于亞新，于曉杰

（中車青島四方機(jī)車車輛股份有限公司，山東 青島 266109）

1 前言

隨著科技的進(jìn)步，對(duì)地鐵車輛的智能化程度要求越來越高，自動(dòng)乘客計(jì)數(shù)系統(tǒng)是智能車輛的重要組成部分。自動(dòng)乘客計(jì)數(shù)系統(tǒng)能夠?qū)崟r(shí)計(jì)算地鐵車輛在任何時(shí)間、任何地點(diǎn)上車乘客總數(shù)量和下車乘客總數(shù)量，并將此數(shù)據(jù)通過無線網(wǎng)絡(luò)與地面系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)時(shí)通信，自動(dòng)產(chǎn)生列車車輛運(yùn)營管理所需的客流統(tǒng)計(jì)、超載報(bào)警和車輛與運(yùn)營線路管理等各種功能報(bào)表。準(zhǔn)確的乘客計(jì)數(shù)，可以作為城市軌道交通線網(wǎng)日常運(yùn)營計(jì)劃及客流預(yù)測的參考值，為安全運(yùn)營、高效運(yùn)營提供重要的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。

目前，地鐵車輛的幾種常用乘客計(jì)數(shù)技術(shù)分析如下：

（1）被動(dòng)紅外技術(shù)：將人體發(fā)出的紅外能量轉(zhuǎn)化為電信號(hào)，采用合適的熱釋紅外探頭捕捉該信號(hào)，從而進(jìn)行識(shí)別計(jì)數(shù)。該技術(shù)能夠通過包含在傳感器中的兩個(gè)串聯(lián)的電極化方向相反的熱釋電元接收到的熱量的先后順序不同識(shí)別上車和下車。但乘客著裝、環(huán)境溫度和強(qiáng)烈日光照射會(huì)對(duì)計(jì)數(shù)精度造成影響。

（2）門道紅外檢測技術(shù)：將兩對(duì)紅外發(fā)射源和接收源分別裝在車門兩側(cè)，當(dāng)有人經(jīng)過時(shí)，紅外光束被遮擋中斷，根據(jù)光束中斷的順序可以判斷乘客上車或下車，并進(jìn)行計(jì)數(shù)，但由于紅外線被遮擋后無法計(jì)數(shù)，因此，不能解決多人并排經(jīng)過的情況。

（3）視頻檢測技術(shù)：利用安裝在車門內(nèi)側(cè)天花板上的攝像機(jī)對(duì)設(shè)定區(qū)域的視頻進(jìn)行分析，從而檢測人員的進(jìn)出方向、數(shù)量和時(shí)間。該技術(shù)中采用的乘客目標(biāo)分析計(jì)數(shù)算法復(fù)雜，且環(huán)境、天氣、光照影響及人頭遮擋等對(duì)該技術(shù)的計(jì)數(shù)精度影響較大。由于采用視頻拍攝技術(shù)，可能涉及乘客隱私問題。

本文將紅外原理與TOF 測量技術(shù)結(jié)合，快速精確地捕捉人體在檢測區(qū)域（如車門區(qū)域）的三維運(yùn)動(dòng)軌跡，實(shí)現(xiàn)在特定時(shí)間特定地點(diǎn)的上下車乘客數(shù)量的精確統(tǒng)計(jì)。本文所述乘客計(jì)數(shù)系統(tǒng)結(jié)合了紅外線波長短、紅外攝像頭不受環(huán)境亮度影響和TOF 技術(shù)實(shí)時(shí)性好、判斷精確的優(yōu)點(diǎn)，有效提高了乘客技術(shù)系統(tǒng)的技術(shù)精度。

2 人體識(shí)別原理

2.1 TOF 距離檢測原理

本系統(tǒng)采用主動(dòng)式紅外傳感器，在每個(gè)門區(qū)域頂端設(shè)置一個(gè)傳感器，在傳感器的面板上，有2 個(gè)紅外LED 光敏區(qū)域，其中一個(gè)作為發(fā)射器，一個(gè)作為接收器，當(dāng)目標(biāo)進(jìn)入傳感器的檢測范圍時(shí)，發(fā)射器發(fā)出的紅外光線經(jīng)目標(biāo)反射后會(huì)重新被接收器接收，通過記錄光線在空氣中傳輸?shù)臅r(shí)間（TOF，Time of Flight），采用公式（1）可計(jì)算出單點(diǎn)的距離。

式中：s 為傳感器與目標(biāo)物體之間的距離，m；c 為光在空氣中的傳播速度，m/s；t 為光在空氣中的傳播時(shí)間，s。

2.2 人體識(shí)別原理

將紅外傳感器安裝在車門區(qū)域的上方，傳感器在平行于門方向的掃描角度和垂直于門方向的掃描角度分別為α和β，對(duì)于進(jìn)入掃描區(qū)域三維物體，如人體，發(fā)射器發(fā)出的光線在三維物體上各點(diǎn)的反射路徑和傳輸時(shí)間不同，如圖1 所示。

圖1 光線在三維物體不同點(diǎn)處的傳輸路徑示意圖

將發(fā)射器和接收器都設(shè)置成矩陣區(qū)域，如，每一時(shí)刻，傳感器同時(shí)發(fā)射并接收500 個(gè)紅外光線，基于發(fā)射和接收光線的相位差和傳輸時(shí)間差，計(jì)算出一個(gè)體現(xiàn)目標(biāo)物體個(gè)體形狀的三維圖像，將這個(gè)三維圖像與人體三維圖像進(jìn)行對(duì)比，系統(tǒng)自動(dòng)判斷出進(jìn)入檢測區(qū)域的三維物體是不是人體。

3 計(jì)數(shù)原理

根據(jù)上述人體識(shí)別原理，系統(tǒng)首先判斷出進(jìn)入檢測區(qū)域的三維物體是人體，然后，精確記錄人體的行動(dòng)軌跡，形成三維圖像流。在傳感器的檢測區(qū)域內(nèi)，靠近車門的位置設(shè)置一條虛擬的線，作為車內(nèi)和車外的劃分界限，傳感器一直捕捉已確定人體的行走軌跡，結(jié)合內(nèi)部算法，當(dāng)人跨過這條線的時(shí)候，被認(rèn)為是進(jìn)和出車內(nèi)，從而計(jì)算出上車和下車人數(shù)。

4 優(yōu)點(diǎn)

（1）TOF 技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)是實(shí)時(shí)性好、測量快速、判斷精確、不存在延時(shí)等，因此，即使在擁擠的環(huán)境下，也能保證計(jì)數(shù)的精度。

（2）普通攝像頭有最低光照亮度要求，本系統(tǒng)攝像頭采用紅外技術(shù)，可以在完全黑暗的條件下計(jì)數(shù)而不影響精度。

（3）本系統(tǒng)采用的紅外線波長超短，可以快速精確識(shí)別人體，然后精確計(jì)數(shù)。

5 乘客計(jì)數(shù)系統(tǒng)在城軌車輛的典型應(yīng)用

乘客計(jì)數(shù)系統(tǒng)由車載系統(tǒng)和地面系統(tǒng)2 大部分組成。車載系統(tǒng)由乘客計(jì)數(shù)傳感器、交換機(jī)和車載主控單元3 部分組成，每個(gè)門區(qū)域設(shè)置一個(gè)傳感器。地面系統(tǒng)由無線數(shù)據(jù)接收單元和數(shù)據(jù)分析計(jì)算機(jī)組成。智能乘客計(jì)數(shù)系統(tǒng)方案架構(gòu)圖如圖2 所示。

車載主控單元通過交換機(jī)和安裝在每個(gè)車門上的乘客計(jì)數(shù)傳感器通信，獲取每個(gè)門的上下車乘客數(shù)量，并從乘客信息系統(tǒng)（PIS， Passenger Information System）及列車控制及管理系統(tǒng)（TCMS， Train Control and Management System）獲取時(shí)間、地點(diǎn)等信息。車載主控單元將這些信息通過無線網(wǎng)絡(luò)實(shí)時(shí)地發(fā)送給地面系統(tǒng)。地面的車站及運(yùn)維中心將信息進(jìn)行顯示、存儲(chǔ)以及大數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析等工作。

圖2 智能乘客計(jì)數(shù)系統(tǒng)方案架構(gòu)圖

6 結(jié)語

本文將紅外原理結(jié)合TOF 測量技術(shù)，快速精確地捕捉人體在檢測區(qū)域（如車門區(qū)域）的三維運(yùn)動(dòng)軌跡，實(shí)現(xiàn)乘客識(shí)別、乘客跟蹤和乘客計(jì)數(shù)三大功能，有效提高乘客計(jì)數(shù)系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性，減小環(huán)境對(duì)乘客計(jì)數(shù)系統(tǒng)的影響，進(jìn)而提高了計(jì)數(shù)精度。將該技術(shù)應(yīng)用于地鐵車輛，結(jié)合車輛已有的乘客信息系統(tǒng)、列車控制及管理系統(tǒng)、無線網(wǎng)絡(luò)等，可以將乘客流量信息實(shí)時(shí)傳輸給地面運(yùn)維中心，為地鐵車輛的運(yùn)營調(diào)控提供重要依據(jù)。