摘要：设计了一种基于智能视频监控可识别电梯（物）不安全状态和轿厢内人员异常行为新型电梯智能监控系统，给出了系统整体设计方案、框架图。以视频采集、传输、处理模块、电源、CPU、通信、控制等模块及三种服务器为主要功能部分构建系统硬件平台并给出了硬件详细选型。基于C++和OpenCV程序设计并结合UDP通信、串口通信网络通讯技术和数据库技术，阐述了软件总体结构、功能需求、监控算法设计和人异常行为、电梯故障、人数统计的判断工作流程。
关键词：电梯；视频；物联网；智能监控系统
0引言
截至2013年底，我国电梯事故70起，事故起数和死亡人数分别占同期全国特种设备事故总数的30.82%、19.72%，其安全运行得到社会各届的关注。但在其使用、监管、维保、维稳安防等过程中弊端明显，尤其对于人群的复杂公共场合，急需建立起通用的电梯不安全状态和人员异常行为的远程实时监控系统。
在这种情况下，从工程实际需求出发，基于智能视频监控（IntelligentVideoSurveillance，IVS）、IOT物联网、视频图像数字处理技术等其他信息化手段打造人体特征提取、异常行为检测、人数统计、电梯运行数据监视、故障监测、远程主动控制、自动报警和主动救援等功能的中心服务器综合监测/控制平台；降低电梯故障和异常行为人身安全事故发生率、提高处理效率并实现远程控制、把人和物不安全状态隐患消灭在萌芽中；打破国外厂商基于自身产品的联网监控系统的垄断，促进监控系统完全国产化进程。
1系统总体方案设计概述
IVS电梯智能监控技术是原控制系统的延伸和发展，主要包括的物的不安全状态和人的异常行为主体（简称物模块和人模块）的全天候远程监视和控制两部分。其核心是在监控中心B/S架构信息化管理平台上，实时掌握每一台电梯独立安装的传感器发回的运行信息和轿内人员实时视频图像，并在精确的组合算法解析下，识别物的不安全状态和人的异常行为，实时报警、提前预警，并主动采取相应的保护措施，将伤害程度降到最低：一方面利用先验知识建立行为模型，用拉普拉斯分解和自适应高斯混合模型背景建模，实现基于前景边缘处理、人体特征提取、特征轨迹识别等技术的视频实时监控功能，采用复合算法，智能化识别人的突然摔倒、抢劫、暴力攻击等异常行为并实现轿内人数准确统计；另一方面预测和排除潜在故障，以及在故障的第一时间，对故障进行有效处理，实现典型故障监测、困人主动报警救援功能；同时也具备维保人员RFID射频识别读写/维保管理；建立数据库，保存数据流，以便查询、统计和分析电梯、使用单位、电梯行业企业基本情况更好的服务于社会和人民群众。
2监控系统设计
采用RS-485/232标准，敷设专线，设计开发服务器和前端机监控软件，通过监控中心计算机对各处电梯进行远程监控；并扩展实现通讯协议转换，将不同梯控制器信息代码统一转换成标准信息代码，集中监控不同厂家不同型号的电梯。并在采集器监测各种运行状态信号和故障信号时，设置输入端子，提高故障检测能力，实现故障诊断和故障预测[1-3]。
物系统模块主要由采用CAN总线与电梯对接或信号状态输入的采集器(即远程监测器)、将RS-485或者RS-422数据转换为TCP/IP数据的网络数据转换器、安装配置软件进行网络数据转换器配置的配置终端、安装监控软件的监控服务器组成。对复杂公共场合电梯选用可扩展性高、灵活性强、安全性及稳定性好，能满足各方面需求的微机控制；增加额外的接口电路实现对110V或220V的用电设备的直接控制。
人系统模块选用ISO下属的MPEG运动图像专家组视频编码标准，选用HTTP/TCP协议传输控制信息、RTP/UDP协议传输实时数据的流媒体传输技术。模块主要由轿内监视端、物业中央控制室、监控中心和其他远程控制端组成。采用一体化云台摄像机实时采集轿内视频信号，通过串口线RJ-45将信号送入选择DSP芯片实现方式的DVS-7000网络视频服务器，实时压缩编码处理视频图像，完成视频的复原；利用有线或无线网络传送到物业中央控制室的数据转发中心，中心调用复合算法通过结合人体形状分析与视觉跟踪来定位轿内人体和分割出人体头、手、躯干、脚各部分，建立人体外观模型，识别各种异常行为并主动报警，及发送相应对策指令；并通过C#语言内嵌SQL语言编程将视频数据存贮在本地局域网C/S架构数据库服务器和WEB服务器中，通过B/S模式发送数据，监控中心和其他远程客户端通过浏览器掌握运行状态。
2.1系统结构
系统开发实现通用化、模块化、信息化、智能化，以保证各系统及其子系统的各功能的正常实现，保证可持续性开发需求；各程序高度模块化，并具备可拓展的技术框架和标准的对外接口，为与系统以外的应用系统和二次开发预留接口。系统实施的平台架构[4-5]如图1所示。
系统主要由监控中心、通讯系统、现场数据/图像采集、通讯装置组成。1)监控中心：是控制管理中心，由该中心向各检测前端发布监测及通讯命令、收集处理监测数据、监督或指挥设备的运行状况，并通过数据发布系统为前端提供信息服务。2)通讯系统：通讯系统包括有线通讯线路、通讯软件等，数据通讯系统支持RS-232/RS-485数据传输协议。3)现场数据采集、通讯装置：CAN-BA采集电梯数据，BN-030QA/SE-C采集图像，通过RS-232/RS-485通讯传输相关数据。系统模块具体包括：数据采集传输模块、系统安全保障模块、中心控制模块、数据库平台模块、综合信息管理平台、运营维护模块。
图1电梯物/人智能监控系统框架图
2.2系统通信网络
复杂公共场合电梯安全第一、传输数据量大、实时性高、环境复杂、有强磁干扰，初选实时性强和可靠性高的有线联网监控系统，在此基础上扩展实现GPRS无线通讯。监控系统的数据传输是流量较小、点多分散、不连续[2]、频繁和突发性，应采用无线联网监控系统，需要在每台电梯配置一台GPRS数据传输终端，负责与监控单元相互交换数据，控制监控中心和轿厢的内部通信。根据需要可双线配置，由用户选择模式，未来应以无线通信为主，有线通信为辅。
2.3系统功能
在不改变电梯原有结构，不介入控制回路，不影响正常运行状态的前提下，采用独立于电梯机电系统的一组传感器和视频图像系统，用于监测电梯运行过程中必要的状态信息和轿厢内外人的异常行为。监控系统包含物/人动态状态显示、人体特征提取、异常行为检测、人数统计、状态转换和故障代码转换、轿厢人员双工语音对讲、故障状态判断、自动电话/短信报警、故障困人/异常行为主动声光报警、视频/图像/语音安抚、维保到场记录、维保信息统计管理、检测终端自备电源切换、状态参数存储、档案信息、年检信息统计管理、主动式有针对性的电梯控制和视频实时监控等主要服务功能。
3监控系统硬件设计
3.1电梯不安全状态监控模块
硬件核心是电源、CPU、通信和控制四个模块：电源模块负责CAN-BA供电；CPU是控制中心，负责将采集的信息数据流发送至ThinkServerTD340服务器，同时处理来自上位机的用户交互命令；通信模块的CAN通讯负责将采集的差分信号转换成CPU能识别的差模信号，MAX232/485通信负责数据传输；控制模块主要包括外部检测模块和继电器输出控制模块，外部检测模块负责实时采集运行信息，继电器输出控制模块负责在收到指令或发生地震等异常振动时，及时控制电梯就近停层，先让乘客安全出来，再停止运行。各模块之间关系如图2所示。
图2硬件模块关系图
电源模块综合考虑散热、低功耗、小纹波、成本、接口耐压值、线性稳压、引脚电压匹配、稳定性等要求，选择开关式的LM2575。CPU选择低功耗、高性能、与80C51引脚结构、标准MCS-51指令系统兼容的COMS8位单片机AT89S52芯片，为嵌入式控制应用系统提供灵活、有效的解决方案。通信模块主要包括：负责SJA1000初始化、实现数据收发的AT89S52、用于区域网络控制的独立CAN总线控制器的SJA1000、负责把差分信号转换成的差模信号发给CPU进行后续操作的TJA1050和保证通信不会有杂波干扰的光电隔离器6N137的CAN通讯电路；为免受外界干扰，设计一个起滤波作用、并用万用表验证导通与否、存在压降的通讯隔离模块；由MAX232通信和由6N137光电隔离器组成的光耦隔离电路串口通讯。系统远距离数据传输，驱动能力不足，且通信质量差，因此需通过MAX232/485将TTL电平转换成EAI适合的电平，实现单片机和PC机之间的通信。采用6N137将模拟电路及AD变换器和数字电路彻底隔离，以提高信噪比这一关键参数，抑制噪声对模拟电路和AD电路的干扰。设计时需注意，6N137必须串接一个限流电阻、上拉一个电阻[5]。控制模块由三部分组成[4]：TLP620-4双光耦是否导通实时检测开关门、振动、消防、超载等信号；使用光耦隔离阻止电流过大，用发光二极管提示；选用并联限压型瞬态电压保护二极管TVS工作电路，控制浪涌电压在安全值内，并通过地线泄放。
3.2人员异常行为监控模块
选择采用BN-030QA/SE-C云台一体化摄像机；选择具有超强抗死机性能，支持DC12V/AC24V输出、镜头电机保护、自动匹配控制协议等功能的BN-80013智能解码器；通过其输出端传输到MPEG-4的DVS-7000视频服务器中进行编码压缩并发送；由物业监控室数据转发中心联想ThinkServerTD340通过天线接收采集的视频数据，转发中心通过软件来支持并存储在TD340上；在组合复杂算法的处理下提取背景和人肢体模型并判断异常行为主动响应；同时支持研华IPC-610H工控机观察视频图像、回放历史视频，并可手动控制云台的动作方向；传输控制信息选用HTTP/TCP协议、传输实时数据选用RTP/UDP协议，监控中心即可通过客户端输入网址，根据HTTP协议由联想R680G7Web服务器通过网络向局域网中的联想万全T350数据库服务器发出数据查询、查询优化、多用户存储控制、更新、数据操纵等请求，并将响应的结果返回客户端。
4电梯物联网监控系统软件设计
设计一个人机实时互动良好的系统尤为重要，Java运行速度慢，运行包大；VisualC++6.0对模板的支持比较差，编译时容易出现假死状态，并仅支持Windows操作系统但兼容性不好，可能发生cpp文件无法打开的现象；故最终选择C++并加载可移植性强、支持跨平台构建、不依赖虚拟机制、很多算法可直接使用、性能强大、速度和性能优势明显的开源软件OpenCV搭建物/人智能监控系统软件平台。
4.1软件功能需求分析
软件结构功能模块分为显示层、数据处理层、数据收发层及辅助模块。显示层用于将数据处理层的解析数据显示出来，并接收与用户交互命令，向下层传输。包括监控界面、用户交互、用户动作解释、数据显示。数据处理层用于解析来自数据收发层的数据，并保存异常数据，同时将解析后的数据送到显示层作为显示参数，并提供数据库读写驱动、数据配置、分析等数据处理功能。包括数据解析、数据传输、数据库读写驱动、数据保存、数据统计分析、数据配置、数据校验等。数据收发层用于获取采集器监控数据，同时也将数据处理层的数据发送到采集器。包括接口类型配置、数据读写、数据校验。辅助模块[1]包括单梯显示、数据导出、信息配置、信息查询、图标设置、图标排序、电梯台数设置、软件主界面设置、通信串口、控制继电器、警告窗口、初始化窗口等功能。
4.2软件工作流程
具体流程是系统启动后：一，调用用户管理模块，选择登陆方式；二，程序初始化，以获取电梯编号、接口类型、视频采集窗口、端口号和网络IP；三，判断数据传输方式必要时初始化串口，另设置参数，捕获当前视频帧数据信息；四，设置ROI开放接口，确认串/网口发送C180FF，电梯回复一个数据流；五，作差并提取前缘背景，另判断是否收到数据流，若无，心跳算法判断是否在线，不在线即通知人员检修，在线就重新发送询问数据；六，对背景边缘采取锐化降噪措施，调用算法建立合适的模型并处理，同时读取串/网口数据，判断首字节是否为正确的电梯编号，不正确重新C180FF；七，正确校验数据是否正确，即校验数据和是否等于FFH、校验是否超过设定动能和人数阙值；八，解析电梯和人体模型、人数计数数据，同时保存到软件日志；九，检查有无故障和异常状况，有即将信息显示在声光报警窗口，并通知人员检修，无故障和异常时可将解析后的数据传输到显示层作为显示参数，最后显示层将数据处理层的解析数据显示出来。
把电梯发送回来的数据流传输到显示层，进行显示，形象直观的把电梯信息反馈给用户。与此同时，用户可进行相关电梯操作。首先，把用户指令进行数据解析，再通过数据收发送到下位机，通过CAN-BA数据釆集器的CPU进行处理，控制电梯进行正确操作。
5结语
在深入复杂公共场所和研究电梯监控系统的基础上，分析设计功能，结合通讯、结构等确定系统总体设计方案，设计系统架构和逻辑流程；按照物的不安全状态和人的异常行为两大主体设计了系统硬件并构建系统运行平台，给出了系统结构简图和相关硬件的详细选型。以B/S、Qt结合为基础，模块化设计监控系统应用软件，并设计了系统对视频图像、异常行为和电梯不安全状态检测分析采用详细工作流程。目前已初步完成实验室功能测试、性能测试，下一步的主要工作是完善异常行为检测模块及现场设备安装、调试、系统试运行测试、系统联调和运转。
作者简介：张金杨（1976-），女，硕士，高级工程师。
作者单位：新疆维吾尔自治区特种设备检验研究院
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