基于機器視覺技術的地鐵擁擠度提示系統的設計

江興盟

（河南省高速鐵路運營維護工程研究中心，河南鄭州，451460）

0 引言

本文提出設計基于機器視覺技術的地鐵擁擠度提示系統，在列車進站之前能夠提示乘客等候位置車廂的擁擠情況，乘客就能提前移動到人員較少的車廂位置等候，既提高乘客的乘坐體驗也提高了地鐵的運營效率。

1 技術方案

地鐵車廂立席乘客的空間舒適度方面的研究，吳奇兵等[2]引入地鐵車廂內乘客心理舒適度，結合乘客感知空間舒適性調查，建立乘客空間理論模型，并以此得到基于空間舒適性的立席密度評價標準，標準如表1所示。從而得出地鐵車廂內乘客的舒適感與立席密度有關，也就是與車廂實際人數的多少有關。

表1 基于乘客空間舒適性的立席密度

因此有效統計出地鐵車廂內實際人數，成為問題解決的關鍵。

目前，上海軌道交通12號線和深圳地鐵11號線采用了車輛稱重的方法，檢測乘客載重量，從而估算出列車載客人數。該方法主要通過在列車車廂的懸掛彈簧上安裝壓力傳感器，檢測計算出列車的承載重量，再根據乘客的平均體重計算出車廂載客人數。車輛稱重技術能夠實時反饋車廂乘客載重量，但由于地鐵運行中顛簸等原因，在載客人數與載重量之間的轉變上，無法確保數據的精準度與有效性。

本文采用的方法是運用機器視覺技術，通過攝像頭拍攝的視頻圖像結合智能識別算法, 檢測出車廂內部乘客的人數及擁擠度信息。地鐵擁擠度提示系統主要組成包括：車廂內機器視覺模塊、中心服務器、PIS服務器、車站顯示屏終端，如圖1所示。

圖1 系統結構圖

列車車廂安裝由攝像頭和前端處理器構成的車廂機器視覺模塊，通過對車廂內乘客人員的圖像采集，并將檢測圖像發送到擁擠度識別系統中進行識別檢測，通過分析計算，識別計算出車廂人員擁擠度情況，分為4個擁擠度等級，疊加車廂編號信息發送到車載監控主機。車載監控主機再疊加上列車編號，通過車地無線網絡實時傳送到中心服務器。

中心服務器匯總各運營列車的實時擁擠度數據信息，與PIS服務通信，由PIS系統進一步接收、解析，分別將對應列車數據發送到相應車站，并轉換成圖形界面，傳送到車站顯示屏，為乘客提供參考。

2 車載設備部分

通過地鐵車廂中安裝的攝像頭抓取圖像，送到前端處理器進行圖像分析，識別出車廂內擁擠度情況，疊加上車輛編號和車廂編號，通過網絡單播的方式，通過車地無線網絡轉發給中心服務器。

2.1 圖像獲取

由于地鐵車廂內部空間狹長，高峰時段非常擁擠，單臺攝像機無法覆蓋整個地鐵車廂。每節車廂內通常布置四臺攝像機，攝像機兩兩錯位拍攝，每臺攝像機監控范圍約6米。在高峰時間，車廂非常擁擠，乘客相互遮擋情況較為嚴重[3]。

通過實地調查和對比攝像機采集的圖像數據，發現單節車廂內乘客分布相對均勻，車廂中央通道區域具有明顯的不同擁堵程度的特征。因此，每節車廂都會選擇該區域內攝像頭的圖像數據進行分析。

2.2 圖像處理

根據地鐵車輛監控視頻的特點，不同位置的乘客在圖像中尺度不同，相互遮擋。在算法選擇方面，與Crowdnet、MCNN、SCNN等方法相比，CSRnet是計算擁擠人群密度的最佳回歸模型[4]。

CSRNet網絡可以理解高度擁擠的場景并執行準確的計數估計以及呈現高質量密度圖。該網絡主要包括前端和后端網絡兩個部分。

圖2 地鐵車廂中間位置采集圖像

前端網絡采用不含全連接層的VGG-16網絡，采用3×3的卷積核。研究表明，當感知域大小相同時，卷積核越小，卷積層數越多，模型優于具有較大卷積核和較少卷積層的模型。選用了VGG-16網絡的10層卷積層和3層池化層的輸出，獲得1/8大小尺寸的特征圖。卷積層數的增加會減少輸出圖像，增加生成密度圖的難度。因此，使用空洞卷積神經網絡作為后端網絡，在保持分辨率的同時擴展感知域，生成高質量的人口分布密度圖。

后端網絡采用空洞卷積神經網絡。定義一個二維的空洞卷積如下公式：

其中：x(m,n)是長寬分別為M和N的輸入圖像信息

y(m,n) 是經過卷積核w(i,j)得到空洞卷積的輸出參數r表示空洞率

如果r=1則空洞卷積就是普通卷積。實驗證明，空洞卷積利用稀疏的卷積核，實現交替卷積和池化操作，在沒有增加網絡參數和計算規模的前提下增大了感知域，更適合人群密度估計任務。而普通的卷積操作需要增加卷積層數才能獲得更大的感知域，而且也增加了更多的數據操作。空洞率為r的空洞卷積操作，KxK的卷積核會被擴大為K+(K-1)(r-1)。圖3中卷積核大小為3×3的感知域分別被擴大為5×5和7×7。

圖3 空洞卷積

后端網絡的六層空洞卷積層，空洞率相同。最后，使用1×1普通卷積層輸出結果。它的功能是有一個更大的接收字段，而不需要池化。與傳統的池化、卷積和上采樣操作相比，避免了池化導致的精度損失。

網絡結構如下：

填充所有卷積層以保持其原始大小[5]。圖中卷積層的參數表示為“conv-(卷積核大小)-(通道數)-(空洞率)”，其中最大池化層大小為2×2，步數為2。

將原始圖像輸入模型得到單通道圖(X/8,Y/8,1)，即預測的密度圖。將密度圖上的所有值相加，即預測的人數。密度圖上值大的表示該區域人流密集。最終，將檢測的擁擠度劃分為4級。

圖4 CSRNet的網絡架構

表2 地鐵車廂擁擠度劃分

2.3 數據通信

擁擠度信息采用JSON格式，并通過MQTT協議傳輸到中心服務器。MQTT（Message Queuing Telemetry Transport，消息隊列遙測傳輸協議））。它建立在TCP/IP協議上，，廣泛應用到物聯網領域。它基于發布/訂閱（pub/subscribe）模式“輕量級”的通信協議。JSON（JavaScript Object Notation）是一種輕量級數據交換格式，讀寫方便，也可以由計算機解析和生成[6]。

傳輸的數據包括車廂擁擠度等級，疊加車輛信息包括：當前站、下一站、車輛號、車廂號等通過車地無線傳輸系統傳送到中心服務器。

3 中心PIS服務器

地鐵PIS系統采用網絡數字多媒體技術實現信息服務功能。軌道交通系統在各車站的站臺、站廳和列車上設置了PIS顯示屏，使乘客能夠通過顯示屏及時了解列車的運行狀態和注意事項，并從容地等待、上車和換乘列車。

PIS 在正常情況下，提供列車時間信息、政府公告、出行參考等實時多媒體信息;在火災和阻塞情況下，提供緊急疏散信息[7]。

本系統在中心PIS服務器上，新增自開發的轉發軟件，其功能通過網絡組播方式，轉發至各車站的LCD控制器上。

4 車站LCD顯示屏提示

4.1 PIS系統顯示擁擠度信息設計方案

在車站的LCD控制器上，解析對應列車擁擠度數據，轉化為圖形化圖像傳送至LCD屏，并需保持其信息發布和消防信息聯動功能不變。

修改LCD控制器視頻信號流向，通過HDMI接口輸出。每個車站站臺LCD控制器新增一個HDMI轉換器，轉換器支持用控制器的USB端口供電。利用現有光輸出板、光矩陣等設備，其他視頻信號連接保持不變。

4.2 PIS系統顯示擁擠度信息界面設計

顯示器界面在原屏幕下方位置顯示乘客車廂客流密度信息，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。其他屏幕信息為原有PIS系統信息。提示系統顯示界面如下圖5所示。

圖5 提示系統顯示界面

5 結論

通過本系統在站臺的擁擠度的提示， 本系統可以對地鐵站臺客流進行有效引導，充分發揮乘客的主觀能動性，使乘客根據需要選擇在人員較少的車廂停靠的位置等候，方便快速舒適出行，既提高了乘坐體驗，同時，替代了車站人員的引導，節省了大量的人力，降低運營成本支出，提高運行效率。