基于TOF 技術的自動乘客計數(shù)系統(tǒng)設計及應用研究

于亞新，于曉杰

（中車青島四方機車車輛股份有限公司，山東 青島 266109）

1 前言

隨著科技的進步，對地鐵車輛的智能化程度要求越來越高，自動乘客計數(shù)系統(tǒng)是智能車輛的重要組成部分。自動乘客計數(shù)系統(tǒng)能夠實時計算地鐵車輛在任何時間、任何地點上車乘客總數(shù)量和下車乘客總數(shù)量，并將此數(shù)據(jù)通過無線網(wǎng)絡與地面系統(tǒng)進行實時通信，自動產(chǎn)生列車車輛運營管理所需的客流統(tǒng)計、超載報警和車輛與運營線路管理等各種功能報表。準確的乘客計數(shù)，可以作為城市軌道交通線網(wǎng)日常運營計劃及客流預測的參考值，為安全運營、高效運營提供重要的數(shù)據(jù)基礎。

目前，地鐵車輛的幾種常用乘客計數(shù)技術分析如下：

（1）被動紅外技術：將人體發(fā)出的紅外能量轉化為電信號，采用合適的熱釋紅外探頭捕捉該信號，從而進行識別計數(shù)。該技術能夠通過包含在傳感器中的兩個串聯(lián)的電極化方向相反的熱釋電元接收到的熱量的先后順序不同識別上車和下車。但乘客著裝、環(huán)境溫度和強烈日光照射會對計數(shù)精度造成影響。

（2）門道紅外檢測技術：將兩對紅外發(fā)射源和接收源分別裝在車門兩側，當有人經(jīng)過時，紅外光束被遮擋中斷，根據(jù)光束中斷的順序可以判斷乘客上車或下車，并進行計數(shù)，但由于紅外線被遮擋后無法計數(shù)，因此，不能解決多人并排經(jīng)過的情況。

（3）視頻檢測技術：利用安裝在車門內側天花板上的攝像機對設定區(qū)域的視頻進行分析，從而檢測人員的進出方向、數(shù)量和時間。該技術中采用的乘客目標分析計數(shù)算法復雜，且環(huán)境、天氣、光照影響及人頭遮擋等對該技術的計數(shù)精度影響較大。由于采用視頻拍攝技術，可能涉及乘客隱私問題。

本文將紅外原理與TOF 測量技術結合，快速精確地捕捉人體在檢測區(qū)域（如車門區(qū)域）的三維運動軌跡，實現(xiàn)在特定時間特定地點的上下車乘客數(shù)量的精確統(tǒng)計。本文所述乘客計數(shù)系統(tǒng)結合了紅外線波長短、紅外攝像頭不受環(huán)境亮度影響和TOF 技術實時性好、判斷精確的優(yōu)點，有效提高了乘客技術系統(tǒng)的技術精度。

2 人體識別原理

2.1 TOF 距離檢測原理

本系統(tǒng)采用主動式紅外傳感器，在每個門區(qū)域頂端設置一個傳感器，在傳感器的面板上，有2 個紅外LED 光敏區(qū)域，其中一個作為發(fā)射器，一個作為接收器，當目標進入傳感器的檢測范圍時，發(fā)射器發(fā)出的紅外光線經(jīng)目標反射后會重新被接收器接收，通過記錄光線在空氣中傳輸?shù)臅r間（TOF，Time of Flight），采用公式（1）可計算出單點的距離。

式中：s 為傳感器與目標物體之間的距離，m；c 為光在空氣中的傳播速度，m/s；t 為光在空氣中的傳播時間，s。

2.2 人體識別原理

將紅外傳感器安裝在車門區(qū)域的上方，傳感器在平行于門方向的掃描角度和垂直于門方向的掃描角度分別為α和β，對于進入掃描區(qū)域三維物體，如人體，發(fā)射器發(fā)出的光線在三維物體上各點的反射路徑和傳輸時間不同，如圖1 所示。

圖1 光線在三維物體不同點處的傳輸路徑示意圖

將發(fā)射器和接收器都設置成矩陣區(qū)域，如，每一時刻，傳感器同時發(fā)射并接收500 個紅外光線，基于發(fā)射和接收光線的相位差和傳輸時間差，計算出一個體現(xiàn)目標物體個體形狀的三維圖像，將這個三維圖像與人體三維圖像進行對比，系統(tǒng)自動判斷出進入檢測區(qū)域的三維物體是不是人體。

3 計數(shù)原理

根據(jù)上述人體識別原理，系統(tǒng)首先判斷出進入檢測區(qū)域的三維物體是人體，然后，精確記錄人體的行動軌跡，形成三維圖像流。在傳感器的檢測區(qū)域內，靠近車門的位置設置一條虛擬的線，作為車內和車外的劃分界限，傳感器一直捕捉已確定人體的行走軌跡，結合內部算法，當人跨過這條線的時候，被認為是進和出車內，從而計算出上車和下車人數(shù)。

4 優(yōu)點

（1）TOF 技術的優(yōu)點是實時性好、測量快速、判斷精確、不存在延時等，因此，即使在擁擠的環(huán)境下，也能保證計數(shù)的精度。

（2）普通攝像頭有最低光照亮度要求，本系統(tǒng)攝像頭采用紅外技術，可以在完全黑暗的條件下計數(shù)而不影響精度。

（3）本系統(tǒng)采用的紅外線波長超短，可以快速精確識別人體，然后精確計數(shù)。

5 乘客計數(shù)系統(tǒng)在城軌車輛的典型應用

乘客計數(shù)系統(tǒng)由車載系統(tǒng)和地面系統(tǒng)2 大部分組成。車載系統(tǒng)由乘客計數(shù)傳感器、交換機和車載主控單元3 部分組成，每個門區(qū)域設置一個傳感器。地面系統(tǒng)由無線數(shù)據(jù)接收單元和數(shù)據(jù)分析計算機組成。智能乘客計數(shù)系統(tǒng)方案架構圖如圖2 所示。

車載主控單元通過交換機和安裝在每個車門上的乘客計數(shù)傳感器通信，獲取每個門的上下車乘客數(shù)量，并從乘客信息系統(tǒng)（PIS， Passenger Information System）及列車控制及管理系統(tǒng)（TCMS， Train Control and Management System）獲取時間、地點等信息。車載主控單元將這些信息通過無線網(wǎng)絡實時地發(fā)送給地面系統(tǒng)。地面的車站及運維中心將信息進行顯示、存儲以及大數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析等工作。

圖2 智能乘客計數(shù)系統(tǒng)方案架構圖

6 結語

本文將紅外原理結合TOF 測量技術，快速精確地捕捉人體在檢測區(qū)域（如車門區(qū)域）的三維運動軌跡，實現(xiàn)乘客識別、乘客跟蹤和乘客計數(shù)三大功能，有效提高乘客計數(shù)系統(tǒng)的實時性，減小環(huán)境對乘客計數(shù)系統(tǒng)的影響，進而提高了計數(shù)精度。將該技術應用于地鐵車輛，結合車輛已有的乘客信息系統(tǒng)、列車控制及管理系統(tǒng)、無線網(wǎng)絡等，可以將乘客流量信息實時傳輸給地面運維中心，為地鐵車輛的運營調控提供重要依據(jù)。