基于圖像采集技術的地鐵站臺客流引導系統研究

龐夢圓，杜彥君，厲超吉，劉鑫，薛健

(山東科技大學，山東青島266000)

基于圖像采集技術的地鐵站臺客流引導系統研究

龐夢圓，杜彥君，厲超吉，劉鑫，薛健

(山東科技大學，山東青島266000)

地鐵快速發展帶來的高密度客流沖擊，對地鐵的運行效率，乘客出行的快捷性、實時性、舒適性造成了一定的影響。基于以上問題，對客流分布進行研究并提出基于圖像采集技術的地鐵站臺客流引導系統，此系統是基于車廂內的攝像頭采集客流信息，通過地鐵運營方的數據庫與處理中樞對客流信息進行分析處理，得出客流引導信息，同時顯示在站臺門上側的屏幕上，實時顯示列車客流信息。結果表明，通過本系統對于客流的引導，可以部分代替引導人員的安排，節省了大量的人力，使乘客快速舒適出行，可以有效提高地鐵運行效率。

地鐵;客流統計;下車率;信息顯示;引導系統

地鐵是在中國經濟快速發展、國內各大城市的交通擁堵現象亟待解決的形勢下應運而生的，它解決了部分交通擁堵的現象，將大部分客流移到了地下或高架，增大了城市的可利用空間。目前，在地鐵的運營過程中不難發現，車廂內乘客分布不均，造成了車廂內空間利用率下降，從而導致運行效率降低;站臺內專門安置客流引導人員，浪費大量人力物力，且引導效率低下。筆者在利用乘客數據采集系統采集乘客信息的基礎上，將信息與預測下車率進行運算，得出一個較合理的車廂提示信息，同時利用站臺顯示屏的方式對車廂提示信息實時顯示，增大乘客的主觀能動性。

1 客流分布特征

通過分析研究相關資料［1］以及網上調查問卷的結果［2］，對于地鐵客流的分布規律得出了以下結論:

1)乘客在站臺分布是不均勻的，且候車位置間差異較大;

2)候車乘客的分布受站臺建筑特性的影響較大，站臺入口處形成乘客分布高峰;

3)乘客具有到近距離站臺位置候車的傾向;

4)同一列列車不同車廂內的乘客密度有明顯差異，列車兩端車廂內乘客密度相對最少，車廂內分布不均勻，靠近司機室的一端乘客密度較小，而另一端密度較大;

5)超過80%的人希望行走的距離在50 m以內，有70%左右的人愿意走一定的距離而去寬松的車廂，有接近90%的人希望有對于車廂內客流信息的提示來引導乘客更加舒適快捷地出行。

2 系統設計

2.1 數據采集

2.1.1 基本研究方法

目前地鐵車站內客流的統計主要通過票務系統進行，尚無法統計運行過程中車廂內的客流量。因為地鐵車廂高度有限制，所以導致視野范圍局限，無法滿足現有視頻客流監控系統的安裝要求。通過對運動目標的檢測和跟蹤算法的研究分析，針對地鐵車廂視野范圍有限、易造成目標遮擋等問題。現有的解決方法有以下幾個方面:

采用單目攝像機垂直采集方式［3］，使得在視野范圍有限的條件下也能有效檢測到乘客目標。光流法［4］、對比幀差法和背景差分法等檢測方法，是著重研究基于高斯背景建模的目標檢測方法［5］，探討背景模型建立和更新方法，用來減輕光照變化、抖動等外界環境變化造成的影響。利用Canny算子邊緣檢測［6］提取頭部目標輪廓，并利用最小二乘法進行橢圓擬合，提取到較為完整的頭部目標。由于傳統的簡單閾值法的目標分割精確度較低，所以采用最大類間差OTSU法自適應調整閾值分配，以提高前景運動目標分割的準確性。

針對大客流的情況，由于遮擋造成目標跟蹤準確度較低，所以研究Camshift跟蹤算法［7］和Kalman濾波狀態估計相融合的改進算法，利用Kalman預測值作為遮擋目標的跟蹤計算最優位置和Kalman濾波更新的觀測值，來有效改善遮擋時目標跟蹤不準確的問題。同時，建立四線型乘客目標統計模型，通過軌跡分析的方法來統計乘客上下車狀態。

2.1.2 車廂與站臺攝像頭客流采集方法

1)車廂內客流統計。城市軌道交通列車視頻監控系統是一套對于列車情況進行監控的系統，列車視頻監控系統包括車內監控和傳輸、控制中心監控兩個部分。將車廂內客流數據的采集過程直接嵌入到地鐵的安全監控系統中，既節省了大量的設備成本，又實時采集了車廂內客流信息。

2)站臺內客流統計。對于站臺內的客流統計，以6節編組的B型車為例。在站臺內每一屏蔽門上設置1個攝像頭，每4個攝像頭為1編組，通過上述方法采集在屏蔽門前排隊乘客的客流信息。

2.1.3 數據采集步驟

1)視頻圖像采集。完整地采集視頻圖像是獲取目標圖像信息的前提，本研究將信息采集過程嵌入地鐵原有監控系統中，對地鐵車輛內上下車客流情況進行有效采集，并通過圖像處理硬件系統進行處理。

2)運動目標檢測。獲取到視頻圖像信息后，就可以通過視頻圖像分析來提取運動目標，檢測出圖像序列中目標出現區域，并對多個區域進行分割，以實現頭部目標的提取。提取到的運動目標信息為后續目標跟蹤與計數提供基礎數據，直接影響到后期圖像處理與分析效果。

3)運動目標跟蹤。由于人體運動存在一定主動性，計算機難以自主判定其運動軌跡，因為目標跟蹤可獲得運動目標在每一幀圖像中存在的位置信息，所以它是有效判定目標運動方向的方法，可為進一步的客流統計提供可靠數據。

4)方向判定與計數。通過運動目標檢測與跟蹤，可以準確提取出目標運動信息，結合相應的計數策略，可對運動軌跡進行分析，進而實現目標計數。

5)統計結果輸出。統計出的數據結果可通過通信總線、以太網等通信技術，與司機室數據中心進行客流數據信息交互，實現客流狀態的監控。

2.2 數據處理

2.2.1 下車率的預測

1)城市軌道交通下車客流預測概況。我國軌道交通近些年發展尤為迅速，但軌道交通系統投資很大，其運行成本隨著客流量的增加呈現下降趨勢，在設備使用率高的條件下，軌道交通系統的平均成本可以做到比公交系統的成本更低［8］，因此，科學的客流預測對于發展城市軌道交通系統的可行性研究，以及軌道交通建設規模、軌道交通現網布局規劃、建設水平等問題的決策都有著極其重要的作用。

2)下車率預測方法。本文采用時間序列預測法中的簡單序時平均數法進行下車率的預測。時間序列預測法是一種歷史資料延伸預測，也稱歷史引伸預測法，是以時間數列反映社會經濟現象的發展過程和規律性，進行引伸外推，預測其發展趨勢的方法。簡單序時平均數法也稱算術平均法，即把若干歷史時期的統計數值作為觀察值，求出算術平均數作為下期預測值。

前期統計在n周時間內各站點每周j的第i段時間的下車率。下車人數計算公式為

式中，m為第i段時間內經過該站的車輛數;Kij為n周時間周j第i段時間的平均下車量;A為n周時間周j第i段時間每輛車的下車量;Bi為第i段時間的下車率;C1，2，3…6為第1，2，3…6節車廂人數。

2.2.2 數據的處理

1)地鐵車廂具體參數。現有國內地鐵車輛中主要有A型、B型和C型3種類型，本文研究基于B型車輛參數(見表1)。

表1 B型車輛載客能力［9］Tab.1 Passenger capacity for vehicle B

2)擁擠度范圍的確定。①根據人體相關尺寸資料顯示［10］，女性投影面積小于男性。所以，當基本滿足男性乘客的舒適空間范圍時，對于女性乘客也普遍滿足。根據美國交通運輸研究委員會頒布的《公共交通通行能力和服務質量手冊》(第二版)［11］，關于男性乘客在不同乘車方式下對乘車空間要求的推薦值規定，當乘車空間范圍大于0.35 m2/人，即乘客乘車方式為攜帶嬰兒車或者自行車等大型尺寸的物體時，多數乘客可在公交車內自由移動，感到舒適;當乘車空間范圍小于0.25m2/人時，即乘客乘車方式為抱持支柱，乘客幾乎不能在所站立的空間內自由移動，感到擁擠。②根據車廂載客能力得到地鐵車廂定員人數為6人/m2，超員人數為9人/m2，結合兩種影響因素確定最終擁擠度范圍(見表2)，其中a表示站立的人數/m2。

表2 擁擠度范圍Tab.2 Congestion range

3)擁擠度的預算。到站乘客下車后車廂所剩人數

在地里勞動的時候，我腦子里就默誦這些詩文以為樂趣。農村的很多活是簡單勞動，完全可以既干活腦子里又想問題的。有一次我在鋤地的時候，腦子里忽然跳出了《古詩十九首》中第一首的四句詩：“胡馬依北風，越鳥巢南枝，相去日已遠，衣帶日已緩。”我想這是說從胡地來的馬，依戀著北方吹來的風，從南方越地來的鳥，筑巢也要筑在向南的樹枝上，就是說無論是胡馬還是越鳥，都懷有思鄉的情緒。最后的一個“緩”字，我長期不得其解，這時忽然悟到，“緩”就是“松”，就是“寬”的意思，這樣也就明白了下面兩句是說離別已經很久了，衣帶也顯得寬松了，為什么寬松，因為想念親人瘦了。

車廂擁擠度

每節車廂可上車人數預計算

式(4)～(7)中，Dt為到站乘客下車后第t節車廂所剩人數;G為B型列車車廂可用面積;F為每節車廂擁擠上限(以6人/m2為標準，每節車廂約240人);H為每節車廂超員上限(以9人/m2為標準，每節車廂約360人); Et1為每節車廂至定員上限可上車人數;Et2為每節車廂至超員上限可上車人數。

4)提示信息處理，包括擁擠度的處理、可上車人數信息處理、系統流程圖(見圖1)。

圖1 系統流程圖Fig.1 System flow chart

擁擠度的處理是對擁擠度范圍以及由實際數據得到的擁擠度進行比較:

由于下車率計算是歷史經驗值，存在不可避免的誤差，所以對可上車人數進行估算處理。

2.3.1 基于PIS的信息顯示屏設計

1)乘客信息系統(PIS)。乘客信息系統(PIS)是依托多媒體網絡技術，以計算機系統為核心，通過設置站廳、站臺、列車的顯示終端，讓乘客及時準確地了解列車運營信息和公共媒體信息的多媒體綜合信息系統;也是地鐵系統實現以人為本、提高服務質量、加快各種信息公告傳遞的重要設施;是提高地鐵運營管理水平、擴大地鐵對乘客服務范圍的有效工具。

2)站臺PIS信息類型。由于PID屏的尺寸有限，需要結合不同信息對乘客的效應篩選出乘客需要的關鍵信息，剔除對乘客效應較低的信息或者是在其他位置已經提供給乘客的重復信息。結合本研究內容，在顯示屏上主要顯示的信息為:本站站名、行車方向、當前時間、列車到站時間、車廂擁擠度、預測可上車人數。

2.3.2 PID信息顯示屏的設計

PID(passengers information displayer，PID)，即乘客信息顯示屏，作為PIS系統中乘客信息發布的窗口，其發布內容由PIS系統控制，直接向乘客顯示信息。擬采用DLP顯示屏，目前地鐵大都使用DLP顯示屏，其使用壽命遠大于LCD顯示屏。

如圖2所示，界面的主體位置用于顯示列車乘客擁擠度和預計可上車人數，利用列車示意圖的顏色來表示車廂乘客擁擠程度，其中綠色代表擁擠程度為舒適，黃色代表擁擠程度為適中，橙色代表擁擠程度為擁擠，紅色代表擁擠程度為非常擁擠。利用數字分別表示各車廂可上車的最適人數(到達定員上限)和最大人數(到達超員上限)。界面右側顯示列車到站時間信息，下側顯示文字引導信息，上側顯示站點信息以及時間。

由于地鐵安全門上方位置大多空閑，且高度可以讓站臺內大多乘客看到，所以將顯示屏置于安全門上方。

圖2 屏幕設計Fig.2 Message display

3 結語

對于日益擁擠的城市交通，地鐵越來越成為城市交通的骨干，隨之而來的必然是高密度客流對地鐵車站的沖擊，如何有效解決高密度客流對地鐵運行效率的影響，使乘客安全快速舒適地出行，必然會成為地鐵課題研究的一個方向。對于現行所存在的問題，本系統在一定程度上解決了以上問題，其優點及應用前景主要有以下幾點:

1)降低運營成本支出，節約運行成本。通過本系統對于客流的引導，可以完全代替引導人員的安排，節省了大量的人力，而且更加科學、系統地引導客流。通過融入城市軌道視頻監控系統來采集客流信息的方法，在不增加其設備支出的前提下，完成對客流信息的采集與安全監控的雙重作用，節省了大量的設備支出資金。

2)完整的理論支持。對于整個系統的設計、建設、運行，都有成熟的理論技術支持，對于現行的技術完全可以實現所預期目的。

3)充分發揮了乘客的主觀能動性。對于現行的安排引導人員的方法，乘客會有排斥的心理，其效果并不明顯，而此系統主觀地為乘客舒適快速出行提供了幫助，從乘客本身出發解決其排斥心理，多數乘客會服從客流提示信息，引導效果更加明顯。

4)乘客快速舒適出行，有效提高地鐵運行效率。通過本系統的客流引導，可以使客流進行合理的分布，使高密度的客流在最快的時間內疏通。

［1］張一萍.PIS信息對乘客候車行為的影響［D］.北京:北京交通大學，2014.

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［2］問卷星［EB/OL］.(2016- 01- 18)［2016- 04 25］.http://www.sojump.com/report/7021117.aspx.

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CHEN Hongxi.Edge Detection of Canny Operator Based on the Edge Preserving Smooth Filter［J］.Journal of Lanzhou Jiaotong University，2006，25(1): 86- 90.

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WANG Ran.Improved algorithm for moving target tracking based on Camshift algorithm［D］.JiNan:Shandong U-niversity，2012.

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SHEN Jingyan.Content and application of passenger flow forecast in Urban Rail Transit［J］.Urban transportof China，

(編輯:郝京紅)

Using Image Acquisition Technology to Develop Passenger Movement Guidance System for Subway Station Platform

PANG Mengyuan，DU Yanjun，LIChaoji，LIU Xin，XUE Jian
(Shandong University of Science and Technology，Qingdao 266000)

Large passenger flows appearw ith the rapid developmentof urban rail transit in recent years，which has exerted some influence on the convenience，com fortand efficiency of traveling.Therefore，a passengermovement guidance system using image acquisition technology is proposed after the passenger distribution is examined.The system collects the flow information through the cameras installed in the car and analyzes the information through the database and the processing center of the subway operator.Then the guidance information will be presented on the screen above the screen door timely.The results show that，the guidance system can partly replace the arrangement of the guidance personnel，save a lotofmanpower，andmake the passengers travel quickly and com fortably.

metro;passenger flow statistics;transfer rate;information presentation;guidance system

U231.4

A

1672- 6073(2017)02- 0037- 05

10.3969/j.issn.1672 6073.2017.02.008

2016- 04 25

2017 01 06

龐夢圓，女，本科，研究方向為交通工程，624905279@qq.com

山東省自然科學基金(ZR2016EEB06)