Türsicherheitsfunktion für Aufzüge mit Videoanalyse

Dieses Papier wurde präsentiert bei   Berlin 2018, International Congress on Vertical Transportation Technologies, und erstmals im IAEE-Buch veröffentlicht Aufzugstechnik 22, herausgegeben von A. Lustig. Es handelt sich um einen Nachdruck mit Genehmigung der International Association of Elevator Engineers (www.elevcon.com).

von Shuhei Noda, Kentaro Yokoi, Hiroshi Sukegawa, Teh KoK Long und Sayumi Kimura

Wir haben einen kamerabasierten Türsensor entwickelt, der Personen, die sich einem Aufzug nähern, erkennt und eine Kollision zwischen einem Fahrgast und der sich schließenden Tür verhindert. Gegenüber herkömmlichen Lichtschranken hat der neue Sensor zwei Vorteile: einen größeren Erfassungsbereich und eine präzise Bewegungserkennung. Es kann den Unterschied zwischen einer Person, die sich der Aufzugskabine nähert, und einer Person, die die Tür im Eingangsbereich passiert, feststellen. Wir haben den Algorithmus auf einem eingebetteten System implementiert und führen ihn in Echtzeit aus.

Einführung

Toshiba verkauft Lichtschranken, um zu verhindern, dass Personen zwischen Türen eingeklemmt oder von ihnen gezogen werden. 1 zeigt schematisch den Erfassungsbereich eines photoelektrischen Sensors zum Erfassen einer Person, die im Begriff ist, in einen Aufzug zu steigen. Wenn eine Person erkannt wird, die gerade in den Aufzug einsteigen will, werden die Türen wieder geöffnet, um zu verhindern, dass die Person zwischen ihnen eingeklemmt wird. Diese Lichtschranke hat jedoch einen so engen Erfassungsbereich und ist so nah an den Türen, dass sie sicherheitstechnisch nur bedingt wirkt.

Vor diesem Hintergrund haben wir einen neuen Türsensor mit Kamera entwickelt (kamerabasierter Türsensor).[1] Abbildung 2 zeigt den Erfassungsbereich des neuen Türsensors. Er ist sicherer als herkömmliche Sensoren, da er einen größeren Erfassungsbereich hat. Darüber hinaus kann es mithilfe einer neu entwickelten Videoanalyse-Technologie vorhersagen, wann sich eine Person dem Aufzug nähert. Mit dieser Funktion öffnet oder schließt der neue Türsensor die Türen nicht unnötig, da er nicht auf eine Person reagiert, die einfach vor den Türen vorbeigeht oder anhält.

Im Jahr 2016 brachte Toshiba SMART DOOR™ auf den Markt, um das Öffnen und Schließen von Türen entsprechend dem Erkennungsergebnis des neuen Türsensors zu steuern. Dieses Papier beschreibt die Konfiguration des neuen Türsensors mit der verwendeten Videoanalysetechnologie und liefert Ergebnisse von Leistungsüberprüfungstests.

Zusammensetzung des kamerabasierten Türsensors

Der neue Türsensor besteht aus einer Kamera, auf der ein Weitwinkelobjektiv montiert ist, und einer Bildsteuerungs-Verarbeitungsplatine (Abbildung 3). Die Kamera ist auf einer im oberen Teil der Aufzugskabine installierten Friestafel montiert (Abbildung 4) und nimmt ein Bild mit einem Blickwinkel auf den Aufzugseingangsbereich auf. Da der Sensor in der Aufzugskabine installiert ist, muss nicht in jedem Stockwerk eine Kamera installiert werden und somit kann das SMART DOOR System mit einem Sensor pro Aufzug konfiguriert werden.

Abbildung 5 ist ein Beispiel für ein Bild, das aufgenommen wird, wenn sich eine Person dem Aufzug nähert. Die Kamera erfasst Videobilder des Aufzugseingangsbereichs und eines Teils des Innenraums der Aufzugskabine, einschließlich der Grenze zwischen Aufzugskabine und Eingangsbereich. Die Videobilder werden von der Bildsteuerungs-Verarbeitungsplatine verarbeitet, und das System stellt fest, ob sich eine Person dem Aufzug nähert. Wird festgestellt, dass sich eine Person dem Aufzug nähert, werden die Türen wieder geöffnet oder offen gehalten.

Die Videoanalyse-Technologie, die auf der Bilderkennungs-Verarbeitungsplatine läuft, wird im folgenden Abschnitt ausführlich beschrieben.

Videoanalyse-Technologie

Abbildung 6 zeigt den Ablauf des Videoanalyseverfahrens, das für den neuen Türsensor entwickelt wurde. In diesem Abschnitt wird die Videoanalysemethode gemäß diesem Ablauf beschrieben.

Aufteilen eines Bildes in angeordnete Blöcke

Das von der Kamera aufgenommene Bild wird in eine Reihe von Segmenten unterteilt (Abbildung 7). Die durch Division gebildete kleinste Einheit wird als Block bezeichnet. Das Unterteilen des Bildes in Blöcke ist vorteilhaft, um den Umfang der Bildanalyseverarbeitung zu reduzieren.

Erkennen der Bewegung in jedem Block

Der mittlere Bildluminanzwert wird in einer Zeitreihe für jeden Block beobachtet, um Änderungen des Luminanzwerts zu erkennen. Ändert sich der Leuchtdichtewert in einer Zeitreihe, so wird davon ausgegangen, dass eine Bewegung vorliegt (Abbildung 8).

Erkennung der Fußposition

Die Position des Blocks, der den Türen am nächsten ist, unter den Blöcken, in denen eine Bewegung erkannt wird, wird als Fußposition betrachtet (Abbildung 9).

Feststellen, ob sich die Fußposition den Türen nähert

Der Abstand von den Türen bis zur Fußstellung wird in einer Zeitreihe beobachtet. Wird der Abstand mit der Zeit geringer, wird festgestellt, dass sich die Person den Türen nähert (Abbildung 10). Wenn die Distanz nicht zu kurz wird, wird festgestellt, dass sich die Person nicht den Türen nähert und nicht beabsichtigt, in den Aufzug einzusteigen (Abbildung 11).

Mit dem oben beschriebenen Verfahren kann eine Person, die in den Aufzug einsteigen will, im Eingangsbereich in weiten Grenzen erkannt werden. Wenn währenddessen eine Person gerade vor dem Aufzug vorbeigeht oder einfach nur steht, reagiert der Sensor nicht, weil sie sich den Türen nicht nähert; daher können die Türen geschlossen werden. Auf diese Weise werden Aufzugspassagiere nicht belästigt, aber die Sicherheit ist dennoch gewährleistet. Die Einführung dieses neuen Türsensors kann eine komfortable Aufzugsnutzungsumgebung bieten.

Da der neue Türsensor auf Bewegungserkennung basiert, erkennt er nicht nur einen menschlichen Körper, sondern auch eine Person im Rollstuhl oder Kinderwagen, die von einer Person geschoben wird. Aus diesem Grund kann die Sicherheit an verschiedenen Orten wie Wohngebäuden, gewerblichen Einrichtungen und Bürogebäuden erhöht werden.

Darüber hinaus verfügt der neue Türsensor über einen Annäherungserkennungsbereich in unmittelbarer Nähe der Aufzugstüren. Allein durch die Bewegungserkennung wird festgestellt, dass sich eine Person den Türen nähert (Abbildung 12). Mit diesem Erfassungsbereich ist es uns gelungen, die Sicherheit weiter zu erhöhen.

Wir haben die oben beschriebene Videoanalysemethode in ein eingebettetes System implementiert. Wie ein allgemeines eingebettetes System verfügt der neue Türsensor nicht über viele Rechenressourcen. Die CPU-Leistung für die Rechenverarbeitung und die Speicherkapazität des Speichers für aufgenommene Videobilder und Berechnungsergebnisse sind stark eingeschränkt. Das bedeutete, dass wir den Speicher und die Berechnungen reduzieren mussten, um die Videoanalysemethode zu implementieren, ohne die Erkennungsleistung zu beeinträchtigen. Dies wurde erreicht, indem das Bild in Blöcke unterteilt wurde, wie in (1) des Bildanalyseverfahrens beschrieben.

Ergebnisse der Leistungsüberprüfungen

Um die Leistung des neuen Türsensors zu überprüfen, haben wir mit der Kamera Videobilder mit einem echten Aufzug aufgenommen. Unter der Annahme des tatsächlichen Betriebs des Aufzugs wurden Bilder unter verschiedenen Bedingungen aufgenommen, einschließlich unterschiedlicher Umgebungen und unterschiedlicher Bewegungen einer Person, wodurch eine Datenbank mit Videobildern zur Auswertung erstellt wurde. Abbildung 13 zeigt Beispiele für Auswertungsvideobilder.

Wir haben die Leistung der aufgenommenen Bewertungsvideobilder offline überprüft. Das Ergebnis war, dass alle Bewegungen der sich den Türen nähernden Person erfasst werden konnten.

Wir haben auch das gesamte System verifiziert, einschließlich der Kontrolle des Öffnens und Schließens der Aufzugstüren. Unter der Annahme des tatsächlichen Betriebs des Aufzugs wurden die Bewegung des Ein- und Aussteigens, das Gehen und Stehen vor den Türen usw. viele Male wiederholt. Als Ergebnis wurde bestätigt, dass das Öffnen/Schließen der Aufzugstüren basierend auf der durch den neuen Türsensor durchgeführten Erfassung richtig gesteuert wurde.

Schlussfolgerungen

Der von uns neu entwickelte Türsensor kann auf Basis der Videoanalyse-Technologie feststellen, ob sich eine Person dem Aufzug nähert. Wenn festgestellt wird, dass sich eine Person dem Aufzug nähert, werden die Türen wieder geöffnet oder offen gehalten. Wenn eine Person vorübergeht oder vor dem Aufzug steht, können die Türen geschlossen werden, ohne dass diese Person reagiert. Somit kann eine sichere und komfortable Aufzugsnutzungsumgebung bereitgestellt werden.

Im Jahr 2016 brachte Toshiba SMART DOOR auf den Markt, um das Öffnen und Schließen von Aufzugstüren auf der Grundlage eines Sensorerkennungsergebnisses zu steuern. Dieser intelligente Aufzug ist jetzt weit verbreitet.

Literaturhinweis
[1] Kawaguchi Kenichi, Nakanishi Kota, Onoda Hiroshi und Nishimura Hidekazu. „Aufzüge bieten komfortable Fahrt durch Anwendung von Universal Design“, Toshiba Review, Vol. 72, Nr. 2, p. 32-35 (2017).