或者RS-422數據轉換為TCP/IP數據的網絡數據轉換器、安裝配置軟件進行網絡數據轉換器配置的配置終端、安裝監(jiān)控軟件的監(jiān)控服務器組成。對復雜公共場合電梯選用可擴展性高、靈活性強、安全性及穩(wěn)定性好，能滿足各方面需求的微機控制；增加額外的接口電路實現對110V或220V的用電設備的直接控制。

人系統(tǒng)模塊選用ISO下屬的MPEG運動圖像專家組視頻編碼標準，選用HTTP/TCP協議傳輸控制信息、RTP/UDP協議傳輸實時數據的流媒體傳輸技術。模塊主要由轎內監(jiān)視端、物業(yè)中央控制室、監(jiān)控中心和其他遠程控制端組成。采用一體化云臺攝像機實時采集轎內視頻信號，通過串口線RJ-45將信號送入選擇DSP芯片實現方式的DVS-7000網絡視頻服務器，實時壓縮編碼處理視頻圖像，完成視頻的復原；利用有線或無線網絡傳送到物業(yè)中央控制室的數據轉發(fā)中心，中心調用復合算法通過結合人體形狀分析與視覺跟蹤來定位轎內人體和分割出人體頭、手、軀干、腳各部分，建立人體外觀模型，識別各種異常行為并主動報警，及發(fā)送相應對策指令；并通過C#語言內嵌SQL語言編程將視頻數據存貯在本地局域網C/S架構數據庫服務器和WEB服務器中，通過B/S模式發(fā)送數據，監(jiān)控中心和其他遠程客戶端通過瀏覽器掌握運行狀態(tài)。

2.1系統(tǒng)結構

系統(tǒng)開發(fā)實現通用化、模塊化、信息化、智能化，以保證各系統(tǒng)及其子系統(tǒng)的各功能的正常實現，保證可持續(xù)性開發(fā)需求；各程序高度模塊化，并具備可拓展的技術框架和標準的對外接口，為與系統(tǒng)以外的應用系統(tǒng)和二次開發(fā)預留接口。系統(tǒng)實施的平臺架構[4-5]如圖1所示。

系統(tǒng)主要由監(jiān)控中心、通訊系統(tǒng)、現場數據/圖像采集、通訊裝置組成。1)監(jiān)控中心：是控制管理中心，由該中心向各檢測前端發(fā)布監(jiān)測及通訊命令、收集處理監(jiān)測數據、監(jiān)督或指揮設備的運行狀況，并通過數據發(fā)布系統(tǒng)為前端提供信息服務。2)通訊系統(tǒng)：通訊系統(tǒng)包括有線通訊線路、通訊軟件等，數據通訊系統(tǒng)支持RS-232/RS-485數據傳輸協議。3)現場數據采集、通訊裝置：CAN-BA采集電梯數據，BN-030QA/SE-C采集圖像，通過RS-232/RS-485通訊傳輸相關數據。系統(tǒng)模塊具體包括：數據采集傳輸模塊、系統(tǒng)安全保障模塊、中心控制模塊、數據庫平臺模塊、綜合信息管理平臺、運營維護模塊。

圖1電梯物/人智能監(jiān)控系統(tǒng)框架圖

2.2系統(tǒng)通信網絡

復雜公共場合電梯安全第一、傳輸數據量大、實時性高、環(huán)境復雜、有強磁干擾，初選實時性強和可靠性高的有線聯網監(jiān)控系統(tǒng)，在此基礎上擴展實現GPRS無線通訊。監(jiān)控系統(tǒng)的數據傳輸是流量較小、點多分散、不連續(xù)[2]、頻繁和突發(fā)性，應采用無線聯網監(jiān)控系統(tǒng)，需要在每臺電梯配置一臺GPRS數據傳輸終端，負責與監(jiān)控單元相互交換數據，控制監(jiān)控中心和轎廂的內部通信。根據需要可雙線配置，由用戶選擇模式，未來應以無線通信為主，有線通信為輔。

2.3系統(tǒng)功能

在不改變電梯原有結構，不介入控制回路，不影響正常運行狀態(tài)的前提下，采用獨立于電梯機電系統(tǒng)的一組傳感器和視頻圖像系統(tǒng)，用于監(jiān)測電梯運行過程中必要的狀態(tài)信息和轎廂內外人的異常行為。監(jiān)控系統(tǒng)包含物/人動態(tài)狀態(tài)顯示、人體特征提取、異常行為檢測、人數統(tǒng)計、狀態(tài)轉換和故障代碼轉換、轎廂人員雙工語音對講、故障狀態(tài)判斷、自動電話/短信報警、故障困人/異常行為主動聲光報警、視頻/圖像/語音安撫、維保到場記錄、維保信息統(tǒng)計管理、檢測終端自備電源切換、狀態(tài)參數存儲、檔案信息、年檢信息統(tǒng)計管理、主動式有針對性的電梯控制和視頻實時監(jiān)控等主要服務功能。

3監(jiān)控系統(tǒng)硬件設計

3.1電梯不安全狀態(tài)監(jiān)控模塊

硬件核心是電源、CPU、通信和控制四個模塊：電源模塊負責CAN-BA供電；CPU是控制中心，負責將采集的信息數據流發(fā)送至ThinkServerTD340服務器，同時處理來自上位機的用戶交互命令；通信模塊的CAN通訊負責將采集的差分信號轉換成CPU能識別的差模信號，MAX232/485通信負責數據傳輸；控制模塊主要包括外部檢測模塊和繼電器輸出控制模塊，外部檢測模塊負責實時采集運行信息，繼電器輸出控制模塊負責在收到指令或發(fā)生地震等異常振動時，及時控制電梯就近停層，先讓乘客安全出來，再停止運行。各模塊之間關系如圖2所示。

圖2硬件模塊關系圖

電源模塊綜合考慮散熱、低功耗、小紋波、成本、接口耐壓值、線性穩(wěn)壓、引腳電壓匹配、穩(wěn)定性等要求，選擇開關式的LM2575。CPU選擇低功耗、高性能、與80C51引腳結構、標準MCS-51指令系統(tǒng)兼容的COMS8位單片機AT89S52芯片，為嵌入式控制應用系統(tǒng)提供靈活、有效的解決方案。通信模塊主要包括：負責SJA1000初始化、實現數據收發(fā)的AT89S52、用于區(qū)域網絡控制的獨立CAN總線控制器的SJA1000、負責把差分信號轉換成的差模信號發(fā)給CPU進行后續(xù)操作的TJA1050和保證通信不會有雜波干擾的光電隔離器6N137的CAN通訊電路；為免受外界干擾，設計一個起濾波作用、并用萬用表驗證導通與否、存在壓降的通訊隔離模塊；由MAX232通信和由6N137光電隔離器組成的光耦隔離電路串口通訊。系統(tǒng)遠距離數據傳輸，驅動能力不足，且通信質量差，因此需通過MAX232/485將TTL電平轉換成EAI適合的電平，實現單片機和PC機之間的通信。采用6N137將模擬電路及AD變換器和數字電路徹底隔離，以提高信噪比這一關鍵參數，抑制噪聲對模擬電路和AD電路的干擾。設計時需注意，6N137必須串接一個限流電阻、上拉一個電阻[5]?？刂颇K由三部分組成[4]：TLP620-4雙光耦是否導通實時檢測開關門、振動、消防、超載等信號；使用光耦隔離阻止電流過大，用發(fā)光二極管提示；選用并聯限壓型瞬態(tài)電壓保護二極管TVS工作電路，控制浪涌電壓在安全值內，并通過地線泄放。

3.2人員異常行為監(jiān)控模塊

選擇采用BN-030QA/SE-C云臺一體化攝像機；選擇具有超強抗死機性能，支持DC12V/AC24V輸出、鏡頭電機保護、自動匹配控制協議等功能的BN-80013智能解碼器；通過其輸出端傳輸到MPEG-4的DVS-7000視頻服務器中進行編碼壓縮并發(fā)送；由物業(yè)監(jiān)控室數據轉發(fā)中心聯想ThinkServerTD340通過天線接收采集的視頻數據，轉發(fā)中心通過軟件來支持并存儲在TD340上；在組合復雜算法的處理下提取背景和人肢體模型并判斷異常行為主動響應；同時支持研華IPC-610H工控機觀察視頻圖像、回放歷史視頻，并可手動控制云臺的動作方向；傳輸控制信息選用HTTP/TCP協議、傳輸實時數據選用RTP/UDP協議，監(jiān)控中心即可通過客戶端輸入網址，根據HTTP協議由聯想R680G7Web服務器通過網絡向局域網中的聯想萬全T350數據庫服務器發(fā)出數據查詢、查詢優(yōu)化、多用戶存儲控制、更新、數據操縱等請求，并將響應的結果返回客戶端。  

4電梯物聯網監(jiān)控系統(tǒng)軟件設計

設計一個人機實時互動良好的系統(tǒng)尤為重要，Java運行速度慢，運行包大；VisualC++6.0對模板的支持比較差，編譯時容易出現假死狀態(tài)，并僅支持Windows操作系統(tǒng)但兼容性不好，可能發(fā)生cpp文件無法打開的現象；故最終選擇C++并加載可移植性強、支持跨平臺構建、不依賴虛擬機制、很多算法可直接使用、性能強大、速度和性能優(yōu)勢明顯的開源軟件OpenCV搭建物/人智能監(jiān)控系統(tǒng)軟件平臺。

4.1軟件功能需求分析

軟件結構功能模塊分為顯示層、數據處理層、數據收發(fā)層及輔助模塊。顯示層用于將數據處理層的解析數據顯示出來，并接收與用戶交互命令，向下層傳輸。包括監(jiān)控界面、用戶交互、用戶動作解釋、數據顯示。數據處理層用于解析來自數據收發(fā)層的數據，并保存異常數據，同時將解析后的數據送到顯示層作為顯示參數，并提供數據庫讀寫驅動、數據配置、分析等數據處理功能。包括數據解析、數據傳輸、數據庫讀寫驅動、數據保存、數據統(tǒng)計分析、數據配置、數據校驗等。數據收發(fā)層用于獲取采集器監(jiān)控數據，同時也將數據處理層的數據發(fā)送到采集器。包括接口類型配置、數據讀寫、數據校驗。輔助模塊[1]包括單梯顯示、數據導出、信息配置、信息查詢、圖標設置、圖標排序、電梯臺數設置、軟件主界面設置、通信串口、控制繼電器、警告窗口、初始化窗口等功能。

4.2軟件工作流程

具體流程是系統(tǒng)啟動后：一，調用用戶管理模塊，選擇登陸方式；二，程序初始化，以獲取電梯編號、接口類型、視頻采集窗口、端口號和網絡IP；三，判斷數據傳輸方式必要時初始化串口，另設置參數，捕獲當前視頻幀數據信息；四，設置ROI開放接口，確認串/網口發(fā)送C180FF，電梯回復一個數據流；五，作差并提取前緣背景，另判斷是否收到數據流，若無，心跳算法判斷是否在線，不在線即通知人員檢修，在線就重新發(fā)送詢問數據；六，對背景邊緣采取銳化降噪措施，調用算法建立合適的模型并處理，同時讀取串/網口數據，判斷首字節(jié)是否為正確的電梯編號，不正確重新C180FF；七，正確校驗數據是否正確，即校驗數據和是否等于FFH、校驗是否超過設定動能和人數闕值；八，解析電梯和人體模型、人數計數數據，同時保存到軟件日志；九，檢查有無故障和異常狀況，有即將信息顯示在聲光報警窗口，并通知人員檢修，無故障和異常時可將解析后的數據傳輸到顯示層作為顯示參數，最后顯示層將數據處理層的解析數據顯示出來。

把電梯發(fā)送回來的數據流傳輸到顯示層，進行顯示，形象直觀的把電梯信息反饋給用戶。與此同時，用戶可進行相關電梯操作。首先，把用戶指令進行數據解析，再通過數據收發(fā)送到下位機，通過CAN-BA數據釆集器的CPU進行處理，控制電梯進行正確操作。

5結語

在深入復雜公共場所和研究電梯監(jiān)控系統(tǒng)的基礎上，分析設計功能，結合通訊、結構等確定系統(tǒng)總體設計方案，設計系統(tǒng)架構和邏輯流程；按照物的不安全狀態(tài)和人的異常行為兩大主體設計了系統(tǒng)硬件并構建系統(tǒng)運行平臺，給出了系統(tǒng)結構簡圖和相關硬件的詳細選型。以B/S、Qt結合為基礎，模塊化設計監(jiān)控系統(tǒng)應用軟件，并設計了系統(tǒng)對視頻圖像、異常行為和電梯不安全狀態(tài)檢測分析采用詳細工作流程。目前已初步完成實驗室功能測試、性能測試，下一步的主要工作是完善異常行為檢測模塊及現場設備安裝、調試、系統(tǒng)試運行測試、系統(tǒng)聯調和運轉。