基于多源數據的地鐵站客流動態監測與管控決策系統

陳維亞 蔡 適 蔣琦瑋（中南大學交通運輸工程學院，長沙 410075）

基于多源數據的地鐵站客流動態監測與管控決策系統

陳維亞 蔡 適 蔣琦瑋
（中南大學交通運輸工程學院，長沙 410075）

地鐵運營中常常面臨著高峰期大客流壓力。為了保證地鐵車站客流組織效率和站內乘客安全，本文設計并實現了一種基于多源監測數據的地鐵車站客流動態監測與管控決策系統。客流監測部分考慮地鐵車站客流的流線特點，在重要客流流線銜接點采取紅外感應、視頻識別和RFID等客流監測技術，并結合閘機客流數據，實現了動態監測車站客流的流向、流量和流速。管控決策部分基于地鐵車站客流組織的三級控制原理，建立了基于實時監測數據的車站客流動態管控決策模型。此外，設計并實現了信息發布功能模塊，實現對客流的實時信息誘導。系統應用將實現地鐵車站客流監測智能化、管控決策科學化、信息發布人性化，能夠有效提高地鐵車站客流組織效率和運營安全水平。

地鐵車站；客流組織；動態監測；管控決策

當前許多大中城市陸續進入地鐵時代，地鐵運營高峰期經常面臨大客流組織管理難題，巨大的客流也時常引發安全事故。近年來，很多軌道公司開始重視客流的科學化管控問題，并建立了具有針對性的客流管控預案，一定程度上起到了控制客流的作用。但目前地鐵客流的監測及管控普遍存在以下問題：（1）客流量統計和大客流識別過度依賴人工目測或視頻監控，客流數據精度較低；（2）站內大客流管控措施大多依賴經驗制定；（3）對客流在車站立體空間內的流線和動態演變機理缺乏清晰判斷；（4）大客流控制措施存在滯后性。因此，建立一套科學、動態的地鐵客流監測和管控系統具有重要的理論意義和實用價值。

目前，國內外在客流監測方面的研究主要有基于背景差分算法的視頻分析[1]、票務分析[2]、光流法視頻分析[3]等方法，多存在誤差大、滯后性、精度低等問題。在客流管控方面，多采用人潮控制原則的三級客流管控[4]制度，但關于客流管控的觸發指標與管控方案的優化方法有待深入研究。

1 地鐵客流控制系統設計

基于以上研究背景和現狀，本文提出一套系統方案，它能夠實時監測當前客流人數，獲取客流量的精確數據，并對客流進行動態管控和線網管控，對整條地鐵線路采取客流全面控制，同時人性化地疏導乘客、分散客流，提高運營效率。還能有效預警大客流高峰的到來，以便工作人員提前準備應對措施。

系統由客流監測模塊、管控決策模型、決策的仿真驗證和系統的平臺實現四部分組成。具體的設計內容如下：（1）設計了融合多種監測技術的客流動態監測體系，實現了客流數據采集的精度最大化；（2）提出了同時考慮運營效率最大化和乘客乘車安全最大化的客流控制觸發指標；（3）以三級管控為原理，建立了基于流速控制的動態決策模型，設計了基于空間均衡性的客流管控預案；（4）依照進站客流的行走特點，建立了基于元胞自動機的客流控制仿真；（5）開發了輔助決策顯示和信息發布軟件平臺，實時處理客流數據并動態生成決策。系統的總體結構如圖1所示。

客流監測模塊實時得到地鐵站內各區域的乘客數量、乘客流向等客流情況。管控決策模型根據客流監測模塊的數據生成多種管控決策方案。仿真模擬模塊能模擬采取控制措施，計算客流疏導所需要的時間，檢查決策方案的有效性，經過多次仿真模擬從而得出最佳決策方案。輔助決策顯示和信息發布軟件平臺把管控決策方案展示給車站工作人員，并通過廣播引導、LED顯示屏等方式引導客流。

系統各模塊的設計原理如下所述。

圖1 系統結構總圖

2 多技術客流動態監測方案設計

2.1 關鍵節點客流監測原理

在大型客運站內，旅客的流動過程和流動路線簡稱為旅客“流線”[5]。以進站客流為例，乘客由進站口進入車站后，依次通過安檢裝置。持有IC卡的乘客可選擇充值或直接進站，未攜帶IC卡的乘客在購買臨時單程票后由進站閘機進入站廳，然后通過樓梯或者自動扶梯進入站臺，等待地鐵車輛到達。出站客流同理。整個過程乘客依次通過安檢口、閘機、樓梯或扶梯這幾個關鍵位置，因此通過監測每個節點的客流通過情況，便可計算出車站客流的動態分布情況。以上述各隔斷設備為界，可將地鐵車站分為三個區域：非付費區、付費區和站臺區域[4]。在區域銜接的關鍵節點處，使用契合節點客流特征和運營設備特點的客流監測手段進行數據采集：在安檢門處采用雙向紅外計數手段，在閘機處利用閘機數據進行計數，在站廳站臺間的樓梯口處采用視頻識別計數，在站臺區域采用基于改進的RFID技術的電磁感應計數。這種不同節點多技術融合的客流檢測體系，考慮了客流流線規律，充分發揮了各種技術的優勢。

2.2 客流動態監測布設方案及關鍵技術

結合關鍵節點處的特征，對不同節點采取不同的客流監測方法：

（1）安檢處，通過安檢門紅外線計數設備監測客流。目前安檢門設備大多數已經具備計數功能，我們為安檢門的數據記錄庫開發接口，將安檢門客流統計數量傳輸到PC機決策平臺進行處理；對于沒有計數功能的安檢門，運用紅外對管技術（高低電平的變化），在原有安檢門處加裝紅外線計數設備監測客流。

（2）閘機處，閘機本身具有記錄乘客數量的功能，在原有閘機數據庫中開發數據調用端口，將閘機記錄的乘客數量傳輸到數據處理平臺進行處理。

（3）付費區樓梯處，通過視頻識別技術監測客流。在樓梯處上方利用樓梯的垂直安裝視頻識別攝像裝置，可以清晰地無遮擋地捕捉到通過樓梯乘客頭部肩部特征，通過特征提取分析得到進站乘客的數量。視頻計數的硬件設備為網絡攝像機、網絡硬盤錄像機、網絡交換機和客戶端主機，軟件模塊包括視頻圖像采集及處理、特征提取與分類、模板匹配及目標跟蹤、人員計數和數據處理系統。

（4）站臺區域，通過RFID技術遠距離統計乘客數量。利用RFID雙頻電子標簽不僅可以實現在閘機處的刷卡扣費功能，而且可以實現在站臺區域遠距離計數功能。對現有IC卡和地鐵票進行改造，在站臺區域通過統計IC卡和單程票來統計站臺乘客數量，超高頻RFID的吸頂式閱讀器安裝在站臺區域，其發射超高頻電磁波和接收雙頻電子標簽的距離最遠可達30米。

以長沙地鐵2號線某站為例，紅外設備、視頻采集設備和RFID吸頂式閱讀器的布設位置如圖2和圖3所示，圖3中顯示的為3個布置位點。

2.3 客流動態監測方案的技術經濟特征

客流監測設備是實現客流動態監測的基礎，各個監測技術的精度、監測設備的成本等問題是監測方案可行的基本保障。通過分析各種監測技術的應用案例和相關計數精度研究的文獻[6]，得到客流監測技術的計數精度，見表1。

圖2 節點設備布設位置

圖3 站臺RFID吸頂式閱讀器布置

表1 監測技術精度

客流動態監測成本包括硬件設備成本和軟件成本。軟件成本與產品生產商的不同、實現功能的不同和硬件設備的數量等因素有關。隨著硬件設備數量的增加，其相應配套的軟件成本逐漸降低。結合當前設備的市場報價，以長沙地鐵2號線某站為例，客流動態監測設備成本預算情況如見表2。

表2 監測技術成本

3 基于流速控制的動態決策模型

3.1 客流控制分析

通過以上分析，對地鐵站內客流流線關鍵節點處進行監控可獲取地鐵站非付費區、付費區、站臺的實時客流。當各區域客流達到擁擠時，為保證地鐵車站的運營安全，需對各區域的人數進行控制。本系統在關鍵節點處采取管控措施，通過控制關鍵節點的客流流速來控制每一區域的實時客流數量，避免發生事故。本文采用三級客流管控方法，當站臺區域客流擁擠時，啟動一級客流控制，以站廳與站臺間的樓梯口處為主要控制點控制進站客流；當付費區客流擁擠時，啟動二級客流控制，以閘機口處為主要控制點進行控流；當非收費區客流擁擠時，啟動三級客流控制，以安檢和進站口為主要控制點進行控流。根據這個原理，可建立客流管控模型，模型建立流程圖如圖4所示。

圖4 決策模型流程圖

3.2 模型的建立

通過融合多技術的客流動態監測方案，可記錄進站口、安檢門、閘機、各扶梯及電梯、站臺區的客流速率，通過各節點的客流速率可累計計算出非付費區、付費區、站臺的實時客流數據。用實時客流數據與各區域可容納的乘客數量進行比較，確定管控方案等級，以此建立管控決策模型。計算過程及各隔斷設備所涉及到的參數說明見表3。

表3 相關參數說明

當站臺人數達到一級客流警報值，即p4≥0.8×P4時，啟動一級客流控制。此時，付費區樓梯口處客流流速應滿足：

依照三級控制的人潮控制原則，進站口、安檢、閘機處的客流流速應滿足：

各區域滯留客流量也應滿足對應區域的客流限制數量：

同理，當付費區人數達到二級客流警報值，即p3≥ 0.6×P3時，啟動二級客流控制。此時，各截斷設備處的客流流速及各區域人數應滿足：

當非付費區人數達到三級客流警報值，即p2≥0.6×P2時，啟動三級客流控制。此時，各截斷設備處的客流流速及各區域人數應滿足：

綜合公式（1）到（10）可建立地鐵站客流動態管控決策模型如下：

其中：Pi為各區域有效面積（Si）與客流控制參考密度（ρ（i）＝α（i）×ρ1（i）＋ρ2（i））的乘積。服務水平密度[7]ρ1（i）和安全疏散密度[8]ρ2（i）根據車站實際情況分別被賦予不同的權重α（i），β（i）。

3.3 模型求解

本模型為不等式方程組，輸入相關參數和實時客流數據，通過模型計算得出各隔斷設備開啟數量方案，結合車站實際并通過客流仿真系統可得到最優管控方案。模型求解步驟如下：

Step 1：根據實際地鐵站的設計參數和《地鐵設計規范》，對各隔斷設備的相關參數進行賦值；

Step 2：根據實際地鐵站的平縱設計參數，得到各區域的有效面積（Si）及最大容納客流量（Pi）；

Step 3：根據管控決策平臺處理的數據，計算得到當前時刻距離下輛列車到達的時間間隔和當前各區域人數pi；

Step 4：將以上數值代入方程組，可得到Ns1、Ne1、N閘機、N安檢、Ne2、Ns2的值，即當前客流狀況下對應的隔斷設備開啟數量的方案。

4 客流仿真及信息發布子系統

4.1 基于元胞自動機的客流仿真

本系統針對地鐵站內的進站客流具有目的性強、行走流線和前行速率受隔斷設備約束等特點，采用元胞自動機（Cellular Automaton， CA）模型模擬地鐵客流。引入客流組織措施的干擾，可直觀地通過客流仿真對管控決策的效果進行評估、反饋。模型主要包括行人移動間隙計算規則、換道規則和前進規則，以及部分行人元胞運動決策圖（圖5）。

以長沙地鐵2號線某站為例，依據其平面設計、硬件設備參數，進行客流運動及三級客流控制的仿真，結果分為四種狀態（圖6）。

通過客流仿真，一方面可以預判客流的動向，另一方面可以預估和評價客流組織策略的實施效果。

4.2 信息發布系統

與上述客流監測和決策模型的設計相對應，開發了具有決策顯示和信息發布等功能的人機交互平臺。平臺分為車站參數設置模塊、客流監控工作模塊、人性化引導信息發布模塊和數據查詢模塊（圖7）。

平臺的基礎功能模塊分區界面及客流查詢界面如圖8、圖9所示。

該軟件作為系統中決策結果的展示平臺和人機交流平臺。智能管控決策軟件可以在終端顯示科學的決策方案，輔助地鐵站工作人員工作，能夠最大程度地減輕工作人員的工作量。軟件具有可視化、易操作、易學習的特點，界面簡潔美觀、清晰明了。

5 結論

（1）根據地鐵站不同區域的客流特點，在合理利用閘機、安檢門等原有設備的基礎上，融合多種監測技術，實現了對車站客流的實時監測。

圖5 部分行人元胞運動決策圖

圖6 長沙地鐵2號線某站客流仿真

圖7 平臺功能模塊劃分

圖8 平臺的功能分區界面圖

圖9 線路網客流查詢功能界面

（2）基于服務水平和安全疏散水平設定了客流控制觸發指標，以三級控制為原理，建立了基于流速控制的客流管控動態決策模型。

（3）基于元胞自動機的客流仿真實現了對管控決策的模擬，從而實現對管控方案的驗證和評價。

（4）集監測、決策為一體的地鐵大客流動態監測和管控決策系統可減少工作人員工作量，提高地鐵運營服務水平，降低事故發生概率。系統可推廣應用到不同城市地鐵車站，具有良好的前景。

[ 1 ] 李娜，方衛寧. 基于視頻流的地鐵人群目標識別[J].北京交通大學學報，2006，30(1):96-99.

[ 2 ] 劉海濤. 基于票務信息的軌道交通客流實時監測系統的研究[D]. 西南交通大學，2011.

[ 3 ] 陳亮. 基于光流法的視頻技術在地鐵客流監測中的應用[J]. 城軌交通，2013，10(1):58-62.

[ 4 ] 葉麗文，楊奎. 基于客票數據的城市軌道交通車站客流控制決策研究[J]. 都市快軌交通，2015(03): 16-19.

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[ 6 ] 高成英，劉寧，羅笑南. 基于序列圖像的實時人流檢測與識別算法研究[J]. 計算機研究與發展. 2005(03): 431-438.

[ 7 ] National Research Council. Highway Capacity Manual 2000[M]. Washington， D. C. 2000.

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Dynamic monitoring and control system for metro station passenger organization based on multi-source data (School of Traffic and Transportation Engineering , Central South University ,Changsha 410075)

Chen Weiya Cai Shi Jiang Qiwei

Metro operators are often faced with large passenger flow pressure. In order to ensure the operational efficiency and the safety of metro station , a dynamic monitoring and control system for passenger management in metro station based on multi-source data is designed and implemented. The line characteristic of passenger flow is considered in the monitoring part. Combined with data from automatic turnstile system , the infrared sensors , video identification technology and RFID are used to monitor the direction , volume and speed of passenger flow dynamically in important joint-points. A mathematical model was established based on real-time monitoring data and the three-level control principles of passenger management for controlling and decision-making .In addition , the function module of information release is designed and implemented to guide the passengers in real time. The system can intelligentialize the monitoring of passenger flow , help to make decisions scientifically and publish information timely and accurately , improving the efficiency and safety of passenger management in metro station significantly.

metro station; passenger organization; dynamic monitoring; control decision

U231+.92

A

湖南省交通廳科技進步與創新計劃項目（201244）