Hacia ascensores inteligentes: la experiencia KLEEMANN

Con cuatro innovaciones: detección de emergencia de pasajeros (PED), medición electrónica de huecos (ESM), sistema de asistencia a ascensores G-Braille para personas con discapacidad visual e información sobre entorno seguro (ISE)

por el Dr. Giorgos Georgiadis

Este artículo se presentó en el Simposio internacional de ascensores y escaleras mecánicas de 2023 en Edimburgo, Escocia.

Las industrias están adoptando operaciones inteligentes debido a las ventajas inigualables que ofrecen. Proporcionan un entorno operativo más ágil, receptivo e interactivo con el usuario.

El ascensor es un equipo vital para la vida diaria de las personas. Para la industria de los ascensores, incorporar tecnología inteligente es una necesidad, más que una opción, considerando la importancia que tiene en la vida diaria.

Este artículo explora cuatro funciones/productos innovadores e inteligentes para ascensores que mejoran la seguridad, la construcción, la accesibilidad y la conveniencia de los pasajeros. Estas funciones son:

1. Sistema de detección de emergencia de pasajeros (PED)
2. Sistema electrónico de medición de ejes (ESM)
3. Sistema G-Braille
4. Información sobre el sistema de Ambiente Seguro (ISE)

1. PED, Sistema de Detección de Emergencia de Pasajeros

El sistema PED tiene como objetivo detectar automáticamente situaciones de salud de emergencia (como un ataque cardíaco, desmayo) para los pasajeros que no pueden responder durante esta situación urgente. Mediante el uso de cámaras de profundidad y algoritmos de inteligencia artificial, el sistema detecta la pérdida del conocimiento de un pasajero dentro de la cabina y provoca una reacción inmediata por parte del ascensor. Inicia una serie de acciones, como llamar automáticamente a los servicios de emergencia, mover el ascensor a la planta baja, abrir las puertas y notificar a los hospitales cercanos a través del Internet de las cosas (IoT).

El sistema utiliza cámaras y algoritmos avanzados de IA.^{[ 1 ]} reconoce la presencia de personas dentro del ascensor. El sistema PED utiliza tecnología con cámaras de profundidad, que no registran datos personales, por lo que no entran en el Reglamento General de Protección de Datos. La metodología de detección de incidentes comprende tres pasos:

1. Detección y seguimiento de elementos en movimiento.
2. Extracción de características de eventos que son indicativas del estado de los elementos.
3. Un método del modelo oculto de Markov (HMM) que reconoce los incidentes que ocurren en función de las características del evento.

Para lograr la detección de caídas se utiliza un modelo de Markov de tres estados (Figura 1) que considera el evento anterior.

El primer estado (S1) se refiere a un estado sin caída, por ejemplo, una persona de pie o con un ligero movimiento.

El segundo estado (S2) representa la caída real, que se caracteriza por una velocidad vertical muy decreciente (cuando la altura disminuye, la velocidad toma valores negativos) y una varianza del área que aumenta.

El tercer estado (S3) significa el final de la caída y declara la detección del incidente.

Las probabilidades de transición se basan en las características del evento y se definen en la siguiente matriz:

La probabilidad F,

constituye una función sigmoidea que favorece con valores altos cercanos a 1, casos con velocidad vertical alta (negativa) y covarianza de área alta, es decir, casos que corresponden al estado de caída. Aquí, T es una constante definida por el entrenamiento.

Función u,

declara que el estado S3 que significa la detección de la caída no puede alcanzarse si la persona caída no se encuentra por debajo de un umbral holgado HT.

En el siguiente esquema (Figura 2), se muestra una descripción del sistema.

La cámara de profundidad y el algoritmo reconocerán la forma humana. Las características específicas serán monitoreadas por el sistema. La primera característica es la velocidad vertical del punto más alto de la persona rastreada, que se medirá muchas veces por segundo durante un período de tiempo constante. La segunda característica se refiere a la variación del área. Cuando una persona cae, el área medida aumenta. Esta característica se mide en la misma frecuencia y ventana de tiempo que la velocidad. La última característica utilizada es la altura, y además de su importancia para el cálculo de la velocidad vertical, facilita evitar falsas alarmas porque una persona caída no puede estar a más de 1 m. Todas estas características se extraen de la cámara de profundidad. Después de alimentar el novedoso HMM para la detección de caídas con estas tres características, se extrae la probabilidad de caída como se describió anteriormente.

Cuando el HMM extrae una alta probabilidad de caída (Figura 3), se iniciará el contador de tiempo. Si después de un límite específico (10 s) no hay recuperación, se iniciará un estado de alarma. Como se mencionó anteriormente, se llevarán a cabo una serie de acciones, como llamar automáticamente a los servicios de emergencia, mover el ascensor a la planta baja, abrir las puertas, configurar el ventilador de aire de la cabina al máximo y notificar a los hospitales cercanos a través del IoT.

PED es un sistema revolucionario que garantiza una respuesta rápida y eficiente a situaciones críticas las 24 horas del día, potencialmente salvando vidas.

2. ESM, sistema electrónico de medición de ejes

El ESM (Figura 4) es un sistema capaz de medir automáticamente las dimensiones del hueco de un ascensor mediante enfoques de visión por computadora y sensores ópticos sin intervención humana. El sistema detecta desviaciones en las dimensiones de la construcción, desviaciones de la dirección vertical teórica y errores en las dimensiones de la superficie de las paredes. Además, calcula el volumen máximo de hueco disponible para el sistema de ascensor. ESM garantiza mediciones precisas, lo que permite una instalación y mantenimiento precisos del ascensor, mejorando así el rendimiento y la seguridad generales.

La herramienta ESM es liviana (con un sistema de montaje que pesa menos de 8 kg), portátil y funciona con baterías. Se monta en el último piso y no necesita ninguna penetración en la pared.

El diagrama arquitectónico del sistema de medición desarrollado se presenta en la Figura 5. Más específicamente, un power bank portátil alimenta con corriente la unidad computacional empleada, como el Jetson Nano, brindando así la posibilidad de realizar varias mediciones sin necesidad de carga.

En cuanto a la unidad de medición y los sensores aplicados, tres dispositivos diferentes están conectados directamente a la computadora NVIDIA Jetson^{[ 2 ]} que se encarga de la comunicación de los sensores, así como de la ejecución de los algoritmos de visión por computadora, como se ilustra en la Figura 6. El primero es un LiDAR de alta resolución con 11 rotaciones por segundo que proporciona las coordenadas horizontales del eje. . Mientras que el segundo sensor es el láser de distancia de altura que calcula la altura del dispositivo que representa la coordenada vertical. El tercero es un sensor de captación magnética (MPU), que se encarga de inspeccionar la órbita del dispositivo experimental midiendo los ángulos de cabeceo y balanceo, que pueden cambiar debido a pequeñas corrientes de aire dentro del eje medido. En cuanto al cálculo del ángulo de guiñada, se aplican metodologías de visión por computadora.

Para evitar resultados inexactos debido a la rotación incontrolable de la unidad debido a las corrientes de aire desarrolladas dentro del eje, se incorporó un sensor MPU. En primer lugar, se calculan las desviaciones de cabeceo y balanceo y los valores capturados del LiDAR (valores X e Y) se corrigen en consecuencia. En situaciones en las que los valores de cabeceo y balanceo están por encima de 3° durante más de 10 segundos consecutivos, aparece un mensaje al usuario informándole sobre el estado, sugiriendo la repetición del proceso para garantizar una medición confiable. En la Figura 7, se ilustra esquemáticamente una desviación de tono, junto con los valores calculados y reales de los ejes X, Y y Z.

El sistema se montará en el piso superior, como se mostró anteriormente, y comenzará a descender con la ayuda de un pequeño motor eléctrico a una velocidad de aproximadamente 45 mm/s. el algoritmo^{[ 3 ]} toma datos del LiDAR. Luego se calculan las inclinaciones de balanceo, guiñada y cabeceo. El ángulo de guiñada se calcula mediante técnicas de visión por computadora, mientras que el cabeceo y el balanceo se derivan del sensor MPU. Se aplica un algoritmo para el registro de la nube de puntos. En el siguiente paso, se aplica un método para medir el rectángulo máximo dentro de la nube. A continuación se extraen las desviaciones del hueco respecto al hueco teórico, el hueco máximo del ascensor (disponible para su instalación) y la inclinación real del hueco, como se muestra en la Figura 8.

Además, se proporcionaron varios módulos, como una herramienta de manipulación del punto de nube en el espacio 3D para inspeccionar minuciosamente el eje y una herramienta de medición que calcula la distancia entre dos puntos seleccionados de la nube, como se presenta en la Figura 9.

Teniendo en cuenta la precisión de los resultados del cálculo y la amigable interfaz gráfica de usuario de la aplicación, el usuario podría dimensionar fácilmente el hueco investigado, ahorrando horas de medición manual del interior del hueco, alcanzando a su vez nuevos y altos estándares en la exigente industria de los ascensores.

3. G-Braille, Sistema de Asistencia a Personas con Discapacidad Visual

El sistema G-Braille (Figura 10) facilita el uso del ascensor a personas con discapacidad visual. Consiste en un transmisor pequeño y compacto con botones que representan el sistema braille de 6 puntos que se empareja con el controlador del ascensor. Una vez emparejado, la persona con discapacidad visual puede seleccionar el piso deseado presionando los botones en G-Braille según la codificación braille de 6 puntos. Con este novedoso método, el ascensor "lee" desde el transmisor G-Braille el piso deseado sin que la persona con discapacidad visual tenga que "leer" tocando todos los botones en el panel operativo de la cabina (COP). Este innovador sistema mejora la accesibilidad y la independencia de los pasajeros con discapacidad visual.

La configuración consta de un control remoto para cada usuario llamado "G-Braille", una unidad de piso colocada dentro de cada panel operativo de rellano de una instalación de ascensor y, finalmente, un nodo de puerta de enlace colocado dentro de la cabina del ascensor llamado "puerta de enlace G-Braille". Todos los dispositivos están equipados con un microcontrolador capaz de comunicarse con el protocolo Bluetooth Low Energy (BLE). Cuando el dispositivo de control remoto está encendido, busca activamente las características del servicio Bluetooth iniciadas por la unidad de piso y el portal braille. La función de las unidades de piso es anunciar una característica de servicio Bluetooth a la que los dispositivos remotos están muy cerca y pueden conectarse y suscribirse. Después de que se establece una conexión durante un cierto período de tiempo, la unidad de piso activa la caja de pulsadores del piso, llamando así al ascensor al piso respectivo. Después de un procedimiento exitoso de llamada al ascensor entre el control remoto y la unidad de piso, esta última finaliza la sesión de Bluetooth para que el control remoto se conecte a la puerta de enlace G-Braille una vez que llega a la cabina.

El control remoto se conecta a la puerta de enlace G-Braille mediante un procedimiento de emparejamiento y se establece un enlace cifrado. La puerta de enlace G-Braille actúa como nodo en la red de bus CAN del ascensor. El usuario puede ingresar comandos relacionados con su preferencia de piso a través del código braille en su unidad G-Braille de control remoto al portal, que interpreta los comandos recibidos en los pisos seleccionados.

Un motor vibrador y un altavoz acústico en la unidad G-Braille son responsables de notificar a la persona con discapacidad visual si ha llegado a la cabina del ascensor o si se ha tecleado correctamente un comando braille. La puerta de enlace G-Braille puede admitir hasta seis conexiones de control remoto simultáneas. Los dispositivos remotos conectados exitosamente por primera vez se vinculan a la puerta de enlace y cada conexión posterior es automática sin necesidad de un proceso de emparejamiento. Además, admite la retención de datos de preferencia de piso de un usuario, de modo que un usuario pueda ser transportado a un piso predefinido en el futuro sin interactuar con el control remoto. La Figura 11 muestra la secuencia de eventos descritos en los párrafos anteriores.

La Figura 12 muestra otra variación del sistema G-Braille donde la unidad está conectada permanentemente al COP. En ese caso, el usuario intentará localizar el localizador de cuatro dedos y luego usará el pulgar para presionar los botones G-Braille y seleccionar el piso. 

4. ISE, Información sobre Ambiente Seguro

El sistema ISE (Figura 13) se centra en el bienestar de los pasajeros proporcionando información en tiempo real sobre la calidad del aire dentro de la cabina del ascensor. Utiliza una cámara de profundidad (que no registra datos personales) para recopilar información sobre el número de pasajeros dentro de la cabina. Proporciona información como la última vez que se utilizó el ascensor, el número de ocupantes durante el último viaje y el nivel de frescura del aire (intercambio de aire completo). Según datos de investigación de 2019,^{[ 4 ]} Los usuarios de ascensores desean un "olor agradable en la cabina y una atmósfera limpia en el ascensor". Esta preferencia se transformó en una necesidad absoluta durante la pandemia de COVID-19.

La función ISE cubre esa necesidad. Informa a las personas que esperan para entrar en la cabina del ascensor, con parámetros relacionados con la calidad del aire en el interior de la cabina, el número de pasajeros en el último recorrido del ascensor y el número de personas dentro de la cabina cuando el ascensor está en movimiento. Le brinda al usuario una estimación del tiempo para reciclar completamente el aire en la cámara, según las funciones de correlación del sistema de circulación de aire de la cabina. El usuario que desea llamar al ascensor desde una parada (no desde la planta baja) mientras el ascensor está en movimiento dispone de información sobre cuántos pasajeros hay en la cabina. El usuario puede entonces decidir si subirá o no al ascensor o si son necesarias medidas de protección adicionales, como mascarillas. En los casos en los que interviene un sistema de control de destino, se puede seleccionar un modo que envíe la cabina con el mayor nivel de aire reciclado disponible.

La solución ISE también está disponible como aplicación para teléfonos móviles, como se muestra en la Figura 14.

El sistema ISE proporciona al usuario una herramienta de información sencilla y cómoda sobre la calidad del aire esperada en el interior de la cabina. Además, ayuda a aumentar la concienciación del grupo de personas sensibles sobre temas de salud.  

Referencias

[1] Krinidis, S., Stavropoulos, G., Ioannidis, D. y Tzovaras, D. (2014). "Un sistema de extracción de ocupación multiespacio robusto y en tiempo real que aprovecha sensores que preservan la privacidad". ISCCSP.
[2] S. Cass, “Nvidia facilita la integración de IA: Jetson Nano incluye una gran cantidad de potencia de aprendizaje automático en proyectos de bricolaje” [Práctica] IEEE Spectrum, vol. 57, N° 7, 2020, págs. 14-16.
[3] Vrochidis Alexandros, Charalampous Paschalis, Dimitriou Nikolaos, Kladovasilakis Nikolaos y Georgiadis Georgios, "Inspección automática del hueco del ascensor utilizando un sistema de medición multisensor y técnicas de visión por computadora".
[4] KLEEMANN HELLAS, Universidad Nacional Kapodistriana de Atenas, Departamento de Psicología, 2019, “Estudio de actitudes, percepciones sobre la seguridad, miedos y demandas del usuario con respecto al funcionamiento de los ascensores”.