王世軼，祁 勇，潘永劍，李正杰，黃 慧

（1.上海市網(wǎng)絡(luò)技術(shù)綜合應(yīng)用研究所，上海 200233；2.紹興市軌道交通集團(tuán)有限公司運(yùn)營(yíng)分公司，浙江紹興 312000；3.南寧軌道交通集團(tuán)有限責(zé)任公司運(yùn)營(yíng)分公司，廣西 南寧 530029；4.南寧軌道交通集團(tuán)有限責(zé)任公司，廣西 南寧 530029）

如今，地鐵作為大多數(shù)中大型城市的重要交通方式之一，在城市中扮演著基礎(chǔ)設(shè)施的關(guān)鍵角色，為人們的工作生活和社會(huì)生產(chǎn)提供必要的基礎(chǔ)交通服務(wù)。自改革開放以來，隨著國(guó)民經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，不斷地推動(dòng)著城市化的進(jìn)程，隨之而來的是城市人口及規(guī)模的不斷增加，居民日常出行和物流等需求日趨頻繁，給城市地面交通帶來了嚴(yán)峻的考驗(yàn)。因而，在當(dāng)前我國(guó)城市現(xiàn)代化、工業(yè)化的飛速發(fā)展進(jìn)程中，有著不占用地面交通資源、運(yùn)能大、污染少、速度快等特點(diǎn)的地鐵交通方式，正在大中型城市交通建設(shè)中備受青睞，并成為解決城市交通問題的重要選擇。但是與發(fā)達(dá)國(guó)家相比，我國(guó)地鐵建設(shè)發(fā)展起步較晚，建設(shè)還不是非常完善。另外，在國(guó)民經(jīng)濟(jì)“十四五”計(jì)劃發(fā)展綱要中，我國(guó)已明確把“發(fā)展地鐵交通”作為重要組成部分，并作為拉動(dòng)國(guó)民經(jīng)濟(jì)持續(xù)發(fā)展的重大戰(zhàn)略之一。

1 車廂擁擠度智能監(jiān)測(cè)系統(tǒng)概述

1.1 系統(tǒng)建設(shè)的必要性

近年來，我國(guó)軌道交通行業(yè)發(fā)展迅速，安全、便捷的地鐵已成為民眾通勤出行最受歡迎的交通工具之一。在地鐵運(yùn)輸乘客過程中，不可避免地存在車廂人員嚴(yán)重?fù)頂D的現(xiàn)象，易造成乘客準(zhǔn)時(shí)上下車?yán)щy，同時(shí)由于車廂客流量大及擁擠程度高等因素，也容易成為影響地鐵運(yùn)營(yíng)安全的關(guān)鍵問題。另外，在地鐵列車運(yùn)行過程中，車廂中乘客擁擠程度成為影響地鐵運(yùn)營(yíng)安全及乘客舒適的重要因素[1-4]。所以收集和告知乘客車廂人員負(fù)載的分布信息，成為一種提高乘客服務(wù)質(zhì)量、減少安全隱患的重要手段。以乘客服務(wù)為中心，不斷提高乘客的舒適度，也是地鐵運(yùn)營(yíng)精細(xì)化管理的追求。

1.2 系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計(jì)

綜合評(píng)估地鐵運(yùn)營(yíng)社會(huì)、經(jīng)濟(jì)效益及技術(shù)可行性等需求，本著“技術(shù)領(lǐng)先、功能完善”原則，設(shè)計(jì)開發(fā)了車廂擁擠度智能監(jiān)測(cè)系統(tǒng)（以下簡(jiǎn)稱“監(jiān)測(cè)系統(tǒng)”），主要包括安全控制、擁擠度計(jì)算、車廂監(jiān)控視頻提取、數(shù)據(jù)整合、圖像識(shí)別與分析及數(shù)據(jù)存儲(chǔ)服務(wù)等多個(gè)模塊，系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計(jì)如圖1 所示。

圖1 系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計(jì)

監(jiān)測(cè)系統(tǒng)采用人工智能、大數(shù)據(jù)分析等技術(shù)，利用現(xiàn)有的PIS 系統(tǒng)（乘客信息系統(tǒng)）提供的車廂監(jiān)控信息，實(shí)時(shí)分析各線路列車的車廂乘客分布狀態(tài)，計(jì)算出每節(jié)車廂的擁擠度數(shù)據(jù)，再通過PIS 系統(tǒng)和官方APP 進(jìn)行集成，并顯示在官方APP 界面和PIS 導(dǎo)乘屏幕中，相關(guān)站臺(tái)工作人員及候車乘客可實(shí)時(shí)獲取各車廂擁擠度情況，候車乘客可根據(jù)自己的車廂擁擠狀態(tài)期望，按需到擁擠程度較低的屏蔽門處排隊(duì)候車，一方面提升了車站工作人員的疏導(dǎo)工作效率，另一方面對(duì)車站運(yùn)營(yíng)中的工作效率及秩序、乘客安全、服務(wù)質(zhì)量等方面提供了必要的保障。

下面針對(duì)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)關(guān)鍵模塊功能及主要實(shí)現(xiàn)原理進(jìn)行介紹。

1）車廂監(jiān)控視頻提取模塊

該模塊部署在應(yīng)用服務(wù)器上，負(fù)責(zé)提取車廂中的監(jiān)控視頻圖像，并將圖像提交給AI 服務(wù)器進(jìn)行圖像識(shí)別和分析。在處理能力方面，模塊能夠?qū)崿F(xiàn)30輛車同時(shí)上線，按每輛車6節(jié)車廂，每車廂安裝3個(gè)攝像頭計(jì)算，要求每次取一輛列車6節(jié)車廂的所有攝像頭視頻圖像耗時(shí)不超過5 s，車廂監(jiān)控視頻提取模塊如圖2 所示。

圖2 車廂監(jiān)控視頻提取模塊

2）圖像識(shí)別與分析模塊

該模塊是部署在AI 服務(wù)器上的圖像識(shí)別與分析軟件（AI 引擎），是整個(gè)系統(tǒng)中一個(gè)獨(dú)立的模塊，可以為外部模塊提供圖像識(shí)別與分析服務(wù)[5-7]。該模塊可根據(jù)提交者提交的圖像信息，準(zhǔn)確識(shí)別圖像中的人數(shù)并將識(shí)別到的人數(shù)結(jié)果返回給提交者，圖像識(shí)別與分析模塊如圖3 所示。

圖3 圖像識(shí)別與分析模塊

3）手機(jī)終端H5 模塊

該模塊負(fù)責(zé)將擁擠度數(shù)據(jù)展示在手機(jī)APP 終端，通過HTML5 方式展示，并嵌入到軌道交通官方APP 中，負(fù)責(zé)與APP 對(duì)接、功能展示以及數(shù)據(jù)拉取等功能，具體如圖4 所示。當(dāng)用戶進(jìn)入APP 首頁后，點(diǎn)擊“擁擠查詢”按鈕，進(jìn)入最近的地鐵線路，在線路中標(biāo)明各個(gè)站點(diǎn)，以及正在運(yùn)行中的車輛位置[8-9]。點(diǎn)擊其中某個(gè)站點(diǎn)進(jìn)入詳情頁，在詳情頁展示即將到達(dá)該站的列車到站時(shí)間和列車擁擠度。

圖4 手機(jī)終端H5模塊圖

4）云端數(shù)據(jù)接口服務(wù)模塊

該服務(wù)模塊部署在云端的兩臺(tái)云服務(wù)器上，負(fù)責(zé)接收應(yīng)用服務(wù)器發(fā)送過來的擁擠度相關(guān)數(shù)據(jù)，并向APP 終端H5 頁面提供數(shù)據(jù)調(diào)用接口服務(wù)；兩臺(tái)云服務(wù)器采用高可用、互備部署模式。數(shù)據(jù)服務(wù)器采用Socket 方式向兩臺(tái)云服務(wù)器的任意一臺(tái)發(fā)送列車擁擠度數(shù)據(jù)，云服務(wù)器在接收數(shù)據(jù)后，將數(shù)據(jù)保存在數(shù)據(jù)庫中，同時(shí)數(shù)據(jù)會(huì)同步到另一臺(tái)云服務(wù)器中的數(shù)據(jù)庫中，具體如圖5 所示。系統(tǒng)同時(shí)提供擁擠度查詢調(diào)用接口，當(dāng)前端H5 調(diào)用擁擠度接口時(shí)，將線路站點(diǎn)數(shù)據(jù)、列車車廂擁擠度數(shù)據(jù)以JSON 的形式返回給前端[10-11]。

圖5 云端數(shù)據(jù)接口服務(wù)模塊圖

5）數(shù)據(jù)整合服務(wù)模塊

在PIS 網(wǎng)絡(luò)中心機(jī)房部署PIS 中心服務(wù)器，定時(shí)將收到的ATS 數(shù)據(jù)和車輛載重?cái)?shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)給應(yīng)用服務(wù)器。應(yīng)用服務(wù)器上的數(shù)據(jù)整合服務(wù)模塊在接收到這些數(shù)據(jù)后，解析數(shù)據(jù)包，從中提取有用的數(shù)據(jù)，如車輛即將到站站點(diǎn)ID、站臺(tái)ID、到站時(shí)間和離站時(shí)間、車廂重量等數(shù)據(jù)，將這些數(shù)據(jù)寫入數(shù)據(jù)庫中，并將擁擠度數(shù)據(jù)發(fā)送給PIS 中心服務(wù)器，具體如圖6 所示。如車廂中的攝像頭因故障等原因，無法提取攝像頭圖像導(dǎo)致?lián)頂D度計(jì)算失效，則啟用車輛載重信息換算成擁擠度。

圖6 數(shù)據(jù)整合服務(wù)模塊圖

6）擁擠度計(jì)算模塊

部署在應(yīng)用服務(wù)器上的擁擠度計(jì)算模塊，每次將圖片POST 提交給AI 服務(wù)器的圖像識(shí)別與分析模塊并返回識(shí)別該圖像中的人數(shù)，然后根據(jù)擁擠度與識(shí)別的人數(shù)對(duì)應(yīng)關(guān)系分析得出擁擠度結(jié)果。擁擠度結(jié)果如表1 所示。

表1 擁擠度結(jié)果表

2 監(jiān)測(cè)系統(tǒng)實(shí)際應(yīng)用

通過市軌交交通1 號(hào)線為例來說明監(jiān)測(cè)系統(tǒng)在軌道交通中的實(shí)際應(yīng)用情況，并驗(yàn)證監(jiān)測(cè)系統(tǒng)關(guān)于車廂擁擠度問題的實(shí)際效果。

2.1 項(xiàng)目概況

該實(shí)例依托已投入運(yùn)營(yíng)的市軌道交通1 號(hào)線開展。1 號(hào)線為軌道交通骨干線，全長(zhǎng)32.1 km，全線共設(shè)車站25 座、主變電所兩個(gè)、停車場(chǎng)和車輛段各一個(gè)、OCC 為線網(wǎng)共用。1 號(hào)線概算總投資約為200 億元，全線于2016 年12 月開通試運(yùn)營(yíng)，1 號(hào)線車輛采用B 型車，初、近、遠(yuǎn)期均采用6 輛編組，初期配屬車輛為30 列/180 輛。

2.2 網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)設(shè)計(jì)

該系統(tǒng)所包含的主要軟硬件系統(tǒng)部署如圖7 所示，在信號(hào)機(jī)房部署人工智能分析服務(wù)器、公網(wǎng)數(shù)據(jù)服務(wù)器、API 服務(wù)器、數(shù)據(jù)庫服務(wù)器等，以及在互聯(lián)網(wǎng)部署API云端服務(wù)器等設(shè)備；網(wǎng)絡(luò)安全方面，在關(guān)鍵網(wǎng)絡(luò)邊界處部署下一代防火墻，通過配置嚴(yán)格的安全策略來實(shí)現(xiàn)各網(wǎng)絡(luò)間訪問安全；同時(shí)啟用入侵防御、防病毒等功能，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)中異常攻擊行為并進(jìn)行告警與防御，最大程度上保障監(jiān)測(cè)系統(tǒng)安全[12-13]。

圖7 軟硬件系統(tǒng)部署

2.3 技術(shù)特點(diǎn)

監(jiān)測(cè)系統(tǒng)通過現(xiàn)有的PIS 通道，實(shí)時(shí)獲取PIS 車載系統(tǒng)車廂中的攝像頭監(jiān)控視頻，依靠強(qiáng)大的AI 算力，對(duì)獲取的圖像進(jìn)行快速分析處理，并將實(shí)時(shí)擁擠度數(shù)據(jù)推送給站臺(tái)PIS 導(dǎo)乘屏和手機(jī)APP。無論是在PIS 導(dǎo)乘屏上顯示的擁擠度信息，還是在APP 終端顯示的擁擠度信息，對(duì)數(shù)據(jù)信息的準(zhǔn)確、即時(shí)性均有很高的要求。依托ATS 實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)更新策略和AI 強(qiáng)大算力，在列車上一站離站發(fā)車10 s 后開始獲取該列車各車廂攝像頭視頻圖像，經(jīng)過數(shù)據(jù)分析整合，然后到擁擠度數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)顯示在PIS 導(dǎo)乘屏和APP 終端，加上網(wǎng)絡(luò)耗時(shí)，整個(gè)過程可在1 min 內(nèi)完成。而站臺(tái)PIS 導(dǎo)乘屏和手機(jī)APP 終端都采用了即時(shí)更新策略，保證了乘客無論是在站臺(tái)PIS 屏，還是手機(jī)APP 終端，都可以在短時(shí)間內(nèi)獲取到最近到站列車和車廂擁擠度信息，保證了數(shù)據(jù)分析的及時(shí)性和準(zhǔn)確性。監(jiān)測(cè)系統(tǒng)涉及的主要技術(shù)特點(diǎn)如下：

1）強(qiáng)大的AI 算力

系統(tǒng)配備了多臺(tái)AI 服務(wù)器、應(yīng)用服務(wù)器及數(shù)據(jù)服務(wù)器，可同時(shí)處理上百路攝像頭視頻，毫秒級(jí)采集和自動(dòng)分析多種數(shù)據(jù)源，通過AI 算法對(duì)車廂監(jiān)控畫面進(jìn)行實(shí)時(shí)提取、分析處理，對(duì)每節(jié)車廂內(nèi)實(shí)際載客數(shù)量進(jìn)行自動(dòng)計(jì)算，并結(jié)合ATS 數(shù)據(jù)中的車輛位置信息，分析計(jì)算得出每個(gè)即將到站列車的實(shí)時(shí)車廂擁擠情況[14-15]。同時(shí)讀取每節(jié)車廂載重?cái)?shù)據(jù)再次計(jì)算，對(duì)擁擠度數(shù)據(jù)進(jìn)行修正，從而最大程度上保障擁擠度數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確可靠。

2）精準(zhǔn)的圖像識(shí)別能力

市軌道交通1 號(hào)線列車車廂主要采用魚眼球面攝像頭對(duì)車廂內(nèi)部情況進(jìn)行監(jiān)控，攝像機(jī)所拍攝的監(jiān)控畫面和正常攝像頭拍攝的畫面不一樣，畫面中呈現(xiàn)的人體形態(tài)千姿百態(tài)，經(jīng)過大量的樣本圖片分析，最終訓(xùn)練出識(shí)別率高的AI 模型[16]。目前除了正常圖像識(shí)別外，還可以識(shí)別球面攝像頭中的低清晰度、不規(guī)則人體形態(tài)圖像，能對(duì)車廂擁擠程度進(jìn)行準(zhǔn)確判定。

3）多系統(tǒng)整合能力

監(jiān)測(cè)系統(tǒng)與1 號(hào)線PIS 內(nèi)部系統(tǒng)整合，數(shù)據(jù)對(duì)接傳輸均采用以太網(wǎng)接口形式。因僅對(duì)監(jiān)控視頻進(jìn)行抓圖處理，所以對(duì)PIS 系統(tǒng)本身網(wǎng)絡(luò)帶寬影響很小。同時(shí)，監(jiān)測(cè)系統(tǒng)還與市軌道交通APP 深度融合，采用了云端數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和處理，以API 的形式將擁擠度數(shù)據(jù)提供給APP 系統(tǒng)，保證數(shù)據(jù)的安全和可靠性。

另外，通過與信號(hào)ATS 系統(tǒng)數(shù)據(jù)深度融合，根據(jù)ATS 提供的準(zhǔn)確可靠的列車到站和離站時(shí)間，除了在站臺(tái)PIS 屏上和APP 終端顯示擁擠度信息外，還能將ATS 實(shí)時(shí)到站信息推送給手機(jī)APP 終端，乘客在進(jìn)站之前就能通過手機(jī)APP 獲取準(zhǔn)確的列車到站時(shí)間和可靠的擁擠度信息。

2.4 技術(shù)難點(diǎn)

在監(jiān)測(cè)系統(tǒng)上線前進(jìn)行了大量的前期準(zhǔn)備工作，系統(tǒng)將借助車載列車PIS 車載視頻監(jiān)控設(shè)備對(duì)每一節(jié)車廂的實(shí)時(shí)環(huán)境圖像進(jìn)行采集并截取，通過AI算法對(duì)圖像中的人物頭部、身體特征進(jìn)一步分析，以獲得準(zhǔn)確的車廂人數(shù)信息。同時(shí)，為保障擁擠度數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，系統(tǒng)也以PIS 的數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡(luò)作為通道，收集車輛的乘客載重信息（即車內(nèi)乘客的總重量）作為輔助信息，用于修正AI 算法產(chǎn)生的數(shù)據(jù)偏差，以確保擁擠度數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。

在監(jiān)測(cè)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)過程中，主要針對(duì)異形圖像的識(shí)別處理進(jìn)行研發(fā)并形成了突破。地鐵列車車廂內(nèi)部主要采用廣角魚眼攝像頭進(jìn)行監(jiān)控，因此在鏡頭邊緣會(huì)出現(xiàn)視頻圖像異樣的情況，系統(tǒng)需要針對(duì)不同拍攝角度（攝像頭安裝角度差異）、不同視頻圖像清晰度等情況進(jìn)行處理分析，結(jié)合車輛載重?cái)?shù)據(jù)的輔助計(jì)算，最終得出車廂的擁擠程度，如圖8 所示。

圖8 原始照片和車廂人員數(shù)量圖

2.5 實(shí)際應(yīng)用效果

監(jiān)測(cè)系統(tǒng)上線后，市民通過該系統(tǒng)能夠提前了解運(yùn)營(yíng)地鐵線路的乘客擁擠狀態(tài)，適時(shí)調(diào)整出行狀態(tài)，合理安排出行時(shí)間和計(jì)劃，讓人們能夠充分感受軌道交通帶給人們出行的便利性，以便更好地吸引公眾將搭乘地鐵作為首選出行方式，有利于全社會(huì)的低碳出行，節(jié)能減排。展示舉例如表2 所示，應(yīng)用效果如圖9 所示。

圖9 車廂現(xiàn)狀圖與APP擁擠度圖

表2 應(yīng)用效果展示表

同時(shí)，該系統(tǒng)也有助于地鐵運(yùn)營(yíng)單位根據(jù)各列車的擁擠程度科學(xué)合理地調(diào)配資源，合理優(yōu)化列車運(yùn)營(yíng)交路，提高運(yùn)營(yíng)服務(wù)質(zhì)量；同時(shí)進(jìn)一步確保運(yùn)營(yíng)安全。

3 結(jié)論

市軌道交通1 號(hào)線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)自上線以來，經(jīng)過三個(gè)月的試運(yùn)行，并從多個(gè)維度對(duì)應(yīng)用效果進(jìn)行評(píng)價(jià)，發(fā)現(xiàn)乘客上、下車用時(shí)明顯縮短，未出現(xiàn)因車廂擁擠導(dǎo)致乘客進(jìn)出屏蔽門、車門夾人和乘客踩踏等安全事件，大大降低了軌道交通運(yùn)營(yíng)安全風(fēng)險(xiǎn)。另外，乘客利用手機(jī)APP 和車站顯示系統(tǒng)提前預(yù)知即將進(jìn)站列車車廂的擁擠情況，提前規(guī)劃出行路線及出行方式，自主選擇便捷、快速、舒適的軌道交通出行，選擇乘客數(shù)量較少的車廂乘坐，有效提高乘客舒適度及滿意度，提升地鐵乘客服務(wù)質(zhì)量。同時(shí)在提升乘客服務(wù)質(zhì)量、優(yōu)化地面交通、節(jié)能環(huán)保等方面也帶來了積極的影響，進(jìn)一步提高了城市形象及獲得市民的認(rèn)同感，促進(jìn)城市智慧化升級(jí)。