基于多源監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)融合的城市軌道交通客流監(jiān)測(cè)系統(tǒng)研究

郁琦暉，楊海紅，李傲松

1.上海申通地鐵集團(tuán)有限公司 2.上海工程技術(shù)大學(xué)

0 引 言

隨著城市軌道交通的不斷建設(shè)發(fā)展，城市居民的出行對(duì)其依賴性也越來(lái)越高，線網(wǎng)客流量日益增長(zhǎng)，而車站容客量有限，于是二者的矛盾愈加尖銳，給車站的運(yùn)營(yíng)埋下了安全隱患，同時(shí)因客流擁擠造成的事故風(fēng)險(xiǎn)也大大增加。目前，運(yùn)營(yíng)單位也各自采取了視頻監(jiān)控、移動(dòng)數(shù)據(jù)終端監(jiān)測(cè)、紅外線或激光檢測(cè)等技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)大客流安全狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)測(cè)，并建立相應(yīng)的動(dòng)態(tài)指標(biāo)體系和判斷標(biāo)準(zhǔn)實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)客流風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警。

金照[1]分析了視頻檢測(cè)技術(shù)的數(shù)據(jù)流向，通過(guò)前端對(duì)視頻信息進(jìn)行分析處理得到相應(yīng)出入口、通道以及各區(qū)域客流量數(shù)據(jù)以及客流分布數(shù)據(jù)；麻天驕[2]分析目前客流檢測(cè)技術(shù)所面臨的難點(diǎn)，即在軌道交通車站內(nèi)部由于現(xiàn)場(chǎng)情況的影響以及圖像數(shù)據(jù)量大等現(xiàn)狀提出多源監(jiān)測(cè)客流的解決方案；陳菁菁[3]詳細(xì)分析了用以獲取客流信息的熱敏傳感技術(shù)的優(yōu)劣。但其對(duì)安裝環(huán)境要求相對(duì)較高，同時(shí)也受制于客流的復(fù)雜情況，故在車站內(nèi)廣泛安裝推廣還難以實(shí)現(xiàn)；于此同時(shí)，此項(xiàng)技術(shù)安裝成本較高，不適用于大面積推廣使用。綜上，合理利用監(jiān)測(cè)方法，使其達(dá)到準(zhǔn)確的設(shè)計(jì)要求和使用目的。

1 客流采集終端技術(shù)與設(shè)備

從各類技術(shù)的特征出發(fā)，對(duì)其原理、技術(shù)特點(diǎn)、適用性等方面進(jìn)行單獨(dú)的分析，并給出不同技術(shù)實(shí)際應(yīng)用的前景，作為各地鐵車站選用不同客流監(jiān)測(cè)技術(shù)的基礎(chǔ)，便于車站及時(shí)、客觀地對(duì)站內(nèi)的客流狀況進(jìn)行評(píng)估，以保證站內(nèi)的客流安全與服務(wù)水平，各監(jiān)測(cè)技術(shù)對(duì)比如表1。

表1 各監(jiān)測(cè)技術(shù)對(duì)比

依照不同功能客流監(jiān)測(cè)終端設(shè)備可分為存量式計(jì)數(shù)設(shè)備和通量式計(jì)數(shù)設(shè)備2種[4]。諸如基于視頻分析客流計(jì)數(shù)的攝像頭這樣的存量式設(shè)備是指大范圍覆蓋統(tǒng)計(jì)區(qū)域的設(shè)備，該類型設(shè)備雖成本低但精度較差，并且不存在誤差由于通量的增加而累積的現(xiàn)象[5]。諸如紅外客流計(jì)數(shù)器這樣的通量式設(shè)備是指設(shè)置于各區(qū)域連接通道處用以統(tǒng)計(jì)客流在區(qū)域間的流向、流量的設(shè)備，該類型設(shè)備雖成本高但精度好，但會(huì)存在存量式設(shè)備沒(méi)有的誤差累積現(xiàn)象。

除此之外，各檢測(cè)技術(shù)還有著各自不同的局限性，如手機(jī)信令數(shù)據(jù)的監(jiān)測(cè)需要三大運(yùn)營(yíng)商公開(kāi)手機(jī)用戶移動(dòng)電話的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)信息，而這牽扯到用戶的隱私以及某些商業(yè)機(jī)密，因此很難實(shí)現(xiàn)；再比如，視頻識(shí)別技術(shù)的監(jiān)控范圍有限，要進(jìn)行大范圍客流監(jiān)測(cè)，要求大量攝像機(jī)覆蓋所有目標(biāo)區(qū)域，而既有的監(jiān)控設(shè)備很難做到這點(diǎn)。另外受攝像機(jī)設(shè)備能力的影響，從近到遠(yuǎn)，客流監(jiān)測(cè)精度逐漸降低不可避免，甚至無(wú)法識(shí)別。

綜上所述，各監(jiān)測(cè)技術(shù)的實(shí)際應(yīng)用會(huì)受到多方面影響，諸如數(shù)據(jù)精度低、受環(huán)境干擾較大、設(shè)備安裝成本高等等，如何將不同的通量式、存量式監(jiān)測(cè)技術(shù)有機(jī)結(jié)合起來(lái)，互相彌補(bǔ)各自的不足，以最低的成本、最小的工作量得到最精確、最詳細(xì)的客流數(shù)據(jù)，即為本文的研究重點(diǎn)。

本文所設(shè)計(jì)的多技術(shù)融合客流監(jiān)測(cè)系統(tǒng)所采用的客流監(jiān)測(cè)技術(shù)主要包括視頻識(shí)別技術(shù)、WiFi嗅探技術(shù)、紅外傳感監(jiān)測(cè)技術(shù)，并利用AFC數(shù)據(jù)作為輔助校正，以此實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確的客流監(jiān)測(cè)。

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

2.1 客流監(jiān)測(cè)方案設(shè)計(jì)

在地鐵車站內(nèi)，乘客的流動(dòng)過(guò)程和流動(dòng)路線簡(jiǎn)稱為乘客“流線”[6]。樓扶梯、進(jìn)出站閘機(jī)、安檢這幾處為客流必經(jīng)之地，且樓扶梯處多為安全事故高發(fā)區(qū)，因此對(duì)這幾個(gè)關(guān)鍵位置應(yīng)區(qū)別對(duì)待，分別選用合適的監(jiān)測(cè)技術(shù)，對(duì)其通量客流進(jìn)行重點(diǎn)監(jiān)測(cè)，便可較為準(zhǔn)確的得到車站客流的分布情況。

以上述關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)為界，可把車站劃分為三個(gè)區(qū)域：非付費(fèi)區(qū)、付費(fèi)區(qū)和站臺(tái)區(qū)域[7]。在區(qū)域銜接的關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)處，分析該節(jié)點(diǎn)客流特征，結(jié)合該節(jié)點(diǎn)運(yùn)營(yíng)設(shè)備特點(diǎn)，采用適合的客流監(jiān)測(cè)技術(shù)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。

車站內(nèi)局部區(qū)域客流擁堵多為兩個(gè)原因，一是由設(shè)施設(shè)備能力不足導(dǎo)致，二是由于車站承載能力不足。設(shè)施設(shè)備能力包括為閘機(jī)、安檢門以及樓扶梯三處。

進(jìn)出站閘機(jī)作為付費(fèi)區(qū)與非付費(fèi)區(qū)的分界點(diǎn)是決定乘客進(jìn)出站效率的關(guān)鍵，由于閘機(jī)通行能力不足從而導(dǎo)致閘機(jī)前排隊(duì)較長(zhǎng)，這會(huì)使得付費(fèi)區(qū)或非付費(fèi)區(qū)發(fā)生不同程度的擁堵，可選定排隊(duì)長(zhǎng)度作為其預(yù)警指標(biāo)。閘機(jī)處，采用AFC數(shù)據(jù)。閘機(jī)本身具備計(jì)數(shù)功能，因此可利用閘機(jī)內(nèi)部所記錄的客流數(shù)據(jù)，將其傳輸?shù)较到y(tǒng)數(shù)據(jù)處理平臺(tái)。

安檢處一般有車站安檢人員現(xiàn)場(chǎng)負(fù)責(zé)，服務(wù)能力比較穩(wěn)定，若一定時(shí)間內(nèi)通過(guò)人數(shù)較多，說(shuō)明有較多乘客有乘車需求，可選取1min通過(guò)人數(shù)作為其檢測(cè)指標(biāo)。安檢處采用主動(dòng)紅外傳感技術(shù)。進(jìn)站乘客均須通過(guò)安檢門，但極少有乘客在此處停留，因此，這里最適合安裝通量式技術(shù)設(shè)備，又因?yàn)榘矙z處為車站付費(fèi)區(qū)與非付費(fèi)區(qū)的銜接節(jié)點(diǎn)，環(huán)境較為復(fù)雜，客流較為紊亂，但主動(dòng)紅外監(jiān)測(cè)技術(shù)充分利用自身光源，能最大程度上排除溫度、光線、環(huán)境等外部條件對(duì)檢測(cè)效果的影響，最適合用于安檢門處的客流監(jiān)測(cè)。

樓扶梯指的是用以連接站臺(tái)層和站廳層的樓扶梯，由上行樓扶梯、下行樓扶梯組成，其通行能力決定了站臺(tái)上客流的疏散效率。如果其通行能力因故受限，導(dǎo)致通行客流流速過(guò)慢，就會(huì)加重站臺(tái)層或站廳層客流擁堵。樓扶梯處同樣極少有乘客停留，適合采用通量式技術(shù)設(shè)備監(jiān)測(cè)客流，但考慮到樓扶梯處為安全事故高發(fā)區(qū)域，僅僅進(jìn)行客流計(jì)數(shù)不足以為客流預(yù)警提供足夠的依據(jù)，因此樓扶梯處采用視頻識(shí)別技術(shù)，并選定客流流速作為預(yù)警指標(biāo)，在樓梯處上方垂直安裝攝像裝置，能夠最高效地識(shí)別到樓扶梯上的乘客，進(jìn)而分析得到相關(guān)客流指標(biāo)。此外，通過(guò)攝像設(shè)備的監(jiān)控功能，還可高效關(guān)注樓扶梯處的客流實(shí)況，以便及時(shí)發(fā)現(xiàn)此處的突發(fā)狀況。

車站承載能力不足主要包括站臺(tái)等區(qū)域。站臺(tái)區(qū)域采用WiFi嗅探技術(shù)統(tǒng)計(jì)待乘乘客人數(shù)。站臺(tái)層范圍大，人數(shù)眾多，且大部分乘客處于待乘狀態(tài)，流動(dòng)性不強(qiáng)，通量式技術(shù)設(shè)備難以完成對(duì)該區(qū)域乘客的統(tǒng)計(jì)，而通過(guò)在站臺(tái)區(qū)域布設(shè)WiFi嗅探器，可以實(shí)現(xiàn)在站臺(tái)區(qū)域遠(yuǎn)距離、大范圍的統(tǒng)計(jì)客流人數(shù)。需注意，該監(jiān)測(cè)方法首先需統(tǒng)計(jì)監(jiān)測(cè)區(qū)域內(nèi)打開(kāi)WiFi的無(wú)線終端數(shù)目，進(jìn)而通過(guò)一定的擴(kuò)樣比例才可間接得知監(jiān)測(cè)區(qū)域的客流停留量。

以上海地鐵某站為例，紅外傳感設(shè)備、視頻識(shí)別設(shè)備布設(shè)位置如圖1所示，其中橢圓標(biāo)注為紅外設(shè)備布置點(diǎn)，矩形標(biāo)注為視頻設(shè)備布置點(diǎn)，藍(lán)色線框范圍內(nèi)為付費(fèi)區(qū)，綠色線框內(nèi)為非付費(fèi)區(qū)。

圖1 節(jié)點(diǎn)設(shè)備布設(shè)位置

WiFi嗅探器的布設(shè)位置同樣以該站站臺(tái)層為例，由于站臺(tái)層較為狹長(zhǎng)且對(duì)稱，在此只放置站臺(tái)西端設(shè)備布設(shè)情況，如圖2所示：

圖2 站臺(tái)WiFi嗅探器布置

2.2 大客流預(yù)警

客流預(yù)警是通過(guò)對(duì)高密度區(qū)域客流的狀態(tài)進(jìn)行分析和研究，按照擁堵程度和擁堵范圍對(duì)客流的狀態(tài)進(jìn)行警情判斷，并為預(yù)警應(yīng)對(duì)提供較為詳細(xì)的數(shù)據(jù)來(lái)源[2、5]，本文的客流實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)也設(shè)計(jì)了預(yù)警功能，具體如下。

要及時(shí)實(shí)現(xiàn)預(yù)警，首先需確定客流檢測(cè)指標(biāo)，劃分合適的預(yù)警級(jí)別標(biāo)準(zhǔn)，然后系統(tǒng)對(duì)所監(jiān)測(cè)的客流數(shù)據(jù)與設(shè)定的預(yù)警指標(biāo)進(jìn)行對(duì)比，判斷是否預(yù)警。該設(shè)計(jì)可為車站采取客流疏散方案、緊急救援措施等提供決策依據(jù)?？土黝A(yù)警流程如圖3所示：

圖3 客流預(yù)警流程圖

據(jù)由上海市公安局、上海申通地鐵集團(tuán)有限公司聯(lián)合發(fā)布的《大客流組織預(yù)案》將大客流分為一級(jí)、二級(jí)、三級(jí)三個(gè)等級(jí)，其中一級(jí)最為擁擠、二級(jí)次之、三級(jí)客流擁擠程度最低。因此大客流預(yù)警等級(jí)須與此保持一致[8]。

客流風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警采用信息發(fā)布的方式，包括引導(dǎo)客流的信息及對(duì)車站人員的命令兩部分。引導(dǎo)客流可利用廣播系統(tǒng)、屏幕顯示等。例如需要緊急疏散乘客時(shí)，在站內(nèi)由廣播系統(tǒng)發(fā)布客流疏散路徑，屏幕顯示客流風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警信息，禁止新的乘客進(jìn)站等。對(duì)車站人員的命令發(fā)布包括關(guān)閉電扶梯、關(guān)閉進(jìn)站閘機(jī)等措施發(fā)布。

能夠反應(yīng)客流聚集程度的且作為預(yù)警依據(jù)的客流指標(biāo)有很多，包括售檢票服務(wù)水平，客流密度、客流流速，排隊(duì)長(zhǎng)度等。因此，需要對(duì)站內(nèi)不同區(qū)域選定相應(yīng)的預(yù)警指標(biāo)，一旦站內(nèi)出現(xiàn)擁堵情況，能夠及時(shí)作出預(yù)警，以便最快速度采取站外限流、站內(nèi)引導(dǎo)等措施，避免站內(nèi)擁堵風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)一步加劇。

車站設(shè)施設(shè)備能力預(yù)警需求及適用客流檢測(cè)技術(shù)，如表2所示。

表2 設(shè)施設(shè)備能力預(yù)警

車站承載能力主要包括站臺(tái)及換乘通道兩處。

站臺(tái)容納能力又名站臺(tái)設(shè)計(jì)能力，據(jù)站臺(tái)面積、2人/m2的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)和一定的站臺(tái)有效系數(shù)，便能夠計(jì)算得到站臺(tái)設(shè)計(jì)容納人數(shù)[9]。

換乘通道的通行能力和線路間的換乘效率直接相關(guān)。如果換乘通道乘客流速低、密度大，就造成人流聚集導(dǎo)致的換乘困難甚至嚴(yán)重的踩踏事故。

車站承載能力預(yù)警需求及其適用的檢測(cè)技術(shù)，如表3所示。

表3 車站承載能力預(yù)警

2.3 系統(tǒng)組成結(jié)構(gòu)及可視化界面

基于以上研究?jī)?nèi)容，本文設(shè)計(jì)了一套客流監(jiān)測(cè)方案，并設(shè)計(jì)了實(shí)時(shí)客流監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，可以實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)站內(nèi)客流并顯示相應(yīng)的客流信息指標(biāo)，同時(shí)，可以有效預(yù)警大客流擁堵聚集情況的發(fā)生，以便工作人員可以及時(shí)應(yīng)對(duì)突發(fā)情況。此外，該系統(tǒng)可以通過(guò)信息發(fā)布功能高效疏導(dǎo)擁堵乘客，提高工作效率。

2.3.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

系統(tǒng)總體由客流信息采集、客流數(shù)據(jù)處理、大客流預(yù)警和客流信息顯示四部分組成。具體的設(shè)計(jì)內(nèi)容如下：① 結(jié)合車站空間特點(diǎn)，并考慮到乘客流線，設(shè)計(jì)了融合多種監(jiān)測(cè)技術(shù)的設(shè)備布設(shè)方案；② 結(jié)合車站預(yù)警需求及合適的監(jiān)測(cè)技術(shù)，提出了同時(shí)考慮車站服務(wù)水平以及乘客乘車安全的客流預(yù)警觸發(fā)指標(biāo)；③ 設(shè)計(jì)了可現(xiàn)實(shí)站內(nèi)不同區(qū)域的客流量、客流密度等客流指標(biāo)的可視化界面，可供車站工作人員實(shí)時(shí)處理客流數(shù)據(jù)并做出最優(yōu)決策決策，有效達(dá)到客流監(jiān)測(cè)目的；④設(shè)計(jì)了信息發(fā)布功能，車站決策者可直接命令車站人員做出相關(guān)具體措施，還可對(duì)乘客通過(guò)廣播、顯示屏等方式發(fā)出引導(dǎo)信息。

2.3.2 數(shù)據(jù)可視化界面

本文設(shè)計(jì)了具有客流監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)顯示和預(yù)警信息發(fā)布等功能的界面。界面分為車站參數(shù)設(shè)置模塊、客流監(jiān)控工作模塊、樓扶梯實(shí)況監(jiān)控模塊及預(yù)警信息發(fā)布模塊，界面簡(jiǎn)潔美觀，操作學(xué)習(xí)簡(jiǎn)單、數(shù)據(jù)清晰明了。車站參數(shù)設(shè)置模塊、客流分布顯示、客流實(shí)況及信息發(fā)布界面如圖4、5、6、7所示。

圖4 車站參數(shù)設(shè)置界面

圖5 客流分布顯示界面

圖6 樓扶梯實(shí)況界面

圖7 信息發(fā)布界面

3 結(jié) 論

① 根據(jù)地鐵站不同區(qū)域的客流特點(diǎn)，并考慮了客流流線及不同監(jiān)測(cè)技術(shù)的優(yōu)勢(shì)之處，結(jié)合車站進(jìn)出站閘機(jī)等原有設(shè)備，融合不同監(jiān)測(cè)技術(shù)，設(shè)計(jì)了多源數(shù)據(jù)客流監(jiān)測(cè)設(shè)備布設(shè)方案；

② 基于服務(wù)水平和預(yù)警需求設(shè)定了客流預(yù)警觸發(fā)指標(biāo)，劃分了預(yù)警級(jí)別，建立了基于客流流速、客流密度等的客流指標(biāo)的預(yù)警模型，可在客流聚集風(fēng)險(xiǎn)過(guò)大時(shí)及時(shí)做出預(yù)警；

③ 設(shè)計(jì)了具有數(shù)據(jù)顯示、信息發(fā)布等功能的系統(tǒng)可視化界面，能夠清晰明了的觀察到車站各區(qū)域的客流變化，實(shí)現(xiàn)了對(duì)車站客流的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)?？上蚩土骶奂瘏^(qū)域的乘客發(fā)布相關(guān)區(qū)域擁堵及疏導(dǎo)的預(yù)警通知，最大可能的規(guī)避乘客聚集情況的風(fēng)險(xiǎn)，進(jìn)而減少車站安全事故發(fā)生概率，并增強(qiáng)擁堵客流的疏散效率。

此外，系統(tǒng)可加強(qiáng)車站人員對(duì)突發(fā)事件的決策能力和處理效率，為管理部門在突發(fā)事件發(fā)生時(shí)快速響應(yīng)、內(nèi)部預(yù)警協(xié)調(diào)并及時(shí)進(jìn)行客流疏導(dǎo)提供強(qiáng)力支撐，以便直觀掌握客流狀態(tài)，以便車站人員能夠根據(jù)實(shí)時(shí)客流信息，在車站局部區(qū)域發(fā)生擁堵時(shí)及時(shí)做出相關(guān)舉措，降低安全事故發(fā)生的風(fēng)險(xiǎn)。同時(shí)，也便于發(fā)布預(yù)警信息，高效引導(dǎo)客流，疏散乘客。同時(shí)也可為其他相關(guān)研究提供客流數(shù)據(jù)，從而能夠更深入地分析軌道交通客流狀況。