閘機(jī)系統(tǒng)中兒童乘客的通行識(shí)別技術(shù)研究

范子陽 陳立國

【摘要】根據(jù)相關(guān)規(guī)定，一定身高以下的兒童出行可以免費(fèi)搭乘城市公共交通設(shè)施。在自動(dòng)檢票閘機(jī)上利用光電開關(guān)探測(cè)技術(shù)和通行邏輯算法，可以通過識(shí)別乘客身高來區(qū)分成人和兒童，實(shí)現(xiàn)兒童免費(fèi)搭乘地鐵的需求。

【關(guān)鍵詞】閘機(jī);兒童;通行邏輯;識(shí)別身高

Abstract：According to the relevant regulations，the children under the certain height are entitled to take the public mass transit facilities for free.By means of the detection technology of photoelectrical sensors and passage logical algorithm，the children could be free transit the AFC（Automatic Fare Collection）gate with the help of the height detection system to recognition the children and adults.

引言

根據(jù)相關(guān)規(guī)定，身高低于1.2米以下的兒童，可以由成年人家長帶領(lǐng)，免費(fèi)乘坐公共交通設(shè)施。在城市軌道交通中，自動(dòng)檢票閘機(jī)（AFC）作為控制乘客出入地鐵站的主要設(shè)備，應(yīng)當(dāng)具備能夠自動(dòng)識(shí)別成人和兒童的功能。但目前大多數(shù)城市軌道交通系統(tǒng)所使用的自動(dòng)檢票閘機(jī)，還不具備這樣的功能。本文介紹一種以光電傳感器探測(cè)技術(shù)為基礎(chǔ)的通行邏輯算法，通過增加光電開關(guān)傳感器，可以有效的解決對(duì)兒童通行的識(shí)別問題。

1.光電傳感器探測(cè)技術(shù)

光電開關(guān)傳感器由于其性能穩(wěn)定可靠，被廣泛應(yīng)用于運(yùn)動(dòng)物體檢測(cè)等方面。地鐵閘機(jī)也大量使用一種對(duì)射型的光電開關(guān)傳感器，該光電開關(guān)傳感器是由一個(gè)投光器和一個(gè)受光器組成，發(fā)光器發(fā)出的光線直接進(jìn)入受光器。當(dāng)被檢測(cè)物體經(jīng)過投光器和收光器之間而阻斷光線時(shí)，光電開關(guān)就產(chǎn)生了開關(guān)信號(hào)（如圖1所示）。

圖1

使用在閘機(jī)上時(shí)，投光器和受光器分別安裝在通道的兩個(gè)機(jī)箱上，當(dāng)通行乘客遮擋光電開關(guān)后，受光器輸出信號(hào)會(huì)發(fā)生變化，控制系統(tǒng)可以根據(jù)受光器反饋信號(hào)來判斷乘客在閘機(jī)通道內(nèi)的通行狀態(tài)。在用作身高檢測(cè)傳感器時(shí)，需要將這種傳感器固定在設(shè)定高度，通過該傳感器是否被遮擋來判斷通行人或物體是否超過該設(shè)定高度。該檢測(cè)方法準(zhǔn)確率比較高，通行邏輯算法也比較簡(jiǎn)單，但傳感器的安裝位置對(duì)機(jī)箱的設(shè)計(jì)確實(shí)一個(gè)難題。機(jī)箱的設(shè)計(jì)，既要滿足外觀的美觀度，又要考慮乘客通行的舒適度，因此一般的閘機(jī)高度在1.1米左右，當(dāng)標(biāo)準(zhǔn)的通道通行寬度為550毫米時(shí)，這樣的高度很方便正常成人的通行;當(dāng)高度超過這一高度時(shí)，機(jī)箱會(huì)對(duì)大體型乘客或攜帶物品乘客造成通行的不便，影響通行效率;同時(shí)過于高大的箱體也會(huì)顯得機(jī)箱笨重，不美觀，增加制造成本?；谶@個(gè)原因，該類型傳感器的身高探測(cè)技術(shù)目前沒有得到普遍的使用。而采用漫反射型光電開關(guān)感應(yīng)器，則可以無需對(duì)機(jī)箱作特殊的設(shè)計(jì)，就可以實(shí)現(xiàn)對(duì)乘客的身高探測(cè)識(shí)別。

漫反射光電開關(guān)是一種集發(fā)射器和接收器于一體的傳感器，當(dāng)有被檢測(cè)物體經(jīng)過時(shí)，物體將發(fā)射器發(fā)射的足夠量的光線反射到接收器，光電開關(guān)因此輸出開關(guān)信號(hào)（如圖2所示）。

基于這一原理，可以將漫反射光電開關(guān)傳感器安裝在機(jī)箱內(nèi)調(diào)整一定的探測(cè)角度去探測(cè)高于機(jī)箱的高度物體的通行，具體安裝位置如圖3、圖4所示。

使用4個(gè)漫反射光電開關(guān)HS1，HS2，HS3，HS4，分別安裝在通道兩側(cè)的機(jī)箱上，通過傾斜感應(yīng)器探測(cè)光線角度的設(shè)定，來實(shí)現(xiàn)對(duì)物體高度的探測(cè)。

由于漫反射光電開關(guān)的安裝高度低于1.2米，因此需要使用可調(diào)節(jié)式的光電開關(guān)固定支架。在安裝位置固定好支架后，根據(jù)固定的位置來算出感應(yīng)器的向上傾斜角度。通過調(diào)整角度，可以保證通道兩側(cè)的光電開關(guān)的探測(cè)高度為1.2米，低于1.2米的乘客，可視為兒童;高于1.2米的乘客，可視為成人。

圖2

圖3

2.通行邏輯算法

在乘坐地鐵出行時(shí)，兒童需要有成年人陪同才可通過閘機(jī)。在兒童通行時(shí)，分兩種情況，成年乘客刷卡后，兒童在前，成人在后;或成人在前，兒童在后。在通行過程中，感應(yīng)器S1，S2，S3…S14，S15，S16，S17（HS1），S18（HS2），S19（HS3），S20（HS4）的狀態(tài)會(huì)被實(shí)時(shí)被單片機(jī)識(shí)別并保存在寄存器內(nèi)對(duì)應(yīng)的標(biāo)志位。設(shè)t時(shí)刻，Si傳感器的工作狀態(tài)為：

則t時(shí)刻所有傳感器的工作狀態(tài)為：

F（t）=（fi（t）; fi（t）=S（i，t），1≤i≤20;

傳感器狀態(tài)F（t）是一個(gè)向量，該向量的每個(gè)元素分別對(duì)應(yīng)于第1至20號(hào)傳感器的工作狀態(tài)。

圖4

圖5

正常情況邏輯：在正常情況下，當(dāng)兒童在前從通道正中央走過時(shí)，若身高探測(cè)感應(yīng)器未探測(cè)到物體，則認(rèn)為正在通行的為兒童。此時(shí)傳感器的的被遮擋順序是S1，S2，S3…S14，S15，S16.兒童完全通過閘機(jī)后，如果一直沒有檢測(cè)到成人通行，門扇會(huì)保持在打開狀態(tài)，直到通行授權(quán)信號(hào)超時(shí)后才關(guān)閉。此時(shí)，在運(yùn)動(dòng)個(gè)體經(jīng)過通道需要的總時(shí)間T內(nèi)，F(xiàn)0=（fi），其中fi=0，17≤i≤20。

特殊情況邏輯：在實(shí)際情況下，兒童在通道內(nèi)行走路線存在不確定性，在行走過程中可能會(huì)緊貼一側(cè)機(jī)箱，而身高探測(cè)感應(yīng)器安裝高度低于1.2米，不正常的通行就會(huì)遮擋到身高探測(cè)感應(yīng)器。但通過通行邏輯的設(shè)計(jì)，根據(jù)感應(yīng)器的反饋信號(hào)，同樣可以達(dá)到通行乘客身高的識(shí)別（見圖5）。

情況一：兒童在靠近機(jī)箱HS1，HS2側(cè)通行，則此時(shí)身高探測(cè)感應(yīng)器狀態(tài)：HS1，HS2 被遮擋;HS3，HS4無遮擋;通行乘客可判斷為兒童。此時(shí)，在運(yùn)動(dòng)個(gè)體經(jīng)過通道需要的總時(shí)間T內(nèi)，F(xiàn)1=（fi），其中：

情況二：兒童在靠近機(jī)箱HS3，HS4側(cè)通行，則此時(shí)身高探測(cè)感應(yīng)器狀態(tài)：HS1，HS2 無遮擋;HS3，HS4被遮擋;通行乘客可判斷為兒童。此時(shí)，在運(yùn)動(dòng)個(gè)體經(jīng)過通道需要的總時(shí)間T內(nèi)，F(xiàn)2=（fi），其中：

情況三：兒童在機(jī)箱內(nèi)非直線行走，則此時(shí)身高探測(cè)感應(yīng)器狀態(tài)：HS1，HS3 無遮擋;HS2，HS4被遮擋;或HS1，HS3 被遮擋;HS2，HS4無遮擋;通行人員判斷為兒童。此時(shí)，在運(yùn)動(dòng)個(gè)體經(jīng)過通道需要的總時(shí)間T內(nèi)，F(xiàn)3=（fi），其中：

考慮到兒童會(huì)手拿一些小玩具，高度超高1.2米可能造成誤識(shí)別，在此可以通過對(duì)感應(yīng)器的遮擋信號(hào)進(jìn)行誤判的排除，當(dāng)被遮擋10ms以下，可以忽略遮擋信號(hào)。根據(jù)人體測(cè)量學(xué)3-10歲兒童頭部測(cè)量尺寸，兒童的平均頭部尺寸寬度為15cm左右，根據(jù)常識(shí)可以判定在定10ms以內(nèi)的遮擋物體不會(huì)是通行兒童的頭部或軀干。

在實(shí)際應(yīng)用中，通過調(diào)節(jié)參數(shù)可放寬和收緊兒童探測(cè)的條件;假設(shè)該參數(shù)為CDSL，該參數(shù)可設(shè)置4個(gè)級(jí)別，來實(shí)現(xiàn)對(duì)兒童識(shí)別靈敏度的設(shè)置。如下表，在4個(gè)級(jí)別，HSC1包含HS1，HS3;HSC2包含HS2，HS4。通過大量的實(shí)驗(yàn)表明，四種級(jí)別下在相同的通行反饋信號(hào)下將乘客識(shí)別為兒童的概率分別是16%，56%，81%和94%。

3.邏輯算法輸出表（見圖5）

4.結(jié)語

地鐵作為被廣泛應(yīng)用的公共交通系統(tǒng)之一，快速安全的保證乘客順利進(jìn)出站直接關(guān)系到地鐵的運(yùn)行效率。本文重點(diǎn)介紹了兒童乘客的識(shí)別原理及通行邏輯識(shí)別方法，通過對(duì)該方法的試驗(yàn)測(cè)試，表明該方法可以有效的解決兒童乘客被有效識(shí)別和安全通過閘機(jī)的問題。

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