基于多源數(shù)據(jù)融合的城市軌道交通人員綜合監(jiān)測及運營管理系統(tǒng)研究

李 璐，王愛麗，王子騰，竇元辰

（1. 中鐵信（北京）網(wǎng)絡技術研究院有限公司，北京 100044；2. 中國鐵路信息科技集團有限公司，北京 100038；3. 深圳市地鐵集團有限公司，深圳 518026）

隨著城市化進程的推進，城市軌道交通迅速發(fā)展，客運量不斷激增，對車站運營管理及人員安全提出更高要求[1]。城市軌道交通車站環(huán)境特殊，客流密度高，人員流動大，隱患節(jié)點多[2]。目前，車站運營管理中存在諸多亟待解決的問題，如客流感知方式單一，數(shù)據(jù)融合不足，難以全面及時掌握車站客流分布及客運人員動態(tài)，導致大客流管控措施滯后等。實時準確地獲取車站客流分布及客運人員動態(tài)信息、實現(xiàn)人員綜合監(jiān)測與管理，是有序開展車站運營組織工作，保障城市軌道交通安全、穩(wěn)定運行的基礎和關鍵。

國內外眾多學者對城市軌道交通客流數(shù)據(jù)處理分析、客流安全狀態(tài)、車站狀態(tài)監(jiān)測等展開研究[3-9]，這些研究大多聚焦于多源客流數(shù)據(jù)融合、短時客流預測、客流控制等主題，在車站客流動態(tài)監(jiān)測及客運人員運營管理方面研究較少。

針對城市軌道交通車站人員的綜合監(jiān)測與安全管控需求，提出基于多源數(shù)據(jù)融合的軌道交通人員綜合監(jiān)測及運營管理系統(tǒng)方案；在車站部署智能視頻監(jiān)測設備和Wi-Fi探針等，實現(xiàn)客流動態(tài)監(jiān)測；設置定位基站，為客運人員配備定位手環(huán)，實時獲取其位置和健康狀態(tài)信息；研究確定車站客流動態(tài)監(jiān)測指標，實現(xiàn)車站客流與客運人員的安全狀態(tài)判別及預警，實現(xiàn)軌道交通車站的客流綜合監(jiān)測與運營管理，為保障城市軌道交通安全運營提供基礎支撐。

1 系統(tǒng)構成及邏輯架構

1.1 系統(tǒng)構成

針對城市軌道交通車站人員綜合監(jiān)測與運營管理需求，運用智能視頻分析、移動終端檢測、超寬帶（UWB，Ultra Wide Band）定位及多源數(shù)據(jù)融合等多種技術，搭建基于多源數(shù)據(jù)融合的軌道交通人員綜合監(jiān)測及運營管理系統(tǒng)。該系統(tǒng)由現(xiàn)場前端采集設備、數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)、后端處理中心子系統(tǒng)構成，如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)構成示意

（1）現(xiàn)場前端采集設備：包括視頻監(jiān)控設備（網(wǎng)絡高清攝像機、網(wǎng)絡超高清長焦攝像機、雙目攝像機、人工智能（AI，Artificial Intelligence）攝像機、Wi-Fi探針設備，自動售檢票（AFC，Automatic Fare Collection）系統(tǒng)車站終端設備、定位基站、健康定位手環(huán)等，實時采集客流信息以及客運人員位置、健康狀態(tài)信息，并可向客運人員傳遞報警提示信息。

（2）數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)：包括以太網(wǎng)供電（PoE，Power over Ethernet）交換機、核心交換機、網(wǎng)絡安全設備等，提供數(shù)據(jù)傳輸通道，將現(xiàn)場前端采集的各類信息傳輸至后端處理中心子系統(tǒng)。

（3）后端處理中心子系統(tǒng)：包括圖形處理器（GPU，Graphic Processing Unit）、數(shù)據(jù)庫服務器、應用服務器、用戶端等，具備視頻智能分析、數(shù)據(jù)存儲管理、客流信息分析、客運人員位置及健康狀態(tài)分析等多種應用功能。

1.2 邏輯架構

系統(tǒng)在邏輯上劃分為6個層次，包括基礎支撐層、數(shù)據(jù)采集層、傳輸層、解析處理層、數(shù)據(jù)層、業(yè)務應用層，如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)邏輯架構

（1）基礎支撐層：包括視頻監(jiān)控設備、Wi-Fi探針設備，定位基站、健康定位手環(huán)，服務器、存儲設備、網(wǎng)絡安全設備等系統(tǒng)相關基礎設施設備，為系統(tǒng)運行提供基礎硬件環(huán)境。

（2）數(shù)據(jù)采集層：基于基礎支撐層的硬件環(huán)境，提出現(xiàn)場信息采集設備部署方法和策略，搭建檢測環(huán)境，實現(xiàn)車站內不同區(qū)域的客流及客運人員信息的采集，為系統(tǒng)提供多種類、多區(qū)域的數(shù)據(jù)源。

（3）傳輸層：采用TCP/IP協(xié)議完成數(shù)據(jù)傳輸，通過有線或無線的方式，將數(shù)據(jù)采集層采集到的數(shù)據(jù)發(fā)送到解析處理層，進行解析和分析處理。

（4）解析處理層：包括客流和客運人員信息的解析處理模塊，分析客流視頻數(shù)據(jù)，獲取車站各重點監(jiān)控區(qū)域的客流量、速度、密度；采用基于Wi-Fi的移動終端定位技術，刻畫乘客換乘軌跡；實時監(jiān)測客運人員的位置和健康狀態(tài)，并及時發(fā)送報警信息。

（5）數(shù)據(jù)層：采用MySQL數(shù)據(jù)庫技術，實現(xiàn)客流及客運人員基礎信息的存儲、管理、查詢及統(tǒng)計分析。

（6）業(yè)務應用層：包括多個業(yè)務應用功能模塊，實現(xiàn)客流及客運人員狀態(tài)的綜合監(jiān)測、預測預警及應急管理，為車站運營決策、信息共享、協(xié)同管理等提供支持。

2 現(xiàn)場信息采集設備部署方案

2.1 設備部署要求

客流及客運人員信息采集設備的部署涉及監(jiān)控區(qū)域的確定、設備選型、設備數(shù)量、安裝位置等，影響采集信息的完整性、連續(xù)性及動態(tài)智能檢測結果的準確性[10]。根據(jù)車站客流分布情況及客運人員運營管理需求，結合車站布局及設備安裝施工條件，組合采用多種信息采集設備，實現(xiàn)關鍵區(qū)域全覆蓋，有效提升車站綜合監(jiān)測與運營管理能力[11]。

（1）客流信息采集：基于車站布局和客流流線，確定重點監(jiān)控區(qū)域，結合各類客流信息采集設備的特性及適用范圍，靈活設置智能視頻、Wi-Fi探針，實現(xiàn)精準的客流檢測及大范圍客流監(jiān)測。

（2）客運人員信息采集：在車站內設置定位基站，通過客運人員佩戴的定位手環(huán)，實現(xiàn)客運人員信息采集；定位基站的部署應完整覆蓋車站內關鍵區(qū)域，如出入口、樓扶梯、通道等位置，在辦公、物業(yè)等區(qū)域則按需設置。

2.2 重點區(qū)域設備部署

結合城市軌道交通車站客流流線及客運人員業(yè)務需求，考慮在出入口區(qū)域、換乘通道、樓梯、扶梯、站臺等重點區(qū)域部署客流及客運人員監(jiān)測終端設備。

（1）車站出入口區(qū)域：車站出入口處客流流線較為簡單，主要監(jiān)測進出站客流量、排隊人數(shù)及出入口處隔欄傳物等乘客異常行為。如圖3所示，在車站出入口處安裝網(wǎng)絡高清攝像機，用于監(jiān)測進出站客流情況及隔欄傳物等乘客不安全行為；并結合AI攝像機檢測結果，進行互相校正。

圖3 車站出入口區(qū)域部署示意

（2）換乘通道區(qū)域：換乘通道一般較為狹長、擁擠，客流情況復雜，需要組合采用多種監(jiān)測設備，如圖4所示，才能達到理想的監(jiān)測效果。部署Wi-Fi探針，可及時探測通道內乘客數(shù)量及位置分布；對于具有明確客流方向的換乘通道，在通道兩端設置檢測斷面客流量的雙目攝像機，并在通道中部安裝檢測客流量的AI攝像機，進行互相校正。此外，在通道兩端各安裝1臺定位基站，用于采集客運人員的位置信息；若存在拐角，可在拐角處增設基站。

圖4 換乘通道區(qū)域監(jiān)測設備部署示意

（3）樓梯、扶梯區(qū)域：樓、扶梯區(qū)域監(jiān)測范圍寬，設備安裝位置較高，普通網(wǎng)絡高清攝像機難以滿足監(jiān)測要求，可組合采用網(wǎng)絡超高清長焦攝像機與雙目攝像機，如圖5所示。在樓、扶梯上層處設置網(wǎng)絡超高清長焦攝像機，可檢測上下行樓梯及扶梯客流量；在樓、扶梯下層處設置雙目攝像機，以探測樓、扶梯斷面客流量。根據(jù)樓、扶梯區(qū)域形狀設置定位基站，此處定位基站采用二維平面定位來采集客運人員的位置信息。

圖5 樓、扶梯區(qū)域監(jiān)測設備部署示意

（4）站臺區(qū)域區(qū)域：站臺通常層高有限，因設備安裝條件受限，為精準檢測旅客乘降量，組合采用網(wǎng)絡高清攝像機和雙目攝像機；在每個車門處垂直安裝雙目攝像機，可精準檢測各車門上、下車人數(shù)，可同時在通道設置網(wǎng)絡高清攝像機或AI攝像機，檢測各車門的排隊人數(shù)及聚集密度。根據(jù)站臺區(qū)域的形狀、面積及信號遮擋情況，考慮定位基站設備的具體設置方案；站臺區(qū)域一般部署4臺以上的定位基站，并采用二維平面定位，以獲取各崗位客運人員的位置信息，如圖6所示。

圖6 站臺區(qū)域監(jiān)測設備部署示意

3 應用功能

系統(tǒng)應用功能包括多源信息智能采集、人員狀態(tài)綜合監(jiān)測、人員狀態(tài)預測預警、車站應急管理4個主要功能模塊，應用功能框架如圖7所示。

圖7 系統(tǒng)應用功能框架

3.1 多源信息智能采集

（1）客流信息智能采集：采集客流的智能視頻數(shù)據(jù)、Wi-Fi探針移動終端數(shù)據(jù)，獲取客流信息，刻畫乘客運動軌跡，檢測乘客異常行為。

（2）客運人員信息智能采集：采集客運人員UWB定位信息，以及心率、血壓、體溫、步數(shù)等健康狀態(tài)信息。

3.2 人員狀態(tài)綜合監(jiān)測

（1）客流監(jiān)測：基于現(xiàn)場前端采集的客流信息，實時監(jiān)測車站站臺、樓梯、扶梯、換乘通道、出入口等重點監(jiān)控區(qū)域的客流量、密度、速度、擁擠度等客流情況，及乘客異常行為報警等信息，并在車站電子地圖上展示；在電子地圖上顯示客流信息采集設備的分布，并實時監(jiān)測其工作狀態(tài)。

（2）客運人員監(jiān)測：在電子地圖上動態(tài)顯示客運人員位置分布，實現(xiàn)客運人員軌跡追蹤、健康狀態(tài)監(jiān)測、異常行為報警等；在電子地圖上顯示客運人員信息采集設備的分布，并實時監(jiān)測其工作狀態(tài)。

人員狀態(tài)綜合監(jiān)測用戶界面，如圖8所示。

圖8 人員狀態(tài)綜合監(jiān)測用戶界面

3.3 人員狀態(tài)預測預警

（1）客流狀態(tài)預測：以歷史客流數(shù)據(jù)為基礎，實現(xiàn)站廳、站臺、通道等不同區(qū)域的客流狀態(tài)預測，將預測結果與實際、歷史同期客流情況進行對比分析。

（2）車站風險評估：構建車站出入口、站臺、換乘通道等不同區(qū)域的服務水平劃分方法，實現(xiàn)對不同區(qū)域擁擠度的參數(shù)閾值、顏色顯示設置，實現(xiàn)不同區(qū)域的風險等級評估；設定車站整體及各關鍵區(qū)域的預警閾值，當超過閾值時彈出客流報警提示；在電子地圖中可顯示區(qū)域的客流報警點，并提示報警消息。

人員狀態(tài)預測預警用戶界面，如圖9所示。

圖9 人員狀態(tài)預測預警用戶界面

3.4 車站應急管理

（1）應急預案管理：構建典型場景下的客運組織方案及數(shù)字化預案，支持查看與匹配；從客流安全、換乘便捷、設施能力和服務水平等方面，對客運組織方案進行分析與評價。

（2）應急處置：根據(jù)客流報警生成客流控制策略，通過手環(huán)呼叫報警地點就近的客運人員，指示其趕赴報警地點，迅速展開應急處置；快速調取指定監(jiān)控區(qū)域的視頻畫面，幫助客運人員及時了解站內情況，實現(xiàn)客運人員通信聯(lián)動、視頻監(jiān)控聯(lián)動和輔助指揮調度等功能，輔助客運人員高效率完成應急處置任務。

4 關鍵技術

4.1 多源數(shù)據(jù)融合

（1）原始數(shù)據(jù)預處理：車站內安裝有多種智能視頻、Wi-Fi探針等信息采集設備，這些設備型號制式存在差異，且受設備安裝環(huán)境及信息采集設備故障等因素的影響，部分原始數(shù)據(jù)存在異?；蛉笔?，需要對其進行時間同步、空間匹配、缺失填補等預處理。

a. 數(shù)據(jù)時間同步：由于各類信息采集設備的采集時間間隔不一致，將各類原始數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)周期處理轉化為同一統(tǒng)計周期。

b. 數(shù)據(jù)空間匹配：建立信息采集區(qū)域空間坐標系，根據(jù)各類信息采集設備位置分布，分析信息采集區(qū)域空間上的匹配關系，進行所采集數(shù)據(jù)的空間匹配。

c. 缺失數(shù)據(jù)填補：對于因信息采集設備故障、數(shù)據(jù)傳輸線路故障等原因造成數(shù)據(jù)缺失，可基于客流波動的趨勢性和隨時間變動的特點，使用時間序列插補法進行填補[12]，計算方法見式（1）。

其中，data(t)表 示缺失數(shù)據(jù)值；data(t-1)表示過去第一個數(shù)據(jù)采集周期的同一客流參數(shù)值；data(t-2)表示過去第二個數(shù)據(jù)采集周期的同一客流參數(shù)值；data(t-3)表示過去第三個數(shù)據(jù)采集周期的同一客流參數(shù)值。

（2）多源數(shù)據(jù)融合：為實現(xiàn)軌道交通車站客流動態(tài)全面感知，客流檢測采用智能視頻檢測、基于WiFi的移動終端檢測等多種檢測方式，將采集到的原始數(shù)據(jù)進行預處理后，針對多源客流數(shù)據(jù)進行融合處理，主要對客流量進行融合，計算方法見式（2）。

其中，q(t) 為t時段內融合后的客流量數(shù)據(jù)，t取1 min作為統(tǒng)計周期； ωi(t)為 采用第i種數(shù)據(jù)采集方式的權重值；qi(t)為 采用第i種數(shù)據(jù)采集方式檢測獲得的客流量；為 (t-1)時 段第i種數(shù)據(jù)采集方式客流量方差的平方。

4.2 客流監(jiān)測、預警與應急管理

（1）客流監(jiān)測與預警：系統(tǒng)持續(xù)監(jiān)測車站各區(qū)域實時進出站流量、每分鐘進出站增量、當日進出站總量等各種指標。其中，客流擁擠度可綜合反映軌道交通客流分布狀況、風險程度，參考《美國公共交通通行能力和服務質量手冊（第2版）》TCQSM(II)[13]，結合現(xiàn)場采集客流數(shù)據(jù)及調查數(shù)據(jù)，運用K-Means聚類分析的方法，利用SPSS軟件對某客運車站的出入口、站臺、換乘通道等關鍵區(qū)域的客流密度進行分析，確定擁擠程度等級劃分及客流密度閾值，如表1所示。

表1 某客運車站關鍵區(qū)域擁擠程度等級劃分及客流密度閾值

根據(jù)車站關鍵區(qū)域的擁擠度等級劃分，系統(tǒng)可對車站關鍵區(qū)域的客流擁擠程度實施有效監(jiān)測及預警。

（2）應急管理支持：當車站出現(xiàn)突發(fā)大客流等事件時，依據(jù)關鍵區(qū)域擁擠程度等級閾值自動報警，并采用清晰直觀的圖表和醒目的顏色及標識，提醒客運人員快速響應。客運人員能快速、準確地掌握報警的等級、地點、時間等具體情況，采取必要的措施控制和疏散客流，確保車站工作有條不紊，始終處于有序可控。

4.3 車站運營組織方案評價

為了定量分析和評價客運組織方案的實施效果，主要從客流安全、換乘便捷、設施能力和服務水平4個方面定義評價指標，包括站臺最大客流密度、平均換乘時間、設施能力負荷度、平均通行速度，建立一套衡量車站客運組織方案有效性的標準。

（1）站臺最大客流密度：是評估客流安全的主要指標，定義為站臺檢測區(qū)域客流量與檢測區(qū)域面積比值的最大值，反映站臺客流的密集程度，其值越大，客流安全程度越低；計算公式為：

其中， ρ站臺max為站臺最大客流密度（人/m2）；Pk為某一時刻站臺第k個檢測區(qū)域通過客流量（人）；Sk為某一時刻站臺第k個檢測區(qū)域面積（m2）。

（2）平均換乘時間：換乘時間直觀反映乘客換乘的便捷性，包含換乘的走行時間及過程中由于排隊等導致的等待時間[14]；平均換乘時間指換乘乘客換乘時間平均值；乘客在車站Z的換乘時間tz,h表示為：

其中，tz,r表示換乘走行時間，tz,w表示換乘過程等待時間。

（3）設施能力負荷度：單位時間內設施通過的客流量與設施通過能力的比值，反映客流量的大小與設施最大通過能力的匹配程度，計算公式為：

其中，Ps為 單位時間內設施S通過的客流量；N為設施最大通過能力。

（4）平均通行速度：乘客走行距離與所用時間的比值，計算公式為：

其中，V表示乘客平均通行速度（m/s）；s表示乘客平均走行距離（m）；tn表示乘客步行結束時刻；t0表示乘客步行起始時刻。

5 結束語

運用智能視頻分析、移動終端信息檢測、UWB定位及多源數(shù)據(jù)融合等多種技術，研究開發(fā)了基于多源數(shù)據(jù)融合的城市軌道交通人員綜合監(jiān)測及運營管理系統(tǒng)，可實現(xiàn)信息智能采集、人員狀態(tài)綜合監(jiān)測、人員狀態(tài)預測預警、車站應急管理等功能。

目前，該系統(tǒng)已在某城市軌道交通車站試點應用，運行穩(wěn)定，有效提升了車站運營管理的智能化、自動化水平，提高軌道交通車站的安全保障與應急處置能力，為構建智慧車站提供支撐。