李大偉，王劍飛

(1.寧波市軌道交通集團(tuán)有限公司運(yùn)營(yíng)分公司，浙江寧波 315010)

(2.通號(hào)信息產(chǎn)業(yè)有限公司，北京 100070)

閘機(jī)是鐵路和軌道交通自動(dòng)售檢票系統(tǒng)的關(guān)鍵設(shè)備之一，其利用外部傳感器和內(nèi)部智能識(shí)別系統(tǒng)對(duì)乘客的通行行為進(jìn)行識(shí)別，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)檢票放行[1]。目前閘機(jī)對(duì)乘客的行為識(shí)別技術(shù)主要包括事件識(shí)別、步態(tài)識(shí)別和人體輪廓識(shí)別3種。步態(tài)識(shí)別和人體輪廓識(shí)別根據(jù)攝像頭傳感器獲取對(duì)象信息，數(shù)據(jù)量龐大，運(yùn)算復(fù)雜程度高，實(shí)時(shí)性較差，對(duì)閘機(jī)人體識(shí)別并不適用[2-3]；事件識(shí)別采用多紅外傳感器測(cè)量離散化的人體步態(tài)信號(hào)[4-5]，通過識(shí)別算法對(duì)乘客的通行行為進(jìn)行識(shí)別，控制閘機(jī)動(dòng)作。該識(shí)別技術(shù)數(shù)據(jù)量較小，實(shí)時(shí)性好，成為閘機(jī)人體識(shí)別技術(shù)研究的熱點(diǎn)。

本文利用多對(duì)對(duì)射式高精度紅外傳感器進(jìn)行閘機(jī)檢測(cè)單元的結(jié)構(gòu)布局和功能設(shè)計(jì)，采用事件識(shí)別和區(qū)域識(shí)別相結(jié)合的方法進(jìn)行研究。

1 閘機(jī)通道檢測(cè)要求

根據(jù)中國(guó)國(guó)家鐵路集團(tuán)有限公司的技術(shù)文件要求，適用于鐵路行業(yè)的閘機(jī)需要至少滿足旅客無(wú)票闖閘、無(wú)票旅客尾隨、旅客反向闖閘和攜帶行李的旅客4 種通行狀態(tài)的檢測(cè)識(shí)別[6]。根據(jù)通行狀態(tài)識(shí)別的要求，本文研究的閘機(jī)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了單人正常通行、旅客無(wú)票闖閘、旅客反向闖閘、無(wú)票旅客尾隨和攜帶行李的旅客5 種閘機(jī)常見通行狀態(tài)的檢測(cè)[7-8]。因?yàn)?種通行狀態(tài)是按通行類型不同而做出的定義和區(qū)分，但具體通行狀態(tài)的發(fā)生都是時(shí)間點(diǎn)的函數(shù)，是在具體時(shí)刻發(fā)生的通行事件。因此在后文的研究中，將5種通行狀態(tài)稱作通行事件。

1.1 單人正常通行

當(dāng)單人旅客在閘機(jī)入口區(qū)經(jīng)過一次授權(quán)確認(rèn)時(shí)，閘機(jī)扇門開啟，行人正常通過閘機(jī)門并走出出口區(qū)，閘機(jī)扇門重新關(guān)閉。在此過程中，并沒有其他無(wú)票旅客尾隨和旅客反向闖閘事件發(fā)生。若該旅客帶有行李，也并未發(fā)生閘機(jī)扇門夾住行李的現(xiàn)象。則此事件就是一個(gè)完整的單人正常通行事件。

1.2 旅客無(wú)票闖閘

閘機(jī)扇門關(guān)閉狀態(tài)下，進(jìn)入閘機(jī)方向上沒有合法授權(quán)時(shí)，當(dāng)有旅客企圖通過通道，閘機(jī)系統(tǒng)檢測(cè)識(shí)別到非法闖閘人員，閘機(jī)扇門保持關(guān)閉狀態(tài)，阻止旅客無(wú)票闖閘事件的發(fā)生。

1.3 旅客反向闖閘

旅客反向闖閘就是指旅客從閘機(jī)指定進(jìn)入方向的反方向進(jìn)入閘機(jī)，而引發(fā)的非法闖閘事件，主要分為兩種形式的反向闖閘。方式1：當(dāng)閘機(jī)扇門關(guān)閉時(shí)，旅客從反方向未經(jīng)合法授權(quán)進(jìn)入閘機(jī)通道，且此時(shí)正向（閘機(jī)指定進(jìn)入方向）沒有旅客進(jìn)入；方式2：當(dāng)閘機(jī)扇門關(guān)閉時(shí)，閘機(jī)正向有一次合法授權(quán)，正向通行旅客進(jìn)入閘機(jī)但并未完成通行，此時(shí)反向有人逆向闖入閘機(jī)。

在具體分析旅客反向闖閘事件時(shí)，兩種形式的反向闖閘都需要加以考慮。

1.4 無(wú)票旅客尾隨

無(wú)票旅客尾隨事件是閘機(jī)非法事件中最容易發(fā)生的事件，主要是指前一位授權(quán)者經(jīng)授權(quán)通過后，在閘機(jī)扇門還未關(guān)閉時(shí)，閘機(jī)扇門后面跟隨著的旅客未經(jīng)授權(quán)強(qiáng)行快速通過的情況。這種事件的發(fā)生會(huì)對(duì)閘機(jī)核驗(yàn)功能產(chǎn)生負(fù)面影響，因此設(shè)計(jì)的閘機(jī)通道檢測(cè)需要在保證旅客安全的基礎(chǔ)上能夠?qū)崿F(xiàn)最少尾隨距離小于（包括等于）200 mm 的要求。

1.5 攜帶行李的旅客

根據(jù)中國(guó)鐵路總公司的文件要求，當(dāng)旅客攜帶行李處于通行狀態(tài)時(shí)，閘機(jī)扇門不得關(guān)閉，以保證旅客順利安全通過閘機(jī)。因此，在閘機(jī)檢測(cè)識(shí)別功能設(shè)計(jì)時(shí)，必須充分考慮帶行李旅客的通行事件發(fā)生時(shí)旅客的人身和財(cái)產(chǎn)（隨身攜帶的行李）安全。

2 閘機(jī)紅外傳感器設(shè)計(jì)方案

2.1 閘機(jī)紅外傳感器功能設(shè)計(jì)

閘機(jī)通道的識(shí)別檢測(cè)設(shè)計(jì)就是在保證旅客安全和通行能力的原則和基礎(chǔ)上，滿足閘機(jī)通道檢測(cè)要求的可行方案。設(shè)計(jì)選擇對(duì)射式高精度紅外傳感器來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)旅客和行李的識(shí)別檢測(cè)，傳感器分為安全光幕、測(cè)量光幕和進(jìn)出口光電，安全光幕設(shè)置于閘機(jī)通道底部，測(cè)量光幕設(shè)置于進(jìn)站一側(cè)。閘機(jī)紅外傳感器設(shè)置方案如圖1 所示。

對(duì)射式紅外傳感器共有3 對(duì)光幕和3 對(duì)光管，分別標(biāo)號(hào)1 ～6。1、5 和6 屬于光管紅外傳感器，2、3 和4 屬于光幕傳感器，分別安裝在閘機(jī)通道兩側(cè)。當(dāng)有旅客通過或者當(dāng)旅客行李等攜帶物阻擋了相應(yīng)的傳感器時(shí)，傳感器另一側(cè)就接收不到對(duì)側(cè)發(fā)來(lái)的紅外信號(hào)，根據(jù)傳感器設(shè)計(jì)的算法邏輯判斷不同的通行狀態(tài)和通行事件。

圖1 閘機(jī)紅外傳感器設(shè)置方案Fig.1 Setting scheme of gate infrared sensor

各傳感器的位置設(shè)置和對(duì)光管、光幕傳感器的選擇完全是基于不同的通行狀態(tài)來(lái)設(shè)計(jì)的。其中:傳感器1 主要用來(lái)檢測(cè)是否有未授權(quán)旅客正向闖閘事件發(fā)生并限制旅客站位。如果旅客在授權(quán)前觸發(fā)傳感器1，則可能引發(fā)閘機(jī)聲光報(bào)警，需要旅客退回閘機(jī)外并重新獲得授權(quán)才可通過。傳感器2 是測(cè)量光幕，測(cè)量光幕上沿高1.1 m，主要用于判斷通行者的高度。如果通行物同時(shí)觸發(fā)測(cè)量光幕上下沿，則可以判定為旅客，如果只觸發(fā)了光幕傳感器下沿，則可以判定為行李或者小孩。傳感器3 和4 是安全光幕，用來(lái)檢測(cè)通行情況和檢測(cè)通道內(nèi)是否有人員。如果傳感器被觸發(fā)，則保持閘機(jī)扇門打開，防止夾傷旅客或者夾住旅客行李。傳感器5 和6 是用來(lái)檢測(cè)旅客是否通過通道和是否有旅客反向闖閘事件發(fā)生。

2.2 閘機(jī)紅外傳感器邏輯設(shè)計(jì)

根據(jù)需要滿足的閘機(jī)檢測(cè)功能，對(duì)閘機(jī)紅外檢測(cè)邏輯進(jìn)行設(shè)計(jì)。根據(jù)一次單人正常通行事件的發(fā)生過程，將閘機(jī)紅外檢測(cè)區(qū)域分為3 個(gè)部分，分別是入口區(qū)、安全通行區(qū)和出口區(qū)，各部分包含的傳感器如圖2 所示。

對(duì)射式紅外傳感器的工作原理是當(dāng)一側(cè)的發(fā)射信號(hào)被另一側(cè)接收到時(shí)，傳感器傳入一個(gè)狀態(tài)信號(hào)；當(dāng)被障礙物阻擋未能被另一側(cè)接收時(shí)，傳入另一個(gè)狀態(tài)信號(hào)。設(shè)在t 時(shí)刻第n 個(gè)傳感器的狀態(tài)為：

圖2 閘機(jī)區(qū)域劃分與傳感器布置Fig.2 Area division and sensor arrangement of the gate

t 時(shí)刻閘機(jī)通道傳感器狀態(tài)向量為：

S0，S1，S2代表入口區(qū)、安全通行區(qū)、出口區(qū)的區(qū)域變量，當(dāng)該區(qū)域有傳感器被遮擋時(shí)，區(qū)域變量為1，當(dāng)沒有被遮擋時(shí)，區(qū)域變量為0。則根據(jù)區(qū)域狀態(tài)識(shí)別方法，可以用從000-111 的所有二進(jìn)制數(shù)字表示3 個(gè)分區(qū)內(nèi)的所有通行狀態(tài)。當(dāng)單人正常通行時(shí)，閘機(jī)經(jīng)歷的通行狀態(tài)是：無(wú)人態(tài)→入口態(tài)→安全通行態(tài)→出口態(tài)→無(wú)人態(tài)。由此可以得到所有通行狀態(tài)或通行事件的真值表，如表1 所示。

表1 通行狀態(tài)真值表Tap.1 Truth table of the transit state

2.2.1 單人正常通行紅外邏輯

單人旅客準(zhǔn)備通過閘機(jī)時(shí)，需要經(jīng)過以下幾步。

第一步：閘機(jī)待檢狀態(tài)下，通行人員站在閘機(jī)前0.3 ～0.5 m 的位置，如旅客隨身攜帶行李，應(yīng)放在旅客身后，防止行李提前進(jìn)入閘機(jī)觸發(fā)正向闖閘傳感器。

第二步：用閘機(jī)允許的方式正確取得授權(quán)。

第三步：待提示核驗(yàn)通過時(shí)，通道閘門打開，旅客快速通過閘機(jī)走出通道。

如果單次通行過程中，沒有其他非法事件產(chǎn)生，則這就是單人正常通行事件，也是閘機(jī)系統(tǒng)和紅外邏輯設(shè)計(jì)最終希望得到保證的事件。

2.2.2 旅客無(wú)票闖閘紅外邏輯

旅客無(wú)票闖閘主要就是靠傳感器1 來(lái)檢測(cè)旅客是否在通行前得到合法授權(quán)，如果未得到合法授權(quán)就觸發(fā)傳感器1，則認(rèn)為旅客正在進(jìn)行無(wú)票闖閘事件，如圖3 所示。

圖3 旅客無(wú)票闖閘紅外邏輯示意Fig.3 Infrared logic for passengers entering without tickets

2.2.3 旅客反向闖閘紅外邏輯

當(dāng)反向闖閘形式1 發(fā)生時(shí)，閘門處于關(guān)閉狀態(tài)，且該方向上沒有合法授權(quán)時(shí)，有人企圖通過通道，此時(shí)，非法闖閘者會(huì)觸發(fā)傳感器6，引發(fā)聲光報(bào)警，如圖4 所示。

圖4 旅客反向闖閘形式1紅外邏輯示意Fig.4 Infrared logic for passengers reverse entry form 1

當(dāng)反向闖閘形式2 發(fā)生時(shí)，當(dāng)A 方向上有一次合法授權(quán)，閘門打開但并未完成通行時(shí)，B 方向上有人逆向非法進(jìn)入，如果移動(dòng)門翼尚未開啟，則繼續(xù)保持關(guān)閉狀態(tài)并引發(fā)報(bào)警，直到非法人員退出感應(yīng)區(qū)域；如果門翼已經(jīng)打開，且有一人正在通過門翼（防夾區(qū)域），則以人身安全為優(yōu)先，但保持報(bào)警器并提供報(bào)警信號(hào)；如無(wú)人觸發(fā)到防夾區(qū)域傳感器，則閘門關(guān)閉。如圖5 所示。

圖5 旅客反向闖閘形式2紅外邏輯示意Fig.5 Infrared logic for passengers reverse entry form 2

2.2.4 無(wú)票旅客尾隨紅外邏輯

當(dāng)合法授權(quán)者已經(jīng)通過閘機(jī)扇門后，傳感器1又感應(yīng)到同方向上有另一個(gè)沒有合法授權(quán)的尾隨者。發(fā)生該種尾隨時(shí)，合法者可以正常通過，且設(shè)備會(huì)關(guān)閉扇門阻擋住尾隨者并報(bào)警，如圖6 所示。

圖6 無(wú)票旅客尾隨紅外邏輯示意Fig.5 Infrared logic for ticket-less passengers following entry

另外一種情形是第一個(gè)合法的授權(quán)者尚未通過扇門之前，傳感器 1 檢測(cè)到有非法人員進(jìn)入速通門感應(yīng)區(qū)域。傳感器工作特點(diǎn)是，兩組非連續(xù)的傳感器同時(shí)感應(yīng)到有人員通過。如果扇門已經(jīng)開啟，且合法者正在通過，則合法者正常通過，如果非法者間隔較遠(yuǎn)，閘機(jī)扇門關(guān)門阻擋， 如果非法者間隔太近，以保護(hù)人身安全為前提下，扇門不會(huì)強(qiáng)行關(guān)閉，但是會(huì)通過報(bào)警器并提供報(bào)警信息。如圖7 所示。

圖7 無(wú)票旅客尾隨紅外邏輯示意Fig.7 Infrared logic for ticket-less passengers following entry

2.2.5 攜帶行李的旅客識(shí)別紅外邏輯

當(dāng)旅客攜帶行李通過閘機(jī)通道時(shí)，因行李不超過1.1 m，因此只能觸發(fā)傳感器2 測(cè)量光幕的下沿，根據(jù)紅外光幕觸發(fā)位置的不同，判斷旅客是否攜帶行李，保證閘門不會(huì)關(guān)閉夾住行李，確保安全。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果和結(jié)論

根據(jù)紅外傳感器的功能設(shè)計(jì)方案和邏輯設(shè)計(jì)方案進(jìn)行樣機(jī)設(shè)計(jì)，對(duì)5 種常見的通行事件進(jìn)行人為實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示多紅外傳感器的閘機(jī)的通行方案中紅外邏輯的設(shè)計(jì)滿足鐵路行業(yè)進(jìn)站標(biāo)準(zhǔn)和要求，能很好地適用于鐵路車站驗(yàn)檢票業(yè)務(wù)。