基于車繼網及自適應主動吸收式易燃油氣檢測技術的公交安全預警控制系統設計與研究

（1.福建省交通科學技術研究所；2.福建省公路、水運工程重點實驗室，福州 350004）

基于車繼網及自適應主動吸收式易燃油氣檢測技術的公交安全預警控制系統設計與研究

■黃慶程 馮永寬

（1.福建省交通科學技術研究所；2.福建省公路、水運工程重點實驗室，福州 350004）

近年來公交安全事故接連發生，公交安全問題已引起相關部門的高度重視，隨著城市化進程的推進，公共交通的乘客量將越來越大，公交安全問題也將會變得更加嚴峻。本文通過分析當前國內公交車輛運行狀況，針對公交車輛安檢存在的不足，提出了基于車繼網和自適應主動吸收式可燃油氣檢測技術的公交安全預警控制系統成套解決方案，以滿足公交安全運行的需要。

車繼網 自適應 易燃油氣檢測 人臉識別 公交安全預警 控制系統

1 我國城市公交車安全現狀

公交車已作為現代城市交通重要的工具，為城市居民的出行提供了極大方便，隨著城市規模的擴大,人口將不斷增長，乘坐公交車出行的民眾也將相應增加，公交車現有的運營模式相比飛機、火車、地鐵等交通工具，其車站為開放式站點，客流量大、經停站多，且上下車頻繁，安檢相對薄弱，容易引發縱火、爆炸等安全事故，如：

（1)2016年9月15日早上7時5分許，深圳龍華新區大浪街道發生一起公交車起火燃燒事件，一名女性乘客在事件中死亡。起火原因是死者故意在車上潑灑并點燃汽油。

（2)2016年1月5日7時許，銀川市公交公司301路開往銀川火車站的公交車行駛到金盛國際家居廣場，突然發生火災，事故造成18人死亡，32人受傷。起火原因是由犯罪分子點燃攜帶的汽油引起的。

（3)2013年8月19日15點，河南省安陽市一輛安陽市區至安陽縣北郭鄉的公交車上發生一起持刀搶劫殺人案，造成10余人傷亡。

（4)2013年6月7日18時，廈門市一輛公交車行駛至BRT金山站附近時突然起火。該事故致47人死亡，34人受傷。起火原因源于犯罪分子點燃攜帶的汽油。

由于公交車空間狹小，逃生相對較難，每一次公交車事故的發生都會給人們的生命財產安全造成了極大的損失，給社會造成很大的負面影響。因此，加強公交車的安檢措施，為公交車配備常規的安檢設備，可大大提高乘客的生命財產安全。

通過對近幾年來發生的公交車縱火、爆炸事故分析，公交車重點安全防范應針對以下兩類：

(1)乘客有預謀地攜帶易燃易爆危險品上車，并企圖在公交車上制造火災、爆炸等犯罪行為來危害其他乘客的生命安全。

(2)犯罪嫌疑犯、在逃犯、肇事肇禍的精神病患者等重點人員乘車時有意傷害其他乘客或突然行兇。

2 公交車安全預警控制系統需求和設計原則

針對公交車兩類需要重點防范的對象，提出相應的安全需求：公交車配備的安防設備應能快速地檢測上車乘客是否攜帶了易燃易爆危險品；對于上車乘客，要能識別出是否有重點危險人員混在其中，提前做出預防性保護。一旦公交車安防系統檢測出異常情況，駕駛員能通過安防系統立即向管理人員或公安機關報告，對可能存在的安全問題進行防范并采取相應措施，以杜絕安全事故的發生。

公交車安全預警控制系統設計在技術上要求采用先進的技術，在性能上要具有高可靠性、穩定性、兼容性和良好的可擴展性等；在使用上要求設備朝智能化發展，具有全自動操作、非侵入性、安檢時間短，維護量低等特點；在外觀上要求設備盡可能的集成化和微型化，能在公交車入口處方便安裝。

考慮到公交車上電磁干擾強、粉塵濃度大和溫度變化范圍寬等狀況，安全預警控制系統在設計時應具有較強的抗電磁干擾和一定的自動除塵能力等，保證在惡劣的環境下設備能穩定、可靠地運行。

預警控制系統在安檢時可能出現誤報警和漏報警的情況，由于公交車安防關系到乘客的生命財產安全，在系統設計時應本著“寧可系統出現誤報，不可發生漏報”的原則，提高設備的靈敏度，同時兼顧系統的可靠性。

3 基于車繼網和自適應主動吸收式可燃油氣檢測技術的公交安全預警控制系統

依據公交車安全需求的設想和安全預警系統設計原則，建立一套基于車繼網及自適應主動吸收式可燃油氣檢測儀的公交安全預警控制系統，實現車輛視頻監控、GPS定位、遠程傳呼，車載動態信息交互等功能的預警系統。系統網絡傳輸采用車繼網技術，以“快速檢物，慧眼識人，即時溝通”三位一體的安檢策略，在技術上彌補公交車目前存在的安防短板，提高公交車運營安全性。

預警控制系統具體包含：車繼網、非接觸式易燃易爆氣體檢測裝置、人臉識別系統和安全預警控制系統平臺。

3.1 車繼網

3.1.1 車繼網工作原理

通過車載無線信號收發裝置將一定區域內的車輛互聯形成該區域內的車繼網。在車繼網中，聯網的車輛既是終端也是中繼點,發信點通過路由表查找從發信點到受信點之間的最佳路徑，發送的信息通過該路徑上其它車輛的轉發（中繼）最終到達受信點。如果在該區域內出現其它裝有本車載無線信號收發裝置的車輛，則兩車輛自動握手互聯并更新路由表，路由表記錄的信息包括車輛的位置、聯網的信號強度、車輛的移動方向等。一定區域內的多臺車輛互聯則形成車繼網，對于車輛較為稀疏的地區,可能出現車繼網無法覆蓋而形成的盲區,可以在該地區內插入作為中繼功能的固定節點；同時，可在車繼網中插入中心節點，作為車繼網信息整合與控制的中心。圖1為車繼網的示意圖。

圖1 車繼網示意圖

固定節點的位置信息是固定的，車載節點所在位置根據車載GPS信息實時更新，通過各個節點的位置信息可以精確計算出每輛公交車到指揮中心的最佳路由路徑，車載節點發回控制中心的信號通過該路徑上的各個節點的轉發，一級一級地發往指揮中心（接力棒模式）。如圖1中發送信號的公交車到控制中心的路由路徑有兩條，通過各個節點的位置信息可以精確計算出通過路徑1將信號傳送回控制中心比通過路徑2將信號傳回控制中心所需通過的轉發節點的數目少得多，同時需要傳輸的距離也比較短，所以選用路徑1進行信號傳輸。

另外，可以通過固定節點、中心節點將車繼網與其它網絡（如互聯網）對接，讓車繼網實現更加豐富的功能。

3.1.2 車繼網技術優勢

“車聯網”的概念在幾年前就已經被提出，作為“物聯網”在汽車領域的應用，車聯網被定義為：由車輛位置、行駛速度、行駛路線等構成的信息交互網絡，是一種向信息通信、環保、節能、安全等方向發展的車-網聯合技術[1]。在現行的車聯網方案中，車與車、車與人、車與路面之間的通信都是采用3G、4G等移動網絡，存在運用費用昂貴、信號不穩定、帶寬不足容易出現擁堵等弊端[2]。

針對以上存在問題,設計出利用車載無線通信設備搭建自組織網絡的方案，形成車車互聯的“車繼網”；并用“車繼網”取代GPRS、3G、4G等車載移動網絡，從而降低“車聯網”運營成本，解決現階段車聯網存在的信號不穩定、網絡帶寬不夠容易出現擁堵等巨大弊端。

目前，公交車上裝有監控視頻，存在3G、4G傳輸網絡帶寬不足以及網絡穩定性和流量費用較高等問題,無法實現與監管部門進行實時視頻圖像傳輸，使用基于車繼網的網絡系統，在公交部門內形成一個獨立的、快速響應的內聯網，可實現視頻圖像實時傳輸,還可以用來傳輸公交車的GPS、刷卡、車載電話等信息,并且管理、維護以及系統的升級擴展方便,能夠節省使用2G、3G、4G等進行數據傳輸所造成的大量運營費用。

3.2 非接觸式易燃易爆氣體檢測裝置

3.2.1 非接觸式易燃易爆氣體檢測裝置的組成

非接觸式易燃易爆氣體檢測裝置包括單片機、集氣風扇、易燃易爆氣體檢測傳感器、無線射頻收發器等。控制終端由語音報警、無線射頻收發器、GPS模塊、顯示屏等組成。

3.2.2 非接觸式易燃易爆氣體檢測的工作原理

非接觸式易燃易爆氣體檢測裝置的集氣風扇吸入工作環境中的氣體，并使其流經氣體傳感器；氣體中的易燃易爆氣體分子與氣體傳感器發生氧化還原反應，改變氣體傳感器的電阻值，并輸出對應的電壓；濾波降噪濾除傳感器輸出電壓中的噪聲信號；單片機控制A/D轉換器對濾波后的電壓進行模數轉換；把采樣數據實時存儲到存儲卡，以便后期有效地分析和挖掘利用；使用自適應算法對采樣數據進行綜合處理，判決易燃易爆氣體濃度是否超出危險值，是否需要報警；通過射頻收發器將采樣數據、報警信號等相關信息發送出去，終端控制的射頻收發器接收數據后，若有報警信號則啟動語音報警，同時在顯示屏上彈出文字和圖片等提示信息。

在公交車的每個出入口都配備一套非接觸式易燃易爆氣體檢測裝置，對每一位上車乘客自身和攜帶的行李包揮發出來的氣體分子進行識別分析，其檢測時間大致為1s，恰好是乘客刷卡或投幣所需時間，完全不會影響乘客上車。一旦檢測到易燃易爆危險品揮發氣體分子，立即通過無線方式將信息發送到駕駛員身旁的控制終端，控制終端發出報警信號，提示駕駛員，駕駛員首先確認是否有人故意攜帶易燃易爆危險品上車，若有，則按報警鍵通知相關管理部門，并可阻止此人上車。

3.2.3 非接觸式易燃易爆氣體檢測的技術優勢

由于公交車內氣體濃度存在實時變化且可能出現干擾問題，比如：公交車可能處于由堵塞導致產生高濃度尾氣的公路上，或者經過加油站區域等，若是使用傳統的“固定門限檢測法”，極可能導致設備經常發生誤報警，通過分析公交車內氣體濃度變化的狀況，提出了隨環境變化而變化的動態閾值算法，有效降低了誤報警率。

目前，國內大部分安檢設備都需要乘客配合，一旦配備在公交車上，將給乘客帶來極大不便，也影響了運營效率。針對公交車安檢的安全性和快捷性之間的矛盾，采用非接觸式安檢，在必經通道處安裝檢測設備，通過集氣風扇，即可完成不開包安檢，不會對乘客正常地上下車造成影響，實現了“快速檢物”。

3.3 人臉識別系統

3.3.1 人臉識別工作原理

人臉識別技術涉及到人體生理學、數字圖像處理、人工智能和模式識別等學科領域。根據人的臉部特征，首先判斷抓拍的人臉圖像是否存在人臉；若檢測到人臉，則提取每張臉中所包含的多種身份特征，比如每張臉的大小、人臉各部件輪廓點等信息；之后運用生物統計學方法建立人臉特征模板，并跟數據庫中的人臉特征模板比對；依據比對結果，即相似度的大小識別每張人臉的身份。

乘客在乘坐公交車投幣或刷卡時，大部分都會習慣性地扭頭觀察一下自己投幣或刷卡的行為，依據乘客這類共同的行為特征，能夠獲取高清攝像頭擺放的最佳位置，高清攝像機抓拍上車乘客人臉后，人臉識別系統將其與重點人員數據庫的所有人員信息進行識別比對，一旦發現乘客的信息在重點人員數據庫中，立即將該乘客的圖片和個人信息在控制終端的顯示屏上顯示，提示駕駛員，并將此人信息發送到后臺管理系統。

3.3.2 人臉識別主要技術內容

人臉識別的整個基本流程如圖2所示。

圖2 人臉識別基本流程

（1)人臉圖像采集。通過高清攝像機抓拍，獲取人臉圖像是人臉識別的基礎。抓拍乘客正面人臉，有利于提高人臉識別的準確率。

（2)人臉檢測。通過相應算法來檢測圖像中是否含有人臉。若存在人臉，則從圖像中提取人的面部圖像。

（3)人臉圖像預處理。攝像頭在抓拍人臉的時候由于光照強度、抓拍角度等干擾，會使圖像存在噪聲，通過光線補償等方法進行預處理。

（4)人臉特征提取。依據同一個人的臉部特征通常變化微小，而不同人臉的主要特征存在較大差異的特性。使用局部和整體結合的方式，完成人臉特征提取。

（5)人臉比對識別。對抓拍的人臉圖像提取的特征進行建模，再與所有在重點人員數據庫的人臉特征模板做相似度匹配，根據相似度是否達到某一量化的可信度指標，列出相似度最高的人員列表。

3.3.3 人臉識別算法

當前主流的人臉識別算法共有兩個方向，分別為：基于特征和基于圖像?；谔卣鞯淖R別算法容易理解，易于實現，但存在很大局限性；基于圖像的識別算法有著優秀的魯棒性與普適性。本系統采用基于圖像的人工神經網絡算法，該算法能夠克服光照、角度、表情等干擾，表現出較好的魯棒性。

人工神經網絡的神經元模擬人腦神經細胞，負責信號的接收和傳遞。大量神經元構成的人工神經網絡具有處理和記憶信息的能力，能夠實現人臉檢測及識別。人工神經網絡共包含三層，分別為：輸入層、隱含層（可分為多層）、輸出層。首先，對重點人員數據庫中的人臉圖像做歸一化處理，然后使用這些樣本訓練和測試神經網絡，根據輸出結果與預期值差異的大小，對網絡的參數做相應的修改，使得網絡的輸出結果更接近預期值，保證識別的準確性。

3.4 綜合安防管理系統

通過車距網，實現每輛公交車的終端控制設備與綜合安防管理系統平臺聯網，綜合安防管理系統可以實現安檢系統、報警系統和緊急救護聯動系統的有效整合，實現科學、全面的安防管理，綜合安防管理系統具有以下功能。

（1）報警管理

公交車上的非接觸式易燃易爆氣體檢測裝置和人臉識別系統一旦檢測出異常狀況，比如有乘客故意攜帶易燃易爆危險品上車或者乘客屬于重點人員數據庫的一員，經由駕駛員確認后，通過一鍵報警按鈕將信息（抓拍圖像、監測數據、公交車車牌和位置等）傳輸到綜合安防管理系統，綜合安防管理系統將定位公交車所在位置，并把經處理的圖像和監測數據顯示在屏幕上，由監控中心的人員依據信息采取相關緊急措施。

（2）重點人員數據庫管理

重點人員是指城市犯罪嫌疑人、在逃犯、精神病患者等政府重點管控人員。對重點人員的人臉圖像提取人臉特征信息，生成人臉模板存入數據庫中。重點人員數據庫管理具有的功能：人臉圖像檢測和建模、遠程實時添加新的重點人員信息到每臺公交車上人臉識別系統的數據庫、遠程實時刪除每臺公交車上人臉識別系統的數據庫的人員信息等。

（3）公交車安檢設備管理

公交車安防系統包含非接觸式易燃易爆氣體檢測裝置、高清攝像機、人臉識別工控機、終端控制等多種設備，所有設備均具有開機自檢功能，并會把檢測的數據傳輸到綜合安防管理系統。公交車安檢設備管理將對數據進行分析，判斷是否有設備出現故障，以便及時維修或更換設備，保證公交車安檢的有效性。

4 系統應用情況

2015年4月，系統在福州閩運公交310線路公交車上進行試用，當乘客攜帶可燃油氣類物品上車,非接觸式易燃易爆氣體檢測裝置立刻檢測出乘客攜帶危險品上車,并發出告警信息，提醒司機乘客可能攜帶可疑違禁物品，同時將信息（包括報警信號、圖像與視頻）自動傳送到監管中心。

2016年8月5日，在青島真情巴士集團有限公司展示的真情巴士智慧公交項目中，將此系統安裝在公交車上，并進行現場測試。首先，將一名工作人員的人臉信息錄入已有1000個成員的重點數據庫中，同時讓該工作人員手提可燃油氣危險品登上公交車，在上車時非接觸式易燃易爆氣體檢測裝置迅速發出報警信息，同時在屏幕上顯示此人照片，告知是重點人員及相關信息。

5 結束語

基于車繼網及自適應主動吸收式易燃油氣檢測技術的公交安全預警控制系統是集易燃易爆危險品探測、重點人員識別和即時報警的一體化系統，系統的建立將極大地彌補了目前公交車存在的重大安防漏洞，具有提醒、預防、警示及威懾作用，對上車乘客可能攜帶了易燃易爆危險品，非接觸式易燃易爆氣體檢測裝置的“快速檢物”功能，能迅速發現危險品，并發出告警信息；人臉識別系統能“慧眼識人”，迅速認出在重點人員名單中的乘客，提前預防其在公交車上可能制造破壞及發生危險；通過控制終端，公交車安檢狀況能實時反饋到綜合安防管理系統，實現“及時溝通”，一旦出現異常情況，管理人員能及時采取措施?？傊?，系統的使用將會為公交車運營安全提供強有力的技術支撐，為公眾的安全出行提供有力的技術保障。

[1]劉小洋,伍民友.車聯網:物聯網在城市交通網絡中的應用[J].計算機應用,2012,32(4):900-904.

[2]高工產研網站.GIII發布《2013年中國車聯網產業調研報告》[EB/ OL].[2013-07-24].[2013-11-07].http://www.gg-ii.com/gg/yjbg/qita/20130724/412.html#.