陳弘

【摘 要】近年來(lái)，乘坐城市軌道交通出行成為人們外出的主要選擇，每天通過(guò)城市軌道交通出行的人員數(shù)量不斷增多。如何高效、便利、舒適地讓乘客到達(dá)目的地，成為地鐵運(yùn)營(yíng)部門(mén)的重要研究課題。文章基于地鐵車載乘客信息系統(tǒng)硬件平臺(tái)，采用人工智能技術(shù)對(duì)地鐵攝像頭視頻信息進(jìn)行處理，獲取車廂內(nèi)的乘客數(shù)量，從而通過(guò)客室LCD動(dòng)態(tài)地圖屏等顯示設(shè)備對(duì)乘客進(jìn)行分流乘坐指引，達(dá)到合理、高效地使用車廂空間的目的，最大限度地提升地鐵車輛的運(yùn)輸量、舒適度和安全性。

【關(guān)鍵詞】乘客信息系統(tǒng);機(jī)器視覺(jué);車廂分流;擁擠指引

【中圖分類號(hào)】TP277 【文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼】A 【文章編號(hào)】1674-0688（2022）03-0055-03

0 引言

目前，城市軌道交通車輛基本已經(jīng)完成平臺(tái)的數(shù)字化改造，采用以太網(wǎng)鏈路進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。本研究的目標(biāo)是基于現(xiàn)有乘客信息系統(tǒng)的平臺(tái)設(shè)備，對(duì)部分軟件和硬件進(jìn)行升級(jí)改造，從而實(shí)現(xiàn)智能化指引乘客乘坐分流的功能。該方法的目的是實(shí)現(xiàn)車廂人員現(xiàn)狀分析，最大限度地提高地鐵車輛運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性、舒適性及安全性。通過(guò)提高單車廂載客率，提升地鐵運(yùn)營(yíng)的經(jīng)濟(jì)性;通過(guò)合理地引導(dǎo)人員分散乘坐，提升個(gè)體占用面積，提升乘客的舒適性;通過(guò)人員均有分布使得車輛承載底盤(pán)均衡負(fù)載，避免個(gè)別車廂底盤(pán)長(zhǎng)期負(fù)載過(guò)重，保證車輛行車安全性。

1 乘客分流方法的簡(jiǎn)介

1.1 乘客信息系統(tǒng)簡(jiǎn)介

本文的方法是基于乘客信息系統(tǒng)硬件平臺(tái)，對(duì)部分軟件和硬件進(jìn)行智能化升級(jí)改造，從而實(shí)現(xiàn)乘客分流指引，故先簡(jiǎn)要地介紹乘客信息系統(tǒng)。乘客信息系統(tǒng)（簡(jiǎn)稱PIS）是地鐵車輛的一個(gè)重要的組成子系統(tǒng)，也是車輛與乘客實(shí)現(xiàn)交互的唯一操作界面，可為乘客和司機(jī)提供安全、可靠、及時(shí)的車輛運(yùn)行信息，也可為地面控制中心提供語(yǔ)音交流等功能。基于列車主干以太網(wǎng)絡(luò)聯(lián)通所有車廂及車廂內(nèi)的設(shè)備，通過(guò)該網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)各設(shè)備、節(jié)點(diǎn)間的數(shù)據(jù)交互，其中包含系統(tǒng)控制數(shù)據(jù)、語(yǔ)音廣播數(shù)據(jù)、娛樂(lè)媒體數(shù)據(jù)、監(jiān)控視頻數(shù)據(jù)等。PIS系統(tǒng)可分為4個(gè)子系統(tǒng)：廣播系統(tǒng)、信息顯示系統(tǒng)、媒體信息系統(tǒng)及監(jiān)控系統(tǒng)。

（1）廣播系統(tǒng)：提供語(yǔ)音信息指引，例如車輛到站時(shí)，廣播提示當(dāng)前站和下一站站名，以及開(kāi)門(mén)側(cè)、換乘及各種公共安全信息等，同時(shí)提供乘客與司機(jī)間的語(yǔ)音對(duì)講功能。

（2）信息顯示系統(tǒng)：提供文字和圖片信息指引，主要通過(guò)安裝在車廂內(nèi)壁的LCD屏和LED屏類設(shè)備提供服務(wù)。

（3）媒體信息系統(tǒng)：為車廂乘客提供娛樂(lè)、公益廣告和安全提示等各類視頻和聲音信息。

（4）監(jiān)控系統(tǒng)：提供車廂內(nèi)全空間的實(shí)時(shí)監(jiān)控，以及歷史視頻的查看。

1.2 分流引導(dǎo)系統(tǒng)的設(shè)備

本方法基于現(xiàn)有PIS系統(tǒng)平臺(tái)進(jìn)行改造：涉及改進(jìn)的設(shè)備有分流引導(dǎo)卡、網(wǎng)絡(luò)硬盤(pán)錄像機(jī)和顯示終端設(shè)備。在司機(jī)室控制主機(jī)內(nèi)加入一塊分流引導(dǎo)卡，其功能為對(duì)車廂內(nèi)智能分析主機(jī)數(shù)據(jù)進(jìn)行匯總，并形成人員分布人力圖數(shù)據(jù)，該數(shù)據(jù)被分發(fā)到各顯示設(shè)備，按規(guī)則顯示車廂擁擠程度和提供乘坐指引;在現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)硬盤(pán)錄像機(jī)設(shè)備內(nèi)載入新的智能分析算法軟件，該設(shè)備不僅具有錄像功能，還具有視頻分析處理功能。通過(guò)網(wǎng)絡(luò)獲取各車廂區(qū)域的實(shí)時(shí)視頻數(shù)據(jù)，通過(guò)人工智能算法進(jìn)行人數(shù)識(shí)別。各顯示終端增加響應(yīng)分流引導(dǎo)卡發(fā)布的人員分布數(shù)據(jù)的邏輯，增加人員分布的顯示圖像。

分流引導(dǎo)系統(tǒng)涉及的設(shè)備如下。

（1）攝像頭。依據(jù)設(shè)計(jì)規(guī)則為固定位置安裝的攝像頭分配固定的IP地址，拍攝角度也需要按設(shè)計(jì)要求進(jìn)行調(diào)整，確保攝像頭畫(huà)面能覆蓋車廂內(nèi)所有空間。

（2）人工智能模塊。此為本研究方法的主要實(shí)現(xiàn)載體，它運(yùn)行在網(wǎng)絡(luò)硬盤(pán)錄像機(jī)內(nèi)。通過(guò)以太網(wǎng)RTSP傳輸協(xié)議從本車廂攝像頭設(shè)備特定的IP地址獲取到高清畫(huà)質(zhì)的視頻數(shù)據(jù)，通過(guò)內(nèi)部的圖像預(yù)處理模塊對(duì)原始畫(huà)面數(shù)據(jù)進(jìn)行區(qū)域標(biāo)定和緊要數(shù)據(jù)的抽取和標(biāo)定。之后依據(jù)畫(huà)面和標(biāo)定信息進(jìn)行算法分析從而確定視頻范圍內(nèi)人數(shù)，得到畫(huà)面的人數(shù)和正確概率估值，并對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行標(biāo)簽化整理，從而得到車廂該攝像頭區(qū)域內(nèi)的人數(shù)。最后依次處理車廂內(nèi)的其他所有攝像頭畫(huà)面數(shù)據(jù)。

（3）司機(jī)室控制主機(jī)和客室人工智能主機(jī)。司機(jī)室控制主機(jī)內(nèi)的分流引導(dǎo)卡定時(shí)從各客室人工智能主機(jī)獲取對(duì)應(yīng)車廂的人員分析數(shù)據(jù)，再進(jìn)行數(shù)據(jù)匯總，形成整車級(jí)別的人員分布熱力圖層，該圖層數(shù)據(jù)會(huì)以廣播報(bào)文的形式發(fā)送到車輛各設(shè)備端。

（4）顯示設(shè)備。顯示設(shè)備依據(jù)自身的功能約定和設(shè)計(jì)對(duì)該數(shù)據(jù)內(nèi)容進(jìn)行響應(yīng)。例如，車內(nèi)動(dòng)態(tài)地圖LCD屏?xí)@示出“各車廂+各區(qū)域”的人員分布狀態(tài)圖，車外側(cè)LED顯示屏也會(huì)顯示各車廂的人員分布狀態(tài)信息，以及擴(kuò)展功能，可以將圖層數(shù)據(jù)通過(guò)車地?zé)o線網(wǎng)絡(luò)傳輸給前方到站車站的相關(guān)顯示設(shè)備，從而提前預(yù)報(bào)指引。

2 乘客分流引導(dǎo)方法的詳細(xì)流程

2.1 分流指引工作步驟簡(jiǎn)介

本研究描述的乘客分流方法工作原理如下：①實(shí)時(shí)視頻數(shù)據(jù)采集，通過(guò)網(wǎng)絡(luò)獲取攝像頭視頻數(shù)據(jù)。②視頻的預(yù)處理，對(duì)單攝像頭畫(huà)面進(jìn)行區(qū)域劃分和標(biāo)定;視頻人數(shù)識(shí)別，對(duì)區(qū)域畫(huà)面進(jìn)行人員數(shù)量分析。③數(shù)據(jù)匯總和發(fā)布，收集各攝像頭區(qū)域人員數(shù)據(jù)情況，形成統(tǒng)一格式化數(shù)據(jù)，并發(fā)布。④指引呈現(xiàn)，依據(jù)格式化數(shù)據(jù)和顯示規(guī)則，通過(guò)圖像的形式呈現(xiàn)人員分布狀態(tài)和給出必要的指引。

2.2 實(shí)時(shí)視頻數(shù)據(jù)采集

人工智能模塊依據(jù)車輛IP分配規(guī)定，通過(guò)RTSP協(xié)議獲取本車廂特定區(qū)域的攝像頭IP獲取視頻畫(huà)面，為確保網(wǎng)絡(luò)資源的利用率和磁盤(pán)空間的使用率，采用H265編碼傳輸監(jiān)控畫(huà)面。在實(shí)際地鐵站間運(yùn)營(yíng)時(shí)，乘客不會(huì)出現(xiàn)大規(guī)模的移動(dòng)和變化，故指引信息也不需要實(shí)時(shí)反映瞬時(shí)車廂狀況，可依據(jù)人工智能模塊的處理器進(jìn)行調(diào)整，在實(shí)際工程中，人工智能模塊的分析頻率達(dá)到每分鐘分析完一個(gè)車廂即可。

2.3 視頻畫(huà)面預(yù)處理

為滿足軌道交通行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，攝像頭畫(huà)面需要覆蓋整車所有內(nèi)部空間，而攝像頭位置和拍攝角度在設(shè)計(jì)時(shí)就已經(jīng)設(shè)置，安裝需要按設(shè)計(jì)圖紙進(jìn)行操作，分布圖如圖1所示。7C31E082-512E-4712-AD3B-503018125B3E

如圖1所示，每個(gè)車廂通常會(huì)安裝4個(gè)全景攝像機(jī)，對(duì)車廂所有區(qū)域進(jìn)行視頻覆蓋[1]。例如，客室全景攝像機(jī)3可以拍攝車廂標(biāo)出的所有區(qū)域（1～9區(qū)）的畫(huà)面，但是對(duì)于后續(xù)的人工智能主機(jī)分析算法而言，僅有相近的幾個(gè)區(qū)域（3～5區(qū)）的畫(huà)面適用算法分析。攝像機(jī)的正下方實(shí)線框區(qū)稱為獨(dú)立區(qū)域，與之相鄰的虛線框稱為重疊區(qū)域，它會(huì)被2個(gè)攝像機(jī)同時(shí)拍攝和處理，而其他區(qū)域因距離太遠(yuǎn)，數(shù)據(jù)特征信息不明顯，因此不適用算法。

預(yù)處理功能就是對(duì)攝像機(jī)的原始畫(huà)面進(jìn)行全景畫(huà)面擴(kuò)展，并依據(jù)前面提及的區(qū)域設(shè)定，對(duì)畫(huà)面進(jìn)行整體分割和區(qū)域標(biāo)定。在處理獨(dú)立區(qū)域和重疊區(qū)域時(shí)，需要進(jìn)行人物輪廓分析，并進(jìn)行動(dòng)態(tài)分割，而非簡(jiǎn)單的直線區(qū)域切割，確保該區(qū)域內(nèi)人物特征只會(huì)出現(xiàn)在某一個(gè)區(qū)域內(nèi)，避免后續(xù)重復(fù)計(jì)數(shù)而影響最終的數(shù)據(jù)精度。

2.4 視頻人數(shù)識(shí)別

預(yù)處理得到獨(dú)立區(qū)域的畫(huà)面拍攝角度為上方俯視，重疊區(qū)域的畫(huà)面拍攝角度為側(cè)方拍攝角度。為提高人數(shù)統(tǒng)計(jì)的準(zhǔn)確率，相較傳統(tǒng)的攝像頭畫(huà)面通過(guò)單一人工智能模型算法進(jìn)行分析[2]，本方法針對(duì)不同的區(qū)域畫(huà)面提供兩種獨(dú)立的處理算法模型對(duì)其進(jìn)行分析，分析獨(dú)立區(qū)域的算法簡(jiǎn)稱算法A，分析重疊區(qū)域的算法簡(jiǎn)稱算法B。

獨(dú)立區(qū)域畫(huà)面人物頭部特別是頭頂特征特別清晰，輪廓特別明顯，多為乘客的頭頂及頭部上半部分，故算法A主要是對(duì)人物的頭頂上半部分進(jìn)行個(gè)體抽取，再對(duì)抽取的個(gè)體進(jìn)行識(shí)別，得到頭部的頭像匹配率。算法模型先對(duì)畫(huà)面進(jìn)行圖像數(shù)據(jù)的銳化和差分處理，使其頭頂中心區(qū)域更加明顯，從而方便識(shí)別人體頭頂，繼而進(jìn)行人數(shù)統(tǒng)計(jì)。

重疊區(qū)域畫(huà)面多為人物的臉部、耳側(cè)、后腦，故算法主要針對(duì)臉、側(cè)臉、耳朵和后腦勺特征進(jìn)行處理。同理，需要對(duì)圖像進(jìn)行銳化和差分處理，使算法對(duì)個(gè)體進(jìn)行抽離，而后依據(jù)算法識(shí)別畫(huà)面是否符合人體特征，并對(duì)其進(jìn)行標(biāo)定統(tǒng)計(jì)。

同一區(qū)域不同攝像機(jī)采集的畫(huà)面也存在差異，例如攝像機(jī)3需要處理3～5區(qū)的畫(huà)面，而攝像機(jī)2需要處理5～7區(qū)的畫(huà)面，其中5區(qū)的畫(huà)面為2個(gè)攝像機(jī)共有部分且均需要被人工智能模塊分析，因角度、光線等原因，同一區(qū)域進(jìn)行分析后存在部分差異，這些均需要在后續(xù)統(tǒng)計(jì)工作中進(jìn)行權(quán)衡，從而避免造成部分誤差。

之所以使用兩種算法進(jìn)行分析，主要是因?yàn)椴煌嵌犬?huà)面上呈現(xiàn)的人物主體特征存在較大的區(qū)別，用同一識(shí)別算法會(huì)造成精度嚴(yán)重失實(shí)。攝像機(jī)近端以分析頭頂為主，遠(yuǎn)端以分析臉、耳和后腦為主。此外，因?yàn)樵O(shè)備對(duì)處理結(jié)果的實(shí)時(shí)性要求不高，可以為處理器提供充足的時(shí)間通過(guò)多種方式進(jìn)行分析[3]。不管使用何種算法，都會(huì)輸出一系列規(guī)定好的格式數(shù)據(jù)供后續(xù)數(shù)據(jù)融合使用，數(shù)據(jù)內(nèi)容包含時(shí)間、所在位置信息、識(shí)別概率、識(shí)別依據(jù)（眼、耳、后腦、頭頂?shù)龋┑戎匾畔ⅰ?/p>

2.5 數(shù)據(jù)匯總和發(fā)布

數(shù)據(jù)匯總分為3級(jí)：?jiǎn)螖z像頭數(shù)據(jù)匯總、車廂數(shù)據(jù)匯總及整車數(shù)據(jù)匯總。？譹？訛單攝像頭數(shù)據(jù)匯總：人工智能模塊會(huì)對(duì)區(qū)域畫(huà)面內(nèi)的人物識(shí)別數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，依據(jù)數(shù)據(jù)的特質(zhì)信息進(jìn)行加權(quán)累加，從而形成攝像頭畫(huà)面區(qū)域級(jí)別的人數(shù)信息。？譺？訛車廂數(shù)據(jù)匯總：依據(jù)得到的各攝像頭區(qū)域數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，從而得到車廂內(nèi)各區(qū)域的人員分布數(shù)據(jù)。其中，獨(dú)立區(qū)域直接采用分析結(jié)果即可，而重疊區(qū)域會(huì)出現(xiàn)在2個(gè)攝像頭分析結(jié)果中，需要依據(jù)分析結(jié)果中的概率進(jìn)行權(quán)重統(tǒng)計(jì)得到該區(qū)域最終人數(shù)。？譻？訛整車數(shù)據(jù)匯總：司機(jī)室控制主機(jī)內(nèi)的分流引導(dǎo)卡從各車廂人工智能模塊獲取車廂區(qū)域數(shù)據(jù)，依據(jù)數(shù)據(jù)的位置和概率人數(shù)等信息繪制整車人員分布動(dòng)態(tài)圖層數(shù)據(jù)，該圖層數(shù)據(jù)會(huì)體現(xiàn)列車各區(qū)域的人員分布的最終統(tǒng)計(jì)情況。

數(shù)據(jù)發(fā)布在項(xiàng)目實(shí)施應(yīng)用中只涉及車輛設(shè)備的發(fā)布，未涉及車站聯(lián)動(dòng)指引功能。？譹？訛車輛內(nèi)發(fā)布：整車人員分布數(shù)據(jù)通過(guò)以太網(wǎng)廣播的方式定時(shí)發(fā)送到網(wǎng)絡(luò)中的各級(jí)設(shè)備。？譺？訛車輛外發(fā)布：整車人員分布數(shù)據(jù)通過(guò)車地?zé)o線系統(tǒng)，發(fā)送到線路控制中心和車站控制中心，車站控制中心將人員分布數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)至對(duì)應(yīng)的車站顯示終端或者其他指引功能設(shè)備。

2.6 擁擠程度級(jí)別

整車人員分布圖層形成匯總數(shù)據(jù)后，為了使顯示終端能確定顯示樣式，需要定義區(qū)域人員擁擠程度的級(jí)別。同時(shí)，為了使乘客能清晰、容易地識(shí)別車廂的擁擠情況，需要確定列車車內(nèi)人員分布級(jí)別。級(jí)別的定義及指示顏色的選取也需要考慮普遍人員的日常生活習(xí)慣，以免造成乘客不容易理解和困擾，例如紅色表示嚴(yán)重?fù)頂D、綠色表示寬敞。級(jí)別級(jí)數(shù)的定義也不能過(guò)于簡(jiǎn)單，否則會(huì)造成系統(tǒng)不能有效地體現(xiàn)分布的狀態(tài)，但也不能太復(fù)雜，造成乘客不理解系統(tǒng)的指引。在實(shí)際工程應(yīng)用中通常分為6級(jí)，基本采用每平方米站立的人數(shù)進(jìn)行劃分，比如≤1人/m2用綠色表示非?？諘?>9人/m2用深紅色表示特別擁擠。

2.7 分流指引呈現(xiàn)

分流指引可分為語(yǔ)音指引和圖像指引，在實(shí)施工程項(xiàng)目中，以通過(guò)圖像指引為主。車輛指引通過(guò)車輛內(nèi)各顯示設(shè)備進(jìn)行呈現(xiàn)，如動(dòng)態(tài)地圖LCD屏、客室LCD屏和車外門(mén)側(cè)LED顯示屏通過(guò)視覺(jué)信息對(duì)乘客進(jìn)行指引。車站指引通過(guò)屏蔽門(mén)上方倒流引導(dǎo)屏或者其他顯示設(shè)備進(jìn)行呈現(xiàn)。語(yǔ)音指引通過(guò)廣播提示各車廂人員擁擠情況，可自動(dòng)觸發(fā)，也可軟件設(shè)定自動(dòng)播放。具體顯示的畫(huà)面和語(yǔ)音效果需根據(jù)具體工程項(xiàng)目與業(yè)主方進(jìn)行確認(rèn)。

3 結(jié)束語(yǔ)

本研究提及的方法主要優(yōu)點(diǎn)是在最小的成本追加下，對(duì)列車乘客信息系統(tǒng)進(jìn)行功能升級(jí)，實(shí)現(xiàn)列車乘客的搭乘空間分流指引功能，提升列車的運(yùn)營(yíng)能力和乘客的搭乘體驗(yàn)。該方法處理數(shù)據(jù)的結(jié)果既可以用于車廂內(nèi)設(shè)備進(jìn)行人員分布展示，也可以擴(kuò)展到車站顯示終端，在列車到站前進(jìn)行車站乘車引導(dǎo)，還能為列車空調(diào)系統(tǒng)的功率輸出提供指引，實(shí)現(xiàn)節(jié)能減排，提高列車經(jīng)濟(jì)性。

參 考 文 獻(xiàn)

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