城市軌道交通實(shí)時(shí)客流監(jiān)控方法與實(shí)現(xiàn)技術(shù)

趙曉麗

（天津軌道交通運(yùn)營集團(tuán)有限公司，天津 300392）

1 背景

近年來，我國城市軌道交通迎來了蓬勃發(fā)展的黃金時(shí)期。截至2021年12月31日，中國內(nèi)地累計(jì)有50 個(gè)城市投運(yùn)城市軌道交通線路9 192.62 km，年客運(yùn)量超過200 億人次[1]。日趨完善的城市軌道交通網(wǎng)絡(luò)對(duì)運(yùn)營管理水平提出了更高的要求，客流監(jiān)控、實(shí)時(shí)流量統(tǒng)計(jì)以及短時(shí)客流預(yù)測(cè)的重要性逐漸突顯。

城市軌道交通的客流分布具有時(shí)間和空間上的巨大不均勻性。在時(shí)間維度上，平日上下班高峰時(shí)段、節(jié)假日及特殊慶典活動(dòng)時(shí)段以及極端天氣發(fā)生時(shí)段的客流量會(huì)在短時(shí)間內(nèi)急劇增大，造成個(gè)別站點(diǎn)的乘客排隊(duì)擁堵，此時(shí)需要調(diào)整運(yùn)行地鐵列車的數(shù)量和開行頻率，緩解擁堵壓力，提升乘客出行效率和乘車體驗(yàn)。在空間維度上，上下班高峰的乘車擁堵會(huì)集中發(fā)生于居民集中片區(qū)、學(xué)校、工業(yè)開發(fā)區(qū)、商業(yè)中心等工作生活區(qū)域，節(jié)假日的擁堵站點(diǎn)則集中于繁華商業(yè)街、公園、體育館附近。因此，需要提高這些區(qū)域城市軌道交通線路的開行頻次，疏解擁堵壓力。此外，城市軌道交通的客流擁堵狀況也存在偶發(fā)性和非線性的特點(diǎn)。因此，利用多種技術(shù)手段從多角度監(jiān)控站點(diǎn)的客流情況并進(jìn)行實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)分析與預(yù)測(cè)成為動(dòng)態(tài)調(diào)整城市軌道交通運(yùn)行的重要參考依據(jù)[2-5]。

2 實(shí)時(shí)客流監(jiān)控的數(shù)據(jù)指標(biāo)與分析手段

客流監(jiān)控旨在為城市軌道交通運(yùn)營提供各個(gè)站點(diǎn)的分時(shí)段乘客流動(dòng)數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)短期客流預(yù)測(cè)與客流預(yù)警響應(yīng)，進(jìn)而實(shí)時(shí)調(diào)整車輛開行班次、疏解站點(diǎn)擁堵壓力、方便乘客高效出行。城市軌道交通的客流監(jiān)控一般是指在一定時(shí)間顆粒度下（如5 min、10 min、20 min 間隔等），進(jìn)行客流數(shù)據(jù)采集與匯總。圖1為某城市軌道交通站點(diǎn)在不同時(shí)間顆粒度下的客流數(shù)據(jù)，可以發(fā)現(xiàn)大時(shí)間顆粒度下的客流曲線相當(dāng)于對(duì)短時(shí)間顆粒度下客流數(shù)據(jù)的平滑處理，其優(yōu)勢(shì)在于更易于擬合預(yù)測(cè)，缺點(diǎn)在于失去了短時(shí)長下客流變化細(xì)節(jié)，降低了輸出信息量。實(shí)時(shí)客流監(jiān)控是指在規(guī)定的短時(shí)間顆粒度（如10 min）條件下對(duì)交通站點(diǎn)進(jìn)行的客流數(shù)據(jù)收集。實(shí)現(xiàn)客流實(shí)時(shí)監(jiān)控能夠應(yīng)對(duì)由非周期性因素（如節(jié)日慶典、體育賽事、群眾活動(dòng)等）導(dǎo)致的偶發(fā)客流狀況劇烈變化，快速做出短期客流預(yù)測(cè)、預(yù)警并高效合理的規(guī)劃解決方案[6-8]。

圖1 不同時(shí)間顆粒度下的某城市軌道交通站點(diǎn)的進(jìn)站客流量

實(shí)時(shí)客流監(jiān)控需要收集的數(shù)據(jù)主要包括進(jìn)站客流量、出站客流量、交通起止點(diǎn)（OD）客流量、換乘客流量和區(qū)間斷面客流量等，可以分成車站、線路和線網(wǎng)3 個(gè)層級(jí)進(jìn)行監(jiān)測(cè)與統(tǒng)計(jì)。圖2為某車站在5 天內(nèi)以10 min 時(shí)間顆粒度采集得到的進(jìn)站客流量、出站客流量和斷面客流量。通過對(duì)比可以明顯看出早晚客流的峰值變化以及該站點(diǎn)的客流流向。

圖2 某城市軌道交通站點(diǎn)在10 min 時(shí)間顆粒度下的進(jìn)站、出站和斷面客流量

客流監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)的時(shí)序相關(guān)性是準(zhǔn)確預(yù)測(cè)短時(shí)客流變化的前提。相關(guān)性檢驗(yàn)通常采用皮爾遜（Pearson）相關(guān)系數(shù)法實(shí)現(xiàn)。以一定間隔的時(shí)間步長（如5 min、10 min、15 min），統(tǒng)計(jì)某一時(shí)間節(jié)點(diǎn)之后的多個(gè)等間隔時(shí)序的客流數(shù)據(jù)，通過式（1）計(jì)算皮爾遜相關(guān)系數(shù)r進(jìn)而判別客流監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)的相關(guān)性。

式（1）中，Xi、Yi分別為不同時(shí)序的客流數(shù)據(jù)；和分別為不同時(shí)序客流數(shù)據(jù)的平均值。皮爾遜相關(guān)系數(shù)r本質(zhì)上是不同時(shí)序客流數(shù)據(jù)的協(xié)方差與標(biāo)準(zhǔn)差的比值，取值范圍為[-1，1]。r越接近于1 或-1，說明時(shí)序客流數(shù)據(jù)的正或負(fù)相關(guān)性越顯著。圖3對(duì)5 天內(nèi)的實(shí)時(shí)進(jìn)站客流量與短期歷史客流（20～60 min）的相關(guān)性進(jìn)行了分析，其中20 min 內(nèi)的客流相關(guān)性超過0.99。顯然，實(shí)時(shí)進(jìn)站客流量與歷史客流的時(shí)間距離越近，其相關(guān)性越強(qiáng)，說明短期歷史客流量能夠作為實(shí)時(shí)客流預(yù)測(cè)的可靠數(shù)據(jù)來源[9-10]。

圖3 實(shí)時(shí)進(jìn)站客流與短時(shí)歷史客流量的相關(guān)性

3 客流監(jiān)控設(shè)備與布置方案

3.1 客流監(jiān)控設(shè)備

城市軌道交通的客流監(jiān)控是針對(duì)各乘車站點(diǎn)不同區(qū)域圖像和傳感器數(shù)據(jù)的判別、提取、歸類和統(tǒng)計(jì)。客流監(jiān)控設(shè)備可以依據(jù)監(jiān)控統(tǒng)計(jì)方式劃分為存量式客流監(jiān)控設(shè)備和通量式客流監(jiān)控設(shè)備兩類[2-3]。

（1）存量式客流監(jiān)控設(shè)備是以準(zhǔn)靜態(tài)方式統(tǒng)計(jì)城市軌道交通站點(diǎn)區(qū)域內(nèi)的乘客數(shù)據(jù)，不存在客流誤差累積問題。目前，存量式統(tǒng)計(jì)主要采用進(jìn)出站閘機(jī)、安檢儀和站內(nèi)視頻監(jiān)控等設(shè)備實(shí)現(xiàn)。通過進(jìn)出站閘機(jī)可以直接獲取自動(dòng)售檢票（AFC）數(shù)據(jù)，具有較高的準(zhǔn)確度且無需為客流監(jiān)控增加額外成本。但是，AFC 數(shù)據(jù)的獲取存在時(shí)延，不利于短期進(jìn)站客流預(yù)測(cè)。車站安檢儀的紅外傳感器也可以實(shí)現(xiàn)客流統(tǒng)計(jì)功能。與AFC 數(shù)據(jù)類似，獲取基于紅外計(jì)數(shù)的客流數(shù)據(jù)準(zhǔn)確度較高，但同樣存在時(shí)延問題。盡管如此，結(jié)合安檢儀和AFC 數(shù)據(jù)可以獲得閘機(jī)外滯留乘客的數(shù)據(jù)，能夠評(píng)估交通樞紐、大型商業(yè)區(qū)附近站點(diǎn)乘客排隊(duì)進(jìn)站的擁堵狀況。站內(nèi)的視頻監(jiān)控設(shè)備能夠規(guī)避客流監(jiān)控時(shí)延問題，為短期客流預(yù)測(cè)提供可靠的數(shù)據(jù)支持。但通過視頻監(jiān)控獲取客流數(shù)據(jù)需加裝人臉識(shí)別軟硬件設(shè)備，存在一定的附加成本。在大客流和極端擁堵的情況下，數(shù)據(jù)采集精度會(huì)有所下降。此外，手機(jī)信令與移動(dòng)通信數(shù)據(jù)感知技術(shù)也已經(jīng)應(yīng)用于大客流下的實(shí)時(shí)客流統(tǒng)計(jì)，結(jié)合WiFi 探測(cè)技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)站內(nèi)站臺(tái)以及車廂內(nèi)部的多區(qū)域客流動(dòng)態(tài)分析。手機(jī)信令和WiFi 探測(cè)設(shè)備成本相對(duì)較低，但數(shù)據(jù)采集的精度不高，因此可以作為存量式客流統(tǒng)計(jì)的補(bǔ)充手段。

（2）通量式客流監(jiān)控設(shè)備主要設(shè)置于城市軌道交通站點(diǎn)的連接通道處、自動(dòng)扶梯等客流方向相對(duì)固定的區(qū)域，彌補(bǔ)站點(diǎn)內(nèi)固有設(shè)備數(shù)據(jù)采集在抗時(shí)延能力上的不足，實(shí)現(xiàn)對(duì)客流劇烈變化的快速響應(yīng)。通量式設(shè)備可以通過紅外客流計(jì)數(shù)器、飛行時(shí)間（TOF）相機(jī)、三維視覺探測(cè)技術(shù)實(shí)現(xiàn)，具備更高的客流監(jiān)控精度，但設(shè)備成本相對(duì)較高。此外，通量式客流監(jiān)控設(shè)備均存在客流誤差累積現(xiàn)象，需要周期性的對(duì)客流計(jì)數(shù)的初值進(jìn)行修正，例如每隔30～60 min 將測(cè)量數(shù)據(jù)與存量式客流統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)進(jìn)行校核，修正客流累計(jì)誤差。

存量式與通量式設(shè)備在客流統(tǒng)計(jì)中各具優(yōu)勢(shì)，將統(tǒng)計(jì)結(jié)果進(jìn)行交叉驗(yàn)證并加權(quán)處理可以獲得更為可靠的客流數(shù)據(jù)。若某站點(diǎn)在時(shí)間間隔Δi內(nèi)由存量式監(jiān)控設(shè)備采集的乘客存量為GRi，則GRi可以表示為：

式（2）中，GJi為第J臺(tái)設(shè)備的客流數(shù)據(jù)；SPiJK為第J臺(tái)和第K臺(tái)設(shè)備的客流數(shù)據(jù)中重疊的客流人數(shù)。

類似地，通量式監(jiān)控設(shè)備采集的客流數(shù)據(jù)GFi可以表示為：

式（3）中，GFi-1為上一個(gè)時(shí)間間隔的乘客存量；和分別為入站通道設(shè)備和出站通道設(shè)備的客流監(jiān)測(cè)結(jié)果。

對(duì)站內(nèi)乘客存量的估計(jì)可由該時(shí)間段內(nèi)的存量式客流統(tǒng)計(jì)結(jié)果GiR和通量式客流統(tǒng)計(jì)結(jié)果加權(quán)平均得到：

式（4）中，fRi和fFi分別為存量式和通量式客流統(tǒng)計(jì)的統(tǒng)計(jì)權(quán)重。統(tǒng)計(jì)權(quán)重由不同客流監(jiān)控設(shè)備的誤差率決定。若第i時(shí)段的存量式和通量式客流統(tǒng)計(jì)誤差率分別表示為ERi和EFi，統(tǒng)計(jì)權(quán)重則可表達(dá)為誤差率的調(diào)和平均：

由式（5）可知，客流統(tǒng)計(jì)誤差率低的設(shè)備獲得了更高的統(tǒng)計(jì)權(quán)重，從而保證了客流監(jiān)測(cè)結(jié)果的可靠性。

存量式與通量式客流監(jiān)控設(shè)備的布置要與站點(diǎn)的建筑結(jié)構(gòu)匹配。在站點(diǎn)設(shè)計(jì)和建造時(shí)，乘客的必經(jīng)區(qū)域通常已經(jīng)布置了存量式客流監(jiān)控設(shè)備，例如進(jìn)出站區(qū)域的閘機(jī)和安檢儀等。需著重布置客流監(jiān)控設(shè)備的區(qū)域是車站的出入口、地下通道、自動(dòng)扶梯和電梯、車輛換乘樓梯、站臺(tái)、緊急出入口以及地鐵車輛內(nèi)部等。

地鐵車站的進(jìn)出口與連接通道的客流監(jiān)控設(shè)備在獲取進(jìn)出客流數(shù)據(jù)上最為迅捷。由于車站進(jìn)出口在早晚高峰和特殊時(shí)段會(huì)產(chǎn)生流量峰值的劇烈變化，采用飛行時(shí)間成像設(shè)備或雙目立體視覺設(shè)備結(jié)合視頻分析工具可以加速客流數(shù)據(jù)獲取，為短時(shí)客流預(yù)測(cè)預(yù)警提供時(shí)間。由于進(jìn)入車站的人員有可能并非乘客，采用車站進(jìn)出口獲取的客流數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)測(cè)存在過高估計(jì)客流的問題。在安檢門與進(jìn)出站閘機(jī)獲得的AFC 數(shù)據(jù)和紅外客流計(jì)數(shù)結(jié)果能夠更為精準(zhǔn)的監(jiān)控乘車人群數(shù)量。在交通繁忙地段，進(jìn)站閘機(jī)和安檢門也是客流減速區(qū)域，通常是客流流量的限制結(jié)點(diǎn)，因此，在一定程度上對(duì)沖了由AFC數(shù)據(jù)存儲(chǔ)傳輸導(dǎo)致的客流監(jiān)控時(shí)延問題。客流通行受限的另一個(gè)結(jié)點(diǎn)是換乘樓梯與自動(dòng)扶梯。由于客流通行較為緩慢，可采用通量式監(jiān)控設(shè)備與視頻監(jiān)控設(shè)備相結(jié)合，不僅能夠動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)乘客流量，而且能在通行擁堵的情況下做出預(yù)警，避免突發(fā)安全狀況。與換乘樓梯、自動(dòng)扶梯相比較，站臺(tái)的客流處于相對(duì)靜止?fàn)顟B(tài)，通量式監(jiān)控設(shè)備難以發(fā)揮效用，更適于布置視頻監(jiān)控設(shè)備，通過人臉識(shí)別抓取客流信息。此外，在站臺(tái)上加裝WiFi探測(cè)輔助設(shè)備，可以擴(kuò)大客流監(jiān)控的范圍，進(jìn)一步修正視頻監(jiān)控抓取的客流統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)。

3.2 客流監(jiān)控設(shè)備布置方案

現(xiàn)以如圖4所示的T 市某站點(diǎn)地下一層的客流監(jiān)控設(shè)備布置為例說明客流數(shù)據(jù)收集、統(tǒng)計(jì)以及預(yù)測(cè)的實(shí)現(xiàn)流程。視頻監(jiān)控設(shè)備主要分布于進(jìn)出口、上下行自動(dòng)扶梯、電梯、樓梯的出入口以及通道內(nèi)部。視頻設(shè)備的視野范圍存在交疊保證了客流監(jiān)控?zé)o死角與數(shù)據(jù)冗余。在進(jìn)行客流預(yù)測(cè)前，首先通過監(jiān)控設(shè)備捕捉客流影像。利用形狀與顏色特征提取乘客候選圖像，并由預(yù)訓(xùn)練的區(qū)域卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（Regions Convolution Neural Network，R-CNN）進(jìn)行乘客識(shí)別。在同一時(shí)段內(nèi)對(duì)不同視頻設(shè)備進(jìn)行乘客識(shí)別，從而篩除重復(fù)統(tǒng)計(jì)得到短時(shí)乘客流量。在圖4中，16 個(gè)進(jìn)出口閘機(jī)同時(shí)工作并提供AFC統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)。將同一時(shí)段的AFC 統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)與視頻監(jiān)控提取的客流數(shù)據(jù)進(jìn)行加權(quán)統(tǒng)計(jì)，得到更為可靠的短時(shí)乘客流量。將短時(shí)乘客流量按照工作日、節(jié)假日以及突發(fā)狀況日進(jìn)行分類，分別采用長短時(shí)記憶網(wǎng)絡(luò)模型（Long Short Term Memory，LSTM）進(jìn)行訓(xùn)練得到該站點(diǎn)在不同狀況下的客流數(shù)據(jù)預(yù)測(cè)模型。在日?？土鞅O(jiān)控過程中，提取實(shí)時(shí)監(jiān)控客流數(shù)據(jù)與AFC 統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)并通過LSTM 預(yù)測(cè)模型進(jìn)行客流預(yù)測(cè)，為城市軌道交通運(yùn)營的動(dòng)態(tài)調(diào)整提供實(shí)時(shí)參考。

圖4 T 市某站點(diǎn)地下一層的客流監(jiān)控設(shè)備布設(shè)位置

4 結(jié)語

隨著我國城市軌道交通里程的逐年攀升，城市軌道交通網(wǎng)絡(luò)逐漸完善，客流監(jiān)控、實(shí)時(shí)流量統(tǒng)計(jì)以及短時(shí)客流預(yù)測(cè)的重要性逐漸突顯。實(shí)時(shí)精準(zhǔn)的客流監(jiān)控不僅是實(shí)現(xiàn)短期客流預(yù)測(cè)的基礎(chǔ)，而且對(duì)合理調(diào)度列車開行班次，解決站點(diǎn)人流擁堵，防范安全風(fēng)險(xiǎn)，提升乘客出行體驗(yàn)也具有關(guān)鍵作用。城市軌道交通站點(diǎn)的日常監(jiān)控顯示客流流量具有明顯的周期性和方向性，皮爾遜相關(guān)性分析也顯示短期客流具有較強(qiáng)的時(shí)序相關(guān)性，說明利用客流數(shù)據(jù)進(jìn)行短期預(yù)測(cè)具有可靠性?？土鞅O(jiān)控的實(shí)現(xiàn)需要存量式客流監(jiān)控設(shè)備和通量式客流監(jiān)控設(shè)備在站點(diǎn)區(qū)間內(nèi)合理安裝。利用二者在客流監(jiān)控中的互補(bǔ)性能夠同時(shí)提升客流數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)的精準(zhǔn)度和及時(shí)性，為短期客流的高效預(yù)測(cè)提供數(shù)據(jù)支撐。