程學(xué)慶，邢 穎，黃 唯，侯方正

（1.西南交通大學(xué) 交通運(yùn)輸與物流學(xué)院，四川 成都 610031；2.西南交通大學(xué) 綜合交通運(yùn)輸智能化國(guó)家地方聯(lián)合工程實(shí)驗(yàn)室，四川 成都 610031)

0 引言

高速鐵路客運(yùn)樞紐是多種客運(yùn)交通方式和大規(guī)?？土鞯募?chǎng)所，可供旅客乘降、換乘、娛樂、購物等，屬于高密度客流聚集地[1]，一旦人員過于密集，容易發(fā)生擁堵混亂，車站秩序失控，還可能誘發(fā)客流或公共安全事故，亟需加強(qiáng)高速鐵路客運(yùn)樞紐運(yùn)營(yíng)的過程控制特別是安全監(jiān)控研究。目前國(guó)內(nèi)外客運(yùn)樞紐普遍采用視頻監(jiān)控系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)對(duì)客流的實(shí)時(shí)監(jiān)控及預(yù)警。在國(guó)內(nèi)，針對(duì)攝像頭采集點(diǎn)布設(shè)的理論研究相對(duì)較少，尚未形成一套科學(xué)系統(tǒng)的規(guī)范準(zhǔn)則。在國(guó)外，主要把視頻監(jiān)控采集點(diǎn)布設(shè)問題[2-3]當(dāng)做傳感器覆蓋優(yōu)化問題處理，即將監(jiān)控區(qū)域抽象成以攝像頭為中心的簡(jiǎn)單多邊形，以此建立模型實(shí)現(xiàn)在滿足覆蓋約束條件情形下，建設(shè)成本最低。Chakrabarty[4]將攝像頭采集點(diǎn)選址問題當(dāng)做IP問題采用整數(shù)規(guī)劃的方法處理；Murray[5]進(jìn)一步研究了攝像頭視域，引入了地球空間學(xué)科中視域可見性的概念；還有學(xué)者以MCLP問題[6]求解為思路進(jìn)行研究，采用多目標(biāo)優(yōu)化、模糊數(shù)學(xué)等方法[7]求解模型，但模型偏理想化，未充分考慮旅客站內(nèi)走行時(shí)不同區(qū)域集散強(qiáng)度不同；很少有學(xué)者在研究樞紐監(jiān)控布設(shè)時(shí)考慮監(jiān)控強(qiáng)度的不同，基本上都是簡(jiǎn)單沿線固定距離布設(shè)，而所有區(qū)域采用同一監(jiān)控強(qiáng)度，有可能導(dǎo)致車站入站口監(jiān)控強(qiáng)度不夠，同時(shí)車站出站口又存在資源浪費(fèi)的現(xiàn)象。

視頻監(jiān)控圖像的采集點(diǎn)位于整個(gè)監(jiān)控系統(tǒng)的最底層，是后續(xù)獲取圖像進(jìn)行存儲(chǔ)和分析處理的基礎(chǔ)。因此，采集點(diǎn)布設(shè)的好壞不僅影響著監(jiān)控系統(tǒng)的建設(shè)成本和采集圖像的質(zhì)量，而且還會(huì)影響到重點(diǎn)目標(biāo)監(jiān)控和預(yù)警等操作的精度。

由于現(xiàn)代鐵路客運(yùn)樞紐多采用立體式、通透式布局，為減少土地占用，實(shí)現(xiàn)空間利用集約化，站房每一層都較高，因而適合選作視頻采集點(diǎn)的位置受到限制。傳統(tǒng)方法是將空間二維化，求解坐標(biāo)要素，而實(shí)際中可能根本無法設(shè)置監(jiān)控采集點(diǎn)，缺乏可操作性。針對(duì)以上原因，在考慮鐵路客運(yùn)樞紐立體式空間布局的基礎(chǔ)上，兼顧對(duì)易擁堵區(qū)域的重點(diǎn)監(jiān)控，研究提出一種視頻監(jiān)控采集點(diǎn)三級(jí)布設(shè)方案。

1 高速鐵路客運(yùn)樞紐視頻監(jiān)控布設(shè)現(xiàn)狀

高速鐵路客運(yùn)樞紐是交通運(yùn)輸網(wǎng)絡(luò)的重要節(jié)點(diǎn)，除了對(duì)外連接高速鐵路網(wǎng)絡(luò)，同時(shí)還銜接多種城市內(nèi)部交通運(yùn)輸方式，如城市軌道交通、公交、出租車、私家車等。高速鐵路客運(yùn)樞紐作為一個(gè)區(qū)域的集散中心，一旦客流大量集結(jié)，又沒有及時(shí)引導(dǎo)疏解，很容易造成嚴(yán)重的擁堵問題，應(yīng)合理組織旅客和各種車輛安全、迅速、有序地集散。目前國(guó)內(nèi)外客運(yùn)樞紐普遍采用視頻監(jiān)控系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)對(duì)客流的實(shí)時(shí)監(jiān)控及預(yù)警，減少安全事故發(fā)生幾率或避免事故后果擴(kuò)大，保障車站日常的安全運(yùn)營(yíng)。高速鐵路客運(yùn)樞紐的視頻監(jiān)控系統(tǒng)，一方面要求能夠全面、實(shí)時(shí)地采集、顯示站內(nèi)各區(qū)域的動(dòng)態(tài)實(shí)況，發(fā)現(xiàn)異常時(shí)及時(shí)響應(yīng)處理，并能對(duì)監(jiān)控視頻進(jìn)行調(diào)用回看；另一方面需要采集車站大客流及區(qū)域擁擠預(yù)警、旅客滯留安全防控等車站客流數(shù)據(jù)。目前客運(yùn)樞紐尚無對(duì)應(yīng)的監(jiān)控規(guī)范，各大車站普遍未采用多方位的布設(shè)方案，因而高速鐵路客運(yùn)樞紐的監(jiān)控系統(tǒng)既存在監(jiān)控盲區(qū)，部分區(qū)域又被重復(fù)監(jiān)控，完備性、連續(xù)性、經(jīng)濟(jì)性都較差，不能有效保障客運(yùn)樞紐安全。

在高速鐵路綜合客運(yùn)樞紐中，由人員及其隨身行包及乘坐交通工具形成的流動(dòng)過程和流動(dòng)路線[8]稱為旅客流線，旅客流線本質(zhì)上是旅客購票進(jìn)站候車、乘車出發(fā)或是到達(dá)、離開樞紐的過程。基于旅客流線途徑區(qū)域可將車站分為站前廣場(chǎng)、售票區(qū)、進(jìn)出站口、安檢區(qū)、引導(dǎo)通道、候車區(qū)、服務(wù)區(qū)、檢票區(qū)、站臺(tái)等若干功能區(qū)域，在此基礎(chǔ)上可以將旅客流線途徑區(qū)域的售票窗口、進(jìn)出站口、安檢口、檢票口、自動(dòng)扶梯口統(tǒng)稱為視頻監(jiān)控系統(tǒng)圖像采集的重點(diǎn)區(qū)域，該區(qū)域的客流特點(diǎn)為旅客人數(shù)眾多、旅客走行速度較慢、旅客排隊(duì)依次通過等。針對(duì)重點(diǎn)區(qū)域，應(yīng)加強(qiáng)監(jiān)控部署強(qiáng)度，采集更加清晰的客流圖像信息(臉部、攜帶物品等)，通過人工操作改變焦距獲取所需要的圖像信息，得到重點(diǎn)區(qū)域的實(shí)時(shí)客流數(shù)量、密度、速度等數(shù)據(jù)，為預(yù)測(cè)和判斷客流擁堵和疏散提供支撐。除旅客流線重點(diǎn)區(qū)域以外的其他功能區(qū)域，其客流特征為旅客流量大、走行速度快、基本不存在排隊(duì)情況和旅客流向不集中等。

高速鐵路客運(yùn)樞紐采集點(diǎn)采用的設(shè)備構(gòu)成相似，基本是由防護(hù)罩、前端視頻等采集設(shè)備(云臺(tái)和攝像頭)組合構(gòu)成，常見的視頻采集設(shè)備與布設(shè)方法如表1所示。

表1 常見的視頻采集設(shè)備與布設(shè)方法Tab.1 Common video capture methods and routing methods

2 高速鐵路客運(yùn)樞紐視頻監(jiān)控分級(jí)布設(shè)方案分析

基于高速鐵路客運(yùn)樞紐內(nèi)部客流安全預(yù)警對(duì)信息采集的需求層次不同，提出按采集點(diǎn)設(shè)備分級(jí)布設(shè)思想，將布設(shè)策略分為3個(gè)層次：基于樞紐內(nèi)部建筑輪廓的布設(shè)、基于重點(diǎn)區(qū)域的布設(shè)、基于旅客流線的布設(shè)，每個(gè)層次視頻監(jiān)控布設(shè)方案如下。

2.1 基于樞紐內(nèi)部建筑輪廓的布設(shè)

這個(gè)層次的目標(biāo)是實(shí)現(xiàn)樞紐內(nèi)廣闊視野的覆蓋。監(jiān)控?cái)z像頭可采用槍型廣角攝像頭連續(xù)布設(shè)。視頻監(jiān)控采集點(diǎn)布設(shè)應(yīng)基于車站既有布局結(jié)構(gòu)，以客觀實(shí)際為依托，不能憑空選址確定采集點(diǎn)位置。還應(yīng)考慮到平面式樞紐和立體式樞紐的差異，結(jié)合具體實(shí)際具體分析。

視頻監(jiān)控采集點(diǎn)選址主要考慮云臺(tái)及攝像頭的安放及線路的走線。建筑輪廓是指建筑體外墻面水平投影的輪廓線，主要包括以下部分：一是整個(gè)樞紐的建筑外輪廓；二是獨(dú)立的承重柱；三是樞紐內(nèi)高度在2 m以上的固定設(shè)備設(shè)施。

現(xiàn)代高速鐵路客運(yùn)樞紐多采用立體式布局構(gòu)建，站房采取通透、整體空間的做法已成為趨勢(shì)，站房較高，采集點(diǎn)如果安裝在房頂監(jiān)控效果較差。對(duì)于建筑輪廓，采用沿四周球形攝像頭連續(xù)布設(shè)，布設(shè)間隔12 m，采集點(diǎn)高度取4 m。對(duì)于承重柱，采用球形廣角攝像頭單點(diǎn)布設(shè)。對(duì)于其他固定點(diǎn)，如檢票口高約2.7 m，布設(shè)單個(gè)采集點(diǎn)，視域受自身影響較大，如果在頂上四角都布設(shè)采集點(diǎn)，監(jiān)控覆蓋重復(fù)率又過高，因而可考慮采用前向(旅客檢票進(jìn)入站臺(tái)的方向) 2個(gè)頂角布設(shè)球形廣角攝像頭。

2.2 基于重點(diǎn)區(qū)域的布設(shè)

這個(gè)層次的目標(biāo)是采集實(shí)時(shí)清晰的客流圖像，即旅客清晰的面部圖像及隨身行包，需要加強(qiáng)對(duì)此類區(qū)域的監(jiān)控。監(jiān)控?cái)z像頭可采用：槍型聚焦攝像頭和球形攝像頭集中布設(shè)，以進(jìn)站安檢口為例，可采用“前后2個(gè)攝像頭+一個(gè)半球形攝像頭”的組合。高速鐵路客運(yùn)樞紐重點(diǎn)區(qū)域采集點(diǎn)布設(shè)方案如表2所示。

2.3 基于旅客流線的布設(shè)

這個(gè)層次的目標(biāo)是針對(duì)剩余其他功能區(qū)域的布設(shè)，并將區(qū)域銜接起來，避免出現(xiàn)旅客跨區(qū)域走行的監(jiān)控盲區(qū)。攝像頭布設(shè)強(qiáng)度與第一個(gè)層次近似。監(jiān)控?cái)z像頭可采用：槍型聚焦攝像頭沿旅客流線連續(xù)布設(shè)。找出旅客流線上功能區(qū)域之間銜接的線段，將各個(gè)單一功能區(qū)域銜接起來，采用廣角球形攝像頭連續(xù)布設(shè)，基于旅客流線的采集點(diǎn)布設(shè)方案如表3所示。

3 實(shí)例分析

成都東站是西南地區(qū)第一個(gè)集高速鐵路、城市軌道交通、公交、出租和長(zhǎng)途大巴多種交通方式為一身的高速鐵路客運(yùn)樞紐，共分為5層，地上2層為高架層、地面層；地下3層為出站層、地鐵2號(hào)線和地鐵7號(hào)線。旅客經(jīng)換乘層(地下一層)到達(dá)出站或是換乘，車站西側(cè)進(jìn)站口在地面層，車站東側(cè)、南側(cè)、北側(cè)進(jìn)站口均在高架層。以成都東站換乘層視頻監(jiān)控采集點(diǎn)布設(shè)為例，研究分級(jí)布設(shè)方案及效果。

3.1 既有布設(shè)方案

經(jīng)實(shí)地調(diào)研，不計(jì)成都地鐵內(nèi)部區(qū)域，成都東客站換乘層(地下一層)有效面積為30 261 m2，既有布設(shè)方案共計(jì)安置攝像頭74個(gè)，采集點(diǎn)實(shí)際覆蓋面積25 919 m2，采集點(diǎn)監(jiān)控重復(fù)覆蓋率為50.45%，區(qū)域?qū)嶋H覆蓋率為85.6%。既有布設(shè)采集點(diǎn)位置如圖1所示，既有布設(shè)監(jiān)控覆蓋效果如圖2所示，灰色區(qū)域代表已被覆蓋。由圖2可以看出成都東站既有布設(shè)方案未實(shí)現(xiàn)完全覆蓋。

表2 高速鐵路客運(yùn)樞紐重點(diǎn)區(qū)域采集點(diǎn)布設(shè)方案Tab.2 Camera placement of collection point in focused area

表3 基于旅客流線的采集點(diǎn)布設(shè)方案Tab.3 Camera placement of collection point based on passenger flow

圖1 既有布設(shè)采集點(diǎn)位置Fig.1 Existing locations of camera placement

圖2 既有布設(shè)監(jiān)控覆蓋效果Fig.2 Existing monitoring coverage effect

3.2 改進(jìn)方案

依據(jù)提出的視頻監(jiān)控三級(jí)布設(shè)策略，改進(jìn)布設(shè)方案共計(jì)安置采集點(diǎn)60個(gè)，采集點(diǎn)實(shí)際覆蓋面積27 979.7 m2，采集點(diǎn)監(jiān)控重復(fù)覆蓋率為34.03%，區(qū)域?qū)嶋H覆蓋率為92.46%。改進(jìn)布設(shè)方案采集點(diǎn)位置如圖3所示，改進(jìn)布設(shè)監(jiān)控覆蓋效果如圖4所示，灰色區(qū)域代表已被覆蓋。由圖4可知，改進(jìn)方案實(shí)現(xiàn)覆蓋率大幅提升，并且分布更加均勻。

通過比較改進(jìn)前后2個(gè)方案可知，改進(jìn)后的布設(shè)方案，采集點(diǎn)布設(shè)科學(xué)合理，節(jié)約了建設(shè)成本和運(yùn)維成本，并且監(jiān)控覆蓋的區(qū)域更大、不同攝像頭重復(fù)覆蓋率更低。綜合考慮攝像頭費(fèi)用、監(jiān)控中心存儲(chǔ)設(shè)備、顯示設(shè)備、線纜費(fèi)用及安置人工費(fèi)用，以平均每個(gè)攝像頭按3 000元估算，改進(jìn)后的成本投入約18萬元，相對(duì)既有方案節(jié)省了4.2萬元；覆蓋率達(dá)到了92.46%，相對(duì)既有方案增加了6.8%；攝像頭利用率為65.97%，相對(duì)既有方案提高了16.42%。實(shí)例驗(yàn)證，改進(jìn)布設(shè)方案更加經(jīng)濟(jì)，更加合理。

圖3 改進(jìn)布設(shè)方案采集點(diǎn)位置Fig.3 Improved location of camera placement

圖4 改進(jìn)布設(shè)監(jiān)控覆蓋效果Fig.4 Improved monitoring coverage effect

4 結(jié)束語

高速鐵路客運(yùn)樞紐視頻監(jiān)控采集點(diǎn)分級(jí)布設(shè)方案研究，可以實(shí)現(xiàn)完備、實(shí)時(shí)、連續(xù)的視頻監(jiān)控，保障高速鐵路客運(yùn)樞紐系統(tǒng)安全穩(wěn)定。高速鐵路客運(yùn)樞紐視頻監(jiān)控采集端是整個(gè)高速鐵路客運(yùn)樞紐安全預(yù)警系統(tǒng)的最底層，只有底層高效且完備的信息采集，才能保證整個(gè)高速鐵路客運(yùn)樞紐預(yù)警系統(tǒng)的正常運(yùn)轉(zhuǎn)，為高速鐵路客運(yùn)樞紐的安全提供支撐，最終實(shí)現(xiàn)社會(huì)公共安全保障。另外，還應(yīng)進(jìn)一步展開系統(tǒng)的深入研究，為高速鐵路客運(yùn)樞紐視頻監(jiān)控設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)或規(guī)范提供科學(xué)依據(jù)。