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摘要:针对目前曳引驱动乘客电梯空间承载性能差、运行效率低、能量损耗大、严重危害电梯整体使用寿命等问题,设计出一种基于三维可视化技术对曳引驱动乘客电梯空间承载性能优化的设备。采用电梯内置监控摄像头的扫描成像与计算机虚拟建模相结合的技术方法,成功得到立体三维人或物在电梯内部空间所占的空间比例大小,经由预先设定的控制算法判断此时电梯内部是否达到空间满载,再由智能终端控制系统向电梯发送相关指令控制电梯运行。技术设备性能测试表明:设备应用后可以提升电梯运行效率20%以上,可为建筑节约能耗10%;使电梯重复停靠次数始终处于可控区间。整体设备系统工作运行稳定可靠,乘坐人员满足率高,具有良好的经济效益,符合国家节能降耗的号召,为相关电梯运载技术的研究提供了一种创新性的设计思路。
关键词:三维可视化技术;电梯;空间承载性能
Optimization of Space Carrying Capacity of Traction-driven Passenger Elevator Based on 3D Visualization Technology
Hu Hongming,Dong Zhien,Bao Ting
(Mianyang City College,Mianyang,Sichuan 621000,China)
Abstract:Aiming at the problems of poor spatial bearing performance,low operating efficiency,high energy loss and serious harm to the overall service life of the traction driven passenger elevator,a technical equipment was designed to optimize the spatial bearing performance of the traction driven passenger elevator based on 3D visualization technology.The technical equipment mainly adopted the elevator built-in surveillance camera scanning imaging and computer virtual modeling technology method,successfully achieved the three-dimensional space proportion of people or objects in the elevator space,through the pre-set control algorithm to judge whether the elevator was full of space at that time.The intelligent terminal control system sent relevant instructions to the elevator to control the operation of the elevator.The performance test of the technical equipment shows that the application of the technical equipment can improve the operating efficiency of the elevator by more than 20%and save 10%energy consumption for the building.The number of repeated stops of the elevator is always in a controllable range.The whole equipment system works stably and reliably,the passenger satisfaction rate is high,and it has good economic benefits.It conforms to the call of national energy saving and consumption reduction,and provides an innovative design idea for the research of related elevator transportation technology.
Key words:3D visualization technology;elevator;space bearing performance
0引言
当代社会生产中电梯的使用已经变得愈发普遍,且呈现出不断增长的趋势。随着使用量的增加,一些棘手问题也逐渐暴露出来,曳引驱动乘客电梯在使用过程中空间承载性能上存在明显的不足,人员乘坐体验感较差,缺乏一种设备技术用以优化电梯空间承载性能。
目前国内对电梯承载能力的研究主要集中在载重量的控制[1]和对高层建筑电梯使用效率上[2]。但对电梯内部空间承载性能研究甚少,正是由于此性能的欠缺导致电梯虽然在载重量上未超载,但实际上该电梯已无法再进入人员,也就是造成空间上的满载或超载[3],也叫空间有效性的浪费。电梯在这种情况运行,仍然会停在有相应指令的楼层,但由此引发的弊端众多,容易造成电梯运行效率的下降、乘客等待电梯时间过长、浪费时间、造成电梯重复运行,加大电梯损耗等。基于以上原著特点,本文提出可基于三维可视化技术对曳引驱动乘客电梯空间承载性能进行优化。通过三维可视化技术设备[4]对电梯内部空间进行监控扫描成像,依据成像建模后的三维立体化图形判断当前电梯是否满载或已达到空间满载状态。进而向电梯控制终端发送相关指令,使电梯达到相应满载状态时不经停该楼层,而直接到达唯一指令楼层,从而极大程度上优化电梯空间承载性能和电梯运行效率,提升电梯乘坐人员的舒适感[5]。
1技术设想
电梯的运行效率是指每台电梯在单位时间内完成的工作量,即每台电梯在单位时间内运载的乘客数量(或重量)[2]。
1.1基本假设
对高层建筑电梯使用情况做以下几点基本假设:
(1)高层建筑每层层高3.6 m;
(2)电梯满载重量为1000 kg,假设人均体重为65 kg,满载时可以上乘客13人,在上人时一人带体积为0.008 m3的物品;
(3)在高峰期,每层至少有一人承载;
(4)电梯在每层开关门及乘客进出时间定为6s[2];
(5)电梯额定速度v额=2 m/s,加速度a=0.8 m/s2,且在不同高度的楼层中,额定的速度和加速度保持不变;
(6)电梯运行高峰期只计算单程效率,即只计算乘客从上电梯时的楼层下至该栋楼第一层的效率,并不计算乘客上楼时的效率。
1.2电梯承载效率的建立
计算电梯承载效率的方法是计算出运载楼层数减1的乘客人数(如12层的楼房,运载人数为11人)时电梯的运行时间,根据所使用电梯的部数、电梯运行时间、承载乘客的人数就可计算出电梯的承载效率[1]:
E=p/(t×q)
式中:p为运载人数,计算时可选择运载人数等于电梯层数减去1人;t为运行时间,min;q为电梯部数。
1.3影响因素
影响电梯承载因素如下:
(1)运载人数,即一栋楼的入住率,或该栋楼的使用性质(如医院,受医院人员流动性大的影响,电梯的运行、承载效率变化情况也会不相同);
(2)运行时间,每部电梯的运行时间都会有所不同,在一般情况下,运行时间受承载重量、电力负荷、乘客出入时间影响;
(3)电梯部数,每栋楼楼层数不一样时,建设单位所布置的电梯部数也会有所不同,一般高层楼会布置两部电梯,客货梯相结合,以求达到运载要求,当电梯部数越多时,电梯综合运行效率就越高,当电梯部数不足时,需要控制电梯内部空间承载的有效性。
2电梯内部空间承载研究
2.1电梯内部空间
电梯的内部空间是指:可以供乘客人员进出的空间,具有一定高度、长度和宽度的轿厢[6]。普通曳引驱动乘客电梯内部空间的尺寸为1600 mm长、1 400 mm宽、2 200 mm高,总体积约5m3,当电梯为医院公共电梯时内部空间在尺寸上会有所增大,以满足医院日常人员上下进出运输要求。而在公共建筑中将有限的电梯内部空间更高效地利用使运行更合理、更节能作为本文研究的重点。在多数情形下,人员在上下电梯的同时都会随身附带其他的物品,如行李箱、快递盒及医院病床、救护设备等,这些物品的进入无疑使电梯原有的内部空间变小,以至于无法正常再上下人员,而此时电梯又并未达到额定荷载并将继续在每层有指令的楼正常停留开启电梯门,此情形必然导致电梯运行效率的降低、能耗的增加及增大人员等待时间[7]。
2.2内部空间承载假设
电梯内部空间承载假设如下:
(1)电梯内部总体积V1=5 m3;
(2)内部乘客人员体积V2=0.42 m3(一人平均体积0.06 m 3,运行时电梯内部平均为7人);
(3)进入电梯内部物品总体积V3=2 m3(平均物品体积)。
则电梯运行时内部空间体积:
V2+V3=2.42 m3
电梯运行时内部空间体积占电梯内部总空间体积的比例:
[(V2+V3)/V1]×100%=48.4%
由上述假设可知,电梯运行时存在一个合理的内部空间体积比例,即电梯运行时内部空间体积占电梯内部总空间体积的比例应在一定的合理区间内。在这个区间内,即使电梯内已有物品但人员依然能进出电梯上下楼层,但是当人、物所占的体积超过这个比例,门外的人或物上下电梯就会受到影响。这种影响在上面已经做过描述。经过假设与模型实验,最终将最大空间承载比例定为52%。
3三维可视化原理及其框架
3.1三维可视化技术原理定义
三维可视化技术是计算机仿真技术的重要分支,是虚拟现实技术最重要的表现形式。它采用实时网络监控技术、计算机图形图像技术、信息综合技术和显示技术,根据仿真的目的,构造仿真对象的三维模型以达到逼真的仿真效果[3]。
3.2三维可视化技术框架
三维可视化技术框架主要系统设备有图像采集监控模块、计算机自动建模模块、电梯智能终端控制系统、信号处理与反馈模块、数据存储模块。如图1所示。
4三维可视化技术与电梯结合方法和两者运行方法
4.1技术结合方法
将三维可视化技术运用在电梯的空间承载性能优化上是一个技术层面上的创新,在电梯内部装有一个可以扫描图像的红外感应技术性摄像头[8](也可在电梯原有内部监控摄像头上进行改进),再通过摄像头扫描图像运用三维可视化技术的综合模拟建模,对电梯的运行与派梯进行合理的配置[9]。
4.2运行模式
首先在有需求的公共建筑电梯内安装可扫描可监控的内部摄像头,在完成布线与信号调试后,此时的摄像头就可以进行对电梯内部的空间三维立体图像扫描,为了更好地扫描成功,本文采用红外敏感性摄像头[8],提高扫描成功率;摄像头将扫描后的空间图像传输到主控制系统计算机,由主控制系统计算机对扫描的空间图像进行模拟建模成像,成像后依据已经设定好的算法判断在此运行状态下是否满足继续运行的条件,即空间承载比例[10]是否小于额定比例,如小于额定比例主控制系统将向电梯智能终端控制系统发出指令要求电梯继续运行,如大于额定比例,主控制系统向电梯智能终端控制系统发出指令,而此时的指令是电梯不再停靠其他有呼叫需求的楼层[11],直达此时电梯内唯一的指令楼层,以避免电梯重复停靠,造成电梯运行能耗的增加,直达指令楼层也可以缩短电梯内乘客的乘坐时间,节约运行时间。在完成上一指令的同时,数据存储设备将同步进行数据的存储,用来保证后续指令数据的分析和监测数据的查验,完全做到安全可靠,稳定高效。
4.3运行算法
基于三维可视化技术对曳引驱动乘客电梯空间承载性能的优化的具体控制算法如图2所示。
5测试与结果分析
经过20次重复实验和电梯空间内部计算机反复建模后,得出基于三维可视化技术对曳引驱动乘客电梯空间承载性能实验的结果。测试结果表明:图像识别间隔时长为3 min一次,符合规定时长5min的设计要求;内部监控摄像头已实现智能扫描监测电梯人数[12];三维可视化技术设备在实验运行下小于最大空间承载比例的52%,优于设计要求;在运用了三维可视化技术设备的电梯上,其运行效率比普通电梯显著提升20.3%;电梯反复停靠次数也减少到每分钟1次,减小了电梯反复停靠的能耗损失,节约建筑能耗10%;电梯的电机运行更合理,使电梯的使用寿命得到延长;在运用了三维可视化技术的电梯,内外部人员等待时长也缩减至30 s,节约了人员等待时间,提升了人员乘坐电梯的舒适感;经过计算机准确的空间建模得出:将三维可视化技术一体化设备运用在电梯上是工作可靠、性能安全、运行稳定,对优化电梯空间承载性能、提升电梯运行效率、提高人员乘坐电梯的舒适感上有极大的帮助。
6结束语
(1)基于三维可视化技术对曳引驱动乘客电梯空间承载性能的优化是针对目前国内已用的超载过载保护装置[13]所存在的缺陷而设计优化的,主要目的是为电梯节能、提高运行效率。它能可靠地模拟建模出电梯在安装此设备后在运行时其实际的空间荷载,在使用过程中能实时的扫描图像通过三维建模并判断此时电梯是否在空间上超载过载,并且能根据空间荷载比例的变化而自动调整当前的电梯的运行状态,保证电梯的稳定安全高效运行。
(2)结合目前电梯运行效率的下降、电梯使用寿命的缩减等问题,提出的基于三维可视化技术对电梯空间承载性能的优化,整体技术设备运行可靠,后期人员反馈满足率高,符合国家节能降耗的环保理念。本文也为行业内提高电梯可靠性和运行效率提出了一个可行的创新设计思路。
(3)本文所提出的利用三维可视化技术对曳引驱动乘客电梯空间承载性能优化的工作原理以及设计方法目前还是处于开发阶段,详细的设计方案和控制算法仍需要在日后做大量的工作。由于本文在计算过程中采用了假设性分析,计算结果与实际运行效率会有所偏差,但总体变化规律与实际仍相符,因此本文计算结果可作为曳引驱动乘客电梯空间承载性能优化的定性研究。为完善不足之处,笔者仍需要深入研究和向同行请教。相信随着电梯设备的不断发展,该三维可视化建模技术优化空间承载性能一定能够得到电梯行业内甚至社会的认可。
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