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摘要：随着国家针对新冠疫情陆续采取各项有力措施，疫情逐渐趋于常态化，全国疫情进入后疫情时代，而我国每日乘梯人数将近20亿，且电梯空间狭小，因此针对电梯的疫情防控成为必不可少的一环。通过对电梯防疫效果的调查，根据防疫需求设计了一款智能防疫电梯系统，该系统可实现人体体温识别、无接触式乘梯、轿厢内空气病菌消杀以及紧急供电，从而减少乘梯人员与病菌接触的机会，降低新冠肺炎感染的风险。
關键词：防疫电梯;无接触;智能;灭菌
中图分类号：TU857 文献标识码：A 文章编号：2096-4706（2021）07-0155-04
Design and Application of an Intelligent Epidemic Prevention Elevator System
ZHU Dong
（China Railway Siyuan Survey and Design Group Co.，Ltd.，Wuhan 430063，China）
Abstract：As the state has taken effective measures against COVID-19 in succession，the epidemic has gradually become normal，and the national epidemic has entered the post-epidemic era. Then in China，the number of people taking elevators every day is nearly 2 billion，and the elevator space is small，so the prevention and control of epidemic for elevator has become an essential link. Through the investigation of the effect of elevator epidemic prevention，an intelligent epidemic prevention elevator system is designed according to the requirements of epidemic prevention. The system can realize the recognition of human body temperature，the non-contact elevator ride，elimination of air germs in the elevator car and the emergency power supply，so as to reduce the contact chance between elevator passengers and germs and reduce the risk of COVID-19 infection.
Keywords：epidemic prevention elevator;non-contact;intelligent;sterilization
收稿日期：2021-03-11
基金项目：国家重点研发计划项目（2018Y FB2100902）
0 引 言
自2019年疫情暴发以来，我们的生活发生了巨大改变，疫情防控渗透在生活的方方面面，全国累计确诊人数已超过9万。随着疫情进入常态化发展，全民需要做好疫情防护，钟南山院士特别指出复工复产要增加电梯间的消毒频次，改进防疫措施。
随着我国城乡建设的快速发展，2019年，我国电梯保有量已超700万台，由于电梯内空间狭小，乘梯人员紧密接触与呼吸交叉，因此隔绝乘梯人员与病菌的接触具有一定难度。正如2020年11月24日天津某小区因为一位确诊患者乘坐电梯时未戴口罩，污染了电梯环境导致病菌的传播，而我国每日乘梯人数将近20亿，因此针对电梯的疫情防控成为必不可少的一环。
现有的针对电梯的防疫措施，主要是通过新风系统净化空气，梯内划分站立区域，配备一次性电梯按键纸，每日在电梯内喷洒消毒液等。然而，新风系统只能满足正常情况下的通风换气，无法达到防疫效果;梯内划分站立区域，只能限定乘梯人数减少病菌接触;一次性电梯按键纸，只能减少按键表面病菌且需要定期更换;电梯内喷洒消毒液，对轿厢有一定的腐蚀性且有刺激性气味，可见电梯病菌消杀设备有待改进。根据肺炎疫情的发展变化以及现有电梯的防疫现状，本文设计了一款智能防疫电梯系统，减少乘梯人员与病菌接触的机会，降低新冠肺炎感染的风险。
1 智能防疫电梯系统方案设计
智能防疫电梯系统包含五个子系统[1-5]，分别为紫外消杀空气净化子系统、人脸体温识别子系统、手机预约乘梯子系统、智能语音呼梯子系统、紧急供电子系统，系统关系图如图1所示。紫外消杀空气净化子系统通过紫外消杀灯对电梯轿厢内的空气进行消杀，保持电梯轿厢内的空气流通;人脸体温识别子系统通过扫描识别人体的体温排除发烧的乘梯人员;手机预约乘梯子系统通过提前在手机APP上预约乘梯，减少电梯门口排队现象;智能语音呼梯子系统可实现乘梯人员与电梯的语音交互，避免乘梯人员与电梯内壁接触;当电梯发生紧急停电时，紧急供电子系统可为电梯供电使得电梯能够到达最近的平层位置打开轿厢门，避免乘梯人员在狭小的空间内长时间停留。
智能防疫电梯系统分为正常运行周期和消杀灭菌周期。在正常运行周期中，乘梯人员首先进行人脸体温识别，若体温不通过则需要重新确认体温，若体温识别通过，乘梯人员可进行智能语音呼梯或是手机预约乘梯，若电梯正常运行乘梯人员可到达指定楼层，若电梯突发断电故障，电梯紧急供电系统会为电梯提供电力，使电梯能够到达附近平层，运行过程如图2所示。 2 智能防疫电梯系统功能实现
2.1 紫外消杀空气净化子系统
紫外消杀空气净化子系统包括紫外消杀模块和空气净化模块，两个模块相互配合协同工作，从而实现电梯轿厢内的病菌消杀。
2.1.1 紫外消杀
根据电梯轿厢内部尺寸和光谱特性，通过辐射作用功率计算得到轿厢内所需的紫外消杀灯型号及数量;通过计算病菌生存数，保证轿厢内的病菌数在安全范围以内，从而确定紫外消杀灯的灭菌周期，根据灭菌周期，紫外消杀灯的开关与锁梯功能联动，确保紫外消杀时电梯不启动。
2.1.1.1 紫外消杀灯消杀效果计算
紫外线破坏病菌中的DNA或者RNA的分子结构，造成生长性细胞死亡，因此在紫外线波长为253.7 nm的时候，杀菌效果最好，而病菌的生存数量与照射时间和辐射照度有关，即：
θ=f（eD）
D=E·t
其中，θ为细菌的生存数（个），D为紫外线照射量（μW· s/cm2），E为辐射照度（μW/cm2），t为照射时间（s）。
2.1.1.2 紫外消杀灯辐射作用功率计算
P=KAE（γ）·W（γ，E）dγ
其中，P为照射作用的功率（W），A为照射面积（m2），E（γ）为光谱密度的波长特性（光谱辐射照度），W（γ，E）为光谱效应特性。
2.1.1.3 辐射照度计算
E=
其中，E为辐射照度，为辐射通量，A为照射面积。
因此，根据电梯内病菌数的标准以及电梯轿厢的尺寸，通过紫外消杀灯消杀效果计算、紫外消杀灯辐射作用功率计算、辐射照度计算可以得出电梯内需要安装多大功率的紫外消杀灯，以及所需的消杀时间。
2.1.2 空气净化系统
2.1.2.1 空气净化器最大出风量计算
f=
其中，f为空气净化器的最大出风量，V为净化体积。
2.1.2.2 轿厢空气中负离子浓度计算
N=
其中，I为微电流计读数，q为空气净化的出风量，A为收集器有效横截面积。
根据电梯轿厢体积计算得出，每12分钟净化一次的最大出风量为32.4 m3/h，轿厢内空气中负离子的浓度大于5 000个/立方米，由负离子体浓度对应效果表可知，轿厢内负离子体具有杀菌、减少疾病传染的作用，负离子体浓度对应效果表如表1所示。
2.2 人脸体温识别子系统
人脸体温识别子系统包括信息采集模块、信息检测识别模块、信息处理与存储模块，人脸体温识别子系统示意图如图3所示。
信息采集模块用于采集人脸图像、人脸温度信息;信息检测识别模块用于检测乘梯人员是否佩戴口罩，体温是否在正常值范围内，人脸是否已上传后台人脸信息库;信息处理与存储模块反馈人脸检测信息，显示通行或者告警，并将每一次的人脸信息检测数据上传到后台数据库中。
2.3 智能语音呼梯子系统
智能语音呼梯子系统主要包括语音识别模块、电路主控模块、继电器控制模块、语音播报模块[6]。
语音识别是一种语音的模式识别，通过将电梯轿厢内采集到的语音与语音模板进行逐一比对，最佳匹配结果将被视為智能语音识别结果。
首先，梯内无接触语音呼梯通过语音识别模块识别乘梯人员的语音信息，然后将语音信息传递给电路控制模块分析处理语音信息，其次，电路控制模块向继电器控制模块发出控制模块命令，最后，当语音播报模块接收到电信号后，语音播报模块播出相应的信息，电梯到达乘梯人员指定的楼层后，语音播报模块播出楼层到达的提示信息，具体框图如图4所示。
2.4 手机预约乘梯子系统
乘梯人员可通过手机预约乘梯子系统，在手机APP上预约乘梯，乘梯人员进入电梯后扫描乘梯二维码，上传到网络中心，网络中心识别二维码信号，信号被确认后通过通讯线控制电梯，到达提前预约的楼层，手机预约乘梯子系统逻辑关系图如图5所示。
2.5 紧急供电子系统
紧急供电子系统为增加断电平层装置，当正在运行的电梯突然遇到供电系统故障（停电、缺相、火灾）时，该装置将自动切换投入工作。确保了紧急断电停梯后，电梯能够自动启动，将电梯运行至平层位置，打开轿门让乘梯人员安全走出电梯，减少乘梯人员与病菌的接触，同时紧急供电子系统还可以在电梯灭菌周期内为紫外消杀空气净化子系统提供电力支持。
3 防疫电梯系统应用与效果分析
为验证智能防疫电梯系统的防疫灭菌效果，本次实验联合医院组织共同完成电梯轿厢内安装智能防疫电梯系统前后电梯轿厢内病菌数量的检测，依据医院卫生消毒标准，验证智能防疫电梯系统的应用效果。
联合实验单位，提取电梯轿厢内的病菌，进行现场检测，如图6所示。
实验单位通过撞击法、平板暴露法检测分析医院内1～4号电梯的病菌数量分布情况，其中电梯按键上的病菌数与轿厢空气中的病菌数占比分别为46.20%和32.89%，比重最大。
依据医院消毒卫生标准，根据疫情防控需要将电梯内病菌数控制为医院无菌病房标准，如表2所示，而病菌消杀率为（消杀前病菌数-消杀后病菌数）/消杀前病菌数。
在紫外消杀空气净化子系统、人脸体温识别子系统、手机预约乘梯子系统、智能语音呼梯子系统、紧急供电子系统多个子系统共同作用下，电梯按键上病菌占比由46.20%降至8.15%;轿厢内空气中病菌占比由32.89%降至16.13%。
使用智能防疫电梯系统后电梯轿厢内的病菌数，由原来的按键上病菌数和空气中的病菌数占比大转变为电梯门上的病菌数占比大。人脸体温识别子系统可避免疑似肺炎病菌携带者进入电梯轿厢内，从源头上排除消杀病菌;智能防疫电梯系统中的紫外消杀空气净化子系统可消杀电梯轿厢内的病菌;手机预约乘梯子系统、智能语音呼梯子系统通过减少乘梯人员与电梯的直接接触，避免病菌转移从而减少电梯按键上的病菌;紧急供电子系统可保证电梯在发生故障时，避免乘梯人员长时间停留在狭小的空间内，降低被病菌感染的风险。电梯轿厢内的菌落数由原来的13 352个，降低为3 570个，轿厢内整体的病菌数降低73.26%，由此可得智能防疫电梯系统具有显著的防疫效果，降低了乘梯人员被感染的风险。
4 结 论
新冠疫情的常态化发展，全国疫情进入后疫情时代，针对电梯的疫情防控成为重中之重。本文设计的智能防疫电梯系统主要是基于紫外消杀空气净化子系统、人脸体温识别子系统、手机预约乘梯子系统、智能语音呼梯子系统、紧急供电子系统多个子系统联合使用，共同减少电梯轿厢内的病菌数量，为乘梯人员提供一个安全的乘梯环境，降低电梯轿厢内肺炎疫情的感染风险。
参考文献：
[1] 于红花.PLC智能电梯控制模型开发 [J].微型电脑应用，2021，37（1）：152-154+161.
[2] 张朝阳.安全管理系统在智能电梯中的应用实现 [J].电气时代，2021（1）：65-67.
[3] 曾信雁.电梯语音呼梯系统的研究 [D].杭州：浙江工业大学，2013.
[4] 张学伦，吕潇，何洋，等.防疫电梯的风险分析及对策探讨 [J].电子质量，2020（6）：60-62.
[5] 钟陈，王思翔，王文峰.面向疫情防控的人脸识别系统与标准研究 [J].信息技术与标准化，2020（6）：11-13.
[6] 臧坤.智能电梯视频监测系统的设计与实现 [D].南京：东南大学，2019.
作者简介：朱冬（1993—），男，汉族，湖北十堰人，助理工程师，硕士，研究方向：车站设备全寿命周期监测及诊断。
關键词：防疫电梯;无接触;智能;灭菌
中图分类号：TU857 文献标识码：A 文章编号：2096-4706（2021）07-0155-04
Design and Application of an Intelligent Epidemic Prevention Elevator System
ZHU Dong
（China Railway Siyuan Survey and Design Group Co.，Ltd.，Wuhan 430063，China）
Abstract：As the state has taken effective measures against COVID-19 in succession，the epidemic has gradually become normal，and the national epidemic has entered the post-epidemic era. Then in China，the number of people taking elevators every day is nearly 2 billion，and the elevator space is small，so the prevention and control of epidemic for elevator has become an essential link. Through the investigation of the effect of elevator epidemic prevention，an intelligent epidemic prevention elevator system is designed according to the requirements of epidemic prevention. The system can realize the recognition of human body temperature，the non-contact elevator ride，elimination of air germs in the elevator car and the emergency power supply，so as to reduce the contact chance between elevator passengers and germs and reduce the risk of COVID-19 infection.
Keywords：epidemic prevention elevator;non-contact;intelligent;sterilization
收稿日期：2021-03-11
基金项目：国家重点研发计划项目（2018Y FB2100902）
0 引 言
自2019年疫情暴发以来，我们的生活发生了巨大改变，疫情防控渗透在生活的方方面面，全国累计确诊人数已超过9万。随着疫情进入常态化发展，全民需要做好疫情防护，钟南山院士特别指出复工复产要增加电梯间的消毒频次，改进防疫措施。
随着我国城乡建设的快速发展，2019年，我国电梯保有量已超700万台，由于电梯内空间狭小，乘梯人员紧密接触与呼吸交叉，因此隔绝乘梯人员与病菌的接触具有一定难度。正如2020年11月24日天津某小区因为一位确诊患者乘坐电梯时未戴口罩，污染了电梯环境导致病菌的传播，而我国每日乘梯人数将近20亿，因此针对电梯的疫情防控成为必不可少的一环。
现有的针对电梯的防疫措施，主要是通过新风系统净化空气，梯内划分站立区域，配备一次性电梯按键纸，每日在电梯内喷洒消毒液等。然而，新风系统只能满足正常情况下的通风换气，无法达到防疫效果;梯内划分站立区域，只能限定乘梯人数减少病菌接触;一次性电梯按键纸，只能减少按键表面病菌且需要定期更换;电梯内喷洒消毒液，对轿厢有一定的腐蚀性且有刺激性气味，可见电梯病菌消杀设备有待改进。根据肺炎疫情的发展变化以及现有电梯的防疫现状，本文设计了一款智能防疫电梯系统，减少乘梯人员与病菌接触的机会，降低新冠肺炎感染的风险。
1 智能防疫电梯系统方案设计
智能防疫电梯系统包含五个子系统[1-5]，分别为紫外消杀空气净化子系统、人脸体温识别子系统、手机预约乘梯子系统、智能语音呼梯子系统、紧急供电子系统，系统关系图如图1所示。紫外消杀空气净化子系统通过紫外消杀灯对电梯轿厢内的空气进行消杀，保持电梯轿厢内的空气流通;人脸体温识别子系统通过扫描识别人体的体温排除发烧的乘梯人员;手机预约乘梯子系统通过提前在手机APP上预约乘梯，减少电梯门口排队现象;智能语音呼梯子系统可实现乘梯人员与电梯的语音交互，避免乘梯人员与电梯内壁接触;当电梯发生紧急停电时，紧急供电子系统可为电梯供电使得电梯能够到达最近的平层位置打开轿厢门，避免乘梯人员在狭小的空间内长时间停留。
智能防疫电梯系统分为正常运行周期和消杀灭菌周期。在正常运行周期中，乘梯人员首先进行人脸体温识别，若体温不通过则需要重新确认体温，若体温识别通过，乘梯人员可进行智能语音呼梯或是手机预约乘梯，若电梯正常运行乘梯人员可到达指定楼层，若电梯突发断电故障，电梯紧急供电系统会为电梯提供电力，使电梯能够到达附近平层，运行过程如图2所示。 2 智能防疫电梯系统功能实现
2.1 紫外消杀空气净化子系统
紫外消杀空气净化子系统包括紫外消杀模块和空气净化模块，两个模块相互配合协同工作，从而实现电梯轿厢内的病菌消杀。
2.1.1 紫外消杀
根据电梯轿厢内部尺寸和光谱特性，通过辐射作用功率计算得到轿厢内所需的紫外消杀灯型号及数量;通过计算病菌生存数，保证轿厢内的病菌数在安全范围以内，从而确定紫外消杀灯的灭菌周期，根据灭菌周期，紫外消杀灯的开关与锁梯功能联动，确保紫外消杀时电梯不启动。
2.1.1.1 紫外消杀灯消杀效果计算
紫外线破坏病菌中的DNA或者RNA的分子结构，造成生长性细胞死亡，因此在紫外线波长为253.7 nm的时候，杀菌效果最好，而病菌的生存数量与照射时间和辐射照度有关，即：
θ=f（eD）
D=E·t
其中，θ为细菌的生存数（个），D为紫外线照射量（μW· s/cm2），E为辐射照度（μW/cm2），t为照射时间（s）。
2.1.1.2 紫外消杀灯辐射作用功率计算
P=KAE（γ）·W（γ，E）dγ
其中，P为照射作用的功率（W），A为照射面积（m2），E（γ）为光谱密度的波长特性（光谱辐射照度），W（γ，E）为光谱效应特性。
2.1.1.3 辐射照度计算
E=
其中，E为辐射照度，为辐射通量，A为照射面积。
因此，根据电梯内病菌数的标准以及电梯轿厢的尺寸，通过紫外消杀灯消杀效果计算、紫外消杀灯辐射作用功率计算、辐射照度计算可以得出电梯内需要安装多大功率的紫外消杀灯，以及所需的消杀时间。
2.1.2 空气净化系统
2.1.2.1 空气净化器最大出风量计算
f=
其中，f为空气净化器的最大出风量，V为净化体积。
2.1.2.2 轿厢空气中负离子浓度计算
N=
其中，I为微电流计读数，q为空气净化的出风量，A为收集器有效横截面积。
根据电梯轿厢体积计算得出，每12分钟净化一次的最大出风量为32.4 m3/h，轿厢内空气中负离子的浓度大于5 000个/立方米，由负离子体浓度对应效果表可知，轿厢内负离子体具有杀菌、减少疾病传染的作用，负离子体浓度对应效果表如表1所示。
2.2 人脸体温识别子系统
人脸体温识别子系统包括信息采集模块、信息检测识别模块、信息处理与存储模块，人脸体温识别子系统示意图如图3所示。
信息采集模块用于采集人脸图像、人脸温度信息;信息检测识别模块用于检测乘梯人员是否佩戴口罩，体温是否在正常值范围内，人脸是否已上传后台人脸信息库;信息处理与存储模块反馈人脸检测信息，显示通行或者告警，并将每一次的人脸信息检测数据上传到后台数据库中。
2.3 智能语音呼梯子系统
智能语音呼梯子系统主要包括语音识别模块、电路主控模块、继电器控制模块、语音播报模块[6]。
语音识别是一种语音的模式识别，通过将电梯轿厢内采集到的语音与语音模板进行逐一比对，最佳匹配结果将被视為智能语音识别结果。
首先，梯内无接触语音呼梯通过语音识别模块识别乘梯人员的语音信息，然后将语音信息传递给电路控制模块分析处理语音信息，其次，电路控制模块向继电器控制模块发出控制模块命令，最后，当语音播报模块接收到电信号后，语音播报模块播出相应的信息，电梯到达乘梯人员指定的楼层后，语音播报模块播出楼层到达的提示信息，具体框图如图4所示。
2.4 手机预约乘梯子系统
乘梯人员可通过手机预约乘梯子系统，在手机APP上预约乘梯，乘梯人员进入电梯后扫描乘梯二维码，上传到网络中心，网络中心识别二维码信号，信号被确认后通过通讯线控制电梯，到达提前预约的楼层，手机预约乘梯子系统逻辑关系图如图5所示。
2.5 紧急供电子系统
紧急供电子系统为增加断电平层装置，当正在运行的电梯突然遇到供电系统故障（停电、缺相、火灾）时，该装置将自动切换投入工作。确保了紧急断电停梯后，电梯能够自动启动，将电梯运行至平层位置，打开轿门让乘梯人员安全走出电梯，减少乘梯人员与病菌的接触，同时紧急供电子系统还可以在电梯灭菌周期内为紫外消杀空气净化子系统提供电力支持。
3 防疫电梯系统应用与效果分析
为验证智能防疫电梯系统的防疫灭菌效果，本次实验联合医院组织共同完成电梯轿厢内安装智能防疫电梯系统前后电梯轿厢内病菌数量的检测，依据医院卫生消毒标准，验证智能防疫电梯系统的应用效果。
联合实验单位，提取电梯轿厢内的病菌，进行现场检测，如图6所示。
实验单位通过撞击法、平板暴露法检测分析医院内1～4号电梯的病菌数量分布情况，其中电梯按键上的病菌数与轿厢空气中的病菌数占比分别为46.20%和32.89%，比重最大。
依据医院消毒卫生标准，根据疫情防控需要将电梯内病菌数控制为医院无菌病房标准，如表2所示，而病菌消杀率为（消杀前病菌数-消杀后病菌数）/消杀前病菌数。
在紫外消杀空气净化子系统、人脸体温识别子系统、手机预约乘梯子系统、智能语音呼梯子系统、紧急供电子系统多个子系统共同作用下，电梯按键上病菌占比由46.20%降至8.15%;轿厢内空气中病菌占比由32.89%降至16.13%。
使用智能防疫电梯系统后电梯轿厢内的病菌数，由原来的按键上病菌数和空气中的病菌数占比大转变为电梯门上的病菌数占比大。人脸体温识别子系统可避免疑似肺炎病菌携带者进入电梯轿厢内，从源头上排除消杀病菌;智能防疫电梯系统中的紫外消杀空气净化子系统可消杀电梯轿厢内的病菌;手机预约乘梯子系统、智能语音呼梯子系统通过减少乘梯人员与电梯的直接接触，避免病菌转移从而减少电梯按键上的病菌;紧急供电子系统可保证电梯在发生故障时，避免乘梯人员长时间停留在狭小的空间内，降低被病菌感染的风险。电梯轿厢内的菌落数由原来的13 352个，降低为3 570个，轿厢内整体的病菌数降低73.26%，由此可得智能防疫电梯系统具有显著的防疫效果，降低了乘梯人员被感染的风险。
4 结 论
新冠疫情的常态化发展，全国疫情进入后疫情时代，针对电梯的疫情防控成为重中之重。本文设计的智能防疫电梯系统主要是基于紫外消杀空气净化子系统、人脸体温识别子系统、手机预约乘梯子系统、智能语音呼梯子系统、紧急供电子系统多个子系统联合使用，共同减少电梯轿厢内的病菌数量，为乘梯人员提供一个安全的乘梯环境，降低电梯轿厢内肺炎疫情的感染风险。
参考文献：
[1] 于红花.PLC智能电梯控制模型开发 [J].微型电脑应用，2021，37（1）：152-154+161.
[2] 张朝阳.安全管理系统在智能电梯中的应用实现 [J].电气时代，2021（1）：65-67.
[3] 曾信雁.电梯语音呼梯系统的研究 [D].杭州：浙江工业大学，2013.
[4] 张学伦，吕潇，何洋，等.防疫电梯的风险分析及对策探讨 [J].电子质量，2020（6）：60-62.
[5] 钟陈，王思翔，王文峰.面向疫情防控的人脸识别系统与标准研究 [J].信息技术与标准化，2020（6）：11-13.
[6] 臧坤.智能电梯视频监测系统的设计与实现 [D].南京：东南大学，2019.
作者简介：朱冬（1993—），男，汉族，湖北十堰人，助理工程师，硕士，研究方向：车站设备全寿命周期监测及诊断。