基于红外感应的电梯井道防坠落系统研究

谢 飞

（沈阳特种设备检测研究院， 辽宁 沈阳 541004）

0 引言

随着我国经济建设的高速发展， 人们的生活水平不断提高，高层建筑的建设与使用越来越普遍。而对于高层建筑采用的电梯， 可能会由于电梯梯门故障或人为的误操作导致电梯梯门意外打开， 使得乘客或工作人员不小心坠入电梯井内。

可见人员坠落电梯井道事故严重危害着人们的人身安全， 然而目前对于人员坠落电梯井道事故却没有一种安全可靠的防护措施。 蒙勇[1]设计了一种便于安装、可周转使用的工具式电梯井，隔断装置构架分为主梁、次梁，均采用型钢制作。构架主梁是运用斜撑固定原理，通过电梯门下方混凝土梁， 采用调节牛腿限位， 与井壁斜顶固定，确保电梯井施工期间安全。 刘大卫等[2]设计了一种新型电梯防坠落装置，坠落状态刚发生，立即动作，缓冲制停，其缓冲器起能量转换和缓冲作用，新型防坠落装置具有制停初速度小，制停过程平稳、安全、可靠，可减少电梯坠落事故， 但是没有解决乘客或工作人员不小心坠入电梯井内的复杂安全事故。 孔凡新[3]设计了一种垂直升降电梯的新型机械防坠落机构，利用电梯开关门过程中，轿厢门的位置变化，设计一种机械防坠机构，一端安装在轿厢门上，一端固定在电梯井墙壁上。 当轿厢门完全打开后，防坠机构作用，使轿厢刚好卡住在墙壁上，保证乘客平稳安全的出入。 轿厢门关闭后，防坠机构分离，使得电梯的正常运行， 但是无法应对乘客或工作人员不小心坠入电梯井内的各种情况。 李成凯等[4]设计了一种电梯安全气囊系统， 提出了地板凹陷式与立柱气帘组合式电梯安全气囊方案，避免气囊张开时乘客与轿厢侧壁发生碰撞，根据桥箱框架式结构分布设计了2 个电梯安全气囊方案，即地板凹陷式电梯安全气囊方案与立柱气帘组合式电梯安全气囊方案， 虽然没有解决乘客或工作人员不小心坠入电梯井内的复杂安全事故， 但是其安全气囊方案是值得研究与参考的。

郝桂丽[5]提出电梯的应用越来越重要，越来越日常，为了降低人们乘坐电梯的风险， 使目前频繁出现的电梯悲剧数量降低， 对于电梯防坠落的安全问题的研究是非常重要的。 因此，我们根据人员坠落电梯井道事故发生的各种情况，设计了一种电梯井道防坠落系统，本电梯井道防坠落系统主要由传感器系统、 气垫装置以及控制系统组成，结构简单可靠。无论受害人员从电梯轿厢上方楼层坠落，还是从电梯轿厢下方楼层坠落，该系统都能够安全可靠地保证受害人员的人身安全， 有效地解决了人员坠落电梯井道事故产生的人身安全问题。 本电梯井道防坠落系统可以加装在现有的电梯井道内， 无需重新安装电梯，大大降低了安全措施的成本，并且本电梯井道防坠落系统可以适用于几乎所有升降电梯，具有很好的适用性。

1 防坠落装置设计

如图1 所示， 电梯井道防坠落系统的防坠落装置的设计是在现有的电梯轿厢和电梯井内加装传感器和气垫机构。 其中，在井道内壁上安装传感器时，避开电梯轿厢上升与下降时经过的位置， 防止安装的传感器与电梯轿厢的运动进行干涉，影响电梯的正常运行；在安装厢顶气垫时，与井道内壁之间预留100mm 的距离，避免电梯轿厢在上升与下降时，厢顶气垫与井道内壁进行摩擦，影响电梯的正常运行， 而该距离也可以保证坠落人员的人身安全。 厢顶气垫与井底气垫在设计时考虑整个楼层的高度， 其承载能力根据楼层最高处的离地高度与多个人员的总质量进行选择， 避免多个人员意外从楼层的最高处坠落到井底的情况出现。

图1 防坠落装置Fig.1 Device for preventing falling

1.1 传感装置

传感器采用的是人体热释电红外传感器，安装在每一层楼的电梯井壁上， 位于每一层电梯门的下方约100mm的位置处， 其探头方向朝向井道内。 被动红外探头， 其传感器包含两个互相串联或并联的热释电元。 而且制成的两个电极化方向正好相反， 环境背景辐射对两个热释元件几乎具有相同的作用，使其产生释电效应相互抵消，于是探测器无信号输出。一旦人侵入探测区域内，人体红外辐射通过部分镜面聚焦，并被热释电元接收，但是两片热释电元接收到的热量不同，热释电也不同，不能抵消，经信号处理而报警。当有人员不慎坠入井道时，传感器的被动式红外探头会探测到人体发出的特定波长的红外线，人体发射的9.5μm 红外线通过菲涅尔镜片增强聚集到红外感应源上，红外感应源通常采用热释电元件，元件在接收到人体红外辐射温度发生变化时就会失去电荷平衡，向外释放电荷，后续电路经检测处理后就能触发开关动作，发出信号。 每层楼的人体热释电红外传感器都与控制器相连接， 安装在电梯井道内壁的人体热释电红外传感器发出的信号会被控制器接收到， 使用的人体热释电红外传感器的基本参数见表1。

表1 传感器参数Tab.1 The parameters of sensor

1.2 气垫机构

整个防坠落装置包含两个气垫机构， 其中一个气垫机构安装在电梯轿厢的顶部，为厢顶气垫，另一个气垫机构安装在电梯井道的最底部，为井底气垫。气垫机构由气垫和充气机构组成。 气垫由防裂性能好的聚酰胺织物制成，它是一种半硬的泡沫塑料，能承受较大的压力，经过硫化处理，可减少气垫冲气膨胀时的惯性力，为使气体密封，气垫里面涂有涂层材料。充气装置是由点火器接收传来的电信号，通过点火器产生的热能点燃气体发生剂，冲破压力阀，释放大量气体。 在没有出现安全事故时，厢顶气垫和井底气垫的状态均为静默状态， 不会对电梯的正常运行造成影响；而当出现安全事故时，人员意外坠井，厢顶气垫和井底气垫会根据控制器的信号弹出其中一个，弹出的气垫会占据整个井道大小的面积，以保证意外坠井人员能够完全坠落到气垫上。

2 控制系统设计

人员坠落电梯井道事故分为两种情况。 第一种是受害人员从电梯轿厢上方楼层坠落， 这种情况下的坠井人员会坠落到电梯轿厢的顶部， 因此要从电梯轿厢的顶部做出安全措施； 另外一种情况是从电梯轿厢下方楼层坠落，这种情况下的坠井人员会坠落到电梯井的最底部，因此要从电梯井的最底部做出安全措施。 本电梯井道防坠落系统在设计时同时考虑到以上两种情况。 其控制系统原理见图2。

图2 控制系统Fig.2 Control system

第一种情况，受害人员从电梯轿厢上方楼层坠落，如图1 所示，此时的电梯轿厢位于3 楼处，而人员意外从5楼的电梯门坠落至电梯井内， 意外坠井人员在下落的过程中， 会经过5 楼的人体热释电红外传感器，5 楼的人体热释电红外传感器从而检测到人体发出的体温， 人体热释电红外传感器在检测到人体后发出信号给控制器，控制器根据此时电梯轿厢的位置做出判断， 由于此时意外坠落的人员是位于电梯轿厢的上方， 故控制器发送弹出信号给厢顶气垫机构，厢顶气垫在收到弹出信号时，会做出相应的动作， 从而使得意外坠井人员还在5 楼的人体热释电红外传感器位置处时，厢顶气垫已经迅速弹出，意外坠井人员可以安全坠落到厢顶气垫上。

同理，受害人员从电梯轿厢下方楼层坠落，如图1 所示，此时的电梯轿厢位于3 楼处，而人员意外从2 楼的电梯门坠落至电梯井内，意外坠井人员在下落的过程中，会经过2 楼的人体热释电红外传感器，2 楼的人体热释电红外传感器从而检测到人体发出的体温， 人体热释电红外传感器在检测到人体后发出信号给控制器， 控制器根据此时电梯轿厢的位置做出判断， 由于此时意外坠落的人员是位于电梯轿厢的下方， 故控制器发送弹出信号给井底气垫机构，井底气垫在收到弹出信号时，会做出相应的动作， 从而使得意外坠井人员还在2 楼的人体热释电红外传感器位置处时，井底气垫已经迅速弹出，意外坠井人员可以安全坠落到井底气垫上。

3 实验验证

由于本本电梯井道防坠落系统涉及到人的人身安全问题，故不能采用人作为实验对象，而虚拟仿真实验缺乏一定的严谨性，无法完全适用于现实情况。为了验证本电梯井道防坠落系统的真实效果， 我们搭建了1∶10 的5 层电梯井道防坠落系统模型进行实验。 而为了实验结果更适用于真实的情况， 我们使用与人体体温相近的小白鼠作为实验对象，小白鼠正常体温为36.5℃。 为了更直观的体现本系统的成功率，让实验对象分别从2 楼、3 楼、4 楼以及5 楼坠落，次数各100 次，分为人在轿厢上以及人在轿厢下两种实验情况，记录实验对象坠落后，气垫正常弹出，实验对象安全坠落到气垫上的实验次数。

电梯轿厢在实验对象的下方时， 实验对象的小白鼠从2 楼坠落并安全坠落到弹出的气垫上的次数为98 次，实验对象的小白鼠从3 楼坠落并安全坠落到弹出的气垫上的次数为99 次，实验对象的小白鼠从4 楼坠落并安全坠落到弹出的气垫上的次数为98 次，实验对象的小白鼠从5 楼坠落并安全坠落到弹出的气垫上的次数为97 次；电梯轿厢在实验对象的上方时， 实验对象的小白鼠从2楼坠落并安全坠落到弹出的气垫上的次数为99 次，实验对象的小白鼠从3 楼坠落并安全坠落到弹出的气垫上的次数为97 次，实验对象的小白鼠从4 楼坠落并安全坠落到弹出的气垫上的次数为99 次，实验对象的小白鼠从5楼坠落并安全坠落到弹出的气垫上的次数为99 次。通过本次对小白鼠作为实验对象， 进行本电梯井道防坠落系统的等比例实验的结果表明， 本电梯井道防坠落系统成功率可达到98.25%，其实验结果见表2。

表2 实验结果Tab.2 Experimental results

4 效益分析

当今电梯的使用已经越来越普遍，确定电梯运行过程中的安全问题是电梯安全中一项重要的课题。然而对于人员意外坠落井内的安全问题， 目前并没有有效的解决方案。本电梯井道防坠落系统解决了人员意外坠落井内的安全问题，可以加强人们对电梯安全的信任，大幅度减少由电梯故障产生的安全事故，保障了乘客及工作人员的人身安全，具有广泛的适用性，产生了显著的社会效益。

由于现有的人口增长迅速， 土地的面积已经越来越不能容纳这些人口，因此楼层的增高势在必行，而由此而体现出的电梯的应用也越来越重要，越来越日常，为了降低人们乘坐电梯的风险， 使目前频繁出现的电梯悲剧数量降低，对于电梯安全问题的研究仍然是非常重要的，相比于其他的电梯安装装置， 本电梯井道防坠落系统仅采用几个人体热释电红外传感器、2 个气垫装置以及1 个控制器，能够实现其他安全装置的安全效果。并且本电梯井道防坠落系统可以加装在现有的电梯井道内， 无需更换现有的电梯。 低成本以及高适用性，可为高层建筑、超高层建筑的电梯安全防护措施带来可观的效益。

5 结束语

本电梯井道防坠落系统是在原电梯结构中新增装置，对原电梯机构及安全保护装置不做改变，加强了现有电梯安全的保护，增加了电梯的安全系数。本电梯井道防坠落系统结构及原理简单，安全可靠。

根据本电梯井道防坠落系统的等比例实验的结果表明，本电梯井道防坠落系统成功率可达到98.25%。 本电梯井道防坠落系统可以准确地保障坠井人员的人身安全，基本可以做到零失误，并可以通过加装人体热释电红外传感器提高本电梯井道防坠落系统的成功率， 真正做到零失误。高层建筑采用的电梯， 可能会由于电梯梯门故障或人为的误操作导致电梯梯门意外打开，使得乘客或工作人员不小心坠入电梯井内， 对于这种电梯安全问题情况的发生， 本电梯井道防坠落系统同时有效地解决人从电梯轿厢上方及下方坠落井道的安全问题， 为电梯安全与管理做出了一种可行的系统研究与设计。 本电梯井道防坠落系统可以加装在现有的电梯井道内，无需重新安装电梯，大大降低了安全措施的成本。 并且本电梯井道防坠落系统可以适用于几乎所有升降电梯，一旦推广，可为所有升降电梯的安全问题保驾护航。希望此套机械防坠落机构能够对今后的电梯设计提供帮助和参考，使我们的电梯更安全。