基于AI 图像识别与功能安全的自动扶梯智能监控系统及相关安全标准要求

2019-08-13 09:26:24
随着城市地铁的不断发展,地铁用自动扶梯数量不断增加。以上海地铁为例,截止2018 年12 月,投入运营线路已超过700km,规模位居全球第一。上海地铁拥有超过4 000 部自动扶梯,它们每天输送着超过3 000 万人次客流,承担着上海公共交通超过50%的运量。据统计,发生在自动扶梯上的客伤约占地铁客伤总数的60%,是地铁站运营的重要组成部分。

面对上述痛点,上海三菱开始运用人工智能技术和功能安全技术构建更为智能、安全的自动扶梯监控系统,加快应急响应速度,提高安全性。在本文中,笔者对自动扶梯智能监控系统及其安全标准要求进行了详细介绍。
1 运用人工智能图像分析技术识别自动扶梯
乘客危险行为及危险状态地铁自动扶梯运营中,主要面临以下3 个常见的乘客危险行为/ 危险状态。
(1) 乘客摔倒。常见于年老/ 年幼乘客,在水平段至倾斜段交界区段因重心失稳或倚靠内侧板导致摔倒,如果附近没有其他乘客或站务人员发现并按下紧急停止按钮制停自动扶梯,可能发生连续翻滚等重大人身伤害。
(2) 乘客逆向行走。乘客在自动扶梯上做出逆向行走的危险行为,容易引发摔倒等安全事故。
(3) 自动扶梯出口拥堵。由于下雨天车站出口大量乘客未带伞而发生积聚拥堵、车站设备突发故障状况等,可能导致自动扶梯出口发生意外拥堵;此时自动扶梯仍源源不断向出口输送乘客,有导致踩踏等重大危险事故的潜在风险。
鉴于上述危险行为/ 危险状态可能带来严重后果,对其实施实时监测具有重大实际意义。现代地铁监控已全面实现了信息化,在车控室汇总所有的图像。一个典型地铁车站一般有10 台左右自动扶梯( 部分大型换乘车站则拥有超过60 台自动扶梯),每台需要2 ~ 3个摄像头覆盖全景,至少需要实时观测20 ~ 30 个实时图像( 见图1)。在传统技术下,缺乏大量的人力资源实施实时监控,视频监控系统通常只能起到倒查视频、“发生事故后被动追溯”的作用。
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随着人工智能技术的快速发展,将“发生事故后被动追溯”提升到“主动干预”变为可能。通过采用人工智能图像识别技术,上海三菱着手研发了自动扶梯智能监控系统,可以从实时视频中抓取乘客摔倒、逆向行走、出口拥堵等异常状态。
上海申通地铁集团2018 年在上海地铁某车站19台自动扶梯上部署了自动扶梯智能安全监控系统,2018 年8 月至2019 年2 月运行期间,该系统共抓取、响应了:(1)16 次乘客摔倒事件( 见图2)( 试点期间所有乘客向车站反馈的跌倒事件全部被成功抓取到;每台每年平均发生摔倒事件达1.44 次;以此推算上海地铁每年实际发生乘客摔倒事件超过4 000 次);(2)369次乘客逆向行走事件;(3)3 次自动扶梯出口拥堵事件( 见图3)。
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2 危急情况下对自动扶梯的停止控制
在监测出乘客摔倒、拥堵等事件后,第一时间对自动扶梯侧进行控制可以最大限度降低进一步伤害的发生。
(1) 监测到乘客摔倒时:车控室自动扶梯智能监控系统立即弹框显示实时视频并声光提醒,车控室管理人员通过监控系统屏幕确认后,可立即按下紧急停止按钮,制停自动扶梯;自动扶梯侧语音播报:“发生乘客摔倒,请注意安全”。
(2) 监测到乘客逆向行走时:自动扶梯侧语音播报装置高音量播报“请不要逆向行走”。
(3) 监测到自动扶梯出口拥堵时:车控室自动扶梯智能监控系统立即弹框显示实时视频并声光提醒,车控室管理人员通过监控系统屏幕确认后,可立即按下紧急停止按钮,制停自动扶梯,或安排现场人员疏散乘客;自动扶梯入口侧语音播报:“自动扶梯出口处发生拥堵,请不要继续进入”。
作为特种设备,智能监控系统对于自动扶梯的控制必须严格符合安全标准法规的要求,本文后续对此进行详细介绍。
2.1 远程紧急停止的安全性要求
GB 16899-2011《自动扶梯和自动人行道的制造与安装安全规范》第5.12.2.2.3 条“手动操作紧急制停开关”详细描述了对自动扶梯在紧急情况下使其停止的紧急停止装置的要求,其中根据第5.12.2.2.3.2条,为了确保在紧急情况下的可靠停止,紧急停止装置应为符合5.12.1.2 规定的电气安全装置,即:可由a) 安全触点,或b) 安全电路,或c) 可编程电子安全相关系统(PESSRAE) 构成[1]。
(1) 安全触点必须无任何控制元件参与,按照EN 60947-5-1 Annex K 的要求,在符合强制断开力和强制断开行程的前提下直接断开自动扶梯的安全回路。
(2) 安全电路允许有控制部件的参与,但不允许软件的参与。
(3) 可编程电子安全相关系统(PESSRAE) 允许有软件的参与,需根据IEC 61508《电气/ 电子/ 可编程电子安全系统的功能安全》、GB/T 20438-2017《电气/ 电子可编程电子安全相关系统的功能安全》、IEC 62061《机械安全 与安全有关的电气/ 电子和可编程电子控制系统的功能安全》、TSG T7007-2016附录R《含有电子元件的安全电路和可编程电子安全相关系统 型式试验要求》取得型式试验证书[2]。
2.2 远程紧急停止的实现方式
根据本文第2.1 节的分析,智能监控系统可采用a)安全触点,或b) 安全电路,或c)PESSRAE 的不同方式。由于b) 安全电路无法实现复杂逻辑,因此只能由以下两种方式之一实现监测到乘客摔倒等紧急情况下的紧急停止。
(1) 对每台自动扶梯设置一个符合电气安全装置(GB 16899-2011 第5.12.1.2 条) 的实体急停按钮,发生乘客跌倒紧急状况时手动操作该台对应的实体急停按钮,远程制停自动扶梯,如图4 所示。本方式形式简单,且将图像识别与紧急停止操作完全解耦,符合标准和法规的要求。但存在以下缺点:①虽符合安全标准,但在紧急状况下找到准确的按钮,容易手忙脚乱、造成操作差错;②一旦操作差错引发进一步伤害,操作人员需承担相应的安全责任,因此运营方并不愿用,也不敢用。
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(2) 操作监控屏附带的一个实体急停按钮,该按钮是通过符合PESSRAE 安全认证并取得型式试验证书的远程控制装置,切断监控屏显示指定自动扶梯的安全回路,制停自动扶梯,如图5 所示。
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本方式符合标准要求、安全性得到保障;由于PESSRAE 认证强调元件失效下的安全,而触摸屏上的软件按钮难以保证器件失效下的安全,因此必须采用一个符合安全触点要求的实体按钮。本方案已申请专利CN201910353997.1、CN201920604459.0、CN201811573809.8。如果仅采用未按可编程电子安全相关系统PESSRAE 设计和认证的软件进行控制,存在以下风险:(1) 不能确保其在EMC 干扰、电源故障、软硬件设计缺陷等情况下按预期准确可靠地制停指定自动扶梯;(2) 例如:5# 自动扶梯发生乘客摔倒,未经PESSRAE 认定的软件在急停按钮按下后错误制停了6# 自动扶梯、而5# 自动扶梯继续运行,将可能导致乘客受到严重的伤害。
3 在安全的框架下运用人工智能技术和智能监控技术
2018 年10 月29 日,印度尼西亚狮航JT601 航班在起飞12min 后坠毁;2019 年3 月10 日,埃塞俄比亚航空公司ET302 航班在起飞6min 后坠毁。由此引发了波音737 MAX8 的全球停飞。此次客机的坠落事故,是人工智能不当运用导致的灾难性事件,也是智能化系统功能失效的典型案例[3]。人工智能及物联网等新技术、新工艺在特种设备中的运用,应该符合相关特种设备法规标准的要求;对于超出现有法规标准的,应提请相关主管部门进行等效安全评价,要充分考虑新技术应用带来的附加风险。
目前地铁车站均设有车站级监控系统,其中包含对部分设备的控制。在监控专业、电梯专业未充分协同分工的情况下,对电梯和自动扶梯的智能化控制容易形成专业技术管理的盲区和法规监管的盲区。一般典型地铁车站建设施工中,电梯、自动扶梯先于监控系统进行安装调试,在电梯、自动扶梯监督检验时通常监控系统还未开始施工,因此容易遗漏监控系统对电梯控制的监管审查。对于本文所述紧急情况下的紧急停止操作,应符合安全标准的要求并在监督检验时进行审查,如采用PESSRAE 实现,需提供型式试验证书。
4 结语
综上所述,自动扶梯智能监控系统包括以下功能:(1) 乘客摔倒监测及远程紧急停止控制功能;(2) 乘客逆向行走监测及实时警示功能;(3) 自动扶梯出口拥堵监测及远程紧急停止控制功能。
运用包含上述功能的自动扶梯智能监控系统在实际应用中效果显著,可实现更快的应急响应、更高的安全性。通过符合PESSRAE 标准的设计,确保了紧急情况下实施紧急停止操作的可靠性、充分符合安全法规标准的要求,在国内外地铁站点有着广泛的应用前景。