MVB總線的軌道交通車輛乘客計(jì)數(shù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)*

，，

(同濟(jì)大學(xué) 鐵道與城市軌道交通研究院，上海 201804)

引　言

隨著城市人口密度的不斷上升，巨大的客流給城市軌道交通的運(yùn)營(yíng)組織工作帶來(lái)了巨大壓力。如何準(zhǔn)確分析線網(wǎng)客流分布情況，制定合理的線網(wǎng)運(yùn)營(yíng)計(jì)劃，提高各線路運(yùn)營(yíng)匹配性，發(fā)揮系統(tǒng)整體的運(yùn)輸能力和綜合效益，合理地利用有限的軌道交通資源，為乘客提供更舒適的乘坐環(huán)境，已然成為城市軌道交通運(yùn)營(yíng)管理公司的一個(gè)重要課題。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(yíng)計(jì)劃及客流預(yù)測(cè)的參考值，為安全運(yùn)營(yíng)、高效運(yùn)營(yíng)提供重要的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。

目前，城市軌道交通的乘客計(jì)數(shù)主要依賴于自動(dòng)售檢票(AFC)系統(tǒng)。通過(guò)進(jìn)出閘機(jī)的乘客數(shù)量來(lái)進(jìn)行客流統(tǒng)計(jì)。對(duì)于大多數(shù)車站，該數(shù)值可以作為該線路的客流。但對(duì)于換成車站，尤其是大型換乘車站，通過(guò)閘機(jī)的乘客計(jì)數(shù)無(wú)法準(zhǔn)確地計(jì)量各線路的乘客數(shù)量，對(duì)于換乘乘客數(shù)量也無(wú)法進(jìn)行有效統(tǒng)計(jì)。鑒于此，本文設(shè)計(jì)了一種用于車載環(huán)境的城市軌道交通車輛乘客計(jì)數(shù)系統(tǒng)，對(duì)各線路的載客數(shù)量進(jìn)行獨(dú)立統(tǒng)計(jì)，為單線載客數(shù)量統(tǒng)計(jì)提供一種技術(shù)手段。

1　基于MVB的乘客計(jì)數(shù)系統(tǒng)構(gòu)架

以典型6節(jié)編組的城市軌道交通列車為例，城市軌道交通車輛乘客計(jì)數(shù)系統(tǒng)PCS(Passenger Counting System)的結(jié)構(gòu)如圖1所示。在列車的每節(jié)車輛中布置一套乘客計(jì)數(shù)系統(tǒng)節(jié)點(diǎn)，系統(tǒng)節(jié)點(diǎn)通過(guò)車輛總線MVB及列車總線WTB將采集到的載客數(shù)據(jù)上傳至位于列車司機(jī)室的中央控制單元CCU，并在司機(jī)臺(tái)TMS監(jiān)控器上顯示。

圖1　乘客計(jì)數(shù)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

乘客計(jì)數(shù)系統(tǒng)的硬件系統(tǒng)主要由節(jié)點(diǎn)控制器、工業(yè)級(jí)以太網(wǎng)交換機(jī)和乘客計(jì)數(shù)器APC(Automatic Passenger Counting)3個(gè)部分組成?？刂浦鳈C(jī)與乘客計(jì)數(shù)器之間采用以太網(wǎng)通信進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，其中APC作為服務(wù)器，控制主機(jī)作為客戶端。

乘客計(jì)數(shù)系統(tǒng)的軟件系統(tǒng)主要由初始化、數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)記錄、MVB通信及系統(tǒng)診斷等5個(gè)模塊組成，實(shí)現(xiàn)城市軌道交通列車的載客人數(shù)信息采集、記錄與上傳。

2　乘客計(jì)數(shù)系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.1　基于PC/104總線的節(jié)點(diǎn)控制器

節(jié)點(diǎn)控制器主要由CPU板卡、MVB通信板卡及數(shù)字I/O板卡等部分組成。該節(jié)點(diǎn)控制器采用標(biāo)準(zhǔn)PC/104總線板卡進(jìn)行設(shè)計(jì)，具有尺寸小、功耗低、熱量少、擴(kuò)展自由等特點(diǎn)。其堆棧式連接結(jié)構(gòu)能有效減小系統(tǒng)所占空間，可靠的連接使其具有良好的抗震能力，能適應(yīng)城市軌道交通車輛復(fù)雜的設(shè)備安裝環(huán)境及對(duì)車載設(shè)備的沖擊振動(dòng)要求。其結(jié)構(gòu)框圖如圖2(a)所示，物理結(jié)構(gòu)圖如圖2(b)所示。

圖2　節(jié)點(diǎn)控制器結(jié)構(gòu)框圖

① CPU板卡。節(jié)點(diǎn)控制器的核心部件，主要實(shí)現(xiàn)控制MVB板卡通信及控制節(jié)點(diǎn)控制器與乘客計(jì)數(shù)器通信等功能。該節(jié)點(diǎn)CPU板卡采用的是研華公司的PCM-3365 PC/104嵌入式主板，采用Atom E3825，可方便與其他周邊設(shè)備及模塊構(gòu)成完整系統(tǒng)。其尺寸小，能耗低，工作溫度范圍寬，與MVB板卡構(gòu)成節(jié)點(diǎn)控制器的主體部分。

② MVB板卡。MVB板卡主要實(shí)現(xiàn)MVB總線上的過(guò)程數(shù)據(jù)傳輸功能，具備TCN標(biāo)準(zhǔn)(IEC-61375)，所定義的1類及以上設(shè)備的功能[1]。其硬件結(jié)構(gòu)框圖如圖3所示。該板卡使用PC/104總線與CPU板卡進(jìn)行通信，物理接口采用變壓器隔離方式提供電氣中距離(EMD)連接，MVB控制器能提供16個(gè)MVB端口。該MVB板卡與主機(jī)之間采用雙口RAM進(jìn)行數(shù)據(jù)交換[2]，CPU通過(guò)I/O命令或直接內(nèi)存訪問(wèn)來(lái)獲得通信存儲(chǔ)在其內(nèi)存地址空間的位置和容量。

圖3　MVB通信網(wǎng)卡結(jié)構(gòu)框圖

③ 數(shù)字I/O模塊。具有8路20～130 V隔離數(shù)字輸入通道和10路隔離數(shù)字輸出通道，數(shù)字輸入通道對(duì)城市軌道交通車輛上的一些開關(guān)信號(hào)進(jìn)行采集，如車門狀態(tài)信號(hào)，數(shù)字輸出通道主要輸出控制LED指示燈，顯示控制主機(jī)狀態(tài)及故障模式。

此外，節(jié)點(diǎn)控制器中還有電源板卡等其它部件。電源板卡通過(guò)DC-DC變換，將城市軌道交通車輛輔助供電系統(tǒng)的110 V DC轉(zhuǎn)換為±12 V DC，±5 V DC，3.3 V DC，為整個(gè)節(jié)點(diǎn)控制器供電。

2.2　乘客計(jì)數(shù)器APC

乘客計(jì)數(shù)器是乘客計(jì)數(shù)系統(tǒng)的關(guān)鍵部件，主要實(shí)現(xiàn)對(duì)上下車客流人數(shù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)。目前，在公共交通領(lǐng)域和軌道交通領(lǐng)域，較多采用單目或雙目視頻計(jì)數(shù)器作為乘客計(jì)數(shù)器。比之單目視頻計(jì)數(shù)器，雙目視頻計(jì)數(shù)器能更好地適應(yīng)城市軌道交通運(yùn)營(yíng)高峰期擁擠情況和城市軌道交通線路地上和地下部分的光線變化[3-6]。因此，該系統(tǒng)選用雙目視頻計(jì)數(shù)器。

乘客計(jì)數(shù)系統(tǒng)的乘客計(jì)數(shù)器安裝布置圖如圖4所示，采用輔助系統(tǒng)的24 V DC供電，在城市軌道交通車輛的每個(gè)車門內(nèi)側(cè)布置一個(gè)乘客計(jì)數(shù)器，在車門打開時(shí)進(jìn)行計(jì)數(shù)，在車門關(guān)閉時(shí)停止計(jì)數(shù)，對(duì)通過(guò)該車門的乘客進(jìn)行計(jì)數(shù)。

圖4　計(jì)數(shù)器安裝布置圖

2.3　工業(yè)級(jí)以太網(wǎng)交換機(jī)

以太網(wǎng)交換機(jī)主要連接節(jié)點(diǎn)控制器與乘客計(jì)數(shù)器，實(shí)現(xiàn)兩者間的數(shù)據(jù)交互。為滿足城市軌道交通車輛車載環(huán)境要求，該系統(tǒng)選用工業(yè)級(jí)以太網(wǎng)交換機(jī)，采用星型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)連接，如圖5所示。以典型的城市軌道交通A型車為例，選用標(biāo)準(zhǔn)12口 10/100 Mbps交換機(jī)，端口1～10分別與對(duì)應(yīng)車門的乘客計(jì)數(shù)器連接，端口11連接節(jié)點(diǎn)控制器，端口12作為調(diào)試服務(wù)端口。

圖5　節(jié)點(diǎn)星型拓?fù)?/p>

3　乘客計(jì)數(shù)系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

乘客計(jì)數(shù)系統(tǒng)軟件基于Linux平臺(tái),采用C語(yǔ)言開發(fā)，主要由系統(tǒng)初始化、數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)上傳、數(shù)據(jù)記錄以及系統(tǒng)診斷等模塊組成，如圖6所示。

圖6　系統(tǒng)軟件框圖

各模塊實(shí)現(xiàn)的主要功能如下：

① 初始化模塊為系統(tǒng)的工作基礎(chǔ)，主要實(shí)現(xiàn)建立節(jié)點(diǎn)控制器與乘客計(jì)數(shù)器的以太網(wǎng)通信，配置CPU板卡與MVB板卡通信參數(shù)及MVB總線通信參數(shù)，配置乘客計(jì)數(shù)器工作參數(shù)等功能。

② 數(shù)據(jù)采集模塊通過(guò)輪詢的方式，由節(jié)點(diǎn)控制器向乘客計(jì)數(shù)器發(fā)送指令報(bào)文，乘客計(jì)數(shù)器依據(jù)指令返回相應(yīng)的數(shù)據(jù)報(bào)文，實(shí)現(xiàn)對(duì)城市軌道交通列車的客流信息、狀態(tài)信息、故障信息等數(shù)據(jù)進(jìn)行采集。

③ 數(shù)據(jù)上傳模塊主要依據(jù)具體的TCMS指定的通信端口，從TCMS上獲取乘客計(jì)數(shù)裝置所需的運(yùn)行參數(shù)和工作指令，存儲(chǔ)在MVB接收緩沖區(qū)；上傳MVB發(fā)送緩沖區(qū)中，TCMS所需的乘客計(jì)數(shù)裝置采集的計(jì)數(shù)數(shù)據(jù)及系統(tǒng)故障信息等。

④ 數(shù)據(jù)記錄模塊主要對(duì)乘客計(jì)數(shù)系統(tǒng)采集的客流數(shù)據(jù)以時(shí)間軸為順序進(jìn)行記錄，并對(duì)系統(tǒng)的通信故障、運(yùn)行故障相應(yīng)進(jìn)行記錄。

⑤ 系統(tǒng)診斷功能主要監(jiān)控系統(tǒng)各設(shè)備通信及工作狀態(tài)是否正常，當(dāng)出現(xiàn)異常時(shí)將異常數(shù)據(jù)上傳至TCMS并在節(jié)點(diǎn)控制器作相應(yīng)記錄。

圖7為系統(tǒng)初始化流程。系統(tǒng)初始化完成后，對(duì)車門開關(guān)狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)控，當(dāng)車門打開時(shí)采集客流數(shù)據(jù)并實(shí)時(shí)上傳至TCMS，車門關(guān)閉時(shí)停止采集并在站點(diǎn)變化時(shí)記錄上一站點(diǎn)的乘客客流數(shù)據(jù)，軟件主流程如圖8所示。

圖7　系統(tǒng)初始化流程

圖8　系統(tǒng)軟件流程

4　乘客計(jì)數(shù)系統(tǒng)功能與性能驗(yàn)證

在實(shí)驗(yàn)室下搭建了一套測(cè)試裝置，用于模擬單門乘客計(jì)數(shù)，以及MVB網(wǎng)絡(luò)傳輸，其組成及技術(shù)參數(shù)如下：

① 車門模擬：依據(jù)《GB7928-2003-T地鐵車輛通用技術(shù)條件》規(guī)定，寬度為1 300 mm，高度為1 800 mm的城市軌道交通車輛車門框架，用于安裝乘客計(jì)數(shù)器。乘客計(jì)數(shù)器的攝像頭中心基線距離車門約6～7 cm處。

② 客流情況模擬：參考城市軌道交通實(shí)際客流情況，對(duì)單人連續(xù)通過(guò)，雙人并排連續(xù)通過(guò)，三人并排通過(guò)等工況分別進(jìn)行了200人次的測(cè)試，分別模擬平谷時(shí)段和高峰時(shí)段的客流情況。

③ 開關(guān)門信號(hào)模擬：采用自鎖按鈕開關(guān)連接24 V開關(guān)電源，通過(guò)開關(guān)開閉狀態(tài)模擬車門開閉狀態(tài)。

④ MVB通信網(wǎng)絡(luò)模擬：由乘客計(jì)數(shù)系統(tǒng)節(jié)點(diǎn)控制器與兩個(gè)采用DUAGON D113L網(wǎng)卡的節(jié)點(diǎn)構(gòu)成的3節(jié)點(diǎn)MVB功能測(cè)試網(wǎng)絡(luò)，其結(jié)構(gòu)框圖如圖9所示。

圖9　MVB測(cè)試網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)框圖

測(cè)試過(guò)程中，對(duì)乘客常速通過(guò)和快速通過(guò)進(jìn)行了區(qū)分，模擬了乘客沖門現(xiàn)象。計(jì)數(shù)測(cè)試結(jié)果如圖10所示，綜合準(zhǔn)確度達(dá)到87.3%。

對(duì)系統(tǒng)節(jié)點(diǎn)控制器MVB網(wǎng)卡進(jìn)行了1個(gè)源端口5個(gè)宿端口的通信測(cè)試，各端口發(fā)送32字節(jié)報(bào)文。各源宿端口與DUAGON網(wǎng)卡間的數(shù)據(jù)皆正常收發(fā)，MVB通信穩(wěn)定可靠，能和常用MVB通信設(shè)備匹配。

圖10　乘客計(jì)數(shù)系統(tǒng)測(cè)試結(jié)果圖

結(jié)　語(yǔ)

[1] 劉海新,謝維達(dá),徐曉松.MVB網(wǎng)絡(luò)接口單元的應(yīng)用研究[J].工業(yè)控制計(jì)算機(jī),2002(9):13-15.

[2] 劉俊艷,謝維達(dá),朱琴躍.智能化網(wǎng)絡(luò)接口單元的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].機(jī)車電傳動(dòng),2001(2):17-20.

[3] 趙祥模,閔海根,常志國(guó),等.一種基于視頻的公交客流自動(dòng)統(tǒng)計(jì)方法[J].計(jì)算機(jī)工程,2015,41(6):136-142.

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任振旻(碩士研究生)，主要研究方向?yàn)榱熊囃ㄐ啪W(wǎng)絡(luò)及其應(yīng)用；錢存元(副教授)，主要從事列車通信網(wǎng)絡(luò)及列車能耗檢測(cè)等科研教學(xué)工作。