基于圖像采集技術(shù)的地鐵站臺客流引導(dǎo)系統(tǒng)研究

龐夢圓，杜彥君，厲超吉，劉鑫，薛健

(山東科技大學(xué)，山東青島266000)

基于圖像采集技術(shù)的地鐵站臺客流引導(dǎo)系統(tǒng)研究

龐夢圓，杜彥君，厲超吉，劉鑫，薛健

(山東科技大學(xué)，山東青島266000)

地鐵快速發(fā)展帶來的高密度客流沖擊，對地鐵的運(yùn)行效率，乘客出行的快捷性、實(shí)時性、舒適性造成了一定的影響?；谝陨蠁栴}，對客流分布進(jìn)行研究并提出基于圖像采集技術(shù)的地鐵站臺客流引導(dǎo)系統(tǒng)，此系統(tǒng)是基于車廂內(nèi)的攝像頭采集客流信息，通過地鐵運(yùn)營方的數(shù)據(jù)庫與處理中樞對客流信息進(jìn)行分析處理，得出客流引導(dǎo)信息，同時顯示在站臺門上側(cè)的屏幕上，實(shí)時顯示列車客流信息。結(jié)果表明，通過本系統(tǒng)對于客流的引導(dǎo)，可以部分代替引導(dǎo)人員的安排，節(jié)省了大量的人力，使乘客快速舒適出行，可以有效提高地鐵運(yùn)行效率。

地鐵;客流統(tǒng)計;下車率;信息顯示;引導(dǎo)系統(tǒng)

地鐵是在中國經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展、國內(nèi)各大城市的交通擁堵現(xiàn)象亟待解決的形勢下應(yīng)運(yùn)而生的，它解決了部分交通擁堵的現(xiàn)象，將大部分客流移到了地下或高架，增大了城市的可利用空間。目前，在地鐵的運(yùn)營過程中不難發(fā)現(xiàn)，車廂內(nèi)乘客分布不均，造成了車廂內(nèi)空間利用率下降，從而導(dǎo)致運(yùn)行效率降低;站臺內(nèi)專門安置客流引導(dǎo)人員，浪費(fèi)大量人力物力，且引導(dǎo)效率低下。筆者在利用乘客數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)采集乘客信息的基礎(chǔ)上，將信息與預(yù)測下車率進(jìn)行運(yùn)算，得出一個較合理的車廂提示信息，同時利用站臺顯示屏的方式對車廂提示信息實(shí)時顯示，增大乘客的主觀能動性。

1 客流分布特征

通過分析研究相關(guān)資料［1］以及網(wǎng)上調(diào)查問卷的結(jié)果［2］，對于地鐵客流的分布規(guī)律得出了以下結(jié)論:

1)乘客在站臺分布是不均勻的，且候車位置間差異較大;

2)候車乘客的分布受站臺建筑特性的影響較大，站臺入口處形成乘客分布高峰;

3)乘客具有到近距離站臺位置候車的傾向;

4)同一列列車不同車廂內(nèi)的乘客密度有明顯差異，列車兩端車廂內(nèi)乘客密度相對最少，車廂內(nèi)分布不均勻，靠近司機(jī)室的一端乘客密度較小，而另一端密度較大;

5)超過80%的人希望行走的距離在50 m以內(nèi)，有70%左右的人愿意走一定的距離而去寬松的車廂，有接近90%的人希望有對于車廂內(nèi)客流信息的提示來引導(dǎo)乘客更加舒適快捷地出行。

2 系統(tǒng)設(shè)計

2.1 數(shù)據(jù)采集

2.1.1 基本研究方法

目前地鐵車站內(nèi)客流的統(tǒng)計主要通過票務(wù)系統(tǒng)進(jìn)行，尚無法統(tǒng)計運(yùn)行過程中車廂內(nèi)的客流量。因?yàn)榈罔F車廂高度有限制，所以導(dǎo)致視野范圍局限，無法滿足現(xiàn)有視頻客流監(jiān)控系統(tǒng)的安裝要求。通過對運(yùn)動目標(biāo)的檢測和跟蹤算法的研究分析，針對地鐵車廂視野范圍有限、易造成目標(biāo)遮擋等問題。現(xiàn)有的解決方法有以下幾個方面:

采用單目攝像機(jī)垂直采集方式［3］，使得在視野范圍有限的條件下也能有效檢測到乘客目標(biāo)。光流法［4］、對比幀差法和背景差分法等檢測方法，是著重研究基于高斯背景建模的目標(biāo)檢測方法［5］，探討背景模型建立和更新方法，用來減輕光照變化、抖動等外界環(huán)境變化造成的影響。利用Canny算子邊緣檢測［6］提取頭部目標(biāo)輪廓，并利用最小二乘法進(jìn)行橢圓擬合，提取到較為完整的頭部目標(biāo)。由于傳統(tǒng)的簡單閾值法的目標(biāo)分割精確度較低，所以采用最大類間差OTSU法自適應(yīng)調(diào)整閾值分配，以提高前景運(yùn)動目標(biāo)分割的準(zhǔn)確性。

針對大客流的情況，由于遮擋造成目標(biāo)跟蹤準(zhǔn)確度較低，所以研究Camshift跟蹤算法［7］和Kalman濾波狀態(tài)估計相融合的改進(jìn)算法，利用Kalman預(yù)測值作為遮擋目標(biāo)的跟蹤計算最優(yōu)位置和Kalman濾波更新的觀測值，來有效改善遮擋時目標(biāo)跟蹤不準(zhǔn)確的問題。同時，建立四線型乘客目標(biāo)統(tǒng)計模型，通過軌跡分析的方法來統(tǒng)計乘客上下車狀態(tài)。

2.1.2 車廂與站臺攝像頭客流采集方法

1)車廂內(nèi)客流統(tǒng)計。城市軌道交通列車視頻監(jiān)控系統(tǒng)是一套對于列車情況進(jìn)行監(jiān)控的系統(tǒng)，列車視頻監(jiān)控系統(tǒng)包括車內(nèi)監(jiān)控和傳輸、控制中心監(jiān)控兩個部分。將車廂內(nèi)客流數(shù)據(jù)的采集過程直接嵌入到地鐵的安全監(jiān)控系統(tǒng)中，既節(jié)省了大量的設(shè)備成本，又實(shí)時采集了車廂內(nèi)客流信息。

2)站臺內(nèi)客流統(tǒng)計。對于站臺內(nèi)的客流統(tǒng)計，以6節(jié)編組的B型車為例。在站臺內(nèi)每一屏蔽門上設(shè)置1個攝像頭，每4個攝像頭為1編組，通過上述方法采集在屏蔽門前排隊乘客的客流信息。

2.1.3 數(shù)據(jù)采集步驟

1)視頻圖像采集。完整地采集視頻圖像是獲取目標(biāo)圖像信息的前提，本研究將信息采集過程嵌入地鐵原有監(jiān)控系統(tǒng)中，對地鐵車輛內(nèi)上下車客流情況進(jìn)行有效采集，并通過圖像處理硬件系統(tǒng)進(jìn)行處理。

2)運(yùn)動目標(biāo)檢測。獲取到視頻圖像信息后，就可以通過視頻圖像分析來提取運(yùn)動目標(biāo)，檢測出圖像序列中目標(biāo)出現(xiàn)區(qū)域，并對多個區(qū)域進(jìn)行分割，以實(shí)現(xiàn)頭部目標(biāo)的提取。提取到的運(yùn)動目標(biāo)信息為后續(xù)目標(biāo)跟蹤與計數(shù)提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，直接影響到后期圖像處理與分析效果。

3)運(yùn)動目標(biāo)跟蹤。由于人體運(yùn)動存在一定主動性，計算機(jī)難以自主判定其運(yùn)動軌跡，因?yàn)槟繕?biāo)跟蹤可獲得運(yùn)動目標(biāo)在每一幀圖像中存在的位置信息，所以它是有效判定目標(biāo)運(yùn)動方向的方法，可為進(jìn)一步的客流統(tǒng)計提供可靠數(shù)據(jù)。

4)方向判定與計數(shù)。通過運(yùn)動目標(biāo)檢測與跟蹤，可以準(zhǔn)確提取出目標(biāo)運(yùn)動信息，結(jié)合相應(yīng)的計數(shù)策略，可對運(yùn)動軌跡進(jìn)行分析，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)目標(biāo)計數(shù)。

5)統(tǒng)計結(jié)果輸出。統(tǒng)計出的數(shù)據(jù)結(jié)果可通過通信總線、以太網(wǎng)等通信技術(shù)，與司機(jī)室數(shù)據(jù)中心進(jìn)行客流數(shù)據(jù)信息交互，實(shí)現(xiàn)客流狀態(tài)的監(jiān)控。

2.2 數(shù)據(jù)處理

2.2.1 下車率的預(yù)測

1)城市軌道交通下車客流預(yù)測概況。我國軌道交通近些年發(fā)展尤為迅速，但軌道交通系統(tǒng)投資很大，其運(yùn)行成本隨著客流量的增加呈現(xiàn)下降趨勢，在設(shè)備使用率高的條件下，軌道交通系統(tǒng)的平均成本可以做到比公交系統(tǒng)的成本更低［8］，因此，科學(xué)的客流預(yù)測對于發(fā)展城市軌道交通系統(tǒng)的可行性研究，以及軌道交通建設(shè)規(guī)模、軌道交通現(xiàn)網(wǎng)布局規(guī)劃、建設(shè)水平等問題的決策都有著極其重要的作用。

2)下車率預(yù)測方法。本文采用時間序列預(yù)測法中的簡單序時平均數(shù)法進(jìn)行下車率的預(yù)測。時間序列預(yù)測法是一種歷史資料延伸預(yù)測，也稱歷史引伸預(yù)測法，是以時間數(shù)列反映社會經(jīng)濟(jì)現(xiàn)象的發(fā)展過程和規(guī)律性，進(jìn)行引伸外推，預(yù)測其發(fā)展趨勢的方法。簡單序時平均數(shù)法也稱算術(shù)平均法，即把若干歷史時期的統(tǒng)計數(shù)值作為觀察值，求出算術(shù)平均數(shù)作為下期預(yù)測值。

前期統(tǒng)計在n周時間內(nèi)各站點(diǎn)每周j的第i段時間的下車率。下車人數(shù)計算公式為

式中，m為第i段時間內(nèi)經(jīng)過該站的車輛數(shù);Kij為n周時間周j第i段時間的平均下車量;A為n周時間周j第i段時間每輛車的下車量;Bi為第i段時間的下車率;C1，2，3…6為第1，2，3…6節(jié)車廂人數(shù)。

2.2.2 數(shù)據(jù)的處理

1)地鐵車廂具體參數(shù)?，F(xiàn)有國內(nèi)地鐵車輛中主要有A型、B型和C型3種類型，本文研究基于B型車輛參數(shù)(見表1)。

表1 B型車輛載客能力［9］Tab.1 Passenger capacity for vehicle B

2)擁擠度范圍的確定。①根據(jù)人體相關(guān)尺寸資料顯示［10］，女性投影面積小于男性。所以，當(dāng)基本滿足男性乘客的舒適空間范圍時，對于女性乘客也普遍滿足。根據(jù)美國交通運(yùn)輸研究委員會頒布的《公共交通通行能力和服務(wù)質(zhì)量手冊》(第二版)［11］，關(guān)于男性乘客在不同乘車方式下對乘車空間要求的推薦值規(guī)定，當(dāng)乘車空間范圍大于0.35 m2/人，即乘客乘車方式為攜帶嬰兒車或者自行車等大型尺寸的物體時，多數(shù)乘客可在公交車內(nèi)自由移動，感到舒適;當(dāng)乘車空間范圍小于0.25m2/人時，即乘客乘車方式為抱持支柱，乘客幾乎不能在所站立的空間內(nèi)自由移動，感到擁擠。②根據(jù)車廂載客能力得到地鐵車廂定員人數(shù)為6人/m2，超員人數(shù)為9人/m2，結(jié)合兩種影響因素確定最終擁擠度范圍(見表2)，其中a表示站立的人數(shù)/m2。

表2 擁擠度范圍Tab.2 Congestion range

3)擁擠度的預(yù)算。到站乘客下車后車廂所剩人數(shù)

在地里勞動的時候，我腦子里就默誦這些詩文以為樂趣。農(nóng)村的很多活是簡單勞動，完全可以既干活腦子里又想問題的。有一次我在鋤地的時候，腦子里忽然跳出了《古詩十九首》中第一首的四句詩：“胡馬依北風(fēng)，越鳥巢南枝，相去日已遠(yuǎn)，衣帶日已緩?！蔽蚁脒@是說從胡地來的馬，依戀著北方吹來的風(fēng)，從南方越地來的鳥，筑巢也要筑在向南的樹枝上，就是說無論是胡馬還是越鳥，都懷有思鄉(xiāng)的情緒。最后的一個“緩”字，我長期不得其解，這時忽然悟到，“緩”就是“松”，就是“寬”的意思，這樣也就明白了下面兩句是說離別已經(jīng)很久了，衣帶也顯得寬松了，為什么寬松，因?yàn)橄肽钣H人瘦了。

車廂擁擠度

每節(jié)車廂可上車人數(shù)預(yù)計算

式(4)～(7)中，Dt為到站乘客下車后第t節(jié)車廂所剩人數(shù);G為B型列車車廂可用面積;F為每節(jié)車廂擁擠上限(以6人/m2為標(biāo)準(zhǔn)，每節(jié)車廂約240人);H為每節(jié)車廂超員上限(以9人/m2為標(biāo)準(zhǔn)，每節(jié)車廂約360人); Et1為每節(jié)車廂至定員上限可上車人數(shù);Et2為每節(jié)車廂至超員上限可上車人數(shù)。

4)提示信息處理，包括擁擠度的處理、可上車人數(shù)信息處理、系統(tǒng)流程圖(見圖1)。

圖1 系統(tǒng)流程圖Fig.1 System flow chart

擁擠度的處理是對擁擠度范圍以及由實(shí)際數(shù)據(jù)得到的擁擠度進(jìn)行比較:

由于下車率計算是歷史經(jīng)驗(yàn)值，存在不可避免的誤差，所以對可上車人數(shù)進(jìn)行估算處理。

2.3.1 基于PIS的信息顯示屏設(shè)計

1)乘客信息系統(tǒng)(PIS)。乘客信息系統(tǒng)(PIS)是依托多媒體網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，以計算機(jī)系統(tǒng)為核心，通過設(shè)置站廳、站臺、列車的顯示終端，讓乘客及時準(zhǔn)確地了解列車運(yùn)營信息和公共媒體信息的多媒體綜合信息系統(tǒng);也是地鐵系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)以人為本、提高服務(wù)質(zhì)量、加快各種信息公告?zhèn)鬟f的重要設(shè)施;是提高地鐵運(yùn)營管理水平、擴(kuò)大地鐵對乘客服務(wù)范圍的有效工具。

2)站臺PIS信息類型。由于PID屏的尺寸有限，需要結(jié)合不同信息對乘客的效應(yīng)篩選出乘客需要的關(guān)鍵信息，剔除對乘客效應(yīng)較低的信息或者是在其他位置已經(jīng)提供給乘客的重復(fù)信息。結(jié)合本研究內(nèi)容，在顯示屏上主要顯示的信息為:本站站名、行車方向、當(dāng)前時間、列車到站時間、車廂擁擠度、預(yù)測可上車人數(shù)。

2.3.2 PID信息顯示屏的設(shè)計

PID(passengers information displayer，PID)，即乘客信息顯示屏，作為PIS系統(tǒng)中乘客信息發(fā)布的窗口，其發(fā)布內(nèi)容由PIS系統(tǒng)控制，直接向乘客顯示信息。擬采用DLP顯示屏，目前地鐵大都使用DLP顯示屏，其使用壽命遠(yuǎn)大于LCD顯示屏。

如圖2所示，界面的主體位置用于顯示列車乘客擁擠度和預(yù)計可上車人數(shù)，利用列車示意圖的顏色來表示車廂乘客擁擠程度，其中綠色代表擁擠程度為舒適，黃色代表擁擠程度為適中，橙色代表擁擠程度為擁擠，紅色代表擁擠程度為非常擁擠。利用數(shù)字分別表示各車廂可上車的最適人數(shù)(到達(dá)定員上限)和最大人數(shù)(到達(dá)超員上限)。界面右側(cè)顯示列車到站時間信息，下側(cè)顯示文字引導(dǎo)信息，上側(cè)顯示站點(diǎn)信息以及時間。

由于地鐵安全門上方位置大多空閑，且高度可以讓站臺內(nèi)大多乘客看到，所以將顯示屏置于安全門上方。

圖2 屏幕設(shè)計Fig.2 Message display

3 結(jié)語

對于日益擁擠的城市交通，地鐵越來越成為城市交通的骨干，隨之而來的必然是高密度客流對地鐵車站的沖擊，如何有效解決高密度客流對地鐵運(yùn)行效率的影響，使乘客安全快速舒適地出行，必然會成為地鐵課題研究的一個方向。對于現(xiàn)行所存在的問題，本系統(tǒng)在一定程度上解決了以上問題，其優(yōu)點(diǎn)及應(yīng)用前景主要有以下幾點(diǎn):

1)降低運(yùn)營成本支出，節(jié)約運(yùn)行成本。通過本系統(tǒng)對于客流的引導(dǎo)，可以完全代替引導(dǎo)人員的安排，節(jié)省了大量的人力，而且更加科學(xué)、系統(tǒng)地引導(dǎo)客流。通過融入城市軌道視頻監(jiān)控系統(tǒng)來采集客流信息的方法，在不增加其設(shè)備支出的前提下，完成對客流信息的采集與安全監(jiān)控的雙重作用，節(jié)省了大量的設(shè)備支出資金。

2)完整的理論支持。對于整個系統(tǒng)的設(shè)計、建設(shè)、運(yùn)行，都有成熟的理論技術(shù)支持，對于現(xiàn)行的技術(shù)完全可以實(shí)現(xiàn)所預(yù)期目的。

3)充分發(fā)揮了乘客的主觀能動性。對于現(xiàn)行的安排引導(dǎo)人員的方法，乘客會有排斥的心理，其效果并不明顯，而此系統(tǒng)主觀地為乘客舒適快速出行提供了幫助，從乘客本身出發(fā)解決其排斥心理，多數(shù)乘客會服從客流提示信息，引導(dǎo)效果更加明顯。

4)乘客快速舒適出行，有效提高地鐵運(yùn)行效率。通過本系統(tǒng)的客流引導(dǎo)，可以使客流進(jìn)行合理的分布，使高密度的客流在最快的時間內(nèi)疏通。

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SHEN Jingyan.Content and application of passenger flow forecast in Urban Rail Transit［J］.Urban transportof China，

(編輯:郝京紅)

Using Image Acquisition Technology to Develop Passenger Movement Guidance System for Subway Station Platform

PANG Mengyuan，DU Yanjun，LIChaoji，LIU Xin，XUE Jian
(Shandong University of Science and Technology，Qingdao 266000)

Large passenger flows appearw ith the rapid developmentof urban rail transit in recent years，which has exerted some influence on the convenience，com fortand efficiency of traveling.Therefore，a passengermovement guidance system using image acquisition technology is proposed after the passenger distribution is examined.The system collects the flow information through the cameras installed in the car and analyzes the information through the database and the processing center of the subway operator.Then the guidance information will be presented on the screen above the screen door timely.The results show that，the guidance system can partly replace the arrangement of the guidance personnel，save a lotofmanpower，andmake the passengers travel quickly and com fortably.

metro;passenger flow statistics;transfer rate;information presentation;guidance system

U231.4

A

1672- 6073(2017)02- 0037- 05

10.3969/j.issn.1672 6073.2017.02.008

2016- 04 25

2017 01 06

龐夢圓，女，本科，研究方向?yàn)榻煌üこ蹋?24905279@qq.com

山東省自然科學(xué)基金(ZR2016EEB06)