基于無線通信的城市軌道交通實時客流信息采集裝置研究

龍紅宇 黃發(fā)展 王 莉 陳思捷 吳韋微 王順利

(1.西南交通大學峨眉校區(qū)交通運輸系,614202,峨眉; 2.西南交通大學峨眉校區(qū)機械工程系,614202,峨眉;3.西南交通大學峨眉校區(qū)計算機與通信工程系,614202,峨眉//第一作者,本科生)

基于無線通信的城市軌道交通實時客流信息采集裝置研究

龍紅宇1黃發(fā)展2王 莉3陳思捷1吳韋微1王順利1

(1.西南交通大學峨眉校區(qū)交通運輸系,614202,峨眉; 2.西南交通大學峨眉校區(qū)機械工程系,614202,峨眉;3.西南交通大學峨眉校區(qū)計算機與通信工程系,614202,峨眉//第一作者,本科生)

通過單片機技術和無線傳輸技術,研發(fā)了一款針對城市軌道交通的實時客流信息采集裝置。 詳細介紹了該裝置的設計原理及其硬件構成和軟件設計。通過Matlab建立了模糊控制模型，仿真驗證了利用該裝置控制車廂內(nèi)CO2體積分數(shù)的設計思路可行性。

城市軌道交通列車; 客流信息采集; 無線傳輸; 模糊控制

First-author′s address Department of Traffic and Transportation,Emei Campus,Southwest Jiaotong University,614202,Emei,China

對成都地鐵各站臺乘客的隨機抽樣調(diào)查顯示,城市軌道交通具有人員流動性較大、密度大、空間相對較小的特點,且大多數(shù)乘客的出行習慣是選擇距樓梯較近的車門候車,導致列車車廂人數(shù)分布不均勻,乘客上下車時易出現(xiàn)擁擠現(xiàn)象,嚴重時易發(fā)生危險,影響行車安全。同時，車廂內(nèi)乘客較多會引起CO2體積分數(shù)增大、新風量不足,導致車廂內(nèi)空氣質(zhì)量不佳,使乘客出現(xiàn)頭暈、惡心等癥狀,影響旅客舒適度[1]。

在此背景下,設計通過單片機技術和無線傳輸技術,在每次列車到站停車后實時采集車廂內(nèi)的客流信息,經(jīng)由單片機處理,一方面將車廂擁擠程度信息傳輸給前方站信息顯示屏,協(xié)助站務員引導乘客安全候車,確保列車安全運營;另一方面在整列車大部分車門出現(xiàn)擁擠情況時,控制空調(diào)系統(tǒng)閥門開度,調(diào)節(jié)新風量,降低車廂內(nèi)CO2體積分數(shù),提高旅客舒適度。

1 實時客流信息采集裝置設計原理

1.1 設置乘客引導屏

通過問卷并調(diào)查分析出,大部分乘客上車后不會隨意走動,并愿意根據(jù)提示選擇較為空閑的車門候車,因此根據(jù)車門劃分,按區(qū)域在車輛地板下方安裝電阻應變式壓力傳感器。B型車的一節(jié)車廂共安裝4個壓敏傳感器,分別與每一對車門所對應區(qū)域相適應。在列車上下客完畢關閉車門后至起動發(fā)車前這一時間段內(nèi)進行壓敏測數(shù)(避免行車速度對于質(zhì)量的影響),從而獲得從本站出發(fā)時列車搭乘旅客及其行李的總質(zhì)量,并將壓力傳感器采集輸出的模擬量經(jīng)由AD(模擬-數(shù)字)轉換模塊轉換成數(shù)字量,由單片機通過模糊算法推測出當前車廂的擁擠情況(分為空閑、一般、擁擠三個等級)。經(jīng)APC 250無線傳輸模塊將各車廂擁擠狀況傳送給前方站對應站臺屏蔽門上的TFT-LCD(薄膜晶體管-液晶顯示器),以引導乘客選擇較為空閑的車門候車,同時可加強站務人員工作的針對性,減少搶上搶下事件的發(fā)生,確保列車安全運行[2]。

設計一個簡單的試驗來證明由質(zhì)量推測車廂擁擠程度的可行性。將較大的電子臺秤劃定1 m2的區(qū)域,讓盡可能多的人站在該區(qū)域內(nèi),當區(qū)域內(nèi)無法再站更多人時,讀出電子臺秤的數(shù)值。試驗結果如表1所示。由表1可知,雖然因個體性別、胖瘦等因素擁擠時的總人數(shù)不定,但總質(zhì)量均在一定的范圍內(nèi)。

表1 試驗結果

1.2 CO2體積分數(shù)控制

通過傳感器獲得的客流數(shù)據(jù)經(jīng)單片機采用模糊控制法分析后得到當前CO2體積分數(shù),與空調(diào)系統(tǒng)設定的CO2含量值相比較,若大于設定值,則根據(jù)質(zhì)量守恒定律,單位時間內(nèi)進入車廂的CO2體積減去單位時間內(nèi)由車廂排出的CO2體積等于車廂內(nèi)CO2的變化率,新風量等于排風量,從而進行車廂內(nèi)新風量的調(diào)節(jié)[3-4]。

1.3 設計流程

設計流程如圖1所示。

圖1 設計流程圖

2 實時客流信息采集裝置設計

2.1 硬件設計

2.1.1 質(zhì)量采集部件

常用的稱重傳感器有電阻應變片式傳感器、壓磁式傳感器、振弦式傳感器、電容式傳感器和陀螺式傳感器等。從安裝簡便性、成本和稱重精度三個方面綜合考慮,本裝置采用電阻應變式壓力傳感器(如圖2所示)。

電阻應變式壓力傳感器由在彈性元件上粘貼電阻應變敏感元件構成。稱量物體給傳感器的壓力作用在彈性元件上時,彈性元件的形變引起應變敏感元件的阻值變化,其通過轉化電路變成電量輸出。電量輸出的大小反映了被測物體的質(zhì)量的大小。該原理也是本裝置所需的程序代碼的依據(jù)[5]。

圖2 電阻應變式壓力傳感器照片

電阻應變式壓力傳感器具有精度高、測量范圍廣、壽命長、結構簡單、頻響特性好、適應性強等特點,能在惡劣條件下工作,易于實現(xiàn)小型化、整體化和品種多樣化,便于多點測量、遠距離測量和遙測，非常適用于旅客流動性較大的地鐵車廂。其容量為1 kg～1 000 t,完全可滿足使用要求。

出于成本上的考慮,本裝置使用的電阻應變式壓力傳感器的量程為5 kg。其模塊電路如圖3所示。

圖3 電阻應變式壓力傳感器模塊

電阻應變式壓力傳感器采集到的信息為模擬量,不能被主控芯片直接使用，故采用AD轉換模塊將模擬量轉換成數(shù)字量。為了提高轉換精度,決定使用HX 711(A/D)轉換芯片,如圖4、5所示。HX 711是一款專為高精度電子秤而設計的24位A/D轉換器芯片,具有集成度高、響應速度快、抗干擾性強等優(yōu)點。24位的精度是對傳感器采集到的模擬量轉換成數(shù)字量的精度保證。

圖4 HX 711 A/D轉換模塊

圖5 HX 711(A/D)轉換芯片實物照片

2.1.2 主控芯片

本裝置使用的主控芯片是型號為STC89C52RC的51單片機。STC89C52RC單片機是一種低功耗、高性能,以MCS-51為內(nèi)核的CMOS 8位微控制器,具有8 K的系統(tǒng)可編程Flash存儲器、1組USART串口、3個定時器中斷、32個普通I/O口。其片上系統(tǒng)的內(nèi)容完全能承擔本裝置所需的功能,相比市場上其他的ARM、AVR芯片,STC89C52RC單片機性能穩(wěn)定、功耗低,且價格便宜。STC9C52RC單片機如圖6、7所示。

圖6 STC89C52RC單片機電路圖

圖7 STC89C52RC單片機實物照片

車廂擁擠程度分為空閑、一般、擁擠三個等級，三個等級對應的載客量信息存儲在STC89C52RC單片機中。STC89C52RC單片機收集HX 711轉換處理后的數(shù)字量數(shù)據(jù),經(jīng)換算后,根據(jù)載客量的多少,確定車廂的擁擠程度，并將判斷結果通過無線傳輸模塊發(fā)送出去。實際車廂擁擠程度的分級與車廂的容量和所使用的電阻應變片式壓力傳感器的類型有關,本裝置中,為簡化模型,設定0～1 kg為空閑,1～4 kg為一般,4～5 kg為擁擠。

STC89C52RC單片機處理數(shù)據(jù)是基于電阻應變式壓力傳感器和A/D轉換模塊的。HX 711模塊A通道帶有128倍的信號增益,其對采樣電壓放大128倍后,采樣輸出24位AD轉換的值,單片機通過指定的時序?qū)?4位數(shù)據(jù)讀出。STC89C52RC單片機進行編程轉換數(shù)字量到實際質(zhì)量范圍的公式見文獻[10]。

2.1.3 無線傳輸模塊

APC 250無線傳輸模塊具有近2 km的傳輸距離,且傳輸速度快、抗干擾、靈敏度高,能夠透明傳輸任何大小的數(shù)據(jù),有利于實現(xiàn)站間距離較短的城市軌道交通的信息傳輸。

NRF24L01系列的無線傳感器模塊在低功耗以及穩(wěn)定性上都有較好的性能,不足之處在于NRF24L01的傳輸距離過短,即使使用鞭狀天線及增加運放，傳輸距離也只能達到500 m,不適用于地鐵站點間1～2 km的站間距。而增加信息傳送點會增加設備的投資成本及維修難度,且過多的接收與發(fā)送點會減小無線傳輸?shù)姆€(wěn)定性。

ZigBee是基于IEEE 802.15.4的一種低功耗、低速率、短距離的無線傳輸技術。相比NRF24L01,其在增加發(fā)射功率后,相鄰節(jié)點的傳輸距離可達到1～3 km,基本滿足我國城市軌道交通1～2 km站間距的現(xiàn)狀。但其比APC 250無線傳輸模塊成本高。另一方面,ZigBee的定位是短距離、低速率,若要使用,需將ZigBee的硬件射頻部分和單片機部分集成在一起,開發(fā)周期較長,設計復雜。

相比NRF24LO1系列芯片和ZigBee無線傳輸技術,APC 250是基于si4432芯片的一種穩(wěn)定的無線傳輸模塊,具有小功率、多通道以及高穿射能力等特點,能較好地適應地下隧道的環(huán)境。APC 250的多通道技術避免了其與地鐵現(xiàn)有的無線通信通道重復的可能性,從硬件上減少了地鐵載重信息誤傳的可能性。基于上述原因,選擇APC 250作為無線傳輸模塊。如圖8、9所示。

圖8 APC 250S無線傳輸模塊

圖9 APC 250無線傳輸模塊實物照片

2.1.4 顯示模塊

顯示模塊采用TFT-LCD(見圖10)。TFT可高速度、高亮度、高對比度顯示屏幕信息,且層次感強、顏色鮮艷,是最好的LCD彩色屏。采用TFT-LCD,便于用不同顏色來反映車廂內(nèi)的擁擠程度,給乘客以直觀感受。

圖10 TFT串口屏模塊

為了提高顯示及傳輸效率,將大部分顯示信息預先存儲在TFT屏的主控芯片上。TFT屏的主控芯片接收到無線模塊發(fā)送的顯示命令后,調(diào)用內(nèi)部的顯示庫,顯示預定的內(nèi)容。即模塊傳送的是顯示命令而不是顯示內(nèi)容,這樣可以減少數(shù)據(jù)傳輸量,提高傳輸效率。傳輸與顯示過程如圖11所示。

圖11 TFT屏的顯示過程

2.1.5 實物模型展示

綜合各方面因素,設計制造了一個小型的實物模型對過程進行模擬，以證明裝置的可行性。該實物模型共分為兩個部分，如圖12所示。

圖12 實物模型照片

圖12 a)的實物組成實現(xiàn)了乘客質(zhì)量的采集和分析,并將結果通過無線發(fā)送模塊發(fā)送給圖12 b)的實物組成。圖12 b)的無線接收模塊接收到數(shù)據(jù)并將結果通過顯示模塊顯示出來。在顯示模塊上,用紅、黃、綠以及擁擠、一般、空閑來表示列車擁擠狀態(tài)。

2.2 軟件設計

2.2.1 模型建立

以地鐵B型車為例,車廂定員為230人,車廂的體積為202.16 m3,乘客在車廂內(nèi)呼出的CO2為0.014 4 m3/(h·人),則定員時乘客釋放的CO2總量為0.000 92 m3/h;相關衛(wèi)生標準要求地鐵車廂內(nèi)的CO2的體積分數(shù)值不超過1 500×10-6,新風中CO2的體積分數(shù)為0.03%,設定新風閥門全開時輸入的新風量為6 000 m3/h。假設整個車廂內(nèi)CO2分布均勻,根據(jù)質(zhì)量守恒定律,單位時間內(nèi)進入車廂的CO2體積減去單位時間內(nèi)由車廂排出的CO2體積等于車廂內(nèi)CO2的變化率,新風量等于排風量,可得下式[4]:

式中：

V車——車廂的體積;

C——車廂內(nèi)CO2的體積分數(shù);

C均——車廂內(nèi)人均呼出的CO2的體積分數(shù);

C新——新風中CO2的體積分數(shù);

N——車廂內(nèi)人數(shù)；

Q——新風量。

具體控制過程為：首先由硬件采集的乘客擁擠程度信息得出閥門開度標準,然后將測得的CO2的體積分數(shù)與設定的滿足衛(wèi)生要求的CO2的體積分數(shù)(1 500×10-6)相比較,當CO2的體積分數(shù)值大于設定值時,經(jīng)模糊算法在閥門開度標準中選擇一個合理的空調(diào)閥門開度,即加大新風閥的開度,以增加進入車廂內(nèi)的新風量；當CO2的體積分數(shù)小于設定值時,則新風閥開度維持原值。

在實際運行中可根據(jù)歷史數(shù)據(jù),對客流量較大的車站提前采取CO2的體積分數(shù)控制措施,調(diào)節(jié)空調(diào)系統(tǒng),調(diào)整列車新風量,將CO2的體積分數(shù)控制在適宜范圍內(nèi)[8]。

2.2.2 CO2的體積分數(shù)控制仿真

2.2.2.1 控制算法的確定

比例積分微分(PID)自整定控制是建模仿真中廣泛應用的方法之一。PID控制最大的特點是它不是基于模型的控制算法,而是用控制目標與被控對象實際行為之間的誤差來產(chǎn)生消除此誤差的控制策略。其只適用于簡單的被控對象,對一些復雜的、具有大滯后、大慣性的對象則無能為力。乘客實時信息采集裝置是一個復雜的自適應式裝置,而地鐵的空調(diào)具有延時性較大,受非線性、干擾頻率和外界因素影響很大等特點,對精度的要求很高,若只是使用PID控制算法會存在很大誤差[6]。

模糊控制則很好地解決了這個問題。它對難以用已有規(guī)律描述的復雜系統(tǒng),采用自然語言(如大、中、小)加以敘述,借助定性的、不確定的及模糊的條件語句來表達[7]。模糊控制是一種基于語言的智能控制。因此，本文利用模糊控制器對車廂內(nèi)CO2的體積分數(shù)和新風量之間的關系進行調(diào)節(jié),從而改善乘車環(huán)境,提高乘客的舒適度[8]。

2.2.2.2 模糊控制器的設置

設三個模糊子集為{體積分數(shù)偏低,體積分數(shù)一般,體積分數(shù)偏高},變化范圍為[-1,1]之間變化的連續(xù)量;以當前的CO2體積分數(shù)為輸入變量，將其與裝置內(nèi)的等級標準對比，輸出結果為新風閥門開度{關閉,減小,不變,增大,全開}中的對應值。由于車廂內(nèi)CO2的體積分數(shù)以10-6為單位,數(shù)值較小,將實際的體積分數(shù)乘以1 000作為顯示值。

研究結果表明,用正態(tài)型模糊變量來描述人進行控制活動的模糊概念是適宜的。因此,確定誤差和誤差變化率的模糊變量呈正態(tài)分布,新風閥門開度變化的模糊變量為三角形分布[9-10]。根據(jù)所建立的輸入、輸出變量,確定以下5條控制規(guī)則:

if(體積分數(shù)is一般)then(新風閥is不變)

if(體積分數(shù)is偏低)then(新風閥is關閉)

if(體積分數(shù)is偏高)then(新風閥is全開)

if(體積分數(shù)is一般)and(誤差變化率is減小)then(新風閥is增大)

if(體積分數(shù)is一般)and(誤差變化率is增大)then(新風閥is減小)

確定隸屬函數(shù)以及控制規(guī)則后,便建立了一個模糊推論系統(tǒng)。利用Matlab軟件中的FIS編輯器可得到2個輸入和1個輸出的系統(tǒng)輸出曲面,如圖13所示。

圖13 模糊控制輸出曲面

2.2.3 仿真模型及結果

利用設置好的模糊控制器,通過CO2的體積分數(shù)、車廂體積等因素建立如圖14所示的模型。

圖14 仿真模型

仿真結果如圖15所示。假設初始CO2的體積分數(shù)為0,乘客200 s后進入車廂,仿真結果顯示,在300 s內(nèi)車廂內(nèi)CO2的體積分數(shù)急劇上升,當體積分數(shù)達到1 800×10-6時通過新風量閥門開度的變化調(diào)節(jié)車廂內(nèi)CO2的體積分數(shù),使CO2的體積分數(shù)降低,最終在800 s時將車廂內(nèi)CO2的體積分數(shù)穩(wěn)定在1 500×10-6,新風量也維持一個恒定值,從而為乘客創(chuàng)造舒適的乘車環(huán)境。

圖15 仿真結果

3 結語

本裝置設計針對于事故的預防,能有效降低乘客上下車的擁擠程度,減少事故的發(fā)生率,并且提高車廂內(nèi)乘客的舒適度。該裝置由硬件和軟件兩部分組成。硬件主要實現(xiàn)乘客信息的采集、分析、傳輸及顯示功能,為前方站的乘客引導及候車組織提供信息;軟件設計則先通過硬件采集的乘客擁擠程度信息得出閥門開度標準,然后將測得的車廂內(nèi)CO2的體積分數(shù)與設定的符合衛(wèi)生標準的CO2的體積分數(shù)相比較,再從閥門的開度標準中選擇合適的閥門開度,從而控制車廂內(nèi)的新風量,使車廂內(nèi)CO2的體積分數(shù)保持在一個使旅客舒適度較高的水平。

(王順利為本文通訊作者)

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Real-time Passenger Flow Information Collection in Urban Rail translt Based on Wireless Communication

LONG Hongyu, HUANG Fazhan, WANG Li, CHEN Sijie, WU Weiwei, WANG Shunli

With the development of single-chip microcomputer technology and wireless transmission technology, a new data acquisition equipment for the collection of real-time passenger flow information in urban rail transit is designed. The design principle, hardware configuration and software design are introduced in detail. Then, a fuzzy control model based on Matlab is set up, the feasibility of the design of the data acquisition equipment is simulated, it could be used to control the volume fraction of CO2 in the carriges.

urban rail transit train; passenger flow information collection; wireless communication; fuzzy control

U 29-39; U 293.13

10.16037/j.1007-869x.2017.01.023

2015-06-10)